Nuklearna energija koristi se u proizvodne svrhe. Atomska energija. Povijest otkrića nuklearne energije

Energija vjetra

Energija vjetra je grana energetike specijalizirana za korištenje energije vjetra – kinetičke energije zračnih masa u atmosferi. Budući da je energija vjetra posljedica aktivnosti sunca, svrstava se u obnovljive izvore energije. energija vjetra još se ne može smatrati dostojnim konkurentom tradicionalnim nuklearnim, hidro i termoelektranama. Prosječna nuklearna elektrana proizvodi otprilike 1,3 tisuće MW električne energije – više od četiri najveće vjetroelektrane na svijetu.

Prema podacima Američke udruge za energiju vjetra, cijena izgradnje vjetroelektrane pala je na milijun dolara po MW, što je otprilike isto kao i izgradnja nuklearne elektrane. Po učinkovitosti ulaganja vjetroelektrane su superiornije samo od plinskih (600 tisuća dolara po 1 MW). Međutim, za razliku od plina, energija vjetra je besplatna. Vjetrogeneratori ne troše fosilna goriva. Radom vjetroagregata snage 1 MW tijekom 20 godina rada uštedi se približno 29 tisuća tona ugljena ili 92 tisuće barela nafte. Vjetrogenerator snage 1 MW smanjuje godišnje emisije u atmosferu za 1800 tona CO2, 9 tona SO2, 4 tone dušikovih oksida.

Njegova velika prednost u odnosu na nuklearnu energiju je što nema problema skladištenja i obrade istrošenog goriva. Unatoč činjenici da se u dvadeset godina cijena električne energije iz vjetra smanjila s 40 na 5 centi po kilovatu i približila se cijeni električne energije proizvedene izgaranjem nafte, plina, ugljena i nuklearne energije (u SAD-u su njezine cijene 2 ... 3 centa po kilovatu), bit će teško premostiti ovaj jaz.

Od 1978. godine Sjedinjene Države potrošile su više od 11 milijardi dolara javnih sredstava na znanstveno istraživanje u ovoj industriji, ali rezultati takvih ulaganja su još uvijek mali. Do danas čista energija ne čini više od 8% električne energije proizvedene u svim elektranama u Sjedinjenim Državama. Prema prognozi Ministarstva energetike SAD-a, njegov će se udio do 2025. godine povećati za samo 0,5%. Ako od toga oduzmemo energiju proizvedenu u hidroelektranama, brojke će biti još skromnije - 2,1% u 2001. i 3,3% u 2025. godini.

Nuklearna energija je grana energetike koja se bavi proizvodnjom i korištenjem nuklearne energije (ranije se koristio termin Nuklearna energija).

Obično se za proizvodnju nuklearne energije koristi lančana reakcija nuklearne fisije jezgri urana-235 ili plutonija. Jezgre se cijepaju kada ih neutron pogodi, te se dobivaju novi neutroni i fisijski fragmenti. Fisijski neutroni i fisijski fragmenti imaju veliku kinetičku energiju. Kao rezultat sudara fragmenata s drugim atomima, ovo kinetička energija brzo pretvara u toplinu.

Iako je u svakom području energetike primarni izvor nuklearna energija (npr. energija sunčevih nuklearnih reakcija u hidroelektranama i elektranama na fosilna goriva, energija radioaktivnog raspada u geotermalne elektrane), samo se korištenje kontroliranih reakcija u nuklearnim reaktorima odnosi na nuklearnu energiju.

Nuklearna energija se proizvodi u nuklearnim elektranama, koristi se na nuklearnim ledolomcima, nuklearnim podmornicama; Sjedinjene Države provode program stvaranja nuklearnog motora za svemirske letjelice, osim toga, pokušano je stvoriti nuklearni motor za zrakoplove.

Nuklearna energija i dalje je predmet žestokih rasprava. Pristaše i protivnici nuklearne energije oštro se razlikuju u procjenama njezine sigurnosti, pouzdanosti i ekonomske učinkovitosti. Rašireno je mišljenje o mogućem istjecanju nuklearnog goriva iz sfere proizvodnje električne energije i njegovom korištenju za proizvodnju nuklearnog oružja.

U prirodi se nuklearna energija oslobađa u zvijezdama, a čovjek je koristi uglavnom u nuklearnom oružju i nuklearnoj energiji, posebno u nuklearnim elektranama.

Fizički temelji

Energija veze

Iako se jezgra sastoji od nukleona, međutim, masa jezgre nije samo zbroj masa nukleona. Energija koja drži te nukleone zajedno promatra se kao razlika u masi jezgre i masa pojedinačnih nukleona koji je čine, do faktora c 2 , koji povezuje masu i energiju jednadžbom E = m ⋅ c 2 . (\displaystyle E=m\cdot c^(2).) Dakle, određivanjem mase atoma i mase njegovih komponenti, može se odrediti prosječna energija po nukleonu koji drži različite jezgre zajedno.

Iz grafa je vidljivo da vrlo lake jezgre imaju manju energiju vezanja po nukleonu od jezgri koje su malo teže (na lijevoj strani grafa). To je razlog zašto termonuklearne reakcije (odnosno fuzija lakih jezgri) oslobađaju energiju. Suprotno tome, vrlo teške jezgre na desnoj strani grafikona imaju nižu energiju vezanja po nukleonu od jezgri srednje mase. U tom smislu, fisija teških jezgri također je energetski povoljna (odnosno, događa se s oslobađanjem nuklearne energije). Također treba napomenuti da je tijekom fuzije (s lijeve strane) razlika u masi puno veća nego tijekom fisije (s desne strane).

Energija potrebna da se jezgra potpuno podijeli na pojedinačne nukleone naziva se energija vezanja E iz jezgre. Specifična energija vezanja (to jest, energija vezanja po nukleonu, ε = E sa / A, Gdje A- broj nukleona u jezgri, odnosno maseni broj), nije isti za različite kemijske elemente pa čak ni za izotope istog kemijskog elementa. Specifična energija vezanja nukleona u jezgri u prosjeku varira od 1 MeV za lake jezgre (deuterij) do 8,6 MeV za jezgre srednje mase (s masenim br. A≈ 100 ). Za teške jezgre ( A≈ 200 ), specifična energija vezanja nukleona manja je od energije jezgri prosječne mase, za približno 1 MeV, tako da je njihova transformacija u jezgre prosječne težine (podjela na 2 dijela) popraćena oslobađanjem energije u iznos od oko 1 MeV po nukleonu, ili oko 200 MeV po jezgri. Transformacija lakih jezgri u teže jezgre daje još veći energetski dobitak po nukleonu. Tako je, na primjer, reakcija spoja jezgri deuterija i tricija

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)) )

praćeno oslobađanjem energije od 17,6 MeV, tj. 3,5 MeV po nukleonu.

Nuklearna fizija

Pojava 2,5 neutrona po događaju fisije omogućuje lančanu reakciju ako barem jedan od tih 2,5 neutrona može proizvesti novu fisiju jezgre urana. Normalno, emitirani neutroni ne dijele odmah jezgre urana, već se prvo moraju usporiti na toplinske brzine (2200 m/s pri T=300 K). Usporavanje se najučinkovitije postiže uz pomoć okolnih atoma drugog elementa s malim A, poput vodika, ugljika itd. materijala koji se naziva moderator.

Neke druge jezgre također mogu fisirati hvatanjem sporih neutrona, poput 233U ili 239. Međutim, fisija brzih neutrona (visoke energije) takvih jezgri kao što je 238 U (to je 140 puta više od 235 U) ili 232 (to je Zemljina kora 400 puta više od 235 U).

Elementarnu teoriju fisije stvorili su Niels Bohr i J. Wheeler koristeći kapljični model jezgre.

Nuklearna fisija se također može postići brzim alfa česticama, protonima ili deuteronima. Međutim, te čestice, za razliku od neutrona, moraju imati veliku energiju da bi prevladale Coulombovu barijeru jezgre.

Oslobađanje nuklearne energije

Poznato je da egzotermne nuklearne reakcije oslobađaju nuklearnu energiju.

Obično se za dobivanje nuklearne energije koristi lančana reakcija nuklearne fisije jezgri urana-235 ili plutonija, rjeđe drugih teških jezgri (uran-238, torij-232). Jezgre se dijele kada ih neutron pogodi, te se dobivaju novi neutroni i fisijski fragmenti. Fisijski neutroni i fisijski fragmenti imaju veliku kinetičku energiju. Kao rezultat sudara fragmenata s drugim atomima, ta se kinetička energija brzo pretvara u toplinu.

Drugi način oslobađanja nuklearne energije je termonuklearna fuzija. U ovom slučaju, dvije jezgre lakih elemenata spojene su u jednu tešku. U prirodi se takvi procesi odvijaju na Suncu i drugim zvijezdama, budući da su glavni izvor njihove energije.

Mnoge atomske jezgre su nestabilne. S vremenom se neke od tih jezgri spontano pretvaraju u druge jezgre, oslobađajući energiju. Taj se fenomen naziva radioaktivni raspad.

Primjena nuklearne energije

Podjela

Trenutno, od svih izvora nuklearne energije, najveći praktičnu upotrebu ima energiju koja se oslobađa tijekom fisije teških jezgri. U uvjetima nedostatka energetskih resursa, nuklearna energija na fisijskim reaktorima smatra se najperspektivnijom u narednim desetljećima. U nuklearnim elektranama nuklearna energija se koristi za proizvodnju topline koja se koristi za proizvodnju električne energije i grijanja. Nuklearne elektrane riješile su problem brodova s ​​neograničenim područjem plovidbe (

Sveučilište za menadžment”
Odjel za upravljanje inovacijama
disciplina: "Pojmovi moderne prirodne znanosti"
Prezentacija na temu: Nuklearna energija
energija: njezina bit i
korištenje u tehnologiji i
tehnologije

Plan prezentacije

Uvod
Nuklearna elektrana.
Povijest otkrića nuklearne energije
Nuklearni reaktor: povijest stvaranja, struktura,
osnovni principi, klasifikacija reaktora
Sfere korištenja nuklearne energije
Zaključak
Korišteni izvori

Uvod

Energetika je najvažnija grana nacionalnog gospodarstva,
koji pokriva energetske resurse, proizvodnju, transformaciju,
prijenos i korištenje razne vrste energije. Ovo je osnova
državno gospodarstvo.
U svijetu postoji proces industrijalizacija, koja zahtijeva
dodatna potrošnja materijala, što povećava troškove energije.
Kako stanovništvo raste, troškovi energije za obradu tla rastu,
žetva, proizvodnja gnojiva itd.
Trenutno su mnogi prirodni lako dostupni resursi
planeti su iscrpljeni. Vađenje sirovina odvija se na velikim
duboko ili pučinski. Ograničene svjetske zalihe
nafta i plin, čini se, stavljaju čovječanstvo ispred perspektive
energetska kriza.
Međutim, korištenje nuklearne energije daje čovječanstvu
mogućnost da se to izbjegne, budući da rezultati temeljnih
istraživanje nuklearne fizike može odvratiti prijetnju
energetsku krizu iskorištavanjem oslobođene energije
u nekim reakcijama atomskih jezgri

Nuklearna elektrana

Nuklearna energija (atomska energija) je energija,
sadržane u atomskim jezgrama i oslobođene
u nuklearnim reakcijama. Nuklearne elektrane,
koji proizvode ovu energiju proizvode 13–14%
svjetska proizvodnja električne energije. .

Povijest otkrića nuklearne energije

1895. otvara V.K. Roentgen Ionizirana radiacija(X-zrake)
1896. A. Becquerel otkriva fenomen radioaktivnosti.
1898. M. Sklodowska i P. Curie otkrivaju radioaktivne elemente
Po (polonij) i Ra (radij).
1913. N. Bor razvija teoriju strukture atoma i molekula.
1932. J. Chadwick otkriva neutrone.
1939. O. Hahn i F. Strassmann istražuju fisiju jezgri U pod djelovanjem
spori neutroni.
Prosinac 1942. - Prvi samoodrživi
kontrolirana lančana reakcija nuklearne fisije na reaktoru SR-1 (Grupa
fizičari Sveučilišta u Chicagu, voditelj E. Fermi).
25. prosinca 1946. - Prvi sovjetski reaktor F-1 pušten je u rad
kritično stanje (skupina fizičara i inženjera predvođena
I.V. Kurchatov)
1949. - Pušten u pogon prvi reaktor za proizvodnju Pu
27. lipnja 1954. - Prva nuklearna jedinica na svijetu
elektrana električne snage 5 MW u Obninsku.
Do početka 1990-ih, više od 430 nuklearnih
energetskih reaktora ukupnog kapaciteta cca. 340 GW.

Povijest stvaranja nuklearnog reaktora

Enrico Fermi (1901.-1954.)
Kurchatov I.V. (1903.-1960.)
1942. godine u SAD-u, pod vodstvom E. Fermija, prv
nuklearni reaktor.
1946. godine pokrenuo prvi sovjetski reaktor pod vodstvom
Akademik I.V. Kurchatov.

Dizajn reaktora nuklearne elektrane (pojednostavljeno)

Osnovni elementi:
Jezgra s nuklearnim gorivom i
moderator;
Reflektor neutrona, ambijent
aktivna zona;
rashladna tekućina;
Kontrolni sustav lančane reakcije,
uključujući hitnu zaštitu
Zaštita od zračenja
Sustav daljinskog upravljanja
Glavna karakteristika reaktora je
njegovu izlaznu snagu.
Snaga u 1 MW - 3 1016 podjela
za 1 sek.
Shematski raspored nuklearne elektrane
Presjek heterogenog reaktora

Struktura nuklearnog reaktora

Faktor množenja neutrona

Karakterizira stopu rasta broja
neutrona i jednak je omjeru broja
neutrona u bilo kojoj generaciji
lančana reakcija na broj koji ih je iznjedrio
neutroni prethodne generacije.
k=Si/Si-1
k<1 – Реакция затухает
k=1 - Reakcija se odvija stacionarno
k=1,006 – Granica upravljivosti
reakcije
k>1,01 - Eksplozija (za uključen reaktor
oslobađanje energije toplinskih neutrona
će rasti 20 000 puta u sekundi).
Tipična lančana reakcija za uran;

10. Reaktorom upravljaju šipke koje sadrže kadmij ili bor.

Razlikuju se sljedeće vrste šipki (prema namjeni primjene):
Kompenzacijske šipke - kompenziraju početni višak
reaktivnost, napreduju kako gorivo izgara; do 100
stvari
Kontrolne šipke - za održavanje kritične
stanje u bilo koje vrijeme, zaustaviti, pokrenuti
reaktor; neki
Napomena: Razlikuju se sljedeće vrste šipki (prema namjeni
aplikacije):
Regulacijska i kompenzacijska šipka po izboru
su različiti konstruktivni elementi.
registracija
Crash rods - ispušteni gravitacijom
u središnji dio aktivne zone; neki. Može biti
dodatno odložen i dio upravljačkih šipki.

