Използването на ядрена енергия в съвременния свят е толкова важно, че ако утре се събудим и енергията на ядрена реакция изчезне, светът, какъвто го познаваме, вероятно ще престане да съществува. Мирът е в основата на индустриалното производство и живота в страни като Франция и Япония, Германия и Великобритания, САЩ и Русия. И ако последните две страни все още са в състояние да заменят ядрените енергийни източници с топлоцентрали, то за Франция или Япония това е просто невъзможно.
Използването на ядрена енергия създава много проблеми. По принцип всички тези проблеми са свързани с факта, че използвайки енергията на свързване на атомното ядро (което наричаме ядрена енергия) за собствена полза, човек получава значително зло под формата на силно радиоактивни отпадъци, които не могат просто да бъдат изхвърлени. Отпадъците от ядрени енергийни източници трябва да бъдат преработени, транспортирани, погребани и съхранявани дълго време при безопасни условия.
Плюсове и минуси, ползи и вреди от използването на ядрена енергия
Помислете за плюсовете и минусите на използването на атомно-ядрена енергия, техните ползи, вреда и значение в живота на човечеството. Очевидно е, че само индустриализираните страни имат нужда от ядрена енергия днес. Тоест, мирната ядрена енергия намира основното си приложение главно в такива съоръжения като фабрики, преработвателни предприятия и др. Това са енергоемки индустрии, отдалечени от източници на евтина електроенергия (като водноелектрически централи), които използват атомни електроцентрали, за да осигурят и развият вътрешните си процеси.
Аграрните региони и градове всъщност не се нуждаят от ядрена енергия. Напълно възможно е да се замени с термични и други станции. Оказва се, че овладяването, усвояването, развитието, производството и използването на ядрената енергия в по-голямата си част е насочено към задоволяване на нуждите ни от индустриални продукти. Нека видим какви индустрии са това: автомобилостроенето, военната промишленост, металургията, химическата промишленост, нефтеният и газовият комплекс и т.н.
Иска ли съвременният човек да кара нова кола? Искате да се обличате в модерни синтетични дрехи, да ядете синтетични и да опаковате всичко в синтетични? Искате ярки продукти в различни форми и размери? Иска всички нови телефони, телевизори, компютри? Искате ли да купувате много, често да сменяте оборудване около вас? Искате ли да ядете вкусна химическа храна от цветни опаковки? Искате ли да живеете в мир? Искате ли да чуете сладки речи от телевизионния екран? Искате ли да имате много танкове, както и ракети и крайцери, както и снаряди и оръдия?
И той получава всичко. Няма значение, че в крайна сметка разминаването между дума и дело води до война. Няма значение, че за обезвреждането му е необходима и енергия. Засега човекът е спокоен. Яде, пие, ходи на работа, продава и купува.
И всичко това изисква енергия. А това изисква много петрол, газ, метал и т.н. И всички тези промишлени процеси изискват атомна енергия. Следователно, каквото и да казва някой, докато не бъде пуснат в серия първият промишлен реактор за термоядрен синтез, ядрената енергетика само ще се развива.
В предимствата на ядрената енергия можем спокойно да запишем всичко, с което сме свикнали. От друга страна, тъжната перспектива за неизбежна смърт в колапса на изчерпването на ресурсите, проблемите с ядрените отпадъци, нарастването на населението и деградацията на обработваемата земя. С други думи, атомната енергия позволи на човека да започне да овладява природата още по-силно, насилвайки я до такава степен, че за няколко десетилетия той преодоля прага за възпроизводство на основните ресурси, започвайки между 2000 и 2010 г. процесът на срив на потреблението. Този процес обективно вече не зависи от човека.
Всеки ще трябва да яде по-малко, да живее по-малко и да се радва по-малко на естествената среда. Тук се крие още един плюс или минус на атомната енергия, който се крие във факта, че страните, които са овладели атома, ще могат по-ефективно да преразпределят изчерпаните ресурси на тези, които не са овладели атома. Освен това само развитието на програмата за термоядрен синтез ще позволи на човечеството просто да оцелее. Сега да обясним на пръсти какъв "звяр" е - атомна (ядрена) енергия и с какво се яде.
Маса, материя и атомна (ядрена) енергия
Често се чува твърдението, че „масата и енергията са еднакви“ или такива преценки, че изразът E = mc2 обяснява експлозията на атомна (ядрена) бомба. Сега, след като имате първоначално разбиране за ядрената енергия и нейните приложения, би било наистина неразумно да ви объркваме с твърдения като „маса е равна на енергия“. Във всеки случай този начин на тълкуване на голямото откритие не е най-добрият. Явно това е само остроумието на младите реформисти, „галилейците на новото време“. Всъщност прогнозата на теорията, която е проверена от много експерименти, казва само, че енергията има маса.
Сега ще обясним съвременната гледна точка и ще направим кратък преглед на историята на нейното развитие.
Когато енергията на всяко материално тяло се увеличи, неговата маса се увеличава и ние приписваме тази допълнителна маса на увеличаването на енергията. Например, когато радиацията се абсорбира, абсорберът става по-горещ и масата му се увеличава. Увеличението обаче е толкова малко, че остава извън точността на измерване при конвенционалните експерименти. Напротив, ако дадено вещество излъчва радиация, то губи капка от масата си, която се отнася от радиацията. Възниква по-широк въпрос: не е ли цялата маса материя обусловена от енергия, т.е. няма ли огромен запас от енергия, който се съдържа във всяка материя? Преди много години радиоактивните трансформации отговориха положително на това. Когато радиоактивен атом се разпада, се освобождава огромно количество енергия (най-вече под формата на кинетична енергия) и малка част от масата на атома изчезва. Измерванията са ясни за това. По този начин енергията отнася маса със себе си, като по този начин намалява масата на материята.
Следователно част от масата на материята е взаимозаменяема с масата на излъчване, кинетична енергия и т.н. Ето защо казваме: "енергията и материята са частично способни на взаимни трансформации". Освен това сега можем да създаваме частици материя, които имат маса и могат напълно да се трансформират в радиация, която също има маса. Енергията на това лъчение може да премине в други форми, като им предаде масата си. Обратно, радиацията може да се преобразува в частици материя. Така че вместо „енергията има маса“ можем да кажем „частиците материя и радиация са взаимопреобразуеми и следователно способни на взаимни трансформации с други форми на енергия“. Това е създаването и унищожаването на материята. Такива разрушителни събития не могат да се случат в сферата на обикновената физика, химия и технология, а трябва да се търсят или в микроскопичните, но активни процеси, изучавани от ядрената физика, или във високотемпературната пещ на атомни бомби, в слънцето и звездите. Въпреки това би било неразумно да се каже, че "енергията е маса". Казваме: „енергията, подобно на материята, има маса“.
Маса на обикновена материя
Казваме, че масата на обикновената материя съдържа огромно количество вътрешна енергия, равна на произведението на масата и (скоростта на светлината)2. Но тази енергия се съдържа в масата и не може да се освободи, без да изчезне поне част от нея. Как се появи такава невероятна идея и защо не беше открита по-рано? Беше предложено по-рано - експеримент и теория в различни форми - но до двадесети век промяната в енергията не беше наблюдавана, тъй като в обикновените експерименти тя съответства на невероятно малка промяна в масата. Сега обаче сме сигурни, че летящият куршум, поради своята кинетична енергия, има допълнителна маса. Дори при 5000 m/sec куршум, който тежи точно 1 g в покой, би имал обща маса от 1,00000000001 g. Нажежена до бяло платина с тегло 1 kg би добавила общо 0,000000000004 kg и практически никакво претегляне не би могло да регистрира тези промени. Само когато огромни количества енергия се отделят от атомното ядро или когато атомните "снаряди" се ускорят до скорости, близки до скоростта на светлината, масата енергия става забележима.
От друга страна, дори едва забележима разлика в масата означава възможност за освобождаване на огромно количество енергия. Така водородните и хелиевите атоми имат относителни маси от 1,008 и 4,004. Ако четири водородни ядра могат да се комбинират в едно хелиево ядро, тогава масата от 4,032 ще се промени на 4,004. Разликата е малка, само 0,028 или 0,7%. Но това би означавало гигантско освобождаване на енергия (основно под формата на радиация). 4,032 kg водород ще даде 0,028 kg радиация, която ще има енергия от около 600000000000 Cal.
