El uso de la energía nuclear en el mundo moderno es tan importante que si nos despertáramos mañana y la energía de una reacción nuclear desapareciera, el mundo tal como lo conocemos probablemente dejaría de existir. La paz es la base de la producción industrial y de la vida en países como Francia y Japón, Alemania y Gran Bretaña, Estados Unidos y Rusia. Y si los dos últimos países aún pueden reemplazar las fuentes de energía nuclear con centrales térmicas, entonces para Francia o Japón esto es simplemente imposible.
El uso de la energía nuclear crea muchos problemas. Básicamente, todos estos problemas están relacionados con el hecho de que al usar la energía de enlace del núcleo atómico (que llamamos energía nuclear) para el beneficio propio, una persona recibe un daño significativo en forma de desechos altamente radiactivos que simplemente no se pueden desechar. Los desechos de las fuentes de energía nuclear deben procesarse, transportarse, enterrarse y almacenarse durante mucho tiempo en condiciones seguras.
Pros y contras, beneficios y perjuicios del uso de la energía nuclear
Considere los pros y los contras del uso de la energía atómico-nuclear, sus beneficios, daños y significado en la vida de la Humanidad. Es obvio que solo los países industrializados necesitan energía nuclear hoy. Es decir, la energía nuclear con fines pacíficos encuentra su principal aplicación principalmente en instalaciones tales como fábricas, plantas de procesamiento, etc. Son las industrias intensivas en energía y alejadas de fuentes de electricidad barata (como las centrales hidroeléctricas) las que utilizan las centrales nucleares para garantizar y desarrollar sus procesos internos.
Las regiones agrarias y las ciudades no necesitan realmente la energía nuclear. Es bastante posible reemplazarlo con estaciones térmicas y otras. Resulta que el dominio, adquisición, desarrollo, producción y uso de la energía nuclear está en su mayor parte encaminada a satisfacer nuestras necesidades de productos industriales. Veamos qué tipo de industrias son: la industria automotriz, las industrias militares, la metalurgia, la industria química, el complejo de petróleo y gas, etc.
¿Una persona moderna quiere conducir un auto nuevo? ¿Quieres vestirte con sintéticos de moda, comer sintéticos y empacar todo en sintéticos? ¿Quiere productos brillantes en diferentes formas y tamaños? ¿Quiere todos los nuevos teléfonos, televisores, computadoras? ¿Quieres comprar mucho, a menudo cambias de equipo a tu alrededor? ¿Quieres comer sabrosos alimentos químicos de paquetes de colores? ¿Quieres vivir en paz? ¿Quieres escuchar dulces discursos desde la pantalla del televisor? ¿Quieres tener muchos tanques, así como misiles y cruceros, así como proyectiles y cañones?
Y lo consigue todo. No importa que al final la discrepancia entre la palabra y el hecho conduzca a la guerra. No importa que también se necesite energía para su eliminación. Hasta ahora, la persona está tranquila. Come, bebe, va a trabajar, vende y compra.
Y todo esto requiere energía. Y esto requiere mucho petróleo, gas, metal, etc. Y todos estos procesos industriales requieren energía atómica. Por lo tanto, digan lo que digan, hasta que no se ponga en serie el primer reactor industrial de fusión termonuclear, la energía nuclear no hará más que desarrollarse.
En las ventajas de la energía nuclear, podemos anotar con seguridad todo lo que estamos acostumbrados. En el lado negativo, la triste perspectiva de una muerte inminente en el colapso del agotamiento de los recursos, los problemas de desechos nucleares, el crecimiento de la población y la degradación de las tierras cultivables. En otras palabras, la energía nuclear permitió al hombre comenzar a dominar aún con más fuerza la naturaleza, obligándola desmesuradamente tanto que en varias décadas superó el umbral de la reproducción de los recursos básicos, iniciándose entre 2000 y 2010 el proceso de colapso del consumo. Este proceso objetivamente ya no depende de la persona.
Todo el mundo tendrá que comer menos, vivir menos y disfrutar menos del entorno natural. Aquí radica otro más o menos de la energía atómica, que radica en el hecho de que los países que han dominado el átomo podrán redistribuir más eficazmente los recursos agotados de aquellos que no han dominado el átomo. Además, solo el desarrollo del programa de fusión termonuclear permitirá que la humanidad simplemente sobreviva. Ahora expliquemos con los dedos qué tipo de "bestia" es: energía atómica (nuclear) y con qué se come.
Masa, materia y energía atómica (nuclear)
A menudo se escucha la afirmación de que “masa y energía son lo mismo”, o juicios tales que la expresión E = mc2 explica la explosión de una bomba atómica (nuclear). Ahora que tiene una primera comprensión de la energía nuclear y sus aplicaciones, sería realmente imprudente confundirlo con afirmaciones como "masa es igual a energía". En cualquier caso, esta forma de interpretar el gran descubrimiento no es la mejor. Aparentemente, esto es solo el ingenio de los jóvenes reformistas, los "galileos del nuevo tiempo". De hecho, la predicción de la teoría, que ha sido verificada por muchos experimentos, dice solo que la energía tiene masa.
Ahora explicaremos el punto de vista moderno y daremos una breve descripción de la historia de su desarrollo.
Cuando la energía de cualquier cuerpo material aumenta, su masa aumenta, y atribuimos esta masa adicional al aumento de energía. Por ejemplo, cuando se absorbe radiación, el absorbedor se calienta y su masa aumenta. Sin embargo, el aumento es tan pequeño que queda fuera de la precisión de la medición en los experimentos convencionales. Por el contrario, si una sustancia emite radiación, entonces pierde una gota de su masa, que es arrastrada por la radiación. Surge una pregunta más amplia: ¿no está toda la masa de materia condicionada por la energía, es decir, no hay una enorme reserva de energía contenida en toda la materia? Hace muchos años, las transformaciones radiactivas respondieron positivamente a esto. Cuando un átomo radiactivo se desintegra, se libera una gran cantidad de energía (principalmente en forma de energía cinética) y una pequeña parte de la masa del átomo desaparece. Las medidas son claras al respecto. Por lo tanto, la energía se lleva la masa consigo, reduciendo así la masa de la materia.
En consecuencia, parte de la masa de materia es intercambiable con la masa de radiación, energía cinética, etc. Por eso decimos: "energía y materia son parcialmente susceptibles de transformaciones mutuas". Además, ahora podemos crear partículas de materia que tienen masa y pueden transformarse completamente en radiación, que también tiene masa. La energía de esta radiación puede tomar otras formas, transfiriéndoles su masa. Por el contrario, la radiación se puede convertir en partículas de materia. Entonces, en lugar de "la energía tiene masa", podemos decir "las partículas de materia y radiación son interconvertibles y, por lo tanto, capaces de transformaciones mutuas con otras formas de energía". Esta es la creación y destrucción de la materia. Tales eventos destructivos no pueden ocurrir en el ámbito de la física, la química y la tecnología ordinarias, sino que deben buscarse en los procesos microscópicos pero activos que estudia la física nuclear, o en el horno de alta temperatura de las bombas atómicas, en el sol y las estrellas. Sin embargo, no sería razonable decir que "la energía es masa". Decimos: "la energía, como la materia, tiene masa".
Masa de materia ordinaria
Decimos que la masa de materia ordinaria contiene una gran cantidad de energía interna igual al producto de la masa y (la velocidad de la luz)2. Pero esta energía está contenida en la masa y no puede liberarse sin que desaparezca al menos una parte de ella. ¿Cómo surgió una idea tan asombrosa y por qué no se descubrió antes? Se propuso anteriormente (experimento y teoría en diferentes formas), pero hasta el siglo XX no se observó el cambio de energía, porque en los experimentos ordinarios corresponde a un cambio de masa increíblemente pequeño. Sin embargo, ahora estamos seguros de que una bala voladora, debido a su energía cinética, tiene una masa adicional. Incluso a 5.000 m/s, una bala que pesara exactamente 1 g en reposo tendría una masa total de 1,00000000001 g, mientras que el platino al rojo vivo de 1 kg sumaría 0,000000000004 kg en total, y prácticamente ningún pesaje sería capaz de registrar estos cambios. Solo cuando se liberan enormes cantidades de energía del núcleo atómico, o cuando los "proyectiles" atómicos se aceleran a velocidades cercanas a la velocidad de la luz, la masa de energía se vuelve perceptible.
Por otro lado, incluso una diferencia de masa apenas perceptible marca la posibilidad de liberar una gran cantidad de energía. Así, los átomos de hidrógeno y helio tienen masas relativas de 1,008 y 4,004. Si cuatro núcleos de hidrógeno pudieran combinarse en un núcleo de helio, entonces la masa de 4,032 cambiaría a 4,004. La diferencia es pequeña, solo 0.028 o 0.7%. Pero supondría una gigantesca liberación de energía (principalmente en forma de radiación). 4,032 kg de hidrógeno darían 0,028 kg de radiación, que tendría una energía de unas 600000000000 Cal.
