Utilizarea energiei nucleare în lumea modernă este atât de importantă încât dacă mâine ne-am trezi și energia unei reacții nucleare ar dispărea, lumea așa cum o știm, probabil, ar înceta să mai existe. Pacea este baza producției industriale și a vieții în țări precum Franța și Japonia, Germania și Marea Britanie, SUA și Rusia. Și dacă ultimele două țări sunt încă capabile să înlocuiască sursele de energie nucleară cu stații termice, atunci pentru Franța sau Japonia acest lucru este pur și simplu imposibil.
Utilizarea energiei nucleare creează multe probleme. Practic, toate aceste probleme sunt legate de faptul că folosind energia de legare a nucleului atomic (pe care o numim energie nucleară) în beneficiul propriu, o persoană primește un rău semnificativ sub formă de deșeuri foarte radioactive care nu pot fi pur și simplu aruncate. Deșeurile din sursele de energie nucleară trebuie procesate, transportate, îngropate și depozitate pentru o lungă perioadă de timp în condiții de siguranță.
Avantaje și dezavantaje, beneficii și daune ale utilizării energiei nucleare
Luați în considerare avantajele și dezavantajele utilizării energiei atomo-nucleare, beneficiile, daunele și semnificația acestora în viața omenirii. Este evident că doar țările industrializate au nevoie de energie nucleară astăzi. Adică, energia nucleară pașnică își găsește aplicația principală în principal la instalații precum fabrici, fabrici de procesare etc. Sunt industriile consumatoare de energie, îndepărtate de sursele de energie electrică ieftină (cum ar fi centralele hidroelectrice) care folosesc centralele nucleare pentru a-și asigura și dezvolta procesele interne.
Regiunile și orașele agrare nu prea au nevoie de energie nucleară. Este foarte posibil să-l înlocuiți cu stații termice și alte stații. Se dovedește că stăpânirea, achiziția, dezvoltarea, producerea și utilizarea energiei nucleare are ca scop în cea mai mare parte satisfacerea nevoilor noastre de produse industriale. Să vedem ce fel de industrii sunt acestea: industria auto, industria militară, metalurgia, industria chimică, complexul de petrol și gaze etc.
Dorește o persoană modernă să conducă o mașină nouă? Vrei să te îmbraci în materiale sintetice la modă, să mănânci materiale sintetice și să împachetezi totul în materiale sintetice? Doriți produse strălucitoare în diferite forme și dimensiuni? Vrei toate telefoanele, televizoarele, computerele noi? Vrei să cumperi multe, să schimbi des echipamentul în jurul tău? Vrei să mănânci alimente chimice gustoase din pachete colorate? Vrei să trăiești în pace? Vrei să auzi discursuri dulci de pe ecranul televizorului? Vrei să ai o mulțime de tancuri, precum și rachete și crucișătoare, precum și obuze și tunuri?
Și el primește totul. Nu contează că în cele din urmă discrepanța dintre cuvânt și faptă duce la război. Nu contează că este nevoie și de energie pentru eliminarea acesteia. Până acum, persoana este calmă. Mănâncă, bea, merge la muncă, vinde și cumpără.
Și toate acestea necesită energie. Și asta necesită mult petrol, gaze, metal etc. Și toate aceste procese industriale necesită energie atomică. Prin urmare, indiferent de ce ar spune cineva, până când primul reactor industrial de fuziune termonucleară nu va fi pus în serie, energia nucleară se va dezvolta doar.
În avantajele energiei nucleare, putem nota în siguranță tot ceea ce ne-am obișnuit. În dezavantaj, perspectiva tristă a morții iminente în colapsul epuizării resurselor, problemele deșeurilor nucleare, creșterea populației și degradarea terenurilor arabile. Cu alte cuvinte, energia atomică a permis omului să înceapă să stăpânească și mai puternic natura, forțând-o peste măsură atât de mult încât în câteva decenii a depășit pragul de reproducere a resurselor de bază, demarând între anii 2000 și 2010 procesul de colaps al consumului. Acest proces nu mai depinde în mod obiectiv de persoană.
Toată lumea va trebui să mănânce mai puțin, să trăiască mai puțin și să se bucure mai puțin de mediul natural. Aici se află un alt plus sau minus de energie atomică, care constă în faptul că țările care au stăpânit atomul vor putea redistribui mai eficient resursele epuizate ale celor care nu au stăpânit atomul. Mai mult, doar dezvoltarea programului de fuziune termonucleară va permite omenirii să supraviețuiască pur și simplu. Acum să explicăm pe degete ce fel de „fiară” este – energie atomică (nucleară) și cu ce se mănâncă.
Masa, materia si energia atomica (nucleara).
Se aude adesea afirmația că „masa și energia sunt aceleași”, sau astfel de judecăți în care expresia E = mc2 explică explozia unei bombe atomice (nucleare). Acum că ai o primă înțelegere a energiei nucleare și a aplicațiilor sale, ar fi cu adevărat neînțelept să te confundăm cu afirmații precum „masa este egală cu energie”. În orice caz, acest mod de a interpreta marea descoperire nu este cel mai bun. Aparent, acesta este doar inteligența tinerilor reformiști, „galileenii timpului nou”. De fapt, predicția teoriei, care a fost verificată de multe experimente, spune doar că energia are masă.
Acum vom explica punctul de vedere modern și vom oferi o scurtă privire de ansamblu asupra istoriei dezvoltării sale.
Când energia oricărui corp material crește, masa acestuia crește și atribuim această masă suplimentară creșterii energiei. De exemplu, atunci când radiația este absorbită, absorbantul devine mai fierbinte și masa acestuia crește. Cu toate acestea, creșterea este atât de mică încât rămâne în afara preciziei de măsurare în experimentele convenționale. Dimpotrivă, dacă o substanță emite radiații, atunci își pierde o picătură din masă, care este purtată de radiații. Apare o întrebare mai largă: nu este întreaga masă de materie condiționată de energie, adică nu există un depozit enorm de energie conținut în toată materia? Cu mulți ani în urmă, transformările radioactive au răspuns pozitiv la aceasta. Când un atom radioactiv se descompune, este eliberată o cantitate uriașă de energie (mai ales sub formă de energie cinetică) și o mică parte din masa atomului dispare. Măsurătorile sunt clare în acest sens. Astfel, energia duce masa cu ea, reducând astfel masa materiei.
În consecință, o parte din masa materiei este interschimbabilă cu masa radiației, a energiei cinetice etc. De aceea spunem: „energia și materia sunt parțial capabile de transformări reciproce”. Mai mult, acum putem crea particule de materie care au masă și sunt capabile să se transforme complet în radiație, care are și masă. Energia acestei radiații poate intra în alte forme, transferându-și masa acestora. În schimb, radiația poate fi transformată în particule de materie. Deci, în loc de „energia are masă”, putem spune „particulele de materie și radiații sunt interconvertibile și, prin urmare, capabile de transformări reciproce cu alte forme de energie”. Aceasta este crearea și distrugerea materiei. Astfel de evenimente distructive nu pot avea loc în domeniul fizicii, chimiei și tehnologiei obișnuite, ci trebuie căutate fie în procesele microscopice, dar active, studiate de fizica nucleară, fie în cuptorul cu temperatură înaltă al bombelor atomice, în soare și stele. Cu toate acestea, ar fi nerezonabil să spunem că „energia este masă”. Spunem: „energia, ca și materia, are masă”.
Masa de materie obisnuita
Spunem că masa materiei obișnuite conține o cantitate imensă de energie internă egală cu produsul dintre masă și (viteza luminii)2. Dar această energie este conținută în masă și nu poate fi eliberată fără dispariția a cel puțin unei părți din ea. Cum a apărut o idee atât de uimitoare și de ce nu a fost descoperită mai devreme? A fost propus mai devreme - experiment și teorie sub diferite forme - dar până în secolul al XX-lea, schimbarea energiei nu a fost observată, deoarece în experimentele obișnuite aceasta corespunde unei modificări incredibil de mică a masei. Cu toate acestea, acum suntem siguri că un glonț zburător, datorită energiei sale cinetice, are o masă suplimentară. Chiar și la 5.000 m/sec, un glonț care cântărea exact 1g în repaus ar avea o masă totală de 1,00000000001g. Platina încinsă cu o greutate de 1kg ar adăuga un total de 0,000000000004kg și practic nicio cântărire nu ar putea înregistra aceste modificări. Numai atunci când cantități uriașe de energie sunt eliberate din nucleul atomic sau când „proiectile” atomice sunt accelerate la viteze apropiate de viteza luminii, o masă de energie devine vizibilă.
Pe de altă parte, chiar și o diferență abia perceptibilă de masă marchează posibilitatea eliberării unei cantități uriașe de energie. Astfel, atomii de hidrogen și heliu au mase relative de 1,008 și 4,004. Dacă patru nuclee de hidrogen s-ar putea combina într-un singur nucleu de heliu, atunci masa de 4,032 s-ar schimba la 4,004. Diferența este mică, doar 0,028 sau 0,7%. Dar ar însemna o eliberare gigantică de energie (în principal sub formă de radiație). 4,032 kg de hidrogen ar da 0,028 kg de radiație, care ar avea o energie de aproximativ 600000000000 Cal.