11. Podjela nuklearnih reaktora prema spektru neutrona

Reaktor toplinskih neutrona ("toplinski reaktor")
Potreban nam je moderator brzih neutrona (voda, grafit, berilij) za toplinski
energije (frakcije eV).
Mali gubici neutrona u moderatoru i konstrukcijskim materijalima =>
kao gorivo se može koristiti prirodni i slabo obogaćeni uran.
Snažni energetski reaktori mogu koristiti uran s visokim
obogaćivanje - do 10%.
Potrebna je velika granica reaktivnosti.
Reaktor brzih neutrona ("brzi reaktor")
Kao moderator i usporavač koriste se uran karbid UC, PuO2 itd
ima mnogo manje neutrona (0,1-0,4 MeV).
Kao gorivo može se koristiti samo visoko obogaćeni uran. Ali
u isto vrijeme, učinkovitost goriva je 1,5 puta veća.
Potreban je reflektor neutrona (238U, 232Th). Vraćaju se u aktivnu zonu
brzi neutroni s energijama iznad 0,1 MeV. Neutroni uhvaćeni jezgrama 238U, 232Th,
potrošeno na dobivanje fisijskih jezgri 239Pu i 233U.
Izbor građevinskog materijala nije ograničen na presjek apsorpcije,
mnogo manje reaktivnosti.
Reaktor na srednjim neutronima
Brzi neutroni se usporavaju na energiju od 1-1000 eV prije nego što se apsorbiraju.
Visoko opterećenje nuklearnim gorivom u usporedbi s toplinskim reaktorima
neutroni.
Nemoguće je izvršiti proširenu reprodukciju nuklearnog goriva, kao u
brzi neutronski reaktor.

12. Prema smještaju goriva

Homogeni reaktori - gorivo i moderator predstavljaju homogeni
smjesa
Nuklearno gorivo nalazi se u jezgri reaktora u obliku
homogena smjesa: otopine uranovih soli; suspenzije uranovih oksida u
laka i teška voda; čvrsti moderator impregniran uranom;
rastaljene soli. Varijante homogenih reaktora sa
plinovito gorivo (plinoviti spojevi urana) ili suspenzija
uranova prašina u plinu.
Toplinu koja se stvara u jezgri uklanja rashladno sredstvo (voda,
plin, itd.) koji se kreće kroz cijevi kroz jezgru; bilo mješavina
gorivo sa samim moderatorom služi kao rashladno sredstvo,
cirkuliraju kroz izmjenjivače topline.
Nije u širokoj upotrebi (jaka korozija strukturnih
materijala u tekućem gorivu, složenost dizajna reaktora na
čvrste smjese, više utovara nisko obogaćenog urana
gorivo, itd.)
Heterogeni reaktori - gorivo se diskretno stavlja u jezgru
u obliku blokova, između kojih se nalazi moderator
Glavna značajka je prisutnost gorivih elemenata
(TVEL-ovi). Gorivne šipke mogu biti različitih oblika (šipke, ploče
itd.), ali uvijek postoji jasna granica između goriva,
moderator, rashladno sredstvo itd.
Velika većina reaktora koji se danas koriste jesu
heterogene, što je zbog njihovih dizajnerskih prednosti u smislu
u usporedbi s homogenim reaktorima.

13. Po prirodi uporabe

Ime
Svrha
Vlast
eksperimentalni
reaktorima
Proučavanje različitih fizičkih veličina,
čije su vrijednosti potrebne za
dizajn i rad nuklearnih
reaktorima.
~103 W
Istraživanje
reaktorima
Tokovi neutrona i γ-kvanta stvoreni u
jezgra, koristi se za
istraživanja u području nuklearne fizike,
fizika čvrstog stanja, kemija zračenja,
biologije, za ispitivanje materijala,
dizajniran za rad u intenzivnim
tokovi neutrona (uključujući dijelove nuklearnih
reaktori), za proizvodnju izotopa.
<107Вт
Eminentan
volim energiju
pravilo nije
koristi se
Izotopni reaktori
Za proizvodnju izotopa koji se koriste u
nuklearno oružje, kao što je 239Pu, i in
industrija.
~103 W
energija
reaktorima
Za električnu i toplinsku
energije koja se koristi u elektroprivredi
desalinizacija vode, za pogon snage
brodske instalacije itd.
Do 3-5 109W

14. Sklop heterogenog reaktora

U heterogenom reaktoru nuklearno gorivo je raspoređeno u aktivnom
zona diskretno u obliku blokova, između kojih se nalazi
moderator neutrona

15. Teškovodni nuklearni reaktor

Prednosti
Manji presjek apsorpcije
Neutroni => Poboljšano
ravnoteža neutrona =>
Koristi kao
gorivo prirodnog urana
Sposobnost stvaranja
industrijska teška voda
reaktori za proizvodnju
tricij i plutonij, i
širok raspon izotopa
proizvoda, uključujući
medicinsku svrhu.
Mane
Visoka cijena deuterija

16. Prirodni nuklearni reaktor

U prirodi, pod uvjetima kao
umjetni reaktor,
zone prirodnih
nuklearni reaktor.
Jedini poznati prirodni
nuklearni reaktor postojao 2 mlrd
godine u regiji Oklo (Gabon).
Podrijetlo: vrlo bogata žila uranove rude dobiva vodu iz
površine, koja ima ulogu moderatora neutrona. Slučajno
propadanje pokreće lančanu reakciju. Svojim aktivnim tokom voda proključa,
reakcija slabi – samoregulacija.
Reakcija je trajala ~100 000 godina. Ovo trenutno nije moguće zbog
uran osiromašen prirodnim raspadom.
Provode se terenska istraživanja radi proučavanja migracija
izotopi – važni za razvoj tehnika podzemnog odlaganja
radioaktivni otpad.

17. Područja korištenja nuklearne energije

Nuklearna elektrana
Shema rada nuklearne elektrane na dvostrukom krugu
energetski reaktor s vodom pod tlakom (VVER)

18.

Osim nuklearnih elektrana koriste se nuklearni reaktori:
na nuklearnim ledolomcima
na nuklearnim podmornicama;
tijekom djelovanja nuklearnih projektila
motori (posebno za AMS).

19. Nuklearna energija u svemiru

svemirska sonda
Cassini, stvorio
NASA i ESA projekt,
lansiran 15.10.1997 za
niz studija
objekti Sunca
sustava.
Proizvodnja električne energije
provodi troje
radioizotop
termoelektrični
generatori: Cassini
nosi na brodu 30 kg 238Pu,
koji, raspadajući se,
odaje toplinu
pretvoren u
struja

20. Svemirski brod "Prometej 1"

NASA razvija nuklearni reaktor,
sposobni za rad u uvjetima
bestežinsko stanje.
Cilj je opskrba prostora
brod "Prometej 1" prema projektu
potraga za životom na Jupiterovim mjesecima.

21. Bomba. Princip nekontrolirane nuklearne reakcije.

Jedina fizička potreba je dobiti kritični
mase za k>1,01. Razvoj sustava upravljanja nije potreban -
jeftiniji od nuklearne energije.
Metoda pištolja
Dva subkritična ingota urana, kada se spoje, premašuju
kritično. Stupanj obogaćenja 235U je najmanje 80%.
Ova vrsta bebe bombe bačena je na Hirošimu 06/08/45 8:15
(78-240 tisuća ubijenih, 140 tisuća umrlo unutar 6 mjeseci)

22. Eksplozivna metoda prešanja

Bomba na bazi plutonija, koja uz pomoć kompleksa
sustav istodobne detonacije konvencionalnog eksploziva komprimira se na
superkritična veličina.
Bomba ovog tipa "Fat Man" bačena je na Nagasaki
09/08/45 11:02
(75 tisuća poginulih i ranjenih).

23. Zaključak

Energetski problem jedan je od najvažnijih problema koji
danas je na čovječanstvu da odluči. Već postao poznat
napredak u znanosti i tehnologiji kao sredstvo trenutne komunikacije, brzo
transport, istraživanje svemira. Ali sve ovo zahtijeva
ogromne troškove energije.
Nagli porast proizvodnje i potrošnje energije iznio je novi
akutan problem onečišćenja okoliša, koji je
ozbiljna opasnost za čovječanstvo.
Svjetske energetske potrebe u nadolazećim desetljećima
brzo će se povećati. Nema jedinstvenog izvora energije
može pružiti, pa je potrebno razviti sve izvore
energija i učinkovito korištenje energetskih resursa.
U sljedećoj fazi razvoja energetike (prva desetljeća XXI. stoljeća)
energija ugljena i nuklearna energija ostat će najperspektivnije
elektroenergetika s toplinskim i brzim neutronskim reaktorima. Međutim, možete
nada da se čovječanstvo neće zaustaviti na putu napretka,
povezana sa sve većom potrošnjom energije.

Atom se sastoji od jezgre okružene oblacima čestica tzv elektroni(vidi sliku). Jezgre atoma - najmanje čestice koje čine sve tvari - sadrže značajnu rezervu. Upravo se ta energija oslobađa u obliku zračenja tijekom raspada radioaktivnih elemenata. Zračenje je opasno po život, ali nuklearne reakcije mogu se koristiti za proizvodnju . Zračenje se također koristi u medicini.

Radioaktivnost

Radioaktivnost je svojstvo jezgri nestabilnih atoma da zrače energiju. Većina teških atoma je nestabilna, a lakši atomi imaju radioizotope, tj. radioaktivni izotopi. Razlog za radioaktivnost je taj što atomi teže postati stabilni (vidi članak ""). Postoje tri vrste radioaktivnog zračenja: alfa zrake, beta zrake I gama zrake. Ime su dobili po prva tri slova grčkog alfabeta. U početku jezgra emitira alfa ili beta zrake, a ako je još nestabilna, jezgra emitira i gama zrake. Na slici vidite tri atomske jezgre. Nestabilni su, a svaki od njih emitira jednu od tri vrste zraka. Beta čestice su elektroni s vrlo visokom energijom. Nastaju raspadom neutrona. Alfa čestice se sastoje od dva protona i dva neutrona. Jezgra atoma helija ima potpuno isti sastav. Gama zrake su elektromagnetska radijacija visoka energija koja se širi brzinom svjetlosti.

Alfa čestice se kreću sporo, a sloj materije deblji od komada papira ih zarobljava. Ne razlikuju se od jezgri atoma helija. Znanstvenici vjeruju da je helij na Zemlji proizvod prirodne radioaktivnosti. Alfa čestica leti manje od 10 cm, a list debelog papira će je zaustaviti. Beta čestica leti oko 1 metar u zraku. Može ga držati bakreni lim debljine 1 mm. Intenzitet gama zraka pada za polovinu pri prolasku kroz sloj olova od 13 milimetara ili sloj od 120 metara.

Radioaktivne tvari transportiraju se u olovnim spremnicima debelih stijenki kako bi se spriječilo curenje zračenja. Izloženost zračenju uzrokuje opekline, kataraktu i rak kod ljudi. Razina zračenja mjeri se pomoću Geigerov brojač. Ovaj uređaj emitira klikove kada se otkrije radioaktivno zračenje. Nakon emitiranja čestica, jezgra dobiva novi atomski broj i pretvara se u jezgru drugog elementa. Ovaj proces se zove radioaktivni raspad. Ako je novi element također nestabilan, proces raspada se nastavlja sve dok se ne formira stabilna jezgra. Na primjer, kada atom plutonija-2 (njegova masa je 242) emitira alfa česticu čija je relativna atomska masa 4 (2 protona i 2 neutrona), ona se pretvara u atom urana - 238 (atomska masa 238). Pola zivota je vrijeme koje je potrebno da se polovica svih atoma u uzorku dane tvari raspadne. Različiti imaju različite poluživote. Vrijeme poluraspada radija-221 je 30 sekundi, dok je vrijeme urana 4,5 milijardi godina.

Nuklearne reakcije

Postoje dvije vrste nuklearnih reakcija: nuklearna fuzija I fisija (cijepanje) jezgre. "Sinteza" znači "veza"; u nuklearnoj fuziji dvije su jezgre spojene i jedna velika. Nuklearna fuzija može se dogoditi samo na vrlo visokim temperaturama. Tijekom fuzije oslobađa se ogromna količina energije. U nuklearnoj fuziji dvije se jezgre spajaju u jednu veliku. Satelit KOBE je 1992. detektirao posebnu vrstu zračenja u svemiru, što potvrđuje teoriju da je ono nastalo kao posljedica tzv. veliki prasak. Iz izraza "fisija" jasno je da se jezgre cijepaju, oslobađajući nuklearnu energiju. To je moguće prilikom bombardiranja jezgri neutronima i događa se u radioaktivnim tvarima ili u posebnom uređaju tzv. akcelerator čestica. Jezgra se dijeli, emitira neutrone i oslobađa kolosalnu energiju.