Compare esto con las 140.000 cal liberadas cuando la misma cantidad de hidrógeno se combina con oxígeno en una explosión química.
La energía cinética ordinaria hace una contribución significativa a la masa de protones muy rápidos producidos por ciclotrones, y esto crea dificultades cuando se trabaja con tales máquinas.
¿Por qué seguimos creyendo que E=mc2
Ahora percibimos esto como una consecuencia directa de la teoría de la relatividad, pero las primeras sospechas surgieron ya hacia fines del siglo XIX, en relación con las propiedades de la radiación. Entonces parecía probable que la radiación tuviera masa. Y dado que la radiación lleva, como en las alas, a la velocidad de la energía, más precisamente, es la energía misma, entonces apareció un ejemplo de una masa que pertenece a algo "inmaterial". Las leyes experimentales del electromagnetismo predijeron que las ondas electromagnéticas deben tener "masa". Pero antes de la creación de la teoría de la relatividad, solo la fantasía desenfrenada podía extender la relación m=E/c2 a otras formas de energía.
Todos los tipos de radiación electromagnética (ondas de radio, luz infrarroja, visible y ultravioleta, etc.) tienen algunas características comunes: todas se propagan a través del espacio vacío a la misma velocidad y todas llevan energía e impulso. Imaginamos la luz y otras radiaciones en forma de ondas que se propagan a una velocidad alta pero definida c = 3*108 m/seg. Cuando la luz golpea una superficie absorbente, se genera calor, lo que indica que el flujo de luz transporta energía. Esta energía debe propagarse junto con el flujo a la misma velocidad de la luz. De hecho, la velocidad de la luz se mide exactamente de esta manera: por el tiempo de vuelo de una gran distancia por parte de la energía de la luz.
Cuando la luz golpea la superficie de algunos metales, elimina electrones, que salen volando como si fueran golpeados por una bola compacta. , al parecer, se distribuye en porciones concentradas, a las que llamamos "quanta". Esta es la naturaleza cuántica de la radiación, a pesar de que estas porciones, aparentemente, son creadas por ondas. Cada porción de luz con la misma longitud de onda tiene la misma energía, un cierto "quantum" de energía. Tales porciones corren a la velocidad de la luz (de hecho, son luz), transfiriendo energía e impulso (impulso). Todo esto permite atribuir una determinada masa a la radiación: se atribuye una determinada masa a cada porción.
Cuando la luz se refleja en un espejo, no se libera calor, porque el haz reflejado se lleva toda la energía, pero una presión actúa sobre el espejo, similar a la presión de las bolas o moléculas elásticas. Si, en lugar de un espejo, la luz golpea una superficie absorbente negra, la presión se reduce a la mitad. Esto indica que el haz lleva el impulso que gira el espejo. Por lo tanto, la luz se comporta como si tuviera masa. Pero, ¿hay alguna otra forma de saber que algo tiene masa? ¿Existe la masa por derecho propio, como la longitud, el verde o el agua? ¿O es un concepto artificial definido por comportamientos como la Modestia? La Misa, en efecto, nos es conocida en tres manifestaciones:
- A. Una declaración vaga que caracteriza la cantidad de "sustancia" (la masa desde este punto de vista es inherente a la sustancia, una entidad que podemos ver, tocar, empujar).
- B. Ciertas afirmaciones que la relacionan con otras magnitudes físicas.
- B. La masa se conserva.
Queda por definir la masa en términos de cantidad de movimiento y energía. Entonces, cualquier cosa en movimiento con impulso y energía debe tener "masa". Su masa debe ser (momento)/(velocidad).
Teoría de la relatividad
El deseo de vincular una serie de paradojas experimentales sobre el espacio y el tiempo absolutos dio lugar a la teoría de la relatividad. Los dos tipos de experimentos con luz dieron resultados contradictorios, y los experimentos con electricidad exacerbaron aún más este conflicto. Entonces Einstein propuso cambiar las reglas geométricas simples de la suma de vectores. Este cambio es la esencia de su "teoría especial de la relatividad".
Para velocidades bajas (desde el caracol más lento hasta el cohete más rápido), la nueva teoría es consistente con la anterior.
A altas velocidades, comparables a la velocidad de la luz, nuestra medida de longitudes o tiempo se modifica por el movimiento del cuerpo con respecto al observador, en particular, la masa del cuerpo se hace mayor cuanto más rápido se mueve.
Entonces la teoría de la relatividad proclamó que este aumento de masa era de carácter completamente general. A velocidades normales no hay cambios, y solo a una velocidad de 100.000.000 km/h la masa aumenta un 1%. Sin embargo, para electrones y protones emitidos por átomos radiactivos o aceleradores modernos, llega al 10, 100, 1000%…. Los experimentos con tales partículas de alta energía proporcionan una excelente evidencia de la relación entre la masa y la velocidad.
En el otro extremo está la radiación que no tiene masa en reposo. No es una sustancia y no puede mantenerse quieto; simplemente tiene masa y se mueve a una velocidad c, por lo que su energía es mc2. Hablamos de cuantos como fotones cuando queremos observar el comportamiento de la luz como una corriente de partículas. Cada fotón tiene cierta masa m, cierta energía E=mс2 y cierta cantidad de movimiento (momento).
Transformaciones nucleares
En algunos experimentos con núcleos, las masas de los átomos después de violentas explosiones no se suman para dar la misma masa total. La energía liberada se lleva consigo una parte de la masa; la pieza faltante de material atómico parece haber desaparecido. Sin embargo, si asignamos una masa E/c2 a la energía medida, encontramos que la masa se conserva.
Aniquilación de materia
Estamos acostumbrados a pensar en la masa como una propiedad inevitable de la materia, por lo que la transición de la masa de la materia a la radiación, de una lámpara a un rayo de luz volador, parece casi la destrucción de la materia. Un paso más, y nos sorprenderemos al descubrir lo que realmente está sucediendo: los electrones positivos y negativos, las partículas de materia, cuando se combinan, se convierten completamente en radiación. La masa de su materia se convierte en una masa igual de radiación. Este es un caso de desaparición de la materia en el sentido más literal. Como si estuviera enfocado, en un destello de luz.
Las mediciones muestran que (energía, radiación durante la aniquilación) / c2 es igual a la masa total de ambos electrones, positivo y negativo. Un antiprotón, cuando se combina con un protón, se aniquila, generalmente con la liberación de partículas más ligeras con alta energía cinética.
creación de materia
Ahora que hemos aprendido a manejar la radiación de alta energía (rayos X de onda súper corta), podemos preparar partículas de materia a partir de la radiación. Si un objetivo es bombardeado con tales rayos, a veces producen un par de partículas, por ejemplo, electrones positivos y negativos. Y si usamos de nuevo la fórmula m=E/c2 tanto para la radiación como para la energía cinética, entonces se conservará la masa.
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Einstein estableció la relación entre energía y masa en su ecuación:
donde c = 300.000.000 m/s es la velocidad de la luz;
así el cuerpo de una persona que pesa 70 kg contiene energía
la planta del reactor RBMK-1000 generará tal cantidad de energía solo para dos mil la masa del núcleo dividido. Por supuesto, la conversión completa de masa en energía aún está muy lejos, pero tal cambio en la masa de combustible en el reactor, que no es detectado por las escalas convencionales, ya permite obtener una cantidad gigantesca de energía. El cambio de masa de combustible por año de funcionamiento continuo en el reactor RBMK-1000 es de aproximadamente 0,3 g, pero la energía liberada en este caso es la misma que cuando se queman 3.000.000 (tres millones) de toneladas de carbón.% años de funcionamiento. El principal problema es aprender a convertir la masa en energía útil. La humanidad dio el primer paso para resolver este problema al dominar el uso militar y pacífico de la energía de la fisión nuclear. En primera aproximación, los procesos que ocurren en un reactor nuclear pueden describirse como una fisión continua de núcleos. En este caso, la masa de todo el núcleo antes de la fisión es mayor que la masa de los fragmentos resultantes. La diferencia es de aproximadamente 0.1
Energía.
En la práctica, cuando hablamos de una fuente de energía, normalmente nos interesa su potencia. Puedes subir mil ladrillos al quinto piso de una casa en construcción con una grúa, o con la ayuda de dos operarios con una camilla. En ambos casos, el trabajo perfecto y la energía gastada son los mismos, solo difiere la potencia de las fuentes de energía. Definición:Energía fuente de energía (máquina), esta es la cantidad de energía recibida (trabajo perfecto) por unidad de tiempo.
potencia = energía (trabajo) / tiempo
unidad [J/s = W]
Ley de la conservación de la energía
Como se mencionó anteriormente, en el mundo que nos rodea hay una transformación continua de energía de un tipo a otro. Al lanzar la pelota, provocamos una cadena de transformaciones de energía mecánica de un tipo a otro. La pelota que rebota ilustra claramente la ley de conservación de la energía:
La energía no puede desaparecer en la nada, o aparecer de la nada, solo puede pasar de una forma a otra.
