Für Produktionszwecke wird Kernenergie genutzt. Atomenergie. Geschichte der Entdeckung der Kernenergie

Windenergie

Windenergie ist ein Energiezweig, der sich auf die Nutzung von Windenergie – der kinetischen Energie der Luftmassen in der Atmosphäre – spezialisiert hat. Da Windenergie eine Folge der Aktivität der Sonne ist, wird sie als erneuerbare Energie eingestuft. Windenergie kann noch nicht als würdiger Konkurrent zu herkömmlichen Kern-, Wasser- und Wärmekraftwerken angesehen werden. Das durchschnittliche Kernkraftwerk erzeugt etwa 1,3 Tausend MW Strom – mehr als die vier größten Windparks der Welt.

Nach Angaben der American Wind Energy Association sind die Kosten für den Bau eines Windparks auf 1 Million US-Dollar pro MW gesunken, was in etwa dem Preis für den Bau eines Kernkraftwerks entspricht. In Bezug auf die Investitionseffizienz sind Windkraftwerke nur Gaskraftwerken überlegen (600.000 Dollar pro 1 MW). Allerdings ist Windenergie im Gegensatz zu Gas kostenlos. Windgeneratoren verbrauchen keine fossilen Brennstoffe. Der Betrieb einer Windkraftanlage mit einer Leistung von 1 MW spart über 20 Betriebsjahre etwa 29.000 Tonnen Kohle oder 92.000 Barrel Öl ein. Ein 1-MW-Windgenerator reduziert die jährlichen atmosphärischen Emissionen von 1800 Tonnen CO2, 9 Tonnen SO2 und 4 Tonnen Stickoxiden.

Ihr großer Vorteil gegenüber der Kernenergie besteht darin, dass es keine Probleme bei der Lagerung und Verarbeitung abgebrannter Brennelemente gibt. Trotz der Tatsache, dass die Kosten für Windkraft in zwanzig Jahren von 40 auf 5 Cent pro Kilowatt gesunken sind und sich den Kosten für Strom angenähert haben, der durch die Verbrennung von Öl, Gas, Kohle und Kernenergie erzeugt wird (in den USA liegen die Preise bei 2 bis 3 Cent pro Kilowatt), wird es schwierig sein, diese Lücke zu schließen.

Seit 1978 haben die Vereinigten Staaten mehr als 11 Milliarden US-Dollar an öffentlichen Mitteln ausgegeben wissenschaftliche Forschung in dieser Branche, aber die Ergebnisse solcher Investitionen sind noch gering. Bis heute macht saubere Energie nicht mehr als 8 % des von allen Kraftwerken in den Vereinigten Staaten erzeugten Stroms aus. Laut Prognose des US-Energieministeriums wird sein Anteil bis 2025 nur um 0,5 % steigen. Zieht man davon die von Wasserkraftwerken erzeugte Energie ab, fallen die Zahlen sogar noch bescheidener aus: 2,1 % im Jahr 2001 und 3,3 % im Jahr 2025.

Kernkraft ist ein Zweig der Energiewirtschaft, der sich mit der Erzeugung und Nutzung von Kernenergie beschäftigt (früher wurde der Begriff Kernkraft verwendet).

Um Kernenergie zu gewinnen, wird üblicherweise eine Kettenkernspaltungsreaktion von Uran-235- oder Plutoniumkernen verwendet. Kerne spalten sich, wenn ein Neutron auf sie trifft, und es entstehen neue Neutronen und Spaltfragmente. Spaltneutronen und Spaltfragmente haben eine hohe kinetische Energie. Durch Kollisionen von Fragmenten mit anderen Atomen entsteht dies kinetische Energie schnell in Wärme umgewandelt.

Obwohl in jedem Energiebereich die Kernenergie die Hauptquelle ist (zum Beispiel die Energie solarer Kernreaktionen in Wasserkraftwerken und Kraftwerken mit fossilen Brennstoffen, die Energie des radioaktiven Zerfalls in Geothermiekraftwerke) bezieht sich nur der Einsatz kontrollierter Reaktionen in Kernreaktoren auf die Kernenergie.

Kernenergie wird in Kernkraftwerken erzeugt, auf Atomeisbrechern und Atom-U-Booten eingesetzt; Die Vereinigten Staaten führen ein Programm zur Entwicklung eines Atommotors für Raumfahrzeuge durch. Darüber hinaus wurden Versuche unternommen, einen Atommotor für Flugzeuge zu entwickeln.

Atomkraft bleibt Gegenstand hitziger Debatten. Befürworter und Gegner der Kernenergie unterscheiden sich stark in ihren Einschätzungen zu deren Sicherheit, Zuverlässigkeit und Wirtschaftlichkeit. Es besteht eine weit verbreitete Meinung über das mögliche Austreten von Kernbrennstoff aus der Stromerzeugung und dessen Verwendung für die Herstellung von Atomwaffen.

In der Natur wird Kernenergie in Sternen freigesetzt und vom Menschen hauptsächlich in Kernwaffen und Kernenergie, insbesondere in Kernkraftwerken, genutzt.

Physische Grundlagen

Bindungsenergie

Obwohl der Kern aus Nukleonen besteht, ist die Masse des Kerns nicht nur die Summe der Massen der Nukleonen. Die Energie, die diese Nukleonen zusammenhält, wird als Differenz zwischen der Masse des Kerns und den Massen der einzelnen Nukleonen, aus denen er besteht, bis zu einem Faktor beobachtet C 2 , die Masse und Energie durch die Gleichung in Beziehung setzt E = m ⋅ c 2 . (\displaystyle E=m\cdot c^(2).) Indem man also die Masse eines Atoms und die Masse seiner Bestandteile bestimmt, kann man die durchschnittliche Energie pro Nukleon bestimmen, das verschiedene Kerne zusammenhält.

Aus der Grafik ist ersichtlich, dass sehr leichte Kerne eine geringere Bindungsenergie pro Nukleon haben als Kerne, die etwas schwerer sind (auf der linken Seite der Grafik). Dies ist der Grund, warum thermonukleare Reaktionen (also die Verschmelzung leichter Kerne) Energie freisetzen. Umgekehrt haben sehr schwere Kerne auf der rechten Seite des Diagramms niedrigere Bindungsenergien pro Nukleon als Kerne mittlerer Masse. In dieser Hinsicht ist die Spaltung schwerer Kerne auch energetisch günstig (d. h. sie erfolgt unter Freisetzung von Kernenergie). Es ist auch zu beachten, dass bei der Fusion (auf der linken Seite) der Massenunterschied viel größer ist als bei der Spaltung (auf der rechten Seite).

Die Energie, die benötigt wird, um den Kern vollständig in einzelne Nukleonen zu zerlegen, nennt man Bindungsenergie E aus dem Kern. Spezifische Bindungsenergie (d. h. die Bindungsenergie pro Nukleon, ε = E Mit / A, Wo A(die Anzahl der Nukleonen im Kern oder die Massenzahl) ist für verschiedene chemische Elemente und sogar für Isotope desselben chemischen Elements nicht gleich. Die spezifische Bindungsenergie eines Nukleons in einem Kern schwankt im Durchschnitt 1 MeV für leichte Kerne (Deuterium) bis 8,6 MeV für Kerne mittlerer Masse (mit einer Massenzahl A≈ 100 ). Für schwere Kerne ( A≈ 200 ) ist die spezifische Bindungsenergie eines Nukleons um etwa 1 MeV geringer als die von Kernen mittlerer Masse, so dass bei ihrer Umwandlung in Kerne mittlerer Masse (Teilung in 2 Teile) Energie in Höhe von etwa 1 MeV pro Nukleon bzw. etwa 200 MeV pro Kern freigesetzt wird. Die Umwandlung leichter Kerne in schwerere Kerne führt zu einem noch größeren Energiegewinn pro Nukleon. So zum Beispiel die Reaktion der Kombination von Deuterium- und Tritiumkernen

1 D 2 + 1 T 3 → 2 H e 4 + 0 n 1 (\displaystyle \mathrm ((_(1))D^(2)+(_(1))T^(3)\rightarrow (_(2))He^(4)+(_(0))n^(1)) )

begleitet von einer Energiefreisetzung von 17,6 MeV, also 3,5 MeV pro Nukleon.

Kernspaltung

Das Auftreten von 2,5 Neutronen pro Spaltereignis ermöglicht das Auftreten einer Kettenreaktion, wenn mindestens eines dieser 2,5 Neutronen eine erneute Spaltung des Urankerns bewirken kann. Normalerweise spalten die emittierten Neutronen die Urankerne nicht sofort, sondern müssen zunächst auf thermische Geschwindigkeiten (2200 m/s) abgebremst werden T=300 K). Die Verlangsamung wird am effektivsten mit Hilfe der umgebenden Atome eines anderen Elements mit einem kleinen erreicht A, wie Wasserstoff, Kohlenstoff usw., eines Materials, das Moderator genannt wird.

Einige andere Kerne können ebenfalls spalten, indem sie langsame Neutronen einfangen, beispielsweise 233U oder 239. Allerdings ist die Spaltung von Kernen wie 238 U (das ist 140-mal mehr als 235 U) oder 232 (das ist 140-mal mehr als 235 U) durch schnelle Neutronen (hohe Energie) möglich Erdkruste 400-mal mehr als 235 U).

Die elementare Spaltungstheorie wurde von Niels Bohr und J. Wheeler unter Verwendung des Tropfenmodells des Kerns erstellt.

Kernspaltung kann auch mit schnellen Alphateilchen, Protonen oder Deuteronen erreicht werden. Allerdings müssen diese Teilchen im Gegensatz zu Neutronen eine hohe Energie haben, um die Coulomb-Barriere des Kerns zu überwinden.

Freisetzung von Kernenergie

Es ist bekannt, dass exotherme Kernreaktionen Kernenergie freisetzen.

Zur Gewinnung von Kernenergie wird üblicherweise eine Kettenkernspaltungsreaktion von Uran-235- oder Plutoniumkernen eingesetzt, seltener auch anderer schwerer Kerne (Uran-238, Thorium-232). Kerne werden geteilt, wenn ein Neutron auf sie trifft, und es entstehen neue Neutronen und Spaltfragmente. Spaltneutronen und Spaltfragmente haben eine hohe kinetische Energie. Durch Kollisionen von Fragmenten mit anderen Atomen wird diese kinetische Energie schnell in Wärme umgewandelt.

Eine andere Möglichkeit, Kernenergie freizusetzen, ist die Kernfusion. Dabei werden zwei Kerne leichter Elemente zu einem schweren vereint. In der Natur finden solche Prozesse auf der Sonne und in anderen Sternen statt, da sie die Hauptenergiequelle dieser Sterne sind.

Viele Atomkerne sind instabil. Mit der Zeit verwandeln sich einige dieser Kerne spontan in andere Kerne und setzen dabei Energie frei. Dieses Phänomen wird radioaktiver Zerfall genannt.

Anwendungen der Kernenergie

Aufteilung

Derzeit ist die Kernenergie die größte aller Quellen praktischer Nutzen hat die Energie, die bei der Spaltung schwerer Kerne freigesetzt wird. Unter den Bedingungen knapper Energieressourcen gilt die Kernenergie auf Kernspaltungsreaktoren als die vielversprechendste in den kommenden Jahrzehnten. In Kernkraftwerken wird Kernenergie zur Wärmeerzeugung zur Strom- und Wärmeerzeugung genutzt. Kernkraftwerke haben das Problem von Schiffen mit unbegrenztem Navigationsbereich gelöst (

Universität für Management“
Abteilung für Innovationsmanagement
Disziplin: „Konzepte der modernen Naturwissenschaft“
Präsentation zum Thema: Nuklear
Energie: ihre Essenz und
Einsatz in Technik und
Technologien

Präsentationsplan

Einführung
Atomkraft.
Geschichte der Entdeckung der Kernenergie
Kernreaktor: Entstehungsgeschichte, Struktur,
Grundprinzipien, Klassifizierung von Reaktoren
Anwendungsbereiche der Kernenergie
Abschluss
Verwendete Quellen

Einführung

Energie ist der wichtigste Zweig der Volkswirtschaft,
umfasst Energieressourcen, Erzeugung, Transformation,
Weitergabe und Nutzung verschiedene Sorten Energie. Das ist die Grundlage
Staatswirtschaft.
In der Welt Es gibt einen Prozess Industrialisierung, die erfordert
zusätzlicher Materialverbrauch, was die Energiekosten erhöht.
Mit dem Bevölkerungswachstum steigt der Energieverbrauch für die Bodenbearbeitung,
Ernte, Düngemittelproduktion usw.
Derzeit sind viele natürliche Ressourcen leicht verfügbar
Planeten sind erschöpft. Die Gewinnung von Rohstoffen findet auf großem Fuß statt
tief oder vor der Küste. Begrenzte Weltbestände
Öl und Gas, so scheint es, stellten die Menschheit vor die Aussicht darauf
Energiekrise.
Die Nutzung der Kernenergie gibt der Menschheit jedoch Vorteile
die Möglichkeit, dies zu vermeiden, da die Ergebnisse von grundlegender Bedeutung sind
Die kernphysikalische Forschung kann die Bedrohung abwehren
Energiekrise durch Nutzung der freigesetzten Energie zu bekämpfen
bei einigen Reaktionen von Atomkernen

Atomkraft

Kernenergie (Atomenergie) ist die Energie,
in Atomkernen enthalten und freigesetzt werden
bei Kernreaktionen. Atomkraftwerke,
die diese Energie produzieren, produzieren 13–14 %
Weltstromproduktion. .

Geschichte der Entdeckung der Kernenergie

1895 V. K. Röntgen eröffnet ionisierende Strahlung(X-Träger)
1896 A. Becquerel entdeckt das Phänomen der Radioaktivität.
1898 M. Sklodowska und P. Curie entdecken radioaktive Elemente
Po (Polonium) und Ra (Radium).
1913 N. Bor entwickelt die Theorie der Struktur von Atomen und Molekülen.
1932 J. Chadwick entdeckt Neutronen.
1939 O. Hahn und F. Strassmann untersuchen die Spaltung von U-Kernen unter Einwirkung von
langsame Neutronen.
Dezember 1942 – Erster Selbstläufer
kontrollierte Kernspaltungskettenreaktion am SR-1-Reaktor (Gruppe
Physiker der University of Chicago, Leiter E. Fermi).
25. Dezember 1946 – Der erste sowjetische F-1-Reaktor wird in Betrieb genommen
kritischer Zustand (eine Gruppe von Physikern und Ingenieuren unter der Leitung von
I.V. Kurchatov)
1949 – Der erste Pu-Produktionsreaktor wird in Betrieb genommen
27. Juni 1954 – Das erste Atomkraftwerk der Welt
Kraftwerk mit einer elektrischen Leistung von 5 MW in Obninsk.
Bis Anfang der 1990er Jahre waren es mehr als 430 Atomkraftwerke
Leistungsreaktoren mit einer Gesamtkapazität von ca. 340 GW.

Die Geschichte der Entstehung eines Kernreaktors

Enrico Fermi (1901-1954)
Kurtschatow I.V. (1903-1960)
1942 in den USA, unter der Leitung von E. Fermi, der erste
Kernreaktor.
1946 startete den ersten sowjetischen Reaktor unter der Leitung von
Akademiker I.V. Kurtschatow.

Reaktorentwurf für Kernkraftwerke (vereinfacht)

Wesentliche Elemente:
Kern mit Kernbrennstoff und
Moderator;
Neutronenreflektor, Umgebung
aktive Zone;
Kühlmittel;
Kettenreaktionskontrollsystem,
inklusive Notfallschutz
Schutz vor Radioaktivität
Fernbedienungssystem
Das Hauptmerkmal des Reaktors ist
seine Ausgangsleistung.
Leistung in 1 MW - 3 1016 Divisionen
in 1 Sek.
Schematischer Aufbau eines Kernkraftwerks
Querschnitt eines heterogenen Reaktors

Der Aufbau eines Kernreaktors

Neutronenmultiplikationsfaktor

Charakterisiert die Wachstumsrate der Zahl
Neutronen und ist gleich dem Verhältnis der Anzahl
Neutronen in einer Generation
Kettenreaktion auf die Zahl, die sie hervorgebracht hat
Neutronen der vorherigen Generation.
k=Si/Si-1
k<1 – Реакция затухает
k=1 – Die Reaktion verläuft stationär
k=1,006 – Kontrollierbarkeitsgrenze
Reaktionen
k>1,01 - Explosion (für einen Reaktor auf
Freisetzung thermischer Neutronenenergie
wird 20.000 Mal pro Sekunde wachsen).
Eine typische Kettenreaktion für Uran;

10. Der Reaktor wird durch Stäbe gesteuert, die Cadmium oder Bor enthalten.

Folgende Rutentypen werden unterschieden (je nach Verwendungszweck):
Ausgleichsstangen – gleichen den anfänglichen Überschuss aus
Reaktivität, werden mit dem Ausbrennen des Kraftstoffs beschleunigt; bis zu 100
Dinge
Steuerstäbe – um kritisch zu bleiben
Zustand jederzeit, anhalten, starten
Reaktor; manche
Hinweis: Die folgenden Arten von Ruten werden unterschieden (nach Verwendungszweck).
Anwendungen):
Regulier- und Ausgleichsstangen optional
sind unterschiedliche Strukturelemente.
Anmeldung
Sturzstangen – fallen durch die Schwerkraft
zum zentralen Teil der aktiven Zone; manche. Vielleicht
zusätzlich abgeladen und Teil der Steuerstäbe.