Nuklearna elektrana

Energija oslobođena nuklearnim reakcijama može se koristiti za proizvodnju električne energije i kao izvor energije za nuklearne podmornice i nosače zrakoplova. Rad nuklearne elektrane temelji se na nuklearnoj fisiji u nuklearnim reaktorima. Štap napravljen od radioaktivne tvari, poput urana, bombardira se neutronima. Jezgre urana se cijepaju, zračeći energiju. Time se oslobađaju novi neutroni. Takav proces se zove lančana reakcija. Iz jedinice mase goriva elektrane proizvode više energije nego bilo koje druge elektrane, ali su sigurnosne mjere i zbrinjavanje radioaktivnog otpada izuzetno skupi.

Nuklearno oružje

Djelovanje nuklearnog oružja temelji se na činjenici da nekontrolirano oslobađanje ogromne količine nuklearne energije dovodi do strašne eksplozije. Na kraju Drugog svjetskog rata Sjedinjene Države bacile su atomske bombe na japanske gradove Hirošimu i Nagasaki. Umrle su stotine tisuća ljudi. Atomske bombe temelje se na reakcije fisije, vodik - uključeno reakcije sinteze. Slika prikazuje atomsku bombu bačenu na Hirošimu.

radiokarbonska metoda

Radiokarbonskom metodom utvrđuje se vrijeme proteklo od smrti organizma. Živa bića sadrže male količine ugljika-14, radioaktivnog izotopa ugljika. Njegov poluživot je 5700 godina. Kada organizam umre, zalihe ugljika-14 u tkivu su iscrpljene, izotop se raspada, a preostala količina može se koristiti za određivanje prije koliko je vremena organizam umro. Zahvaljujući radiokarbonskoj metodi, možete saznati prije koliko je vremena došlo do erupcije. Da biste to učinili, koristite insekte smrznute u lavi i pelud.

Kako se još koristi radioaktivnost?

U industriji, pomoću zračenja, određuje se debljina lista papira ili plastike (vidi članak ""). Iz intenziteta beta zraka koje prolaze kroz lim, može se otkriti čak i mala nehomogenost njegove debljine. Hrana – voće, meso – ozračena je gama zrakama kako bi ostala svježa. Pomoću radioaktivnosti liječnici prate put tvari u tijelu. Na primjer, da bi odredio kako se šećer raspoređuje u tijelu pacijenta, liječnik može ubrizgati nešto ugljika-14 u molekule šećera i pratiti emisiju te tvari dok ulazi u tijelo. Radioterapijom, odnosno zračenjem bolesnika strogo doziranim obrocima zračenja, ubijaju se stanice raka - razrasle stanice tijela.

1. Uvod

2.Radioaktivnost

3. Nuklearni reaktori

4. Inženjerski aspekti termonuklearnog reaktora

5. Nuklearna reakcija. Nuklearna elektrana.

6.Gama zrake

7.Nuklearni reaktor

8.Principi izgradnje nuklearne elektrane

9. Nuklearna fuzija sutra

10. Zaključak

11. Popis literature

UVOD: što proučava fizika?

Fizika je znanost o prirodi koja proučava najjednostavnije, a ujedno i najopćenitije zakone prirode, strukturu i zakone gibanja materije. Fizika pripada egzaktne znanosti. Njegovi pojmovi i zakoni čine osnovu prirodne znanosti. Granice koje razdvajaju fiziku i druge prirodne znanosti povijesno su proizvoljne. Opće je prihvaćeno da je fizika u svojoj srži eksperimentalna znanost, jer se zakonitosti koje ona otkriva temelje na empirijski utvrđenim podacima. Fizikalni zakoni prikazani su u obliku kvantitativnih omjera izraženih jezikom matematike. Općenito, fizika se dijeli na eksperimentalnu, koja se bavi provođenjem pokusa u cilju utvrđivanja novih činjenica i provjeru hipoteza i poznatih fizikalnih zakona, i teorijsku, usmjerenu na formuliranje fizikalnih zakona, objašnjenje na temelju tih zakona. prirodni fenomen i predviđanje novih pojava.

Struktura fizike je složena. Uključuje različite discipline ili sekcije. Ovisno o predmetima koji se proučavaju, razlikuju se fizika elementarnih čestica, nuklearna fizika, fizika atoma i molekula, fizika plinova i tekućina, fizika plazme i fizika čvrstog stanja. Ovisno o proučavanim procesima ili oblicima gibanja materije, mehanika materijalnih točaka i čvrste tvari, mehanika kontinuuma (uključujući akustiku), termodinamika i statistička mehanika, elektrodinamika (uključujući optiku), teorija gravitacije, kvantna mehanika i kvantna teorija polja. Ovisno o potrošačkoj usmjerenosti dobivenog znanja, razlikuju se fundamentalna i primijenjena fizika. Također je uobičajeno izdvojiti učenje o vibracijama i valovima, koje mehaničke, akustičke, električne i optičke vibracije i valove razmatraju s jedinstvenog stajališta. Fizika se temelji na temeljnim fizikalnim principima i teorijama koje pokrivaju sve grane fizike i najpotpunije odražavaju bit fizikalnih pojava i procesa stvarnosti.

Od ranih civilizacija koje su nastale na obalama Tigrisa, Eufrata i Nila (Babilon, Asirija, Egipat) nema dokaza o dostignućima u području fizičkog znanja, s izuzetkom onih utjelovljenih u arhitektonskim građevinama, kućanstvu itd. . proizvodi znanja. Podižući razne vrste objekata i izrađujući predmete za kućanstvo, oružje i sl., ljudi su se koristili određenim rezultatima brojnih fizičkih promatranja, tehničkih eksperimenata i njihovih generalizacija. Može se reći da su određena empirijska fizikalna znanja postojala, ali nije postojao sustav fizikalnih znanja.

Fizički prikazi u staroj Kini također su se pojavili na temelju različitih tehničkih aktivnosti, tijekom kojih su razvijeni različiti tehnološki recepti. Naravno, prije svega su razvijeni mehanički prikazi. Dakle, Kinezi su imali ideje o snazi ​​(ono što vas tjera da se krećete), protudjelovanju (ono što zaustavlja kretanje), poluzi, bloku, usporedbi utega (usporedba sa standardom). U području optike, Kinezi su imali ideju o formiranju inverzne slike u "camera obscura". Već u šestom stoljeću pr. poznavali su fenomen magnetizma – privlačenja željeza magnetom, na temelju čega je nastao kompas. U području akustike poznavali su zakone harmonije, fenomen rezonancije. Ali to su još uvijek bile empirijske ideje koje nisu imale teorijsko objašnjenje.

U staroj Indiji temelj prirodno-filozofskih ideja je doktrina o pet elemenata - zemlji, vodi, vatri, zraku i eteru. Bilo je i nagađanja o atomskoj strukturi materije. Razvijene su izvorne ideje o takvim svojstvima materije kao što su težina, fluidnost, viskoznost, elastičnost itd., o gibanju i uzrocima koji ga uzrokuju. Do VI stoljeća. PRIJE KRISTA. empirijski fizikalni pojmovi u nekim područjima pokazuju tendenciju prijelaza u izvorne teorijske konstrukcije (u optici, akustici).

Fenomen radioaktivnosti, odnosno spontanog raspada jezgri, otkrio je francuski fizičar A. Becquerel 1896. Otkrio je da uran i njegovi spojevi emitiraju zrake ili čestice koje prodiru kroz neprozirna tijela i mogu osvijetliti fotografsku ploču, Becquerel je utvrdio da zračenje intenzitet je proporcionalan samo koncentraciji urana i ne ovisi o vanjskim uvjetima (temperatura, tlak) io tome nalazi li se uran u nekom kemijskom spoju.

Engleski fizičari E. Rutherford i F. Soddy dokazali su da u svim radioaktivnim procesima dolazi do međusobnih transformacija atomskih jezgri. kemijski elementi. Proučavanje svojstava zračenja koje prati te procese u magnetskim i električna polja, pokazalo je da se ono dijeli na a-čestice (jezgre helija), b-čestice (elektrone) i g-zrake (elektromagnetsko zračenje vrlo kratke valne duljine).

Atomska jezgra koja emitira g-kvante, a-, b- ili druge čestice, naziva se radioaktivna jezgra. U prirodi postoje 272 stabilne atomske jezgre. Sve ostale jezgre su radioaktivne i nazivaju se radioizotopi.

Energija vezanja jezgre karakterizira njenu otpornost na raspad na sastavne dijelove. Ako je energija vezanja jezgre manja od energije vezanja produkata njenog raspada, onda to znači da se jezgra može spontano (spontano) raspasti. Tijekom alfa raspada, alfa čestice odnose gotovo svu energiju, a samo 2% otpada na sekundarnu jezgru. U alfa raspadu maseni broj mijenja se za 4 jedinice, a atomski broj za dvije jedinice.

Početna energija alfa čestice je 4-10 MeV. Budući da alfa čestice imaju veliku masu i naboj, njihov srednji slobodni put u zraku je kratak. Tako je, primjerice, srednji slobodni put u zraku alfa čestica koje emitira jezgra urana 2,7 cm, a onih koje emitira radij 3,3 cm.

Ovo je proces pretvaranja atomske jezgre u drugu jezgru s promjenom serijskog broja bez promjene masenog broja. Postoje tri vrste b-raspada: elektronski, pozitronski i zarobljavanje orbitalnog elektrona atomskom jezgrom. obično se naziva i vrsta posljednjeg raspada DO- hvatanje, jer u ovom slučaju dolazi do apsorpcije elektrona iz najbliže jezgre DOškoljke. Apsorpcija elektrona iz L I Mškoljke je također moguće, ali manje vjerojatno. Poluživot b-aktivnih jezgri varira u vrlo širokom rasponu.

Broj beta-aktivnih jezgri trenutno poznatih je oko tisuću i pol, ali samo 20 od njih su prirodni beta-radioaktivni izotopi. Sve ostalo dobiveno je umjetnim putem.

Kontinuirana kinetička raspodjela energije emitiranih elektrona tijekom raspada objašnjava se činjenicom da se uz elektron emitira i antineutrino. Kad ne bi bilo antineutrina, tada bi elektroni imali striktno definiran impuls, jednak momentu zaostale jezgre. Oštar prekid u spektru opaža se pri vrijednosti kinetičke energije jednakoj energiji beta raspada. U tom su slučaju kinetičke energije jezgre i antineutrina jednake nuli, a elektron odnosi svu energiju koja se oslobađa tijekom reakcije.

Tijekom elektronskog raspada, rezidualna jezgra ima redni broj za jedan više od izvorne, uz zadržavanje masenog broja. To znači da se u rezidualnoj jezgri broj protona povećao za jedan, dok je broj neutrona, naprotiv, postao manji: N=A-(Z+1).

U raspadu pozitrona ukupan broj nukleona je sačuvan, ali je u konačnoj jezgri jedan neutron više nego u početnoj. Dakle, raspad pozitrona možemo tumačiti kao reakciju transformacije unutar jezgre jednog protona u neutron uz emisiju pozitrona i neutrina.

DO elektroničko snimanje odnosi se na proces apsorpcije atoma jednog od orbitalnih elektrona njegovog atoma. Budući da je hvatanje elektrona iz orbite najbliže jezgri najvjerojatnije, elektroni će najvjerojatnije biti apsorbirani DO- školjke. Stoga se ovaj proces također naziva DO- uhvatiti.

Mnogo je manje vjerojatno da će uhvatiti elektrone iz L-,M- školjke. Nakon hvatanja elektrona iz DO-ljuska, dolazi do niza prijelaza elektrona iz orbite u orbitu, nastaje novo atomsko stanje, emitira se kvant X-zraka.

Stabilne jezgre su u stanju najniže energije. Ovo stanje se naziva glavno stanje. Međutim, ozračivanjem atomskih jezgri raznim česticama ili visokoenergetskim protonima, na njih se može prenijeti određena energija, a samim time i oni se mogu prevesti u stanja koja odgovaraju višoj energiji. Prelazeći nakon nekog vremena iz pobuđenog stanja u osnovno stanje, atomska jezgra može emitirati ili česticu, ako je energija pobude dovoljno visoka, ili elektromagnetsko zračenje visoke energije - gama kvant.

Budući da je pobuđena jezgra u diskretnim energetskim stanjima, gama zračenje također karakterizira linijski spektar.

Fisijom teških jezgri nastaje nekoliko slobodnih neutrona. To omogućuje organiziranje takozvane fisijske lančane reakcije, kada neutroni, šireći se u mediju koji sadrži teške elemente, mogu izazvati svoju fisiju uz emisiju novih slobodnih neutrona. Ako je okolina takva da se povećava broj novorođenih neutrona, tada proces fisije raste poput lavine. U slučaju kada se broj neutrona smanji tijekom sljedećih fisija, lančana nuklearna reakcija se raspada.

Da bi se dobila stacionarna nuklearna lančana reakcija, očito je potrebno stvoriti takve uvjete da svaka jezgra koja je apsorbirala neutron tijekom fisije u prosjeku oslobodi jedan neutron koji odlazi na fisiju druge teške jezgre.

Nuklearni reaktor je uređaj u kojem se provodi i održava kontrolirana lančana reakcija fisije nekih teških jezgri.

Nuklearna lančana reakcija u reaktoru može se izvesti samo s određenim brojem fisijskih jezgri, koje mogu fisirati pri bilo kojoj energiji neutrona. Od fisijskih materijala najvažniji je izotop 235 U, čiji je udio u prirodnom uranu samo 0,714%.

Iako je 238 U podijeljen neutronima čija energija prelazi 1,2 MeV, međutim, samoodrživa lančana reakcija na brzim neutronima u prirodnom uranu nije moguća zbog velike vjerojatnosti neelastične interakcije jezgri 238 U s brzim neutronima. U tom slučaju energija neutrona postaje niža od praga fisijske energije jezgri 238 U.

Korištenje moderatora dovodi do smanjenja rezonantne apsorpcije u 238 U, budući da neutron može proći kroz područje rezonantnih energija kao rezultat sudara s moderatorskim jezgrama i biti apsorbiran od strane jezgri 235 U, 239 Pu, 233 U, čiji se presjek fisije značajno povećava sa smanjenjem energije neutrona. Kao moderatori koriste se materijali s malim masenim brojem i malim presjekom apsorpcije (voda, grafit, berilij i dr.).