Сравнете това със 140 000 калории, освободени, когато същото количество водород се комбинира с кислород в химическа експлозия.
Обикновената кинетична енергия има значителен принос към масата на много бързите протони, произведени от циклотроните, и това създава трудности при работа с такива машини.
Защо все още вярваме, че E=mc2
Сега ние възприемаме това като пряко следствие от теорията на относителността, но първите подозрения възникват още към края на 19 век във връзка със свойствата на радиацията. Тогава изглеждаше вероятно радиацията да има маса. И тъй като радиацията се носи, като на крила, със скорост на енергия, по-точно тя е самата енергия, тогава се появи пример за маса, принадлежаща на нещо „нематериално“. Експерименталните закони на електромагнетизма предвиждат, че електромагнитните вълни трябва да имат "маса". Но преди създаването на теорията на относителността само необузданата фантазия можеше да разшири отношението m=E/c2 към други форми на енергия.
Всички видове електромагнитно излъчване (радиовълни, инфрачервена, видима и ултравиолетова светлина и др.) имат някои общи черти: всички те се разпространяват във вакуум с еднаква скорост и всички носят енергия и импулс. Представяме си светлина и друго излъчване под формата на вълни, разпространяващи се с висока, но определена скорост c=3*108 m/sec. Когато светлината удари абсорбираща повърхност, се генерира топлина, което показва, че светлинният поток носи енергия. Тази енергия трябва да се разпространява заедно с потока със същата скорост на светлината. Всъщност скоростта на светлината се измерва точно по този начин: с времето на прелитане на голямо разстояние от част от светлинната енергия.
Когато светлината удари повърхността на някои метали, тя избива електрони, които излитат точно така, сякаш са били ударени от компактна топка. , очевидно, се разпределя в концентрирани порции, които наричаме "кванти". Това е квантовата природа на радиацията, въпреки факта, че тези части, очевидно, са създадени от вълни. Всяка част от светлината с една и съща дължина на вълната има същата енергия, определен "квант" енергия. Такива порции се втурват със скоростта на светлината (всъщност те са светлина), прехвърляйки енергия и импулс (инерция). Всичко това позволява да се припише определена маса на радиацията - на всяка порция се приписва определена маса.
Когато светлината се отразява от огледалото, не се отделя топлина, тъй като отразеният лъч отнася цялата енергия, но върху огледалото действа налягане, подобно на налягането на еластични топки или молекули. Ако вместо огледало светлината попадне върху черна абсорбираща повърхност, налягането става наполовина по-малко. Това показва, че лъчът носи импулса, завъртян от огледалото. Следователно светлината се държи така, сякаш има маса. Но има ли друг начин да разберем, че нещо има маса? Съществува ли маса сама по себе си, като дължина, зелено или вода? Или това е изкуствена концепция, дефинирана от поведение като Скромност? Масата всъщност ни е позната в три проявления:
- А. Неясно твърдение, което характеризира количеството "субстанция" (Масата от тази гледна точка е присъща на субстанцията - образувание, което можем да видим, докоснем, бутнем).
- B. Някои твърдения, които го свързват с други физически величини.
- B. Масата е запазена.
Остава да определим масата по отношение на импулс и енергия. Тогава всяко движещо се нещо с инерция и енергия трябва да има "маса". Масата му трябва да бъде (импулс)/(скорост).
Теория на относителността
Желанието да се свържат поредица от експериментални парадокси относно абсолютното пространство и време породи теорията на относителността. Двата вида експерименти със светлина дадоха противоречиви резултати, а експериментите с електричество допълнително изостриха този конфликт. Тогава Айнщайн предложи да се променят простите геометрични правила за добавяне на вектори. Тази промяна е същността на неговата "специална теория на относителността".
За ниски скорости (от най-бавния охлюв до най-бързата ракета) новата теория е в съответствие със старата.
При високи скорости, сравними със скоростта на светлината, нашето измерване на дължини или време се променя от движението на тялото спрямо наблюдателя, по-специално масата на тялото става по-голяма, колкото по-бързо се движи.
Тогава теорията на относителността обяви, че това увеличение на масата е от напълно общ характер. При нормални скорости няма промени и само при скорост от 100 000 000 км / ч масата се увеличава с 1%. Въпреки това, за електрони и протони, излъчени от радиоактивни атоми или съвременни ускорители, той достига 10, 100, 1000%…. Експериментите с такива високоенергийни частици предоставят отлични доказателства за връзката между маса и скорост.
На другия край е радиация, която няма маса в покой. То не е субстанция и не може да бъде неподвижно; то просто има маса и се движи със скорост c, така че енергията му е mc2. Говорим за кванти като фотони, когато искаме да отбележим поведението на светлината като поток от частици. Всеки фотон има определена маса m, определена енергия E=mс2 и определено количество движение (импулс).
Ядрени трансформации
В някои експерименти с ядра масите на атомите след силни експлозии не се събират, за да дадат същата обща маса. Освободената енергия отнема със себе си част от масата; липсващото парче атомен материал изглежда е изчезнало. Въпреки това, ако присвоим маса E/c2 на измерената енергия, откриваме, че масата се запазва.
Унищожаване на материята
Ние сме свикнали да мислим за масата като за неизбежно свойство на материята, така че преходът на масата от материя към радиация - от лампа към летящ лъч светлина изглежда почти като унищожаване на материята. Още една стъпка - и ще бъдем изненадани да открием какво всъщност се случва: положителните и отрицателните електрони, частиците на материята, когато се комбинират заедно, напълно се превръщат в радиация. Масата на тяхната материя се превръща в равна маса на радиация. Това е случай на изчезване на материята в най-буквалния смисъл. Като на фокус, в проблясък на светлина.
Измерванията показват, че (енергия, излъчване по време на анихилация) / c2 е равна на общата маса на двата електрона - положителен и отрицателен. Антипротон, когато се комбинира с протон, анихилира, обикновено с освобождаване на по-леки частици с висока кинетична енергия.
Създаване на материя
Сега, след като се научихме как да управляваме високоенергийно лъчение (свръхкъсовълнови рентгенови лъчи), можем да подготвим частици материя от лъчение. Ако целта бъде бомбардирана с такива лъчи, те понякога произвеждат двойка частици, например положителни и отрицателни електрони. И ако отново използваме формулата m=E/c2 както за радиация, така и за кинетична енергия, тогава масата ще се запази.
Само за комплекса - Ядрена (Атомна) енергия
- Галерия от изображения, картинки, снимки.
- Ядрена енергетика, атомна енергетика - основи, възможности, перспективи, развитие.
- Интересни факти, полезна информация.
- Зелени новини - Ядрена енергия, енергията на атома.
- Препратки към материали и източници - Ядрена (атомна) енергия.
Айнщайн установи връзката между енергия и маса в своето уравнение:
където c = 300 000 000 m/s е скоростта на светлината;
така тялото на човек с тегло 70 кг съдържа енергия
реакторната централа RBMK-1000 ще генерира такова количество енергия само за две хилядимасата на разцепеното ядро. Разбира се, пълното превръщане на масата в енергия е все още много далеч, но вече такава промяна в масата на горивото в реактора, която не се открива от обикновените везни, позволява да се получи гигантско количество енергия. Промяната в масата на горивото за година непрекъсната работа в реактора RBMK-1000 е приблизително 0,3 g, но освободената енергия в този случай е същата като при изгаряне на 3 000 000 (три милиона) тона въглища.% години работа. Основният проблем е да се научим да превръщаме масата в полезна енергия. Човечеството направи първата стъпка за решаване на този проблем, като овладя военното и мирното използване на енергията от ядрено делене. В най-първото приближение процесите, протичащи в ядрен реактор, могат да бъдат описани като непрекъснато делене на ядра. В този случай масата на цялото ядро преди делене е по-голяма от масата на получените фрагменти. Разликата е приблизително 0,1
Мощност.
