원자력은 생산 목적으로 사용됩니다. 원자력. 원자력 발견의 역사

풍력 에너지

풍력 에너지는 풍력 에너지(대기 중 기단의 운동 에너지) 사용을 전문으로 하는 에너지 분야입니다. 풍력 에너지는 태양 활동의 결과이기 때문에 재생 가능한 형태의 에너지로 분류됩니다. 풍력 에너지는 아직 전통적인 원자력, 수력 및 화력 발전소에 대한 가치 있는 경쟁자로 간주될 수 없습니다. 평균 원자력발전소는 약 130만MW의 전력을 생산하는데, 이는 세계 4대 풍력발전소보다 많은 수치이다.

미국풍력에너지협회(American Wind Energy Association)에 따르면 풍력발전소 건설 비용은 MW당 100만 달러로 감소했는데, 이는 원자력 발전소 건설 비용과 거의 같다. 투자효율성 측면에서는 풍력발전이 가스발전(1MW당 60만달러)에 비해 우월하다. 그러나 가스와 달리 풍력 에너지는 무료입니다. 풍력 발전기는 화석 연료를 소비하지 않습니다. 1MW 풍력발전기를 20년 동안 가동하면 약 29,000톤의 석탄 또는 92,000배럴의 석유를 절약할 수 있습니다. 1MW 풍력 발전기는 연간 1,800톤의 CO2, 9톤의 SO2, 4톤의 질소산화물을 대기로 배출합니다.

원자력에 비해 가장 큰 장점은 사용후핵연료의 저장과 재처리에 문제가 없다는 점이다. 지난 20년 동안 풍력 발전 비용이 킬로와트당 40센트에서 5센트로 감소했으며 석유, 가스, 석탄 연소 및 원자력 에너지 사용을 통해 생산되는 전기 비용과 거의 비슷해졌습니다(미국에서는 가격은 킬로와트당 2~3센트), 이 격차를 메우기가 어려울 것입니다.

1978년 이후 미국은 공공 자금으로 110억 달러 이상을 지출했습니다. 과학적 연구하지만 이러한 투자의 결과는 아직 미미합니다. 현재 청정에너지는 미국 전체 발전소에서 생산되는 전기의 8%를 넘지 않습니다. 미국 에너지부에 따르면 2025년까지 그 비중은 0.5%만 증가할 것으로 예상된다. 여기서 수력 발전소에서 생산되는 에너지를 빼면 그 수치는 훨씬 더 빨라져 2001년에는 2.1%, 2025년에는 3.3%가 될 것입니다.

원자력 에너지는 원자력의 생산과 사용을 다루는 에너지 분야입니다(이전에는 원자력 에너지라는 용어가 사용되었습니다).

일반적으로 우라늄-235나 플루토늄 핵의 핵분열 연쇄반응이 원자력을 생산하는 데 사용됩니다. 중성자가 충돌하면 핵분열이 일어나 새로운 중성자와 핵분열 조각이 생성됩니다. 핵분열 중성자와 핵분열 파편은 높은 운동 에너지를 가지고 있습니다. 파편이 다른 원자와 충돌하여 발생합니다. 운동 에너지빠르게 열로 변환됩니다.

모든 에너지 분야에서 주요 에너지원은 원자력입니다(예: 수력 발전소와 화석 연료 발전소의 태양 핵 반응 에너지, 방사성 붕괴 에너지). 지열 발전소), 원자력 에너지는 원자로에서 제어된 반응의 사용만을 의미합니다.

원자력은 원자력 쇄빙선, 핵 잠수함에 사용되는 원자력 발전소에서 생산됩니다. 미국은 우주선용 핵 엔진을 만드는 프로그램을 시행하고 있으며, 항공기용 핵 엔진을 만들려는 시도도 있었습니다.

원자력은 여전히 치열한 논쟁의 대상이다. 원자력 에너지의 지지자와 반대자는 안전성, 신뢰성, 경제적 효율성에 대한 평가에서 크게 다릅니다. 전력 생산에서 핵연료가 누출될 가능성과 핵무기 생산에 핵연료가 사용될 수 있다는 믿음이 널리 퍼져 있습니다.

자연계에서 원자력에너지는 별에서 방출되며, 인류는 주로 핵무기, 원자력에너지, 특히 원자력발전소에서 사용한다.

물리적 기초

커뮤니케이션 에너지

핵은 핵자로 구성되어 있지만 핵의 질량은 단지 핵자의 질량의 합이 아닙니다. 이러한 핵자를 하나로 묶는 에너지는 핵의 질량과 이를 구성하는 개별 핵자의 질량의 차이로 관찰됩니다. 씨 2, 방정식으로 질량과 에너지를 관련시킵니다. E = m ⋅ c 2 . (\displaystyle E=m\cdot c^(2).)따라서 원자의 질량과 그 구성 요소의 질량을 결정함으로써 서로 다른 핵을 함께 묶는 핵자당 평균 에너지를 결정하는 것이 가능합니다.

그래프에서 매우 가벼운 핵은 약간 무거운 핵(그래프 왼쪽)보다 핵자당 결합 에너지가 낮다는 것을 알 수 있습니다. 이것이 열핵 반응(즉, 가벼운 핵이 서로 융합할 때)에서 에너지가 방출되는 이유입니다. 반대로, 그래프 오른쪽에 있는 매우 무거운 핵은 평균 질량의 핵보다 핵자당 결합 에너지가 더 낮습니다. 이와 관련하여 무거운 핵의 핵분열도 에너지적으로 유리합니다(즉, 핵에너지 방출과 함께 발생합니다). 또한 핵융합 중(왼쪽)의 질량 차이는 핵분열 중(오른쪽)보다 훨씬 크다는 점에 유의해야 합니다.

핵을 개별 핵자로 완전히 쪼개는 데 필요한 에너지를 에너지라고 합니다. 결합 에너지 이자형커널에서. 비결합 에너지(즉, 핵자당 결합 에너지, ε = 이자형와 함께 / ㅏ, 어디 ㅏ- 핵의 핵자 수 또는 질량수)는 다른 화학 원소에 대해 동일하지 않으며 심지어 동일한 화학 원소의 동위원소에 대해서도 동일하지 않습니다. 핵 내 핵자의 비결합 에너지는 평균적으로 다음과 같은 범위에서 다양합니다. 1MeV가벼운 핵(중수소)의 경우 중간 질량 핵의 경우 최대 8.6 MeV(질량수 포함) ㅏ≒ 100 ). 무거운 핵의 경우 ( ㅏ약 200) 핵자의 비결합 에너지는 평균 질량의 핵보다 약 1MeV만큼 작으므로 평균 무게의 핵으로의 변형(2개 부분으로 분할)은 일정량의 에너지 방출을 동반합니다. 핵자당 약 1MeV, 코어당 약 200MeV입니다. 가벼운 핵이 더 무거운 핵으로 변형되면 핵자당 훨씬 더 큰 에너지 이득을 얻을 수 있습니다. 예를 들어, 중수소와 삼중수소 핵이 결합하는 반응

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

17.6 MeV, 즉 핵자 당 3.5 MeV의 에너지 방출이 동반됩니다.

핵분열

핵분열 사건당 2.5개의 중성자가 출현하면 이 2.5개의 중성자 중 적어도 하나가 우라늄 핵의 새로운 핵분열을 생성할 수 있는 경우 연쇄 반응이 발생할 수 있습니다. 일반적으로 방출된 중성자는 우라늄 핵을 즉시 핵분열하지 않지만 먼저 열 속도(2200m/s에서 2200m/s)로 느려져야 합니다. 티=300K). 감속은 다른 원소의 원자를 작은 원자로 둘러싸서 가장 효과적으로 달성됩니다. ㅏ, 수소, 탄소 등과 같은 물질을 감속재라고 합니다.

일부 다른 핵도 233 U 또는 239와 같은 느린 중성자를 포획하여 핵분열할 수 있습니다. 그러나 238U(235U의 140배)나 232(235U의 140배)와 같은 핵의 빠른 중성자(고에너지)에 의한 핵분열은 지각 235U의 400배 이상).

핵분열의 기본 이론은 핵의 물방울 모델을 사용하여 Niels Bohr와 J. Wheeler에 의해 만들어졌습니다.

핵분열은 빠른 알파 입자, 양성자 또는 중수소를 사용하여 달성될 수도 있습니다. 그러나 이러한 입자는 중성자와 달리 핵의 쿨롱 장벽을 극복하려면 더 큰 에너지를 가져야 합니다.

원자력의 방출

핵에너지를 방출하는 발열 핵반응이 알려져 있습니다.

일반적으로 원자력 에너지를 얻기 위해 우라늄-235 또는 플루토늄 핵, 덜 자주 다른 중핵(우라늄-238, 토륨-232) 핵분열의 핵 연쇄 반응을 사용합니다. 중성자가 충돌하면 핵분열이 일어나 새로운 중성자와 핵분열 조각이 생성됩니다. 핵분열 중성자와 핵분열 파편은 높은 운동 에너지를 가지고 있습니다. 파편이 다른 원자와 충돌하면 이 운동 에너지가 빠르게 열로 변환됩니다.

핵에너지를 방출하는 또 다른 방법은 핵융합이다. 이 경우 가벼운 원소의 두 핵이 하나의 무거운 핵으로 결합됩니다. 자연적으로 이러한 과정은 태양과 다른 별에서 발생하며 에너지의 주요 원천입니다.

많은 원자핵은 불안정합니다. 시간이 지남에 따라 이러한 핵 중 일부는 자발적으로 다른 핵으로 변형되어 에너지를 방출합니다. 이 현상을 방사성붕괴라고 합니다.

원자력 에너지의 응용

분할

현재 원자력 에너지원 중 가장 큰 에너지원은 실제 사용무거운 핵이 분열하는 동안 에너지가 방출됩니다. 에너지 자원이 부족한 상황에서 핵분열로를 사용하는 원자력은 향후 수십 년 동안 가장 유망한 것으로 간주됩니다. 원자력 발전소는 원자력 에너지를 사용하여 열을 발생시키고, 이는 전기와 열을 생산하는 데 사용됩니다. 원자력발전소는 항행구역이 무제한인 선박의 문제를 해결했다.

경영대학"
혁신경영학과
분야: “현대 자연과학의 개념”
주제 발표 : 핵
에너지: 그 본질과
기술에 사용하고
기술

프레젠테이션 계획

소개
원자력.
원자력 발견의 역사
원자로 : 창조의 역사, 구조,
기본 원리, 원자로 분류
원자력 에너지 이용 분야
결론
사용된 소스

소개

에너지는 국가경제에 있어서 가장 중요한 부문이며,
에너지 자원, 발전, 변환,
양도 및 사용 다양한 방식에너지. 이것이 기초이다
국가 경제.
세상에 과정이 진행 중입니다산업화를 요구하는
추가 재료 소비로 인해 에너지 비용이 증가합니다.
인구가 증가함에 따라 토양 경작을 위한 에너지 소비가 증가하고,
수확, 비료 생산 등
현재 많은 천연자원을 쉽게 이용할 수 있습니다.
행성이 고갈되고 있습니다. 원료를 추출하는 데 시간이 오래 걸립니다.
깊은 곳이나 바다 선반 위. 제한된 세계 매장량
석유와 가스는 인류에게 전망을 제시하는 것 같습니다
에너지 위기.
그러나 원자력의 사용은 인류에게
이를 피할 수 있는 기회는 근본적인 결과이기 때문입니다.
원자핵의 물리학에 대한 연구를 통해 위협을 피할 수 있습니다.
방출된 에너지를 이용하여 에너지 위기
원자핵의 일부 반응에서

원자력

원자력(Atomic Energy)은 에너지이다.
원자핵에 함유되어 있다가 방출된다
핵반응 중. 원자력 발전소,
이 에너지를 생성하는 사람들은 13~14%를 생산합니다.
세계의 전기 에너지 생산. .

원자력 발견의 역사

1895년 V.K.뢴트겐 개장 전리 방사선(엑스레이)
1896년 A. 베크렐이 방사능 현상을 발견했습니다.
1898 M. Sklodowska와 P. Curie가 방사성 원소를 발견했습니다.
Po(폴로늄) 및 Ra(라듐).
1913 N. Bohr는 원자와 분자 구조 이론을 개발했습니다.
1932년 J. 채드윅이 중성자를 발견합니다.
1939년 O. Hahn과 F. Strassmann은 다음의 영향으로 U 핵의 분열을 연구합니다.
느린 중성자.
1942년 12월 - 최초의 자립
SR-1 원자로에서 핵분열의 제어된 연쇄 반응(그룹
E. Fermi가 이끄는 시카고 대학의 물리학 자).
1946년 12월 25일 - 소련 최초의 원자로 F-1이 가동에 투입되었습니다.
임계 상태 (에 의해 주도되는 물리학자와 엔지니어 그룹
I.V.Kurchatova)
1949 - 최초의 Pu 생산 원자로가 가동되었습니다.
1954년 6월 27일 - 세계 최초의 원자력 발전소가 가동에 들어갔습니다.
Obninsk에 5MW의 전기 용량을 갖춘 발전소.
90년대 초까지 전 세계 27개국에서 430개 이상의 원자력 발전소가 운영되었습니다.
총 용량이 약 3000m인 동력 원자로. 340GW.

원자로 생성의 역사

엔리코 페르미(1901-1954)
쿠르차토프 I.V. (1903-1960)
1942년 미국에서는 E. Fermi의 지도 하에 최초의
원자로.
1946년 최초의 소련 원자로가 지도력하에 발사되었습니다
학자 I.V.Kurchatov.

NPP 원자로 설계(간소화)

필수 요소:
핵연료가 있는 활성지대와
지연제;
중성자 반사경 주변
활성 영역;
냉각수;
연쇄반응 제어 시스템,
비상 보호를 포함하여
방사선 방호
원격 제어 시스템
반응기의 주요 특징은 다음과 같습니다.
그것의 전력 출력.
전력 1MW - 3·1016구획
1초 안에
원자력 발전소의 개략적 구조
이종 반응기의 단면

원자로의 구조

중성자 증식 인자

숫자의 급속한 성장을 특징으로 함
중성자와 수의 비율과 같습니다
한 세대의 중성자
그들을 낳은 숫자에 대한 연쇄 반응
이전 세대의 중성자.
k=Si/Si-1
케이<1 – Реакция затухает
k=1 – 반응은 정지 상태로 진행됩니다.
k=1.006 – 제어 가능성 한계
반응
k>1.01 – 폭발(원자로의 경우)
열중성자 에너지 방출
초당 20,000번씩 증가합니다.)
우라늄의 전형적인 연쇄반응;

10. 원자로는 카드뮴이나 붕소가 함유된 막대를 사용하여 제어됩니다.