La pelota, después de dar varios rebotes, finalmente permanecerá inmóvil en la superficie. Dado que la energía mecánica que se le transfiere inicialmente se gasta en:
a) venciendo la resistencia del aire en el que se mueve la pelota (se convierte en energía térmica del aire)
b) calentar la bola y la superficie de impacto. (el cambio de forma siempre va acompañado de calentamiento, recuerde cómo el alambre de aluminio se calienta con torceduras repetidas)
Conversión de energía
Las posibilidades de transformación y uso de la energía son un indicador del desarrollo técnico de la humanidad. El primer convertidor de energía utilizado por el hombre puede considerarse una vela: el uso de la energía eólica para moverse a través del agua, más desarrollado es el uso del viento y el agua en molinos de viento y molinos de agua. La invención e introducción de la máquina de vapor revolucionó la tecnología. Las máquinas de vapor en fábricas y plantas aumentaron drásticamente la productividad laboral. Las locomotoras de vapor y los barcos a motor hicieron que el transporte por tierra y mar fuera más rápido y económico. En la etapa inicial, la máquina de vapor servía para convertir la energía térmica en energía mecánica de una rueda giratoria, desde la cual, utilizando varios tipos de engranajes (ejes, poleas, correas, cadenas), la energía se transfería a las máquinas y mecanismos.
La introducción generalizada de máquinas eléctricas, motores que convierten energía eléctrica en energía mecánica y generadores para la producción de electricidad a partir de energía mecánica, marcó un nuevo salto en el desarrollo de la tecnología. Se hizo posible transmitir energía a largas distancias en forma de electricidad, nació toda una rama de la industria energética.
En la actualidad se han creado una gran cantidad de dispositivos destinados a convertir la electricidad en cualquier tipo de energía necesaria para la vida humana: motores eléctricos, calentadores eléctricos, lámparas de alumbrado, y los que utilizan la electricidad directamente: televisores, receptores, etc.
NPP (con un reactor de circuito único)
La historia del desarrollo de la energía nuclear.
La primera planta de energía nuclear del mundo con fines industriales piloto con una capacidad de 5 MW se inauguró en la URSS el 27 de junio de 1954 en la ciudad de Obninsk. Antes de esto, la energía del núcleo atómico se utilizaba principalmente con fines militares. El lanzamiento de la primera planta de energía nuclear marcó la apertura de una nueva dirección en energía, que fue reconocida en la 1ª Conferencia Científica y Técnica Internacional sobre los Usos Pacíficos de la Energía Atómica (agosto de 1955, Ginebra).
En 1958, se puso en funcionamiento la primera etapa de la Central Nuclear de Siberia con una capacidad de 100 MW (la capacidad total de diseño es de 600 MW). En el mismo año, comenzó la construcción de la central nuclear industrial de Beloyarsk, y el 26 de abril de 1964, el generador de la primera etapa (unidad de 100 MW) suministró corriente al sistema de energía de Sverdlovsk, la segunda unidad con una capacidad de 200 MW se puso en funcionamiento en octubre de 1967. Una característica distintiva de la central nuclear de Beloyarsk es: el sobrecalentamiento del vapor (hasta que se obtienen los parámetros requeridos) directamente en un reactor nuclear, lo que hizo posible el uso de turbinas modernas ordinarias casi sin alteraciones. .
En septiembre de 1964, se puso en funcionamiento la Unidad 1 de la central nuclear de Novovoronezh con una capacidad de 210 MW. El costo de 1 kWh de electricidad (el indicador económico más importante de la operación de cualquier central eléctrica) en esta central nuclear se redujo sistemáticamente: ascendió a 1,24 kopeks. en 1965, 1,22 kopeks. en 1966, 1,18 coronas. en 1967, 0,94 coronas. en 1968. La primera unidad de la central nuclear de Novovoronezh se construyó no solo para uso industrial, sino también como instalación de demostración para mostrar las posibilidades y ventajas de la energía nuclear, la fiabilidad y la seguridad de la operación de la central nuclear. En noviembre de 1965, se puso en funcionamiento una central nuclear con un reactor de agua refrigerado por agua con una capacidad de 50 MW en la ciudad de Melekess, región de Ulyanovsk, el reactor se montó de acuerdo con un esquema de circuito único, lo que facilita el diseño. de la estación En diciembre de 1969, se puso en funcionamiento la segunda unidad de la central nuclear de Novovoronezh (350 MW).
En el extranjero, la primera central nuclear de uso industrial con una capacidad de 46 MW se puso en funcionamiento en Calder Hall (Inglaterra) en 1956. Un año más tarde, se puso en funcionamiento una central nuclear de 60 MW en Shippingport (EE.UU.).
Un diagrama esquemático de una central nuclear con un reactor nuclear refrigerado por agua se muestra en la fig. 2. El calor liberado en el núcleo del reactor 1 es absorbido por el agua (refrigerante) del primer circuito, que es bombeada a través del reactor por una bomba de circulación 2. El agua calentada del reactor ingresa al intercambiador de calor (generador de vapor) 3 , donde cede el calor obtenido en el reactor al 2º circuito de agua. El agua del segundo circuito se evapora en el generador de vapor y el vapor resultante ingresa a la turbina 4.
En la mayoría de los casos, se utilizan 4 tipos de reactores de neutrones térmicos en las centrales nucleares: 1) reactores refrigerados por agua con agua ordinaria como moderador y refrigerante; 2) agua de grafito con refrigerante de agua y moderador de grafito; 3) agua pesada con agua refrigerante y agua pesada como moderador; 4) grafito-gas con refrigerante de gas y moderador de grafito.
La elección del tipo de reactor predominantemente utilizado está determinada principalmente por la experiencia acumulada en la construcción del reactor, así como por la disponibilidad del equipo industrial necesario, reservas de materia prima, etc. En la URSS, principalmente reactores de grafito-agua y agua-agua. Están construidos. En las plantas de energía nuclear de EE. UU., los reactores de agua a presión son los más utilizados. Los reactores de gas de grafito se utilizan en Inglaterra. Las plantas de energía nuclear en Canadá están dominadas por plantas de energía nuclear con reactores de agua pesada.
Según el tipo y estado de agregación del refrigerante se crea uno u otro ciclo termodinámico de las centrales nucleares. La elección del límite superior de temperatura del ciclo termodinámico está determinada por la temperatura máxima admisible de los revestimientos de elementos combustibles (TVEL) que contienen combustible nuclear, la temperatura admisible del propio combustible nuclear, así como las propiedades del soporte de espiga adoptado para este tipo de reactor. En las centrales nucleares, cuyo reactor térmico está refrigerado por agua, se suelen utilizar ciclos de vapor a baja temperatura. Los reactores enfriados por gas permiten el uso de ciclos de vapor relativamente más económicos con mayor presión y temperatura iniciales. El esquema térmico de la central nuclear en estos dos casos se realiza como de 2 circuitos: el refrigerante circula en el 1er circuito, el 2º circuito es vapor-agua. En reactores con agua hirviendo o gas refrigerante a alta temperatura, es posible una central nuclear térmica de circuito único. En los reactores de agua en ebullición, el agua hierve en el núcleo, la mezcla resultante de vapor y agua se separa y el vapor saturado se envía directamente a la turbina o se devuelve previamente al núcleo para su sobrecalentamiento (Fig. 3). En los reactores de gas de grafito de alta temperatura, es posible utilizar un ciclo de turbina de gas convencional. El reactor en este caso actúa como una cámara de combustión.
Durante la operación del reactor, la concentración de isótopos fisionables en el combustible nuclear disminuye gradualmente, es decir, los elementos combustibles se queman. Por lo tanto, con el tiempo, se reemplazan por otros nuevos. El combustible nuclear se recarga mediante mecanismos y dispositivos controlados a distancia. Las barras de combustible gastado se transfieren a la piscina de combustible gastado y luego se envían para su procesamiento.
El reactor y sus sistemas de servicio incluyen: el propio reactor con protección biológica, intercambiadores de calor, bombas o unidades de soplado que hacen circular el refrigerante; tuberías y accesorios del circuito de circulación; dispositivos para recargar combustible nuclear; sistemas especiales ventilación, refrigeración de emergencia, etc.