Comparați acest lucru cu 140.000 de cal eliberați atunci când aceeași cantitate de hidrogen este combinată cu oxigen într-o explozie chimică.
Energia cinetică obișnuită are o contribuție semnificativă la masa de protoni foarte rapizi produși de ciclotroni, iar acest lucru creează dificultăți atunci când se lucrează cu astfel de mașini.
De ce mai credem că E=mc2
Acum percepem acest lucru ca o consecință directă a teoriei relativității, dar primele suspiciuni au apărut deja spre sfârșitul secolului al XIX-lea, în legătură cu proprietățile radiațiilor. Apoi părea probabil ca radiația să aibă masă. Și din moment ce radiația poartă, ca pe aripi, cu o viteză a energiei, mai precis, este energia însăși, atunci a apărut un exemplu de masă aparținând ceva „imaterial”. Legile experimentale ale electromagnetismului au prezis că undele electromagnetice trebuie să aibă „masă”. Dar înainte de crearea teoriei relativității, doar fantezia nestăpânită putea extinde raportul m=E/c2 la alte forme de energie.
Toate tipurile de radiații electromagnetice (unde radio, lumină infraroșie, vizibilă și ultravioletă etc.) au câteva caracteristici comune: toate se propagă în vid cu aceeași viteză și toate transportă energie și impuls. Ne imaginăm lumina și alte radiații sub formă de unde care se propagă cu o viteză mare, dar definită c=3*108 m/sec. Când lumina lovește o suprafață absorbantă, se generează căldură, ceea ce indică faptul că fluxul de lumină transportă energie. Această energie trebuie să se propagă împreună cu fluxul cu aceeași viteză a luminii. De fapt, viteza luminii se măsoară exact în acest fel: prin timpul de zbor pe o distanță mare de o porțiune de energie luminoasă.
Când lumina lovește suprafața unor metale, ea elimină electronii, care zboară exact ca și cum ar fi loviti de o minge compactă. , aparent, este distribuită în porțiuni concentrate, pe care le numim „quanta”. Aceasta este natura cuantică a radiației, în ciuda faptului că aceste porțiuni, aparent, sunt create de unde. Fiecare porțiune de lumină cu aceeași lungime de undă are aceeași energie, un anumit „cuantum” de energie. Astfel de porțiuni se grăbesc cu viteza luminii (de fapt, sunt ușoare), transferând energie și impuls (momentum). Toate acestea fac posibilă atribuirea unei anumite mase radiației - o anumită masă este atribuită fiecărei porțiuni.
Când lumina este reflectată dintr-o oglindă, nu se eliberează căldură, deoarece fasciculul reflectat transportă toată energia, dar asupra oglinzii acționează o presiune, similară presiunii bilelor elastice sau moleculelor. Dacă, în loc de o oglindă, lumina lovește o suprafață neagră absorbantă, presiunea devine la jumătate. Aceasta indică faptul că fasciculul poartă impulsul rotit de oglindă. Prin urmare, lumina se comportă ca și cum ar avea masă. Dar există vreo altă modalitate de a ști că ceva are masă? Există masa în sine, cum ar fi lungimea, verdele sau apa? Sau este un concept artificial definit de comportamente precum Modestia? Masa, de fapt, ne este cunoscută în trei manifestări:
- A. O afirmație vagă care caracterizează cantitatea de „substanță” (Masa din acest punct de vedere este inerentă substanței – o entitate pe care o putem vedea, atinge, împinge).
- B. Anumite afirmații care îl leagă de alte mărimi fizice.
- B. Masa este conservată.
Rămâne de definit masa în termeni de impuls și energie. Atunci orice lucru în mișcare cu impuls și energie trebuie să aibă „masă”. Masa sa ar trebui să fie (impuls)/(viteză).
Teoria relativitatii
Dorința de a lega împreună o serie de paradoxuri experimentale privind spațiul și timpul absolut a dat naștere teoriei relativității. Cele două tipuri de experimente cu lumină au dat rezultate contradictorii, iar experimentele cu electricitate au exacerbat și mai mult acest conflict. Apoi Einstein a propus să schimbe regulile geometrice simple ale adunării vectoriale. Această schimbare este esența „teoriei sale speciale a relativității”.
Pentru viteze mici (de la cel mai lent melc la cea mai rapidă dintre rachete), noua teorie este în concordanță cu cea veche.
La viteze mari, comparabile cu viteza luminii, măsurarea noastră a lungimii sau a timpului este modificată de mișcarea corpului față de observator, în special, masa corpului devine mai mare, cu cât se mișcă mai repede.
Atunci teoria relativității a proclamat că această creștere a masei era de natură complet generală. La viteze normale, nu există modificări și doar la o viteză de 100.000.000 km/h masa crește cu 1%. Cu toate acestea, pentru electronii și protonii emiși de la atomii radioactivi sau acceleratorii moderni, ajunge la 10, 100, 1000%... Experimentele cu astfel de particule de înaltă energie oferă dovezi excelente pentru relația dintre masă și viteză.
La celălalt capăt se află radiația care nu are masă de repaus. Nu este o substanță și nu poate fi ținut nemișcat; are doar masă și se mișcă cu viteza c, deci energia sa este mc2. Vorbim de cuante ca de fotoni atunci când vrem să observăm comportamentul luminii ca flux de particule. Fiecare foton are o anumită masă m, o anumită energie E=mс2 și o anumită cantitate de mișcare (momentum).
Transformări nucleare
În unele experimente cu nuclee, masele atomilor după explozii violente nu se adună pentru a da aceeași masă totală. Energia eliberată ia cu ea o parte din masă; piesa lipsă de material atomic pare să fi dispărut. Totuși, dacă atribuim o masă E/c2 energiei măsurate, constatăm că masa este conservată.
Anihilarea materiei
Suntem obișnuiți să ne gândim la masă ca la o proprietate inevitabilă a materiei, așa că trecerea masei de la materie la radiație - de la o lampă la un fascicul de lumină zburător arată aproape ca distrugerea materiei. Încă un pas - și vom fi surprinși să descoperim ce se întâmplă de fapt: electronii pozitivi și negativi, particulele de materie, atunci când sunt combinate împreună, se transformă complet în radiație. Masa materiei lor se transformă într-o masă egală de radiație. Acesta este un caz de dispariție a materiei în sensul cel mai literal. Ca în focalizare, într-un fulger de lumină.
Măsurătorile arată că (energie, radiații în timpul anihilării) / c2 este egal cu masa totală a ambilor electroni - pozitivi și negativi. Un antiproton, atunci când este combinat cu un proton, se anihilează, de obicei cu eliberarea de particule mai ușoare cu energie cinetică mare.
Crearea materiei
Acum că am învățat cum să gestionăm radiațiile de înaltă energie (razele X cu undă super-scurtă), putem pregăti particule de materie din radiații. Dacă o țintă este bombardată cu astfel de fascicule, acestea produc uneori o pereche de particule, de exemplu, electroni pozitivi și negativi. Și dacă folosim din nou formula m=E/c2 atât pentru radiație, cât și pentru energia cinetică, atunci masa se va conserva.
Cam despre complex - Energie nucleară (atomică).
- Galerie de imagini, poze, fotografii.
- Energia nucleară, energia atomică - fundamente, oportunități, perspective, dezvoltare.
- Fapte interesante, informații utile.
- Știri verzi - Energia nucleară, energia atomului.
- Referințe la materiale și surse - Energie nucleară (atomică).
Einstein a stabilit relația dintre energie și masă în ecuația sa:
unde c = 300.000.000 m/s este viteza luminii;
astfel corpul unei persoane care cântărește 70 kg conține energie
centrala reactorului RBMK-1000 va genera o asemenea cantitate de energie doar pentru doua mii masa nucleului divizat. Desigur, conversia completă a masei în energie este încă foarte departe, dar deja o astfel de schimbare a masei de combustibil din reactor, care nu este detectată de scale obișnuite, face posibilă obținerea unei cantități gigantice de energie. Modificarea masei de combustibil pe an de funcționare continuă în reactorul RBMK-1000 este de aproximativ 0,3 g, dar energia eliberată în acest caz este aceeași ca la arderea a 3.000.000 (trei milioane) de tone de cărbune.% ani de funcționare. Problema principală este să înveți să transformi masa în energie utilă. Omenirea a făcut primul pas pentru a rezolva această problemă prin stăpânirea utilizării militare și pașnice a energiei de fisiune nucleară. În prima aproximare, procesele care au loc într-un reactor nuclear pot fi descrise ca o fisiune continuă a nucleelor. În acest caz, masa întregului nucleu înainte de fisiune este mai mare decât masa fragmentelor rezultate. Diferența este de aproximativ 0,1
Putere.