적용 목적에 따라 다음 유형의 막대가 구별됩니다.
보상 막대 - 초기 초과분을 보상합니다.
반응성, 연료가 소진됨에 따라 확장됨; 100까지
것들
제어봉 - 중요한 상태를 유지하기 위해
언제든지 정지, 시작을 위한 상태
반응기; 일부
참고: 다음과 같은 유형의 로드가 구별됩니다(목적에 따라).
응용 프로그램):
제어봉과 보상봉은 선택사항입니다.
다양한 구조적 요소를 표현
등록
비상봉 - 중력에 의한 재설정
코어의 중앙 부분에; 일부. 아마도
또한 일부 제어봉도 재설정됩니다.

11. 중성자 스펙트럼에 따른 원자로의 분류

열 중성자 원자로("열 원자로")
열에 도달하려면 빠른 중성자 감속재(물, 흑연, 베릴륨)가 필요합니다.
에너지(eV의 분수).
감속재 및 구조 재료의 작은 중성자 손실 =>
천연 및 저농축 우라늄을 연료로 사용할 수 있습니다.
강력한 원자로는 높은 함량의 우라늄을 사용할 수 있습니다.
농축 - 최대 10%.
큰 반응성 예비력이 필요합니다.
고속 중성자 원자로("고속 원자로")
우라늄카바이드 UC, PuO2 등을 감속재 및 감속재로 사용
중성자 수가 훨씬 적습니다(0.1-0.4 MeV).
고농축 우라늄만이 연료로 사용될 수 있다. 하지만
동시에 연료 효율은 1.5배 더 높습니다.
중성자 반사체(238U, 232Th)가 필요합니다. 활성 영역으로 돌아갑니다.
0.1 MeV 이상의 에너지를 갖는 고속 중성자. 핵 238U, 232Th,
핵분열성 핵 239Pu 및 233U를 얻는 데 소비됩니다.
건축 자재의 선택은 흡수 단면적, 예비량에 의해 제한되지 않습니다.
반응성이 훨씬 떨어집니다.
중간 중성자 원자로
빠른 중성자는 흡수되기 전에 1-1000eV의 에너지로 느려집니다.
열 원자로에 비해 핵연료 부하가 높음
중성자
핵연료의 확대재생산은 불가능하다.
고속 중성자로.

12. 연료 배치에 따른

동종 원자로 - 연료와 감속재는 동종을 나타냅니다.
혼합물
핵연료는 원자로 노심 내에 다음과 같은 형태로 위치한다.
균질 혼합물: 우라늄 염 용액; 우라늄 산화물의 현탁액
경수와 중수; 우라늄이 함침된 고체 감속재;
용융염. 균질 반응기를 위한 옵션
기체 연료(기체 우라늄 화합물) 또는 현탁액
가스 속의 우라늄 먼지.
코어에서 발생한 열은 냉각수(물,
가스 등) 코어를 통해 파이프를 통해 이동합니다. 또는 혼합물
중재자가 있는 연료 자체가 냉각수 역할을 하며,
열교환기를 통해 순환합니다.
널리 사용되지 않음(구조물의 부식이 높음)
액체 연료의 재료, 원자로 설계의 복잡성
고체 혼합물, 저농축 우라늄 더 많이 적재
연료 등)
이종 원자로 - 연료는 노심에 개별적으로 배치됩니다.
중재자가 있는 블록 형태
주요 특징은 연료 요소의 존재입니다.
(TVEL). 연료봉은 다양한 모양(막대, 판)을 가질 수 있습니다.
등), 그러나 연료 사이에는 항상 명확한 경계가 있습니다.
감속재, 냉각수 등
현재 사용되는 대부분의 원자로는
이질적인 것은 디자인 측면에서 장점이 있기 때문입니다.
균질 반응기와 비교.

13. 사용 특성상

이름
목적
힘
실험적
원자로
다양한 물리량을 연구하고,
그 값이 필요한
원자력의 설계와 운영
원자로.
~103W
연구
원자로
중성자와 γ-양자의 플럭스가 생성됩니다.
활성 영역, 다음 용도로 사용됨
핵물리학 분야의 연구,
고체 물리학, 방사선 화학,
생물학, 테스트 재료,
집중적 인 조건에서 작동하도록 설계되었습니다.
중성자 플럭스(핵 부품 포함)
원자로) 동위원소 생산용.
<107Вт
눈에 띄는
나는 에너지 같은 사람이야
보통은 그렇지 않다
사용된
동위원소 원자로
사용되는 동위원소를 생산하려면
예를 들어 239Pu와 같은 핵무기
산업.
~103W
에너지
원자로
전기 및 열을 얻으려면
에너지 분야에서 사용되는 에너지와
담수화, 동력 구동용
선박 설치 등
최대 3-5 109W

14. 이종 반응기 조립

이종 원자로에서는 핵연료가 활성 원자로에 분포됩니다.
구역은 블록 형태로 분리되어 있으며, 그 사이에는
중성자 감속재

15. 중수형 원자로

장점
더 작은 흡수 단면적
중성자 => 개선됨
중성자 균형 =>
로 사용
천연 우라늄 연료
생성 가능성
공업중수
생산용 원자로
트리튬과 플루토늄뿐만 아니라
광범위한 동위원소
다음을 포함한 제품
의료 목적.
결함
중수소의 높은 비용

16. 천연 원자로

자연에서는 다음과 같은 조건에서
인공 원자로, 수
자연 지역을 창조하다
원자로.
유일하게 알려진 자연산
원자로 존재 20억개
몇 년 전 오클로 지역(가봉)에서.
기원: 우라늄 광석의 매우 풍부한 광맥은 물을 받습니다.
중성자 감속재 역할을 하는 표면. 무작위의
부패는 연쇄 반응을 시작합니다. 활성화되면 물이 끓어오르고,
반응이 약해집니다-자기 조절.
반응은 약 100,000년 동안 지속되었습니다. 이제는 불가능하기 때문에
자연 붕괴로 인해 우라늄 매장량이 고갈되었습니다.
이주를 연구하기 위한 현장 조사가 진행되고 있습니다.
동위원소 – 지하 처분 기술 개발에 중요
방사성 폐기물.

17. 원자력에너지 이용분야

원자력 발전소
이중 회로 원자력 발전소 운영 계획
가압수력원자로(VVER)

18.

원자력 발전소 외에도 원자로가 사용됩니다.
핵 쇄빙선에
핵잠수함;
핵미사일 작전 중
엔진(특히 AMS).

19. 우주에서의 원자력 에너지

우주 탐사선
카시니가 만든
NASA와 ESA의 프로젝트,
1997년 10월 15일 출시
일련의 연구
태양의 물체
시스템.
발전
3명이서 진행
방사성 동위원소
열전
발전기: 카시니
30kg 238Pu를 선상에 운반합니다.
분해되는 것,
열을 방출하다
로 전환 가능
전기

20. 우주선 "프로메테우스 1호"

NASA는 원자로를 개발 중이다.
조건에서 일할 수 있다
무중력.
우주에 전력을 공급하는 것이 목표
프로젝트에 따라 "Prometheus 1"을 배송하십시오.
목성의 위성에서 생명체를 찾아보세요.

21. 폭탄. 통제되지 않는 핵반응의 원리.

유일한 물리적 필요는 중요한 것을 얻는 것입니다.
k>1.01의 질량. 제어 시스템 개발이 필요하지 않습니다 –
원전보다 저렴하다.
"총" 방법
두 개의 우라늄 잉곳을 합치면 임계 미만 질량을 초과합니다.
비판적인. 농축도 235U는 80% 이상입니다.
이런 종류의 "아기" 폭탄이 히로시마에 투하되었습니다. 06/08/45 8:15
(78~24만명 사망, 6개월 내 14만명 사망)

22. 폭발성 압착 방법

복합물을 사용하는 플루토늄 기반 폭탄
재래식 폭발물의 동시 폭발 시스템은 다음과 같이 압축됩니다.
초임계 크기.
이런 종류의 폭탄 "Fat Man"이 나가사키에 투하되었습니다.
09/08/45 11:02
(75,000명 사망 및 부상)

23. 결론

에너지 문제는 가장 중요한 문제 중 하나이다.
오늘날 인류는 결정을 내려야 합니다. 그런 일은 이미 흔해졌어
즉각적인 의사소통 수단으로서 과학기술의 성과를 빠르게
교통, 우주 탐사. 하지만 이 모든 것이 필요합니다
막대한 에너지 소비.
에너지 생산과 소비의 급격한 증가는 새로운 시대를 가져왔습니다.
심각한 환경오염 문제를 대표하는
인류에 대한 심각한 위험.
향후 수십 년 동안 세계 에너지 수요
급속도로 증가할 것입니다. 에너지원이 하나도 없어
제공할 수 있으므로 모든 소스를 개발해야 합니다.
에너지를 사용하고 에너지 자원을 효율적으로 사용합니다.
에너지 개발의 가장 가까운 단계(21세기 첫 10년)
석탄에너지와 원자력발전은 여전히 가장 유망한 에너지로 남을 것이다
열 및 고속 중성자로를 이용한 에너지. 그러나 다음을 수행할 수 있습니다.
인류가 진보의 길에서 멈추지 않기를 바랍니다.
계속해서 증가하는 양의 에너지 소비와 관련이 있습니다.

원자는 원자라고 불리는 입자 구름으로 둘러싸인 핵으로 구성됩니다. 전자(그림 참조). 모든 물질을 구성하는 가장 작은 입자인 원자핵에는 상당한 공급량이 포함되어 있습니다. 방사성 원소가 붕괴되는 동안 방사선의 형태로 방출되는 것은 바로 이 에너지입니다. 방사선은 생명에 위험하지만 핵반응을 사용하여 생산할 수 있습니다. 방사선은 의학에도 사용됩니다.

방사능

방사능은 불안정한 원자핵이 에너지를 방출하는 특성입니다. 대부분의 무거운 원자는 불안정하지만 가벼운 원자에는 방사성 동위원소가 있습니다. 방사성 동위원소. 방사능이 나타나는 이유는 원자가 안정되는 경향이 있기 때문입니다(" " 기사 참조). 방사성 방사선에는 세 가지 유형이 있습니다. 알파선, 베타선그리고 감마선. 그리스 알파벳의 처음 세 글자를 따서 명명되었습니다. 처음에 핵은 알파선이나 베타선을 방출하고, 여전히 불안정하면 감마선도 방출합니다. 그림에서 세 개의 원자핵을 볼 수 있습니다. 그것들은 불안정하며 각각 세 가지 유형의 광선 중 하나를 방출합니다. 베타 입자는 매우 높은 에너지를 가진 전자입니다. 그것들은 중성자의 붕괴로 인해 발생합니다. 알파 입자는 두 개의 양성자와 두 개의 중성자로 구성됩니다. 헬륨 원자의 핵은 정확히 동일한 구성을 가지고 있습니다. 감마선은 전자기 방사선빛의 속도로 전파되는 높은 에너지.

알파 입자는 천천히 움직이며, 종이보다 두꺼운 물질층이 이를 가두어 놓습니다. 헬륨 원자의 핵과 다르지 않습니다. 과학자들은 지구상의 헬륨이 자연 방사능의 산물이라고 믿습니다. 알파 입자는 10cm 미만으로 날아가는데 두꺼운 종이가 이를 막아줍니다. 베타 입자는 공중에서 약 1m 정도 날아갑니다. 1mm 두께의 구리판이 그것을 막을 수 있습니다. 감마선의 강도는 13mm의 납층이나 120m의 납층을 통과하면 절반으로 감소합니다.

방사성 물질은 방사선 누출을 방지하기 위해 벽이 두꺼운 납 용기에 담겨 운송됩니다. 방사선에 노출되면 화상, 백내장, 암이 발생합니다. 방사선 수준은 다음을 사용하여 측정됩니다. 가이거 계수관. 이 장치는 방사능을 감지하면 딸깍거리는 소리를 냅니다. 입자를 방출하면 핵은 새로운 원자 번호를 얻고 다른 원소의 핵으로 변합니다. 이 과정을 방사성 붕괴. 새로운 원소도 불안정하다면 안정적인 핵이 형성될 때까지 붕괴 과정이 계속됩니다. 예를 들어, 플루토늄-2 원자(질량 242)가 상대 원자 질량이 4(양성자 2개와 중성자 2개)인 알파 입자를 방출하면 우라늄 원자 238(원자 질량 238)로 변합니다. 반감기- 주어진 물질 샘플에 포함된 모든 원자의 절반이 붕괴되는 시간입니다. 서로 다른 반감기가 있습니다. 라듐-221의 반감기는 30초, 우라늄의 반감기는 45억년이다.

핵반응

핵반응에는 두 가지 유형이 있습니다. 핵융합그리고 핵의 분열(쪼개짐). "합성"은 "조합"을 의미합니다. 핵융합에서는 두 개의 핵이 결합되어 하나가 커집니다. 핵융합은 매우 높은 온도에서만 일어날 수 있습니다. 퓨전은 엄청난 양의 에너지를 방출합니다. 핵융합에서는 두 개의 핵이 하나의 큰 핵으로 결합됩니다. 1992년 COBE 위성은 우주에서 특별한 유형의 방사선을 발견했는데, 이는 소위 방사선의 결과로 형성되었다는 이론을 확증해 줍니다. 빅뱅. 핵분열이라는 용어에서 핵이 분리되어 핵 에너지를 방출한다는 것이 분명합니다. 이는 핵이 중성자와 충돌하여 방사성 물질이나 특수 장치에서 발생하는 경우 가능합니다. 입자가속기. 핵은 분열되어 중성자를 방출하고 엄청난 에너지를 방출합니다.