Dependiendo del diseño, los reactores tienen características distintivas: en los reactores presurizados, las barras de combustible y un moderador están ubicados dentro de la vasija, que transporta la presión total del refrigerante; en los reactores de canal, los elementos de combustible enfriados por un refrigerante se instalan en canales de tuberías especiales que penetran en el moderador encerrado en una carcasa de paredes delgadas. Dichos reactores se utilizan en la URSS (plantas de energía nuclear de Siberia, Beloyarsk, etc.).
Para proteger al personal de la central nuclear de la exposición a la radiación, el reactor está rodeado de protección biológica, cuyos materiales principales son hormigón, agua y arena serpentina. El equipo del circuito del reactor debe estar completamente sellado. Se prevé un sistema de vigilancia de los lugares de posibles fugas del refrigerante, se toman medidas para que la aparición de fugas y roturas en el circuito no produzcan emisiones radiactivas y contaminación del recinto de la central nuclear y su entorno. Los equipos del circuito del reactor suelen instalarse en cajas selladas, que están separadas del resto de las instalaciones de la central nuclear por protección biológica y no reciben mantenimiento durante la operación del reactor. El aire radiactivo y una pequeña cantidad de vapor de refrigerante debido a las fugas del circuito se eliminan de las instalaciones de la central nuclear desatendidas mediante un sistema de ventilación especial, en el que se proporcionan filtros de purificación y soportes de gas para eliminar la posibilidad de contaminación atmosférica. El servicio de control dosimétrico supervisa el cumplimiento de las normas de seguridad radiológica por parte del personal de la central nuclear.
En caso de accidentes en el sistema de enfriamiento del reactor, para evitar el sobrecalentamiento y la fuga de los revestimientos de las barras de combustible, se proporciona una supresión rápida (en unos pocos segundos) de la reacción nuclear; El sistema de refrigeración de emergencia tiene fuentes de alimentación independientes.
La disponibilidad de blindaje biológico, sistemas especiales de ventilación y refrigeración de emergencia y servicio de control dosimétrico permite proteger completamente al personal de mantenimiento de las centrales nucleares de los efectos nocivos de la exposición radiactiva.
El equipamiento de la sala de máquinas de la CN es similar al equipamiento de la sala de máquinas de la TPP. Una característica distintiva de la mayoría de las centrales nucleares es el uso de vapor de parámetros relativamente bajos, saturado o ligeramente sobrecalentado.
Al mismo tiempo, para excluir el daño por erosión a las palas de las últimas etapas de la turbina por partículas de humedad contenidas en el vapor, se instalan separadores en la turbina. En ocasiones es necesario utilizar separadores remotos y recalentadores de vapor. Debido al hecho de que el refrigerante y las impurezas que contiene se activan al pasar por el núcleo del reactor, el diseño del equipo de la sala de turbinas y el sistema de refrigeración del condensador de la turbina de las centrales nucleares de circuito único deben excluir por completo la posibilidad de fugas de refrigerante. . En las centrales nucleares de doble circuito con altos parámetros de vapor, tales requisitos no se imponen al equipo de la sala de turbinas.
Los requisitos específicos para la disposición de los equipos de la central nuclear incluyen: la longitud mínima posible de las comunicaciones asociadas con los medios radiactivos, mayor rigidez de los cimientos y estructuras portantes del reactor, y una organización fiable de la ventilación de la sala. En la fig. muestra una sección del edificio principal de la central nuclear de Beloyarsk con un reactor de agua de grafito de canal. La sala del reactor contiene: un reactor con protección biológica, barras de combustible de repuesto y equipo de control. La central nuclear está dispuesta según el principio de bloque reactor - turbina. Los generadores de turbinas y los sistemas que les dan servicio están ubicados en la sala de máquinas. El equipo auxiliar y los sistemas de control de la planta están ubicados entre las salas de máquinas y del reactor.
La rentabilidad de una central nuclear está determinada por sus principales indicadores técnicos: la potencia unitaria del reactor, el factor de eficiencia, la intensidad energética del núcleo, la profundidad del quemado del combustible nuclear, el factor de utilización de la capacidad instalada de la central nuclear del año. Con un aumento de la potencia de una central nuclear, la inversión específica en la misma (el coste de los kW instalados) disminuye de forma más acusada que en el caso de las centrales térmicas. Esta es la razón principal del deseo de construir grandes centrales nucleares con una gran capacidad unitaria de unidades. Para la economía de las plantas de energía nuclear, es típico que la participación del componente de combustible en el costo de la electricidad generada sea del 30-40 % (a TPP del 60-70 %). Por lo tanto, las grandes plantas de energía nuclear son más comunes en áreas industrializadas con suministros limitados de combustible convencional, y las plantas de energía nuclear de pequeña capacidad son más comunes en áreas remotas o de difícil acceso, por ejemplo, plantas de energía nuclear en el pueblo. Bilibino (República Autónoma Socialista Soviética de Yakutsk) con una potencia eléctrica de una unidad típica de 12 MW. Parte de la potencia térmica del reactor de esta central nuclear (29 MW) se destina al suministro de calor. Además de generar electricidad, las centrales nucleares también se utilizan para desalinizar agua de mar. Así, la CN Shevchenko (RSS de Kazajstán) con una capacidad eléctrica de 150 MW está diseñada para desalinizar (por destilación) hasta 150.000 toneladas de agua del Mar Caspio al día.
En la mayoría de los países industrializados (URSS, EE. UU., Inglaterra, Francia, Canadá, RFA, Japón, RDA, etc.), según las previsiones, la capacidad de las centrales nucleares existentes y en construcción aumentará a decenas de GW para 1980. Según la Agencia Atómica Internacional de la ONU, publicada en 1967, la capacidad instalada de todas las centrales nucleares del mundo para 1980 alcanzará los 300 GW.
La Unión Soviética está llevando a cabo un amplio programa de puesta en servicio de grandes unidades de potencia (hasta 1.000 MW) con reactores de neutrones térmicos. En 1948-49, se comenzó a trabajar en reactores de neutrones rápidos para centrales nucleares industriales. Las características físicas de tales reactores permiten llevar a cabo una reproducción ampliada de combustible nuclear (proporción de reproducción de 1,3 a 1,7), lo que permite utilizar no solo 235U, sino también materias primas 238U y 232Th. Además, los reactores de neutrones rápidos no contienen un moderador, son de tamaño relativamente pequeño y tienen una gran carga. Esto explica el deseo de desarrollo intensivo de reactores rápidos en la URSS. Para la investigación de reactores rápidos, se construyeron sucesivamente reactores experimentales y piloto BR-1, BR-2, BR-Z, BR-5, BFS. La experiencia adquirida condujo a la transición de la investigación de plantas modelo al diseño y construcción de plantas industriales de energía nuclear de neutrones rápidos (BN-350) en Shevchenko y (BN-600) en la central nuclear de Beloyarsk. Se están realizando investigaciones sobre reactores para centrales nucleares potentes, por ejemplo, se ha construido un reactor BOR-60 experimental en la ciudad de Melekess.
También se están construyendo grandes plantas de energía nuclear en varios países en desarrollo (India, Pakistán y otros).
En la Tercera Conferencia Internacional Científica y Técnica sobre los Usos Pacíficos de la Energía Atómica (1964, Ginebra), se señaló que el desarrollo generalizado de la energía nuclear se ha convertido en un problema clave para la mayoría de los países. La 7ª Conferencia Mundial de la Energía (MIREC-VII), celebrada en Moscú en agosto de 1968, confirmó la relevancia de los problemas de elegir la dirección del desarrollo de la energía nuclear en la próxima etapa (condicionalmente 1980-2000), cuando las centrales nucleares se conviertan en uno de los principales productores de electricidad.
Átomo Consiste en un núcleo alrededor del cual giran unas partículas llamadas electrones.
Los núcleos de los átomos son las partículas más pequeñas. Son la base de toda sustancia y materia.
Contienen una gran cantidad de energía.
Esta energía se libera como radiación cuando ciertos elementos radiactivos se desintegran. La radiación es peligrosa para toda la vida en la tierra, pero al mismo tiempo se usa para producir electricidad y en medicina.
La radiactividad es la propiedad de los núcleos de los átomos inestables para radiar energía. 
La mayoría de los átomos pesados son inestables y los átomos más ligeros tienen radioisótopos, es decir, isótopos radioactivos. El motivo de la aparición de la radiactividad es que los átomos se esfuerzan por obtener estabilidad. Hoy en día se conocen tres tipos de radiación radiactiva: alfa, beta y gamma. Fueron nombrados después de las primeras letras del alfabeto griego. El núcleo primero emite rayos alfa o beta. Pero si aún permanece inestable, entonces salen rayos gamma. Tres núcleos atómicos pueden ser inestables, y cada uno de ellos puede emitir cualquiera de los tipos de rayos.
La figura muestra tres núcleos atómicos.
Son inestables y cada uno de ellos emite uno de tres tipos de rayos.