În practică, atunci când vorbim despre o sursă de energie, de obicei suntem interesați de puterea acesteia. Puteți ridica o mie de cărămizi la etajul cinci al unei case în construcție cu o macara sau cu ajutorul a doi muncitori cu o targă. În ambele cazuri, munca perfectă și energia consumată sunt aceleași, doar puterea surselor de energie diferă. Definiție:Putere sursă de energie (mașină), aceasta este cantitatea de energie primită (muncă perfectă) pe unitatea de timp.
putere = energie (muncă) / timp
unitate [J/s = W]
Legea conservării energiei
După cum am menționat mai sus, în lumea din jurul nostru există o transformare continuă a energiei de la un tip la altul. Aruncând mingea, am provocat un lanț de transformări ale energiei mecanice de la un tip la altul. Mingea care sară ilustrează clar legea conservării energiei:
Energia nu poate dispărea în neant, sau nu poate apărea de nicăieri, ea poate trece doar de la o formă la alta.
Mingea, după ce a făcut mai multe sărituri, va rămâne în cele din urmă nemișcată la suprafață. Deoarece energia mecanică transferată inițial acestuia este cheltuită pentru:
a) depășirea rezistenței aerului în care se mișcă mingea (se transformă în energie termică a aerului)
b) încălzirea mingii și a suprafeței de impact. (schimbarea formei este întotdeauna însoțită de încălzire, amintiți-vă cum se încălzește firul de aluminiu cu îndoiri repetate)
Conversie de energie
Posibilitățile de transformare și utilizare a energiei sunt un indicator al dezvoltării tehnice a omenirii. Primul convertor de energie folosit de om poate fi considerat o velă - utilizarea energiei eoliene pentru a se deplasa prin apă, dezvoltată în continuare este utilizarea vântului și a apei în morile de vânt și morile de apă. Invenția și introducerea motorului cu abur au revoluționat tehnologia. Motoarele cu abur din fabrici și fabrici au crescut dramatic productivitatea muncii. Locomotivele cu abur și navele cu motor au făcut transportul pe uscat și pe mare mai rapid și mai ieftin. În etapa inițială, mașina cu abur a servit la transformarea energiei termice în energie mecanică a unei roți rotative, din care, folosind diferite tipuri de angrenaje (arbori, scripete, curele, lanțuri), energia era transferată către mașini și mecanisme.
Introducerea pe scară largă a mașinilor electrice, a motoarelor care convertesc energia electrică în energie mecanică și a generatoarelor pentru producerea de energie electrică din energie mecanică, a marcat un nou salt în dezvoltarea tehnologiei. A devenit posibilă transmiterea energiei pe distanțe lungi sub formă de electricitate, s-a născut o întreagă ramură a industriei energetice.
În prezent, au fost create un număr mare de dispozitive menite să transforme energia electrică în orice tip de energie necesară vieții umane: motoare electrice, încălzitoare electrice, lămpi de iluminat, precum și cele care folosesc direct electricitatea: televizoare, receptoare etc.
CNE (cu reactor cu o singură buclă)
Istoria dezvoltării energiei nucleare
Prima centrală nucleară din lume pentru scopuri industriale pilot cu o capacitate de 5 MW a fost lansată în URSS la 27 iunie 1954 în orașul Obninsk. Înainte de aceasta, energia nucleului atomic era folosită în principal în scopuri militare. Lansarea primei centrale nucleare a marcat deschiderea unei noi direcții în energie, care a fost recunoscută la Prima Conferință Științifică și Tehnică Internațională privind Utilizările Pașnice a Energiei Atomice (august 1955, Geneva).
În 1958 a fost pusă în funcțiune prima etapă a centralei nucleare din Siberia cu o capacitate de 100 MW (capacitatea totală de proiectare este de 600 MW). În același an, a început construcția centralei nucleare industriale Beloyarsk, iar la 26 aprilie 1964, generatorul etapei 1 (unitate de 100 MW) a furnizat curent sistemului energetic Sverdlovsk, a 2-a unitate cu o capacitate de 200. MW a fost pus în funcțiune în octombrie 1967. O trăsătură distinctivă a CNE Beloyarsk este - supraîncălzirea aburului (până la obținerea parametrilor necesari) direct într-un reactor nuclear, ceea ce a făcut posibilă utilizarea turbinelor moderne obișnuite pe acesta aproape fără modificări.
În septembrie 1964, Unitatea 1 a CNE Novovoronezh a fost pusă în funcțiune cu o capacitate de 210 MW. Costul pentru 1 kWh de energie electrică (cel mai important indicator economic al funcționării oricărei centrale electrice) la această centrală nucleară a fost redus sistematic: s-a ridicat la 1,24 copeici. în 1965, 1,22 copeici. în 1966, 1,18 kop. în 1967, 0,94 kop. în 1968. Prima unitate a CNE Novovoronezh a fost construită nu numai pentru uz industrial, ci și ca o instalație demonstrativă pentru a arăta posibilitățile și avantajele energiei nucleare, fiabilitatea și siguranța funcționării NPP. În noiembrie 1965, o centrală nucleară cu un reactor cu apă răcit cu apă de tip „fierbe” cu o capacitate de 50 MW a fost pusă în funcțiune în orașul Melekess, Regiunea Ulyanovsk, reactorul a fost asamblat conform unui singur circuit. schema, care facilitează amenajarea stației. În decembrie 1969, a fost pusă în funcțiune a doua unitate a centralei nucleare Novovoronezh (350 MW).
În străinătate, prima centrală nucleară cu destinație industrială cu o capacitate de 46 MW a fost pusă în funcțiune la Calder Hall (Anglia) în 1956. Un an mai târziu, o centrală nucleară de 60 MW a fost pusă în funcțiune în Shippingport (SUA).
O diagramă schematică a unei centrale nucleare cu un reactor nuclear răcit cu apă este prezentată în fig. 2. Căldura degajată în miezul reactorului 1 este preluată de apa (lichidul de răcire) din primul circuit, care este pompată prin reactor de o pompă de circulație 2. Apa încălzită din reactor intră în schimbătorul de căldură (generatorul de abur) 3 , unde transferă căldura obținută în reactor în apă circuitul 2. Apa celui de-al doilea circuit se evaporă în generatorul de abur, iar aburul rezultat intră în turbina 4.
Cel mai adesea, la centralele nucleare se folosesc 4 tipuri de reactoare cu neutroni termici: 1) reactoare răcite cu apă cu apă obișnuită ca moderator și lichid de răcire; 2) grafit-apă cu lichid de răcire cu apă și moderator din grafit; 3) apă grea cu un lichid de răcire cu apă și apă grea ca moderator; 4) grafit-gaz cu lichid de răcire cu gaz și moderator de grafit.
Alegerea tipului de reactor utilizat predominant este determinată în principal de experiența acumulată în construcția de reactoare, precum și de disponibilitatea echipamentelor industriale necesare, a rezervelor de materii prime etc. În URSS, în principal reactoare cu grafit-apă și apă-apă sunt construite. La centralele nucleare din SUA, reactoarele cu apă sub presiune sunt cele mai utilizate. Reactoarele cu gaz grafit sunt folosite în Anglia. Centralele nucleare din Canada sunt dominate de centralele nucleare cu reactoare cu apă grea.
În funcție de tipul și starea de agregare a lichidului de răcire, se creează unul sau altul ciclu termodinamic al centralelor nucleare. Alegerea limitei superioare de temperatură a ciclului termodinamic este determinată de temperatura maximă admisă a învelișurilor elementelor de combustibil (TVEL) care conțin combustibil nuclear, de temperatura admisă a combustibilului nuclear în sine, precum și de proprietățile purtătorului de tenon adoptat pentru aceasta. tip de reactor. La centralele nucleare, al căror reactor termic este răcit cu apă, se folosesc de obicei cicluri de abur la temperatură joasă. Reactoarele răcite cu gaz permit utilizarea unor cicluri de abur relativ mai economice, cu presiune și temperatură inițială crescute. Schema termică a CNE în aceste două cazuri este realizată ca una cu 2 circuite: lichidul de răcire circulă în primul circuit, al doilea circuit este abur-apă. În reactoarele cu apă clocotită sau lichid de răcire cu gaz la temperatură înaltă, este posibilă o CNE termică cu o singură buclă. În reactoarele cu apă clocotită, apa fierbe în miez, amestecul rezultat de abur-apă este separat, iar aburul saturat este trimis fie direct la turbină, fie returnat în prealabil în miez pentru supraîncălzire (Fig. 3). În reactoarele cu gaz grafit la temperatură înaltă, este posibil să se utilizeze un ciclu convențional de turbină cu gaz. Reactorul în acest caz acționează ca o cameră de ardere.
În timpul funcționării reactorului, concentrația de izotopi fisionali în combustibilul nuclear scade treptat, adică elementele de combustibil se ard. Prin urmare, în timp, acestea sunt înlocuite cu altele proaspete. Combustibilul nuclear este reîncărcat folosind mecanisme și dispozitive controlate de la distanță. Tijele de combustibil uzat sunt transferate în bazinul de combustibil uzat și apoi trimise pentru procesare.
Reactorul și sistemele sale de serviciu includ: reactorul propriu-zis cu protecție biologică, schimbătoare de căldură, pompe sau unități de suflare care circulă lichidul de răcire; conducte și fitinguri ale circuitului de circulație; dispozitive pentru reincarcarea combustibilului nuclear; sisteme speciale ventilație, răcire de urgență etc.