원자력

핵반응에서 방출되는 에너지는 전기를 생산하는 데 사용될 수 있으며 핵잠수함과 항공모함의 동력원으로도 사용될 수 있습니다. 원자력 발전소의 운영은 원자로의 핵분열을 기반으로 합니다. 우라늄과 같은 방사성 물질로 만들어진 막대에 중성자가 충돌합니다. 우라늄 핵이 분열되어 에너지를 방출합니다. 이것은 새로운 중성자를 방출합니다. 이 과정을 연쇄 반응. 발전소는 다른 어떤 발전소보다 연료 단위 질량당 더 많은 에너지를 생산하지만, 안전 예방조치와 방사성 폐기물 처리 비용은 매우 비쌉니다.

핵무기

핵무기의 작용은 막대한 양의 핵에너지가 통제되지 않게 방출되면 끔찍한 폭발로 이어진다는 사실에 근거합니다. 제2차 세계대전이 끝나자 미국은 일본의 히로시마와 나가사키에 원자폭탄을 투하했습니다. 수십만 명의 사람들이 사망했습니다. 원자폭탄의 기반은 다음과 같습니다. 핵분열 반응, 수소 - 켜짐 합성 반응. 사진은 히로시마에 떨어진 원자폭탄의 모습이다.

방사성 탄소법

방사성탄소법은 유기체가 죽은 이후 경과한 시간을 측정합니다. 생명체에는 탄소의 방사성 동위원소인 탄소-14가 소량 포함되어 있습니다. 반감기는 5,700년이다. 유기체가 죽으면 조직의 탄소-14 보유량이 고갈되고 동위원소가 붕괴되며 남은 양을 사용하여 유기체가 죽은 지 얼마나 됐는지 확인할 수 있습니다. 방사성 탄소 연대 측정법 덕분에 폭발이 발생한 지 얼마나 됐는지 알 수 있습니다. 이를 위해 그들은 용암에 얼어붙은 곤충과 꽃가루를 사용합니다.

방사능은 또 어떻게 사용되나요?

산업계에서 방사선은 종이나 플라스틱의 두께를 결정하는 데 사용됩니다(““ 기사 참조). 시트를 통과하는 베타선의 강도에 따라 시트 두께의 미세한 이질성도 감지될 수 있습니다. 식품(과일, 고기)에는 감마선을 조사하여 신선하게 유지합니다. 의사는 방사능을 사용하여 신체 내 물질의 경로를 추적합니다. 예를 들어, 설탕이 환자의 신체에 어떻게 분포되어 있는지 확인하기 위해 의사는 설탕 분자에 일부 탄소-14를 주입하고 물질이 신체에 들어갈 때 물질의 방출을 모니터링할 수 있습니다. 방사선 요법, 즉 환자에게 엄격한 양의 방사선을 조사하면 암세포, 즉 신체에서 자란 세포가 죽습니다.

1.소개

2.방사능

3.원자로

4. 핵융합로의 공학적 측면

5.핵반응. 원자력 에너지.

6.감마선

7.원자로

8.원자력 건설의 원리

9. 내일 핵융합

10.결론

11.참고자료

소개: 물리학은 무엇을 연구하나요?

물리학은 가장 단순하면서도 가장 일반적인 자연 법칙, 물질의 구조 및 운동 법칙을 연구하는 자연 과학입니다. 물리학은 다음과 같이 분류됩니다. 정확한 과학. 그 개념과 법칙은 자연과학의 기초를 형성합니다. 물리학과 기타 자연과학을 구분하는 경계는 역사적으로 임의적입니다. 물리학이 발견한 법칙은 실험적으로 확립된 데이터를 기반으로 하기 때문에 물리학은 근본적으로 실험 과학이라는 것이 일반적으로 받아들여지고 있습니다. 물리 법칙은 수학 언어로 표현된 양적 관계의 형태로 제시됩니다. 일반적으로 물리학은 새로운 사실을 확립하고 가설과 알려진 물리 법칙을 테스트하기 위해 실험을 수행하는 실험과 물리 법칙의 공식화, 이러한 법칙에 기초한 설명에 중점을 둔 이론으로 구분됩니다. 자연 현상그리고 새로운 현상에 대한 예측.

물리학의 구조는 복잡합니다. 여기에는 다양한 분야 또는 섹션이 포함됩니다. 연구하는 대상에 따라 소립자물리학, 핵물리학, 원자와 분자물리학, 기체와 액체물리학, 플라즈마물리학, 고체물리학으로 구분됩니다. 연구되는 물질의 운동 과정이나 형태에 따라 물질 점의 역학과 고체, 연속체 역학(음향 포함), 열역학 및 통계 역학, 전기 역학(광학 포함), 중력 이론, 양자 역학 및 양자 장 이론. 얻은 지식의 소비자 지향에 따라 기초 물리학과 응용 물리학이 구별됩니다. 또한 기계적, 음향적, 전기적, 광학적 진동과 파동을 단일 관점에서 고려하는 진동과 파동의 교리를 구별하는 것이 관례입니다. 물리학은 물리학의 모든 분야를 포괄하고 물리적 현상의 본질과 현실 과정을 가장 완벽하게 반영하는 기본적인 물리적 원리와 이론을 기반으로 합니다.

티그리스, 유프라테스, 나일강 유역(이집트 바빌론, 아시리아, 이집트)에서 발생한 초기 문명부터 건축 구조물, 가정용품, 등. 지식의 산물. 다양한 종류의 구조물을 세우거나 생활용품, 무기 등을 만들 때 사람들은 수많은 물리적 관찰과 기술적 실험, 일반화를 통해 얻은 결과를 이용했습니다. 특정한 경험적 물리적 지식은 있었지만 물리적 지식 체계는 없었다고 말할 수 있습니다.

고대 중국의 물리적 개념 역시 다양한 기술 활동을 기반으로 나타났으며, 그 과정에서 다양한 기술 레시피가 개발되었습니다. 당연히 기계적인 개념이 먼저 개발되었습니다. 따라서 중국인은 힘(움직이게 만드는 것), 반응(움직임을 멈추는 것), 지렛대, 블록, 저울 비교(표준과 비교)에 대한 아이디어를 가지고 있었습니다. 광학 분야에서 중국인은 "카메라 옵스큐라"에 반전 이미지를 형성한다는 아이디어를 가지고 있었습니다. 이미 기원전 6세기에요. 그들은 자기 현상, 즉 자석에 의한 철의 인력을 알고 있었고 이를 바탕으로 나침반이 만들어졌습니다. 음향학 분야에서 그들은 조화의 법칙과 공명 현상을 알고 있었습니다. 그러나 이는 여전히 이론적인 설명이 없는 경험적인 생각이었습니다.

고대 인도에서 자연 철학적 사상의 기초는 흙, 물, 불, 공기 및 에테르의 다섯 가지 요소에 대한 교리였습니다. 물질의 원자 구조에 대한 추측도 있었습니다. 무거움, 유동성, 점성, 탄성 등과 같은 물질의 특성, 움직임 및 그 원인에 대한 독창적인 아이디어가 개발되었습니다. 6세기쯤 기원전. 일부 분야의 경험적 물리적 개념은 독특한 이론적 구성(광학, 음향학)으로 전환되는 경향을 보입니다.

방사능 현상 또는 핵의 자연 붕괴 현상은 프랑스 물리학자 A. 베크렐이 1896년에 발견했습니다. 그는 우라늄과 그 화합물이 불투명한 물체를 관통하여 사진 건판을 비출 수 있는 광선이나 입자를 방출한다는 것을 발견했습니다. 방사선의 강도는 우라늄 농도에만 비례하며 외부 조건(온도, 압력) 및 우라늄이 화합물에 포함되어 있는지 여부에 영향을 받지 않습니다.

영국 물리학자 E. 러더퍼드(E. Rutherford)와 F. 소디(F. Soddy)는 모든 방사성 과정에서 원자핵의 상호 변형이 일어난다는 것을 증명했습니다. 화학 원소. 자기장 및 자기장에서 이러한 과정을 수반하는 방사선의 특성에 대한 연구 전기장, a입자(헬륨핵), b입자(전자), g선(매우 짧은 파장을 갖는 전자기파)으로 나누어져 있음을 보여주었다.

g-양자, a-, b- 또는 기타 입자를 방출하는 원자핵을 호출합니다. 방사성 핵. 자연에는 272개의 안정한 원자핵이 있습니다. 다른 모든 핵은 방사성이므로 다음과 같이 불립니다. 방사성 동위원소.

핵의 결합 에너지는 핵의 구성 부분으로의 분해에 대한 저항성을 나타냅니다. 핵의 결합 에너지가 붕괴 생성물의 결합 에너지보다 작다면 이는 핵이 자발적으로 붕괴될 수 있음을 의미합니다. 알파 붕괴 동안 알파 입자는 거의 모든 에너지를 운반하며 그 중 2%만이 2차 핵으로 이동합니다. 알파 붕괴 중 질량수 4단위씩 변하고, 원자번호는 2단위씩 변합니다.

알파 입자의 초기 에너지는 4-10 MeV입니다. 알파 입자는 질량과 전하가 크기 때문에 공기 중 평균 자유 경로가 짧습니다. 예를 들어 우라늄 핵에서 방출된 알파 입자의 공기 중 평균 자유 경로는 2.7cm이고 라듐에서 방출된 알파 입자는 3.3cm입니다.

이는 질량수는 변하지 않고 원자번호만 변하면서 원자핵이 다른 핵으로 변형되는 과정이다. b-붕괴에는 전자, 양전자, 원자핵에 의한 궤도 전자 포획의 세 가지 유형이 있습니다. 마지막 붕괴 유형이라고도 합니다. 에게- 포획, 이 경우 핵에 가장 가까운 전자가 흡수될 가능성이 가장 높기 때문입니다. 에게껍질. 에서 전자를 흡수 엘그리고 중껍질도 가능하지만 가능성은 낮습니다. b-활성 핵의 반감기는 매우 넓은 범위에 걸쳐 다양합니다.

현재 알려진 베타 활성 핵의 수는 약 15,000개이지만, 그 중 자연적으로 발생하는 베타 방사성 동위원소는 20개에 불과합니다. 다른 모든 것은 인위적으로 얻어집니다.

붕괴 중에 방출되는 전자의 운동 에너지의 지속적인 분포는 전자와 함께 반중성미자도 방출된다는 사실로 설명됩니다. 반중성미자가 없다면 전자는 잔류 핵의 운동량과 동일하게 엄격하게 정의된 운동량을 갖게 됩니다. 스펙트럼의 급격한 중단은 베타 붕괴 에너지와 동일한 운동 에너지 값에서 관찰됩니다. 이 경우 핵과 반중성미자의 운동 에너지는 0이고 전자는 반응 중에 방출된 모든 에너지를 운반합니다.

전자 붕괴 동안 잔여 핵은 질량수를 유지하면서 원래 핵보다 1차 더 큰 차수를 갖습니다. 이는 잔류 핵에서 양성자의 수가 1만큼 증가하고 반대로 중성자의 수가 더 작아졌음을 의미합니다. N=A-(Z+1).

양전자 붕괴 중에 핵자의 전체 수는 유지되지만 최종 핵에는 초기 핵보다 중성자가 하나 더 많습니다. 따라서 양전자 붕괴는 양전자와 중성미자가 방출되면서 핵 내부의 양성자 하나가 중성자로 변환되는 반응으로 해석될 수 있습니다.

에게 전자 캡처원자가 원자의 궤도 전자 중 하나를 흡수하는 과정을 나타냅니다. 핵에 가장 가까운 궤도에서 전자를 포획할 가능성이 가장 높으므로 전자가 흡수될 가능성이 가장 높습니다. 에게-껍질. 그러므로 이 과정을 라고도 한다. 에게-포착.

전자가 포획될 가능성은 훨씬 적습니다. 엘-,중-껍질. 전자를 포획한 후 에게-껍질, 궤도에서 궤도로 일련의 전자 전이가 발생하고 새로운 원자 상태가 형성되며 X선 양자가 방출됩니다.

안정한 핵은 가장 낮은 에너지에 해당하는 상태에 있습니다. 이 상태를 기본이라고 합니다. 그러나 다양한 입자나 고에너지 양성자를 원자핵에 조사하면 특정 에너지가 원자핵에 전달되어 더 높은 에너지에 해당하는 상태로 전달될 수 있습니다. 여기 상태에서 기저 상태로 일정 시간이 지난 후 전환되면 원자핵은 여기 에너지가 충분히 높은 경우 입자를 방출하거나 고에너지 전자기 방사선(감마 양자)을 방출할 수 있습니다.

여기된 핵은 불연속적인 에너지 상태에 있기 때문에 감마선은 선 스펙트럼을 특징으로 합니다.

무거운 핵분열이 일어나면 여러 개의 자유 중성자가 생성됩니다. 이를 통해 중원소가 포함된 매체에서 전파되는 중성자가 새로운 자유 중성자를 방출하면서 핵분열을 일으킬 수 있는 소위 핵분열 연쇄 반응을 조직할 수 있습니다. 새로 생성된 중성자의 수가 증가하는 환경에서는 핵분열 과정이 눈사태처럼 증가합니다. 후속 핵분열 중에 중성자 수가 감소하면 핵 연쇄 반응이 사라집니다.

고정된 핵 연쇄 반응을 얻으려면 핵분열 시 중성자를 흡수하는 각 핵이 평균적으로 하나의 중성자를 방출하여 두 번째 중핵의 핵분열을 향해 나아가는 조건을 만드는 것이 분명히 필요합니다.

원자로는 특정 중핵의 분열에 대한 제어된 연쇄 반응이 수행되고 유지되는 장치입니다.

원자로에서 핵 연쇄 반응은 특정 수의 핵분열성 핵에서만 발생할 수 있으며, 이는 어떤 중성자 에너지에서도 핵분열할 수 있습니다. 핵분열성 물질 중 가장 중요한 것은 235U 동위원소로, 천연 우라늄에서 차지하는 비중은 0.714%에 불과합니다.

238 U는 에너지가 1.2 MeV를 초과하는 중성자에 의해 핵분열성이 있지만, 238 U 핵과 빠른 중성자의 비탄성 상호작용 가능성이 높기 때문에 천연 우라늄의 빠른 중성자에 대한 자체 유지 연쇄 반응은 불가능합니다. 이 경우 중성자 에너지는 238U 핵의 임계 핵분열 에너지보다 낮아집니다.