Za karakterizaciju fisijske lančane reakcije koristi se veličina koja se naziva faktor množenja K. To je omjer broja neutrona određene generacije prema broju neutrona prethodne generacije. Za stacionarnu fisijsku lančanu reakciju K=1. Sustav za oplemenjivanje (reaktor) u kojem je K=1 naziva se kritičnim. Ako je K > 1, povećava se broj neutrona u sustavu iu tom se slučaju naziva prekokritičnim. Kod 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 većina do fisije dolazi kada se apsorbiraju toplinski neutroni, tada se takav reaktor naziva reaktor toplinskih neutrona. Energija neutrona u takvom sustavu ne prelazi 0,2 eV. Ako većina fisija u reaktoru nastaje apsorbiranjem brzih neutrona, takav se reaktor naziva brzi neutronski reaktor.

U jezgri termoneutronskog reaktora, uz nuklearno gorivo, nalazi se značajna masa moderatora, tvari koju karakterizira veliki presjek raspršenja i mali presjek apsorpcije.

Jezgra reaktora je gotovo uvijek, s izuzetkom posebnih reaktora, okružena reflektorom koji višestrukim raspršenjem vraća dio neurona u jezgru.

U reaktorima koji se temelje na brzim neuronima, aktivna zona je okružena zonama reprodukcije. Akumuliraju fisibilne izotope. Osim toga, zone reprodukcije također obavljaju funkcije reflektora.

U nuklearnom reaktoru dolazi do nakupljanja produkata fisije, koji se nazivaju troske. Prisutnost troske dovodi do dodatnih gubitaka slobodnih neutrona.

Nuklearni reaktori, ovisno o međusobnom rasporedu goriva i moderatora, dijele se na homogene i heterogene. U homogenom reaktoru jezgra je homogena masa goriva, moderatora i rashladnog sredstva u obliku otopine, smjese ili taline. Reaktor se naziva heterogenim, u kojem se gorivo u obliku blokova ili gorivnih sklopova nalazi u moderatoru, tvoreći u njemu pravilnu geometrijsku rešetku.

Tijekom rada reaktora toplina se oslobađa u elementima za odvođenje topline (gorivim elementima), kao iu svim njegovim konstrukcijskim elementima, u različitim količinama. To je, prije svega, zbog inhibicije fisijskih fragmenata, njihovog beta i gama zračenja, kao i jezgri koje su u interakciji s neuronima, i, konačno, usporavanja brzih neurona. Fragmenti u fisiji jezgre goriva klasificiraju se prema brzinama koje odgovaraju temperaturama od stotina milijardi stupnjeva.

Doista, E= mu 2 = 3RT, gdje je E kinetička energija fragmenata, MeV; R \u003d 1,38 10 -23 J / K - Boltzmannova konstanta. Uzimajući u obzir da je 1 MeV = 1,6 10 -13 J, dobivamo 1,6 10 -6 E = 2,07 10 -16 T, T = 7,7 10 9 E. Najvjerojatnije vrijednosti energije za fisije fragmenata su 97 MeV za lagani fragment i 65 MeV za tešku. Tada je odgovarajuća temperatura za lagani fragment 7,5 10 11 K, za teški - 5 10 11 K. Iako je temperatura koja se može postići u nuklearnom reaktoru teoretski gotovo neograničena, u praksi su ograničenja određena maksimalnom dopuštenom temperaturom konstrukcije. materijala i gorivih elemenata.

Značajka nuklearnog reaktora je da se 94% energije fisije trenutno pretvara u toplinu, tj. tijekom vremena tijekom kojeg se snaga reaktora ili gustoća materijala u njemu ne stigne primjetno promijeniti. Stoga, kada se snaga reaktora promijeni, oslobađanje topline prati proces fisije goriva bez odgode. Međutim, kada se reaktor isključi, kada se brzina fisije smanji za više desetaka puta, u njemu ostaju izvori odgođenog oslobađanja topline (gama i beta zračenje produkata fisije), koji postaju dominantni.

Snaga nuklearnog reaktora proporcionalna je gustoći toka neurona u njemu, pa je svaka snaga teoretski ostvariva. U praksi se granična snaga određuje brzinom odvođenja topline koja se oslobađa u reaktoru. Specifično uklanjanje topline u modernim energetskim reaktorima je 10 2 - 10 3 MW / m 3, u vrtlogu - 10 4 - 10 5 MW / m 3.

Toplina se odvodi iz reaktora rashladnom tekućinom koja kroz njega cirkulira. karakteristična značajka reaktor je zaostala toplina nakon završetka fisijske reakcije, koja zahtijeva odvođenje topline dugo vremena nakon gašenja reaktora. Iako je zaostala toplinska snaga puno manja od nominalne, cirkulacija rashladne tekućine kroz reaktor mora biti osigurana vrlo pouzdano, budući da se raspadna toplina ne može kontrolirati. Uklanjanje rashladne tekućine iz reaktora koji radi neko vrijeme strogo je zabranjeno kako bi se izbjeglo pregrijavanje i oštećenje gorivih elemenata.

Nuklearni energetski reaktor je uređaj u kojem se provodi kontrolirana lančana reakcija nuklearne fisije teških elemenata, a toplinska energija koja se pri tome oslobađa rashladnom tekućinom. Glavni element nuklearnog reaktora je jezgra. U njemu se nalazi nuklearno gorivo i provodi lančana reakcija fisije. Aktivna zona je skup gorivih elemenata koji sadrže nuklearno gorivo postavljeno na određeni način. Reaktori s toplinskim neutronima koriste moderator. Rashladno sredstvo struji kroz jezgru, hladeći gorive elemente. U nekim vrstama reaktora ulogu moderatora i rashladne tekućine obavlja ista tvar, na primjer obična ili teška voda. Za

za upravljanje radom reaktora u jezgru se uvode kontrolne šipke izrađene od materijala s velikim presjekom apsorpcije neutrona. Jezgra energetskih reaktora okružena je reflektorom neutrona - slojem moderatorskog materijala za smanjenje istjecanja neutrona iz jezgre. Osim toga, zahvaljujući reflektoru, gustoća neutrona i oslobađanje energije izjednačeni su po volumenu jezgre, čime je moguće dobiti veću snagu za zadane veličine zona, postići ravnomjernije sagorijevanje goriva, povećati trajanje reaktor bez punjenja gorivom, te za pojednostavljenje sustava za odvođenje topline. Reflektor se zagrijava zbog energije usporavanja i apsorbiranih neutrona i gama kvanta, stoga je osigurano njegovo hlađenje. Jezgra, reflektor i drugi elementi smješteni su u hermetički zatvoreno kućište ili kućište, obično okruženo biološkom zaštitom.

Jezgra reaktora mora biti projektirana na način da se isključi mogućnost nepredviđenog pomicanja njezinih komponenti, što dovodi do povećanja reaktivnosti. Glavni strukturni dio heterogene jezgre je gorivi element, koji uvelike određuje njegovu pouzdanost, dimenzije i cijenu. U energetskim reaktorima u pravilu se koriste gorivne šipke s gorivom u obliku komprimiranih kuglica uranovog dioksida zatvorenog u ljusku od čelika ili legure cirkonija. Radi praktičnosti, gorivi elementi sastavljeni su u gorivne sklopove (FA), koji su ugrađeni u jezgru nuklearnog reaktora.

U gorivim šipkama, glavni udio toplinske energije se stvara i prenosi na rashladnu tekućinu. Više od 90% sve energije oslobođene tijekom fisije teških jezgri oslobađa se unutar gorivih elemenata i uklanja rashladno sredstvo koje teče oko gorivih elemenata. Gorivi elementi rade u vrlo teškim toplinskim uvjetima: maksimalna gustoća toplinskog toka od gorivnog elementa do rashladne tekućine doseže (1 - 2) 10 6 W / m 2, dok je u modernim parnim kotlovima (2 - 3) 10 5 W / m 2. Osim toga, velika količina topline oslobađa se u relativno malom volumenu nuklearnog goriva; energetski intenzitet nuklearnog goriva također je vrlo visok. Specifično oslobađanje topline u jezgri doseže 10 8 -10 9 W/m 3 , dok kod modernih parnih kotlova ne prelazi 10 7 W/m 3 .

Veliki toplinski tokovi koji prolaze kroz površinu gorivih elemenata i značajna energetska gustoća goriva zahtijevaju izuzetno visoku trajnost i pouzdanost gorivih elemenata. Osim toga, radni uvjeti gorivih elemenata komplicirani su visokom radnom temperaturom, koja doseže 300 - 600 C o na površini ljuske, mogućnošću toplinskih udara, vibracijama, prisutnošću toka neutrona (fluens doseže 10 27 neutrona/ m 2).

Visoki tehnički zahtjevi nameću se gorivim šipkama: jednostavnost dizajna; mehanička stabilnost i čvrstoća u protoku rashladnog sredstva, osiguravajući očuvanje dimenzija i nepropusnosti; niska apsorpcija neutrona strukturnim materijalom gorive šipke i minimalnim strukturnim materijalom u jezgri; nema međudjelovanja nuklearnog goriva i produkata fisije s omotačem goriva, rashladnim sredstvom i moderatorom na radnim temperaturama. Geometrijski oblik gorivnog elementa mora osigurati potreban omjer površine i volumena i maksimalni intenzitet odvođenja topline rashladnim sredstvom s cijele površine gorivnog elementa, kao i jamčiti veliku dubinu izgaranja nuklearnog goriva i visoku stupanj zadržavanja produkata fisije. Gorivne šipke moraju imati otpornost na zračenje, imati potrebne dimenzije i dizajn, pružajući mogućnost brzog izvođenja operacija punjenja gorivom; imaju jednostavnost i učinkovitost regeneracije nuklearnog goriva i nisku cijenu.

Iz sigurnosnih razloga, obloge goriva trebaju biti pouzdano zabrtvljene tijekom cijelog razdoblja rada jezgre (3-5 godina) i naknadnog skladištenja istrošenih gorivnih elemenata do slanja na ponovnu obradu (1-3 godine). Pri projektiranju jezgre potrebno je unaprijed utvrditi i obrazložiti dopuštene granice oštećenja gorivih elemenata (broj i stupanj oštećenja). Jezgra je projektirana na način da tijekom rada tijekom cijelog predviđenog vijeka trajanja ne dođe do prekoračenja utvrđenih granica oštećenja gorivih elemenata. Sukladnost s ovim zahtjevima osigurana je dizajnom jezgre, kvalitetom rashladne tekućine, karakteristikama i pouzdanošću sustava za uklanjanje topline. Tijekom rada moguća je nepropusnost obloge pojedinih gorivih elemenata. Postoje dvije vrste takvog kršenja: stvaranje mikropukotina kroz koje plinoviti fisijski proizvodi izlaze iz gorivnog elementa u rashladno sredstvo (defekt tipa gustoće plina); pojava kvarova kod kojih je moguć izravan kontakt goriva s rashladnom tekućinom.

Radni uvjeti gorivih šipki uvelike su određeni konstrukcijom jezgre, koja treba osigurati proračunsku geometriju gorivih šipki i ono što je potrebno sa stajališta temperaturnih uvjeta za distribuciju rashladnog sredstva. Tijekom rada reaktora iz struje mora se održavati stabilan protok rashladnog sredstva kroz jezgru, što jamči pouzdano odvođenje topline. Jezgra bi trebala biti opremljena senzorima unutar kontrole reaktora, koji daju informacije o raspodjeli snage, neutronskom toku, temperaturnim uvjetima gorivih elemenata i protoku rashladnog sredstva.

Jezgra energetskog reaktora mora biti projektirana tako da unutarnji mehanizam interakcije između neutronsko-fizikalnih i toplinsko-fizikalnih procesa postavlja novu sigurnu razinu snage pri bilo kakvim poremećajima faktora množenja. U praksi se sigurnost nuklearne elektrane osigurava, s jedne strane, stabilnošću reaktora (smanjenje faktora množenja s povećanjem temperature i snage jezgre), as druge strane, pouzdanost sustava automatskog upravljanja i zaštite.

Kako bi se osigurala dubinska sigurnost, dizajn jezgre i karakteristike nuklearnog goriva moraju isključiti mogućnost stvaranja kritičnih masa fisijskih materijala tijekom razaranja jezgre i taljenja nuklearnog goriva. Prilikom projektiranja jezgre trebalo bi biti moguće uvesti apsorber neutrona za zaustavljanje lančane reakcije u svim slučajevima povezanim s kršenjem hlađenja jezgre.

Jezgra, koja sadrži velike količine nuklearnog goriva za kompenzaciju izgaranja, trovanja i temperaturnog učinka, ima, takoreći, nekoliko kritičnih masa. Stoga svaki kritični volumen goriva mora imati sredstva za kompenzaciju reaktivnosti. Treba ih postaviti u jezgru na način da se isključi mogućnost lokalnih kritičnih masa.

Reaktori se klasificiraju prema razini energije neutrona koji sudjeluju u reakciji fisije, prema principu smještaja goriva i moderatora, namjeni, vrsti moderatora i rashladnog sredstva te njihovom agregatnom stanju.

Po razini energije neutrona: reaktori mogu raditi na brze neutrone, na neutrone toplinske i srednje (rezonantne) energije i, u skladu s tim, dijele se na reaktore na toplinske, brze i srednje neutrone (ponekad se radi skraćenosti nazivaju toplinski, brzi i srednji).

U reaktor toplinskih neutrona Većina nuklearne fisije događa se kada jezgre fisijskih izotopa apsorbiraju toplinske neutrone. Reaktori u kojima nuklearnu fisiju uglavnom proizvode neutroni s energijama većim od 0,5 MeV nazivaju se brzi neutronski reaktori. Reaktori u kojima se većina fisija događa kao rezultat apsorpcije intermedijarnih neutrona fisijskim izotopima nazivaju se intermedijarni (rezonantni) neutronski reaktori.