În funcție de proiectare, reactoarele au caracteristici distinctive: în reactoarele presurizate, barele de combustibil și un moderator sunt amplasate în interiorul vasului, care poartă presiunea totală a lichidului de răcire; în reactoarele cu canal, elementele de combustibil răcite cu un lichid de răcire sunt instalate în conducte-canale speciale care pătrund în moderatorul închis într-o carcasă cu pereți subțiri. Astfel de reactoare sunt folosite în URSS (centrale nucleare din Siberia, Beloyarsk etc.).
Pentru a proteja personalul NPP de expunerea la radiații, reactorul este înconjurat de protecție biologică, materialul principal pentru care sunt betonul, apa și nisipul serpentin. Echipamentul circuitului reactorului trebuie să fie complet etanșat. Este prevăzut un sistem de monitorizare a locurilor de posibile scurgeri a lichidului de răcire, se iau măsuri pentru ca apariția scurgerilor și ruperilor în circuit să nu conducă la emisii radioactive și poluarea incintei CNE și a zonei înconjurătoare. Echipamentul circuitului reactorului este de obicei instalat în cutii sigilate, care sunt separate de restul incintelor CNE prin protecție biologică și nu sunt întreținute în timpul funcționării reactorului. Aerul radioactiv și o cantitate mică de vapori de lichid de răcire, din cauza prezenței scurgerilor din circuit, sunt îndepărtate din incinta CNE nesupravegheată printr-un sistem special de ventilație, în care sunt prevăzute filtre de purificare și suporturi de gaz pentru a exclude posibilitatea poluării atmosferice. . Serviciul de control dozimetric monitorizează respectarea regulilor de radioprotecție de către personalul CNE.
În cazul unor accidente în sistemul de răcire a reactorului, pentru a preveni supraîncălzirea și scurgerea învelișurilor barei de combustibil, se asigură o suprimare rapidă (în câteva secunde) a reacției nucleare; Sistemul de răcire de urgență are surse de alimentare independente.
Disponibilitatea de ecranare biologică, sisteme speciale de ventilație și răcire de urgență și serviciul de monitorizare dozimetrică fac posibilă protejarea completă a personalului de întreținere a CNE de efectele nocive ale expunerii radioactive.
Echipamentul sălii mașinilor CNE este similar cu echipamentul sălii mașinilor CNE. O trăsătură distinctivă a majorității centralelor nucleare este utilizarea aburului cu parametri relativ scăzuti, saturati sau ușor supraîncălziți.
În același timp, pentru a exclude deteriorarea prin eroziune a palelor ultimelor trepte ale turbinei de către particulele de umiditate conținute în abur, în turbină sunt instalate separatoare. Uneori este necesar să se utilizeze separatoare la distanță și reîncălzitoare de abur. Datorită faptului că lichidul de răcire și impuritățile conținute în acesta sunt activate la trecerea prin miezul reactorului, proiectarea echipamentului halei turbinei și sistemul de răcire al condensatorului turbinei CNE cu o singură buclă ar trebui să excludă complet posibilitatea scurgerii lichidului de răcire. . La CNE cu dublu circuit cu parametri mari de abur, astfel de cerințe nu sunt impuse echipamentelor halei de turbine.
Cerințele specifice pentru amenajarea echipamentelor NPP includ: lungimea minimă posibilă a comunicațiilor asociate cu mediile radioactive, rigiditatea crescută a fundațiilor și a structurilor portante ale reactorului și organizarea fiabilă a ventilației incintei. Pe fig. prezintă o secțiune a clădirii principale a CNE Beloyarsk cu un reactor canal grafit-apă. Sala reactorului contine: un reactor cu protectie biologica, bare de combustibil de rezerva si echipamente de control. Centrala nucleară este amenajată după principiul bloc reactor - turbină. Generatoarele cu turbine și sistemele care le deservesc sunt amplasate în camera mașinilor. Echipamentele auxiliare și sistemele de control al instalației sunt amplasate între halele de motoare și reactoare.
Eficiența costurilor unei centrale nucleare este determinată de principalii indicatori tehnici: puterea unitară a reactorului, eficiența, intensitatea energetică a miezului, arderea combustibilului nuclear, factorul de utilizare a puterii instalate a energiei nucleare. planta pentru anul. Odată cu creșterea puterii unei centrale nucleare, investiția specifică în aceasta (costul kW instalați) scade mai mult decât în cazul centralelor termice. Acesta este motivul principal al dorinței de a construi centrale nucleare mari cu o capacitate unitară mare de unități. Pentru economia centralelor nucleare, este tipic ca ponderea componentei combustibil în costul energiei electrice generate să fie de 30-40% (la TPP-uri 60-70%). Prin urmare, centralele nucleare mari sunt cele mai frecvente în zonele industrializate cu provizii limitate de combustibil convențional, iar centralele nucleare de capacitate mică sunt cele mai frecvente în zonele greu accesibile sau îndepărtate, de exemplu, centralele nucleare din sat. Bilibino (Republica Socialistă Sovietică Autonomă Iakutsk) cu o putere electrică de o unitate tipică de 12 MW. O parte din puterea termică a reactorului acestei centrale nucleare (29 MW) este cheltuită pentru furnizarea de căldură. Pe lângă generarea de energie electrică, centralele nucleare sunt folosite și pentru desalinizarea apei de mare. Astfel, CNE Shevchenko (RSS Kazah) cu o capacitate electrică de 150 MW este proiectată să desalinizeze (prin distilare) până la 150.000 de tone de apă din Marea Caspică pe zi.
În majoritatea țărilor industrializate (URSS, SUA, Anglia, Franța, Canada, RFG, Japonia, RDG etc.), conform previziunilor, capacitatea centralelor nucleare existente și în construcție va crește la zeci de GW. prin 1980. Potrivit Agenției Atomice Internaționale a ONU, publicată în 1967, capacitatea instalată a tuturor centralelor nucleare din lume până în 1980 va ajunge la 300 GW.
Uniunea Sovietică desfășoară un program amplu de punere în funcțiune a unităților mari de putere (până la 1.000 MW) cu reactoare cu neutroni termici. În 1948-49, au început lucrările la reactoare cu neutroni rapidi pentru centralele nucleare industriale. Caracteristicile fizice ale unor astfel de reactoare fac posibilă reproducerea extinsă a combustibilului nuclear (raportul de reproducere de la 1,3 la 1,7), ceea ce face posibilă utilizarea nu numai a 235U, ci și a materiilor prime 238U și 232Th. În plus, reactoarele cu neutroni rapizi nu conțin un moderator, sunt relativ mici ca dimensiuni și au o sarcină mare. Aceasta explică dorința de dezvoltare intensivă a reactoarelor rapide în URSS. Pentru cercetarea reactoarelor rapide au fost construite succesiv reactoare experimentale și pilot BR-1, BR-2, BR-Z, BR-5, BFS. Experiența dobândită a dus la trecerea de la cercetarea de centrale model la proiectarea și construcția de centrale nucleare industriale cu neutroni rapidi (BN-350) în Shevchenko și (BN-600) la NPP Beloyarsk. Cercetările sunt în desfășurare asupra reactoarelor pentru centrale nucleare puternice, de exemplu, un reactor experimental BOR-60 a fost construit în orașul Melekess.
Mari centrale nucleare sunt, de asemenea, construite într-un număr de țări în curs de dezvoltare (India, Pakistan și altele).
La a 3-a Conferință științifică și tehnică internațională privind utilizările pașnice ale energiei atomice (1964, Geneva), s-a remarcat că dezvoltarea pe scară largă a energiei nucleare a devenit o problemă cheie pentru majoritatea țărilor. A VII-a Conferință Mondială a Energiei (MIREC-VII), desfășurată la Moscova în august 1968, a confirmat relevanța problemelor de alegere a direcției de dezvoltare a energiei nucleare în etapa următoare (condiționat 1980-2000), când centralele nucleare devin unul dintre principalii producători de energie electrică.
Atom Este format dintr-un nucleu în jurul căruia se învârt particule numite electroni.
Nucleele atomilor sunt cele mai mici particule. Ele sunt baza pentru toată substanța și materia.
Conțin o cantitate mare de energie.
Această energie este eliberată ca radiație atunci când anumite elemente radioactive se descompun. Radiațiile sunt periculoase pentru toată viața de pe pământ, dar în același timp sunt folosite pentru a produce electricitate și în medicină.
Radioactivitatea este proprietatea nucleelor atomilor instabili de a radia energie. 
Majoritatea atomilor grei sunt instabili, iar atomii mai ușori au radioizotopi, adică. izotopi radioactivi. Motivul apariției radioactivității este că atomii se străduiesc să obțină stabilitate. Astăzi se cunosc trei tipuri de radiații radioactive: alfa, beta și gamma. Au fost numite după primele litere ale alfabetului grecesc. Nucleul emite mai întâi raze alfa sau beta. Dar dacă rămâne instabilă, atunci ies razele gamma. Trei nuclee atomice pot fi instabile și fiecare dintre ele poate emite oricare dintre tipurile de raze.
Figura prezintă trei nuclee atomice.
Sunt instabile și fiecare dintre ele emite unul dintre cele trei tipuri de fascicule.