감속재를 사용하면 중성자가 감속재 핵과 충돌하여 공명 에너지 영역을 통과하여 핵 235 U, 239 Pu, 233 U에 흡수될 수 있으므로 238 U의 공명 흡수가 감소합니다. 중성자 에너지가 감소함에 따라 핵분열 단면적이 크게 증가합니다. 질량수가 적고 흡수 단면적이 작은 재료(물, 흑연, 베릴륨 등)가 감속재로 사용됩니다.

핵분열 연쇄반응을 특성화하기 위해 곱셈 인자 K라는 양이 사용되는데, 이는 특정 세대의 중성자 수와 이전 세대의 중성자 수의 비율입니다. 고정 핵분열 연쇄 반응의 경우 K=1입니다. K = 1인 번식 시스템(반응로)을 임계라고 합니다. K > 1이면 시스템의 중성자 수가 증가하며 이 경우 임계 이상이라고 합니다. K에서< 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 대부분의열중성자가 흡수되면 핵분열이 일어나기 때문에 이러한 원자로를 열중성자 원자로라고 부른다. 이러한 시스템의 중성자 에너지는 0.2eV를 초과하지 않습니다. 원자로 내 핵분열의 대부분이 고속 중성자를 흡수하여 발생하는 경우 해당 원자로를 고속 중성자 원자로라고 합니다.

열중성자 원자로의 노심에는 핵연료와 함께 큰 산란 단면적과 작은 흡수 단면적을 특징으로 하는 상당한 질량의 감속재 물질이 있습니다.

반응기의 활성 영역은 특수 반응기를 제외하고 거의 항상 다중 산란으로 인해 일부 뉴런을 활성 영역으로 되돌리는 반사경으로 둘러싸여 있습니다.

고속 뉴런 반응기에서 활성 영역은 재생 영역으로 둘러싸여 있습니다. 그들은 핵분열성 동위원소를 축적합니다. 또한 재생 영역은 반사판 역할도 합니다.

원자로에는 슬래그라고 불리는 핵분열 생성물이 축적됩니다. 슬래그의 존재는 자유 중성자의 추가 손실을 초래합니다.

원자로는 연료와 감속재의 상대적 배치에 따라 동종 원자로와 이종 원자로로 구분됩니다. 균질 원자로에서 노심은 용액, 혼합물 또는 용융물 형태의 연료, 감속재 및 냉각제로 구성된 균질한 덩어리입니다. 블록 또는 연료 집합체 형태의 연료가 감속재에 배치되어 규칙적인 기하학적 격자를 형성하는 원자로를 이종이라고 합니다.

원자로 작동 중에 열 제거 요소(연료봉)와 모든 구조 요소에서 다양한 양의 열이 방출됩니다. 이는 우선 핵분열 조각, 베타 및 감마선, 뉴런과 상호 작용하는 핵의 억제, 그리고 마지막으로 빠른 뉴런의 속도 저하로 인해 발생합니다. 연료심의 핵분열로 인한 파편은 수천억 도의 온도에 해당하는 속도에 따라 분류됩니다.

실제로, E = mu 2 = 3RT, 여기서 E는 조각의 운동 에너지, MeV입니다. R = 1.38·10 -23 J/K - 볼츠만 상수. 1 MeV = 1.6 10 -13 J를 고려하면 1.6 10 -6 E = 2.07 10 -16 T, T = 7.7 10 9 E를 얻습니다. 조각 핵분열에 대한 가장 가능성 있는 에너지 값은 가벼운 조각의 경우 97 MeV이고 무거운 조각의 경우 65MeV입니다. 그런 다음 가벼운 조각의 해당 온도는 7.5 10 11 K이고 무거운 조각의 경우 - 5 10 11 K입니다. 원자로에서 달성할 수 있는 온도는 이론적으로는 거의 무제한이지만 실제로 제한은 구조의 최대 허용 온도에 의해 결정됩니다. 재료 및 연료 요소.

원자로의 특징은 핵분열 에너지의 94%가 즉시 열로 변환된다는 것입니다. 원자로의 출력이나 원자로에 포함된 물질의 밀도가 눈에 띄게 변할 시간이 없는 동안. 따라서 원자로 출력이 변경되면 열 방출은 지체 없이 연료분열 과정을 따릅니다. 그러나 원자로가 꺼지면 핵분열 속도가 수십 배 이상 감소하면 지연된 열 방출 원인(핵분열 생성물의 감마 및 베타 방사선)이 원자로에 남아 있어 우세해집니다.

원자로의 전력은 그 안에 있는 뉴런의 자속 밀도에 비례하므로 이론적으로 모든 전력을 달성할 수 있습니다. 실제로 최대 출력은 원자로에서 방출되는 열 제거 속도에 따라 결정됩니다. 현대식 동력로의 비열 제거량은 10 2 - 10 3 MW/m 3이고, 와류 원자로의 경우 - 10 4 - 10 5 MW/m 3입니다.

원자로를 순환하는 냉각수에 의해 원자로에서 열이 제거됩니다. 특징적인 특징원자로는 핵분열 반응이 멈춘 후의 붕괴열로, 원자로가 정지된 후에도 오랜 시간 동안 열을 제거해야 합니다. 붕괴열 전력은 공칭 전력보다 현저히 낮지만 붕괴열을 제어할 수 없기 때문에 원자로를 통한 냉각수 순환은 매우 안정적으로 보장되어야 합니다. 과열 및 연료 요소 손상을 방지하기 위해 일정 기간 동안 작동된 원자로에서 냉각수를 제거하는 것은 엄격히 금지됩니다.

원자력 원자로는 중원소 핵분열의 제어된 연쇄반응이 수행되고, 이 과정에서 방출되는 열에너지가 냉각수에 의해 제거되는 장치입니다. 원자로의 주요 요소는 핵심입니다. 핵연료를 수용하고 핵분열 연쇄반응을 수행합니다. 코어는 특정 방식으로 배치된 핵연료를 포함하는 연료 요소의 집합체입니다. 열 중성자 원자로는 감속재를 사용합니다. 연료 요소를 냉각시키기 위해 냉각수가 노심을 통해 펌핑됩니다. 일부 유형의 원자로에서는 감속재와 냉각수의 역할이 일반 물이나 중수와 같은 동일한 물질에 의해 수행됩니다. 을 위한

원자로의 작동을 제어하기 위해 중성자 흡수 단면적이 큰 재료로 만들어진 제어봉이 노심에 도입됩니다. 발전용 원자로의 노심은 노심에서 중성자의 누출을 줄이기 위한 감속재 층인 중성자 반사경으로 둘러싸여 있습니다. 또한 반사경 덕분에 중성자 밀도와 에너지 방출이 노심 전체에 걸쳐 균등화되어 주어진 구역 크기에서 더 큰 출력을 얻고, 더 균일한 연료 연소를 달성하고, 과부하 없이 원자로의 작동 시간을 늘릴 수 있습니다. 연료를 공급하고 열 제거 시스템을 단순화합니다. 반사경은 중성자와 감마 양자를 감속하고 흡수하는 에너지에 의해 가열되므로 냉각이 제공됩니다. 코어, 반사경 및 기타 요소는 일반적으로 생물학적 차폐로 둘러싸인 밀봉된 하우징 또는 케이싱에 보관됩니다.

원자로 노심은 부품의 의도하지 않은 이동으로 인해 반응성이 증가할 가능성을 배제하도록 설계되어야 합니다. 이종 코어의 주요 구조적 부분은 신뢰성, 크기 및 비용을 크게 결정하는 연료 요소입니다. 전력 원자로는 일반적으로 강철 또는 지르코늄 합금 껍질에 둘러싸인 압축 이산화우라늄 펠렛 형태의 연료와 함께 연료봉을 사용합니다. 편의상 연료 요소는 원자로의 노심에 설치되는 연료 집합체(FA)로 조립됩니다.

열에너지의 대부분은 연료봉에서 생성되어 냉각수로 전달됩니다. 무거운 핵이 분열하는 동안 방출되는 모든 에너지의 90% 이상이 연료 요소로 방출되고 연료 요소 주위를 흐르는 냉각수에 의해 제거됩니다. 연료봉은 매우 가혹한 열 조건에서 작동합니다. 연료봉에서 냉각수까지의 최대 열 유속 밀도는 (1 - 2) 10 6 W/m 2에 도달하는 반면, 현대 증기 보일러에서는 (2 - 3) 10 5와 같습니다. W/㎡ 2. 또한, 상대적으로 적은 양의 핵연료는 많은 양의 열을 방출합니다. 핵연료의 에너지 밀도도 매우 높다. 코어의 비열 방출은 10 8 -10 9 W/m 3 에 도달하는 반면, 현대식 증기 보일러에서는 10 7 W/m 3 을 초과하지 않습니다.

연료봉 표면을 통과하는 큰 열 흐름과 연료의 상당한 에너지 집약도는 연료봉의 매우 높은 내구성과 신뢰성을 요구합니다. 또한 연료봉의 작동 조건은 피복재 표면의 300 - 600C o에 도달하는 높은 작동 온도, 열충격 가능성, 진동 및 중성자 플럭스(플루언스 10 27에 도달)의 존재로 인해 복잡해집니다. 중성자/m 2).

연료 요소에는 설계의 단순성 등 높은 기술적 요구 사항이 적용됩니다. 냉각수 흐름의 기계적 안정성과 강도로 치수와 견고성을 보장합니다. 연료 요소의 구조 재료와 노심의 구조 재료의 최소화에 의한 낮은 중성자 흡수; 작동 온도에서 핵연료 및 핵분열 생성물과 연료 피복재, 냉각수 및 감속재의 상호 작용이 없습니다. 연료 요소의 기하학적 형태는 필요한 표면적 대 부피 비율과 연료 요소 전체 표면에서 냉각수에 의한 열 제거의 최대 강도를 보장해야 할 뿐만 아니라 핵연료의 큰 연소율과 높은 수준을 보장해야 합니다. 핵분열 생성물의 보유. 연료 요소는 방사선 저항성이 있어야 하며, 필요한 크기와 디자인을 갖추고 재장전 작업을 신속하게 수행할 수 있는 능력을 보장해야 합니다. 간단하고 경제적인 핵연료 재생이 가능하며 비용도 저렴합니다.

안전상의 이유로, 노심 작동 전체 기간(3~5년)과 재처리를 위해 보내질 때까지(1~3년) 사용후 핵연료봉을 보관하는 동안 연료봉 피복재의 신뢰성 있는 기밀성을 유지해야 합니다. 노심을 설계할 때 핵연료 요소의 손상 허용 한계(손상 수량 및 정도)를 미리 설정하고 타당성을 입증할 필요가 있습니다. 노심은 전체 설계 수명 동안 작동 중에 연료 요소 손상에 대해 설정된 한계를 초과하지 않도록 설계되었습니다. 이러한 요구 사항의 충족은 코어 설계, 냉각수 품질, 열 제거 시스템의 특성 및 신뢰성을 통해 보장됩니다. 작동 중에는 개별 핵연료 피복재의 기밀성이 손상될 수 있습니다. 이러한 위반에는 두 가지 유형이 있습니다. 즉, 기체 핵분열 생성물이 연료 요소에서 냉각수로 빠져나가는 미세 균열이 형성됩니다(가스 밀도 유형 결함). 연료가 냉각수와 직접 접촉할 수 있는 결함 발생.

연료봉의 작동 조건은 주로 노심의 설계에 따라 결정되는데, 이는 온도 조건의 관점에서 요구되는 연료봉 배치 및 냉각수 분포의 설계 기하학적 구조를 보장해야 합니다. 원자로가 전력으로 작동하는 경우 안정적인 열 제거를 보장하기 위해 노심을 통해 냉각수의 안정적인 흐름이 유지되어야 합니다. 노심에는 출력 분배, 중성자 플럭스, 연료봉 온도 조건 및 냉각수 흐름에 대한 정보를 제공하는 원자로 제어 장치 내부의 센서가 장착되어야 합니다.

동력로의 노심은 중성자와 열적 물리적 과정 사이의 내부 상호 작용 메커니즘이 증배율의 모든 교란에 대해 새로운 안전한 출력 수준을 설정하도록 설계되어야 합니다. 실제로 원자력 발전소의 안전은 한편으로는 원자로의 안정성(노심의 온도와 전력 증가에 따른 증배율 감소)에 의해 보장되고, 다른 한편으로는 다음과 같은 요인에 의해 보장됩니다. 자동 제어 및 보호 시스템의 신뢰성.

심층적인 안전을 보장하기 위해서는 노심의 설계와 핵연료의 특성에서 노심이 파괴되고 핵연료가 녹는 동안 임계질량의 핵분열성 물질이 형성될 가능성을 배제해야 합니다. 노심을 설계할 때 노심 냉각 위반과 관련된 모든 경우에 연쇄 반응을 중지하기 위해 중성자 흡수체를 도입하는 것이 가능해야 합니다.

연소도, 중독 및 온도 영향을 보상하기 위해 대량의 핵연료를 포함하는 노심은 몇 가지 임계 질량을 가지고 있습니다. 따라서 각 임계량의 연료에는 반응도 보상 수단이 제공되어야 합니다. 국지적 임계 질량의 가능성을 배제하는 방식으로 코어에 배치해야 합니다.

원자로는 핵분열 반응에 관여하는 중성자의 에너지 수준, 연료와 감속재의 배치 원리, 의도된 목적, 감속재와 냉각재의 유형 및 물리적 상태에 따라 분류됩니다.

에너지 중성자 수준에 따라: 원자로는 고속 중성자, 열 및 중간(공명) 에너지 중성자에서 작동할 수 있으며 이에 따라 열 중성자, 고속 중성자 및 중간 중성자에 대한 렉터로 구분됩니다(간단히 설명하기 위해 때때로 호출함). 열, 고속 및 중간).

안에 열중성자 원자로대부분의 핵분열은 핵분열성 동위원소의 핵이 열중성자를 흡수할 때 발생합니다. 주로 0.5MeV 이상의 에너지를 갖는 중성자에 의해 핵분열이 수행되는 원자로를 고속 중성자 원자로라고 합니다. 핵분열성 동위원소의 핵에 의한 중간 중성자의 흡수로 인해 대부분의 핵분열이 발생하는 원자로를 중간(공명) 중성자 원자로라고 합니다.