Las partículas alfa tienen dos protones y dos neutrones. El núcleo del átomo de helio tiene exactamente la misma composición. Las partículas alfa se mueven lentamente y, por lo tanto, cualquier material más grueso que una hoja de papel puede contenerlas. No son muy diferentes de los núcleos de los átomos de helio. La mayoría de los científicos presentan la versión de que el helio en la Tierra es de origen radiactivo natural.
Las partículas beta son electrones con una energía enorme. Su formación se produce durante la desintegración de los neutrones. Las partículas beta tampoco son muy rápidas, pueden volar por el aire hasta un metro. Por lo tanto, una lámina de cobre de un milímetro de espesor puede convertirse en un obstáculo en su camino. Y si instala una barrera de plomo de 13 mm o 120 metros de aire, puede reducir a la mitad la radiación gamma.
Los rayos gamma son radiaciones electromagnéticas de gran energía. Su velocidad de movimiento es igual a la velocidad de la luz.
El transporte de sustancias radiactivas se realiza en contenedores especiales de plomo con paredes gruesas para evitar fugas de radiación.
La exposición a la radiación es extremadamente peligrosa para los humanos.
Provoca quemaduras, cataratas, provoca el desarrollo de cáncer.
Un dispositivo especial, el contador Geiger, ayuda a medir el nivel de radiación, que emite sonidos de clic cuando aparece una fuente de radiación.
Cuando un núcleo emite partículas, se convierte en el núcleo de otro elemento, cambiando así su número atómico. Esto se llama el período de decaimiento del elemento. Pero si el elemento recién formado sigue siendo inestable, el proceso de descomposición continúa. Y así sucesivamente hasta que el elemento se estabilice. Para muchos elementos radiactivos, este período dura decenas, cientos e incluso miles de años, por lo que se acostumbra medir la vida media. Tomemos, por ejemplo, un átomo de plutonio-2 con una masa de 242. Después de emitir partículas alfa con una masa atómica relativa de 4, se convierte en un átomo de uranio-238 con la misma masa atómica.
Reacciones nucleares.
Las reacciones nucleares se dividen en dos tipos: fusión nuclear y fisión (división) del núcleo.
Síntesis o de otro modo "conexión" significa la conexión de dos núcleos en uno grande bajo la influencia de una temperatura muy alta. En este punto, se libera una gran cantidad de energía.
Durante la fisión y fisión, se produce el proceso de fisión del núcleo, mientras se libera energía nuclear.
Esto sucede cuando el núcleo es bombardeado con neutrones en un dispositivo especial llamado "acelerador de partículas".
Durante la fisión del núcleo y la radiación de neutrones, solo se libera una cantidad colosal de energía.
Se sabe que para obtener una gran cantidad de electricidad, solo se necesita una unidad de masa de combustible de radio.Ninguna otra planta de energía puede presumir de algo así.
La energía nuclear.
Así, la energía que se libera durante una reacción nuclear se utiliza para generar electricidad o como fuente de energía en barcos submarinos y de superficie. El proceso de generación de electricidad en una central nuclear se basa en la fisión nuclear en reactores nucleares. En un enorme tanque hay barras de una sustancia radiactiva (por ejemplo, uranio).
Son atacados por neutrones y se dividen, liberando energía. Los nuevos neutrones se escinden cada vez más. Esto se llama una reacción en cadena. La eficiencia de este método de generación de electricidad es increíblemente alta, pero las medidas de seguridad y las condiciones de enterramiento son demasiado costosas.
Sin embargo, la humanidad utiliza la energía nuclear no solo con fines pacíficos. A mediados del siglo XX, las armas nucleares fueron probadas y probadas.
Su acción es liberar un enorme flujo de energía, lo que da lugar a una explosión. Al final de la Segunda Guerra Mundial, Estados Unidos usó armas nucleares contra Japón. Lanzaron bombas atómicas sobre las ciudades de Hiroshima y Nagasaki.
Las consecuencias fueron simplemente desastrosas.
Algunas víctimas humanas fueron varios cientos de miles.
Pero los científicos no se detuvieron ahí y desarrollaron armas de hidrógeno.
Su diferencia es que las bombas nucleares se basan en reacciones de fisión nuclear y las bombas de hidrógeno en reacciones de fusión.
método de radiocarbono.
Para obtener información sobre el momento de la muerte de un organismo, se utiliza el método de análisis de radiocarbono. Se sabe que el tejido vivo contiene cierta cantidad de carbono-14, que es un isótopo radiactivo del carbono. La vida media de los cuales es de 5700 años. Después de la muerte del organismo, las reservas de carbono-14 en los tejidos disminuyen, el isótopo se desintegra y el momento de la muerte del organismo se determina a partir de su cantidad restante. Entonces, por ejemplo, puedes averiguar hace cuánto tiempo entró en erupción un volcán. Esto puede ser reconocido por insectos y polen congelado en lava.
¿De qué otra manera se usa la radiactividad?
La radiación también se utiliza en la industria.
Los rayos gamma se utilizan para irradiar alimentos para mantenerlos frescos.
En medicina, la radiación se utiliza en el estudio de los órganos internos.
También existe una técnica llamada radioterapia. Esto es cuando el paciente es irradiado con pequeñas dosis, destruyendo las células cancerosas en su cuerpo.
La energía contenida en los núcleos atómicos y liberada durante las reacciones nucleares y la desintegración radiactiva.
Según las previsiones, los combustibles orgánicos serán suficientes para satisfacer las necesidades energéticas de la humanidad durante 4 o 5 décadas. La energía solar puede convertirse en la principal fuente de energía en el futuro. El período de transición requiere una fuente de energía prácticamente inagotable, barata, renovable y que no contamine el medio ambiente. Y aunque la energía nuclear no cumple por completo con todos estos requisitos, se está desarrollando a un ritmo acelerado y es nuestra esperanza para resolver la crisis energética mundial.
La liberación de la energía interna de los núcleos atómicos es posible mediante la fisión de núcleos pesados o la síntesis de núcleos ligeros.
Característica del átomo. Un átomo de cualquier elemento químico consiste en un núcleo y electrones que giran a su alrededor. El núcleo de un átomo está formado por neutrones y protones. El nombre común para el protón y el neutrón es el término nucleón. Los neutrones no tienen carga eléctrica los protones tienen carga positiva, electrones - negativo. La carga de un protón es igual en módulo a la carga de un electrón.
El número de protones del núcleo Z coincide con su número atómico en el sistema periódico de Mendeleev. El número de neutrones en un núcleo, con pocas excepciones, es mayor o igual que el número de protones.
La masa de un átomo se concentra en el núcleo y está determinada por la masa de los nucleones. La masa de un protón es igual a la masa de un neutrón. La masa de un electrón es 1/1836 de la masa de un protón.
Como se usa la dimensión de la masa de los átomos unidad de masa atómica(a.m.u.) igual a 1,66 10 -27 kg. 1 uma aproximadamente igual a la masa de un protón. Una característica de un átomo es el número de masa A, igual al número total de protones y neutrones.
La presencia de neutrones permite que dos átomos tengan masas diferentes para las mismas cargas eléctricas del núcleo. Las propiedades químicas de estos dos átomos serán las mismas; tales átomos se llaman isótopos. En la literatura, a la izquierda de la designación del elemento, el número de masa se escribe en la parte superior y el número de protones se escribe debajo.
El combustible nuclear utilizado en estos reactores es isótopo de uranio con masa atómica 235. El uranio natural es una mezcla de tres isótopos: uranio-234 (0,006%), uranio-235 (0,711%) y uranio-238 (99,283%). El isótopo de uranio-235 tiene propiedades únicas: como resultado de la absorción de un neutrón de baja energía, se obtiene un núcleo de uranio-236, que luego se divide, se divide en dos partes aproximadamente iguales, llamadas productos de fisión (fragmentos). Los nucleones del núcleo original se distribuyen entre los fragmentos de fisión, pero no todos; en promedio, se liberan 2-3 neutrones. Como resultado de la fisión, la masa del núcleo original no se conserva por completo, parte de ella se convierte en energía, principalmente en la energía cinética de los productos de fisión y los neutrones. El valor de esta energía para un átomo de uranio 235 es de unos 200 MeV.
El núcleo de un reactor convencional con una capacidad de 1000 MW contiene alrededor de 1 mil toneladas de uranio, de las cuales solo el 3 - 4% es uranio-235. En el reactor se consumen diariamente 3 kg de este isótopo. Así, para abastecer de combustible al reactor, se deben procesar diariamente 430 kg de concentrado de uranio, lo que representa un promedio de 2150 toneladas de mineral de uranio.
Como resultado de la reacción de fisión, se forman neutrones rápidos en el combustible nuclear. Si interactúan con los núcleos vecinos del material fisionable y, a su vez, provocan una reacción de fisión en ellos, se produce un aumento similar a una avalancha en el número de eventos de fisión. Esta reacción de fisión se llama reacción en cadena de fisión nuclear.