Particulele alfa au doi protoni și doi neutroni. Miezul atomului de heliu are exact aceeași compoziție. Particulele alfa se mișcă încet și, prin urmare, orice material mai gros decât o foaie de hârtie le poate ține. Ele nu sunt foarte diferite de nucleele atomilor de heliu. Majoritatea oamenilor de știință au prezentat versiunea conform căreia heliul de pe Pământ este de origine radioactivă naturală.
Particulele beta sunt electroni cu o energie enormă. Formarea lor are loc în timpul dezintegrarii neutronilor. De asemenea, particulele beta nu sunt foarte rapide, pot zbura prin aer până la un metru. Prin urmare, o foaie de cupru cu o grosime de milimetri poate deveni un obstacol în calea lor. Și dacă instalați o barieră de plumb de 13 mm sau 120 de metri de aer, puteți înjumătăți radiațiile gamma.
Razele gamma sunt radiații electromagnetice de mare energie. Viteza sa de mișcare este egală cu viteza luminii.
Transportul substanțelor radioactive se efectuează în containere speciale de plumb cu pereți groși pentru a preveni scurgerea radiațiilor.
Expunerea la radiații este extrem de periculoasă pentru oameni.
Provoacă arsuri, cataractă, provoacă dezvoltarea cancerului.
Un dispozitiv special, contorul Geiger, ajută la măsurarea nivelului de radiație, care emite sunete de clic atunci când apare o sursă de radiație.
Când un nucleu emite particule, se transformă în nucleul altui element, modificându-și astfel numărul atomic. Aceasta se numește perioada de dezintegrare a elementului. Dar dacă elementul nou format este încă instabil, atunci procesul de dezintegrare continuă. Și așa mai departe până când elementul devine stabil. Pentru multe elemente radioactive, această perioadă durează zeci, sute și chiar mii de ani, așa că se obișnuiește să se măsoare timpul de înjumătățire. Luați, de exemplu, un atom de plutoniu-2 cu o masă de 242. După ce emite particule alfa cu o masă atomică relativă de 4, acesta devine un atom de uraniu-238 cu aceeași masă atomică.
Reacții nucleare.
Reacțiile nucleare sunt împărțite în două tipuri: fuziunea nucleară și fisiunea (diviziunea) nucleului.
Sinteză sau altfel „conectare” înseamnă conectarea a două nuclee într-unul mare sub influența temperaturii foarte ridicate. În acest moment, se eliberează o cantitate mare de energie.
În timpul fisiunii și fisiunii, are loc procesul de fisiune a nucleului, în timp ce se eliberează energie nucleară.
Acest lucru se întâmplă atunci când nucleul este bombardat cu neutroni într-un dispozitiv special numit „accelerator de particule”.
În timpul fisiunii nucleului și radiației neutronilor, este eliberată doar o cantitate colosală de energie.
Se știe că pentru a obține o cantitate mare de energie electrică este nevoie doar de o unitate de masă de combustibil radio.Nicio altă centrală nu se poate lăuda cu așa ceva.
Energie nucleara.
Astfel, energia care este eliberată în timpul unei reacții nucleare este folosită pentru a genera electricitate sau ca sursă de energie în navele subacvatice și de suprafață. Procesul de generare a energiei electrice la o centrală nucleară se bazează pe fisiunea nucleară în reactoare nucleare. Într-un rezervor imens sunt tije dintr-o substanță radioactivă (de exemplu, uraniu).
Ele sunt atacate de neutroni și se divid, eliberând energie. Noii neutroni sunt împărțiți din ce în ce mai mult. Aceasta se numește reacție în lanț. Eficiența acestei metode de generare a energiei electrice este incredibil de mare, dar măsurile de securitate și condițiile de înmormântare sunt prea scumpe.
Cu toate acestea, omenirea folosește energia nucleară nu numai în scopuri pașnice. La mijlocul secolului al XX-lea, armele nucleare au fost testate și testate.
Acțiunea sa este de a elibera un flux imens de energie, care duce la o explozie. La sfârșitul celui de-al Doilea Război Mondial, Statele Unite au folosit arme nucleare împotriva Japoniei. Au aruncat bombe atomice asupra orașelor Hiroshima și Nagasaki.
Consecințele au fost pur și simplu dezastruoase.
Unele victime umane au fost câteva sute de mii.
Dar oamenii de știință nu s-au oprit aici și au dezvoltat arme cu hidrogen.
Diferența lor este că bombele nucleare se bazează pe reacții de fisiune nucleară, iar bombele cu hidrogen pe reacții de fuziune.
metoda radiocarbonului.
Pentru a obține informații despre momentul morții unui organism, se utilizează metoda analizei radiocarbonului. Se știe că țesutul viu conține o cantitate de carbon-14, care este un izotop radioactiv al carbonului. Al cărui timp de înjumătățire este de 5700 de ani. După moartea organismului, rezervele de carbon-14 din țesuturi scad, izotopul se descompune, iar momentul morții organismului este determinat din cantitatea rămasă. Deci, de exemplu, puteți afla cu cât timp în urmă a erupt un vulcan. Acest lucru poate fi recunoscut de insecte și polen înghețat în lavă.
Cum altfel se folosește radioactivitatea?
Radiația este folosită și în industrie.
Razele gamma sunt folosite pentru a iradia alimentele pentru a le menține proaspete.
În medicină, radiațiile sunt folosite în studiul organelor interne.
Există și o tehnică numită radioterapie. Acesta este momentul în care pacientul este iradiat cu doze mici, distrugând celulele canceroase din corpul său.
Energia conținută în nucleele atomice și eliberată în timpul reacțiilor nucleare și al dezintegrarii radioactive.
Potrivit prognozelor, combustibilii organici vor fi suficienți pentru a satisface nevoile energetice ale omenirii timp de 4-5 decenii. Energia solară poate deveni principala sursă de energie în viitor. Perioada de tranziție necesită o sursă de energie practic inepuizabilă, ieftină, regenerabilă și care nu poluează mediul. Și, deși energia nucleară nu îndeplinește pe deplin toate aceste cerințe, se dezvoltă într-un ritm rapid și este speranța noastră pentru a rezolva criza energetică globală.
Eliberarea energiei interne a nucleelor atomice este posibilă prin fisiunea nucleelor grele sau prin sinteza nucleelor uşoare.
Caracteristica atomului. Un atom al oricărui element chimic este format dintr-un nucleu și electroni care se rotesc în jurul lui. Nucleul unui atom este format din neutroni și protoni. Numele comun pentru proton și neutron este termenul nucleon. Neutronii nu au sarcină electrică protonii sunt încărcați pozitiv, electroni – negativi. Sarcina unui proton este egală ca modul cu sarcina unui electron.
Numărul de protoni ai nucleului Z coincide cu numărul său atomic în sistemul periodic al lui Mendeleev. Numărul de neutroni dintr-un nucleu, cu câteva excepții, este mai mare sau egal cu numărul de protoni.
Masa unui atom este concentrată în nucleu și este determinată de masa nucleonilor. Masa unui proton este egală cu masa unui neutron. Masa unui electron este 1/1836 din masa unui proton.
Ca dimensiune a masei atomilor este folosita unitate de masă atomică(a.m.u.) egal cu 1,66 10 -27 kg. 1 amu aproximativ egală cu masa unui proton. O caracteristică a unui atom este numărul de masă A, egal cu numărul total de protoni și neutroni.
Prezența neutronilor permite ca doi atomi să aibă mase diferite pentru aceleași sarcini electrice ale nucleului. Proprietățile chimice ale acestor doi atomi vor fi aceleași; astfel de atomi se numesc izotopi. În literatură, în stânga desemnării elementului, numărul de masă este scris în partea de sus, iar numărul de protoni este scris dedesubt.
Combustibilul nuclear folosit în astfel de reactoare este izotop al uraniului cu masa atomică 235. Uraniul natural este un amestec de trei izotopi: uraniu-234 (0,006%), uraniu-235 (0,711%) și uraniu-238 (99,283%). Izotopul de uraniu-235 are proprietăți unice - ca urmare a absorbției unui neutron cu energie scăzută, se obține un nucleu de uraniu-236, care apoi se împarte - este împărțit în două părți aproximativ egale, numite produse de fisiune (fragmente). Nucleonii nucleului original sunt distribuiți printre fragmentele de fisiune, dar nu toate - în medie sunt eliberați 2-3 neutroni. Ca urmare a fisiunii, masa nucleului original nu este complet conservată, o parte din aceasta este convertită în energie, în principal în energia cinetică a produselor de fisiune și a neutronilor. Valoarea acestei energii pentru un atom de uraniu 235 este de aproximativ 200 MeV.
Miezul unui reactor convențional cu o capacitate de 1000 MW conține aproximativ 1 mie de tone de uraniu, din care doar 3 - 4% este uraniu-235. 3 kg din acest izotop se consumă zilnic în reactor. Astfel, pentru alimentarea reactorului cu combustibil, trebuie prelucrate zilnic 430 kg de concentrat de uraniu, iar aceasta înseamnă în medie 2150 de tone de minereu de uraniu.
Ca rezultat al reacției de fisiune, în combustibilul nuclear se formează neutroni rapizi. Dacă interacționează cu nucleele vecine ale materialului fisionabil și, la rândul lor, provoacă o reacție de fisiune în ele, are loc o creștere asemănătoare unei avalanșe a numărului de evenimente de fisiune. Această reacție de fisiune se numește reacție în lanț de fisiune nucleară.