11. Klassifizierung von Kernreaktoren nach dem Neutronenspektrum

Thermischer Neutronenreaktor („thermischer Reaktor“)
Wir brauchen einen schnellen Neutronenmoderator (Wasser, Graphit, Beryllium), um thermisch zu reagieren
Energien (Bruchteile von eV).
Geringe Neutronenverluste im Moderator und in den Strukturmaterialien =>
Als Brennstoff kann natürliches und schwach angereichertes Uran verwendet werden.
Leistungsstarke Leistungsreaktoren können Uran mit einem hohen Wirkungsgrad nutzen
Anreicherung - bis zu 10 %.
Es ist ein großer Reaktivitätsspielraum erforderlich.
Schneller Neutronenreaktor („schneller Reaktor“)
Als Moderator und Verlangsamer werden Urancarbid UC, PuO2 etc. eingesetzt
es gibt viel weniger Neutronen (0,1-0,4 MeV).
Als Brennstoff kann nur hochangereichertes Uran verwendet werden. Aber
Gleichzeitig ist die Kraftstoffeffizienz um das 1,5-fache höher.
Ein Neutronenreflektor (238U, 232Th) ist erforderlich. Sie kehren in die aktive Zone zurück
schnelle Neutronen mit Energien über 0,1 MeV. Von den Kernen 238U, 232Th, eingefangene Neutronen
für die Gewinnung der spaltbaren Kerne 239Pu und 233U aufgewendet.
Die Auswahl der Baustoffe ist nicht auf den Absorptionsquerschnitt beschränkt,
viel weniger Reaktivität.
Reaktor auf Zwischenneutronen
Schnelle Neutronen werden vor der Absorption auf eine Energie von 1-1000 eV abgebremst.
Hohe Beladung mit Kernbrennstoff im Vergleich zu thermischen Reaktoren
Neutronen.
Es ist unmöglich, eine erweiterte Reproduktion von Kernbrennstoffen durchzuführen, wie in
schneller Neutronenreaktor.

12. Entsprechend der Platzierung des Kraftstoffs

Homogene Reaktoren – Brennstoff und Moderator bilden eine homogene Einheit
Mischung
Kernbrennstoff befindet sich in Form im Reaktorkern
homogene Mischung: Lösungen von Uransalzen; Suspensionen von Uranoxiden in
leichtes und schweres Wasser; mit Uran imprägnierter fester Moderator;
geschmolzene Salze. Varianten homogener Reaktoren mit
gasförmiger Brennstoff (gasförmige Uranverbindungen) oder Suspension
Uranstaub im Gas.
Die im Kern erzeugte Wärme wird durch das Kühlmittel (Wasser,
Gas usw.), die sich durch Rohre durch den Kern bewegen; entweder eine Mischung
Kraftstoff mit Moderator dient selbst als Kühlmittel,
zirkuliert durch die Wärmetauscher.
Nicht weit verbreitet (starke Korrosion der Struktur).
Materialien in flüssigen Brennstoffen, die Komplexität der Konstruktion von Reaktoren
Feststoffgemische, stärkere Beladung mit schwach angereichertem Uran
Kraftstoff usw.)
Heterogene Reaktoren – der Brennstoff wird diskret im Kern platziert
in Form von Blöcken, zwischen denen sich ein Moderator befindet
Das Hauptmerkmal ist das Vorhandensein von Brennelementen
(TVELs). Brennstäbe können unterschiedliche Formen haben (Stäbe, Platten).
usw.), aber es gibt immer eine klare Grenze zwischen Kraftstoff,
Moderator, Kühlmittel usw.
Die überwiegende Mehrheit der heute im Einsatz befindlichen Reaktoren ist dies
heterogen, was auf ihre Designvorteile zurückzuführen ist
im Vergleich zu homogenen Reaktoren.

13. Aufgrund der Art der Nutzung

Name
Zweck
Leistung
Experimental-
Reaktoren
Das Studium verschiedener physikalischer Größen,
deren Werte notwendig sind für
Entwurf und Betrieb von Kernkraftwerken
Reaktoren.
~103W
Forschung
Reaktoren
Flüsse von Neutronen und γ-Quanten entstehen in
Kern, verwendet für
Forschung auf dem Gebiet der Kernphysik,
Festkörperphysik, Strahlenchemie,
Biologie, zum Testen von Materialien,
Entwickelt für intensives Arbeiten
Neutronenflüsse (einschließlich Teile der Kernenergie).
Reaktoren) zur Herstellung von Isotopen.
<107Вт
Herausragend
Ich mag Energie
die Regel ist es nicht
gebraucht
Isotopenreaktoren
Zur Herstellung von Isotopen, die verwendet werden
Atomwaffen wie 239Pu und in
Industrie.
~103W
Energie
Reaktoren
Für Elektrik und Thermik
Energie, die in der Energiewirtschaft verbraucht wird
Wasserentsalzung, um Strom anzutreiben
Schiffsanlagen usw.
Bis zu 3-5 109 W

14. Zusammenbau eines heterogenen Reaktors

In einem heterogenen Reaktor wird der Kernbrennstoff im aktiven Reaktor verteilt
Zone diskret in Form von Blöcken, zwischen denen es gibt
Neutronenmoderator

15. Schwerwasser-Kernreaktor

Vorteile
Kleinerer Absorptionsquerschnitt
Neutronen => Verbessert
Neutronenbilanz =>
Benutzen als
natürlicher Uranbrennstoff
Fähigkeit zu erstellen
Industrieschweres Wasser
Reaktoren für die Produktion
Tritium und Plutonium und
ein breites Isotopenspektrum
Produkte, darunter
medizinischer Zweck.
Mängel
Die hohen Kosten für Deuterium

16. Natürlicher Kernreaktor

In der Natur, unter Bedingungen wie
künstlicher Reaktor,
Zonen der Natur
Kernreaktor.
Das einzig bekannte Naturprodukt
Kernreaktor gab es 2 Milliarden
vor Jahren in der Region Oklo (Gabun).
Herkunft: Eine sehr reiche Uranerzader, aus der Wasser gewonnen wird
Oberfläche, die die Rolle eines Neutronenmoderators spielt. Willkürlich
Der Zerfall löst eine Kettenreaktion aus. Durch seinen aktiven Verlauf verdampft das Wasser,
die Reaktion schwächt sich ab – Selbstregulierung.
Die Reaktion dauerte etwa 100.000 Jahre. Dies ist derzeit aufgrund von nicht möglich
Durch natürlichen Zerfall abgereichertes Uran.
Zur Untersuchung der Migration werden Feldstudien durchgeführt
Isotope – wichtig für die Entwicklung unterirdischer Entsorgungstechniken
radioaktiver Müll.

17. Einsatzgebiete der Kernenergie

Kernkraftwerk
Schema des Betriebs eines Kernkraftwerks im Zweikreis
Druckwasserreaktor (WWER)

18.

Neben Kernkraftwerken werden Kernreaktoren eingesetzt:
auf nuklearen Eisbrechern
auf Atom-U-Booten;
während des Einsatzes von Atomraketen
Motoren (insbesondere für AMS).

19. Atomkraft im Weltraum

Weltraumsonde
Cassini, erstellt von
NASA- und ESA-Projekt,
gestartet am 15.10.1997 für
eine Reihe von Studien
Objekte der Sonne
Systeme.
Energieerzeugung
zu dritt durchgeführt
Radioisotop
thermoelektrisch
Generatoren: Cassini
trägt 30 kg 238Pu an Bord,
die auseinanderfallen,
gibt Wärme ab
konvertiert zu
Elektrizität

20. Raumschiff „Prometheus 1“

Die NASA entwickelt einen Kernreaktor.
in der Lage, unter Bedingungen zu arbeiten
Schwerelosigkeit.
Ziel ist die Bereitstellung von Raum
Schiff „Prometheus 1“ laut Projekt
Suche nach Leben auf den Monden des Jupiter.

21. Bombe. Das Prinzip der unkontrollierten Kernreaktion.

Das einzige physische Bedürfnis besteht darin, einen kritischen Punkt zu erreichen
Massen für k>1,01. Die Entwicklung von Steuerungssystemen ist nicht erforderlich -
billiger als Atomkraft.
Die Waffenmethode
Zwei unterkritische Uranbarren überschreiten zusammengenommen den Wert
kritisch. Der Grad der 235U-Anreicherung beträgt mindestens 80 %.
Diese Art von Babybombe wurde am 08.06.45 um 8:15 Uhr auf Hiroshima abgeworfen
(78-240.000 Tote, 140.000 starben innerhalb von 6 Monaten)

22. Explosive Crimpmethode

Eine Bombe auf Plutoniumbasis, die mit Hilfe eines Komplexes
System zur gleichzeitigen Detonation eines konventionellen Sprengstoffs wird komprimiert
überkritische Größe.
Eine Bombe dieses Typs „Fat Man“ wurde auf Nagasaki abgeworfen
09/08/45 11:02
(75.000 Tote und Verwundete).

23. Fazit

Das Energieproblem ist eines der wichtigsten Probleme überhaupt
Heute liegt es an der Menschheit, darüber zu entscheiden. Schon vertraut geworden
Fortschritte in Wissenschaft und Technologie als Mittel zur sofortigen Kommunikation, schnell
Transport, Weltraumforschung. Aber das alles erfordert
enorme Energiekosten.
Der starke Anstieg der Energieproduktion und des Energieverbrauchs hat ein Neues hervorgebracht
akutes Problem der Umweltverschmutzung, das ist
ernsthafte Gefahr für die Menschheit.
Weltenergiebedarf in den kommenden Jahrzehnten
wird schnell zunehmen. Keine einzelne Energiequelle
kann sie bereitstellen, daher ist es notwendig, alle Quellen zu erschließen
Energie und effiziente Nutzung von Energieressourcen.
In der nächsten Phase der Energieentwicklung (in den ersten Jahrzehnten des 21. Jahrhunderts)
Kohlekraft und Atomkraft werden weiterhin die vielversprechendsten sein
Energietechnik mit thermischen und schnellen Neutronenreaktoren. Sie können es jedoch tun
hoffe, dass die Menschheit auf dem Weg des Fortschritts nicht stehen bleibt,
mit einem immer höheren Energieverbrauch verbunden.

Ein Atom besteht aus einem Kern, der von sogenannten Teilchenwolken umgeben ist Elektronen(siehe Abb.). Die Atomkerne – die kleinsten Teilchen, aus denen alle Stoffe bestehen – enthalten eine erhebliche Reserve. Diese Energie wird beim Zerfall radioaktiver Elemente in Form von Strahlung freigesetzt. Strahlung ist lebensbedrohlich, aber Kernreaktionen können zur Produktion genutzt werden. Strahlung wird auch in der Medizin eingesetzt.

Radioaktivität

Radioaktivität ist die Eigenschaft der Kerne instabiler Atome, Energie abzustrahlen. Die meisten schweren Atome sind instabil und leichtere Atome haben Radioisotope, d. h. radioaktive Isotope. Der Grund für Radioaktivität liegt darin, dass Atome dazu neigen, stabil zu werden (siehe Artikel „“). Es gibt drei Arten radioaktiver Strahlung: Alphastrahlen, Betastrahlen Und gamma Strahlen. Sie sind nach den ersten drei Buchstaben des griechischen Alphabets benannt. Der Kern sendet zunächst Alpha- oder Betastrahlen aus, und wenn er noch instabil ist, sendet der Kern auch Gammastrahlen aus. Auf dem Bild sehen Sie drei Atomkerne. Sie sind instabil und jeder von ihnen sendet eine von drei Arten von Strahlen aus. Betateilchen sind Elektronen mit sehr hoher Energie. Sie entstehen durch den Zerfall eines Neutrons. Alphateilchen bestehen aus zwei Protonen und zwei Neutronen. Der Kern des Heliumatoms hat genau die gleiche Zusammensetzung. Gammastrahlen sind elektromagnetische Strahlung hohe Energie, die sich mit Lichtgeschwindigkeit ausbreitet.

Alphateilchen bewegen sich langsam und werden von einer Materieschicht, die dicker als ein Blatt Papier ist, gefangen. Sie unterscheiden sich nicht von den Kernen von Heliumatomen. Wissenschaftler glauben, dass Helium auf der Erde ein Produkt natürlicher Radioaktivität ist. Ein Alphateilchen fliegt weniger als 10 cm weit und ein Blatt dickes Papier kann es aufhalten. Ein Betateilchen fliegt etwa 1 Meter durch die Luft. Ein 1 mm dickes Kupferblech kann es halten. Die Intensität der Gammastrahlung sinkt um die Hälfte, wenn sie eine Bleischicht von 13 Millimetern oder eine Schicht von 120 Metern durchdringt.

Radioaktive Stoffe werden in dickwandigen Bleibehältern transportiert, um ein Austreten von Strahlung zu verhindern. Strahlenbelastung führt beim Menschen zu Verbrennungen, grauem Star und Krebs. Der Strahlungspegel wird mit gemessen Geigerzähler. Dieses Gerät gibt Klickgeräusche ab, wenn radioaktive Strahlung erkannt wird. Durch die Emission von Teilchen erhält der Kern eine neue Ordnungszahl und verwandelt sich in den Kern eines anderen Elements. Dieser Vorgang wird aufgerufen radioaktiver Zerfall. Ist das neue Element zudem instabil, setzt sich der Zerfallsprozess fort, bis ein stabiler Kern entsteht. Wenn beispielsweise ein Plutonium-2-Atom (seine Masse beträgt 242) ein Alphateilchen mit einer relativen Atommasse von 4 (2 Protonen und 2 Neutronen) emittiert, verwandelt es sich in ein Uranatom - 238 (Atommasse 238). Halbwertszeit ist die Zeit, die benötigt wird, bis die Hälfte aller Atome in einer Probe einer bestimmten Substanz zerfällt. Verschiedene haben unterschiedliche Halbwertszeiten. Die Halbwertszeit von Radium-221 beträgt 30 Sekunden, die von Uran 4,5 Milliarden Jahre.

Kernreaktionen

Es gibt zwei Arten von Kernreaktionen: Kernfusion Und Spaltung (Spaltung) des Kerns. „Synthese“ bedeutet „Verbindung“; Bei der Kernfusion werden zwei Kerne vereint und einer groß. Kernfusion kann nur bei sehr hohen Temperaturen stattfinden. Bei der Fusion wird eine große Menge Energie freigesetzt. Bei der Kernfusion werden zwei Kerne zu einem großen vereint. Im Jahr 1992 entdeckte der KOBE-Satellit eine besondere Art von Strahlung im Weltraum, was die Theorie bestätigt, dass sie durch die sogenannte entstanden ist Urknall. Aus dem Begriff „Spaltung“ geht klar hervor, dass sich die Kerne spalten und dabei Kernenergie freisetzen. Dies ist beim Beschuss von Kernen mit Neutronen möglich und geschieht in radioaktiven Stoffen oder in einem speziellen Gerät namens Partikelbeschleuniger. Der Kern teilt sich, emittiert Neutronen und setzt enorme Energie frei.

Atomkraft

Die durch Kernreaktionen freigesetzte Energie kann zur Stromerzeugung und als Energiequelle für Atom-U-Boote und Flugzeugträger genutzt werden. Der Betrieb eines Kernkraftwerks basiert auf der Kernspaltung in Kernreaktoren. Ein Stab aus einer radioaktiven Substanz, beispielsweise Uran, wird mit Neutronen beschossen. Urankerne spalten sich und strahlen Energie ab. Dadurch werden neue Neutronen freigesetzt. Ein solcher Vorgang wird aufgerufen Kettenreaktion. Aus einer Einheitsmasse Brennstoff erzeugen Kraftwerke mehr Energie als jedes andere Kraftwerk, aber Sicherheitsmaßnahmen und die Entsorgung radioaktiver Abfälle sind extrem teuer.

Nuklearwaffe

Der Einsatz von Atomwaffen basiert auf der Tatsache, dass die unkontrollierte Freisetzung einer großen Menge Kernenergie zu einer schrecklichen Explosion führt. Am Ende des Zweiten Weltkriegs warfen die USA Atombomben auf die japanischen Städte Hiroshima und Nagasaki. Hunderttausende Menschen starben. Atombomben basieren auf Spaltungsreaktionen, Wasserstoff - an Synthesereaktionen. Das Bild zeigt die auf Hiroshima abgeworfene Atombombe.