Los más eficaces para el desarrollo de una reacción de fisión en cadena son los neutrones con una energía inferior a 0,1 keV. Se denominan térmicas, ya que su energía es comparable a la energía media del movimiento térmico de las moléculas. A modo de comparación, la energía que poseen los neutrones formados durante la descomposición de los núcleos es de 5 MeV. Se llaman neutrones rápidos. Para usar tales neutrones en una reacción en cadena, su energía debe reducirse (ralentizarse). Estas funciones son realizadas por el retardador. En las sustancias moderadoras, los núcleos dispersan los neutrones rápidos y su energía se convierte en la energía del movimiento térmico de los átomos de la sustancia moderadora. El grafito, los metales líquidos (refrigerante del primer circuito) son los más utilizados como moderadores.
El rápido desarrollo de una reacción en cadena va acompañado de la liberación de una gran cantidad de calor y el sobrecalentamiento del reactor. Para mantener el modo estacionario del reactor, se introducen barras de control en el núcleo del reactor hechas de materiales que absorben fuertemente los neutrones térmicos, por ejemplo, de boro o cadmio.
La energía cinética de los productos de descomposición se convierte en calor. El calor es absorbido por el refrigerante que circula en el reactor nuclear y transferido al intercambiador de calor (1er circuito cerrado), donde se produce vapor (2º circuito), que hace girar la turbina del turbogenerador. El refrigerante del reactor es sodio líquido (primer circuito) y agua (segundo circuito).
El uranio-235 es un recurso no renovable y, si se usa por completo en los reactores nucleares, desaparecerá para siempre. Por lo tanto, parece atractivo utilizar el isótopo uranio-238, que se produce en cantidades mucho mayores, como combustible inicial. Este isótopo no admite una reacción en cadena bajo la influencia de los neutrones. Pero puede absorber neutrones rápidos, formando uranio-239 en el proceso. En los núcleos del uranio-239 comienza la desintegración beta y se forma el neptunio-239 (que no se encuentra en la naturaleza). Este isótopo también se descompone y se convierte en plutonio-239 (que no se produce de forma natural). El plutonio-239 es aún más susceptible a la reacción de fisión de neutrones térmicos. Como resultado de la reacción de fisión en el combustible nuclear plutonio-239, se forman neutrones rápidos que, junto con el uranio, forman un nuevo combustible y productos de fisión que liberan calor en elementos combustibles (TVEL). Como resultado, se puede obtener de 20 a 30 veces más energía de un kilogramo de uranio natural que en los reactores nucleares convencionales que utilizan uranio-235.
En los diseños modernos, el sodio líquido se usa como refrigerante. En este caso, el reactor puede operar a temperaturas más altas, aumentando así la eficiencia térmica de la planta de energía. hasta 40% .
Sin embargo, las propiedades físicas del plutonio: toxicidad, baja masa crítica para una reacción de fisión espontánea, ignición en un entorno de oxígeno, fragilidad y autocalentamiento en estado metálico dificultan su fabricación, procesamiento y manipulación. Por lo tanto, los reactores reproductores son aún menos comunes que los reactores de neutrones térmicos.
Con fines pacíficos, la energía atómica se utiliza en las centrales nucleares. La participación de las centrales nucleares en la producción mundial de electricidad es de alrededor del 14% .
Como ejemplo, considere el principio de obtener electricidad en la central nuclear de Voronezh. Un refrigerante de metal líquido con una temperatura de entrada de 571 K se alimenta a través de canales al núcleo del reactor a través de canales a una presión de 157 ATM (15,7 MPa), que se calienta en el reactor a 595 K. El refrigerante de metal se envía al vapor generador, en el que entra agua fría, convirtiéndose en vapor con una presión de 65,3 ATM (6,53 MPa). Se suministra vapor a las palas de una turbina de vapor, que hace girar un turbogenerador.
En los reactores nucleares, la temperatura del vapor producido es significativamente más baja que en el generador de vapor de las centrales térmicas que funcionan con combustible orgánico. Como resultado, la eficiencia térmica de las centrales nucleares que funcionan con agua como refrigerante es solo del 30%. A modo de comparación, en las centrales eléctricas que funcionan con carbón, petróleo o gas, alcanza el 40%.
Las plantas de energía nuclear se utilizan en los sistemas de suministro de energía y calor para la población, y las minicentrales nucleares en embarcaciones marítimas (barcos de propulsión nuclear, submarinos nucleares) se utilizan para impulsar hélices).
Para fines militares, la energía nuclear se utiliza en bombas atómicas. La bomba atómica es un reactor especial de neutrones rápidos. , en el que se produce una reacción en cadena rápida e incontrolada con un alto factor de multiplicación de neutrones. No hay moderadores en el reactor nuclear de una bomba atómica. Por lo tanto, las dimensiones y el peso del dispositivo son pequeños.
La carga nuclear de una bomba de uranio-235 se divide en dos partes, en cada una de las cuales es imposible una reacción en cadena. Para llevar a cabo la explosión, una de las mitades de la carga se dispara contra la otra, y cuando se conectan, se produce una reacción en cadena explosiva casi instantáneamente. Una reacción nuclear explosiva libera una enorme energía. En este caso, se alcanza una temperatura de unos cien millones de grados. Hay un aumento colosal de la presión y se forma una poderosa onda expansiva.
El primer reactor nuclear fue lanzado en la Universidad de Chicago (EEUU) el 2 de diciembre de 1942. La primera bomba atómica fue detonada el 16 de julio de 1945 en Nuevo México (Alamogordo). Era un dispositivo creado sobre el principio de la fisión del plutonio. La bomba consistía en plutonio rodeado por dos capas de explosivo químico con mechas.
La primera central nuclear, que dio corriente en 1951, fue la central nuclear EBR-1 (EE.UU.). En la antigua URSS - Planta de energía nuclear de Obninsk (región de Kaluga, actualizó el 27 de junio de 1954). La primera planta de energía nuclear en la URSS con un reactor de neutrones rápidos con una capacidad de 12 MW se inauguró en 1969 en la ciudad de Dimitrovgrad. En 1984 había 317 centrales nucleares en funcionamiento en el mundo con una capacidad total de 191 mil MW, que en ese momento equivalía al 12% (1012 kWh) de la producción mundial de electricidad. A partir de 1981, la central nuclear más grande del mundo era la central nuclear de Biblis (Alemania), cuya potencia térmica de los reactores era de 7800 MW.
reacciones termonucleares se denominan reacciones nucleares de fusion de nucleos ligeros en otros mas pesados. El elemento utilizado en la fusión nuclear es el hidrógeno. La principal ventaja de la síntesis termonuclear son los recursos prácticamente ilimitados de materias primas que se pueden extraer del agua de mar. El hidrógeno, de una forma u otra, constituye el 90% de toda la materia. El combustible para la fusión termonuclear contenido en los océanos del mundo durará más de mil millones de años (la radiación solar y la humanidad en el sistema solar no durarán mucho más). La materia prima para la fusión termonuclear contenida en 33 km de agua oceánica es equivalente en contenido energético a todos los recursos de combustibles sólidos (hay 40 millones de veces más agua en la Tierra). La energía del deuterio contenido en un vaso de agua equivale a quemar 300 litros de gasolina.
Hay 3 isotopos de hidrogeno : sus masas atómicas son -1,2 (deuterio), 3 (tritio). Estos isótopos pueden reproducir tales reacciones nucleares en las que la masa total de los productos finales de la reacción es menor que la masa total de las sustancias que han entrado en la reacción. La diferencia de masas, como en el caso de una reacción de fisión, es la energía cinética de los productos de reacción. En promedio, una disminución en la masa de una sustancia que participa en una reacción de fusión termonuclear en 1 a.m.u. corresponde a la liberación de energía de 931 MeV:
H 2 + H 2 \u003d H 3 + neutrón + 3.2 MeV,
H 2 + H 2 \u003d H 3 + protón + 4.0 MeV,
H 2 + H 3 \u003d He 4 + neutrón + 17,6 MeV.
El tritio está prácticamente ausente en la naturaleza. Se puede obtener por la interacción de neutrones con isótopos de litio:
Li 6 + neutrón \u003d He 4 + H 3 + 4.8 MeV.
La fusión de núcleos de elementos ligeros no ocurre naturalmente (excluyendo procesos en el espacio). Para forzar a los núcleos a entrar en la reacción de fusión se requieren altas temperaturas (del orden de 107 -109K). En este caso, el gas es un plasma ionizado. El problema del confinamiento de este plasma es el principal obstáculo para el uso de este método de obtención de energía. La temperatura del orden de 10 millones de grados es típica de la parte central del Sol. Son las reacciones termonucleares las que son la fuente de energía que proporciona la radiación del Sol y las estrellas.