Cei mai eficienți pentru dezvoltarea unei reacții în lanț de fisiune sunt neutronii cu o energie mai mică de 0,1 keV. Ele sunt numite termice, deoarece energia lor este comparabilă cu energia medie a mișcării termice a moleculelor. Pentru comparație, energia deținută de neutroni formați în timpul dezintegrarii nucleelor este de 5 MeV. Se numesc neutroni rapizi. Pentru a utiliza astfel de neutroni într-o reacție în lanț, energia lor trebuie redusă (încetinită). Aceste funcții sunt îndeplinite de retarder. În substanțele moderatoare, neutronii rapizi sunt împrăștiați pe nuclee, iar energia lor este transformată în energia mișcării termice a atomilor substanței moderatoare. Grafitul, metalele lichide (lichid de răcire al primului circuit) sunt cele mai utilizate ca moderator.
Dezvoltarea rapidă a unei reacții în lanț este însoțită de eliberarea unei cantități mari de căldură și supraîncălzirea reactorului. Pentru a menține modul staționar al reactorului, în miezul reactorului sunt introduse tije de control realizate din materiale care absorb puternic neutronii termici, de exemplu, din bor sau cadmiu.
Energia cinetică a produselor de descompunere este transformată în căldură. Căldura este absorbită de lichidul de răcire care circulă în reactorul nuclear și transferată în schimbătorul de căldură (primul circuit închis), unde se produce abur (al doilea circuit), care rotește turbina turbogeneratorului. Lichidul de răcire din reactor este sodiu lichid (primul circuit) și apă (al doilea circuit).
Uraniul-235 este o resursă neregenerabilă și dacă este folosit în întregime în reactoare nucleare, va dispărea pentru totdeauna. Prin urmare, pare atractiv să folosiți izotopul uraniu-238, care apare în cantități mult mai mari, ca combustibil inițial. Acest izotop nu suportă o reacție în lanț sub influența neutronilor. Dar poate absorbi neutroni rapidi, formând uraniu-239 în acest proces. În nucleele de uraniu-239, începe dezintegrarea beta și se formează neptuniul-239 (nu se găsește în natură). De asemenea, acest izotop se descompune și se transformă în plutoniu-239 (nu apare în mod natural). Plutoniul-239 este și mai susceptibil la reacția de fisiune termică a neutronilor. Ca urmare a reacției de fisiune a combustibilului nuclear plutoniu-239, se formează neutroni rapizi, care, împreună cu uraniul, formează un nou combustibil și produse de fisiune care eliberează căldură în elementele combustibile (TVEL). Drept urmare, dintr-un kilogram de uraniu natural se poate obține de 20-30 de ori mai multă energie decât în reactoarele nucleare convenționale care utilizează uraniu-235.
În modelele moderne, sodiul lichid este folosit ca lichid de răcire. În acest caz, reactorul poate funcționa la temperaturi mai ridicate, crescând astfel eficiența termică a centralei electrice. pana la 40% .
Cu toate acestea, proprietățile fizice ale plutoniului: toxicitatea, masa critică scăzută pentru o reacție de fisiune spontană, aprinderea într-un mediu cu oxigen, fragilitatea și autoîncălzirea în stare metalică îngreunează fabricarea, prelucrarea și manipularea acestuia. Prin urmare, reactoarele generatoare sunt încă mai puțin comune decât reactoarele cu neutroni termici.
În scopuri pașnice, energia atomică este folosită în centralele nucleare. Ponderea centralelor nucleare în producția mondială de energie electrică este de aproximativ 14% .
Ca exemplu, luați în considerare principiul obținerii de energie electrică la CNE Voronezh. Un lichid de răcire din metal cu o temperatură de intrare de 571 K este trimis prin canale către miezul reactorului prin canale la o presiune de 157 ATM (15,7 MPa), care este încălzit în reactor la 595 K. Lichidul de răcire metalic este trimis la generator de abur, în care intră apa rece, transformându-se în abur cu o presiune de 65,3 ATM (6,53 MPa). Aburul este furnizat către paletele unei turbine cu abur, care rotește un turbogenerator.
În reactoarele nucleare, temperatura aburului produs este semnificativ mai mică decât în generatorul de abur al centralelor termice care funcționează cu combustibil organic. Ca urmare, eficiența termică a centralelor nucleare care funcționează cu apă ca lichid de răcire este de doar 30%. Spre comparație, în centralele care funcționează pe cărbune, petrol sau gaz, acesta ajunge la 40%.
Centralele nucleare sunt folosite în sistemele de alimentare cu energie și căldură pentru populație, iar minicentralele nucleare de pe nave maritime (nave cu propulsie nucleară, submarine nucleare) sunt folosite pentru a antrena elice).
În scopuri militare, energia nucleară este folosită în bombe atomice. Bomba atomică este un reactor special cu neutroni rapidi , în care are loc o reacție rapidă necontrolată în lanț cu un factor mare de multiplicare a neutronilor. Nu există moderatori în reactorul nuclear al unei bombe atomice. Dimensiunile și greutatea dispozitivului sunt așadar mici.
Sarcina nucleară a unei bombe cu uraniu-235 este împărțită în două părți, în fiecare dintre acestea o reacție în lanț este imposibilă. Pentru a efectua explozia, una dintre jumătățile încărcăturii este trasă către cealaltă, iar atunci când sunt conectate, are loc aproape instantaneu o reacție explozivă în lanț. O reacție nucleară explozivă eliberează o energie enormă. În acest caz, se atinge o temperatură de aproximativ o sută de milioane de grade. Există o creștere colosală a presiunii și se formează o undă puternică de explozie.
Primul reactor nuclear a fost lansat la Universitatea din Chicago (SUA) pe 2 decembrie 1942. Prima bombă atomică a fost detonată pe 16 iulie 1945 în New Mexico (Alamogordo). A fost un dispozitiv creat pe principiul fisiunii plutoniului. Bomba a constat din plutoniu înconjurat de două straturi de exploziv chimic cu siguranțe.
Prima centrală nucleară, care a dat curent în 1951, a fost centrala nucleară EBR-1 (SUA). În fosta URSS - centrala nucleară Obninsk (regiunea Kaluga, a dat curent la 27 iunie 1954). Prima centrală nucleară din URSS cu un reactor cu neutroni rapidi cu o capacitate de 12 MW a fost lansată în 1969 în orașul Dimitrovgrad. În 1984, în lume funcționau 317 centrale nucleare, cu o capacitate totală de 191 mii MW, care în acel moment reprezenta 12% (1012 kWh) din producția mondială de energie electrică. Din 1981, cea mai mare centrală nucleară din lume era centrala nucleară Biblis (Germania), a cărei putere termică a reactoarelor era de 7800 MW.
reacții termonucleare se numesc reactii nucleare de fuziune a nucleelor usoare in altele mai grele. Elementul folosit în fuziunea nucleară este hidrogenul. Principalul avantaj al sintezei termonucleare este resursele practic nelimitate de materii prime care pot fi extrase din apa de mare. Hidrogenul într-o formă sau alta reprezintă 90% din toată materia. Combustibilul pentru fuziunea termonucleară conținut în oceanele lumii va dura mai mult de 1 miliard de ani (radiația solară și umanitatea din sistemul solar nu vor dura mult mai mult). Materia primă pentru fuziunea termonucleară conținută în 33 km de apă oceanică este echivalentă ca conținut energetic cu toate resursele de combustibili solizi (există de 40 de milioane de ori mai multă apă pe Pământ). Energia deuteriului conținută într-un pahar cu apă este echivalentă cu arderea a 300 de litri de benzină.
Există 3 izotopi ai hidrogenului : masele lor atomice sunt -1,2 (deuteriu), 3 (tritiu). Acești izotopi pot reproduce astfel de reacții nucleare în care masa totală a produșilor finali ai reacției este mai mică decât masa totală a substanțelor care au intrat în reacție. Diferența de mase, ca și în cazul unei reacții de fisiune, este energia cinetică a produșilor de reacție. În medie, o scădere a masei unei substanțe care participă la o reacție de fuziune termonucleară cu 1 a.m.u. corespunde eliberării de energie de 931 MeV:
H 2 + H 2 \u003d H 3 + neutron + 3,2 MeV,
H 2 + H 2 \u003d H 3 + proton + 4,0 MeV,
H 2 + H 3 \u003d He 4 + neutron + 17,6 MeV.
Tritiul este practic absent în natură. Poate fi obținut prin interacțiunea neutronilor cu izotopii de litiu:
Li 6 + neutron \u003d He 4 + H 3 + 4,8 MeV.
Fuziunea nucleelor elementelor ușoare nu are loc în mod natural (cu excepția proceselor din spațiu). Pentru a forța nucleii să intre în reacția de fuziune, sunt necesare temperaturi ridicate (de ordinul 107 -109K). În acest caz, gazul este o plasmă ionizată. Problema confinării acestei plasme este principalul obstacol în calea utilizării acestei metode de obținere a energiei. Temperatura de ordinul a 10 milioane de grade este tipică pentru partea centrală a Soarelui. Reacțiile termonucleare sunt sursa de energie care furnizează radiația de la Soare și stele.