현재 열 중성자 원자로가 가장 널리 보급되어 있습니다. 열 원자로는 노심 내 235U 핵연료 농도가 1~100kg/m 3 이고 대량의 감속재가 존재한다는 특징이 있습니다. 고속 중성자로는 1000 kg/m 3 정도의 핵연료 235 U 또는 239 U의 농도와 노심에 감속재가 없다는 특징이 있습니다.

중간 중성자로에서는 노심에 감속재가 거의 없으며 핵연료 235U의 농도는 100~1000kg/m 3 입니다.

열중성자로에서는 빠른 중성자가 핵에 포획될 때 연료핵의 핵분열도 발생하지만 이 과정이 일어날 확률은 미미하다(1~3%). 중성자 감속재의 필요성은 연료핵의 유효 핵분열 단면적이 큰 중성자 에너지보다 낮은 중성자 에너지에서 훨씬 더 크다는 사실에 기인합니다.

열 반응기의 코어에는 감속재(핵의 질량수가 낮은 물질)가 포함되어 있어야 합니다. 흑연, 중수 또는 경수, 베릴륨 및 유기 액체가 감속재로 사용됩니다. 열 원자로는 감속재가 중수나 흑연인 경우 천연 우라늄에서도 작동할 수 있습니다. 다른 감속재들은 농축 우라늄을 사용해야 합니다. 원자로에 필요한 임계 치수는 연료 농축 정도에 따라 달라지며, 농축 정도가 증가할수록 크기는 작아집니다. 열 중성자 원자로의 중요한 단점은 감속재, 냉각제, 구조 재료 및 핵분열 생성물에 의한 포획으로 인해 느린 중성자가 손실된다는 것입니다. 따라서 이러한 원자로에서는 느린 중성자 포획을 위해 감속재, 냉각제 및 구조 재료로 단면적이 작은 물질을 사용할 필요가 있습니다.

안에 중간 중성자로대부분의 핵분열 현상은 열 이상의 에너지(1eV ~ 100keV)를 갖는 중성자에 의해 발생하며 감속재 질량은 열 원자로보다 적습니다. 이러한 원자로 작동의 특징은 중간 영역에서 중성자 핵분열이 증가하는 연료 핵분열 단면적이 구조 재료 및 핵분열 생성물의 흡수 단면적보다 덜 감소한다는 것입니다. 따라서 핵분열 사건의 확률은 흡수 사건에 비해 증가합니다. 구조 재료의 중성자 특성에 대한 요구 사항은 덜 엄격하고 범위가 더 넓습니다. 결과적으로, 중간중성자로의 노심은 보다 내구성 있는 재료로 만들어질 수 있으며, 이는 원자로의 가열 표면에서 비열 제거를 증가시키는 것을 가능하게 한다. 단면적 감소로 인해 중간 원자로에서 핵분열성 동위원소를 사용한 연료 농축은 열 원자로보다 높아야 합니다. 중간 중성자로에서 핵연료 재생산은 열중성자로에서보다 더 큽니다.

중성자를 약하게 조절하는 물질은 중간 원자로에서 냉각제로 사용됩니다. 예를 들어, 액체 금속. 감속재는 흑연, 베릴륨 등입니다.

고속 중성자로의 노심에는 고농축 연료를 담은 연료봉이 배치됩니다. 핵은 연료 원료(고갈 우라늄, 토륨)를 포함하는 연료 요소로 구성된 번식 구역으로 둘러싸여 있습니다. 핵에서 탈출한 중성자는 연료원료의 핵에 의해 번식지대에서 포획되어 새로운 핵연료가 형성됩니다. 고속 원자로의 특별한 장점은 핵연료의 확장된 재생산을 조직할 수 있다는 것입니다. 에너지 생산과 동시에, 다 타버린 핵연료 대신에 새로운 핵연료를 생산합니다. 고속 원자로는 감속재가 필요하지 않으며 냉각재는 중성자의 속도를 늦출 필요가 없습니다.

노심에 연료를 넣는 방식에 따라 원자로는 동종 원자로와 이종 원자로로 구분됩니다.

안에 균질 반응기핵연료, 냉각수 및 감속재(있는 경우)는 완전히 혼합되어 있으며 동일한 물리적 상태에 있습니다. 완전히 균질한 원자로의 핵심은 핵연료, 냉각재 또는 감속재의 액체, 고체 또는 기체의 균질 혼합물입니다. 균질 원자로는 열 중성자일 수도 있고 고속 중성자일 수도 있습니다. 이러한 원자로에서 전체 활성 영역은 강철 구형 본체 내부에 위치하며 용액 또는 액체 합금 형태의 연료와 감속재의 액체 균질 혼합물을 나타냅니다 (예 : 물에 황산 우라늄 용액, 액체 비스무트의 우라늄)은 동시에 냉각제 역할을 합니다.

핵분열 반응은 구형 원자로용기 내부의 연료용액에서 일어나며, 그 결과 용액의 온도가 상승한다. 반응기에서 나오는 가연성 용액은 열 교환기로 들어가고, 여기서 열을 2차 회로의 물로 전달하고 냉각된 후 원형 펌프에 의해 반응기로 다시 보내집니다. 원자로 외부에서 핵 반응이 발생하지 않도록 회로 파이프라인, 열교환기 및 펌프의 용량은 회로의 각 섹션에 있는 연료량이 임계 용량보다 훨씬 낮도록 선택됩니다. 동종 반응기는 이종 반응기에 비해 여러 가지 장점을 가지고 있습니다. 이는 노심의 단순한 설계와 최소한의 크기, 원자로를 정지하지 않고 운전 중 핵분열 생성물을 지속적으로 제거하고 새로운 핵연료를 추가할 수 있는 능력, 연료 준비의 용이성, 그리고 원자로를 변경하여 제어할 수 있다는 점입니다. 핵연료 농도.

그러나 균질 반응기는 심각한 단점도 가지고 있습니다. 회로를 통해 순환하는 균질 혼합물은 강력한 방사능 방사선을 방출하므로 추가 보호가 필요하고 원자로 제어가 복잡해집니다. 연료의 일부만 원자로에 있어 에너지를 생성하는 데 사용되며, 나머지 부분은 외부 파이프라인, 열교환기 및 펌프에 사용됩니다. 순환하는 혼합물은 원자로와 회로 시스템 및 장치에 심각한 부식과 침식을 유발합니다. 물의 방사선 분해로 인해 균질 반응기에서 폭발성 폭발성 혼합물이 형성되려면 연소 장치가 필요합니다. 이 모든 것이 균질 반응기가 널리 사용되지 않는다는 사실로 이어졌습니다.

안에 이종 반응기블록 형태의 연료가 중재자에 배치됩니다. 연료와 감속재는 공간적으로 분리되어 있습니다.

현재는 이종 원자로만이 에너지 목적으로 설계되었습니다. 이러한 원자로의 핵연료는 기체, 액체 및 고체 상태로 사용될 수 있습니다. 그러나 이제 이종 원자로는 고체 연료로만 작동합니다.

이종반응기는 감속물질에 따라 흑연, 경수, 중수, 유기물로 구분됩니다. 냉각재의 종류에 따라 이종원자로는 경수, 중수, 가스, 액체금속 등으로 나뉜다. 원자로 내부의 액체 냉각재는 단상 상태와 2상 상태가 될 수 있습니다. 첫 번째 경우에는 원자로 내부의 냉각수가 끓지 않지만 두 번째 경우에는 끓습니다.

노심 내 액체냉각재의 온도가 끓는점 이하인 원자로를 가압수형 원자로라 하고, 내부에서 냉각재가 끓는 원자로를 비등수형 원자로라 한다.

사용된 감속재와 냉각수에 따라 이종 원자로는 서로 다른 설계에 따라 설계됩니다. 러시아의 주요 원자로 유형은 수-물 및 수-흑연입니다.

반응기는 설계에 따라 용기 반응기와 채널 반응기로 구분됩니다. 안에 용기 원자로냉각수 압력은 하우징에 의해 전달됩니다. 원자로 용기 내부에는 공통 냉각재 흐름이 흐릅니다. 안에 채널 반응기냉각수는 연료 집합체와 별도로 각 채널에 공급됩니다. 원자로 용기에는 냉각재 압력이 적용되지 않으며 이 압력은 각 개별 채널에 의해 전달됩니다.

원자로는 목적에 따라 전력 원자로, 변환기 및 승수기, 연구 및 다목적, 운송 및 산업이 될 수 있습니다.

원자력 발전용 원자로는 원자력 발전소, 선박 발전소, 원자력 열병합 발전소(NCHPP), 원자력 열 공급 발전소(HPP)에서 전기를 생산하는 데 사용됩니다.

천연 우라늄과 토륨을 이용하여 2차 핵연료를 생산하도록 설계된 원자로를 원자로라고 합니다. 변환기또는 배 승수. 변환기 원자로에서 2차 핵연료는 초기에 소비된 것보다 적은 양을 생산합니다.

증배관에서는 핵연료의 확장 재생산이 수행됩니다. 지출 된 것보다 더 많은 것이 밝혀졌습니다.

연구용 원자로는 중성자와 물질의 상호 작용 과정을 연구하고, 중성자와 감마 방사선의 집중 분야에서 원자로 재료의 거동을 연구하고, 방사성 화학 및 생물학적 연구, 동위원소 생산, 원자로 물리학에 대한 실험적 연구에 사용됩니다.

원자로에는 고정식 또는 펄스 작동 모드 등 다양한 출력이 있습니다. 가장 널리 보급된 것은 농축 우라늄을 사용하는 가압수 연구용 원자로입니다. 연구용 원자로의 화력은 넓은 범위에 걸쳐 다양하며 수천 킬로와트에 이릅니다.

다목적 원자로는 에너지 생성, 핵연료 생산 등 여러 목적을 수행하는 원자로입니다.

만약 케프 >< 1, ряд благополучно сходится и по формуле суммы геометрической прогрессии имеем

어디로<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

~처럼

핵융합로의 공학적 측면:

열핵 토카막 원자로는 자기, 극저온 및 진공 시스템, 전원 공급 시스템, 블랭킷, 삼중수소 회로 및 보호, 플라즈마 추가 가열 및 연료 공급 시스템, 원격 제어 및 유지 보수 등의 주요 부품으로 구성됩니다. 체계.

자기 시스템에는 토로이달 자기장의 코일, 전류를 유지하고 플라즈마의 유도 가열을 위한 인덕터, 전환기의 작동과 플라즈마 코드의 평형을 유지하는 데 필요한 폴로이드 자기장을 형성하는 권선이 포함되어 있습니다.

줄(Joule) 손실을 제거하기 위해 앞서 언급한 자기 시스템은 완전히 초전도체가 됩니다. 자기 시스템의 권선에는 니오븀-티타늄 및 니오븀-주석 합금을 사용하는 것이 제안되었습니다.

초전도체 원자로의 자기 시스템 생성 안에 12 Tesla 및 약 2 kA의 전류 밀도는 가까운 미래에 해결되어야 할 열핵 원자로 개발의 주요 엔지니어링 문제 중 하나입니다.

극저온 시스템에는 추가 플라즈마 가열 인젝터에 자기 시스템 저온 유지 장치와 저온 패널이 포함되어 있습니다. 저온 유지 장치는 모든 냉각 구조물이 밀폐되어 있는 진공 챔버처럼 보입니다. 자기 시스템의 각 코일은 액체 헬륨에 배치됩니다. 증기는 저온 유지 장치 내부에 위치한 특수 스크린을 냉각시켜 액체 헬륨 온도에서 표면으로부터의 열 흐름을 줄입니다. 극저온 시스템에는 두 개의 냉각 회로가 있는데, 그 중 하나는 액체 헬륨이 순환하여 초전도 코일의 정상 작동에 필요한 약 4K의 온도를 제공하고 다른 하나는 온도가 80~95K인 액체 질소를 제공합니다. 회로는 칸막이를 냉각하고 부품을 헬륨과 실온으로 분리하는 역할을 합니다.

인젝터의 크라이오패널은 액체 헬륨으로 냉각되며 가스를 흡수하도록 설계되어 상대적으로 높은 진공에서도 충분한 펌핑 속도를 유지할 수 있습니다.

진공 시스템은 전환기 캐비티 또는 반응기 작동 중 플라즈마 주변 공간뿐만 아니라 펄스 간 휴지 기간 동안 작업 챔버로부터 헬륨, 수소 및 불순물을 펌핑하는 것을 보장합니다. 펌핑된 삼중수소가 환경으로 방출되는 것을 방지하려면 최소한의 순환 삼중수소 양으로 시스템에 폐쇄 회로를 제공해야 합니다. 가스는 터보분자 펌프를 사용하여 펌핑할 수 있으며, 그 생산성은 오늘날 달성된 것보다 약간 더 높아야 합니다. 다음 충격을 위해 작업실을 준비하기 위한 일시 중지 기간은 30초를 초과하지 않습니다.

전원 공급 시스템은 원자로의 작동 모드에 따라 크게 달라집니다. 연속 모드에서 작동하는 토카막의 경우 눈에 띄게 더 간단합니다. 펄스 모드로 작동할 때는 네트워크와 모터 발전기 등의 결합된 전원 공급 시스템을 사용하는 것이 좋습니다. 발전기 전력은 펄스 부하에 의해 결정되며 106kW에 도달합니다.

원자로 블랭킷은 작업실의 첫 번째 벽 뒤에 위치하며 DT 반응에서 생성된 중성자를 포착하고 "연소된" 삼중수소를 재생산하며 중성자 에너지를 열 에너지로 변환하도록 설계되었습니다. 하이브리드 열핵 원자로에서 블랭킷은 핵분열성 물질을 생성하는 역할도 합니다. 담요는 본질적으로 열핵 원자로를 기존 열핵 시설과 구별하는 새로운 것입니다. 아직 담요를 설계하고 운영한 경험이 없기 때문에 리튬과 우라늄 담요에 대한 엔지니어링 및 설계 개발이 필요할 것이다.

삼중수소 회로는 작업실에서 펌핑된 가스의 재생, 플라즈마 보충을 위한 저장 및 공급, 블랭킷에서 삼중수소 추출 및 전력 시스템으로의 복귀, 정화를 보장하는 여러 개의 독립적인 장치로 구성됩니다. 배기 가스와 공기.