Radiokarbon-Methode

Mit der Radiokarbonmethode wird die seit dem Tod eines Organismus verstrichene Zeit bestimmt. Lebewesen enthalten geringe Mengen Kohlenstoff-14, ein radioaktives Kohlenstoffisotop. Seine Halbwertszeit beträgt 5700 Jahre. Wenn ein Organismus stirbt, werden die Gewebespeicher von Kohlenstoff-14 aufgebraucht, das Isotop zerfällt und die verbleibende Menge kann verwendet werden, um zu bestimmen, wie lange der Tod des Organismus zurückliegt. Dank der Radiokarbonmethode können Sie herausfinden, wie lange der Ausbruch zurückliegt. Verwenden Sie dazu in Lava und Pollen eingefrorene Insekten.

Wie wird Radioaktivität sonst noch genutzt?

In der Industrie wird mittels Strahlung die Dicke eines Blattes Papier oder Kunststoff bestimmt (siehe Artikel „“). Anhand der Intensität der Betastrahlen, die das Blech durchdringen, lässt sich sogar eine leichte Inhomogenität seiner Dicke erkennen. Lebensmittel – Früchte, Fleisch – werden mit Gammastrahlen bestrahlt, um sie frisch zu halten. Mithilfe von Radioaktivität verfolgen Ärzte den Weg eines Stoffes im Körper. Um beispielsweise festzustellen, wie sich Zucker im Körper eines Patienten verteilt, kann ein Arzt etwas Kohlenstoff-14 in die Zuckermoleküle injizieren und die Freisetzung dieser Substanz beim Eintritt in den Körper überwachen. Die Strahlentherapie, also die Bestrahlung des Patienten mit streng dosierten Strahlenanteilen, tötet Krebszellen – überwucherte Körperzellen – ab.

1. Einleitung

2.Radioaktivität

3. Kernreaktoren

4. Technische Aspekte eines thermonuklearen Reaktors

5. Kernreaktion. Atomkraft.

6.Gammastrahlen

7.Kernreaktor

8.Grundsätze zum Aufbau der Kernenergie

9. Kernfusion morgen

10. Fazit

11. Literaturliste

EINFÜHRUNG: Was studiert die Physik?

Physik ist die Naturwissenschaft, die die einfachsten und zugleich allgemeinsten Naturgesetze, den Aufbau und die Bewegungsgesetze der Materie untersucht. Physik gehört dazu exakte Wissenschaften. Ihre Konzepte und Gesetze bilden die Grundlage der Naturwissenschaft. Die Grenzen zwischen Physik und anderen Naturwissenschaften sind historisch willkürlich. Es ist allgemein anerkannt, dass die Physik im Kern eine experimentelle Wissenschaft ist, da die von ihr entdeckten Gesetze auf empirisch ermittelten Daten basieren. Physikalische Gesetze werden in Form quantitativer Verhältnisse dargestellt, ausgedrückt in der Sprache der Mathematik. Im Allgemeinen wird die Physik in experimentelle Physik unterteilt, die sich mit der Durchführung von Experimenten befasst, um neue Fakten zu ermitteln und Hypothesen und bekannte physikalische Gesetze zu testen, und in theoretische, die sich auf die Formulierung physikalischer Gesetze und deren Erklärung auf der Grundlage dieser Gesetze konzentriert. Naturphänomen und Vorhersage neuer Phänomene.

Die Struktur der Physik ist komplex. Es umfasst verschiedene Disziplinen bzw. Abschnitte. Je nach Untersuchungsgegenstand werden Elementarteilchenphysik, Kernphysik, Physik der Atome und Moleküle, Physik der Gase und Flüssigkeiten, Plasmaphysik und Festkörperphysik unterschieden. Abhängig von den untersuchten Prozessen oder Bewegungsformen der Materie, der Mechanik materieller Punkte und Feststoffe, Kontinuumsmechanik (einschließlich Akustik), Thermodynamik und statistische Mechanik, Elektrodynamik (einschließlich Optik), Schwerkrafttheorie, Quantenmechanik und Quantenfeldtheorie. Je nach Verbraucherorientierung des erworbenen Wissens wird zwischen grundlegender und angewandter Physik unterschieden. Es ist auch üblich, die Schwingungs- und Wellenlehre hervorzuheben, die mechanische, akustische, elektrische und optische Schwingungen und Wellen aus einem einzigen Blickwinkel betrachtet. Die Physik basiert auf grundlegenden physikalischen Prinzipien und Theorien, die alle Bereiche der Physik abdecken und das Wesen physikalischer Phänomene und Prozesse der Realität am besten widerspiegeln.

Aus den frühen Zivilisationen, die an den Ufern des Tigris, des Euphrat und des Nils entstanden (Babylon, Assyrien, Ägypten), gibt es keine Hinweise auf Errungenschaften auf dem Gebiet des physikalischen Wissens, mit Ausnahme derjenigen, die in architektonischen, häuslichen Strukturen usw. verkörpert sind. Wissensprodukte. Bei der Errichtung verschiedener Arten von Bauwerken und der Herstellung von Haushaltsgegenständen, Waffen usw. nutzten die Menschen bestimmte Ergebnisse zahlreicher physikalischer Beobachtungen, technischer Experimente und deren Verallgemeinerungen. Man kann sagen, dass bestimmte empirische physikalische Kenntnisse existierten, aber es gab kein System physikalischer Kenntnisse.

Auch physische Darstellungen im alten China entstanden auf der Grundlage verschiedener technischer Aktivitäten, bei denen verschiedene technologische Rezepte entwickelt wurden. Natürlich wurden zunächst mechanische Darstellungen entwickelt. Die Chinesen hatten also Vorstellungen über Kraft (was bewegt Sie), Gegenwirkung (was die Bewegung stoppt), Hebel, Block, Vergleich von Gewichten (Vergleich mit dem Standard). Auf dem Gebiet der Optik hatten die Chinesen eine Idee zur Entstehung eines inversen Bildes in einer „Camera obscura“. Bereits im sechsten Jahrhundert v. Chr. Sie kannten die Phänomene des Magnetismus – die Anziehung von Eisen durch einen Magneten, auf deren Grundlage der Kompass entstand. Auf dem Gebiet der Akustik kannten sie die Gesetze der Harmonie, die Phänomene der Resonanz. Aber das waren immer noch empirische Ideen, für die es keine theoretische Erklärung gab.

Grundlage naturphilosophischer Vorstellungen ist im alten Indien die Lehre von den fünf Elementen – Erde, Wasser, Feuer, Luft und Äther. Es gab auch Vermutungen über den atomaren Aufbau der Materie. Es wurden originelle Ideen über Eigenschaften von Materie wie Schwere, Fließfähigkeit, Viskosität, Elastizität usw., über Bewegung und die Ursachen, die sie verursachen, entwickelt. Bis zum VI Jahrhundert. Chr. empirische physikalische Konzepte zeigen in einigen Bereichen eine Tendenz zum Übergang in ursprüngliche theoretische Konstruktionen (in der Optik, Akustik).

Das Phänomen der Radioaktivität oder des spontanen Zerfalls von Kernen wurde 1896 vom französischen Physiker A. Becquerel entdeckt. Er entdeckte, dass Uran und seine Verbindungen Strahlen oder Partikel aussenden, die undurchsichtige Körper durchdringen und eine fotografische Platte beleuchten können. Becquerel fand heraus, dass die Strahlungsintensität nur proportional zur Urankonzentration ist und nicht von äußeren Bedingungen (Temperatur, Druck) und davon abhängt, ob Uran in chemischen Verbindungen enthalten ist.

Die englischen Physiker E. Rutherford und F. Soddy haben bewiesen, dass es bei allen radioaktiven Prozessen zu gegenseitigen Umwandlungen von Atomkernen kommt chemische Elemente. Die Untersuchung der Eigenschaften der Strahlung, die diese Prozesse im magnetischen und magnetischen Raum begleitet elektrische Felder, zeigte, dass es in a-Teilchen (Heliumkerne), b-Teilchen (Elektronen) und g-Strahlen (elektromagnetische Strahlung mit sehr kurzer Wellenlänge) unterteilt ist.

Ein Atomkern, der g-Quanten, a-, b- oder andere Teilchen aussendet, nennt man radioaktiver Kern. In der Natur gibt es 272 stabile Atomkerne. Alle anderen Kerne sind radioaktiv und werden aufgerufen Radioisotope.

Die Bindungsenergie des Kerns charakterisiert seinen Widerstand gegen den Zerfall in seine Bestandteile. Wenn die Bindungsenergie des Kerns geringer ist als die Bindungsenergie seiner Zerfallsprodukte, bedeutet dies, dass der Kern spontan (spontan) zerfallen kann. Beim Alpha-Zerfall transportieren Alpha-Teilchen fast die gesamte Energie und nur 2 % davon fallen auf den Sekundärkern. Im Alpha-Zerfall Massenzahländert sich um 4 Einheiten und die Ordnungszahl um zwei Einheiten.

Die Anfangsenergie eines Alphateilchens beträgt 4-10 MeV. Da Alphateilchen eine große Masse und Ladung haben, ist ihre mittlere freie Weglänge in der Luft kurz. So beträgt beispielsweise die mittlere freie Weglänge der von einem Urankern emittierten Alphateilchen in der Luft 2,7 cm und die der von Radium emittierten Teilchen 3,3 cm.

Hierbei handelt es sich um den Prozess der Umwandlung eines Atomkerns in einen anderen Kern unter Änderung der Seriennummer, ohne dass sich die Massenzahl ändert. Es gibt drei Arten von b-Zerfall: elektronischer Zerfall, Positronenzerfall und Einfang eines Orbitalelektrons durch einen Atomkern. auch die Art des letzten Zerfalls wird üblicherweise genannt ZU- Einfangen, da in diesem Fall die Absorption eines Elektrons vom nächstgelegenen Kern erfolgt ZU Muscheln. Absorption von Elektronen aus L Und M Muscheln sind ebenfalls möglich, aber weniger wahrscheinlich. Die Halbwertszeit b-aktiver Kerne variiert in einem sehr weiten Bereich.

Die Zahl der derzeit bekannten betaaktiven Kerne beträgt etwa eineinhalbtausend, aber nur 20 davon sind natürliche betaradioaktive Isotope. Der Rest wird künstlich gewonnen.

Die kontinuierliche kinetische Energieverteilung der beim Zerfall emittierten Elektronen erklärt sich dadurch, dass neben dem Elektron auch ein Antineutrino emittiert wird. Gäbe es keine Antineutrinos, hätten die Elektronen einen genau definierten Impuls, der dem Impuls des Restkerns entspricht. Bei einem Wert der kinetischen Energie, der der Energie des Betazerfalls entspricht, wird ein scharfer Bruch im Spektrum beobachtet. In diesem Fall sind die kinetischen Energien des Kerns und der Antineutrinos gleich Null und das Elektron trägt die gesamte bei der Reaktion freigesetzte Energie ab.

Während des elektronischen Zerfalls hat der verbleibende Kern eine um eins höhere Seriennummer als der ursprüngliche Kern, während die Massenzahl erhalten bleibt. Das bedeutet, dass im Restkern die Zahl der Protonen um eins zugenommen hat, während die Zahl der Neutronen im Gegenteil geringer geworden ist: N=A-(Z+1).

Beim Positronenzerfall bleibt die Gesamtzahl der Nukleonen erhalten, aber im endgültigen Kern gibt es ein Neutron mehr als im ursprünglichen. Somit kann der Positronenzerfall als eine Reaktion der Umwandlung eines Protons in ein Neutron im Inneren des Kerns mit der Emission eines Positrons und eines Neutrinos interpretiert werden.

ZU elektronische Erfassung bezieht sich auf den Prozess der Absorption eines seiner Orbitalelektronen durch ein Atom. Da das Einfangen eines Elektrons aus einer dem Kern am nächsten gelegenen Umlaufbahn am wahrscheinlichsten ist, ist die Absorption von Elektronen am wahrscheinlichsten ZU- Muscheln. Daher wird dieser Vorgang auch aufgerufen ZU- ergreifen.

Es ist viel weniger wahrscheinlich, dass Elektronen eingefangen werden L-,M-Muscheln. Nach dem Einfangen eines Elektrons von ZU-Schale kommt es zu einer Reihe von Übergängen von Elektronen von Umlaufbahn zu Umlaufbahn, ein neuer Atomzustand wird gebildet, ein Röntgenquant wird emittiert.

Stabile Kerne befinden sich im niedrigsten Energiezustand. Dieser Zustand wird Hauptstaat genannt. Durch die Bestrahlung von Atomkernen mit verschiedenen Teilchen oder hochenergetischen Protonen kann jedoch eine bestimmte Energie auf sie übertragen werden und sie infolgedessen in Zustände höherer Energie überführt werden. Beim Übergang vom angeregten Zustand in den Grundzustand kann der Atomkern nach einiger Zeit entweder ein Teilchen aussenden, wenn die Anregungsenergie hoch genug ist, oder hochenergetische elektromagnetische Strahlung – ein Gammaquant.

Da sich der angeregte Kern in diskreten Energiezuständen befindet, ist Gammastrahlung auch durch ein Linienspektrum gekennzeichnet.

Bei der Spaltung schwerer Kerne entstehen mehrere freie Neutronen. Dies ermöglicht die Organisation der sogenannten Spaltkettenreaktion, bei der Neutronen, die sich in einem Medium ausbreiten, das schwere Elemente enthält, ihre Spaltung unter Emission neuer freier Neutronen bewirken können. Wenn die Umgebung so ist, dass die Zahl neu geborener Neutronen zunimmt, dann wächst der Spaltungsprozess wie eine Lawine. Wenn die Zahl der Neutronen bei nachfolgenden Spaltungen abnimmt, zerfällt die nukleare Kettenreaktion.

Um eine stationäre Kernkettenreaktion zu erhalten, müssen natürlich solche Bedingungen geschaffen werden, dass jeder Kern, der ein Neutron absorbiert hat, während der Spaltung im Durchschnitt ein Neutron freisetzt, das zur Spaltung des zweiten schweren Kerns führt.

Ein Kernreaktor ist ein Gerät, in dem eine kontrollierte Kettenreaktion der Spaltung einiger schwerer Kerne durchgeführt und aufrechterhalten wird.

Eine nukleare Kettenreaktion in einem Reaktor kann nur mit einer bestimmten Anzahl spaltbarer Kerne durchgeführt werden, die bei jeder Neutronenenergie spalten können. Unter den spaltbaren Stoffen ist das Isotop 235 U das wichtigste, dessen Anteil am natürlichen Uran nur 0,714 % beträgt.

Obwohl 238 U durch Neutronen geteilt wird, deren Energie 1,2 MeV übersteigt, ist eine selbsterhaltende Kettenreaktion an schnellen Neutronen in natürlichem Uran aufgrund der hohen Wahrscheinlichkeit einer inelastischen Wechselwirkung von 238 U-Kernen mit schnellen Neutronen nicht möglich. In diesem Fall wird die Neutronenenergie niedriger als die Schwellenspaltungsenergie von 238 U-Kernen.

Der Einsatz eines Moderators führt zu einer Abnahme der Resonanzabsorption in 238 U, da ein Neutron durch eine Kollision mit Moderatorkernen den Bereich der Resonanzenergien passieren und von 235 U-, 239 Pu-, 233 U-Kernen absorbiert werden kann, deren Spaltungsquerschnitt mit abnehmender Neutronenenergie deutlich zunimmt. Als Moderatoren werden Materialien mit geringer Massenzahl und kleinem Absorptionsquerschnitt (Wasser, Graphit, Beryllium etc.) verwendet.

Um eine Spaltkettenreaktion zu charakterisieren, wird eine Größe verwendet, die als Multiplikationsfaktor K bezeichnet wird. Dies ist das Verhältnis der Anzahl der Neutronen einer bestimmten Generation zur Anzahl der Neutronen der vorherigen Generation. Für eine stationäre Spaltkettenreaktion ist K=1. Ein Zuchtsystem (Reaktor), in dem K=1 ist, wird als kritisch bezeichnet. Wenn K > 1, erhöht sich die Anzahl der Neutronen im System, und in diesem Fall spricht man von überkritisch. Bei K< 1 происходит уменьшение числа нейтронов, и система называется под критической. В стационарном состоянии реактора число вновь образующихся нейтронов равно числу нейтронов, покидающих реактор (нейтроны утечки) и поглощающихся в его пределах. В критическом реакторе присутствуют нейтроны всех энергий. Они образуют так называемый энергетический спектр нейтронов, который характеризует число нейтронов различных энергий в единице объема в любой точке реактора. Средняя энергия спектра нейтронов определяется долей замедлителя, делящихся ядер (ядра горючего) и других материалов, которые входят в состав активной зоны реактора. Если Großer Teil Kommt es zu einer Spaltung, wenn thermische Neutronen absorbiert werden, wird ein solcher Reaktor als thermischer Neutronenreaktor bezeichnet. Die Neutronenenergie in einem solchen System überschreitet nicht 0,2 eV. Wenn die meisten Spaltungen in einem Reaktor durch die Absorption schneller Neutronen erfolgen, wird ein solcher Reaktor als schneller Neutronenreaktor bezeichnet.