Trenutačno se najviše koriste reaktori s toplinskim neutronima. Toplinske reaktore karakteriziraju koncentracije nuklearnog goriva 235 U u jezgri od 1 do 100 kg/m 3 i prisutnost velikih masa moderatora. Reaktor na brzim neutronima karakteriziraju koncentracije 235 U ili 239 U nuklearnog goriva reda veličine 1000 kg/m 3 i nepostojanje moderatora u jezgri.

U srednjim neutronskim reaktorima u jezgri je vrlo malo moderatora, a koncentracija nuklearnog goriva 235 U u njoj je od 100 do 1000 kg/m 3 .

U reaktorima toplinskih neutrona također dolazi do fisije jezgri goriva kada brzi neutroni budu zahvaćeni jezgrom, ali je vjerojatnost tog procesa beznačajna (1 - 3%). Potreba za moderatorom neutrona uzrokovana je činjenicom da su efektivni presjeci fisije jezgri goriva puno veći pri niskim energijama neutrona nego pri visokim.

U jezgri toplinskog reaktora mora postojati moderator - tvar čije jezgre imaju mali maseni broj. Kao moderator koristi se grafit, teška ili laka voda, berilij, organske tekućine. Termalni reaktor može raditi čak i na prirodnom uranu ako teška voda ili grafit služe kao moderator. Za ostale moderatore mora se koristiti obogaćeni uran. Potrebne kritične dimenzije reaktora ovise o stupnju obogaćivanja goriva, a s povećanjem stupnja obogaćivanja sve su manje. Značajan nedostatak reaktora s toplinskim neutronima je gubitak sporih neutrona kao rezultat njihovog hvatanja moderatorom, rashladnom tekućinom, strukturnim materijalima i produktima fisije. Stoga je u takvim reaktorima potrebno koristiti tvari s niskim presjekom hvatanja sporih neutrona kao moderator, rashladno sredstvo i konstrukcijske materijale.

U srednji neutronski reaktori, u kojem većinu fisijskih događaja uzrokuju neutroni s energijama višima od toplinske (od 1 eV do 100 keV), masa moderatora manja je nego u toplinskim reaktorima. Značajka rada takvog reaktora je da se presjek fisije goriva manje smanjuje s povećanjem fisije neutrona u međupodručju nego presjek apsorpcije strukturnih materijala i produkata fisije. Stoga se povećava vjerojatnost činova fisije u usporedbi s činovima apsorpcije. Zahtjevi za neutronske karakteristike konstrukcijskih materijala su manje strogi, njihov raspon je širi. Posljedično, jezgra srednjeg neutronskog reaktora može biti izrađena od jačih materijala, što omogućuje povećanje specifičnog odvođenja topline s grijaće površine reaktora. Obogaćenje goriva fisijskim izotopima u srednjim reaktorima trebalo bi biti veće nego u toplinskim reaktorima kao rezultat smanjenja poprečnog presjeka. Reprodukcija nuklearnog goriva u srednjim neutronskim reaktorima je veća nego u toplinskim neutronskim reaktorima.

Tvari koje slabo ublažuju neutrone koriste se kao rashladna sredstva u međureaktorima. Na primjer, tekući metali. Moderator je grafit, berilij itd.

Gorive šipke s visoko obogaćenim gorivom smještene su u jezgru brzog neutronskog reaktora. Aktivna zona je okružena zonom razmnožavanja koja se sastoji od gorivih šipki koje sadrže sirovine goriva (osiromašeni uran, torij). Neutroni emitirani iz aktivne zone hvataju se u zoni razmnožavanja jezgrama sirovine goriva, kao rezultat toga nastaje novo nuklearno gorivo. Posebna prednost brzih reaktora je mogućnost organiziranja produljene reprodukcije nuklearnog goriva u njima, tj. Istovremeno s proizvodnjom energije proizvoditi novo umjesto izgorjelog nuklearnog goriva. Brzi reaktori ne zahtijevaju moderator, a rashladna tekućina ne bi trebala usporavati neutrone.

Ovisno o načinu smještaja goriva u jezgru, reaktori se dijele na homogene i heterogene.

U homogeni reaktor nuklearno gorivo, rashladno sredstvo i moderator (ako postoji) su temeljito izmiješani i u istom su agregatnom stanju, tj. jezgra potpuno homogenog reaktora je tekuća, kruta ili plinovita homogena smjesa nuklearnog goriva, rashladnog sredstva ili moderatora. Homogeni reaktori mogu biti toplinski i brzi neutronski. U takvom je reaktoru cijela jezgra smještena unutar čelične kuglaste posude i predstavlja tekuću homogenu smjesu goriva i moderatora u obliku otopine ili tekuće legure (npr. otopina uran sulfata u vodi, otopina urana u tekućem bizmutu), koji istovremeno obavlja funkciju rashladnog sredstva.

Reakcija nuklearne fisije događa se u otopini goriva unutar kuglaste posude reaktora, kao rezultat, temperatura otopine raste. Zapaljiva otopina iz reaktora ulazi u izmjenjivač topline, gdje predaje toplinu vodi sekundarnog kruga, hladi se i cirkulacijskom pumpom šalje natrag u reaktor. Kako bi se spriječilo odvijanje nuklearne reakcije izvan reaktora, volumeni cjevovoda kruga, izmjenjivača topline i pumpe su odabrani tako da je volumen goriva koji se nalazi u svakom dijelu kruga mnogo manji od kritičnog. . Homogeni reaktori imaju niz prednosti u odnosu na heterogene. To je jednostavan dizajn jezgre i njezinih minimalnih dimenzija, mogućnost kontinuiranog uklanjanja produkata fisije i dodavanja svježeg nuklearnog goriva tijekom rada bez gašenja reaktora, jednostavnost pripreme goriva, a također i činjenica da se reaktorom može upravljati promjenom koncentracija nuklearnog goriva.

Međutim, homogeni reaktori također imaju ozbiljne nedostatke. Homogena smjesa koja cirkulira krugom emitira jako radioaktivno zračenje, što zahtijeva dodatnu zaštitu i komplicira upravljanje reaktorom. Samo dio goriva nalazi se u reaktoru i koristi se za proizvodnju energije, a drugi dio je u vanjskim cjevovodima, izmjenjivačima topline i pumpama. Kružna smjesa uzrokuje jaku koroziju i eroziju sustava i uređaja reaktora i kruga. Nastanak eksplozivne eksplozivne smjese u homogenom reaktoru kao rezultat radiolize vode zahtijeva uređaje za njeno izgaranje. Sve je to dovelo do toga da homogeni reaktori nisu u širokoj upotrebi.

U heterogeni reaktor gorivo u obliku blokova stavlja se u moderator, tj. gorivo i moderator su prostorno odvojeni.

Trenutno su samo heterogeni reaktori dizajnirani za energetske svrhe. Nuklearno gorivo u takvom reaktoru može se koristiti u plinovitom, tekućem i krutom stanju. Međutim, sada heterogeni reaktori rade samo na kruto gorivo.

Ovisno o moderatoru, heterogeni reaktori se dijele na grafitne, lakovodne, teškovodne i organske. Prema vrsti rashladnog sredstva heterogeni reaktori su lakovodni, teškovodni, plinoviti i tečnometalni. Tekući nositelji topline unutar reaktora mogu biti u jednofaznom i dvofaznom stanju. U prvom slučaju rashladna tekućina unutar reaktora ne ključa, au drugom slučaju ključa.

Reaktori u kojima je temperatura tekućeg rashladnog sredstva ispod vrelišta nazivaju se reaktori s stlačnom vodom, a reaktori u kojima rashladno sredstvo vrije nazivaju se reaktori koji vrije.

Ovisno o korištenom moderatoru i rashladnom sredstvu, heterogeni reaktori se izrađuju prema različitim shemama. U Rusiji su glavni tipovi nuklearnih reaktora voda pod tlakom i vodeni grafit.

Prema izvedbi reaktori se dijele na posude i kanale. U brodski reaktori tlak rashladne tekućine prenosi tijelo. Ukupni protok rashladnog sredstva teče unutar reaktorske posude. U kanalni reaktori rashladna tekućina se zasebno dovodi u svaki kanal sa sklopom goriva. Posuda reaktora nije opterećena tlakom rashladne tekućine, taj tlak nosi svaki pojedinačni kanal.

Ovisno o namjeni, nuklearni reaktori se dijele na energetske, konvertorske i multiplikatorske, istraživačke i višenamjenske, transportne i industrijske.

Nuklearni reaktori koriste se za proizvodnju električne energije u nuklearnim elektranama, u brodskim elektranama, u nuklearnim termoelektranama (NEK), kao iu nuklearnim toplinskim postrojenjima (NPP).

Reaktori namijenjeni proizvodnji sekundarnog nuklearnog goriva iz prirodnog urana i torija nazivaju se pretvarači ili puta po faktorima. U reaktoru-konverteru sekundarnog nuklearnog goriva nastaje manje nego što se inicijalno potroši.

U reaktoru - puta multiplikator, vrši se proširena reprodukcija nuklearnog goriva, tj. ispadne više nego što je potrošeno.

Istraživački reaktori koriste se za proučavanje procesa interakcije neutrona s materijom, proučavanje ponašanja reaktorskih materijala u intenzivnim poljima neutronskog i gama zračenja, radiokemijska i biološka istraživanja, proizvodnju izotopa, eksperimentalna istraživanja u fizici nuklearnih reaktora.

Reaktori imaju različite snage, stacionarni ili impulsni način rada. Najrašireniji istraživački reaktori s vodom pod tlakom na obogaćenom uranu. Toplinska snaga istraživačkih reaktora varira u širokom rasponu i doseže nekoliko tisuća kilovata.

Višenamjenski reaktori su reaktori koji služe za više namjena, poput proizvodnje električne energije i nuklearnog goriva.

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

gdje<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

kao

Inženjerski aspekti fuzijskog reaktora:

Termonuklearni reaktor tokamak sastoji se od sljedećih glavnih dijelova: magnetskog, kriogenog i vakuumskog sustava, sustava napajanja, pokrivača, tricijevog kruga i zaštite, sustava za dodatno zagrijavanje plazme i njeno napajanje gorivom, kao i sustava za daljinsko upravljanje i održavanje.

Magnetski sustav sadrži zavojnice toroidalnog magnetskog polja, induktor za održavanje struje i indukcijsko zagrijavanje plazme te namote koji tvore poloidno magnetsko polje, koje je neophodno za rad divertora i održavanje ravnoteže stupca plazme.

Kako bi se eliminirali Jouleovi gubici, magnetski sustav, kao što je ranije spomenuto, bit će potpuno supravodljiv. Za namote magnetskog sustava treba koristiti legure niobij-titan i niobij-kositar.

Stvaranje magnetskog sustava za supravodički reaktor sa U 12 T i gustoća struje od oko 2 kA jedan je od glavnih inženjerskih problema u razvoju termonuklearnog reaktora, koji će morati biti riješen u skoroj budućnosti.

Kriogeni sustav uključuje kriostat magnetskog sustava i kriopanele u injektorima za dodatno zagrijavanje plazme. Kriostat ima oblik vakuumske komore u kojoj su zatvorene sve ohlađene strukture. Svaka zavojnica magnetskog sustava nalazi se u tekućem heliju. Njegova para hladi posebne zaslone smještene unutar kriostata kako bi se smanjili tokovi topline s površina na temperaturi tekućeg helija. Kriogeni sustav ima dva kruga hlađenja, od kojih jedan cirkulira tekući helij, koji osigurava temperaturu potrebnu za normalan rad supravodljivih zavojnica od oko 4 K, a drugi - tekući dušik, čija je temperatura 80 - 95 K. Ovo krug služi za hlađenje pregrada, odvajanje dijelova helijem i sobne temperature.

Kriopaneli injektora hlađeni su tekućim helijem i dizajnirani su da apsorbiraju plinove, što omogućuje održavanje dovoljne brzine pumpanja pri relativno visokom vakuumu.

Vakuumski sustav osigurava pumpanje helija, vodika i nečistoća iz šupljine divertora ili iz prostora koji okružuje plazmu tijekom rada reaktora, kao i iz radne komore u pauzama između impulsa. Kako bi se spriječilo ispumpavanje tricija u okoliš, potrebno je osigurati zatvoreni krug u sustavu s minimalnom količinom cirkulirajućeg tricija. Plin se može ispumpavati turbomolekularnim pumpama, čija bi produktivnost trebala biti nešto veća od one koja se danas postiže. Trajanje pauze za pripremu radne komore za sljedeći impuls ne prelazi 30 s.

Sustav napajanja bitno ovisi o načinu rada reaktora. Zamjetno je jednostavnije za tokamak koji radi u kontinuiranom načinu rada. Kod rada u impulsnom načinu rada preporučljivo je koristiti kombinirani sustav napajanja - mrežu i motor-generator. Snaga generatora određena je impulsnim opterećenjima i doseže 10 6 kW.

Pokrivač reaktora nalazi se iza prve stijenke radne komore i dizajniran je za hvatanje neutrona proizvedenih u DT reakciji, reprodukciju "spaljenog" tricija i pretvaranje energije neutrona u toplinsku energiju. U hibridnom termonuklearnom reaktoru pokrivač također služi za proizvodnju fisijskih materijala. Blanket je, u biti, nešto novo po čemu se termonuklearni reaktor razlikuje od konvencionalne termonuklearne instalacije. Iskustvo u dizajnu i radu pokrivača još nije dostupno, stoga će biti potreban inženjering i razvoj dizajna litijskih i uranovih pokrivača.

Krug tricija sastoji se od nekoliko neovisnih jedinica koje osiguravaju regeneraciju plina evakuiranog iz radne komore, njegovo skladištenje i opskrbu za nadopunjavanje plazme, ekstrakciju tricija iz sloja i njegov povratak u sustav napajanja, kao i pročišćavanje ispušnih plinova i zraka iz njega.