În prezent, sunt în desfășurare lucrări teoretice și experimentale pentru studiul metodelor de confinare magnetică și inerțială a plasmei.
Metoda de utilizare a câmpurilor magnetice. Se creează un câmp magnetic care pătrunde în canalul plasmei în mișcare. Particulele încărcate care alcătuiesc o plasmă, în timp ce se deplasează într-un câmp magnetic, sunt supuse unor forțe direcționate perpendicular pe mișcarea particulelor și liniilor câmpului magnetic. Datorită acțiunii acestor forțe, particulele se vor deplasa în spirală de-a lungul liniilor câmpului. Cu cât câmpul magnetic este mai puternic, cu atât fluxul de plasmă devine mai dens, izolându-se astfel de pereții învelișului.
Confinare inerțială a plasmei. Exploziile termonucleare sunt efectuate în reactor cu o frecvență de 20 de explozii pe secundă. Pentru a implementa această idee, o particulă de combustibil termonuclear este încălzită prin radiația focalizată de la 10 lasere la temperatura de aprindere a reacției de fuziune într-un timp înainte de a avea timp să se împrăștie pe o distanță vizibilă datorită mișcării termice a atomilor (10-9 s). ).
Fuziunea termonucleară este baza bombei cu hidrogen (termonucleare). Într-o astfel de bombă are loc o reacție termonucleară auto-susținută de natură explozivă. Explozivul este un amestec de deuteriu și tritiu. Ca sursă de energie de activare (o sursă de temperaturi ridicate), este folosită energia unei bombe nucleare cu fisiune. Prima bombă termonucleară din lume a fost creată în URSS în 1953.
La sfârșitul anilor 50, URSS a început să lucreze la ideea fuziunii termonucleare în reactoare de tip TOKAMAK (o cameră toroidală într-un câmp magnetic al unei bobine). Principiul de funcționare este următorul: camera toroidală este evacuată și umplută cu un amestec gazos de deuteriu și tritiu. Prin amestec trece un curent de câteva milioane de amperi. În 1-2 secunde, temperatura amestecului crește la sute de mii de grade. Plasma se formează în cameră. Încălzirea ulterioară se realizează prin injectarea de atomi neutri de deuteriu și tritiu cu o energie de 100 - 200 keV. Temperatura plasmei crește la zeci de milioane de grade și începe o reacție de fuziune auto-susținută. După 10-20 de minute, elementele grele din materialul parțial evaporat al pereților camerei se vor acumula în plasmă. Plasma se răcește, arderea termonucleară se oprește. Camera trebuie oprită din nou și curățată de impuritățile acumulate. Dimensiunile torului la o putere termică a reactorului de 5000 MW sunt următoarele: Raza exterioară -10m; raza interioara - 2,5 m.
Cercetare pentru a găsi o modalitate de a controla reacțiile termonucleare, de ex. utilizarea energiei termonucleare în scopuri pașnice se dezvoltă cu mare intensitate.
În 1991, o instalație europeană comună din Marea Britanie a obținut pentru prima dată o eliberare semnificativă de energie în cursul fuziunii termonucleare controlate. Modul optim a fost menținut timp de 2 secunde și a fost însoțit de eliberarea de energie de ordinul a 1,7 MW. Temperatura maximă a fost de 400 de milioane de grade.
Generator de energie termonucleara. Când deuteriul este folosit ca combustibil termonuclear, două treimi din energie trebuie eliberată sub forma energiei cinetice a particulelor încărcate. Prin metode electromagnetice, această energie poate fi convertită în energie electrică.
Electricitatea poate fi obținută în modul de funcționare staționar al instalației și în impulsuri. În primul caz, ionii și electronii rezultați din reacția de fuziune auto-susținută sunt întârziați de câmpul magnetic. Curentul ionic este separat de curentul electronic prin intermediul unui câmp magnetic transversal. Eficiența unui astfel de sistem în timpul frânării directe va fi de aproximativ 50%, iar restul energiei va fi transformată în căldură.
Motoare de fuziune (neimplementat). Domeniu de aplicare: vehicule spațiale. O plasmă de deuteriu complet ionizată la 1 miliard de grade Celsius este ținută într-un filament de câmpul magnetic liniar al bobinelor supraconductoare. Fluidul de lucru este introdus în cameră prin pereți, răcindu-i și se încălzește, curgând în jurul coloanei de plasmă. Viteza axială a fluxului de ioni la ieșirea duzei magnetice este de 10.000 km/s.
În 1972, la o reuniune a Clubului de la Roma - o organizație care studiază cauzele și caută soluții la probleme la scară planetară - a fost realizat un raport elaborat de oamenii de știință E. von Weinzsacker, A. H. Lovins și a produs efectul unei bombe care explodează. . Potrivit datelor prezentate în raport, sursele de energie de pe planetă - cărbune, gaz, petrol și uraniu - vor dura până în 2030. Pentru a extrage cărbune, din care se va putea obține energie pentru 1 dolar, va fi necesar să cheltuiești energie, costând 99 de cenți.
Uraniul-235, care servește drept combustibil pentru centralele nucleare, în natură nu este așa: doar 5% din cantitatea totală de uraniu din lume, din care 2% se află în Rusia. Prin urmare, centralele nucleare pot fi utilizate numai în scopuri auxiliare. Studiile oamenilor de știință care au încercat să obțină energie din plasmă pe „TOKAMAK-uri” au rămas până astăzi un exercițiu costisitor. În 2000, au existat rapoarte conform cărora Comunitatea Atomică Europeană (CERN) și Japonia construiau primul segment al TOKAMAK.
Mântuirea poate să nu fie „atomul pașnic” al unei centrale nucleare, ci cel „militar” – energia unei bombe termonucleare.
Oamenii de știință ruși au numit invenția lor un cazan cu ardere explozivă (FAC). Principiul de funcționare al PIC se bazează pe explozia unei bombe termonucleare ultra-mice într-un sarcofag special - un cazan. Exploziile au loc în mod regulat. Este interesant că presiunea pe pereții cazanului în timpul exploziei în PBC este mai mică decât în cilindrii unei mașini obișnuite.
Pentru funcționarea în siguranță a KVS, diametrul interior al cazanului trebuie să fie de cel puțin 100 de metri. Pereții dubli de oțel și o carcasă de beton armat de 30 de metri grosime vor atenua vibrațiile. Pentru construcția sa va fi folosit doar oțel de înaltă calitate, ca și pentru două cuirasate militare moderne. Este planificată construirea KVS timp de 5 ani. În 2000, într-unul dintre orașele închise ale Rusiei, a fost pregătit un proiect pentru construirea unei instalații experimentale pentru o „bombă” de 2-4 kilotone de echivalent nuclear. Costul acestui FAC este de 500 de milioane de dolari. Oamenii de știință au calculat că va plăti într-un an, iar pentru alți 50 de ani va furniza practic electricitate și căldură gratuită. Potrivit liderului proiectului, costul energiei echivalent cu cel produs prin arderea unei tone de petrol va fi mai mic de 10 USD.
40 de KVG sunt capabile să răspundă nevoilor întregului sector energetic național. O sută - toate țările continentului eurasiatic.
În 1932, a fost descoperit experimental pozitronul - o particulă cu masa unui electron, dar cu sarcină pozitivă. S-a sugerat curând că simetria sarcinii există în natură: a) fiecare particulă trebuie să aibă o antiparticulă; b) legile naturii nu se schimbă atunci când toate particulele sunt înlocuite cu antiparticulele corespunzătoare și invers. Antiprotonul și antineutronul au fost descoperite la mijlocul anilor 1950. În principiu, poate exista antimateria, formată din atomi, ale căror nuclee includ antiprotoni și antineutroni, iar învelișul lor este format din pozitroni.
Grupurile de antimaterie de dimensiuni cosmologice ar constitui antilumi, dar nu se găsesc în natură. Antimateria a fost sintetizată doar la scară de laborator. Deci, în 1969, la acceleratorul Serpuhov, fizicienii sovietici au înregistrat nuclee de antiheliu, formate din doi antiprotoni și un antineutron.
În raport cu posibilitățile de conversie a energiei, antimateria este remarcabilă prin aceea că atunci când intră în contact cu materia, se produce anihilarea (distrugerea) cu eliberarea de energie colosală (ambele tipuri de materie dispar, transformându-se în radiații). Astfel, un electron și un pozitron, anihilând, dau naștere la doi fotoni. Un tip de materie - particule masive încărcate - trece într-un alt tip de materie - în particule neutre fără masă. Folosind relația Einstein privind echivalența energiei și a masei (E=mc 2), este ușor de calculat că anihilarea unui gram de materie produce aceeași energie care poate fi obținută prin arderea a 10.000 de tone de cărbune, iar o tonă de antimaterie ar fi suficientă pentru a furniza energie întregii planete timp de un an.
Astrofizicienii cred că anihilarea este cea care oferă energia gigantică a obiectelor quasi-stelare - quasari.
În 1979, un grup de fizicieni americani a reușit să înregistreze prezența antiprotonilor naturali. Au fost aduse de razele cosmice.