Actualmente, se están realizando trabajos teóricos y experimentales para estudiar métodos de confinamiento de plasma magnético e inercial.
El método de uso de campos magnéticos. Se crea un campo magnético que impregna el canal del plasma en movimiento. Las partículas cargadas que forman el plasma, mientras se mueven en un campo magnético, están sujetas a fuerzas dirigidas perpendicularmente al movimiento de las partículas y las líneas del campo magnético. Debido a la acción de estas fuerzas, las partículas se moverán en espiral a lo largo de las líneas de campo. Cuanto más fuerte es el campo magnético, más denso se vuelve el flujo de plasma, aislándose así de las paredes de la carcasa.
Confinamiento de plasma inercial. En el reactor se realizan explosiones termonucleares con una frecuencia de 20 explosiones por segundo. Para implementar esta idea, una partícula de combustible termonuclear se calienta usando radiación enfocada de 10 láseres a la temperatura de ignición de la reacción de fusión en un tiempo antes de que tenga tiempo de separarse en una distancia notable debido al movimiento térmico de los átomos (10-9 s).
La fusión termonuclear es la base de la bomba de hidrógeno (termonuclear). En tal bomba, tiene lugar una reacción termonuclear autosostenida de naturaleza explosiva. El explosivo es una mezcla de deuterio y tritio. Como fuente de energía de activación (fuente de altas temperaturas), se utiliza la energía de una bomba de fisión nuclear. La primera bomba termonuclear del mundo se creó en la URSS en 1953.
A finales de los años 50, la URSS empezó a trabajar en la idea de la fusión termonuclear en reactores tipo TOKAMAK (una cámara toroidal en un campo magnético de una bobina). El principio de funcionamiento es el siguiente: la cámara toroidal se vacía y se llena con una mezcla gaseosa de deuterio y tritio. Una corriente de varios millones de amperios pasa a través de la mezcla. En 1-2 segundos, la temperatura de la mezcla sube a cientos de miles de grados. El plasma se forma en la cámara. El calentamiento adicional se lleva a cabo mediante la inyección de átomos neutros de deuterio y tritio con una energía de 100 - 200 keV. La temperatura del plasma se eleva a decenas de millones de grados y comienza una reacción de fusión autosostenida. Después de 10 a 20 minutos, los elementos pesados del material parcialmente evaporado de las paredes de la cámara se acumularán en el plasma. El plasma se enfría, la combustión termonuclear se detiene. La cámara debe apagarse nuevamente y limpiarse de impurezas acumuladas. Las dimensiones del toro a una potencia térmica del reactor de 5000 MW son las siguientes: Radio exterior -10m; radio interior - 2,5 m.
Investigación para encontrar una forma de controlar las reacciones termonucleares, es decir, El uso de la energía termonuclear con fines pacíficos se está desarrollando con gran intensidad.
En 1991, una instalación europea conjunta en el Reino Unido logró por primera vez una liberación de energía significativa en el curso de una fusión termonuclear controlada. El modo óptimo se mantuvo durante 2 segundos y estuvo acompañado por la liberación de energía del orden de 1,7 MW. La temperatura máxima fue de 400 millones de grados.
Generador de energía termonuclear. Cuando se utiliza deuterio como combustible termonuclear, dos tercios de la energía deben liberarse en forma de energía cinética de partículas cargadas. Mediante métodos electromagnéticos, esta energía se puede convertir en energía eléctrica.
La electricidad puede obtenerse en el modo de funcionamiento estacionario de la instalación y pulsada. En el primer caso, los iones y electrones resultantes de la reacción de fusión autosostenida son retardados por el campo magnético. La corriente iónica se separa de la corriente electrónica por medio de un campo magnético transversal. La eficiencia de dicho sistema durante el frenado directo será de aproximadamente el 50% y el resto de la energía se convertirá en calor.
Motores de fusión (no se ha implementado). Alcance: vehículos espaciales. Un plasma de deuterio completamente ionizado a mil millones de grados Celsius se mantiene en un filamento por el campo magnético lineal de las bobinas superconductoras. El fluido de trabajo ingresa a la cámara a través de las paredes, las enfría y se calienta, fluyendo alrededor de la columna de plasma. La velocidad axial del flujo de salida de iones a la salida de la tobera magnética es de 10 000 km/s.
En 1972, en una reunión del Club de Roma -organización que estudia las causas y busca soluciones a los problemas a escala planetaria- se realizó un informe elaborado por los científicos E. von Weinzsacker, A. H. Lovins y produjo el efecto de la explosión de una bomba. . Según los datos del informe, las fuentes de energía del planeta -carbón, gas, petróleo y uranio- durarán hasta 2030. Para extraer el carbón, del que será posible obtener energía por 1 dólar, será necesario gastar energía, con un costo de 99 centavos.
El uranio-235, que sirve como combustible para las plantas de energía nuclear, en la naturaleza no es así: solo el 5% de la cantidad total de uranio en el mundo, el 2% del cual está en Rusia. Por lo tanto, las centrales nucleares solo pueden utilizarse con fines auxiliares. Los estudios de los científicos que intentaron obtener energía del plasma en "TOKAMAK" siguen siendo hasta el día de hoy un ejercicio costoso. En 2000, hubo informes de que la Comunidad Atómica Europea (CERN) y Japón estaban construyendo el primer segmento del TOKAMAK.
La salvación puede no ser el "átomo pacífico" de una planta de energía nuclear, sino el "militar": la energía de una bomba termonuclear.
Los científicos rusos llamaron a su invento una caldera de combustión explosiva (FAC). El principio de funcionamiento del PIC se basa en la explosión de una bomba termonuclear ultrapequeña en un sarcófago especial: un caldero. Las explosiones ocurren regularmente. Es interesante que la presión en las paredes de la caldera durante la explosión en el PBC sea menor que en los cilindros de un automóvil común.
Para el funcionamiento seguro del KVS, el diámetro interior de la caldera debe ser de al menos 100 metros. Las paredes dobles de acero y una cubierta de hormigón armado de 30 metros de espesor amortiguarán las vibraciones. Solo se utilizará acero de alta calidad para su construcción como para dos acorazados militares modernos. Está previsto construir el KVS durante 5 años. En 2000, en una de las ciudades cerradas de Rusia, se preparó un proyecto para la construcción de una instalación experimental para una "bomba" de 2-4 kilotones de equivalente nuclear. El costo de este FAC es de 500 millones de dólares. Los científicos han calculado que dará sus frutos en un año, y durante otros 50 años proporcionará electricidad y calor prácticamente gratis. Según el líder del proyecto, el costo de la energía equivalente a la que se produce al quemar una tonelada de petróleo será inferior a $10.
40 KVG son capaces de satisfacer las necesidades de todo el sector energético nacional. Cien - todos los países del continente euroasiático.
En 1932, se descubrió experimentalmente el positrón, una partícula con la masa de un electrón, pero con una carga positiva. Pronto se sugirió que la simetría de carga existe en la naturaleza: a) cada partícula debe tener una antipartícula; b) las leyes de la naturaleza no cambian cuando todas las partículas son reemplazadas por las correspondientes antipartículas y viceversa. El antiprotón y el antineutrón se descubrieron a mediados de la década de 1950. En principio, puede existir antimateria, formada por átomos, cuyos núcleos incluyen antiprotones y antineutrones, y su capa está formada por positrones.
Los cúmulos de antimateria de dimensiones cosmológicas constituirían antimundos, pero no se encuentran en la naturaleza. La antimateria solo se ha sintetizado a escala de laboratorio. Entonces, en 1969, en el acelerador de Serpukhov, los físicos soviéticos registraron núcleos de antihelio, que consisten en dos antiprotones y un antineutrón.
En relación a las posibilidades de conversión de energía, la antimateria es notable porque cuando entra en contacto con la materia, se produce la aniquilación (destrucción) con la liberación de energía colosal (ambos tipos de materia desaparecen, convirtiéndose en radiación). Así, un electrón y un positrón, al aniquilarse, dan lugar a dos fotones. Un tipo de materia, partículas cargadas masivas, pasa a otro tipo de materia, partículas neutras sin masa. Usando la relación de Einstein sobre la equivalencia de energía y masa (E=mc2), es fácil calcular que la aniquilación de un gramo de materia produce la misma energía que se puede obtener quemando 10.000 toneladas de carbón, y una tonelada de antimateria sería suficiente para proporcionar energía a todo el planeta durante un año.
Los astrofísicos creen que es la aniquilación lo que proporciona la energía gigantesca de los objetos cuasi-estelares: los quásares.
En 1979, un grupo de físicos estadounidenses logró registrar la presencia de antiprotones naturales. Fueron traídos por los rayos cósmicos.