Zaštita reaktora dijeli se na radijacijsku i biološku. Zaštita od zračenja prigušuje tok neutrona i smanjuje oslobađanje energije u supravodljivim zavojnicama. Za normalan rad magnetskog sustava uz minimalnu potrošnju energije potrebno je oslabiti tok neutrona za 10 s -10 6 puta. Zaštita od zračenja nalazi se između pokrivača i zavojnica toroidalnog polja i pokriva cijelu površinu radne komore, osim kanala divertera i injektora. Ovisno o sastavu, debljina zaštite je 80-130 cm.

Biološki štit se poklapa sa zidovima reaktorske hale i izrađen je od betona debljine 200 - 250 cm i štiti okolni prostor od zračenja.

Sustavi za dodatno zagrijavanje plazme i opskrbu gorivom zauzimaju značajan prostor oko reaktora. Ako se plazma zagrijava snopovima brzih atoma, onda zaštita od zračenja mora okružiti cijeli injektor, što je nezgodno za raspored opreme u reaktorskoj hali i održavanje reaktora. Visokofrekventni sustavi grijanja su u tom smislu atraktivniji, jer su njihovi ulazni uređaji (antene) kompaktniji, a generatori se mogu postaviti izvan reaktorske hale. Istraživanje tokamaka i razvoj dizajna antene omogućit će konačan izbor sustava grijanja plazme.

Sustav upravljanja sastavni je dio termonuklearnog reaktora. Kao i u svakom reaktoru, zbog prilično visoke razine radioaktivnosti u prostoru koji okružuje reaktor, njime se upravlja i održava daljinski - kako tijekom rada, tako i tijekom razdoblja gašenja.

Izvor radioaktivnosti u termonuklearnom reaktoru je, prvo, tricij, koji se raspada uz emisiju elektrona i niskoenergetskih 7-kvanta (vrijeme poluraspada mu je oko 13 godina), i drugo, radioaktivni nuklidi nastali tijekom interakcije neutrona sa strukturnim materijalima pokrivača i radnim kamerama. Kod najčešćih od njih (čelik, legure molibdena i niobija) aktivnost je prilično visoka, ali još uvijek oko 10-100 puta manja nego u nuklearnim reaktorima slične snage. U budućnosti se planira koristiti materijale s niskom induciranom aktivnošću u termonuklearnom reaktoru, na primjer, aluminij i vanadij. U međuvremenu, tokamak fuzijski reaktor se projektira s daljinskim održavanjem na umu, što nameće dodatne zahtjeve za njegov dizajn. Konkretno, sastojat će se od identičnih međusobno povezanih odjeljaka koji će biti ispunjeni različitim standardnim blokovima (modulima). To će omogućiti, ako je potrebno, relativno jednostavnu zamjenu pojedinačnih čvorova pomoću posebnih manipulatora.

Nuklearne reakcije. Nuklearna energija.

atomska jezgra

Atomska jezgra karakterizirana je nabojem Ze, masom M, spinom J, magnetskim i električnim kvadrupolnim momentom Q, određenim radijusom R, izotoničnim spinom T i sastoji se od nukleona – protona i neutrona.

Broj nukleona A u jezgri naziva se maseni broj. Broj Z se zove broj naplate jezgra ili atomski broj. Kako Z određuje broj protona, a A - broj nukleona u jezgri, onda je broj neurona u atomskoj jezgri N=A-Z. Nazivaju se atomske jezgre s istim Z, ali različitim A izotopi. U prosjeku postoje oko tri stabilna izotopa za svaku Z vrijednost. Na primjer, 28 Si, 29 Si, 30 Si su stabilni izotopi jezgre Si. Osim stabilnih izotopa, većina elemenata ima i nestabilne izotope, koji se odlikuju ograničenim životnim vijekom.

Jezgre s istim masenim brojem A nazivaju se izobare, a s istim brojem neutrona - izotoni.

Sve atomske jezgre dijele se na stabilne i nestabilne. Svojstva stabilnih jezgri ostaju nepromijenjena neograničeno dugo. Nestabilne jezgre prolaze razne vrste transformacija.

Eksperimentalna mjerenja masa atomskih jezgri, provedena s velikom točnošću, pokazuju da je masa jezgre uvijek manja od zbroja masa sastavnih nukleona.

Energija vezanja je energija koja se mora utrošiti da se jezgra podijeli na sastavne nukleone.

Energija vezanja vezana uz maseni broj A naziva se prosječna energija vezanja nukleona u atomskoj jezgri (energija vezanja po nukleonu).

Energija vezanja je približno konstantna za sve stabilne jezgre i približno je jednaka 8 MeV. Izuzetak je područje lakih jezgri, gdje prosječna energija vezanja raste od nule (A=1) do 8 MeV za jezgru 12C.

Slično, energija vezanja po nukleonu može se uvesti kao energija vezanja jezgre u odnosu na njezine ostale sastavne dijelove.

Za razliku od prosječne energije vezanja nukleona, količina energije vezanja neurona i protona varira od jezgre do jezgre.

Često se umjesto energije vezanja koristi veličina tzv defekt mase a jednaka je razlici između masa i masenog broja atomske jezgre.

Gama zračenje

Gama zračenje je elektromagnetsko zračenje kratke valne duljine. Na skali elektromagnetskih valova ono graniči s tvrdim rendgenskim zračenjem, zauzimajući područje viših frekvencija. Gama zračenje ima izrazito kratku valnu duljinu (λhν (ν je frekvencija zračenja, h je Planckova konstanta).

Gama zračenje nastaje pri raspadu radioaktivnih jezgri, elementarnih čestica, pri anihilaciji parova čestica-antičestica, kao i pri prolasku brzo nabijenih čestica kroz tvar.

Gama zračenje, koje prati raspad radioaktivnih jezgri, emitira se tijekom prijelaza jezgre iz više pobuđenog energetskog stanja u manje pobuđeno ili osnovno stanje. Energija γ-kvanta jednaka je razlici energija Δε ρ stanja između kojih se odvija prijelaz.

uzbuđeno stanje

Osnovno stanje jezgre E1

Emisija γ-kvanta od strane jezgre ne povlači za sobom promjenu atomskog broja ili masenog broja, za razliku od drugih vrsta radioaktivnih transformacija. Širina linije gama zračenja je izuzetno mala (~10 -2 eV). Budući da je udaljenost između razina višestruko veća od širine linije, spektar gama zraka je linijski, tj. sastoji se od niza diskretnih linija. Proučavanje spektra gama zračenja omogućuje određivanje energija pobuđenih stanja jezgri. Gama kvanti visokih energija emitiraju se tijekom raspada nekih elementarnih čestica. Dakle, raspad mirovanja π 0 mezona dovodi do gama zračenja s energijom od ~70 MeV. Gama zračenje od raspada elementarnih čestica također tvori linijski spektar. Međutim, elementarne čestice koje se raspadaju često se kreću brzinama usporedivim s brzinom svjetlosti. Kao rezultat toga, dolazi do Dopplerovog širenja linije i spektar gama zraka je razmazan u širokom energetskom rasponu. Gama zračenje, nastalo tijekom prolaska brzonabijenih čestica kroz tvar, nastaje njihovim usporavanjem u Coulombovo polje atomskih jezgri tvari. Kočno gama zračenje, kao i kočno rendgensko zračenje, karakterizira kontinuirani spektar, čija se gornja granica podudara s energijom nabijene čestice, poput elektrona. U akceleratorima čestica, gama kočno zračenje se proizvodi s maksimalnom energijom do nekoliko desetaka GeV.

U međuzvjezdanom prostoru gama zračenje može nastati kao rezultat sudara kvanta mekšeg dugovalnog, elektromagnetskog zračenja, poput svjetlosti, s elektronima ubrzanim magnetskim poljima svemirskih tijela. U tom slučaju brzi elektron predaje svoju energiju elektromagnetskom zračenju i vidljiva svjetlost prelazi u jače gama zračenje.

Sličan fenomen može se dogoditi u zemaljskim uvjetima kada se elektroni visoke energije proizvedeni u akceleratorima sudaraju s fotonima vidljive svjetlosti u intenzivnim svjetlosnim zrakama koje proizvode laseri. Elektron predaje energiju svjetlosnom fotonu, koji se pretvara u γ-kvant. Stoga je u praksi moguće pretvoriti pojedinačne fotone svjetlosti u visokoenergetske kvante gama zraka.

Gama zračenje ima veliku prodornu moć, tj. može prodrijeti u velike debljine materije bez značajnog slabljenja. Glavni procesi koji se događaju tijekom interakcije gama zračenja s materijom su fotoelektrična apsorpcija (fotoelektrični efekt), Comptonovo raspršenje (Comptonov efekt) i stvaranje parova elektron-pozitron. U fotoelektričnom učinku, γ-kvant apsorbira jedan od elektrona atoma, a energija γ-kvanta se pretvara (minus energija vezanja elektrona u atomu) u kinetičku energiju elektrona koji leti izvan atoma. Vjerojatnost fotoelektričnog efekta izravno je proporcionalna petoj potenciji atomskog broja elementa i obrnuto proporcionalna trećoj potenciji energije gama zračenja. Dakle, fotoelektrični efekt dominira u području niskih energija γ-kvanta (£100 keV) na teškim elementima (Pb, U).

S Comptonovim efektom, γ-kvant se raspršuje na jednom od elektrona koji su slabo vezani u atomu. Za razliku od fotoelektričnog efekta, γ-kvant ne nestaje s Comptonovim efektom, već samo mijenja energiju (valnu duljinu) i smjer širenja. Kao rezultat Comptonovog efekta, uski snop gama zraka postaje širi, a samo zračenje postaje mekše (dugovalno). Intenzitet Comptonovog raspršenja proporcionalan je broju elektrona u 1 cm 3 tvari, pa je stoga vjerojatnost tog procesa proporcionalna atomskom broju tvari. Comptonov učinak postaje vidljiv u tvarima s malim atomskim brojem i pri energijama gama zračenja koje premašuju energiju vezanja elektrona u atomima. Dakle, u slučaju Pb, vjerojatnost Comptonovog raspršenja je usporediva s vjerojatnošću fotoelektrične apsorpcije pri energiji od ~0,5 MeV. U slučaju Al, Comptonov efekt dominira pri puno nižim energijama.

Ako energija γ-kvanta prijeđe 1,02 MeV, postaje moguć proces stvaranja parova elektron-pozitron u električnom polju jezgri. Vjerojatnost stvaranja para proporcionalna je kvadratu atomskog broja i raste s povećanjem hν. Stoga je pri hν ~ 10 MeV glavni proces u svakoj tvari stvaranje parova.

0,1 0,5 1 2 5 10 50

Energija γ-zraka (Mev)

Obrnuti proces anihilacije para elektron-pozitron izvor je gama zračenja.

Za karakterizaciju slabljenja gama zračenja u tvari obično se koristi koeficijent apsorpcije, koji pokazuje pri kojoj je debljini X apsorbera prigušen intenzitet I 0 upadnog snopa gama zračenja. e jednom:

Ovdje je μ 0 linearni koeficijent apsorpcije gama zračenja. Ponekad se uvodi maseni koeficijent apsorpcije, jednak omjeru μ 0 prema gustoći apsorbera.

Eksponencijalni zakon slabljenja gama zračenja vrijedi za uski smjer gama snopa, kada bilo koji proces, i apsorpcija i raspršenje, uklanja gama zračenje iz primarnog snopa. Međutim, pri visokim energijama proces prolaska gama zračenja kroz materiju postaje znatno kompliciraniji. Sekundarni elektroni i pozitroni imaju visoku energiju i stoga mogu stvoriti gama zračenje kroz procese usporavanja i anihilacije. Tako u tvari nastaje niz izmjeničnih generacija sekundarnog gama zračenja, elektrona i pozitrona, odnosno razvija se kaskadni pljusak. Broj sekundarnih čestica u takvom pljusku prvo raste s debljinom, dosežući maksimum. Međutim, tada procesi upijanja počinju dominirati nad procesima umnožavanja čestica i pljusak jenjava. Sposobnost gama zračenja da razvija pljuskove ovisi o omjeru njegove energije i tzv. kritične energije, nakon čega pljusak u određenoj tvari praktički gubi sposobnost razvijanja.

Za promjenu energije gama zračenja u eksperimentalnoj fizici koriste se gama spektrometri različitih tipova koji se uglavnom temelje na mjerenju energije sekundarnih elektrona. Glavne vrste spektrometara gama zračenja su: magnetski, scintilacijski, poluvodički, difrakcijski na kristalima.

Proučavanje spektra nuklearnog gama zračenja daje važne podatke o strukturi jezgri. Promatranje učinaka povezanih s utjecajem vanjskog okoliša na svojstva nuklearnog gama zračenja koristi se za proučavanje svojstava krutih tijela.

Gama zračenje koristi se u tehnici, na primjer, za otkrivanje nedostataka na metalnim dijelovima - gama detekcija grešaka. U radijacijskoj kemiji, gama zračenje se koristi za pokretanje kemijskih transformacija, kao što su procesi polimerizacije. Gama zračenje se koristi u prehrambenoj industriji za sterilizaciju hrane. Glavni izvori gama zračenja su prirodni i umjetni radioaktivni izotopi, kao i akceleratori elektrona.

Učinak gama zračenja na tijelo sličan je djelovanju drugih vrsta ionizirajućeg zračenja. Gama zračenje može uzrokovati oštećenje tijela zračenjem, sve do njegove smrti. Priroda utjecaja gama zračenja ovisi o energiji γ-kvanta i prostornim značajkama izloženosti, na primjer, vanjskom ili unutarnjem. Relativna biološka učinkovitost gama zračenja je 0,7-0,9. U industrijskim uvjetima (kronična izloženost u malim dozama) relativna biološka učinkovitost gama zračenja uzima se jednakom 1. Gama zračenje se koristi u medicini za liječenje tumora, za sterilizaciju prostora, opreme i lijekova. Gama zračenje se također koristi za dobivanje mutacija s naknadnim odabirom ekonomski korisnih oblika. Tako se uzgajaju visokoproduktivne vrste mikroorganizama (npr. za dobivanje antibiotika) i biljaka.