원자로 보호는 방사선 보호와 생물학적 보호로 구분됩니다. 방사선 차폐는 중성자 플럭스를 약화시키고 초전도 코일의 에너지 방출을 감소시킵니다. 최소한의 에너지 소비로 자기 시스템을 정상적으로 작동하려면 중성자 자속을 10초 -10 6배 약화시켜야 합니다. 방사선 보호는 블랭킷과 환상형 필드 코일 사이에 위치하며 전환기 채널과 인젝터 입력을 제외하고 작업 챔버의 전체 표면을 덮습니다. 구성에 따라 보호 두께는 80-130cm입니다.

생물학적 방어막은 원자로 홀 벽과 일치하며 두께 200~250cm의 콘크리트로 만들어져 주변 공간을 방사선으로부터 보호합니다.

추가 플라즈마 가열 및 연료 공급 시스템은 원자로 주변의 상당한 공간을 차지합니다. 플라즈마 가열이 빠른 원자 빔에 의해 수행되는 경우 방사선 보호는 전체 인젝터를 둘러싸야 하며 이는 원자로 홀의 장비 위치 및 원자로 서비스에 불편합니다. 고주파 전류를 사용하는 난방 시스템은 입력 장치(안테나)가 더 작고 발전기를 원자로 홀 외부에 설치할 수 있기 때문에 이러한 의미에서 더 매력적입니다. 토카막에 대한 연구와 안테나 설계 개발을 통해 우리는 플라즈마 가열 시스템의 최종 선택을 내릴 수 있습니다.

제어 시스템은 열핵 원자로의 필수적인 부분입니다. 모든 원자로와 마찬가지로 원자로 주변 공간의 방사능 수준이 상당히 높기 때문에 작동 중 및 정지 기간 동안 원자로의 제어 및 유지 보수가 원격으로 수행됩니다.

열핵 원자로의 방사능 원인은 첫째, 전자 방출과 저에너지 7양자(반감기가 약 13년)로 붕괴되는 삼중수소이고, 둘째, 중성자의 상호 작용 중에 형성된 방사성 핵종입니다. 담요의 구조적 재료와 작동하는 카메라로. 가장 일반적인 것(강철, 몰리브덴 및 니오븀 합금)의 경우 활성도가 상당히 높지만 유사한 출력의 원자로보다 여전히 약 10-100배 낮습니다. 앞으로는 열핵 원자로에 알루미늄, 바나듐 등 유도 활성이 낮은 물질을 사용할 계획이다. 한편, 토카막 열핵 원자로는 원격 유지 관리를 고려하여 설계되었으므로 설계에 추가적인 요구 사항이 적용됩니다. 특히, 서로 연결된 동일한 섹션으로 구성되며 다양한 표준 블록(모듈)으로 채워집니다. 이를 통해 필요한 경우 특수 조작기를 사용하여 개별 구성 요소를 상대적으로 쉽게 교체할 수 있습니다.

핵 반응. 원자력 에너지.

원자핵

원자핵은 전하 Ze, 질량 M, 스핀 J, 자기 및 전기 사중극자 모멘트 Q, 특정 반경 R, 등장성 스핀 T를 특징으로 하며 핵자-양성자와 중성자로 구성됩니다.

핵을 구성하는 핵자 A의 수는 다음과 같습니다. 질량수. Z 번호가 호출됩니다. 청구 번호핵 또는 원자 번호. Z는 양성자의 수를 결정하고 A는 핵의 핵자 수를 결정하므로 원자핵의 뉴런 수는 N=A-Z입니다. Z는 동일하지만 A가 다른 원자핵을 호출합니다. 동위원소. 평균적으로 모든 Z 값에는 약 3개의 안정 동위원소가 있습니다. 예를 들어, 28 Si, 29 Si, 30 Si는 Si 핵의 안정 동위원소입니다. 안정 동위원소 외에도 대부분의 원소에는 수명이 제한된 불안정 동위원소도 있습니다.

질량수가 A인 핵을 A라고 한다. 등압선, 그리고 같은 수의 중성자 - 동위원소.

모든 원자핵은 안정한 것과 불안정한 것으로 구분됩니다. 안정한 핵의 특성은 무기한 변하지 않습니다. 불안정한 핵은 다양한 유형의 변형을 겪습니다.

매우 정확하게 수행된 원자핵 질량의 실험적 측정은 핵의 질량이 항상 구성 핵자의 질량의 합보다 작다는 것을 보여줍니다.

결합 에너지는 핵을 구성 핵자로 분리하기 위해 소비되어야 하는 에너지입니다.

질량수 A와 관련된 결합 에너지는 다음과 같습니다. 평균 핵자 결합 에너지원자핵(핵자당 결합 에너지)에서.

결합 에너지는 모든 안정한 핵에 대해 대략 일정하며 대략 8 MeV와 같습니다. 예외는 12C 핵의 평균 결합 에너지가 0(A = 1)에서 8MeV로 증가하는 경핵 영역입니다.

유사하게, 핵자 당 결합 에너지는 핵의 다른 구성 부분에 대한 결합 에너지에 포함될 수 있습니다.

핵자의 평균 결합 에너지와는 대조적으로, 뉴런과 양성자 사이의 결합 에너지의 양은 핵마다 다릅니다.

종종 결합 에너지 대신에 대량 결함원자핵의 질량과 질량수의 차이와 같습니다.

감마선

감마선은 단파장 전자기 방사선입니다. 전자기파 규모에서는 하드 X선 방사선과 경계를 이루며 더 높은 주파수 영역을 차지합니다. 감마선은 매우 짧은 파장(λhν(ν – χ 방사선 주파수, h – 플랑크 상수)을 갖습니다.

감마선은 방사성 핵, 기본 입자의 붕괴, 입자-반입자 쌍의 소멸 및 물질을 통해 빠르게 하전된 입자가 통과하는 동안 발생합니다.

방사성 핵의 붕괴를 수반하는 감마선은 핵이 더 들뜬 에너지 상태에서 덜 들뜬 에너지 상태 또는 바닥 상태로 전환될 때 방출됩니다. γ 양자의 에너지는 전이가 일어나는 상태의 에너지 차이 Δε ρ와 같습니다.

흥분된 상태

E1 핵의 바닥 상태

핵에 의한 γ-양자의 방출은 다른 유형의 방사성 변환과 달리 원자 번호나 질량수의 변화를 수반하지 않습니다. 감마선의 폭은 매우 작습니다(~10 -2 eV). 레벨 사이의 거리가 선 너비보다 몇 배 더 크기 때문에 감마 방사선 스펙트럼이 줄 지어 있습니다. 여러 개의 개별 라인으로 구성됩니다. 감마 방사선 스펙트럼에 대한 연구를 통해 핵의 여기 상태 에너지를 확립할 수 있습니다. 특정 기본 입자가 붕괴되는 동안 고에너지 감마선이 방출됩니다. 따라서 휴지 π 0 - 중간자가 붕괴하는 동안 ~70 MeV의 에너지를 갖는 감마 방사선이 나타납니다. 소립자의 붕괴로 인한 감마선도 선 스펙트럼을 형성합니다. 그러나 붕괴를 겪는 기본 입자는 종종 빛의 속도에 필적하는 속도로 움직입니다. 결과적으로 도플러 선 확장이 발생하고 감마 방사선 스펙트럼이 넓은 에너지 범위에 걸쳐 흐려집니다. 빠르게 하전된 입자가 물질을 통과할 때 생성되는 감마선은 물질의 원자핵의 쿨롱 장으로의 감속으로 인해 발생합니다. Bremsstrahlung X선 방사선과 마찬가지로 Bremsstrahlung 감마 방사선은 연속 스펙트럼을 특징으로 하며 그 상한은 전자와 같은 하전 입자의 에너지와 일치합니다. 하전입자 가속기에서는 최대 에너지가 수십 GeV에 달하는 브레름스트랄렁 감마선이 생성됩니다.

성간 공간에서 감마선은 빛과 같은 더 부드러운 장파 전자기 복사의 양자와 우주 물체의 자기장에 의해 가속된 전자의 충돌로 인해 발생할 수 있습니다. 이 경우, 빠른 전자는 에너지를 전자기 방사선으로 전달하고 가시광선은 더 단단한 감마선으로 변합니다.

가속기에서 생성된 고에너지 전자가 레이저에 의해 생성된 강렬한 광선의 가시광선 광자와 충돌할 때 지상 조건에서도 유사한 현상이 발생할 수 있습니다. 전자는 에너지를 가벼운 광자로 전달하고, 이는 γ-양자로 변합니다. 따라서 실제로 빛의 개별 광자를 고에너지 감마선 양자로 변환하는 것이 가능합니다.

감마선은 투과력이 뛰어납니다. 눈에 띄는 약화 없이 두꺼운 물질을 관통할 수 있습니다. 감마선과 물질의 상호 작용 중에 발생하는 주요 과정은 광전 흡수(광전 효과), 콤프턴 산란(콤프턴 효과) 및 전자-양전자 쌍의 형성입니다. 광전 효과 동안 γ-양자는 원자의 전자 중 하나에 흡수되고 γ-양자의 에너지는 (원자 내 전자의 결합 에너지를 뺀) 날아다니는 전자의 운동 에너지로 변환됩니다. 원자 밖으로. 광전 효과의 확률은 원소 원자 번호의 5제곱에 정비례하고 감마선 에너지의 3제곱에 반비례합니다. 따라서 광전 효과는 중원소(Pb, U)에 대한 저에너지 γ선(£100keV) 영역에서 지배적입니다.

콤프턴 효과를 통해 γ-양자는 원자에 약하게 결합된 전자 중 하나에 의해 산란됩니다. 광전 효과와 달리 콤프턴 효과에서는 γ 양자가 사라지지 않고 에너지(파장)와 전파 방향만 변경됩니다. 콤프턴 효과의 결과로 좁은 감마선 빔이 더 넓어지고 방사선 자체가 더 부드러워집니다(장파장). 콤프턴 산란의 강도는 물질 1cm 3의 전자 수에 비례하므로 이 과정의 확률은 물질의 원자 번호에 비례합니다. 콤프턴 효과는 원자 번호가 낮은 물질과 원자 내 전자의 결합 에너지를 초과하는 감마 방사선 에너지에서 눈에 띄게 나타납니다. 따라서 Pb의 경우 Compton 산란 확률은 ~ 0.5 MeV 에너지에서 광전 흡수 확률과 비슷합니다. Al의 경우, Compton 효과는 훨씬 낮은 에너지에서 우세합니다.

γ-양자의 에너지가 1.02MeV를 초과하면 핵의 전기장에서 전자-양전자쌍이 형성되는 과정이 가능해진다. 쌍 형성 확률은 원자 번호의 제곱에 비례하고 hν에 따라 증가합니다. 따라서 hν ~10 MeV에서 모든 물질의 주요 과정은 쌍을 형성하는 것입니다.

0,1 0,5 1 2 5 10 50

감마선 에너지(MeV)

반대 과정인 전자-양전자 쌍의 소멸은 감마 방사선의 원인입니다.

물질에서 감마선의 감쇠를 특성화하기 위해 일반적으로 흡수 계수가 사용됩니다. 이는 흡수체의 두께 X에서 감마선 입사 빔의 강도 I 0이 감쇠되는 것을 보여줍니다. 이자형한 번:

여기서 μ 0은 감마선의 선형 흡수 계수입니다. 때로는 μ 0 대 흡수체 밀도의 비율과 동일한 질량 흡수 계수가 도입됩니다.

감마선 감쇠의 지수 법칙은 감마선 빔의 좁은 방향에 대해 유효합니다. 이때 흡수 및 산란 과정 모두가 1차 빔의 구성에서 감마선을 제거합니다. 그러나 높은 에너지에서는 물질을 통과하는 감마선의 과정이 훨씬 더 복잡해집니다. 2차 전자와 양전자는 높은 에너지를 가지므로 제동 및 소멸 과정으로 인해 감마선을 생성할 수 있습니다. 따라서 물질에서 2차 감마 방사선, 전자 및 양전자의 일련의 교대 세대가 발생합니다. 즉, 캐스케이드 샤워가 발생합니다. 이러한 샤워기의 2차 입자 수는 처음에는 두께에 따라 증가하여 최대값에 도달합니다. 그러나 흡수 과정이 입자 재생 과정보다 우선하기 시작하고 샤워가 사라집니다. 소나기를 발생시키는 감마선의 능력은 그 에너지와 소위 임계 에너지 사이의 관계에 달려 있으며, 그 후에 특정 물질의 소나기는 실제로 발생 능력을 잃습니다.

실험 물리학에서 감마 방사선의 에너지를 변경하기 위해 주로 2차 전자의 에너지 측정을 기반으로 하는 다양한 유형의 감마 분광계가 사용됩니다. 감마 방사선 분광계의 주요 유형: 자기, 섬광, 반도체, 결정 회절.

핵 감마 방사선의 스펙트럼을 연구하면 핵의 구조에 관한 중요한 정보를 얻을 수 있습니다. 핵 감마 방사선의 특성에 대한 외부 환경의 영향과 관련된 효과의 관찰은 고체의 특성을 연구하는 데 사용됩니다.

감마선은 예를 들어 금속 부품의 결함을 감지하는 기술(감마 결함 감지)에 사용됩니다. 방사선 화학에서 감마선은 중합 공정과 같은 화학적 변환을 시작하는 데 사용됩니다. 감마선은 식품 산업에서 식품을 살균하기 위해 사용됩니다. 감마 방사선의 주요 원인은 자연 및 인공 방사성 동위원소와 전자 가속기입니다.

감마선이 신체에 미치는 영향은 다른 유형의 전리 방사선의 영향과 유사합니다. 감마 방사선은 사망을 포함하여 신체에 방사선 손상을 일으킬 수 있습니다. 감마선 영향의 성격은 γ-양자의 에너지와 조사의 공간적 특성(예: 외부 또는 내부)에 따라 달라집니다. 감마선의 상대적인 생물학적 효과는 0.7-0.9입니다. 산업 환경(소량의 만성 노출)에서 감마 방사선의 상대적인 생물학적 효과는 1로 가정됩니다. 감마 방사선은 종양 치료, 건물, 장비 및 약물의 살균을 위한 의학에 사용됩니다. 감마선은 또한 경제적으로 유용한 형태를 선택하여 돌연변이를 얻는 데에도 사용됩니다. 이것이 바로 생산성이 높은 다양한 미생물(예: 항생제를 얻기 위해)과 식물을 사육하는 방법입니다.