На практика, когато говорим за енергиен източник, обикновено се интересуваме от неговата мощност. Можете да вдигнете хиляда тухли до петия етаж на строяща се къща с кран или с помощта на двама работници с носилка. И в двата случая перфектната работа и изразходваната енергия са еднакви, различна е само мощността на енергийните източници. определение:Мощностизточник на енергия (машина), това е количеството получена енергия (перфектна работа) за единица време.
мощност = енергия (работа) / време
единица [J/s = W]
Закон за запазване на енергията
Както бе споменато по-горе, в света около нас има непрекъсната трансформация на енергия от един вид в друг. Подхвърляйки топката, предизвикахме верига от трансформации на механичната енергия от един вид в друг. Подскачащата топка ясно илюстрира закона за запазване на енергията:
Енергията не може да изчезне в нищото или да се появи от нищото, тя може само да премине от една форма в друга.
Топката, след няколко отскока, в крайна сметка ще остане неподвижна на повърхността. Тъй като механичната енергия, първоначално прехвърлена към него, се изразходва за:
а) преодоляване на съпротивлението на въздуха, в който се движи топката (превръща се в топлинна енергия на въздуха)
б) нагряване на топката и ударната повърхност. (промяната на формата винаги е придружена от нагряване, помнете как алуминиевата тел се нагрява с повтарящи се прегъвания)
Преобразуване на енергия
Възможностите за преобразуване и използване на енергията са показател за техническото развитие на човечеството. Първият преобразувател на енергия, използван от човека, може да се счита за платно - използването на енергията на вятъра за движение през вода, доразвито е използването на вятър и вода във вятърни и водни мелници. Изобретяването и въвеждането на парната машина революционизира технологията. Парните двигатели във фабриките и заводите драстично повишават производителността на труда. Парните локомотиви и моторните кораби направиха транспорта по суша и море по-бърз и по-евтин. В началния етап парната машина служи за преобразуване на топлинната енергия в механична енергия на въртящо се колело, от което с помощта на различни видове зъбни колела (валове, шайби, ремъци, вериги) енергията се предава на машини и механизми.
Широкото въвеждане на електрически машини, двигатели, които преобразуват електрическата енергия в механична енергия и генератори за производство на електричество от механична енергия, бележи нов скок в развитието на технологиите. Стана възможно предаването на енергия на дълги разстояния под формата на електричество, роди се цял клон на енергийната индустрия.
В момента са създадени голям брой устройства, предназначени да преобразуват електричеството във всякакъв вид енергия, необходима за човешкия живот: електрически двигатели, електрически нагреватели, осветителни лампи и такива, които използват директно електричество: телевизори, приемници и др.
АЕЦ (с едноконтурен реактор)
Историята на развитието на ядрената енергетика
Първата в света атомна електроцентрала за пилотни промишлени цели с мощност 5 MW е пусната в СССР на 27 юни 1954 г. в град Обнинск. Преди това енергията на атомното ядро се е използвала главно за военни цели. Пускането в експлоатация на първата атомна електроцентрала бележи откриването на ново направление в енергетиката, което беше признато на Първата международна научно-техническа конференция за използване на атомната енергия за мирни цели (август 1955 г., Женева).
През 1958 г. е пуснат в експлоатация първият етап на Сибирската атомна електроцентрала с мощност 100 MW (общата проектна мощност е 600 MW). През същата година започва изграждането на Белоярската промишлена атомна електроцентрала, а на 26 април 1964 г. генераторът на 1-ви етап (блок 100 MW) доставя ток на енергийната система на Свердловск, 2-ри блок с мощност 200 MW е пуснат в експлоатация през октомври 1967 г. Отличителна черта на Белоярската АЕЦ е - прегряване на пара (до получаване на необходимите параметри) директно в ядрен реактор, което направи възможно използването на обикновени съвременни турбини върху него почти без никакви промени.
През септември 1964 г. е пуснат в експлоатация 1-ви блок на Нововоронежката АЕЦ с мощност 210 MW. Цената на 1 kWh електроенергия (най-важният икономически показател за работата на всяка електроцентрала) в тази атомна електроцентрала беше систематично намалена: възлизаше на 1,24 копейки. през 1965 г., 1,22 копейки. през 1966 г., 1,18 коп. през 1967 г., 0,94 коп. през 1968 г. Първият блок на Нововоронежката АЕЦ е построен не само за промишлени цели, но и като демонстрационно съоръжение за показване на възможностите и предимствата на ядрената енергия, надеждността и безопасността на експлоатацията на АЕЦ. През ноември 1965 г. в град Мелекес, Уляновска област, е пусната в експлоатация атомна електроцентрала с водоохлаждаем воден реактор от типа "кипящ" с мощност 50 MW, реакторът е сглобен по едноконтурна схема схема, което улеснява оформлението на станцията. През декември 1969 г. е пуснат в експлоатация вторият блок на Нововоронежката атомна електроцентрала (350 MW).
В чужбина първата промишлена атомна електроцентрала с мощност 46 MW е пусната в експлоатация през 1956 г. в Калдър Хол (Англия), а година по-късно е пусната в експлоатация атомна електроцентрала с мощност 60 MW в Шипингпорт (САЩ).
Принципна схема на атомна електроцентрала с ядрен реактор с водно охлаждане е показана на фиг. 2. Топлината, отделена в активната зона на реактора 1, се отнема от вода (охладител) на 1-ви кръг, която се изпомпва през реактора от циркулационна помпа 2. Нагрятата вода от реактора постъпва в топлообменника (парогенератора) 3 , където пренася топлината, получена в реактора, към вода 2-ри кръг. Водата от 2-ри кръг се изпарява в парогенератора и получената пара влиза в турбината 4.
Най-често в атомните електроцентрали се използват 4 типа реактори с топлинни неутрони: 1) реактори с водно охлаждане с обикновена вода като модератор и охлаждаща течност; 2) графитно-воден с воден охладител и графитен модератор; 3) тежка вода с воден охладител и тежка вода като модератор; 4) графит-газ с газов охладител и графитен модератор.
Изборът на преобладаващо използвания тип реактор се определя главно от натрупания опит в реакторостроенето, както и от наличието на необходимото промишлено оборудване, запаси от суровини и др. В СССР основно графитно-водни и водо-водни реактори са построени. В атомните електроцентрали на САЩ най-широко се използват реактори с вода под налягане. В Англия се използват графитно-газови реактори. Атомните електроцентрали в Канада са доминирани от атомни електроцентрали с тежководни реактори.
В зависимост от вида и агрегатното състояние на охлаждащата течност се създава един или друг термодинамичен цикъл на атомните електроцентрали. Изборът на горната температурна граница на термодинамичния цикъл се определя от максимално допустимата температура на обвивките на горивните елементи (ТВЕЛ), съдържащи ядрено гориво, допустимата температура на самото ядрено гориво, както и от свойствата на приетия за това носач на шип. тип реактор. В атомните електроцентрали, чийто топлинен реактор се охлажда с вода, обикновено се използват нискотемпературни парни цикли. Реакторите с газово охлаждане позволяват използването на относително по-икономични парни цикли с повишено начално налягане и температура. Топлинната схема на АЕЦ в тези два случая се изпълнява като 2-контурна: топлоносителят циркулира в 1-ви контур, 2-ри контур е пара-вода. В реактори с вряща вода или високотемпературен газов охладител е възможна едноконтурна топлинна АЕЦ. В реакторите с кипяща вода водата кипи в активната зона, получената пара-водна смес се отделя и наситената пара се изпраща или директно към турбината, или преди това се връща в активната зона за прегряване (фиг. 3). Във високотемпературните графитно-газови реактори е възможно да се използва конвенционален цикъл на газова турбина. Реакторът в този случай действа като горивна камера.
По време на работа на реактора концентрацията на делящи се изотопи в ядреното гориво постепенно намалява, т.е. горивните елементи изгарят. Затова с течение на времето те се заменят с пресни. Ядреното гориво се презарежда с помощта на механизми и устройства с дистанционно управление. Отработените горивни пръти се прехвърлят в басейна за отработено гориво и след това се изпращат за преработка.
Реакторът и неговите обслужващи системи включват: самия реактор с биологична защита, топлообменници, помпи или вентилационни агрегати, които циркулират охлаждащата течност; тръбопроводи и арматура на циркулационната верига; устройства за презареждане на ядрено гориво; специални системи вентилация, аварийно охлаждане и др.