Suvremene mogućnosti terapije zračenjem proširile su se prvenstveno zahvaljujući sredstvima i metodama daljinske gama terapije. Uspjeh daljinske gama terapije postignut je kao rezultat opsežnog rada na području korištenja snažnih umjetnih radioaktivnih izvora gama zračenja (kobalt-60, cezij-137), kao i novih gama preparata.

Velika važnost daljinske gama terapije objašnjava se i relativnom dostupnošću i jednostavnošću korištenja gama uređaja. Potonji, kao i X-zrake, dizajnirani su za statičko i mobilno zračenje. Uz pomoć mobilnog zračenja nastoji se stvoriti velika doza u tumoru uz disperzno zračenje zdravih tkiva. Učinjena su poboljšanja u dizajnu strojeva za gama zrake s ciljem smanjenja polusjene, poboljšanja homogenizacije polja, korištenja filtara zatvarača i traženja dodatnih opcija zaštite.

Primjena nuklearnog zračenja u biljnoj proizvodnji otvorila je nove široke mogućnosti za promjenu metabolizma poljoprivrednih biljaka, povećanje prinosa, ubrzanje razvoja i poboljšanje kvalitete.

Kao rezultat prvih istraživanja radiobiologa, utvrđeno je da je ionizirajuće zračenje snažan čimbenik koji utječe na rast, razvoj i metabolizam živih organizama. Pod utjecajem gama zračenja kod biljaka, životinja ili mikroorganizama mijenja se koordinirani metabolizam, ubrzava se ili usporava (ovisno o dozi) tijek fizioloških procesa, uočavaju se promjene u rastu, razvoju i formiranju usjeva.

Posebno treba istaknuti da tijekom gama zračenja radioaktivne tvari ne ulaze u sjeme. Ozračeno sjeme, kao i usjevi uzgojeni iz njih, nisu radioaktivni. Optimalne doze zračenja samo ubrzavaju normalne procese koji se odvijaju u biljci, stoga su svi strahovi i upozorenja protiv korištenja uroda dobivenog iz sjemena koje je podvrgnuto predsjetvenom zračenju potpuno neutemeljeni.

Ionizirajuće zračenje počelo se koristiti za povećanje roka trajanja poljoprivrednih proizvoda i uništavanje raznih insekata štetnika. Na primjer, ako se zrno prije utovara u elevator propusti kroz bunker sa snažnim izvorom zračenja, tada će biti isključena mogućnost razmnožavanja štetnika i zrno se može skladištiti dugo vremena bez ikakvih gubitaka. Samo žito kao hranjivi proizvod ne mijenja se pri takvim dozama zračenja. Njegova uporaba kao hrana za četiri generacije pokusnih životinja nije uzrokovala nikakva odstupanja u rastu, sposobnosti razmnožavanja i druga patološka odstupanja od norme.

Atomski reaktor.

Izvor energije za reaktor je fisija teških jezgri. Podsjetimo se da se jezgre sastoje od nukleona, odnosno protona i neutrona. Broj protona Z određuje naboj jezgre Ze: jednak je broju elementa iz periodnog sustava, a atomska težina jezgre A je ukupan broj protona i neutrona. Jezgre koje imaju isti broj protona, ali različit broj neutrona različiti su izotopi istog elementa i označene su simbolom elementa atomske težine u gornjem lijevom kutu. Na primjer, postoje sljedeći izotopi urana: 238 U, 235 U, 233 U, ...

Masa jezgre M nije samo jednaka zbroju masa protona i neutrona koji je čine, nego je manja od nje za vrijednost M, koja određuje energiju vezanja

(prema omjeru) M=Zm p +(A-Z)m n -(A)A, gdje je (A)c energija vezanja po nukleonu. Vrijednost (A) ovisi o detaljima strukture odgovarajuće jezgre ... Međutim, postoji opća tendencija njezine ovisnosti o atomskoj težini. Naime, zanemarujući male detalje, ova se ovisnost može opisati glatkom krivuljom, koja raste s malim. A, dostižući maksimum u sredini periodnog sustava i opadajući nakon maksimuma do velikih vrijednosti A. Zamislite da je teška jezgra s atomskom težinom A i masom M podijeljena na dvije jezgre A 1 i A 2 s masama M 1 odnosno M 2, a A 1 + A 2 jednako je A ili malo manje od njega, budući da nekoliko neutrona može izletjeti tijekom procesa fisije. Radi jasnoće, uzmimo slučaj A 1 + A 2 = A. Razmotrimo razliku između masa početne jezgre i dviju konačnih jezgri, i pretpostavit ćemo da je A 1 = A 2, tako da je (A 1) \u003d ( A 2), M \u003d M- M 1 -M 2 \u003d - (A) A + (A 1) (A 1 + A 2) = A ((A 1) - (A 1)). Ako A odgovara teškoj jezgri na kraju periodnog sustava, tada je A 1 u sredini i ima najveću vrijednost (A 2). To znači da je M>0 i, posljedično, u procesu fisije oslobađa se energija E d \u003d Ms 2. Za teške jezgre, na primjer, za jezgre urana, ((A 1) - (A)) s 2 \u003d 1 MeV. Dakle, pri A=200 imamo procjenu E d = 200 MeV. Podsjetimo se da je elektron-volt (eV) izvansustavna jedinica energije, jednaka energiji stečenoj elementarnim nabojem pod djelovanjem potencijalne razlike od 1 V (1 eV = 1,6 * 10 -19 J). Na primjer, prosječna energija oslobođena tijekom fisije jezgre 235 U

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

Stoga su teške jezgre potencijalni izvori energije. Međutim, spontana fisija jezgri događa se izuzetno rijetko i nema praktičnog značaja. Ako neutron uđe u tešku jezgru, tada se proces fisije može dramatično ubrzati. Taj se fenomen javlja različitim intenzitetom za različite jezgre i mjeri se efektivnim presjekom procesa. Prisjetimo se kako se određuju efektivni presjeci i kako su povezani s vjerojatnostima pojedinih procesa. Zamislite snop čestica (na primjer, neutrona) koji pada na metu koja se sastoji od određenih objekata, recimo jezgri. Neka je N 0 broj neutrona u snopu, n je gustoća jezgri po jedinici volumena (1 cm 3). Neka nas zanimaju događaji određene vrste, na primjer, fisija ciljnih jezgri. Tada će se broj takvih događaja N odrediti formulom N=N 0 nl eff, gdje je l ciljna duljina, a eff se naziva presjekom procesa fisije (ili bilo kojeg drugog procesa) s danom energijom E, koja odgovara na energiju upadnih neutrona. Kao što se vidi iz prethodne formule, efektivni presjek ima dimenziju površine (cm 2 ). Ima sasvim razumljivo geometrijsko značenje: to je platforma, ulaskom na koju se odvija proces koji nas zanima. Očito, ako je poprečni presjek velik, proces je intenzivan, a mali poprečni presjek odgovara maloj vjerojatnosti pogađanja ovog područja, stoga se u ovom slučaju proces događa rijetko.

Dakle, neka za neku jezgru imamo dovoljno velik efektivni presjek procesa fisije, u ovom slučaju, tijekom fisije, zajedno s dva velika fragmenta A 1 i A 2, može izletjeti nekoliko neutrona. Prosječan broj dodatnih neutrona naziva se faktor množenja i označava se simbolom k. Zatim reakcija ide prema shemi

n+A A 1 + A 2 + kn.

Neutroni rođeni u tom procesu pak reagiraju s jezgrama A, što daje nove reakcije fisije i novi, još veći broj neutrona. Ako je k > 1, takav se lančani proces odvija sve jačim intenzitetom i dovodi do eksplozije uz oslobađanje ogromne količine energije. Ali ovaj se proces može kontrolirati. Neće svi neutroni nužno ući u jezgru A: mogu izaći van kroz vanjsku granicu reaktora, mogu se apsorbirati u tvarima koje se posebno unose u reaktor. Dakle, vrijednost k se može svesti na neki k eff, koji je jednak 1 i samo ga malo premašuje. Tada je moguće imati vremena za preusmjeravanje proizvedene energije i rad reaktora postaje stabilan. Ipak, u ovom slučaju reaktor radi u kritičnom načinu rada. Neispuštanje energije dovelo bi do rastuće lančane reakcije i katastrofe. Svi operativni sustavi imaju sigurnosne mjere, ali vrlo je mala vjerojatnost da će se dogoditi nezgode i nažalost se događaju.

Kako se bira radna tvar za nuklearni reaktor? Nužno je da gorive ćelije sadrže jezgre izotopa s velikim efektivnim presjekom fisije. Mjerna jedinica presjeka je 1 štala \u003d 10 -24 cm 2. Vidimo dvije skupine presjeka: (233 U, 235 U, 239 Pu) i male (232 Th, 238 U). Kako bismo zamislili razliku, izračunajmo koliko daleko neutron mora prijeći da bi došlo do fisije. Upotrijebimo za ovu formulu N=N 0 nl eff. Za N=N 0 =1 imamo Ovdje je n gustoća jezgri, gdje je p uobičajena gustoća, a m =1,66*10 -24 g atomska jedinica mase. Za uran i torij, n = 4,8. 10 22 cm 3 . Tada za 235 U imamo l = 10 cm, a za 232 Th l = 35 m. Dakle, za stvarnu provedbu procesa fisije treba koristiti izotope kao što su 233 U, 235 U, 239 Pu. Izotop 235 U sadržan je u maloj količini u prirodnom uranu, koji se uglavnom sastoji od 238 U, stoga se kao nuklearno gorivo obično koristi uran obogaćen izotopom 235 U. Istodobno, tijekom rada reaktora, značajan je proizvedena je količina drugog fisibilnog izotopa - 239 Pu. Plutonij se dobiva kao rezultat lanca reakcija

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

gdje označava emisiju fotona, a je raspad prema shemi

Ovdje Z određuje naboj jezgre, tako da se raspad događa na sljedeći element periodnog sustava s istim A, e-elektronom i v-elektronom antineutrina. Također treba napomenuti da su izotopi A 1 , A 2 dobiveni u procesu fisije, u pravilu, radioaktivni s poluživotom od godinu dana do stotina tisuća godina, tako da otpad nuklearnih elektrana, koji je izgorjelo gorivo, vrlo je opasno i zahtijeva posebne mjere skladištenja. Ovdje se javlja problem geološkog skladištenja, koje bi trebalo osigurati pouzdanost za milijune godina. Unatoč očitim prednostima nuklearne energije, koja se temelji na radu nuklearnih reaktora u kritičnom načinu rada, ona također ima ozbiljne nedostatke. To je, prvo, opasnost od nesreća sličnih Černobilu, a drugo, problem radioaktivnog otpada. Prijedlog korištenja potkritičnih reaktora za nuklearnu energiju u potpunosti rješava prvi problem i uvelike olakšava rješenje drugog.

Nuklearni reaktor u subkritičnom načinu rada kao pojačivač energije.

Zamislimo da smo sastavili nuklearni reaktor s efektivnim faktorom množenja neutrona k eff malo manjim od jedinice. Ozračimo ovaj uređaj konstantnim vanjskim fluksom neutrona N 0. Tada će svaki neutron (minus emitirani i apsorbirani, koji se uzima u obzir u k eff) izazvati fisiju, što će dati dodatni fluks N 0 k 2 eff. Svaki neutron od ovog broja opet će u prosjeku proizvesti k eff neutrona, što će dati dodatni tok N 0 k eff, i tako dalje. Dakle, ukupni tok neutrona koji daju procese fisije ispada da je jednak

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

Ako je keff > 1, niz u ovoj formuli divergira, što je odraz kritičnog ponašanja procesa u ovom slučaju. Ako k ef< 1, ряд благополучно сходится и по формуле суммы геометрической прогрессии имеем

Oslobađanje energije po jedinici vremena (snaga) je tada određeno oslobađanjem energije u procesu fisije,

gdje<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

neutroni. Prikladno je prikazati tok neutrona kroz struju akceleratora

gdje je e naboj protona, koji je jednak elementarnom električnom naboju. Kada izražavamo energiju u elektronvoltima, to znači da uzimamo prikaz E \u003d eV, gdje je V potencijal koji odgovara ovoj energiji, koji sadrži onoliko volti koliko elektronvolti sadrže energije. To znači da, uzimajući u obzir prethodnu formulu, možemo prepisati formulu za oslobađanje energije kao

Naposljetku, zgodno je prikazati snagu biljke u obliku

gdje je V potencijal koji odgovara energiji akceleratora, pa je VI prema poznatoj formuli snaga snopa akceleratora: P 0 = VI, a R 0 u prethodnoj formuli je koeficijent za k eff = 0,98 , koji osigurava pouzdanu granicu subkritičnosti. Sve ostale veličine su poznate, a za akcelerator protona imamo energiju od 1 GeV . Dobili smo dobitak od 120, što je, naravno, vrlo dobro. Međutim, koeficijent prethodne formule odgovara idealnom slučaju, kada nema gubitaka energije ni u akceleratoru ni u proizvodnji električne energije. Za dobivanje realnog koeficijenta potrebno je prethodnu formulu pomnožiti s učinkovitošću akceleratora r y i učinkovitošću termoelektrane r e. Tada je R=r y r e R 0 . Učinkovitost ubrzanja može biti prilično visoka, na primjer, u stvarnom projektu ciklotrona velike struje od 1 GeV, r y = 0,43. Učinkovitost proizvodnje električne energije može biti 0,42. Konačno, stvarni dobitak R = r y r e R 0 = 21,8, što je još uvijek prilično dobro, jer samo 4,6% energije proizvedene instalacijom treba vratiti za održavanje akceleratora. U tom slučaju reaktor radi samo s uključenim akceleratorom i nema opasnosti od nekontrolirane lančane reakcije.

Princip izgradnje nuklearne elektrane.

Kao što znate, sve na svijetu sastoji se od molekula koje

su složeni kompleksi interakcija

lebdeći atomi. Molekule su najmanje čestice

tvari koje zadržavaju njegova svojstva. Sastav molekula

uključuje atome raznih kemijskih elemenata.

Kemijski elementi sastoje se od atoma iste vrste.