방사선 치료의 현대적 가능성은 주로 원격 감마 치료의 수단과 방법으로 인해 확대되었습니다. 원격 감마 치료의 성공은 강력한 인공 방사성 감마 방사선원(코발트-60, 세슘-137)과 새로운 감마 약물을 사용하는 광범위한 연구의 결과로 달성되었습니다.

원격 감마 치료의 중요성은 감마 장치의 상대적인 접근성과 사용 용이성으로도 설명됩니다. 후자는 X선과 마찬가지로 정적 및 이동 조사용으로 설계되었습니다. 이동형 방사선 조사의 도움으로 건강한 조직에 방사선 조사를 분산시키면서 종양에 큰 선량을 생성하려고 노력합니다. 반그림자 감소, 필드 균질화 개선, 블라인드 필터 사용 및 추가 보호 옵션 검색을 목표로 감마 장치의 설계가 개선되었습니다.

작물 생산에 핵 방사선을 사용하면 농업 식물의 신진 대사를 변화시키고 생산성을 높이며 개발을 가속화하고 품질을 향상시킬 수 있는 새롭고 광범위한 기회가 열렸습니다.

방사선 생물학자들의 첫 번째 연구 결과, 전리 방사선은 살아있는 유기체의 성장, 발달 및 신진 대사에 영향을 미치는 강력한 요소라는 것이 입증되었습니다. 감마선 조사의 영향으로 식물, 동물 또는 미생물의 잘 조정된 신진대사가 변화하고 생리적 과정의 과정이 가속화되거나 느려지며(용량에 따라) 성장, 발달 및 작물 형성의 변화가 관찰됩니다.

감마선 조사 중에는 방사성 물질이 종자에 들어 가지 않는다는 점에 특히 유의해야합니다. 조사된 종자는 그로부터 자란 작물과 마찬가지로 비방사성입니다. 최적의 방사선 조사량은 식물에서 발생하는 정상적인 과정을 가속화할 뿐이므로 파종 전 방사선 조사를 받은 종자에서 얻은 작물을 사용하는 것에 대한 두려움이나 경고는 전혀 근거가 없습니다.

전리방사선은 농산물의 유통기한을 늘리고 다양한 해충을 퇴치하기 위해 사용되기 시작했습니다. 예를 들어 곡물을 엘리베이터에 싣기 전 강력한 방사선원이 설치된 벙커를 통과하게 되면 해충 번식 가능성이 없어지고 곡물을 손실 없이 장기간 보관할 수 있다. 영양 제품인 곡물 자체는 그러한 방사선량에서 변하지 않습니다. 4세대의 실험 동물을 위한 식품으로 사용하면 성장, 번식 능력 또는 표준에서 다른 병리학적 편차가 발생하지 않았습니다.

원자로.

원자로의 에너지원은 무거운 핵의 핵분열 과정입니다. 핵은 핵자, 즉 양성자와 중성자로 구성되어 있음을 기억하십시오. 이 경우 양성자 수 Z는 핵 Ze의 전하를 결정합니다. 이는 주기율표의 원소 수와 같고 핵 A의 원자량은 양성자와 중성자의 총 수입니다. 양성자 수는 같지만 중성자 수가 다른 핵은 동일한 원소의 서로 다른 동위원소이며 왼쪽 상단에 해당 원소의 원자량 기호로 표시됩니다. 예를 들어, 다음과 같은 우라늄 동위원소가 존재합니다: 238 U, 235 U, 233 U,...

핵 M의 질량은 단순히 구성 양성자와 중성자의 질량의 합과 같지 않고 결합 에너지를 결정하는 M 값만큼 작습니다.

(관계식에 따라) M=Zm p + (A-Z)m n -(A)A, 여기서 (A)c는 핵자당 결합 에너지입니다. 값(A)은 해당 핵의 구조 세부 사항에 따라 달라집니다... 그러나 일반적으로 원자량에 따라 달라지는 경향이 있습니다. 즉, 작은 세부 사항을 무시하면 이러한 의존성을 작은 부분에 대해 증가하는 부드러운 곡선으로 설명할 수 있습니다. A, 주기율표 중간에서 최대값에 도달하고 A의 최대값 이후에 감소합니다. 원자량 A와 질량 M을 갖는 무거운 핵이 두 개의 핵 A1과 A2로 나누어진다고 상상해 보겠습니다. 질량은 각각 M 1 및 M 2이고, A 1 + A 2는 핵분열 과정에서 여러 개의 중성자가 방출될 수 있으므로 A와 같거나 그보다 약간 작습니다. 명확성을 위해 A 1 + A 2 = A의 경우를 생각해 보겠습니다. 초기 핵과 두 최종 핵의 질량 차이를 고려하고 A 1 = A 2라고 가정하므로 (A 1) = (A 2), M = M- M 1 -M 2 =-(A)A+ (A 1)(A 1 +A 2) =A((A 1)-(A 1)). A가 주기율표 끝의 무거운 핵에 해당하면 A 1이 중간에 있고 최대값(A 2)을 갖습니다. 이는 M>0을 의미하며, 따라서 핵분열 과정 중에 에너지 E d =Mc 2 가 방출됩니다. 예를 들어 우라늄 핵과 같은 무거운 핵의 경우 ((A 1) - (A))c 2 = 1 MeV입니다. 따라서 A = 200에서 E d = 200 MeV로 추정됩니다. 전자 볼트(eV)는 1V(1eV = 1.6*10 -19 J)의 전위차의 영향을 받아 기본 전하에 의해 획득된 에너지와 동일한 시스템 외부 에너지 단위라는 점을 상기해 보겠습니다. 예를 들어, 핵분열 중에 방출되는 평균 에너지는 235 U입니다.

Ed = 180MeV = 180·106eV.

따라서 무거운 핵은 잠재적인 에너지원이다. 그러나 자발적인 핵분열은 극히 드물게 발생하며 사실상 의미가 없습니다. 중성자가 무거운 핵에 충돌하면 핵분열 과정이 급격히 가속화될 수 있습니다. 이 현상은 서로 다른 핵에 대해 서로 다른 강도로 발생하며 공정의 유효 단면적을 통해 측정됩니다. 효과적인 단면이 어떻게 결정되고 특정 프로세스의 확률과 어떻게 관련되는지 기억해 보겠습니다. 핵과 같은 특정 물체로 구성된 표적에 떨어지는 입자 빔(예: 중성자)을 상상해 봅시다. N 0을 빔의 중성자 수라고 하고, n을 단위 부피당 핵 밀도(1 cm 3)라고 합니다. 예를 들어 표적 핵분열과 같은 특정 유형의 사건에 관심을 가져보겠습니다. 그런 다음 그러한 사건의 수 N은 공식 N=N 0 nl eff에 의해 결정됩니다. 여기서 l은 목표의 길이이고 eff는 주어진 에너지 E를 갖는 핵분열 과정(또는 다른 과정)의 단면이라고 합니다. , 입사 중성자의 에너지에 해당합니다. 이전 공식에서 볼 수 있듯이 유효 단면적은 면적(cm 2)의 크기를 갖습니다. 그것은 완전히 이해할 수 있는 기하학적 의미를 가지고 있습니다. 그것은 우리가 관심을 갖는 프로세스가 발생하는 플랫폼입니다. 분명히 단면이 크면 공정이 집중적으로 진행되고, 단면이 작을수록 이 영역에 부딪힐 확률이 낮으므로 이 경우 공정이 거의 발생하지 않습니다.

따라서 특정 핵에 대해 핵분열 과정을 위한 충분히 큰 유효 단면적이 있더라도 핵분열 중에 두 개의 큰 조각 A1 및 A2와 함께 여러 중성자가 방출될 수 있습니다. 추가 중성자의 평균 수를 곱셈 인자라고 하며 k로 기호로 표시합니다. 그러면 반응은 계획대로 진행됩니다

n+A A 1 +A 2 +kn.

이 과정에서 생성된 중성자는 차례로 A 핵과 반응하여 새로운 핵분열 반응과 새롭고 더 많은 수의 중성자를 생성합니다. k > 1이면 이러한 연쇄 과정은 강도가 증가하면서 발생하고 엄청난 양의 에너지 방출과 함께 폭발로 이어집니다. 하지만 이 프로세스는 제어할 수 있습니다. 모든 중성자가 반드시 핵 A로 떨어지는 것은 아닙니다. 원자로의 외부 경계를 통해 나갈 수도 있고, 원자로에 특별히 도입된 물질에 흡수될 수도 있습니다. 따라서 k의 값은 1과 같고 이를 약간 초과하는 특정 k eff로 감소될 수 있습니다. 그러면 생성된 에너지를 제거할 수 있고 원자로의 작동이 안정됩니다. 그러나 이 경우 원자로는 임계 모드에서 작동합니다. 에너지 소산 문제는 연쇄 반응과 재난의 증가로 이어질 것입니다. 모든 운영 체제에는 안전 조치가 마련되어 있지만 사고가 발생할 가능성은 거의 없으며 불행하게도 실제로 발생합니다.

원자로의 작동 물질은 어떻게 선택됩니까? 연료전지에는 유효 핵분열 단면적이 큰 동위원소 핵이 포함되어 있어야 합니다. 단면의 측정 단위는 1 barn = 10 -24 cm 2입니다. 단면 값의 두 그룹(233 U, 235 U, 239 Pu)과 소형(232 Th, 238 U)이 표시됩니다. 차이점을 상상하기 위해 핵분열 사건이 발생하기 위해 중성자가 얼마나 멀리 이동해야 하는지 계산해 봅시다. 이를 위해 우리는 공식 N=N 0 nl eff를 사용합니다. N=N 0 =1에 대해 우리는 다음을 얻습니다. 여기서 n은 핵의 밀도이고, 여기서 p는 일반적인 밀도이고 m =1.66*10 -24 g은 원자 질량 단위입니다. 우라늄과 토륨의 경우 n = 4.8입니다. 10 22cm 3. 그러면 235 U의 경우 l = 10 cm이고 232 Th의 경우 l = 35 m입니다. 따라서 핵분열 과정의 실제 구현을 위해서는 233 U, 235 U, 239 Pu와 같은 동위원소를 사용해야 합니다. 235U 동위원소는 238U를 주성분으로 하는 천연우라늄에 소량 함유되어 있기 때문에 235U 동위원소를 농축한 우라늄은 대개 핵연료로 사용되는데, 이 경우 원자로 운전 중에 상당량의 우라늄이 발생하게 된다. 또 다른 핵분열성 동위원소인 239 Pu가 생성됩니다. 플루토늄은 일련의 반응을 통해 생성됩니다.

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

여기서 는 광자의 방출을 의미하고 는 계획에 따른 붕괴입니다.

여기서 Z는 핵의 전하를 결정하므로 붕괴 중에 동일한 A, e-전자 및 v-전자 반중성미자를 갖는 주기율표의 다음 요소로 발생합니다. 또한 핵분열 과정에서 발생하는 동위원소 A 1, A 2는 일반적으로 1년에서 수십만 년까지 반감기가 있는 방사성이므로 연소되는 연료인 원자력 발전소 폐기물입니다. , 매우 위험하며 보관 시 특별한 조치가 필요합니다. 여기서 앞으로 수백만 년 동안 신뢰성을 보장해야 하는 지질학적 저장 문제가 발생합니다. 임계 모드의 원자로 작동을 기반으로 하는 원자력 에너지의 명백한 이점에도 불구하고 심각한 단점도 있습니다. 이는 첫째, 체르노빌과 유사한 사고의 위험이고, 둘째, 방사성 폐기물 문제입니다. 원자력 에너지를 위해 아임계 모드에서 작동하는 원자로를 사용하겠다는 제안은 첫 번째 문제를 완전히 해결하고 두 번째 문제의 해결을 크게 촉진합니다.

에너지 증폭기로서 미임계 모드의 원자로.

우리가 1보다 약간 작은 유효 중성자 증식 계수 keff를 갖는 원자로를 조립했다고 상상해 봅시다. 이 장치에 일정한 외부 중성자 플럭스 N 0을 조사해 보겠습니다. 그런 다음 각 중성자(k eff에서 고려되는 방출 및 흡수된 것을 뺀 것)가 핵분열을 일으키고 이는 추가 플럭스 N 0 k 2 eff를 제공합니다. 이 숫자의 각 중성자는 다시 평균 k eff 중성자를 생성하여 추가 플럭스 N 0 k eff 등을 제공합니다. 따라서 핵분열 과정을 생성하는 중성자의 총 플럭스는 다음과 같습니다.

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

keff > 1이면 이 공식의 계열이 발산하며, 이는 이 경우 공정의 중요한 동작을 반영합니다. 만약 k eff< 1, ряд благополучно сходится и по формуле суммы геометрической прогрессии имеем

단위 시간당 에너지 방출(전력)은 핵분열 과정 중 에너지 방출에 의해 결정됩니다.

중성자 가속기 전류를 통한 중성자 플럭스를 상상하는 것이 편리합니다.

여기서 e는 기본 전하와 동일한 양성자의 전하입니다. 에너지를 전자 볼트로 표현할 때 이는 E = eV라는 표현을 취한다는 것을 의미합니다. 여기서 V는 전자 볼트에 포함된 에너지만큼 많은 볼트를 포함하는 이 에너지에 해당하는 전위입니다. 이는 이전 공식을 고려하여 에너지 방출 공식을 다시 작성할 수 있음을 의미합니다. ~처럼

마지막으로 설치의 힘을 형태로 표현하는 것이 편리하다.

여기서 V는 가속기의 에너지에 해당하는 전위이므로 잘 알려진 공식에 따른 VI는 가속기 빔의 전력입니다. P 0 = VI, 이전 공식의 R 0은 k eff = 0.98에 대한 계수입니다. 이는 신뢰할 수 있는 미임계도 마진을 제공합니다. 다른 모든 양은 알려져 있으며 1 GeV의 양성자 가속기 에너지에 대해 우리는 . 우리는 120의 이득을 얻었습니다. 물론 매우 좋은 수치입니다. 그러나 이전 공식의 계수는 가속기와 전기 생산 모두에서 에너지 손실이 전혀 없는 이상적인 경우에 해당합니다. 실제 계수를 얻으려면 이전 공식에 가속기 효율 r y 및 화력 발전소 효율 r e를 곱해야 합니다. 그러면 R=r y r e R 0 입니다. 예를 들어, 1 GeV r y = 0.43의 에너지를 갖는 고전류 사이클로트론의 실제 프로젝트에서 가속 효율은 상당히 높을 수 있습니다. 발전 효율은 0.42만큼 낮을 수 있습니다. 최종 실제 이득은 R = r y r e R 0 = 21.8이며, 이는 여전히 꽤 좋은 수치입니다. 왜냐하면 시설에서 생산된 에너지의 4.6%만이 가속기의 작동을 유지하기 위해 반환되어야 하기 때문입니다. 이 경우 반응기는 가속기를 켠 상태에서만 작동하므로 통제되지 않은 연쇄반응이 일어날 위험은 없다.