В зависимост от конструкцията реакторите имат отличителни черти: в реакторите под налягане горивните пръти и модераторът са разположени вътре в съда, който носи общото налягане на охлаждащата течност; в каналните реактори горивните елементи, охлаждани от охлаждаща течност, са монтирани в специални тръби-канали, проникващи в модератора, затворен в тънкостенен корпус. Такива реактори се използват в СССР (Сибирската, Белоярската АЕЦ и др.).
За защита на персонала на АЕЦ от радиационно облъчване реакторът е заобиколен от биологична защита, основен материал за която са бетон, вода и змийски пясък. Оборудването на веригата на реактора трябва да бъде напълно запечатано. Предвидена е система за наблюдение на местата за евентуално изтичане на топлоносител, взети са мерки появата на течове и прекъсвания във веригата да не води до радиоактивни емисии и замърсяване на територията на АЕЦ и околностите. Оборудването на реакторната верига обикновено се монтира в херметизирани боксове, които са отделени от останалите помещения на АЕЦ с биологична защита и не се обслужват по време на работа на реактора. Радиоактивният въздух и малко количество пари на охлаждащата течност, поради наличието на течове от веригата, се отстраняват от необслужваните помещения на АЕЦ чрез специална вентилационна система, в която са предвидени пречиствателни филтри и задържащи газголдери, за да се изключи възможността от атмосферно замърсяване . Службата за дозиметричен контрол следи за спазването на правилата за радиационна безопасност от персонала на АЕЦ.
В случай на аварии в системата за охлаждане на реактора, за да се предотврати прегряване и изтичане на обвивките на горивните пръти, се осигурява бързо (в рамките на няколко секунди) потискане на ядрената реакция; Системата за аварийно охлаждане има независими източници на захранване.
Наличието на биологична защита, специална вентилация и системи за аварийно охлаждане и услуга за дозиметричен контрол позволява напълно да защити персонала по поддръжката на АЕЦ от вредното въздействие на радиоактивното облъчване.
Оборудването на машинната зала на АЕЦ е подобно на оборудването на машинната зала на ТЕЦ. Отличителна черта на повечето атомни електроцентрали е използването на пара с относително ниски параметри, наситена или леко прегрята.
В същото време, за да се изключи ерозионното увреждане на лопатките на последните етапи на турбината от частици влага, съдържащи се в парата, в турбината са монтирани сепаратори. Понякога е необходимо да се използват дистанционни сепаратори и пренагреватели на пара. Поради факта, че охлаждащата течност и съдържащите се в нея примеси се активират при преминаване през активната зона на реактора, конструкцията на оборудването на турбинната зала и системата за охлаждане на кондензатора на турбината на едноконтурни АЕЦ трябва напълно да изключва възможността за изтичане на охлаждаща течност . При двуконтурни АЕЦ с високи параметри на парата такива изисквания не се налагат към оборудването на турбинната зала.
Специфичните изисквания за разположението на оборудването на АЕЦ включват: минималната възможна дължина на комуникациите, свързани с радиоактивни среди, повишена твърдост на фундаментите и носещите конструкции на реактора и надеждна организация на вентилацията на помещенията. На фиг. показва разрез на главния корпус на Белоярската АЕЦ с канален графитно-воден реактор. Реакторната зала съдържа: реактор с биологична защита, резервни горивни пръти и апаратура за управление. Атомната електроцентрала е изградена на блоков принцип реактор - турбина. Турбогенераторите и обслужващите ги системи са разположени в машинното отделение. Спомагателното оборудване и системите за управление на централата са разположени между машинната и реакторната зала.
Икономическата ефективност на атомната електроцентрала се определя от нейните основни технически показатели: единична мощност на реактора, ефективност, енергоемкост на активната зона, изгаряне на ядреното гориво, коефициент на използване на инсталираната мощност на ядрената мощност растение за годината. С увеличаване на мощността на атомната електроцентрала, специфичната инвестиция в нея (цената на инсталираните kW) намалява по-рязко, отколкото при топлоелектрическите централи. Това е основната причина за желанието за изграждане на големи атомни електроцентрали с голяма единична мощност на блоковете. За икономиката на атомните електроцентрали е характерно, че делът на горивния компонент в себестойността на произведената електроенергия е 30-40% (в ТЕЦ 60-70%). Следователно големите атомни електроцентрали са най-често срещани в индустриализирани райони с ограничени доставки на конвенционално гориво, а атомните електроцентрали с малък капацитет са най-често срещани в труднодостъпни или отдалечени райони, например атомни електроцентрали в селото. Билибино (Якутска автономна съветска социалистическа република) с електрическа мощност от типична единица 12 MW. Част от топлинната мощност на реактора на тази атомна електроцентрала (29 MW) се изразходва за топлоснабдяване. Освен за производство на електроенергия, атомните електроцентрали се използват и за обезсоляване на морска вода. Така АЕЦ „Шевченко“ (Казахстанска ССР) с електрическа мощност от 150 MW е проектирана да обезсолява (чрез дестилация) до 150 000 тона вода от Каспийско море на ден.
В повечето индустриализирани страни (СССР, САЩ, Англия, Франция, Канада, ФРГ, Япония, ГДР и др.) Според прогнозите капацитетът на съществуващите и изграждащите се атомни електроцентрали ще бъде увеличен до десетки GW до 1980 г. Според Международната агенция за атомна енергия на ООН, публикувана през 1967 г., инсталираната мощност на всички атомни електроцентрали в света до 1980 г. ще достигне 300 GW.
Съветският съюз изпълнява широка програма за въвеждане в експлоатация на големи енергоблокове (до 1000 MW) с реактори с топлинни неутрони. През 1948-49 г. започва работа по реактори на бързи неутрони за промишлени атомни електроцентрали. Физическите характеристики на такива реактори позволяват да се извършва разширено размножаване на ядрено гориво (коефициент на размножаване от 1,3 до 1,7), което прави възможно използването не само на 235U, но и на суровини 238U и 232Th. В допълнение, реакторите на бързи неутрони не съдържат модератор, имат относително малки размери и голямо натоварване. Това обяснява желанието за интензивно развитие на бързите реактори в СССР. За изследване на бързи реактори последователно са построени експериментални и пилотни реактори БР-1, БР-2, БР-З, БР-5, БФС. Натрупаният опит доведе до преход от изследване на моделни инсталации към проектиране и изграждане на промишлени атомни електроцентрали с бързи неутрони (BN-350) в Шевченко и (BN-600) в Белоярската АЕЦ. Провеждат се изследвания на реактори за мощни атомни електроцентрали, например в град Мелекес е построен експериментален реактор BOR-60.
Големи АЕЦ се строят и в редица развиващи се страни (Индия, Пакистан и др.).
На Третата международна научно-техническа конференция за мирното използване на атомната енергия (1964 г., Женева) беше отбелязано, че широкото развитие на ядрената енергия се е превърнало в ключов проблем за повечето страни. Седмата световна енергийна конференция (MIREC-VII), проведена в Москва през август 1968 г., потвърди актуалността на проблемите за избор на посока за развитие на ядрената енергетика на следващия етап (условно 1980-2000 г.), когато атомните електроцентрали стават един от основните производители на електроенергия.
атомСъстои се от ядро, около което се въртят частици, наречени електрони.
Ядрата на атомите са най-малките частици. Те са основата на всяка субстанция и материя.
Те съдържат голямо количество енергия.
Тази енергия се освобождава като радиация, когато някои радиоактивни елементи се разпадат. Радиацията е опасна за целия живот на земята, но в същото време се използва за производство на електричество и в медицината.
Радиоактивността е свойството на ядрата на нестабилните атоми да излъчват енергия. 
Повечето тежки атоми са нестабилни, а по-леките атоми имат радиоизотопи, т.е. радиоактивни изотопи. Причината за появата на радиоактивност е, че атомите се стремят да получат стабилност. Днес са известни три вида радиоактивно излъчване: алфа, бета и гама. Те са кръстени на първите букви от гръцката азбука. Ядрото първо излъчва алфа или бета лъчи. Но ако все пак остане нестабилно, тогава излизат гама лъчи. Три атомни ядра могат да бъдат нестабилни и всяко от тях може да излъчва всеки от видовете лъчи.