Utilizarea pe scară largă a energiei nucleare a început datorită progresului științific și tehnologic, nu numai în domeniul militar, ci și în scopuri pașnice. Astăzi este imposibil să faci fără ea în industrie, energie și medicină.
Cu toate acestea, utilizarea energiei nucleare are nu numai avantaje, ci și dezavantaje. În primul rând, este pericolul radiațiilor, atât pentru oameni, cât și pentru mediu.
Utilizarea energiei nucleare se dezvoltă în două direcții: utilizarea în energie și utilizarea izotopilor radioactivi.
Inițial, energia atomică trebuia să fie folosită doar în scopuri militare, iar toate evoluțiile au mers în această direcție.
Utilizarea energiei nucleare în sfera militară
Un număr mare de materiale foarte active sunt folosite pentru a produce arme nucleare. Experții estimează că focoasele nucleare conțin câteva tone de plutoniu.
Se face referire la armele nucleare deoarece provoacă distrugeri pe teritorii vaste.
În funcție de raza de acțiune și puterea încărcăturii, armele nucleare sunt împărțite în:
- Tactic.
- Operațional-tactic.
- Strategic.
Armele nucleare sunt împărțite în atomice și hidrogen. Armele nucleare se bazează pe reacții în lanț necontrolate de fisiune a nucleelor grele și reacții.Pentru o reacție în lanț se folosește uraniu sau plutoniu.
Depozitarea unei cantități atât de mari de materiale periculoase este o mare amenințare pentru umanitate. Iar utilizarea energiei nucleare în scopuri militare poate duce la consecințe grave.
Pentru prima dată, armele nucleare au fost folosite în 1945 pentru a ataca orașele japoneze Hiroshima și Nagasaki. Consecințele acestui atac au fost catastrofale. După cum știți, aceasta a fost prima și ultima utilizare a energiei nucleare în război.
Agenția Internațională pentru Energie Atomică (AIEA)
AIEA a fost înființată în 1957 cu scopul de a dezvolta cooperarea între țări în domeniul utilizării energiei atomice în scopuri pașnice. Încă de la început, agenția a implementat programul „Securitate nucleară și protecția mediului”.
Dar cea mai importantă funcție este controlul asupra activităților țărilor din sfera nucleară. Organizația controlează ca dezvoltarea și utilizarea energiei nucleare să aibă loc numai în scopuri pașnice.
Scopul acestui program este de a asigura utilizarea în siguranță a energiei nucleare, protecția omului și a mediului de efectele radiațiilor. Agenția a studiat și consecințele accidentului de la centrala nucleară de la Cernobîl.
De asemenea, agenția sprijină studiul, dezvoltarea și utilizarea energiei nucleare în scopuri pașnice și acționează ca intermediar în schimbul de servicii și materiale între membrii agenției.
Împreună cu ONU, AIEA definește și stabilește standarde de siguranță și sănătate.
Energie nucleara
În a doua jumătate a anilor patruzeci ai secolului XX, oamenii de știință sovietici au început să dezvolte primele proiecte pentru utilizarea pașnică a atomului. Direcția principală a acestor dezvoltări a fost industria energiei electrice.
Și în 1954, a fost construită o stație în URSS. După aceea, programe de creștere rapidă a energiei nucleare au început să fie dezvoltate în SUA, Marea Britanie, Germania și Franța. Dar cele mai multe dintre ele nu au fost îndeplinite. După cum sa dovedit, centrala nucleară nu a putut concura cu stațiile care funcționează cu cărbune, gaz și păcură.
Dar după declanșarea crizei energetice globale și creșterea prețului petrolului, cererea de energie nucleară a crescut. În anii 70 ai secolului trecut, experții credeau că capacitatea tuturor centralelor nucleare ar putea înlocui jumătate din centralele electrice.
La mijlocul anilor '80, creșterea energiei nucleare a încetinit din nou, țările au început să revizuiască planurile pentru construirea de noi centrale nucleare. Acest lucru a fost facilitat atât de politica de conservare a energiei, cât și de scăderea prețului petrolului, precum și de dezastrul de la uzina de la Cernobîl, care a avut consecințe negative nu numai pentru Ucraina.
După aceea, unele țări au oprit cu totul construcția și funcționarea centralelor nucleare.
Energia nucleară pentru călătoriile în spațiu
Peste trei duzini de reactoare nucleare au zburat în spațiu, au fost folosite pentru a genera energie.
Americanii au folosit un reactor nuclear în spațiu pentru prima dată în 1965. Uraniul-235 a fost folosit drept combustibil. A lucrat 43 de zile.
În Uniunea Sovietică, reactorul Romashka a fost lansat la Institutul de Energie Atomică. Trebuia să fie folosit pe nave spațiale împreună cu Dar după toate testele, nu a fost niciodată lansat în spațiu.
Următoarea instalație nucleară Buk a fost folosită pe un satelit de recunoaștere radar. Primul aparat a fost lansat în 1970 din cosmodromul Baikonur.
Astăzi, Roskosmos și Rosatom își propun să proiecteze o navă spațială care va fi echipată cu un motor de rachetă nucleară și va putea ajunge pe Lună și Marte. Dar, deocamdată, totul este în faza de propunere.
Aplicarea energiei nucleare în industrie
Energia nucleară este folosită pentru a crește sensibilitatea analizelor chimice și pentru a produce amoniac, hidrogen și alte substanțe chimice care sunt folosite pentru a face îngrășăminte.
Energia nucleară, a cărei utilizare în industria chimică face posibilă obținerea de noi elemente chimice, ajută la recrearea proceselor care au loc în scoarța terestră.
Energia nucleară este folosită și pentru desalinizarea apei sărate. Aplicarea în metalurgia feroasă permite recuperarea fierului din minereul de fier. În culoare - este utilizat pentru producția de aluminiu.
Utilizarea energiei nucleare în agricultură
Utilizarea energiei nucleare în agricultură rezolvă problemele de selecție și ajută la combaterea dăunătorilor.
Energia nucleară este folosită pentru a crea mutații în semințe. Acest lucru se face pentru a obține noi soiuri care aduc un randament mai mare și sunt rezistente la bolile culturilor. Așadar, mai mult de jumătate din grâul cultivat în Italia pentru a face paste a fost crescut cu ajutorul mutațiilor.
Radioizotopii sunt, de asemenea, utilizați pentru a determina cele mai bune modalități de aplicare a îngrășămintelor. De exemplu, cu ajutorul lor, s-a stabilit că la cultivarea orezului, este posibil să se reducă aplicarea îngrășămintelor cu azot. Acest lucru nu numai că a economisit bani, dar a salvat și mediul.
O utilizare puțin ciudată a energiei nucleare este iradierea larvelor de insecte. Acest lucru se face pentru a le afișa în mod inofensiv pentru mediu. În acest caz, insectele care au apărut din larvele iradiate nu au descendenți, dar în alte privințe sunt destul de normale.
Medicina nucleara
Medicina folosește izotopi radioactivi pentru a face un diagnostic precis. Izotopii medicali au un timp de înjumătățire scurt și nu prezintă un pericol deosebit atât pentru ceilalți, cât și pentru pacient.
O altă aplicație a energiei nucleare în medicină a fost descoperită destul de recent. Aceasta este tomografia cu emisie de pozitroni. Poate ajuta la detectarea cancerului într-un stadiu incipient.
Aplicarea energiei nucleare în transporturi
La începutul anilor 50 ai secolului trecut, s-au încercat crearea unui tanc cu propulsie nucleară. Dezvoltarea a început în SUA, dar proiectul nu a fost niciodată adus la viață. În principal din cauza faptului că în aceste tancuri nu au putut rezolva problema ecranării echipajului.
Cunoscuta companie Ford lucra la o mașină care să funcționeze cu energie nucleară. Dar producția unei astfel de mașini nu a depășit aspectul.
Chestia este că instalația nucleară a ocupat mult spațiu, iar mașina s-a dovedit a fi foarte generală. Reactoarele compacte nu au apărut niciodată, așa că proiectul ambițios a fost redus.
Probabil cel mai faimos transport care funcționează cu energie nucleară sunt diverse nave, atât militare, cât și civile:
- Nave de transport.
- Portavioane.
- Submarine.
- Croaziere.
- Submarine nucleare.
Avantaje și dezavantaje ale utilizării energiei nucleare
Astăzi, ponderea în producția mondială de energie este de aproximativ 17 la sută. Deși omenirea folosește dar rezervele sale nu sunt nesfârșite.
Prin urmare, ca alternativă, este folosit.Dar procesul de obținere și utilizare este asociat cu un risc mare pentru viață și mediu.
Desigur, reactoarele nucleare sunt în permanență îmbunătățite, se iau toate măsurile de siguranță posibile, dar uneori acest lucru nu este suficient. Un exemplu sunt accidentele de la Cernobîl și Fukushima.
Pe de o parte, un reactor care funcționează corespunzător nu emite radiații în mediu, în timp ce o cantitate mare de substanțe nocive intră în atmosferă din centralele termice.
Cel mai mare pericol este combustibilul uzat, prelucrarea și depozitarea acestuia. Pentru că până în prezent nu a fost inventată o modalitate complet sigură de a elimina deșeurile nucleare.