Im Kern eines thermischen Neutronenreaktors befindet sich neben Kernbrennstoff eine erhebliche Masse eines Moderators, einer Substanz, die sich durch einen großen Streuquerschnitt und einen kleinen Absorptionsquerschnitt auszeichnet.

Der Reaktorkern ist, mit Ausnahme von Spezialreaktoren, fast immer von einem Reflektor umgeben, der durch Mehrfachstreuung einen Teil der Neuronen in den Kern zurückführt.

In Reaktoren, die auf schnellen Neuronen basieren, ist die aktive Zone von Reproduktionszonen umgeben. Sie reichern spaltbare Isotope an. Darüber hinaus übernehmen Reproduktionszonen auch die Funktion eines Reflektors.

In einem Kernreaktor kommt es zu einer Ansammlung von Spaltprodukten, die als Schlacken bezeichnet werden. Das Vorhandensein von Schlacke führt zu zusätzlichen Verlusten an freien Neutronen.

Kernreaktoren werden je nach der gegenseitigen Anordnung von Brennstoff und Moderator in homogene und heterogene Reaktoren unterteilt. In einem homogenen Reaktor ist der Kern eine homogene Masse aus Brennstoff, Moderator und Kühlmittel in Form einer Lösung, Mischung oder Schmelze. Als heterogener Reaktor wird ein Reaktor bezeichnet, bei dem Brennstoff in Form von Blöcken oder Brennelementen in den Moderator eingebracht wird und darin ein regelmäßiges geometrisches Gitter bildet.

Beim Betrieb des Reaktors wird in wärmeabführenden Elementen (Brennelementen) sowie in allen seinen Strukturelementen Wärme in unterschiedlichen Mengen freigesetzt. Dies liegt vor allem an der Hemmung von Spaltfragmenten, ihrer Beta- und Gammastrahlung sowie an Kernen, die mit Neuronen interagieren, und schließlich an der Verlangsamung schneller Neuronen. Fragmente bei der Spaltung des Brennstoffkerns werden nach Geschwindigkeiten klassifiziert, die Temperaturen von Hunderten von Milliarden Grad entsprechen.

Tatsächlich ist E= mu 2 = 3RT, wobei E die kinetische Energie der Fragmente, MeV, ist; R \u003d 1,38 · 10 -23 J / K - Boltzmanns Konstante. Wenn man bedenkt, dass 1 MeV = 1,6 · 10 -13 J, erhalten wir 1,6 · 10 -6 E = 2,07 · 10 -16 T, T = 7,7 · 10 9 E. Die wahrscheinlichsten Energiewerte für Spaltfragmente sind 97 MeV für ein leichtes Fragment und 65 MeV für ein schweres Fragment. Dann beträgt die entsprechende Temperatur für ein leichtes Fragment 7,5 · 10 11 K, für ein schweres Fragment - 5 · 10 11 K. Obwohl die in einem Kernreaktor erreichbare Temperatur theoretisch nahezu unbegrenzt ist, werden die Einschränkungen in der Praxis durch die maximal zulässige Temperatur von Strukturmaterialien und Brennelementen bestimmt.

Ein Kernreaktor zeichnet sich dadurch aus, dass 94 % der Spaltungsenergie sofort in Wärme umgewandelt werden, d. h. während der Zeit, in der die Leistung des Reaktors oder die Dichte der darin enthaltenen Materialien keine Zeit hat, sich merklich zu ändern. Wenn sich die Reaktorleistung ändert, folgt die Wärmefreisetzung daher ohne Verzögerung dem Brennstoffspaltungsprozess. Wenn der Reaktor jedoch abgeschaltet wird und die Spaltungsrate um mehr als das Zehnfache abnimmt, verbleiben darin Quellen verzögerter Wärmefreisetzung (Gamma- und Betastrahlung von Spaltprodukten), die vorherrschend werden.

Die Leistung eines Kernreaktors ist proportional zur Flussdichte der Neuronen darin, sodass theoretisch jede Leistung erreichbar ist. In der Praxis wird die Grenzleistung durch die Geschwindigkeit der Abfuhr der im Reaktor freigesetzten Wärme bestimmt. Die spezifische Wärmeabfuhr in modernen Leistungsreaktoren beträgt 10 2 – 10 3 MW/m 3, im Wirbel – 10 4 – 10 5 MW/m 3.

Durch das zirkulierende Kühlmittel wird dem Reaktor Wärme entzogen. charakteristisches Merkmal Im Reaktor handelt es sich um Restwärme nach Beendigung der Spaltungsreaktion, die nach der Abschaltung des Reaktors noch lange Zeit eine Wärmeabfuhr erfordert. Obwohl die Restwärmeleistung deutlich unter der Nennleistung liegt, muss die Zirkulation des Kühlmittels durch den Reaktor sehr zuverlässig gewährleistet sein, da die Zerfallswärme nicht kontrolliert werden kann. Um eine Überhitzung und Beschädigung der Brennelemente zu vermeiden, ist die Entnahme des Kühlmittels aus einem schon länger in Betrieb befindlichen Reaktor strengstens untersagt.

Ein Kernreaktor ist eine Vorrichtung, in der eine kontrollierte Kettenreaktion der Kernspaltung schwerer Elemente durchgeführt wird und die dabei freigesetzte Wärmeenergie durch das Kühlmittel abgeführt wird. Das Hauptelement eines Kernreaktors ist der Kern. Es beherbergt Kernbrennstoff und führt eine Spaltungskettenreaktion durch. Die aktive Zone ist eine Reihe von Brennelementen, die Kernbrennstoff enthalten und auf eine bestimmte Weise angeordnet sind. Thermische Neutronenreaktoren verwenden einen Moderator. Ein Kühlmittel strömt durch den Kern und kühlt die Brennelemente. Bei einigen Reaktortypen übernimmt ein und derselbe Stoff die Rolle von Moderator und Kühlmittel, beispielsweise gewöhnliches oder schweres Wasser. Für

Um den Betrieb des Reaktors zu steuern, werden Steuerstäbe aus Materialien mit großem Neutronenabsorptionsquerschnitt in den Kern eingeführt. Der Kern von Leistungsreaktoren ist von einem Neutronenreflektor umgeben – einer Schicht aus Moderatormaterial, um das Austreten von Neutronen aus dem Kern zu reduzieren. Darüber hinaus werden dank des Reflektors die Neutronendichte und die Energiefreisetzung über das Kernvolumen ausgeglichen, was es ermöglicht, bei gegebenen Zonengrößen eine höhere Leistung zu erzielen, eine gleichmäßigere Brennstoffverbrennung zu erreichen, die Lebensdauer des Reaktors ohne Brennstoffnachfüllung zu verlängern und das Wärmeabfuhrsystem zu vereinfachen. Der Reflektor wird durch die Energie der verlangsamten und absorbierten Neutronen und Gammaquanten erhitzt und somit für seine Kühlung gesorgt. Der Kern, der Reflektor und andere Elemente sind in einem hermetisch abgeschlossenen Gehäuse oder Gehäuse untergebracht, das normalerweise von einer biologischen Abschirmung umgeben ist.

Der Reaktorkern muss so konstruiert sein, dass die Möglichkeit einer unvorhergesehenen Bewegung seiner Komponenten und damit einer Erhöhung der Reaktivität ausgeschlossen ist. Der wichtigste strukturelle Teil eines heterogenen Kerns ist ein Brennelement, das maßgeblich seine Zuverlässigkeit, Abmessungen und Kosten bestimmt. In Leistungsreaktoren werden in der Regel Brennstäbe mit Brennstoff in Form von komprimierten Urandioxidpellets verwendet, die in einer Hülle aus Stahl oder einer Zirkoniumlegierung eingeschlossen sind. Der Einfachheit halber werden Brennelemente zu Brennelementen (FA) zusammengebaut, die im Kern eines Kernreaktors installiert werden.

In den Brennstäben wird der Hauptanteil der Wärmeenergie erzeugt und auf das Kühlmittel übertragen. Mehr als 90 % der bei der Spaltung schwerer Kerne freigesetzten Energie werden im Inneren der Brennelemente freigesetzt und durch das die Brennelemente umströmende Kühlmittel abtransportiert. Brennelemente arbeiten unter sehr strengen thermischen Bedingungen: Die maximale Wärmeflussdichte vom Brennelement zum Kühlmittel erreicht (1 – 2) 10 6 W/m 2, während sie in modernen Dampfkesseln (2 – 3) 10 5 W/m 2 beträgt. Darüber hinaus wird in einer relativ kleinen Menge Kernbrennstoff eine große Wärmemenge freigesetzt; Auch die Energieintensität von Kernbrennstoffen ist sehr hoch. Die spezifische Wärmeabgabe im Kern erreicht 10 8 -10 9 W/m 3 , während sie in modernen Dampfkesseln 10 7 W/m 3 nicht überschreitet.

Große Wärmeflüsse durch die Oberfläche der Brennelemente und eine erhebliche Energiedichte des Brennstoffs erfordern eine außergewöhnlich hohe Haltbarkeit und Zuverlässigkeit der Brennelemente. Darüber hinaus werden die Betriebsbedingungen von Brennelementen durch hohe Betriebstemperaturen erschwert, die auf der Oberfläche der Hülle 300–600 °C erreichen, die Möglichkeit von Thermoschocks, Vibrationen und das Vorhandensein eines Neutronenflusses (Fluenz erreicht 10 27 Neutronen/m 2).

An Brennstäbe werden hohe technische Anforderungen gestellt: Einfachheit des Designs; mechanische Stabilität und Festigkeit im Kühlmittelfluss, wodurch die Beibehaltung von Abmessungen und Dichtheit gewährleistet wird; geringe Absorption von Neutronen durch das Strukturmaterial des Brennstabs und ein Minimum an Strukturmaterial im Kern; Keine Wechselwirkung von Kernbrennstoff und Spaltprodukten mit der Brennstoffhülle, dem Kühlmittel und dem Moderator bei Betriebstemperaturen. Die geometrische Form des Brennelements muss das erforderliche Verhältnis von Oberfläche und Volumen und die maximale Intensität der Wärmeabfuhr durch das Kühlmittel von der gesamten Oberfläche des Brennelements gewährleisten sowie eine große Abbrandtiefe des Kernbrennstoffs und einen hohen Grad der Rückhaltung von Spaltprodukten gewährleisten. Die Brennstäbe müssen strahlungsbeständig sein, die erforderlichen Abmessungen und das erforderliche Design haben und eine schnelle Betankung ermöglichen; Sie verfügen über die Einfachheit und Effizienz der Kernbrennstoffregeneration sowie über niedrige Kosten.

Aus Sicherheitsgründen sollten Brennstoffhüllen während der gesamten Betriebszeit des Kerns (3–5 Jahre) und der anschließenden Lagerung abgebrannter Brennelemente bis zur Weiterverarbeitung (1–3 Jahre) zuverlässig abgedichtet sein. Bei der Auslegung des Kerns müssen vorab die zulässigen Schadensgrenzen für Brennelemente (Anzahl und Grad der Schädigung) festgelegt und begründet werden. Der Kern ist so ausgelegt, dass im Betrieb über die gesamte geschätzte Lebensdauer die festgelegten Grenzwerte für die Schädigung von Brennelementen nicht überschritten werden. Die Einhaltung dieser Anforderungen wird durch das Design des Kerns, die Qualität des Kühlmittels, die Eigenschaften und die Zuverlässigkeit des Wärmeabfuhrsystems sichergestellt. Im Betrieb ist die Dichtheit der Umhüllung einzelner Brennelemente möglich. Es gibt zwei Arten eines solchen Verstoßes: die Bildung von Mikrorissen, durch die gasförmige Spaltprodukte aus dem Brennelement in das Kühlmittel austreten (ein Defekt vom Typ Gasdichte); das Auftreten von Mängeln, bei denen ein direkter Kontakt des Kraftstoffs mit dem Kühlmittel möglich ist.

Die Betriebsbedingungen der Brennstäbe werden maßgeblich durch die Gestaltung des Kerns bestimmt, der die konstruktive Geometrie der Brennstäbe vorgeben soll und was aus Sicht der Temperaturbedingungen für die Verteilung des Kühlmittels erforderlich ist. Während des Reaktorbetriebs mit Strom muss ein stabiler Kühlmittelfluss durch den Kern aufrechterhalten werden, der eine zuverlässige Wärmeabfuhr gewährleistet. Der Kern soll innerhalb der Reaktorsteuerung mit Sensoren ausgestattet sein, die Informationen über die Leistungsverteilung, den Neutronenfluss, die Temperaturverhältnisse der Brennelemente und den Kühlmittelfluss liefern.

Der Kern eines Leistungsreaktors muss so ausgelegt sein, dass der interne Mechanismus der Wechselwirkung zwischen neutronenphysikalischen und thermisch-physikalischen Prozessen bei Störungen des Multiplikationsfaktors ein neues sicheres Leistungsniveau einstellt. In der Praxis wird die Sicherheit eines Kernkraftwerks einerseits durch die Stabilität des Reaktors (Abnahme des Multiplikationsfaktors mit zunehmender Temperatur und Leistung des Kerns) und andererseits durch die Zuverlässigkeit des automatischen Steuerungs- und Schutzsystems gewährleistet.

Um die Sicherheit in der Tiefe zu gewährleisten, müssen die Konstruktion des Kerns und die Eigenschaften des Kernbrennstoffs die Möglichkeit der Bildung kritischer Massen spaltbarer Materialien während der Zerstörung des Kerns und des Schmelzens des Kernbrennstoffs ausschließen. Beim Entwurf des Kerns sollte es möglich sein, einen Neutronenabsorber einzubauen, um die Kettenreaktion in allen Fällen zu stoppen, die mit einer Verletzung der Kernkühlung einhergehen.

Der Kern, der zum Ausgleich von Abbrand, Vergiftung und Temperatureinfluss große Mengen Kernbrennstoff enthält, hat sozusagen mehrere kritische Massen. Daher muss jedes kritische Kraftstoffvolumen mit Mitteln zur Reaktivitätskompensation ausgestattet sein. Sie sollten so im Kern platziert werden, dass die Möglichkeit lokaler kritischer Massen ausgeschlossen ist.

Reaktoren werden nach dem Energieniveau der an der Spaltreaktion beteiligten Neutronen, nach dem Prinzip der Anordnung von Brennstoff und Moderator, dem Verwendungszweck, der Art des Moderators und Kühlmittels sowie ihrem physikalischen Zustand klassifiziert.

Nach dem Niveau der Energieneutronen: Reaktoren können mit schnellen Neutronen, mit thermischen und mittelschweren (resonanten) Energieneutronen betrieben werden und werden dementsprechend in Reaktoren mit thermischen, schnellen und mittelschweren Neutronen unterteilt (der Kürze halber werden sie manchmal als thermisch, schnell und mittelschwer bezeichnet).

IN thermischer Neutronenreaktor Die meisten Kernspaltungen finden statt, wenn die Kerne spaltbarer Isotope thermische Neutronen absorbieren. Reaktoren, in denen die Kernspaltung hauptsächlich durch Neutronen mit Energien größer als 0,5 MeV erzeugt wird, werden als schnelle Neutronenreaktoren bezeichnet. Reaktoren, in denen die meisten Spaltungen durch die Absorption intermediärer Neutronen durch spaltbare Isotope auftreten, werden als intermediäre (resonante) Neutronenreaktoren bezeichnet.

Derzeit werden thermische Neutronenreaktoren am häufigsten eingesetzt. Thermische Reaktoren zeichnen sich durch Konzentrationen von 235 U-Kernbrennstoff im Kern von 1 bis 100 kg/m 3 und das Vorhandensein großer Massen des Moderators aus. Ein schneller Neutronenreaktor zeichnet sich durch Konzentrationen von 235 U- oder 239 U-Kernbrennstoff in der Größenordnung von 1000 kg/m 3 und das Fehlen eines Moderators im Kern aus.

In Zwischenneutronenreaktoren befindet sich im Kern nur sehr wenig Moderator und die Konzentration des Kernbrennstoffs 235 U beträgt darin 100 bis 1000 kg/m 3 .

In thermischen Neutronenreaktoren kommt es auch zur Spaltung von Brennstoffkernen, wenn schnelle Neutronen vom Kern eingefangen werden, die Wahrscheinlichkeit dieses Prozesses ist jedoch unbedeutend (1 - 3 %). Die Notwendigkeit eines Neutronenmoderators ergibt sich aus der Tatsache, dass die effektiven Spaltquerschnitte von Brennstoffkernen bei niedrigen Neutronenenergien viel größer sind als bei hohen.