Фигурата показва три атомни ядра.
Те са нестабилни и всеки от тях излъчва един от трите вида лъчи.
Алфа частиците имат два протона и два неутрона. Ядрото на атома на хелия има абсолютно същия състав. Алфа частиците се движат бавно и следователно всеки материал, по-дебел от лист хартия, може да ги задържи. Те не се различават много от ядрата на хелиевите атоми. Повечето учени представят версията, че хелият на Земята има естествен радиоактивен произход.
Бета частиците са електрони с огромна енергия. Образуването им става по време на разпадането на неутроните. Бета частиците също не са много бързи, те могат да летят във въздуха до един метър. Следователно меден лист с дебелина милиметър може да се превърне в пречка по пътя им. И ако поставите 13 мм оловна бариера или 120 метра въздух, можете да намалите наполовина гама радиацията.
Гама лъчите са електромагнитно излъчване с голяма енергия. Скоростта му на движение е равна на скоростта на светлината.
Транспортирането на радиоактивни вещества се извършва в специални оловни контейнери с дебели стени, за да се предотврати изтичане на радиация.
Излагането на радиация е изключително опасно за хората.
Той причинява изгаряния, катаракта, провокира развитието на рак.
Специално устройство, броячът на Гайгер, помага да се измери нивото на радиация, което издава щракащи звуци, когато се появи източник на радиация.
Когато едно ядро излъчва частици, то се превръща в ядро на друг елемент, като по този начин променя своя атомен номер. Това се нарича период на разпад на елемента. Но ако новообразуваният елемент е все още нестабилен, тогава процесът на разпадане продължава. И така докато елементът стане стабилен. За много радиоактивни елементи този период отнема десетки, стотици и дори хиляди години, така че е обичайно да се измерва времето на полуразпад. Вземете например атом плутоний-2 с маса 242. След излъчване на алфа частици с относителна атомна маса 4, той се превръща в атом уран-238 със същата атомна маса.
Ядрени реакции.
Ядрените реакции се разделят на два вида: ядрен синтез и делене (разделяне) на ядрото.
Синтез или по друг начин "свързване" означава свързването на две ядра в едно голямо под въздействието на много висока температура. В този момент се освобождава голямо количество енергия.
По време на делене и делене протича процесът на делене на ядрото, като същевременно се освобождава ядрена енергия.
Това се случва, когато ядрото се бомбардира с неутрони в специално устройство, наречено "ускорител на частици".
При деленето на ядрото и излъчването на неутрони се освобождава просто колосално количество енергия.
Известно е, че за получаване на голямо количество електроенергия е необходима само единица маса радиогориво.Никоя друга електроцентрала не може да се похвали с нещо подобно.
Ядрената енергия.
Така енергията, която се отделя по време на ядрена реакция, се използва за генериране на електричество или като източник на енергия в подводни и надводни кораби. Процесът на производство на електроенергия в атомна електроцентрала се основава на ядрено делене в ядрени реактори. В огромен резервоар има пръчки от радиоактивно вещество (например уран).
Те се атакуват от неутрони и се разделят, освобождавайки енергия. Новите неутрони се разделят все повече и повече. Това се нарича верижна реакция. Ефективността на този метод за генериране на електричество е невероятно висока, но мерките за сигурност и условията за погребение са твърде скъпи.
Но човечеството използва ядрената енергия не само за мирни цели. В средата на 20-ти век ядрените оръжия бяха тествани и тествани.
Неговото действие е да освободи огромен поток от енергия, което води до експлозия. В края на Втората световна война Съединените щати използваха ядрени оръжия срещу Япония. Те хвърлиха атомни бомби върху градовете Хирошима и Нагасаки.
Последствията бяха просто катастрофални.
Някои човешки жертви бяха няколкостотин хиляди.
Но учените не спират дотук и разработват водородни оръжия.
Тяхната разлика е, че ядрените бомби се основават на реакции на ядрено делене, а водородните бомби - на реакции на синтез.
радиовъглероден метод.
За да се получи информация за времето на смъртта на даден организъм, се използва методът на радиовъглероден анализ. Известно е, че живата тъкан съдържа известно количество въглерод-14, който е радиоактивен изотоп на въглерода. Периодът на полуразпад е 5700 години. След смъртта на организма запасите от въглерод-14 в тъканите намаляват, изотопът се разпада и от оставащото му количество се определя времето на смъртта на организма. Така например можете да разберете преди колко време е изригнал вулкан. Това може да се разпознае по насекоми и прашец, замръзнал в лава.
Как иначе се използва радиоактивността?
Радиацията се използва и в промишлеността.
Гама лъчите се използват за облъчване на храната, за да я запази свежа.
В медицината радиацията се използва при изследване на вътрешните органи.
Съществува и техника, наречена лъчетерапия. Това е, когато пациентът се облъчва с малки дози, унищожаващи раковите клетки в тялото му.
Енергията, която се съдържа в атомните ядра и се отделя по време на ядрени реакции и радиоактивен разпад.
Според прогнозите органичните горива ще са достатъчни, за да задоволят енергийните нужди на човечеството за 4-5 десетилетия. Слънчевата енергия може да се превърне в основен източник на енергия в бъдеще. Преходният период изисква източник на енергия, който е практически неизчерпаем, евтин, възобновяем и не замърсява околната среда. И въпреки че ядрената енергия не отговаря напълно на всички тези изисквания, тя се развива с бързи темпове и е нашата надежда за разрешаване на световната енергийна криза.
Освобождаването на вътрешната енергия на атомните ядра е възможно чрез делене на тежки ядра или синтез на леки ядра.
Характеристика на атома. Атомът на всеки химичен елемент се състои от ядро и електрони, въртящи се около него. Ядрото на атома се състои от неутрони и протони. Общото име за протона и неутрона е терминът нуклон.Неутроните нямат електрически заряд протоните са положително заредени, електрони – отрицателни. Зарядът на протона е равен по модул на заряда на електрона.
Броят на протоните на ядрото Z съвпада с неговия атомен номер в периодичната система на Менделеев. Броят на неутроните в ядрото, с малки изключения, е по-голям или равен на броя на протоните.
Масата на атома е концентрирана в ядрото и се определя от масата на нуклоните. Масата на един протон е равна на масата на един неутрон. Масата на електрона е 1/1836 от масата на протона.
Като измерение на масата на атомите се използва единица атомна маса(a.m.u.), равно на 1,66 10 -27 kg. 1 аму приблизително равна на масата на един протон. Характеристика на атома е масовото число А, равно на общия брой протони и неутрони.
Наличието на неутрони позволява на два атома да имат различни маси за еднакви електрически заряди на ядрото. Химичните свойства на тези два атома ще бъдат еднакви; такива атоми се наричат изотопи. В литературата, вляво от обозначението на елемента, масовото число е написано отгоре, а броят на протоните е изписан отдолу.
Ядреното гориво, използвано в такива реактори, е изотоп на уран с атомна маса 235. Природният уран е смес от три изотопа: уран-234 (0,006%), уран-235 (0,711%) и уран-238 (99,283%). Изотопът на уран-235 има уникални свойства - в резултат на поглъщането на нискоенергиен неутрон се получава ядро на уран-236, което след това се разцепва - разделя се на две приблизително равни части, наречени продукти на делене (фрагменти). Нуклоните на първоначалното ядро се разпределят между фрагментите на делене, но не всички - средно се освобождават 2-3 неутрона. В резултат на деленето масата на първоначалното ядро не се запазва напълно, част от нея се превръща в енергия, главно в кинетичната енергия на продуктите на делене и неутроните. Стойността на тази енергия за един атом на уран 235 е около 200 MeV.
Активната зона на конвенционален реактор с мощност 1000 MW съдържа около 1 000 тона уран, от които само 3 - 4% е уран-235. 3 kg от този изотоп се изразходват дневно в реактора. Така за захранването на реактора с гориво трябва да се преработват 430 кг уранов концентрат дневно, което прави средно 2150 тона уранова руда.