El uso generalizado de la energía nuclear comenzó gracias al progreso científico y tecnológico, no solo en el campo militar, sino también con fines pacíficos. Hoy es imposible prescindir de él en la industria, la energía y la medicina.
Sin embargo, el uso de la energía nuclear no solo tiene ventajas, sino también desventajas. En primer lugar, es el peligro de la radiación, tanto para los humanos como para el medio ambiente.
El uso de la energía nuclear se está desarrollando en dos direcciones: el uso en energía y el uso de isótopos radiactivos.
Inicialmente, se suponía que la energía atómica se usaría solo con fines militares, y todos los desarrollos fueron en esta dirección.
El uso de la energía nuclear en el ámbito militar
Una gran cantidad de materiales altamente activos se utilizan para producir armas nucleares. Los expertos estiman que las ojivas nucleares contienen varias toneladas de plutonio.
Se habla de armas nucleares porque causan destrucción en vastos territorios.
Según el alcance y la potencia de la carga, las armas nucleares se dividen en:
- Táctico.
- Operativo-táctico.
- Estratégico.
Las armas nucleares se dividen en atómicas y de hidrógeno. Las armas nucleares se basan en reacciones en cadena no controladas de fisión de núcleos pesados y reacciones, para una reacción en cadena se utiliza uranio o plutonio.
El almacenamiento de una cantidad tan grande de materiales peligrosos es una gran amenaza para la humanidad. Y el uso de la energía nuclear con fines militares puede tener consecuencias nefastas.
Por primera vez se utilizaron armas nucleares en 1945 para atacar las ciudades japonesas de Hiroshima y Nagasaki. Las consecuencias de este ataque fueron catastróficas. Como saben, este fue el primer y último uso de la energía nuclear en la guerra.
Organismo Internacional de Energía Atómica (OIEA)
El OIEA se estableció en 1957 con el objetivo de desarrollar la cooperación entre países en el campo del uso de la energía atómica con fines pacíficos. Desde el principio, la agencia ha estado implementando el programa "Seguridad Nuclear y Protección Ambiental".
Pero la función más importante es el control sobre las actividades de los países en el ámbito nuclear. La organización controla que el desarrollo y uso de la energía nuclear se produzca únicamente con fines pacíficos.
El propósito de este programa es asegurar el uso seguro de la energía nuclear, la protección del hombre y el medio ambiente de los efectos de la radiación. La agencia también estudió las consecuencias del accidente en la central nuclear de Chernóbil.
La agencia también apoya el estudio, desarrollo y uso de la energía nuclear con fines pacíficos y actúa como intermediario en el intercambio de servicios y materiales entre los miembros de la agencia.
Junto con la ONU, el OIEA define y establece estándares de seguridad y salud.
La energía nuclear
En la segunda mitad de la década de los cuarenta del siglo XX, los científicos soviéticos comenzaron a desarrollar los primeros proyectos para el uso pacífico del átomo. La dirección principal de estos desarrollos fue la industria de la energía eléctrica.
Y en 1954, se construyó una estación en la URSS. Después de eso, los programas para el rápido crecimiento de la energía nuclear comenzaron a desarrollarse en EE. UU., Gran Bretaña, Alemania y Francia. Pero la mayoría de ellos no se cumplieron. Al final resultó que, la planta de energía nuclear no podía competir con las estaciones que funcionan con carbón, gas y fuel oil.
Pero tras el inicio de la crisis energética mundial y el aumento de los precios del petróleo, aumentó la demanda de energía nuclear. En los años 70 del siglo pasado, los expertos creían que la capacidad de todas las centrales nucleares podría reemplazar a la mitad de las centrales eléctricas.
A mediados de la década de 1980, el crecimiento de la energía nuclear se desaceleró nuevamente, los países comenzaron a revisar los planes para la construcción de nuevas plantas de energía nuclear. Esto se vio facilitado tanto por la política de ahorro de energía y la caída de los precios del petróleo, como por el desastre en la central eléctrica de Chernobyl, que tuvo consecuencias negativas no solo para Ucrania.
Después de eso, algunos países detuvieron por completo la construcción y operación de plantas de energía nuclear.
Energía nuclear para viajes espaciales
Más de tres docenas de reactores nucleares volaron al espacio, fueron utilizados para generar energía.
Los estadounidenses utilizaron un reactor nuclear en el espacio por primera vez en 1965. Se utilizó uranio-235 como combustible. Trabajó durante 43 días.
En la Unión Soviética, se inauguró el reactor Romashka en el Instituto de Energía Atómica. Se suponía que se usaría en naves espaciales junto con Pero después de todas las pruebas, nunca se lanzó al espacio.
La siguiente instalación nuclear de Buk se utilizó en un satélite de reconocimiento por radar. El primer aparato fue lanzado en 1970 desde el cosmódromo de Baikonur.
Hoy, Roskosmos y Rosatom proponen diseñar una nave espacial que estará equipada con un motor de cohete nuclear y podrá llegar a la Luna y Marte. Pero por ahora, todo está en la etapa de propuesta.
Aplicación de la energía nuclear en la industria.
La energía nuclear se está utilizando para aumentar la sensibilidad del análisis químico y para producir amoníaco, hidrógeno y otros productos químicos que se utilizan para fabricar fertilizantes.
La energía nuclear, cuyo uso en la industria química permite obtener nuevos elementos químicos, ayuda a recrear los procesos que ocurren en la corteza terrestre.
La energía nuclear también se utiliza para desalinizar agua salada. La aplicación en metalurgia ferrosa permite recuperar el hierro del mineral de hierro. En color: se utiliza para la producción de aluminio.
Uso de la energía nuclear en la agricultura
El uso de la energía nuclear en la agricultura resuelve los problemas de selección y ayuda en el control de plagas.
La energía nuclear se utiliza para crear mutaciones en las semillas. Esto se hace para obtener nuevas variedades que brinden más rendimiento y sean resistentes a las enfermedades de los cultivos. Entonces, más de la mitad del trigo cultivado en Italia para hacer pasta se obtuvo mediante mutaciones.
Los radioisótopos también se utilizan para determinar las mejores formas de aplicar fertilizantes. Por ejemplo, con su ayuda se determinó que al cultivar arroz es posible reducir la aplicación de fertilizantes nitrogenados. Esto no solo ahorró dinero, sino que también salvó el medio ambiente.
Un uso un poco extraño de la energía nuclear es irradiar larvas de insectos. Esto se hace con el fin de mostrarlos de forma inofensiva para el medio ambiente. En este caso, los insectos que surgieron de las larvas irradiadas no tienen descendencia, pero en otros aspectos son bastante normales.
medicina Nuclear
La medicina utiliza isótopos radiactivos para hacer un diagnóstico preciso. Los isótopos médicos tienen una vida media corta y no representan un peligro particular tanto para los demás como para el paciente.
Recientemente se descubrió otra aplicación de la energía nuclear en la medicina. Esta es la tomografía por emisión de positrones. Puede ayudar a detectar el cáncer en una etapa temprana.
Aplicación de la energía nuclear en el transporte
A principios de los años 50 del siglo pasado, se intentaron crear un tanque de propulsión nuclear. El desarrollo comenzó en los EE. UU., pero el proyecto nunca se llevó a cabo. Principalmente por el hecho de que en estos tanques no pudieron resolver el problema del blindaje de la tripulación.
La conocida empresa Ford estaba trabajando en un automóvil que funcionaría con energía nuclear. Pero la producción de tal máquina no fue más allá del diseño.
El caso es que la instalación nuclear ocupaba mucho espacio y el automóvil resultó ser muy general. Los reactores compactos nunca aparecieron, por lo que el ambicioso proyecto se vio truncado.
Probablemente el transporte más famoso que funciona con energía nuclear son varios barcos, tanto militares como civiles:
- Barcos de transporte.
- Portaaviones.
- submarinos
- Cruceros.
- submarinos nucleares.
Pros y contras del uso de la energía nuclear
Hoy en día, la participación en la producción mundial de energía es de aproximadamente el 17 por ciento. Aunque la humanidad utiliza pero sus reservas no son infinitas.
Por lo tanto, como alternativa, se utiliza, pero el proceso de obtención y uso está asociado a un gran riesgo para la vida y el medio ambiente.
Por supuesto, los reactores nucleares se mejoran constantemente, se toman todas las medidas de seguridad posibles, pero a veces esto no es suficiente. Un ejemplo son los accidentes de Chernóbil y Fukushima.
Por un lado, un reactor que funciona correctamente no emite ninguna radiación al medio ambiente, mientras que una gran cantidad de sustancias nocivas ingresan a la atmósfera desde las centrales térmicas.
El mayor peligro es el combustible gastado, su procesamiento y almacenamiento. Porque hasta la fecha no se ha inventado una forma completamente segura de deshacerse de los desechos nucleares.