Im Kern eines thermischen Reaktors muss sich ein Moderator befinden – eine Substanz, deren Kerne eine kleine Massenzahl haben. Als Moderator werden Graphit, schweres oder leichtes Wasser, Beryllium und organische Flüssigkeiten verwendet. Ein thermischer Reaktor kann sogar mit natürlichem Uran betrieben werden, wenn schweres Wasser oder Graphit als Moderator dient. Für andere Moderatoren muss angereichertes Uran verwendet werden. Die erforderlichen kritischen Abmessungen des Reaktors hängen vom Grad der Brennstoffanreicherung ab und werden mit zunehmendem Anreicherungsgrad kleiner. Ein wesentlicher Nachteil thermischer Neutronenreaktoren ist der Verlust langsamer Neutronen durch deren Einfang durch Moderator, Kühlmittel, Strukturmaterialien und Spaltprodukte. Daher ist es in solchen Reaktoren notwendig, Stoffe mit geringen Einfangquerschnitten für langsame Neutronen als Moderator, Kühlmittel und Strukturmaterialien zu verwenden.

IN Zwischenneutronenreaktoren, bei dem die meisten Spaltungsereignisse durch Neutronen mit höheren Energien als thermischen (von 1 eV bis 100 keV) verursacht werden, ist die Masse des Moderators geringer als in thermischen Reaktoren. Charakteristisch für den Betrieb eines solchen Reaktors ist, dass der Spaltquerschnitt des Brennstoffs mit zunehmender Neutronenspaltung im Zwischenbereich weniger stark abnimmt als der Absorptionsquerschnitt von Strukturmaterialien und Spaltprodukten. Somit steigt die Wahrscheinlichkeit von Spaltungsvorgängen im Vergleich zu Absorptionsvorgängen. Die Anforderungen an die Neutroneneigenschaften von Strukturmaterialien sind weniger streng, ihre Bandbreite ist größer. Folglich kann der Kern eines Zwischenneutronenreaktors aus stärkeren Materialien hergestellt werden, was es ermöglicht, die spezifische Wärmeabfuhr von der Heizfläche des Reaktors zu erhöhen. Die Anreicherung des Brennstoffs an spaltbaren Isotopen in Zwischenreaktoren sollte aufgrund einer Querschnittsverringerung höher sein als in thermischen Reaktoren. Die Reproduktion von Kernbrennstoff in Zwischenreaktoren mit Neutronen ist größer als in einem thermischen Neutronenreaktor.

Als Kühlmittel in Zwischenreaktoren werden Stoffe verwendet, die Neutronen schwach moderieren. Zum Beispiel flüssige Metalle. Der Moderator ist Graphit, Beryllium usw.

Brennstäbe mit hochangereichertem Brennstoff werden im Kern eines Reaktors für schnelle Neutronen platziert. Die aktive Zone ist von einer Brutzone umgeben, die aus Brennstäben besteht, die Brennstoffrohstoffe (abgereichertes Uran, Thorium) enthalten. Aus der aktiven Zone emittierte Neutronen werden in der Brutzone von den Kernen des Brennstoffrohstoffs eingefangen, wodurch neuer Kernbrennstoff entsteht. Ein besonderer Vorteil schneller Reaktoren ist die Möglichkeit, in ihnen eine erweiterte Reproduktion von Kernbrennstoffen zu organisieren, d.h. Gleichzeitig mit der Energieerzeugung neuen statt ausgebrannten Kernbrennstoff produzieren. Schnelle Reaktoren benötigen keinen Moderator und das Kühlmittel sollte Neutronen nicht verlangsamen.

Abhängig von der Art und Weise, wie der Brennstoff im Kern platziert wird, werden die Reaktoren in homogene und heterogene Reaktoren unterteilt.

IN homogener Reaktor Kernbrennstoff, Kühlmittel und Moderator (falls vorhanden) sind gründlich vermischt und befinden sich im gleichen physikalischen Zustand, d. h. Der Kern eines völlig homogenen Reaktors ist ein flüssiges, festes oder gasförmiges homogenes Gemisch aus Kernbrennstoff, Kühlmittel oder Moderator. Homogene Reaktoren können sowohl thermische als auch schnelle Neutronenreaktoren sein. In einem solchen Reaktor befindet sich der gesamte Kern in einem kugelförmigen Stahlgefäß und ist eine flüssige homogene Mischung aus Brennstoff und Moderator in Form einer Lösung oder flüssigen Legierung (z. B. einer Lösung von Uransulfat in Wasser, einer Lösung von Uran in flüssigem Wismut), die gleichzeitig die Funktion eines Kühlmittels übernimmt.

In der Brennstofflösung im kugelförmigen Reaktorbehälter findet eine Kernspaltungsreaktion statt, wodurch die Temperatur der Lösung ansteigt. Die brennbare Lösung aus dem Reaktor gelangt in den Wärmetauscher, wo sie Wärme an das Wasser des Sekundärkreislaufs abgibt, abkühlt und über eine Umwälzpumpe zurück zum Reaktor gefördert wird. Um zu verhindern, dass eine Kernreaktion außerhalb des Reaktors stattfindet, werden die Volumina der Rohrleitungen des Kreislaufs, des Wärmetauschers und der Pumpe so gewählt, dass das in jedem Abschnitt des Kreislaufs befindliche Brennstoffvolumen deutlich unter dem kritischen liegt. Homogene Reaktoren haben gegenüber heterogenen eine Reihe von Vorteilen. Dies ist eine einfache Konstruktion des Kerns und seiner Mindestabmessungen, die Fähigkeit, während des Betriebs kontinuierlich Spaltprodukte zu entfernen und frischen Kernbrennstoff hinzuzufügen, ohne den Reaktor abzuschalten, eine einfache Brennstoffaufbereitung sowie die Tatsache, dass der Reaktor durch Änderung der Konzentration des Kernbrennstoffs gesteuert werden kann.

Homogene Reaktoren haben jedoch auch gravierende Nachteile. Ein im Kreislauf zirkulierendes homogenes Gemisch emittiert starke radioaktive Strahlung, die zusätzlichen Schutz erfordert und die Steuerung des Reaktors erschwert. Nur ein Teil des Brennstoffs befindet sich im Reaktor und wird zur Energieerzeugung genutzt, der andere Teil befindet sich in externen Rohrleitungen, Wärmetauschern und Pumpen. Das zirkulierende Gemisch führt zu starker Korrosion und Erosion der Systeme und Geräte des Reaktors und des Kreislaufs. Die Bildung eines explosiven explosiven Gemisches in einem homogenen Reaktor durch Wasserradiolyse erfordert Vorrichtungen zu seiner Verbrennung. All dies hat dazu geführt, dass homogene Reaktoren nicht weit verbreitet sind.

IN heterogener Reaktor Brennstoff in Form von Blöcken wird in den Moderator gegeben, d.h. Brennstoff und Moderator sind räumlich getrennt.

Derzeit sind ausschließlich heterogene Reaktoren für Energiezwecke ausgelegt. Kernbrennstoff kann in einem solchen Reaktor in gasförmigem, flüssigem und festem Zustand verwendet werden. Heute werden heterogene Reaktoren jedoch nur noch mit festen Brennstoffen betrieben.

Abhängig vom Moderatormittel werden heterogene Reaktoren in Graphit, leichtes Wasser, schweres Wasser und organische Reaktoren unterteilt. Heterogene Reaktoren sind je nach Art des Kühlmittels Leichtwasser, Schwerwasser, Gas und Flüssigmetall. Flüssige Wärmeträger im Reaktor können einphasig und zweiphasig sein. Im ersten Fall siedet das Kühlmittel im Reaktor nicht, im zweiten Fall jedoch.

Reaktoren, in deren Kern die Temperatur des flüssigen Kühlmittels unter dem Siedepunkt liegt, werden Druckwasserreaktoren genannt, und Reaktoren, in denen das Kühlmittel siedet, werden Siedereaktoren genannt.

Abhängig vom verwendeten Moderator und Kühlmittel werden heterogene Reaktoren nach unterschiedlichen Schemata hergestellt. In Russland sind die Haupttypen von Kernkraftwerksreaktoren Druckwasserreaktoren und Wassergraphitreaktoren.

Je nach Bauart sind die Reaktoren in Behälter und Kanal unterteilt. IN Gefäßreaktoren Der Kühlmitteldruck wird vom Körper getragen. Der gesamte Kühlmittelstrom fließt innerhalb des Reaktorbehälters. IN Kanalreaktoren Das Kühlmittel wird jedem Kanal mit dem Brennelement separat zugeführt. Der Reaktorbehälter wird nicht mit Kühlmitteldruck belastet, dieser Druck wird von jedem einzelnen Kanal getragen.

Je nach Verwendungszweck werden Kernreaktoren in Leistungsreaktoren, Konverter und Multiplikatoren, Forschungs- und Mehrzweckreaktoren, Transport- und Industriereaktoren unterteilt.

Kernreaktoren werden zur Stromerzeugung in Kernkraftwerken, in Schiffskraftwerken, in Kernkraftwerken (KKW) sowie in Kernwärmeversorgungsstationen (KKW) eingesetzt.

Es werden Reaktoren genannt, die zur Herstellung von sekundärem Kernbrennstoff aus natürlichem Uran und Thorium ausgelegt sind Konverter oder mal nach Faktoren. Im Reaktor-Konverter wird weniger sekundärer Kernbrennstoff gebildet als ursprünglich verbraucht.

Im Reaktor-Multiplikator erfolgt eine erweiterte Reproduktion von Kernbrennstoff, d.h. es stellt sich mehr heraus, als ausgegeben wurde.

Forschungsreaktoren werden zur Untersuchung der Wechselwirkungsprozesse von Neutronen mit Materie, zur Untersuchung des Verhaltens von Reaktormaterialien in intensiven Feldern von Neutronen- und Gammastrahlung, zur radiochemischen und biologischen Forschung, zur Herstellung von Isotopen und zur experimentellen Forschung in der Physik von Kernreaktoren eingesetzt.

Reaktoren haben unterschiedliche Leistungen, stationäre oder gepulste Betriebsart. Die am weitesten verbreiteten Druckwasserreaktoren für die Forschung mit angereichertem Uran. Die thermische Leistung von Forschungsreaktoren variiert in einem weiten Bereich und erreicht mehrere tausend Kilowatt.

Mehrzweckreaktoren sind Reaktoren, die mehreren Zwecken dienen, beispielsweise der Stromerzeugung und der Kernbrennstoffproduktion.

Wenn k eff >< 1, ряд благополучно сходится и по формуле суммы геометрической прогрессии имеем

wohin<1 - коэффициент, равный отношению числа нейтронов, вызвавших деление, к полному их числу. Этот коэффициент зависит от конструкции установки, используемых материалов и т.д. Он надёжно вычисляется. В примерах k=0,6. Осталось выяснить, как можно получить первоначальный поток нейтронов N 0 . Для этого можно использовать ускоритель, дающий достаточно интенсивный поток протонов или других частиц, которые, реагируя с некоторой мишенью, порождают большое кол-во нейтронов. Действительно, например, при столкновении с массивной свинцовой мишенью каждый протон, ускоренный до энергии 1ГэВ (10 9 эВ), производит в результате развития ядерного каскада в среднем n = 22 нейтрона. Энергии их составляют несколько мега электрон -вольт, что как раз соответствует работе реактора на быстрых

als

Technische Aspekte eines Fusionsreaktors:

Der thermonukleare Tokamak-Reaktor besteht aus den folgenden Hauptteilen: Magnet-, Kryo- und Vakuumsystem, Stromversorgungssystem, Decke, Tritiumkreislauf und -schutz, System zur zusätzlichen Plasmaerwärmung und -versorgung mit Brennstoff sowie einem Fernsteuerungs- und Wartungssystem.

Das Magnetsystem enthält Spulen eines toroidalen Magnetfelds, einen Induktor zur Aufrechterhaltung des Stroms und zur Induktionserwärmung des Plasmas sowie Wicklungen, die ein poloidales Magnetfeld bilden, das für den Betrieb des Divertors und die Aufrechterhaltung des Gleichgewichts der Plasmasäule erforderlich ist.

Um Joule-Verluste zu vermeiden, wird das Magnetsystem, wie bereits erwähnt, vollständig supraleitend sein. Für die Wicklungen des Magnetsystems sollen Niob-Titan- und Niob-Zinn-Legierungen verwendet werden.

Schaffung eines Magnetsystems für einen Supraleiterreaktor mit IN 12 T und eine Stromdichte von etwa 2 kA ist eines der wichtigsten technischen Probleme bei der Entwicklung eines thermonuklearen Reaktors, das in naher Zukunft gelöst werden muss.

Das Kryosystem umfasst einen Kryostat des Magnetsystems und Kryoplatten in den Injektoren zur zusätzlichen Plasmaerwärmung. Der Kryostat hat die Form einer Vakuumkammer, in der alle gekühlten Strukturen eingeschlossen sind. Jede Spule des Magnetsystems wird in flüssiges Helium gelegt. Sein Dampf kühlt spezielle Siebe im Kryostaten, um den Wärmefluss von Oberflächen bei der Temperatur von flüssigem Helium zu reduzieren. Das Kryosystem verfügt über zwei Kühlkreisläufe, von denen einer flüssiges Helium zirkuliert, das die für den normalen Betrieb supraleitender Spulen erforderliche Temperatur von etwa 4 K liefert, und im anderen flüssigen Stickstoff, dessen Temperatur 80–95 K beträgt. Dieser Kreislauf dient der Kühlung der die Teile trennenden Trennwände mit Helium und Raumtemperatur.

Die Kryoplatten der Injektoren werden durch flüssiges Helium gekühlt und sind für die Aufnahme von Gasen ausgelegt, was es ermöglicht, bei relativ hohem Vakuum eine ausreichende Pumprate aufrechtzuerhalten.

Das Vakuumsystem ermöglicht das Pumpen von Helium, Wasserstoff und Verunreinigungen aus dem Divertorhohlraum oder aus dem das Plasma umgebenden Raum während des Betriebs des Reaktors sowie aus der Arbeitskammer in den Pausen zwischen den Impulsen. Um zu verhindern, dass das Tritium in die Umgebung abgepumpt wird, ist es notwendig, im System einen geschlossenen Kreislauf mit einer Mindestmenge an zirkulierendem Tritium vorzusehen. Gas kann mit Turbomolekularpumpen abgepumpt werden, deren Produktivität etwas höher sein dürfte als heute. Die Dauer der Pause zur Vorbereitung der Arbeitskammer auf den nächsten Impuls beträgt maximal 30 s.

Das Stromversorgungssystem hängt im Wesentlichen von der Betriebsart des Reaktors ab. Bei einem Tokamak, der im Dauerbetrieb arbeitet, ist dies deutlich einfacher. Beim Betrieb im gepulsten Modus empfiehlt es sich, ein kombiniertes Stromversorgungssystem – ein Netzwerk und einen Motorgenerator – zu verwenden. Die Leistung des Generators wird durch Impulslasten bestimmt und erreicht 10 6 kW.

Die Reaktordecke befindet sich hinter der ersten Wand der Arbeitskammer und dient dazu, die bei der DT-Reaktion erzeugten Neutronen einzufangen, „verbranntes“ Tritium zu reproduzieren und Neutronenenergie in thermische Energie umzuwandeln. In einem hybriden thermonuklearen Reaktor dient die Decke auch zur Herstellung spaltbarer Materialien. Blanket ist im Wesentlichen etwas Neues, das einen thermonuklearen Reaktor von einer herkömmlichen thermonuklearen Anlage unterscheidet. Es liegen noch keine Erfahrungen mit der Konstruktion und dem Betrieb der Decke vor, daher ist eine technische und gestalterische Entwicklung von Lithium- und Urandecken erforderlich.

Der Tritiumkreislauf besteht aus mehreren unabhängigen Einheiten, die die Regeneration des aus der Arbeitskammer evakuierten Gases, seine Speicherung und Versorgung zur Plasmanachfüllung, die Extraktion von Tritium aus der Decke und seine Rückführung in das Stromversorgungssystem sowie die Reinigung von Abgasen und Luft daraus gewährleisten.

Der Reaktorschutz wird in Strahlenschutz und biologischen Schutz unterteilt. Strahlungsabschirmung schwächt den Neutronenfluss und reduziert die Energiefreisetzung in supraleitenden Spulen. Für den normalen Betrieb des Magnetsystems mit minimalem Energieverbrauch ist es notwendig, den Neutronenfluss um das 10- bis 10-fache zu schwächen. Der Strahlungsschutz befindet sich zwischen der Decke und den Spulen des toroidalen Feldes und bedeckt die gesamte Oberfläche der Arbeitskammer, mit Ausnahme der Kanäle des Umleiters und der Injektoren. Die Dicke des Schutzes beträgt je nach Zusammensetzung 80-130 cm.

Der biologische Schild deckt sich mit den Wänden der Reaktorhalle und besteht aus Beton mit einer Dicke von 200 – 250 cm und schützt den umgebenden Raum vor Strahlung.