В резултат на реакцията на делене в ядреното гориво се образуват бързи неутрони. Ако те взаимодействат със съседните ядра на делящия се материал и на свой ред предизвикат реакция на делене в тях, настъпва лавинообразно увеличаване на броя на събитията на делене. Тази реакция на делене се нарича верижна реакция на ядрено делене.
Най-ефективни за развитието на верижна реакция на делене са неутроните с енергия под 0,1 keV. Те се наричат термични, тъй като тяхната енергия е сравнима със средната енергия на топлинното движение на молекулите. За сравнение, енергията, притежавана от неутроните, образувани при разпадането на ядрата, е 5 MeV. Те се наричат бързи неутрони. За да се използват такива неутрони във верижна реакция, тяхната енергия трябва да бъде намалена (забавена). Тези функции се изпълняват от ретардера. В модераторните вещества бързите неутрони се разпръскват от ядрата и тяхната енергия се превръща в енергия на топлинно движение на атомите на модераторното вещество. Като модератор най-широко се използват графит, течни метали (охладител на 1-ва верига).
Бързото развитие на верижна реакция е съпроводено с отделяне на голямо количество топлина и прегряване на реактора. За да се поддържа стационарен режим на реактора, в активната зона на реактора се въвеждат управляващи пръти, изработени от материали, които силно абсорбират топлинни неутрони, например от бор или кадмий.
Кинетичната енергия на продуктите на гниене се превръща в топлина. Топлината се абсорбира от охлаждащата течност, циркулираща в ядрения реактор, и се прехвърля в топлообменника (1-ви затворен контур), където се произвежда пара (2-ри контур), която върти турбината на турбогенератора. Охлаждащата течност в реактора е течен натрий (1-ви контур) и вода (2-ри контур).
Уран-235 е невъзобновяем ресурс и ако се използва изцяло в ядрени реактори, ще изчезне завинаги. Следователно изглежда привлекателно да се използва изотопа уран-238, който се среща в много по-големи количества, като първоначално гориво. Този изотоп не поддържа верижна реакция под въздействието на неутрони. Но може да абсорбира бързи неутрони, образувайки в процеса уран-239. В ядрата на уран-239 започва бета-разпад и се образува нептуний-239 (не се среща в природата). Този изотоп също се разпада и се превръща в плутоний-239 (не се среща в природата). Плутоний-239 е още по-податлив на реакцията на делене на термични неутрони. В резултат на реакцията на делене в ядреното гориво плутоний-239 се образуват бързи неутрони, които заедно с урана образуват ново гориво и продукти на делене, които отделят топлина в горивните елементи (TVEL). В резултат на това от килограм естествен уран може да се получи 20-30 пъти повече енергия, отколкото в конвенционалните ядрени реактори, използващи уран-235.
В съвременните конструкции течният натрий се използва като охлаждаща течност. В този случай реакторът може да работи при по-високи температури, като по този начин повишава топлинната ефективност на електроцентралата. до 40% .
Физическите свойства на плутония обаче: токсичност, ниска критична маса за спонтанна реакция на делене, възпламеняване в кислородна среда, крехкост и самонагряване в метално състояние го правят труден за производство, обработка и работа. Поради това размножителните реактори са все още по-рядко срещани от реакторите с топлинни неутрони.
За мирни цели атомната енергия се използва в атомни електроцентрали. Делът на атомните електроцентрали в световното производство на електроенергия е около 14% .
Като пример, разгледайте принципа на получаване на електроенергия в АЕЦ Воронеж. Течен метален охладител с входяща температура 571 K се изпраща през каналите към активната зона на реактора през канали при налягане 157 ATM (15,7 MPa), който се нагрява в реактора до 595 K. Металният охлаждащ агент се изпраща към парогенератор, в който влиза студена вода, превръщайки се в пара с налягане 65,3 ATM (6,53 MPa). Парата се подава към лопатките на парна турбина, която върти турбогенератор.
В ядрените реактори температурата на произведената пара е значително по-ниска, отколкото в парогенератора на ТЕЦ, работещи с органично гориво. В резултат на това топлинната ефективност на атомните електроцентрали, работещи с вода като охлаждаща течност, е само 30%. За сравнение, в електроцентралите, работещи на въглища, нефт или газ, той достига 40%.
Атомните електроцентрали се използват в системите за електроснабдяване и топлоснабдяване на населението, а миниатомните електроцентрали на морските кораби (атомни кораби, атомни подводници) се използват за задвижване на витла).
За военни цели ядрената енергия се използва в атомни бомби. Атомната бомба е специален реактор на бързи неутрони , при което протича бърза неконтролирана верижна реакция с висок коефициент на размножаване на неутрони. В ядрения реактор на атомната бомба няма модератори. Следователно размерите и теглото на устройството са малки.
Ядреният заряд на бомба с уран-235 е разделен на две части, във всяка от които е невъзможна верижна реакция. За да се извърши експлозията, една от половините на заряда се изстрелва към другата и когато се свържат, почти мигновено възниква експлозивна верижна реакция. Експлозивна ядрена реакция освобождава огромна енергия. В този случай се достига температура от около сто милиона градуса. Има колосално повишаване на налягането и се образува мощна взривна вълна.
Първият ядрен реактор е пуснат в Чикагския университет (САЩ) на 2 декември 1942 г. Първата атомна бомба е взривена на 16 юли 1945 г. в Ню Мексико (Аламогордо). Това беше устройство, създадено на принципа на делене на плутоний. Бомбата се състоеше от плутоний, заобиколен от два слоя химически експлозив с фитили.
Първата атомна електроцентрала, която дава ток през 1951 г., е атомната електроцентрала EBR-1 (САЩ). В бившия СССР - Обнинска атомна електроцентрала (Калужска област, пусната на 27 юни 1954 г.). Първата атомна електроцентрала в СССР с реактор на бързи неутрони с мощност 12 MW е пусната през 1969 г. в град Димитровград. През 1984 г. в света работят 317 атомни електроцентрали с обща мощност от 191 хиляди MW, което по това време възлиза на 12% (1012 kWh) от световното производство на електроенергия. Към 1981 г. най-голямата атомна електроцентрала в света е атомната електроцентрала Biblis (Германия), чиято топлинна мощност на реакторите е 7800 MW.
термоядрени реакциисе наричат ядрени реакции на синтез на леки ядра в по-тежки. Елементът, използван в ядрения синтез, е водородът. Основното предимство на термоядрения синтез е практически неограниченият ресурс от суровини, които могат да бъдат извлечени от морската вода. Водородът под една или друга форма съставлява 90% от цялата материя. Горивото за термоядрен синтез, съдържащо се в световните океани, ще продължи повече от 1 милиард години (слънчевата радиация и човечеството в слънчевата система няма да просъществуват още дълго). Суровината за термоядрен синтез, съдържаща се в 33 km океанска вода, е еквивалентна по енергийно съдържание на всички ресурси от твърди горива (има 40 милиона пъти повече вода на Земята). Енергията на деутерия, съдържаща се в чаша вода, е еквивалентна на изгарянето на 300 литра бензин.
Има 3 изотопа на водорода : техните атомни маси са -1,2 (деутерий), 3 (тритий). Тези изотопи могат да възпроизвеждат такива ядрени реакции, при които общата маса на крайните продукти на реакцията е по-малка от общата маса на веществата, които са влезли в реакцията. Разликата в масите, както в случая на реакция на делене, е кинетичната енергия на продуктите на реакцията. Средно намаляване на масата на вещество, участващо в реакция на термоядрен синтез, с 1 a.m.u. съответства на освобождаването на енергия от 931 MeV:
H 2 + H 2 \u003d H 3 + неутрон + 3,2 MeV,
H 2 + H 2 \u003d H 3 + протон + 4,0 MeV,
H 2 + H 3 \u003d He 4 + неутрон + 17,6 MeV.
Тритий практически липсва в природата. Може да се получи чрез взаимодействие на неутрони с литиеви изотопи:
Li 6 + неутрон \u003d He 4 + H 3 + 4,8 MeV.