Atom, najmanja čestica kemijskog elementa,

dolazi iz "teške" jezgre i rotira oko elektro-

Jezgre atoma tvore skup pozitivnih

nabijenih protona i neutralnih neutrona.

Te se čestice, zvane nukleoni, zadržavaju

u jezgri privlačnim silama kratkog dometa,

koji proizlaze iz izmjene mezona,

manje čestice.

Jezgra elementa X označava se kao ili X-A, na primjer, uran U-235 -,

gdje je Z naboj jezgre, jednak broju protona, koji određuje atomski broj jezgre, A je maseni broj jezgre, jednak

ukupan broj protona i neutrona.

Jezgre elemenata s istim brojem protona, ali različitim brojem neutrona nazivaju se izotopi (na primjer, uran

ima dva izotopa U-235 i U-238); jezgre pri N=const, z=var - po izobarama.

Jezgre vodika, protoni, kao i neutroni, elektroni (beta čestice) i pojedinačne jezgre helija (nazvane alfa čestice), mogu postojati autonomno izvan nuklearnih struktura. Takve jezgre, ili inače elementarne čestice, krećući se u prostoru i približavajući se jezgrama na udaljenosti reda poprečnih dimenzija jezgri, mogu djelovati s jezgrama, kako kažu, sudjelovati u reakciji. U tom slučaju čestice mogu biti zarobljene jezgrama ili nakon sudara mogu promijeniti smjer gibanja, dati dio kinetičke energije jezgri. Takvi međudjelovanja nazivaju se nuklearne reakcije. Reakcija bez prodora u jezgru naziva se elastično raspršenje.

Nakon hvatanja čestice, složena je jezgra u pobuđenom stanju. Jezgra se može "osloboditi" ekscitacije na više načina - emitirati neku drugu česticu i gama kvant ili se podijeliti na dva nejednaka dijela. Prema konačnim rezultatima razlikuju se reakcije - zahvat, neelastično raspršenje, fisija, nuklearna transformacija s emisijom protona ili alfa čestice.

Dodatna energija koja se oslobađa tijekom nuklearnih transformacija često ima oblik tokova gama zraka.

Vjerojatnost reakcije karakterizira vrijednost "presjeka" dane vrste reakcije.

Tijekom hvatanja dolazi do fisije teških jezgri

neutroni. Time se oslobađaju nove čestice.

i energija vezanja jezgre, prenesena

fisijski fragmenti. Ovo je temeljni fenomen.

otkrili su ga njemački znanstvenici kasnih 30-ih

nymi Hahn i Strassman, čime su postavljeni temelji

za praktičnu upotrebu nuklearne energije.

Jezgre teških elemenata - urana, plutonija i nekih drugih intenzivno apsorbiraju toplinske neutrone. Nakon čina zarobljavanja neutrona, teška jezgra s vjerojatnošću od ~0,8 se dijeli na dva dijela različite mase, koji se nazivaju fragmenti ili fisijski produkti. Pritom se emitiraju brzi neutroni / (u prosjeku oko 2,5 neutrona po događaju fisije), negativno nabijene beta čestice i neutralni gama kvanti, a energija vezanja čestica u jezgri pretvara se u kinetičku energiju fragmenata fisije, neutrona. i druge čestice. Ta se energija zatim troši na toplinsko pobuđivanje atoma i molekula koji čine tvar, tj. zagrijati okolnu materiju.

Nakon čina nuklearne fisije, nuklearni fragmenti rođeni tijekom fisije, budući da su nestabilni, prolaze kroz niz uzastopnih radioaktivnih transformacija i, s određenim kašnjenjem, emitiraju "zakašnjele" neutrone, veliki broj alfa, beta i gama čestica. S druge strane, neki fragmenti imaju sposobnost intenzivnog upijanja neutrona.

Nuklearni reaktor je tehničko postrojenje u kojem se odvija samoodrživa lančana reakcija fisije teških jezgri uz oslobađanje nuklearne energije. Nuklearni reaktor sastoji se od aktivne zone i reflektora smještenog u zaštitnom kućištu.Aktivna zona sadrži nuklearno gorivo u obliku gorive smjese u zaštitnoj ovojnici i moderator. Gorivne ćelije obično imaju oblik tankih šipki. Skupljaju se u snopove i zatvaraju u korice. Takvi montažni sastavi nazivaju se sklopovi ili kasete.

Uzduž gorivih elemenata kreće se rashladna tekućina koja percipira toplinu nuklearnih transformacija. Rashladno sredstvo zagrijano u jezgri kreće se duž cirkulacijskog kruga zbog rada crpki ili pod djelovanjem Arhimedovih sila i, prolazeći kroz izmjenjivač topline ili generator pare, daje toplinu rashladnom sredstvu vanjskog kruga.

Prijenos topline i kretanje njezinih nositelja može se prikazati jednostavnom shemom:

1.Reaktor

2. Izmjenjivač topline, generator pare

3.Parnoturbinsko postrojenje

4.Generator

5. Kondenzator

Razvoj industrijskog društva temelji se na sve većoj razini proizvodnje i potrošnje.

razne vrste energije.

Kao što znate, proizvodnja toplinske i električne energije temelji se na procesu izgaranja fosilnih goriva.

izvori energije -

• ulje

a u nuklearnoj energetici – fisija jezgri atoma urana i plutonija tijekom apsorpcije neutrona.

Razmjeri ekstrakcije i potrošnje fosilnih izvora energije, metala, potrošnje vode, zraka za proizvodnju količine energije potrebne čovječanstvu su ogromni, a rezerve resursa, nažalost, ograničene. Posebno je akutan problem brzog iscrpljivanja organskih prirodnih izvora energije.

1 kg prirodnog urana zamjenjuje 20 tona ugljena.

Svjetske rezerve energetskih izvora procjenjuju se na 355 Q, gdje je Q jedinica toplinske energije, jednaka Q=2,52*1017 kcal = 36*109 tona standardnog goriva /t.c.f./, tj. goriva s kalorijskom vrijednošću od 7000 kcal / kg, tako da rezerve energije iznose 12,8 * 1012 tona referentnog goriva.

Od ove količine otprilike 1/3 t.j. ~ 4,3*1012 tce može se ekstrahirati modernom tehnologijom uz umjerenu cijenu ekstrakcije goriva. S druge strane, trenutna potražnja za nositeljima energije iznosi 1,1*1010 tce/god., i raste po stopi od 3-4% godišnje, tj. udvostručiti svakih 20 godina.

Lako je procijeniti da će organski fosilni resursi, čak i s obzirom na vjerojatno usporavanje rasta potrošnje energije, biti uvelike iscrpljeni u sljedećem stoljeću.

Inače, napominjemo da se izgaranjem fosilnih ugljena i nafte, koji imaju udio sumpora od oko 2,5%, godišnje proizvede i do 400 milijuna tona. sumpor dioksid i dušikovi oksidi, tj. oko 70 kg. štetnih tvari po stanovniku zemlje godišnje.

Korištenje energije atomske jezgre, razvoj nuklearne energije uklanjaju akutnost ovog problema.

Doista, otkriće fisije teških jezgri tijekom hvatanja neutrona, koje je naše stoljeće učinilo atomskim, dodalo je rezervama energetskih fosilnih goriva značajno bogatstvo nuklearnog goriva. Rezerve urana u zemljinoj kori procjenjuju se na ogromnu brojku od 1014 tona. Međutim, glavnina tog bogatstva je u raspršenom stanju - u granitima, bazaltima. U vodama oceana količina urana doseže 4 * 109 tona. Međutim, poznato je relativno malo bogatih ležišta urana u kojima bi rudarenje bilo jeftino. Stoga se masa resursa urana koji se mogu iskopati modernom tehnologijom i po razumnim cijenama procjenjuje na 108 tona. Godišnja potreba za uranom je, prema suvremenim procjenama, 104 tone prirodnog urana. Dakle, te rezerve omogućuju, kako je rekao akademik A. P. Aleksandrov, "ukloniti Damoklov mač nedostatka goriva na praktički neograničeno vrijeme."

Drugi važan problem suvremenog industrijskog društva je osiguranje očuvanja prirode, čistoće vode i zračnog bazena.

Poznata je zabrinutost znanstvenika zbog "efekta staklenika" koji proizlazi iz emisija ugljičnog dioksida izgaranjem fosilnih goriva i odgovarajućeg globalnog zagrijavanja klime na našem planetu. A problemi zagađenja plinom u zračnom bazenu, "kiselih" kiša, trovanja rijeka približili su se kritičnoj točki u mnogim područjima.

Nuklearna energija ne troši kisik i ima zanemarive emisije tijekom normalnog rada. Ako nuklearna energija zamijeni konvencionalnu energiju, tada će biti eliminirana mogućnost "staklenika" s teškim ekološkim posljedicama globalnog zatopljenja.

Iznimno važna okolnost je činjenica da je nuklearna energija dokazala svoju ekonomsku učinkovitost u gotovo svim regijama zemaljske kugle. Osim toga, čak i uz velike količine proizvodnje energije u nuklearnim elektranama, nuklearna energija neće stvarati posebne transportne probleme, budući da zahtijeva zanemarive troškove transporta, čime se društva oslobađaju tereta stalnog transporta golemih količina fosilnih goriva.

Nuklearni reaktori se dijele u nekoliko skupina:

ovisno o prosječnoj energiji neutronskog spektra - na brze, srednje i toplinske;

prema značajkama dizajna jezgre - u trup i kanal;

prema vrsti rashladnog sredstva - voda, teška voda, natrij;

prema vrsti moderatora - u vodu, grafit, tešku vodu itd.

U energetske svrhe, za proizvodnju električne energije koriste se:

reaktori s vodom pod tlakom s vodom koja ne kipuće ili s kipućom vodom pod tlakom,

uran-grafitni reaktori s kipućom vodom ili hlađeni ugljičnim dioksidom,

reaktori kanala za tešku vodu, itd.

U budućnosti će se široko koristiti brzi neutronski reaktori hlađeni tekućim metalima (natrij, itd.); u kojem temeljno provodimo način reprodukcije goriva, tj. stvaranje količine fisibilnih Pu-239 izotopa plutonija koje premašuju količinu potrošnih izotopa urana U-235. Parametar koji karakterizira reprodukciju goriva naziva se koeficijent plutonija. Pokazuje koliko se atoma Pu-239 stvara u reakcijama hvatanja neutrona u U-238 po jednom atomu U-235 koji hvata neutron i podvrgava se fisiji ili radijacijskoj transformaciji u U-235.

Vodeni reaktori pod tlakom zauzimaju istaknuto mjesto u svjetskoj floti energetskih reaktora. Osim toga, naširoko se koriste u mornarici kao izvori energije za površinske brodove i podmornice. Takvi reaktori su relativno kompaktni, jednostavni i pouzdani u radu. Voda, koja u takvim reaktorima služi kao rashladno sredstvo i moderator neutrona, relativno je jeftina, neagresivna i ima dobra neutronska svojstva.

Vodeni reaktori pod tlakom također su poznati kao reaktori pod tlakom ili lakovodni reaktori. Izrađuju se u obliku cilindrične tlačne posude s poklopcem koji se može skinuti. U ovoj posudi (reaktorskoj posudi) nalazi se jezgra koja se sastoji od gorivnih sklopova (gorivnih uložaka) i pomičnih elemenata sustava upravljanja i zaštite. Voda ulazi u tijelo kroz mlaznice, dovodi se u prostor ispod jezgre, kreće se okomito prema gore duž gorivih elemenata i ispušta se kroz izlazne mlaznice u cirkulacijsku petlju. Toplina nuklearnih reakcija prenosi se u generatorima pare na sekundarnu vodu nižeg tlaka. Kretanje vode duž kruga osigurava se radom cirkulacijskih pumpi ili, kao u reaktorima za toplinske stanice, zbog pogonskog tlaka prirodne cirkulacije.

Nuklearna fuzija sutra.

“Sutra” se planira, prije svega, stvoriti sljedeću generaciju tokamaka, u kojima se može postići samoodrživa sinteza. U tu svrhu razvija se eksperimentalni termonuklearni reaktor (OTR) u IAE nazvanom po I.V. Kurchatovu i Istraživačkom institutu za elektrofizičku opremu nazvanom po D.V. Efremovu.

U OTR-u cilj je održati samu reakciju na takvoj razini da je omjer korisnog izlaza energije i utrošene energije (označen s Q) veći ili barem jednak jedan: Q=1. Ovo stanje je ozbiljna faza u razvoju svih elemenata sustava na putu ka stvaranju komercijalnog reaktora s Q=5. Prema dostupnim procjenama, samo pri ovoj vrijednosti Q postiže se samodostatnost termonuklearnog izvora energije, kada se podmiruju troškovi svih uslužnih procesa, uključujući društvene i kućanske troškove. U međuvremenu je na američkom TFTR-u postignuta vrijednost Q=0,2-0,4.

Postoje i drugi problemi. Primjerice, prvi zid - odnosno omotač toroidalne vakuumske komore - najstresniji je, doslovno dugotrajni dio cijele konstrukcije. U OTR-u njegov volumen iznosi oko 300 m 3 , a površina oko 400 m 2 . Stijenka mora biti dovoljno čvrsta da izdrži atmosferski tlak i mehaničke sile koje proizlaze iz magnetskog polja, te dovoljno tanka da odvede tokove topline iz plazme u vodu koja cirkulira na vanjskoj strani toroida bez značajne temperaturne razlike. Njegova optimalna debljina je 2 mm. Kao materijali odabrani su austenitni čelici ili legure nikla i titana.

Planira se instalirati NET (Next Europeus Tor) od strane Euratoma, u mnogočemu sličan OTP-u, ovo je sljedeća generacija tokamaka nakon JET-a i T-15.

NET je trebao biti izgrađen tijekom 1994.-1999. Prva faza istraživanja planirana je za 3-4 godine.

Govore i o sljedećoj generaciji nakon NET-a - to je već “pravi” termonuklearni reaktor, uvjetno nazvan DEMO. No, ni s NET-om nije sve jasno jer se planira izgraditi nekoliko međunarodnih instalacija.