Die Systeme zur zusätzlichen Plasmaerwärmung und Brennstoffversorgung nehmen einen erheblichen Platz um den Reaktor herum ein. Wenn das Plasma durch Strahlen schneller Atome erhitzt wird, muss der gesamte Injektor von einem Strahlenschutz umgeben sein, was für die Anordnung der Geräte in der Reaktorhalle und die Wartung des Reaktors unpraktisch ist. In diesem Sinne sind Hochfrequenzheizsysteme attraktiver, da ihre Eingabegeräte (Antennen) kompakter sind und Generatoren außerhalb der Reaktorhalle installiert werden können. Die Erforschung von Tokamaks und die Entwicklung des Antennendesigns werden es ermöglichen, die endgültige Wahl eines Plasmaheizsystems zu treffen.

Das Steuerungssystem ist ein integraler Bestandteil eines thermonuklearen Reaktors. Wie bei jedem Reaktor erfolgt die Steuerung und Wartung aufgrund der relativ hohen Radioaktivität in der Umgebung des Reaktors aus der Ferne – sowohl während des Betriebs als auch während der Stillstandszeiten.

Die Quelle der Radioaktivität in einem thermonuklearen Reaktor ist zum einen Tritium, das unter Emission von Elektronen und niederenergetischen 7-Quanten zerfällt (seine Halbwertszeit beträgt etwa 13 Jahre), und zum anderen radioaktive Nuklide, die bei der Wechselwirkung von Neutronen mit Strukturmaterialien der Decke und der Arbeitskammer entstehen. Bei den häufigsten von ihnen (Stahl, Molybdän- und Nioblegierungen) ist die Aktivität recht hoch, aber immer noch etwa 10-100-mal geringer als in Kernreaktoren ähnlicher Leistung. Zukünftig ist geplant, Materialien mit geringer induzierter Aktivität in einem thermonuklearen Reaktor zu verwenden, beispielsweise Aluminium und Vanadium. Mittlerweile wird der Tokamak-Fusionsreaktor unter dem Gesichtspunkt der Fernwartung konzipiert, was zusätzliche Anforderungen an seine Konstruktion mit sich bringt. Insbesondere wird es aus identischen, miteinander verbundenen Abschnitten bestehen, die mit verschiedenen Standardblöcken (Modulen) gefüllt werden. Dies ermöglicht bei Bedarf einen relativ einfachen Austausch einzelner Knoten mithilfe spezieller Manipulatoren.

Kernreaktionen. Kernenergie.

Atomkern

Der Atomkern zeichnet sich durch Ladung Ze, Masse M, Spin J, magnetisches und elektrisches Quadrupolmoment Q, einen bestimmten Radius R, isotonischen Spin T aus und besteht aus Nukleonen – Protonen und Neutronen.

Man nennt die Anzahl der Nukleonen A in einem Kern Massenzahl. Die Nummer Z wird aufgerufen Gebührennummer Kern oder Ordnungszahl. Da Z die Anzahl der Protonen und A die Anzahl der Nukleonen im Atomkern bestimmt, beträgt die Anzahl der Neuronen im Atomkern N=A-Z. Atomkerne mit gleichem Z, aber unterschiedlichem A werden genannt Isotope. Im Durchschnitt gibt es für jeden Z-Wert etwa drei stabile Isotope. Beispielsweise sind 28 Si, 29 Si, 30 Si stabile Isotope des Si-Kerns. Neben stabilen Isotopen gibt es bei den meisten Elementen auch instabile Isotope, die sich durch eine begrenzte Lebensdauer auszeichnen.

Kerne mit der gleichen Massenzahl A werden genannt Isobaren, und mit der gleichen Anzahl von Neutronen - Isotone.

Alle Atomkerne werden in stabile und instabile unterteilt. Die Eigenschaften stabiler Kerne bleiben auf unbestimmte Zeit unverändert. Instabile Kerne durchlaufen verschiedene Arten von Umwandlungen.

Mit großer Genauigkeit durchgeführte experimentelle Messungen der Massen von Atomkernen zeigen, dass die Masse eines Kerns immer kleiner ist als die Summe der Massen seiner Nukleonenbestandteile.

Die Bindungsenergie ist die Energie, die aufgewendet werden muss, um den Kern in seine Nukleonen zu zerlegen.

Man nennt die auf die Massenzahl A bezogene Bindungsenergie durchschnittliche Bindungsenergie eines Nukleons im Atomkern (Bindungsenergie pro Nukleon).

Die Bindungsenergie ist für alle stabilen Kerne annähernd konstant und beträgt etwa 8 MeV. Eine Ausnahme bildet der Bereich der leichten Kerne, wo die durchschnittliche Bindungsenergie für den 12C-Kern von Null (A=1) auf 8 MeV ansteigt.

Ebenso kann die Bindungsenergie pro Nukleon als Bindungsenergie des Kerns relativ zu seinen anderen Bestandteilen eingeführt werden.

Im Gegensatz zur durchschnittlichen Bindungsenergie von Nukleonen variiert die Höhe der Bindungsenergie eines Neurons und eines Protons von Kern zu Kern.

Oftmals wird anstelle der Bindungsenergie auch eine Größe genannt Massendefekt und gleich der Differenz zwischen den Massen und der Massenzahl des Atomkerns.

Gammastrahlung

Gammastrahlung ist kurzwellige elektromagnetische Strahlung. Auf der Skala elektromagnetischer Wellen grenzt es an harte Röntgenstrahlung und liegt im Bereich höherer Frequenzen. Gammastrahlung hat eine extrem kurze Wellenlänge (λhν (ν ist die Strahlungsfrequenz, h ist das Plancksche Wirkungsquantum).

Gammastrahlung entsteht beim Zerfall radioaktiver Kerne, Elementarteilchen, bei der Vernichtung von Teilchen-Antiteilchen-Paaren sowie beim Durchgang schneller geladener Teilchen durch Materie.

Gammastrahlung, die den Zerfall radioaktiver Kerne begleitet, wird beim Übergang des Kerns von einem stärker angeregten Energiezustand in einen weniger angeregten oder Grundzustand emittiert. Die Energie eines γ-Quantums ist gleich der Energiedifferenz Δε ρ der Zustände, zwischen denen der Übergang stattfindet.

aufgeregter Zustand

Grundzustand des Kerns E1

Die Emission eines γ-Quantums durch den Kern führt im Gegensatz zu anderen Arten radioaktiver Umwandlungen nicht zu einer Änderung der Ordnungszahl oder Massenzahl. Die Linienbreite der Gammastrahlung ist extrem klein (~10 -2 eV). Da der Abstand zwischen den Ebenen um ein Vielfaches größer ist als die Linienbreite, ist das Gammastrahlenspektrum linienförmig, d. h. besteht aus einer Reihe diskreter Linien. Die Untersuchung der Spektren der Gammastrahlung ermöglicht es, die Energien der angeregten Zustände von Kernen zu bestimmen. Beim Zerfall einiger Elementarteilchen werden Gammaquanten mit hoher Energie emittiert. Somit entsteht beim Zerfall eines ruhenden π 0 -Mesons Gammastrahlung mit einer Energie von ~70 MeV. Auch Gammastrahlung aus dem Zerfall von Elementarteilchen bildet ein Linienspektrum. Allerdings bewegen sich zerfallende Elementarteilchen oft mit Geschwindigkeiten, die mit der Lichtgeschwindigkeit vergleichbar sind. Dadurch kommt es zu einer Doppler-Verbreiterung der Linie und das Gammastrahlenspektrum wird über einen weiten Energiebereich verschmiert. Gammastrahlung, die beim Durchgang schnell geladener Teilchen durch Materie entsteht, entsteht durch deren Abbremsung im Coulomb-Feld der Atomkerne der Materie. Bremsstrahlung-Gammastrahlung sowie Bremsstrahlung-Röntgenstrahlung zeichnen sich durch ein kontinuierliches Spektrum aus, dessen Obergrenze mit der Energie eines geladenen Teilchens, beispielsweise eines Elektrons, zusammenfällt. In Teilchenbeschleunigern wird Gamma-Bremsstrahlung mit einer maximalen Energie von bis zu mehreren zehn GeV erzeugt.

Im interstellaren Raum kann Gammastrahlung durch Kollisionen von Quanten weicherer langwelliger elektromagnetischer Strahlung wie Licht mit Elektronen entstehen, die durch die Magnetfelder von Weltraumobjekten beschleunigt werden. Dabei überträgt ein schnelles Elektron seine Energie in elektromagnetische Strahlung und sichtbares Licht wird in härtere Gammastrahlung umgewandelt.

Ein ähnliches Phänomen kann unter terrestrischen Bedingungen auftreten, wenn hochenergetische Elektronen, die an Beschleunigern erzeugt werden, mit Photonen des sichtbaren Lichts in intensiven Lichtstrahlen kollidieren, die von Lasern erzeugt werden. Das Elektron überträgt Energie auf ein Lichtphoton, das sich in ein γ-Quantum verwandelt. Somit ist es in der Praxis möglich, einzelne Lichtphotonen in hochenergetische Gammastrahlenquanten umzuwandeln.

Gammastrahlung hat eine hohe Durchdringungskraft, d.h. kann ohne nennenswerte Schwächung große Materieschichten durchdringen. Die Hauptprozesse, die bei der Wechselwirkung von Gammastrahlung mit Materie ablaufen, sind die photoelektrische Absorption (photoelektrischer Effekt), die Compton-Streuung (Compton-Effekt) und die Bildung von Elektron-Positron-Paaren. Beim photoelektrischen Effekt wird ein γ-Quantum von einem der Elektronen des Atoms absorbiert und die Energie des γ-Quantums (abzüglich der Bindungsenergie des Elektrons im Atom) in die kinetische Energie des aus dem Atom fliegenden Elektrons umgewandelt. Die Wahrscheinlichkeit des photoelektrischen Effekts ist direkt proportional zur fünften Potenz der Ordnungszahl des Elements und umgekehrt proportional zur dritten Potenz der Gammastrahlungsenergie. Somit dominiert der photoelektrische Effekt im Bereich niedriger Energien von γ-Quanten (£100 keV) auf schweren Elementen (Pb, U).

Beim Compton-Effekt wird ein γ-Quantum an einem der im Atom schwach gebundenen Elektronen gestreut. Anders als beim photoelektrischen Effekt verschwindet das γ-Quantum beim Compton-Effekt nicht, sondern ändert lediglich die Energie (Wellenlänge) und Ausbreitungsrichtung. Durch den Compton-Effekt wird ein schmaler Gammastrahlenstrahl breiter und die Strahlung selbst wird weicher (langwelliger). Die Intensität der Compton-Streuung ist proportional zur Anzahl der Elektronen in 1 cm 3 der Substanz und daher ist die Wahrscheinlichkeit dieses Prozesses proportional zur Ordnungszahl der Substanz. Der Compton-Effekt macht sich bei Stoffen mit kleiner Ordnungszahl und bei Energien der Gammastrahlung bemerkbar, die die Bindungsenergie der Elektronen in Atomen übersteigen. Daher ist im Fall von Pb die Wahrscheinlichkeit einer Compton-Streuung vergleichbar mit der Wahrscheinlichkeit einer photoelektrischen Absorption bei einer Energie von ~0,5 MeV. Im Fall von Al dominiert der Compton-Effekt bei viel niedrigeren Energien.

Wenn die Energie des γ-Quantums 1,02 MeV überschreitet, wird der Prozess der Bildung von Elektron-Positron-Paaren im elektrischen Feld von Kernen möglich. Die Wahrscheinlichkeit der Paarbildung ist proportional zum Quadrat der Ordnungszahl und steigt mit zunehmendem hν. Daher ist bei hν ~ 10 MeV der Hauptprozess in jeder Substanz die Bildung von Paaren.

0,1 0,5 1 2 5 10 50

Energie der γ-Strahlen (Mev)

Der umgekehrte Prozess der Vernichtung eines Elektron-Positron-Paares ist eine Quelle von Gammastrahlung.

Um die Schwächung von Gammastrahlung in einem Stoff zu charakterisieren, wird üblicherweise der Absorptionskoeffizient verwendet, der angibt, bei welcher Dicke X des Absorbers die Intensität I 0 des einfallenden Gammastrahlungsstrahls geschwächt wird e einmal:

Dabei ist μ 0 der lineare Absorptionskoeffizient der Gammastrahlung. Manchmal wird ein Massenabsorptionskoeffizient eingeführt, der dem Verhältnis von μ 0 zur Dichte des Absorbers entspricht.

Das exponentielle Gesetz der Abschwächung der Gammastrahlung gilt für die schmale Richtung des Gammastrahls, wenn ein Prozess, sowohl Absorption als auch Streuung, Gammastrahlung aus dem Primärstrahl entfernt. Bei hohen Energien wird der Prozess, Gammastrahlung durch Materie zu leiten, jedoch viel komplizierter. Sekundärelektronen und Positronen haben eine hohe Energie und können daher durch Abbremsungs- und Vernichtungsprozesse wiederum Gammastrahlung erzeugen. Dadurch entsteht in der Materie eine Reihe abwechselnder Generationen sekundärer Gammastrahlung, Elektronen und Positronen, d. h. es entsteht ein Kaskadenschauer. Die Anzahl der Sekundärpartikel in einem solchen Schauer nimmt zunächst mit der Dicke zu und erreicht ein Maximum. Dann beginnen jedoch die Absorptionsprozesse die Prozesse der Partikelvermehrung zu dominieren und der Schauer lässt nach. Die Fähigkeit der Gammastrahlung, Schauer zu entwickeln, hängt vom Verhältnis zwischen ihrer Energie und der sogenannten kritischen Energie ab, nach der ein Schauer in einer bestimmten Substanz praktisch die Fähigkeit zur Entwicklung verliert.

Um die Energie der Gammastrahlung in der Experimentalphysik zu verändern, werden Gammaspektrometer unterschiedlicher Bauart eingesetzt, die meist auf der Messung der Energie von Sekundärelektronen basieren. Die Haupttypen von Gammastrahlungsspektrometern sind: Magnet-, Szintillations-, Halbleiter- und Kristallbeugungsspektrometer.

Die Untersuchung der Spektren der nuklearen Gammastrahlung liefert wichtige Informationen über die Struktur von Kernen. Die Beobachtung der Auswirkungen, die mit dem Einfluss der äußeren Umgebung auf die Eigenschaften der nuklearen Gammastrahlung verbunden sind, wird zur Untersuchung der Eigenschaften von Festkörpern verwendet.

Gammastrahlung wird in der Technik beispielsweise zur Erkennung von Defekten an Metallteilen eingesetzt – der Gammafehlererkennung. In der Strahlenchemie wird Gammastrahlung genutzt, um chemische Umwandlungen, beispielsweise Polymerisationsprozesse, einzuleiten. Gammastrahlung wird in der Lebensmittelindustrie zur Sterilisierung von Lebensmitteln eingesetzt. Die Hauptquellen der Gammastrahlung sind natürliche und künstliche radioaktive Isotope sowie Elektronenbeschleuniger.

Die Wirkung von Gammastrahlung auf den Körper ähnelt der Wirkung anderer Arten ionisierender Strahlung. Gammastrahlung kann Strahlenschäden im Körper bis hin zum Tod verursachen. Die Art des Einflusses der Gammastrahlung hängt von der Energie der γ-Quanten und den räumlichen Merkmalen der Exposition ab, beispielsweise extern oder intern. Die relative biologische Wirksamkeit der Gammastrahlung beträgt 0,7-0,9. Unter industriellen Bedingungen (chronische Exposition in niedrigen Dosen) wird die relative biologische Wirksamkeit von Gammastrahlung mit 1 angenommen. Gammastrahlung wird in der Medizin zur Behandlung von Tumoren, zur Sterilisation von Räumlichkeiten, Geräten und Medikamenten eingesetzt. Gammastrahlung wird auch zur Gewinnung von Mutationen mit anschließender Selektion wirtschaftlich sinnvoller Formen eingesetzt. Auf diese Weise werden hochproduktive Arten von Mikroorganismen (z. B. zur Gewinnung von Antibiotika) und Pflanzen gezüchtet.

Die modernen Möglichkeiten der Strahlentherapie haben sich vor allem durch die Mittel und Methoden der Fern-Gammatherapie erweitert. Der Erfolg der Fern-Gammatherapie wurde durch umfangreiche Arbeiten auf dem Gebiet der Nutzung leistungsstarker künstlicher radioaktiver Gammastrahlungsquellen (Kobalt-60, Cäsium-137) sowie neuer Gammapräparate erzielt.