Сливането на ядрата на леките елементи не се случва естествено (с изключение на процесите в космоса). За да се принудят ядрата да влязат в реакцията на синтез, са необходими високи температури (от порядъка на 107 -109K). В този случай газът е йонизирана плазма. Проблемът с ограничаването на тази плазма е основната пречка за използването на този метод за получаване на енергия. За централната част на Слънцето е характерна температура от порядъка на 10 милиона градуса. Термоядрените реакции са източникът на енергия, която осигурява радиация от Слънцето и звездите.
В момента тече теоретична и експериментална работа за изследване на методите за магнитно и инерционно задържане на плазмата.
Методът за използване на магнитни полета. Създава се магнитно поле, което прониква в канала на движещата се плазма. Заредените частици, които образуват плазма, докато се движат в магнитно поле, са подложени на сили, насочени перпендикулярно на движението на частиците и линиите на магнитното поле. Поради действието на тези сили частиците ще се движат спираловидно по силовите линии. Колкото по-силно е магнитното поле, толкова по-плътен става плазменият поток, като по този начин се изолира от стените на корпуса.
Инерционно задържане на плазмата. В реактора се извършват термоядрени експлозии с честота 20 експлозии в секунда. За да се приложи тази идея, частица термоядрено гориво се нагрява от фокусирано лъчение от 10 лазера до температурата на запалване на реакцията на синтез за време, преди да има време да се разпръсне на забележимо разстояние поради топлинното движение на атомите (10-9 s ).
Термоядреният синтез е в основата на водородната (термоядрена) бомба. В такава бомба протича самоподдържаща се термоядрена реакция с експлозивен характер. Експлозивът е смес от деутерий и тритий. Като източник на енергия за активиране (източник на високи температури) се използва енергията на ядрена ядрена бомба. Първата в света термоядрена бомба е създадена в СССР през 1953 г.
В края на 50-те години СССР започва да работи върху идеята за термоядрен синтез в реактори тип ТОКАМАК (тороидална камера в магнитно поле на намотка). Принципът на действие е следният: тороидалната камера се вакуумира и запълва с газова смес от деутерий и тритий. През сместа преминава ток от няколко милиона ампера. За 1-2 секунди температурата на сместа се повишава до стотици хиляди градуси. В камерата се образува плазма. По-нататъшното нагряване се извършва чрез инжектиране на неутрални атоми на деутерий и тритий с енергия от 100 - 200 keV. Температурата на плазмата се повишава до десетки милиони градуси и започва самоподдържаща се реакция на синтез. След 10-20 минути тежки елементи от частично изпаряващия се материал на стените на камерата ще се натрупат в плазмата. Плазмата се охлажда, термоядреното горене спира. Камерата трябва да се изключи отново и да се почисти от натрупаните замърсявания. Размерите на тора при топлинна мощност на реактора 5000 MW са както следва: Външен радиус -10m; вътрешен радиус - 2,5м.
Изследване за намиране на начин за контролиране на термоядрените реакции, т.е. използването на термоядрена енергия за мирни цели се развива с голяма интензивност.
През 1991 г. съвместно европейско съоръжение в Обединеното кралство за първи път постигна значително освобождаване на енергия в хода на контролиран термоядрен синтез. Оптималният режим се поддържа в продължение на 2 секунди и е съпроводен с освобождаване на енергия от порядъка на 1,7 MW. Максималната температура беше 400 милиона градуса.
Термоядрен генератор на енергия. Когато деутерият се използва като термоядрено гориво, две трети от енергията трябва да се освободи под формата на кинетична енергия на заредени частици. Чрез електромагнитни методи тази енергия може да се преобразува в електрическа.
Електричеството може да се получава в стационарен режим на работа на инсталацията и импулсно. В първия случай йоните и електроните в резултат на самоподдържащата се реакция на синтез се забавят от магнитното поле. Йонният ток се отделя от електронния ток с помощта на напречно магнитно поле. Ефективността на такава система при директно спиране ще бъде около 50%, а останалата част от енергията ще се преобразува в топлина.
Фюжън двигатели (не е реализиран). Обхват: космически превозни средства. Напълно йонизирана деутериева плазма при 1 милиард градуса по Целзий се задържа във нишка от линейното магнитно поле на свръхпроводникови намотки. Работната течност се подава в камерата през стените, охлажда ги и се загрява, обикаляйки плазмената колона. Аксиалната скорост на изтичане на йони на изхода на магнитната дюза е 10 000 km/s.
През 1972 г. на среща на Римския клуб - организация, която изучава причините и търси решения на проблеми в планетарен мащаб - беше направен доклад, изготвен от учените E. von Weinzsacker, A. H. Lovins и предизвика ефекта на експлодираща бомба . Според данните, дадени в доклада, източниците на енергия на планетата - въглища, газ, петрол и уран - ще стигнат до 2030 г. За извличането на въглища, от които ще може да се получава енергия за 1 долар, ще е необходимо да се харчи енергия, струваща 99 цента.
Уран-235, който служи като гориво за атомни електроцентрали, в природата не е толкова ме: само 5% от общото количество уран в света, 2% от които са в Русия. Следователно атомните електроцентрали могат да се използват само за спомагателни цели. Изследванията на учени, които се опитаха да получат енергия от плазма на "ТОКАМАК", остават и до днес скъпо занимание. През 2000 г. имаше съобщения, че Европейската атомна общност (CERN) и Япония изграждат първия сегмент от ТОКАМАК.
Спасението може да не е "мирният атом" на ядрена централа, а "военният" - енергията на термоядрена бомба.
Руски учени нарекоха изобретението си котел с експлозивно горене (КВГ). Принципът на действие на PIC се основава на взривяване на свръхмалка термоядрена бомба в специален саркофаг - котел. Експлозиите се случват редовно. Интересно е, че налягането върху стените на котела по време на експлозията в PBC е по-малко, отколкото в цилиндрите на обикновен автомобил.
За безопасна работа на KVS вътрешният диаметър на котела трябва да бъде най-малко 100 метра. Двойни стоманени стени и стоманобетонна обвивка с дебелина 30 метра ще гасят вибрациите. За изграждането му ще бъде използвана само висококачествена стомана, както при двата съвременни военни бойни кораба. Предвижда се КВС да се изгради за 5 години. През 2000 г. в един от затворените градове на Русия е изготвен проект за изграждане на експериментална инсталация за "бомба" от 2-4 килотона ядрен еквивалент. Цената на този FAC е 500 милиона долара. Учените са изчислили, че ще се изплати за една година, а за още 50 години ще осигурява практически безплатно електричество и топлина. Според ръководителя на проекта цената на енергията, еквивалентна на тази, произведена от изгарянето на един тон петрол, ще бъде под 10 долара.
40 KVG са в състояние да задоволят нуждите на целия национален енергиен сектор. Сто - всички държави от евразийския континент.
През 1932 г. експериментално е открит позитронът – частица с масата на електрон, но с положителен заряд. Скоро се предполага, че в природата съществува зарядова симетрия: а) всяка частица трябва да има античастица; б) законите на природата не се променят, когато всички частици се заменят със съответните античастици и обратно. Антипротонът и антинеутронът са открити в средата на 50-те години. По принцип може да съществува антиматерия, състояща се от атоми, чиито ядра включват антипротони и антинеутрони, а обвивката им е образувана от позитрони.
Клъстери от антиматерия с космологични измерения биха представлявали антисветове, но те не се срещат в природата. Антиматерията е била синтезирана само в лабораторен мащаб. И така, през 1969 г. в ускорителя Серпухов съветските физици регистрират антихелиеви ядра, състоящи се от два антипротона и един антинеутрон.
Във връзка с възможностите за преобразуване на енергия, антиматерията е забележителна с това, че когато влезе в контакт с материята, настъпва анихилация (унищожаване) с освобождаване на колосална енергия (и двата вида материя изчезват, превръщайки се в радиация). Така един електрон и един позитрон, анихилирайки се, пораждат два фотона. Един вид материя - заредени масивни частици - преминава в друга материя - в неутрални безмасови частици. Използване на съотношението на Айнщайн за еквивалентността на енергия и маса (E=mc 2),лесно е да се изчисли, че унищожаването на един грам материя произвежда същата енергия, която може да се получи чрез изгаряне на 10 000 тона въглища, а един тон антиматерия би бил достатъчен, за да осигури на цялата планета енергия за една година.
Астрофизиците смятат, че именно анихилацията осигурява гигантската енергия на квазизвездните обекти – квазарите.
През 1979 г. група американски физици успяват да регистрират наличието на естествени антипротони. Те са донесени от космически лъчи.
Широкото използване на ядрената енергия започна благодарение на научно-техническия прогрес не само във военната област, но и за мирни цели. Днес е невъзможно без него в индустрията, енергетиката и медицината.
Използването на ядрената енергия обаче има не само предимства, но и недостатъци. На първо място, това е опасността от радиация, както за хората, така и за околната среда.
Използването на ядрената енергия се развива в две посоки: използване в енергетиката и използване на радиоактивни изотопи.
Първоначално атомната енергия трябваше да се използва само за военни цели и всички разработки вървяха в тази посока.
Използването на ядрената енергия във военната сфера
Голям брой високоактивни материали се използват за производството на ядрени оръжия. Експертите смятат, че ядрените бойни глави съдържат няколко тона плутоний.
Ядрените оръжия се споменават, защото причиняват разрушения на огромни територии.
Според обхвата и мощността на заряда ядрените оръжия се разделят на:
- тактически.
- Оперативно-тактически.
- Стратегически.
Ядрените оръжия се делят на атомни и водородни. Ядрените оръжия се основават на неконтролирани верижни реакции на делене на тежки ядра и реакции.За верижна реакция се използва уран или плутоний.
Съхраняването на такова голямо количество опасни материали е голяма заплаха за човечеството. А използването на ядрена енергия за военни цели може да доведе до тежки последици.
За първи път ядрени оръжия са използвани през 1945 г., за да атакуват японските градове Хирошима и Нагасаки. Последствията от тази атака бяха катастрофални. Както знаете, това беше първото и последно използване на ядрена енергия във война.
Международна агенция за атомна енергия (МААЕ)
МААЕ е създадена през 1957 г. с цел развитие на сътрудничеството между страните в областта на използването на атомната енергия за мирни цели. От самото начало агенцията изпълнява програмата "Ядрена безопасност и опазване на околната среда".
Но най-важната функция е контролът върху дейността на страните в ядрената сфера. Организацията контролира развитието и използването на ядрена енергия само за мирни цели.
Целта на тази програма е да осигури безопасното използване на ядрената енергия, защитата на човека и околната среда от въздействието на радиацията. Агенцията проучи и последствията от аварията в атомната електроцентрала в Чернобил.
Агенцията също така подкрепя изучаването, развитието и използването на ядрена енергия за мирни цели и действа като посредник при обмена на услуги и материали между членовете на агенцията.
Заедно с ООН МААЕ определя и установява стандарти за безопасност и здраве.
Ядрената енергия
През втората половина на четиридесетте години на ХХ век съветските учени започват да разработват първите проекти за мирно използване на атома. Основната посока на тези разработки беше електроенергетиката.
И през 1954 г. е построена станция в СССР. След това програми за бързо развитие на ядрената енергетика започват да се разработват в САЩ, Великобритания, Германия и Франция. Но повечето от тях не бяха изпълнени. Както се оказа, атомната електроцентрала не може да се конкурира с централи, работещи с въглища, газ и мазут.
Но след началото на световната енергийна криза и покачването на цените на петрола търсенето на ядрена енергия се увеличи. През 70-те години на миналия век експертите смятаха, че капацитетът на всички атомни електроцентрали може да замени половината от електроцентралите.
В средата на 80-те години растежът на ядрената енергетика се забави отново, страните започнаха да преразглеждат плановете си за изграждане на нови атомни електроцентрали. Това беше улеснено както от политиката за пестене на енергия, така и от спада на цените на петрола, както и от аварията в Чернобилската централа, която имаше отрицателни последици не само за Украйна.
След това някои страни спряха изцяло строителството и експлоатацията на атомни електроцентрали.
Ядрена енергия за пътуване в космоса
Повече от три дузини ядрени реактори излетяха в космоса, те бяха използвани за генериране на енергия.
Американците използват ядрен реактор в космоса за първи път през 1965 г. Като гориво е използван уран-235. Работил е 43 дни.
В Съветския съюз реакторът Ромашка беше пуснат в Института по атомна енергия. Трябваше да се използва на космически кораби заедно с Но след всички тестове никога не беше изстрелян в космоса.
Следващата ядрена инсталация "Бук" беше използвана на спътник за радарно разузнаване. Първият апарат е изстрелян през 1970 г. от космодрума Байконур.
Днес Роскосмос и Росатом предлагат да се проектира космически кораб, който ще бъде оборудван с ядрен ракетен двигател и ще може да достигне Луната и Марс. Но засега всичко е на етап предложения.
Приложение на ядрената енергия в промишлеността
Ядрената енергия се използва за повишаване на чувствителността на химическия анализ и за производство на амоняк, водород и други химикали, които се използват за производство на торове.
Ядрената енергия, чието използване в химическата промишленост прави възможно получаването на нови химични елементи, помага да се пресъздадат процесите, протичащи в земната кора.
Ядрената енергия се използва и за обезсоляване на солена вода. Приложението в черната металургия позволява извличането на желязо от желязна руда. В цвят - използва се за производство на алуминий.
Използване на ядрената енергия в селското стопанство
Използването на ядрена енергия в селското стопанство решава проблемите на селекцията и помага в борбата с вредителите.
Ядрената енергия се използва за създаване на мутации в семената. Това се прави, за да се получат нови сортове, които носят по-висок добив и са устойчиви на болести по културите. И така, повече от половината от пшеницата, отглеждана в Италия за производство на тестени изделия, е отгледана чрез мутации.
Радиоизотопите се използват и за определяне на най-добрите начини за прилагане на торове. Например с тяхна помощ беше установено, че при отглеждане на ориз е възможно да се намали прилагането на азотни торове. Това не само спестява пари, но и запазва околната среда.
Малко странно използване на ядрена енергия е за облъчване на ларви на насекоми. Това се прави с цел да бъдат изложени безвредно за околната среда. В този случай насекомите, които са се появили от облъчените ларви, нямат потомство, но в други отношения са съвсем нормални.
ядрена медицина
Медицината използва радиоактивни изотопи за поставяне на точна диагноза. Медицинските изотопи имат кратък полуживот и не представляват особена опасност както за околните, така и за пациента.
Друго приложение на ядрената енергия в медицината беше открито съвсем наскоро. Това е позитронно-емисионна томография. Може да помогне за откриване на рак в ранен стадий.
Приложение на ядрената енергия в транспорта
В началото на 50-те години на миналия век бяха направени опити за създаване на танк с ядрен двигател. Разработката започва в САЩ, но проектът никога не е реализиран. Главно поради факта, че в тези танкове не можеха да решат проблема с екранирането на екипажа.
Известната компания Ford работи върху автомобил, който ще работи с ядрена енергия. Но производството на такава машина не надхвърли оформлението.
Работата е там, че ядрената инсталация зае много място и колата се оказа много цялостна. Компактните реактори така и не се появиха, така че амбициозният проект беше съкратен.
Вероятно най-известният транспорт, който работи с ядрена енергия, са различни кораби, както военни, така и граждански:
- Транспортни кораби.
- Самолетоносачи.
- Подводници.
- Крайцери.
- Атомни подводници.
Плюсове и минуси на използването на ядрена енергия
Днес делът в световното производство на енергия е приблизително 17 процента. Въпреки че човечеството използва, но резервите му не са безкрайни.
Затова като алтернатива се използва, но процесът на получаване и използване е свързан с голям риск за живота и околната среда.
Разбира се, ядрените реактори непрекъснато се подобряват, вземат се всички възможни мерки за безопасност, но понякога това не е достатъчно. Пример са авариите в Чернобил и Фукушима.
От една страна, правилно работещият реактор не излъчва никаква радиация в околната среда, докато голямо количество вредни вещества навлизат в атмосферата от топлоелектрическите централи.
Най-голямата опасност е отработеното гориво, неговата преработка и съхранение. Защото до днес не е изобретен напълно безопасен начин за обезвреждане на ядрените отпадъци.