Die große Bedeutung der Fern-Gammatherapie erklärt sich auch aus der relativen Verfügbarkeit und Benutzerfreundlichkeit von Gammageräten. Letztere sind ebenso wie Röntgengeräte für die stationäre und mobile Bestrahlung konzipiert. Mit Hilfe der mobilen Bestrahlung streben sie danach, eine große Dosis im Tumor zu erzeugen und gleichzeitig gesundes Gewebe streuend zu bestrahlen. An Gammastrahlengeräten wurden Designverbesserungen vorgenommen, die darauf abzielen, Halbschatten zu reduzieren, die Feldhomogenisierung zu verbessern, Verschlussfilter zu verwenden und nach zusätzlichen Schutzoptionen zu suchen.

Der Einsatz nuklearer Strahlung im Pflanzenbau hat neue, weitreichende Möglichkeiten eröffnet, den Stoffwechsel landwirtschaftlicher Pflanzen zu verändern, ihren Ertrag zu steigern, die Entwicklung zu beschleunigen und die Qualität zu verbessern.

Als Ergebnis der ersten Studien von Strahlenbiologen wurde festgestellt, dass ionisierende Strahlung ein starker Faktor ist, der das Wachstum, die Entwicklung und den Stoffwechsel lebender Organismen beeinflusst. Unter dem Einfluss von Gammastrahlung in Pflanzen, Tieren oder Mikroorganismen verändert sich der koordinierte Stoffwechsel, der Ablauf physiologischer Prozesse beschleunigt oder verlangsamt sich (je nach Dosis) und es werden Veränderungen im Wachstum, in der Entwicklung und in der Pflanzenbildung beobachtet.

Besonders zu beachten ist, dass bei der Gammabestrahlung keine radioaktiven Stoffe in die Samen gelangen. Bestrahlte Samen sowie die daraus angebauten Pflanzen sind nicht radioaktiv. Optimale Bestrahlungsdosen beschleunigen nur die normalen Prozesse, die in der Pflanze ablaufen, und daher sind alle Befürchtungen und Warnungen vor der Verwendung einer Kulturpflanze, die aus Samen gewonnen wird, die vor der Aussaat einer Bestrahlung unterzogen wurden, völlig unbegründet.

Ionisierende Strahlung wurde eingesetzt, um die Haltbarkeit landwirtschaftlicher Produkte zu verlängern und verschiedene Insektenschädlinge abzutöten. Wenn das Getreide beispielsweise vor der Verladung in den Elevator durch einen Bunker mit einer starken Strahlungsquelle geleitet wird, ist die Vermehrung von Schädlingen ausgeschlossen und das Getreide kann lange Zeit verlustfrei gelagert werden. Das Getreide selbst als nahrhaftes Produkt verändert sich bei solchen Strahlendosen nicht. Seine Verwendung als Futter für vier Generationen von Versuchstieren verursachte keine Abweichungen im Wachstum, in der Fortpflanzungsfähigkeit oder in anderen pathologischen Abweichungen von der Norm.

Atomreaktor.

Die Energiequelle des Reaktors ist die Spaltung schwerer Kerne. Denken Sie daran, dass Kerne aus Nukleonen, also Protonen und Neutronen, bestehen. Die Zahl der Protonen Z bestimmt die Ladung des Kerns Ze: Sie entspricht der Zahl des Elements aus dem Periodensystem, und das Atomgewicht des Kerns A ist die Gesamtzahl der Protonen und Neutronen. Kerne mit der gleichen Anzahl an Protonen, aber unterschiedlicher Anzahl an Neutronen sind unterschiedliche Isotope desselben Elements und werden durch das Atomgewichtselementsymbol oben links gekennzeichnet. Es gibt beispielsweise folgende Uranisotope: 238 U, 235 U, 233 U, ...

Die Masse des Kerns M ist nicht nur gleich der Summe der Massen seiner Protonen und Neutronen, sondern um den Wert M kleiner als diese, der die Bindungsenergie bestimmt

(gemäß dem Verhältnis) M=Zm p +(A-Z)m n -(A)A, wobei (A)c die Bindungsenergie pro Nukleon ist. Der Wert (A) hängt von den Details der Struktur des entsprechenden Kerns ab ... Es besteht jedoch eine allgemeine Tendenz zu seiner Abhängigkeit vom Atomgewicht. Unter Vernachlässigung kleiner Details lässt sich diese Abhängigkeit nämlich durch eine glatte Kurve beschreiben, die bei kleinen ansteigt. A erreicht ein Maximum in der Mitte des Periodensystems und nimmt nach dem Maximum auf große Werte von A ab. Stellen Sie sich vor, ein schwerer Kern mit Atomgewicht A und Masse M ist in zwei Kerne A 1 und A 2 mit den Massen M 1 bzw. M 2 unterteilt, und A 1 + A 2 ist gleich A oder etwas kleiner als dieser, da bei der Spaltung mehrere Neutronen herausfliegen können. Nehmen wir der Klarheit halber den Fall A 1 + A 2 = A. Betrachten wir den Unterschied in den Massen des Anfangskerns und der beiden Endkerne und gehen wir davon aus, dass A 1 = A 2, sodass (A 1) = (A 2), M = M-M 1 -M 2 = - (A) A + (A 1) (A 1 + A 2) = A ((A 1) - (A 1)). Entspricht A dem schweren Kern am Ende des Periodensystems, dann liegt A 1 in der Mitte und hat einen Maximalwert (A 2). Dies bedeutet, dass M>0 und folglich im Spaltungsprozess Energie E d \u003d Ms 2 freigesetzt wird. Für schwere Kerne, zum Beispiel für Urankerne, ((A 1) - (A)) mit 2 \u003d 1 MeV. Bei A=200 haben wir also eine Schätzung E d = 200 MeV. Denken Sie daran, dass ein Elektronenvolt (eV) eine Energieeinheit außerhalb des Systems ist, die der Energie entspricht, die eine Elementarladung unter der Wirkung einer Potentialdifferenz von 1 V (1 eV = 1,6 * 10 -19 J) erhält. Beispielsweise beträgt die durchschnittliche Energie, die bei der Kernspaltung freigesetzt wird, 235 U

E d \u003d 180 MeV \u003d 180 10 6 eV.

Somit sind schwere Kerne potenzielle Energiequellen. Eine spontane Kernspaltung kommt jedoch äußerst selten vor und hat keine praktische Bedeutung. Wenn ein Neutron in einen schweren Kern eindringt, kann sich der Spaltungsprozess dramatisch beschleunigen. Dieses Phänomen tritt bei verschiedenen Kernen unterschiedlich stark auf und wird anhand des effektiven Wirkungsquerschnitts des Prozesses gemessen. Erinnern wir uns daran, wie die effektiven Wirkungsquerschnitte bestimmt werden und wie sie mit den Wahrscheinlichkeiten bestimmter Prozesse zusammenhängen. Stellen Sie sich einen Teilchenstrahl (z. B. Neutronen) vor, der auf ein Ziel fällt, das aus bestimmten Objekten, beispielsweise Kernen, besteht. Sei N 0 die Anzahl der Neutronen im Strahl, n ist die Dichte der Kerne pro Volumeneinheit (1 cm 3). Interessieren wir uns für Ereignisse einer bestimmten Art, zum Beispiel die Spaltung der Zielkerne. Dann wird die Anzahl solcher Ereignisse N durch die Formel N=N 0 nl eff bestimmt, wobei l die Ziellänge ist und eff der Querschnitt des Spaltprozesses (oder eines anderen Prozesses) mit einer gegebenen Energie E ist, die der Energie der einfallenden Neutronen entspricht. Wie aus der vorherigen Formel hervorgeht, hat der effektive Querschnitt die Dimension Fläche (cm 2). Es hat eine völlig verständliche geometrische Bedeutung: Es ist eine Plattform, bei deren Betreten der für uns interessante Prozess stattfindet. Wenn der Querschnitt groß ist, ist der Prozess offensichtlich intensiv, und ein kleiner Querschnitt entspricht einer geringen Wahrscheinlichkeit, diesen Bereich zu treffen. Daher tritt der Prozess in diesem Fall selten auf.

Angenommen, wir haben für einen Kern einen ausreichend großen effektiven Wirkungsquerschnitt des Spaltungsprozesses. In diesem Fall können während der Spaltung zusammen mit zwei großen Fragmenten A 1 und A 2 mehrere Neutronen herausfliegen. Die durchschnittliche Anzahl zusätzlicher Neutronen wird Multiplikationsfaktor genannt und mit dem Symbol k bezeichnet. Dann verläuft die Reaktion nach dem Schema

n+A A 1 + A 2 + kn.

Die dabei entstehenden Neutronen reagieren wiederum mit A-Kernen, was zu neuen Spaltungsreaktionen und einer neuen, noch größeren Anzahl von Neutronen führt. Wenn k > 1, läuft ein solcher Kettenprozess mit zunehmender Intensität ab und führt zu einer Explosion unter Freisetzung großer Energiemengen. Aber dieser Prozess kann kontrolliert werden. Nicht alle Neutronen gelangen zwangsläufig in den Kern A: Sie können durch die Außengrenze des Reaktors nach draußen gelangen, sie können in Substanzen absorbiert werden, die speziell in den Reaktor eingeführt werden. Somit kann der Wert von k auf einen Wert von k eff reduziert werden, der gleich 1 ist und diesen nur geringfügig überschreitet. Dann ist es möglich, die erzeugte Energie abzuleiten und der Betrieb des Reaktors wird stabil. Dennoch arbeitet der Reaktor in diesem Fall in einem kritischen Modus. Wenn es nicht gelingt, Energie abzuleiten, würde dies zu einer wachsenden Kettenreaktion und einer Katastrophe führen. Alle Betriebssysteme verfügen über Sicherheitsmaßnahmen, Unfälle sind jedoch sehr unwahrscheinlich und kommen leider auch vor.

Wie wird der Arbeitsstoff für einen Kernreaktor ausgewählt? Es ist notwendig, dass die Brennstoffzellen Isotopenkerne mit einem großen effektiven Spaltquerschnitt enthalten. Die Maßeinheit des Abschnitts ist 1 Scheune \u003d 10 -24 cm 2. Wir sehen zwei Gruppen von Querschnitten: (233 U, 235 U, 239 Pu) und kleine (232 Th, 238 U). Um uns den Unterschied vorzustellen, berechnen wir, wie weit ein Neutron zurücklegen muss, damit es zu einer Spaltung kommt. Verwenden wir für diese Formel N=N 0 nl eff. Für N=N 0 =1 gilt: Hier ist n die Dichte der Kerne, wobei p die übliche Dichte und m =1,66*10 -24 g die Atommasseneinheit ist. Für Uran und Thorium beträgt n = 4,8. 10 22 cm 3 . Dann gilt für 235 U l = 10 cm und für 232 Th l = 35 m. Für die eigentliche Umsetzung des Spaltungsprozesses sollten also Isotope wie 233 U, 235 U, 239 Pu verwendet werden. Das 235 U-Isotop kommt in geringer Menge in natürlichem Uran vor, das hauptsächlich aus 238 U besteht. Daher wird mit dem 235 U-Isotop angereichertes Uran üblicherweise als Kernbrennstoff verwendet. Gleichzeitig entsteht beim Betrieb des Reaktors eine erhebliche Menge eines anderen spaltbaren Isotops, 239 Pu. Plutonium entsteht durch eine Kette von Reaktionen

238 U + n () 239 U () 239 Np () 239 Pu,

wobei die Emission eines Photons bedeutet und der Zerfall gemäß dem Schema ist

Hier bestimmt Z die Ladung des Kerns, sodass der Zerfall zum nächsten Element des Periodensystems mit demselben A-, E-Elektron- und V-Elektron-Antineutrino erfolgt. Es ist auch zu beachten, dass die bei der Spaltung erhaltenen Isotope A 1 , A 2 in der Regel radioaktiv sind und Halbwertszeiten von einem Jahr bis zu Hunderttausenden von Jahren haben, sodass Kernkraftwerksabfälle, bei denen es sich um verbrannte Brennstoffe handelt, sehr gefährlich sind und besondere Maßnahmen zur Lagerung erfordern. Hier stellt sich das Problem der geologischen Speicherung, die die Zuverlässigkeit über Millionen von Jahren gewährleisten soll. Trotz der offensichtlichen Vorteile der Kernenergie, die auf dem Betrieb von Kernreaktoren in einem kritischen Modus basiert, weist sie auch schwerwiegende Nachteile auf. Dabei handelt es sich zum einen um die Gefahr von Unfällen ähnlich wie in Tschernobyl und zum anderen um das Problem der radioaktiven Abfälle. Der Vorschlag, unterkritische Reaktoren für die Kernenergie einzusetzen, löst das erste Problem vollständig und erleichtert die Lösung des zweiten erheblich.

Kernreaktor im unterkritischen Betrieb als Energieverstärker.

Stellen Sie sich vor, wir hätten einen Kernreaktor mit einem effektiven Neutronenvervielfachungsfaktor k eff zusammengebaut, der etwas kleiner als eins ist. Bestrahlen wir dieses Gerät mit einem konstanten externen Neutronenfluss N 0. Dann verursacht jedes Neutron (abzüglich der emittierten und absorbierten Neutronen, die in k eff berücksichtigt werden) eine Spaltung, die einen zusätzlichen Fluss N 0 k 2 eff ergibt. Jedes Neutron aus dieser Zahl erzeugt wiederum im Mittel k eff Neutronen, was einen zusätzlichen Fluss N 0 k eff ergibt, und so weiter. Somit stellt sich heraus, dass der Gesamtfluss der Neutronen, die Spaltungsprozesse bewirken, gleich ist

N \u003d N 0 (1 + k eff + k 2 eff + k 3 eff + ...) \u003d N 0 k n eff.

Wenn keff > 1, divergiert die Reihe in dieser Formel, was das kritische Verhalten des Prozesses in diesem Fall widerspiegelt. Wenn k eff< 1, ряд благополучно сходится и по формуле суммы геометрической прогрессии имеем

Die Energiefreisetzung pro Zeiteinheit (Leistung) wird dann durch die Energiefreisetzung beim Spaltungsprozess bestimmt,

wohin<1 - коэффициент, равный отношению числа нейтронов, вызвавших деление, к полному их числу. Этот коэффициент зависит от конструкции установки, используемых материалов и т.д. Он надёжно вычисляется. В примерах k=0,6. Осталось выяснить, как можно получить первоначальный поток нейтронов N 0 . Для этого можно использовать ускоритель, дающий достаточно интенсивный поток протонов или других частиц, которые, реагируя с некоторой мишенью, порождают большое кол-во нейтронов. Действительно, например, при столкновении с массивной свинцовой мишенью каждый протон, ускоренный до энергии 1ГэВ (10 9 эВ), производит в результате развития ядерного каскада в среднем n = 22 нейтрона. Энергии их составляют несколько мега электрон -вольт, что как раз соответствует работе реактора на быстрых

Neutronen. Es ist zweckmäßig, den Neutronenfluss durch den Beschleunigerstrom darzustellen

Dabei ist e die Ladung der Protonen, die der elementaren elektrischen Ladung entspricht. Wenn wir Energie in Elektronenvolt ausdrücken, bedeutet dies, dass wir die Darstellung E = eV annehmen, wobei V das dieser Energie entsprechende Potential ist, das so viele Volt enthält, wie Elektronenvolt Energie enthalten. Das bedeutet, dass wir unter Berücksichtigung der vorherigen Formel die Energiefreisetzungsformel neu schreiben können als

Schließlich ist es praktisch, die Anlagenleistung im Formular darzustellen

wobei V das Potential ist, das der Energie des Beschleunigers entspricht, also ist VI gemäß der bekannten Formel die Leistung des Beschleunigerstrahls: P 0 = VI, und R 0 in der vorherigen Formel ist der Koeffizient für k eff = 0,98, der einen zuverlässigen Unterkritikalitätsspielraum bietet. Alle anderen Größen sind bekannt und für eine Protonenbeschleunigerenergie von 1 GeV gilt . Wir haben einen Gewinn von 120 erzielt, was natürlich sehr gut ist. Der Koeffizient der vorherigen Formel entspricht jedoch dem Idealfall, wenn weder im Beschleuniger noch bei der Stromerzeugung Energieverluste auftreten. Um einen realen Koeffizienten zu erhalten, muss die vorherige Formel mit dem Wirkungsgrad des Beschleunigers r y und dem Wirkungsgrad des Wärmekraftwerks r e multipliziert werden. Dann ist R=r y r e R 0 . Die Beschleunigungseffizienz kann recht hoch sein, beispielsweise in einem realen Projekt eines 1-GeV-Hochstromzyklotrons, ry = 0,43. Der Wirkungsgrad der Stromerzeugung kann 0,42 betragen. Schließlich beträgt der reale Gewinn R = r y r e R 0 = 21,8, was immer noch recht gut ist, da nur 4,6 % der von der Anlage erzeugten Energie zur Aufrechterhaltung des Beschleunigers zurückgeführt werden müssen. In diesem Fall arbeitet der Reaktor nur bei eingeschaltetem Beschleuniger und es besteht keine Gefahr einer unkontrollierten Kettenreaktion.

Das Prinzip des Aufbaus der Kernenergie.

Wie Sie wissen, besteht alles auf der Welt aus Molekülen

sind komplexe Wechselwirkungskomplexe

schwebende Atome. Moleküle sind die kleinsten Teilchen

Substanzen, die ihre Eigenschaften behalten. Die Zusammensetzung der Moleküle

umfasst Atome verschiedener chemischer Elemente.

Chemische Elemente bestehen aus Atomen gleicher Art.

Atom, das kleinste Teilchen eines chemischen Elements,

Es kommt vom „schweren“ Kern und rotiert um den Elektro-

Die Atomkerne werden durch eine Reihe positiver Elemente gebildet

geladene Protonen und neutrale Neutronen.

Diese Teilchen, Nukleonen genannt, werden festgehalten

in den Kernen durch kurzreichweitige Anziehungskräfte,

entstehen durch den Austausch von Mesonen,

kleinere Partikel.

Der Kern des Elements X wird als oder X-A bezeichnet, zum Beispiel Uran U-235 -,

wobei Z die Ladung des Kerns ist, gleich der Anzahl der Protonen, die die Ordnungszahl des Kerns bestimmt, A die Massenzahl des Kerns, gleich

die Gesamtzahl der Protonen und Neutronen.

Kerne von Elementen mit gleicher Protonenzahl, aber unterschiedlicher Neutronenzahl werden Isotope genannt (z. B. Uran).

hat zwei Isotope U-235 und U-238); Kernel bei N=const, z=var - nach Isobaren.

Wasserstoffkerne, Protonen sowie Neutronen, Elektronen (Betateilchen) und einzelne Heliumkerne (Alphateilchen genannt) können außerhalb von Kernstrukturen autonom existieren. Solche Kerne oder auf andere Weise elementare Teilchen, die sich im Raum bewegen und sich den Kernen in Abständen in der Größenordnung der Querabmessungen der Kerne nähern, können mit den Kernen interagieren, wie sie sagen, und an der Reaktion teilnehmen. In diesem Fall können Teilchen von Kernen eingefangen werden oder nach einer Kollision die Bewegungsrichtung ändern und einen Teil der kinetischen Energie an den Kern abgeben. Solche Wechselwirkungen nennt man Kernreaktionen. Eine Reaktion ohne Eindringen in den Kern wird elastische Streuung genannt.

Nach dem Einfangen des Teilchens befindet sich der zusammengesetzte Kern in einem angeregten Zustand. Der Kern kann sich auf verschiedene Weise von der Anregung „befreien“ – er kann ein anderes Teilchen und ein Gammaquant aussenden oder sich in zwei ungleiche Teile spalten. Nach den Endergebnissen werden Reaktionen unterschieden: Einfang, inelastische Streuung, Spaltung, Kernumwandlung mit Emission eines Protons oder eines Alphateilchens.

Zusätzliche Energie, die bei Kernumwandlungen freigesetzt wird, erfolgt häufig in Form von Gammastrahlenflüssen.

Die Wahrscheinlichkeit einer Reaktion wird durch den Wert des „Querschnitts“ einer bestimmten Reaktionsart charakterisiert.

Beim Einfangen kommt es zur Spaltung schwerer Kerne

Neutronen. Dadurch werden neue Partikel freigesetzt.

und die Bindungsenergie des Kerns, übertragen

Spaltfragmente. Dies ist ein grundlegendes Phänomen.

wurde Ende der 30er Jahre von deutschen Wissenschaftlern entdeckt

Nymi Hahn und Strassman, die den Grundstein legten

für die praktische Nutzung der Kernenergie.

Die Kerne schwerer Elemente – Uran, Plutonium und einige andere – absorbieren intensiv thermische Neutronen. Nach dem Neutroneneinfang wird ein schwerer Kern mit einer Wahrscheinlichkeit von ~0,8 in zwei Teile ungleicher Masse geteilt, die als Fragmente oder Spaltprodukte bezeichnet werden. Dabei werden schnelle Neutronen (durchschnittlich etwa 2,5 Neutronen pro Spaltereignis), negativ geladene Betateilchen und neutrale Gammaquanten emittiert und die Bindungsenergie der Teilchen im Kern in die kinetische Energie von Spaltfragmenten, Neutronen und anderen Teilchen umgewandelt. Diese Energie wird dann für die thermische Anregung der Atome und Moleküle aufgewendet, aus denen der Stoff besteht, d. h. um die umgebende Materie zu erwärmen.

Nach der Kernspaltung durchlaufen die bei der Kernspaltung entstehenden Kernfragmente, da sie instabil sind, eine Reihe aufeinanderfolgender radioaktiver Umwandlungen und emittieren mit einiger Verzögerung „verzögerte“ Neutronen, eine große Anzahl von Alpha-, Beta- und Gammateilchen. Andererseits haben einige Fragmente die Fähigkeit, Neutronen intensiv zu absorbieren.

Ein Kernreaktor ist eine technische Anlage, in der eine sich selbst erhaltende Kettenreaktion der Spaltung schwerer Kerne unter Freisetzung von Kernenergie abläuft. Ein Kernreaktor besteht aus einer aktiven Zone und einem Reflektor, der in einem Schutzgehäuse untergebracht ist. Die aktive Zone enthält Kernbrennstoff in Form einer Brennstoffzusammensetzung in einer Schutzschicht und einen Moderator. Brennstoffzellen haben meist die Form dünner Stäbe. Sie werden in Bündeln gesammelt und in Hüllen eingeschlossen. Solche vorgefertigten Zusammensetzungen werden Baugruppen oder Kassetten genannt.

Entlang der Brennelemente bewegt sich ein Kühlmittel, das die Wärme der Kernumwandlungen aufnimmt. Das im Kern erhitzte Kühlmittel bewegt sich durch den Betrieb der Pumpen oder unter Einwirkung archimedischer Kräfte entlang des Zirkulationskreislaufs und gibt beim Durchlaufen des Wärmetauschers oder Dampferzeugers Wärme an das Kühlmittel des externen Kreislaufs ab.

Die Wärmeübertragung und die Bewegung ihrer Träger lassen sich als einfaches Schema darstellen:

1.Reaktor

2. Wärmetauscher, Dampferzeuger

3.Dampfturbinenanlage

4.Generator

5.Kondensator

Die Entwicklung einer Industriegesellschaft basiert auf einem immer höheren Produktions- und Konsumniveau.

verschiedene Arten von Energie.

Wie Sie wissen, basiert die Erzeugung von Wärme und Strom auf der Verbrennung fossiler Brennstoffe.

Energieressourcen -

• Öl

und in der Kernenergietechnik - die Spaltung der Kerne von Uran- und Plutoniumatomen bei der Absorption von Neutronen.

Das Ausmaß der Gewinnung und des Verbrauchs fossiler Energieressourcen, Metalle, des Wasser- und Luftverbrauchs zur Erzeugung der für die Menschheit notwendigen Energiemenge ist enorm, und leider sind die Ressourcenreserven begrenzt. Besonders akut ist das Problem der raschen Erschöpfung der organischen natürlichen Energieressourcen.

1 kg Natururan ersetzt 20 Tonnen Kohle.

Die Weltreserven an Energieressourcen werden auf 355 Q geschätzt, wobei Q eine Einheit der thermischen Energie ist, gleich Q=2,52*1017 kcal = 36*109 Tonnen Standardbrennstoff /t.c.f./, d.h. Brennstoff mit einem Heizwert von 7000 kcal/kg, so dass die Energiereserven 12,8 * 1012 Tonnen Referenzbrennstoff betragen.

Davon entfällt ca. 1/3, d.h. ~ 4,3*1012 Tonnen kann mit moderner Technologie zu moderaten Kosten für die Brennstoffgewinnung gefördert werden. Andererseits liegt der aktuelle Bedarf an Energieträgern bei 1,1*1010 t SKE/Jahr und wächst mit einer Rate von 3-4 % pro Jahr, d. h. alle 20 Jahre verdoppeln.

Es lässt sich leicht abschätzen, dass die organischen fossilen Ressourcen im nächsten Jahrhundert weitgehend erschöpft sein werden, selbst wenn man die wahrscheinliche Verlangsamung des Wachstums des Energieverbrauchs berücksichtigt.

Übrigens stellen wir fest, dass bei der Verbrennung fossiler Kohlen und Öle, die einen Schwefelgehalt von etwa 2,5 % haben, jährlich bis zu 400 Millionen Tonnen erzeugt werden. Schwefeldioxid und Stickoxide, also etwa 70 kg. Schadstoffe pro Erdbewohner pro Jahr.

Die Nutzung der Energie des Atomkerns, die Entwicklung der Kernenergie beseitigt die Schärfe dieses Problems.

Tatsächlich hat die Entdeckung der Spaltung schwerer Kerne beim Einfangen von Neutronen, die unser Jahrhundert atomar machte, den Energiereserven fossiler Brennstoffe einen bedeutenden Schatz an Kernbrennstoffen hinzugefügt. Die Uranreserven in der Erdkruste werden auf gewaltige 1014 Tonnen geschätzt. Der Großteil dieses Reichtums befindet sich jedoch in verstreutem Zustand – in Graniten und Basalten. In den Gewässern der Ozeane erreicht die Uranmenge 4 * 109 Tonnen. Es sind jedoch relativ wenige reiche Uranlagerstätten bekannt, deren Abbau kostengünstig wäre. Daher wird die Masse der Uranressourcen, die mit moderner Technologie und zu angemessenen Preisen abgebaut werden können, auf 108 Tonnen geschätzt. Der jährliche Bedarf an Uran beträgt nach modernen Schätzungen 104 Tonnen Natururan. Diese Reserven ermöglichen es also, wie Akademiemitglied A.P. Aleksandrov sagte, „das Damoklesschwert der Treibstoffknappheit für praktisch unbegrenzte Zeit zu beseitigen.“

Ein weiteres wichtiges Problem der modernen Industriegesellschaft ist die Gewährleistung der Erhaltung der Natur, der Reinheit des Wassers und des Luftbeckens.

Bekannte Besorgnis von Wissenschaftlern über den „Treibhauseffekt“, der durch Kohlendioxidemissionen bei der Verbrennung fossiler Brennstoffe entsteht, und die damit verbundene globale Erwärmung des Klimas auf unserem Planeten. Und die Probleme der Gasverschmutzung im Luftbecken, „saurer“ Regenfälle und der Vergiftung von Flüssen haben in vielen Gebieten einen kritischen Punkt erreicht.

Kernenergie verbraucht keinen Sauerstoff und verursacht im Normalbetrieb vernachlässigbare Emissionen. Wenn die Kernenergie die konventionelle Energie ersetzt, entfällt die Möglichkeit eines „Treibhauses“ mit schwerwiegenden Umweltfolgen der globalen Erwärmung.

Ein äußerst wichtiger Umstand ist die Tatsache, dass die Kernenergie in nahezu allen Regionen der Welt ihre wirtschaftliche Effizienz unter Beweis gestellt hat. Darüber hinaus wird die Kernenergie selbst bei einer großen Energieerzeugung in Kernkraftwerken keine besonderen Transportprobleme mit sich bringen, da sie vernachlässigbare Transportkosten erfordert, was die Gesellschaften von der Last befreit, ständig große Mengen fossiler Brennstoffe transportieren zu müssen.

Kernreaktoren werden in mehrere Gruppen eingeteilt:

abhängig von der durchschnittlichen Energie des Neutronenspektrums - in schnelle, mittlere und thermische;

entsprechend den Konstruktionsmerkmalen des Kerns - in Rumpf und Kanal;

nach Art des Kühlmittels – Wasser, schweres Wasser, Natrium;

nach Moderatortyp - in Wasser, Graphit, schweres Wasser usw.

Für energetische Zwecke, zur Stromerzeugung, werden verwendet:

Druckwasserreaktoren mit nicht siedendem Wasser oder siedendem Wasser unter Druck,

Uran-Graphit-Reaktoren mit kochendem Wasser oder gekühlt mit Kohlendioxid,

Schwerwasserkanalreaktoren usw.

In Zukunft werden schnelle Neutronenreaktoren, die mit flüssigen Metallen (Natrium usw.) gekühlt werden, weit verbreitet sein; in dem wir grundsätzlich die Art der Kraftstoffreproduktion umsetzen, d.h. Bildung einer Menge spaltbarer Pu-239-Isotope von Plutonium, die die Menge verbrauchbarer Isotope von Uran U-235 übersteigt. Der Parameter, der die Reproduktion von Kraftstoff charakterisiert, wird als Plutoniumkoeffizient bezeichnet. Es zeigt, wie viele Pu-239-Atome bei Neutroneneinfangreaktionen in U-238 pro einem U-235-Atom erzeugt werden, das ein Neutron einfängt und eine Spaltung oder Strahlungsumwandlung in U-235 durchläuft.

Druckwasserreaktoren nehmen in der weltweiten Leistungsreaktorflotte eine herausragende Stellung ein. Darüber hinaus werden sie in der Marine häufig als Energiequellen für Überwasserschiffe und U-Boote eingesetzt. Solche Reaktoren sind relativ kompakt, einfach und zuverlässig im Betrieb. Wasser, das in solchen Reaktoren als Kühlmittel und Neutronenmoderator dient, ist relativ günstig, nicht aggressiv und verfügt über gute Neutroneneigenschaften.

Druckwasserreaktoren werden auch als Druck- oder Leichtwasserreaktoren bezeichnet. Sie bestehen aus einem zylindrischen Druckbehälter mit abnehmbarem Deckel. Dieses Gefäß (Reaktorgefäß) beherbergt den Kern, der aus Brennelementen (Brennstoffpatronen) und beweglichen Elementen des Kontroll- und Schutzsystems besteht. Wasser dringt durch Düsen in den Körper ein, wird in den Raum unter dem Kern geleitet, bewegt sich entlang der Brennelemente vertikal nach oben und wird durch die Auslassdüsen in den Zirkulationskreislauf abgegeben. Die Wärme der Kernreaktionen wird in den Dampferzeugern auf das Sekundärwasser mit niedrigerem Druck übertragen. Die Bewegung des Wassers entlang des Kreislaufs wird durch den Betrieb von Umwälzpumpen oder, wie bei Reaktoren für Wärmeversorgungsstationen, durch den Antriebsdruck der natürlichen Zirkulation sichergestellt.

Kernfusion morgen.

„Tomorrow“ soll zunächst die nächste Generation von Tokamaks schaffen, in denen eine autarke Synthese erreicht werden kann. Zu diesem Zweck wird am nach I. V. Kurchatov benannten IAE und am nach D. V. Efremov benannten Forschungsinstitut für elektrophysikalische Ausrüstung ein experimenteller thermonuklearer Reaktor (OTR) entwickelt.

Bei der OTR besteht das Ziel darin, die Reaktion selbst auf einem solchen Niveau zu halten, dass das Verhältnis der nutzbaren Energieabgabe zur verbrauchten Energie (bezeichnet mit Q) größer oder mindestens gleich eins ist: Q=1. Dieser Zustand ist ein schwerwiegender Schritt in der Entwicklung aller Elemente des Systems auf dem Weg zur Schaffung eines kommerziellen Reaktors mit Q=5. Nach vorliegenden Schätzungen wird erst bei diesem Wert von Q die Autarkie einer thermonuklearen Energiequelle erreicht, wenn die Kosten aller Serviceprozesse, einschließlich Sozial- und Haushaltskosten, amortisiert sind. Mittlerweile wurde auf dem amerikanischen TFTR der Wert Q=0,2-0,4 erreicht.

Es gibt auch andere Probleme. Beispielsweise ist die erste Wand – also die Hülle einer toroidalen Vakuumkammer – der am stärksten beanspruchte, im wahrsten Sinne des Wortes am längsten leidende Teil der gesamten Struktur. Im OTR beträgt sein Volumen etwa 300 m 3 und die Oberfläche etwa 400 m 2 . Die Wand muss stark genug sein, um dem atmosphärischen Druck und den mechanischen Kräften des Magnetfelds standzuhalten, und dünn genug, um Wärmeströme vom Plasma zum an der Außenseite des Toroids zirkulierenden Wasser ohne nennenswerten Temperaturunterschied abzuleiten. Seine optimale Dicke beträgt 2 mm. Als Materialien wurden austenitische Stähle oder Nickel- und Titanlegierungen gewählt.

Es ist geplant, NET (Next Europeus Tor) von Euratom zu installieren, das in vielerlei Hinsicht OTP ähnelt. Dies ist die nächste Generation von Tokamaks nach JET und T-15.

NET sollte zwischen 1994 und 1999 gebaut werden. Die erste Forschungsphase soll in 3-4 Jahren durchgeführt werden.

Sie sprechen auch über die nächste Generation nach NET – dies ist bereits ein „echter“ thermonuklearer Reaktor, der bedingt DEMO genannt wird. Allerdings ist auch bei NET noch nicht alles klar, da der Aufbau mehrerer internationaler Installationen geplant ist.