원자력 건설의 원리.

아시다시피 세상의 모든 것은 분자로 이루어져 있습니다.

복잡한 상호작용의 복합체이다

울부짖는 원자. 분자는 가장 작은 입자이다.

그 성질을 보존하는 물질. 분자의 구성

다양한 화학 원소의 원자를 포함합니다.

화학 원소는 한 가지 유형의 원자로 구성됩니다.

화학 원소의 가장 작은 입자인 원자(Atom)는

그것은 "무거운" 코어와 전기 주위를 회전하는 코어로 구성됩니다.

원자핵은 양의 결합으로 형성됩니다.

하전된 양성자와 중성 중성자.

핵자라고 불리는 이 입자들은 서로 결합되어 있습니다

단거리 인력에 의해 핵에서,

중간자 교환으로 인해 발생하는,

더 작은 질량의 입자.

원소 X의 핵은 또는 X-A(예: 우라늄 U-235 -)로 표시됩니다.

여기서 Z는 핵의 전하이며 양성자의 수와 동일하며 핵의 원자 번호를 결정하고 A는 핵의 질량수이며 다음과 같습니다.

양성자와 중성자의 총 수.

양성자 수는 같지만 중성자 수가 다른 원소의 핵을 동위원소라고 합니다(예: 우라늄

두 개의 동위원소 U-235 및 U-238이 있음) N=const, z=var의 핵 - 등압선.

수소 핵, 양성자, 중성자, 전자(베타 입자) 및 단일 헬륨 핵(알파 입자라고 함)은 핵 구조 외부에 자율적으로 존재할 수 있습니다. 공간에서 이동하고 핵의 가로 크기 정도의 거리에서 핵에 접근하는 이러한 핵 또는 기타 기본 입자는 핵과 상호 작용할 수 있으며 반응에 참여할 수 있습니다. 이 경우 입자는 핵에 의해 포획되거나 충돌 후 이동 방향을 변경하고 운동 에너지의 일부를 핵에 전달할 수 있습니다. 이러한 상호작용 행위를 핵반응이라고 합니다. 핵을 관통하지 않는 반응을 탄성 산란이라고 합니다.

입자가 포획된 후, 복합핵은 들뜬 상태에 있습니다. 핵은 다른 입자와 감마선을 방출하거나 두 개의 동일하지 않은 부분으로 나누는 등 여러 가지 방법으로 여기에서 "자유로워질" 수 있습니다. 최종 결과에 따르면 포획, 비탄성 산란, 핵분열, 양성자 또는 알파 입자 방출을 통한 핵 변환 등의 반응이 구별됩니다.

핵 변환 중에 방출되는 추가 에너지는 종종 감마선 플럭스의 형태를 취합니다.

반응의 확률은 주어진 유형의 반응의 "단면적" 크기로 특징지어집니다.

포획하는 동안 무거운 핵의 핵분열이 발생합니다.

중성자. 동시에 새로운 입자가 방출됩니다.

그리고 핵 결합 에너지가 전달되었습니다.

핵분열 파편. 이는 근본적인 현상이다.

1930년대 말 독일 과학자들에 의해 발견되었습니다.

기초를 다진 유명한 Hahn과 Strassman에 의해

원자력의 실용화를 위해

중원소(우라늄, 플루토늄 등)의 핵은 열중성자를 집중적으로 흡수합니다. 중성자를 포획한 후 확률이 ~0.8인 무거운 핵은 파편 또는 핵분열 생성물이라고 불리는 두 개의 불평등한 질량 부분으로 나뉩니다. 이 경우 고속 중성자(핵분열 사건당 평균 중성자 약 2.5개), 음전하를 띤 베타 입자 및 중성 감마 양자가 방출되며, 핵 내 입자의 결합 에너지는 핵분열 파편, 중성자 및 중성자의 운동 에너지로 변환됩니다. 다른 입자. 이 에너지는 물질을 구성하는 원자와 분자의 열 여기에 소비됩니다. 주변 물질을 가열합니다.

핵분열 작용 후, 핵분열 중에 생성된 핵 조각은 불안정하며 일련의 연속적인 방사성 변형을 겪고 약간의 지연이 있으면 "지연된" 중성자, 즉 다수의 알파, 베타 및 감마 입자를 방출합니다. 반면에 일부 파편은 중성자를 집중적으로 흡수하는 능력을 가지고 있습니다.

원자로는 원자력 에너지의 방출과 함께 중핵 핵분열의 자립적 연쇄 반응이 수행되는 기술 설비입니다. 원자로는 보호 케이스에 위치한 노심과 반사경으로 구성되며, 노심에는 보호 코팅과 감속재에 연료 조성물 형태의 핵연료가 들어 있습니다. 연료전지는 일반적으로 얇은 막대 형태를 취합니다. 그들은 묶음으로 모아서 덮개로 묶습니다. 이러한 조립식 구성물을 어셈블리 또는 카세트라고 합니다.

냉각수는 핵 변형의 열을 흡수하는 연료 요소를 따라 이동합니다. 코어에서 가열된 냉각수는 펌프 작동이나 아르키메데스 힘의 영향으로 순환 회로를 따라 이동하고 열교환기나 증기 발생기를 통과하여 외부 회로의 냉각수로 열을 전달합니다.

열 전달과 운반체의 이동은 간단한 다이어그램 형태로 표현될 수 있습니다.

1. 원자로

2. 열교환기, 증기발생기

3. 증기 터빈 플랜트

4.발전기

5. 커패시터

산업사회의 발전은 날로 증가하는 생산과 소비수준에 기초한다.

다양한 종류의 에너지.

알려진 바와 같이, 열 및 전기 에너지의 생산은 화석 연료 연소 과정을 기반으로 합니다.

에너지 자원 -

기름

그리고 원자력 에너지에서 - 중성자를 흡수하는 동안 우라늄과 플루토늄 원자 핵의 핵분열.

인류에게 필요한 에너지를 생산하기 위한 화석에너지 자원, 금속, 물, 공기의 생산과 소비 규모는 엄청나며, 안타깝게도 자원 매장량은 제한되어 있습니다. 유기 천연 에너지 자원의 급속한 고갈 문제는 특히 심각합니다.

1kg의 천연 우라늄은 20톤의 석탄을 대체합니다.

세계 에너지 매장량은 355 Q로 추정됩니다. 여기서 Q는 Q = 2.52 * 1017 kcal = 36 * 109 톤의 표준 연료 /tce/와 동일한 열 에너지 단위입니다. 발열량이 7000 kcal/kg인 연료이므로 에너지 보유량은 12.8 * 1012 t.e입니다.

이 금액의 약 1/3, 즉 ~ 4.3*1012 t.e.f. 적당한 연료 추출 비용으로 현대 기술을 사용하여 추출할 수 있습니다. 반면, 현대의 에너지 수요는 1.1 * 1010 t.e./년이며 매년 3~4%의 비율로 증가하고 있습니다. 20년마다 두 배씩 늘어난다.

에너지 소비 증가율의 둔화 가능성을 고려하더라도 유기화석자원은 다음 세기에 대부분 고갈될 것이라는 점을 쉽게 예측할 수 있습니다.

그런데 유황 함량이 약 2.5%인 화석 석탄과 석유를 태울 때 연간 최대 4억 톤이 형성된다는 점에 주목합니다. 이산화황과 산화질소, 즉 약 70kg. 연간 지구 주민 1인당 유해 물질.

원자핵의 에너지를 이용하고 원자력 에너지를 개발하면 이 문제의 심각성이 완화됩니다.

실제로, 우리 세기를 원자로 만든 중성자 포획에 의한 중핵 분열의 발견은 에너지 화석 연료 매장량에 핵연료의 중요한 보물 창고를 추가했습니다. 지각의 우라늄 매장량은 1014톤에 달하는 엄청난 양으로 추산됩니다. 그러나 이 부의 대부분은 분산된 상태, 즉 화강암과 현무암에 있습니다. 세계 해양의 우라늄 양은 4*109톤에 이릅니다. 그러나 채굴 비용이 저렴할 것으로 알려진 풍부한 우라늄 매장지는 상대적으로 거의 없습니다. 따라서 현대 기술과 합리적인 가격으로 추출할 수 있는 우라늄 자원의 양은 108톤으로 추산된다. 현대 추산에 따르면 연간 우라늄 수요는 천연 우라늄 104톤이다. 따라서 이러한 매장량은 학자 A.P. Aleksandrov가 말했듯이 "거의 무제한의 시간 동안 연료 부족의 다모클레스의 검을 제거하는 것"을 가능하게 합니다.

현대 산업사회의 또 다른 중요한 문제는 자연과 깨끗한 물, 공기의 보존을 보장하는 것입니다.

과학자들은 화석 연료의 연소로 인한 이산화탄소 배출과 이에 따른 지구의 기후 온난화로 인해 발생하는 "온실 효과"에 대해 잘 알려져 있습니다. 그리고 대기 오염, 산성비, 하천 오염 문제는 많은 지역에서 임계점에 이르렀습니다.

원자력은 산소를 소비하지 않으며 정상 작동 중에 배출량이 미미합니다. 원자력이 기존 에너지를 대체한다면 지구 온난화로 인해 환경에 심각한 영향을 미치는 "온실"의 가능성은 사라질 것입니다.

매우 중요한 상황은 원자력이 전 세계 거의 모든 지역에서 경제적 효율성을 입증했다는 사실입니다. 또한, 원자력발전소에서 대규모의 에너지 생산을 하더라도, 원자력은 운송비가 미미하여, 사회가 막대한 양의 화석연료를 지속적으로 운송해야 하는 부담에서 해방되기 때문에 특별한 운송 문제를 일으키지 않습니다.

원자로는 여러 그룹으로 나뉩니다.

중성자 스펙트럼의 평균 에너지에 따라 고속, 중간 및 열로;

코어의 설계 특징에 따라 - 용기와 채널로;

냉각수 유형별 - 물, 중수, 나트륨;

감속재 유형별 - 물, 흑연, 중수 등

에너지 목적, 전기 생산을 위해 다음이 사용됩니다.

압력 하에서 끓지 않거나 끓는 물을 사용하는 수-수 원자로,

끓는 물을 사용하거나 이산화탄소로 냉각되는 우라늄-흑연 원자로,

중수로 원자로 등

미래에는 액체 금속(나트륨 등)으로 냉각되는 고속 중성자로가 널리 사용될 것입니다. 여기서 우리는 연료 재생 모드를 근본적으로 구현합니다. 우라늄 U-235의 소모성 동위원소 수를 초과하는 플루토늄 Pu-239의 핵분열성 동위원소 수를 생성합니다. 연료 재생을 특징짓는 매개변수를 플루토늄 계수라고 합니다. 이는 중성자를 포획하고 핵분열 또는 방사선 변환을 거쳐 U-235로 변환된 U-235 원자 1개당 U-238에서 중성자 포획 반응 동안 얼마나 많은 Pu-239 원자가 생성되는지를 보여줍니다.

가압경수형 원자로는 세계 동력로 함대에서 중요한 위치를 차지하고 있습니다. 또한 해군에서 수상함과 잠수함의 전원으로 널리 사용됩니다. 이러한 원자로는 비교적 작고 간단하며 작동이 안정적입니다. 그러한 원자로에서 냉각제와 중성자 감속재 역할을 하는 물은 상대적으로 저렴하고 공격적이지 않으며 우수한 중성자 특성을 가지고 있습니다.

가압경수로는 수경수로, 경수로라고도 불린다. 이는 제거 가능한 뚜껑이 있는 원통형 고압 용기 형태로 만들어집니다. 이 용기(원자로 본체)에는 연료 집합체(연료 카세트)와 제어 및 보호 시스템의 이동 요소로 구성된 노심이 들어 있습니다. 물은 파이프를 통해 하우징으로 들어가고 코어 아래 공간에 공급되며 연료 요소를 따라 수직 위쪽으로 이동하고 출구 파이프를 통해 순환 회로로 배출됩니다. 핵반응의 열은 증기 발생기에서 저압의 2차 순환수로 전달됩니다. 회로를 따라 물의 이동은 순환 펌프의 작동을 통해 또는 열 공급 스테이션의 원자로에서와 같이 자연 순환의 구동 압력으로 인해 보장됩니다.

내일 핵융합.

“내일을 위해” 우선 자립형 융합이 가능한 차세대 토카막을 만드는 것이 계획되어 있습니다. 이를 위해 I.V. Kurchatov 원자력 연구소와 D.V. Efremov 전기물리 장비 연구소에서 실험용 열핵 원자로(OTR)가 개발되고 있습니다.

OTR의 목표는 소비된 에너지에 대한 유용한 에너지 출력의 비율(Q로 표시됨)이 1: Q = 1 이상인 수준에서 반응을 유지하는 것입니다. 이 조건은 Q=5인 상업용 원자로를 만드는 과정에서 시스템의 모든 요소를 테스트하는 데 있어 심각한 단계입니다. 이용 가능한 추정에 따르면, 이 Q 값에서만 사회 및 가계 비용을 포함한 모든 서비스 프로세스 비용이 회수될 때 열핵 에너지원의 자급자족이 달성됩니다. 그 동안 미국 TFTR은 Q=0.2-0.4 값을 달성했습니다.

다른 문제도 있습니다. 예를 들어, 첫 번째 벽, 즉 토로이드 진공 챔버의 껍질은 전체 구조에서 문자 그대로 가장 오래 지속되는 부분입니다. OTR의 부피는 약 300m 3이고 표면적은 약 400m 2입니다. 벽은 대기압과 자기장에서 발생하는 기계적 힘을 견딜 수 있을 만큼 강해야 하며, 큰 온도 차이 없이 플라즈마에서 토로이드 외부를 순환하는 물로 열 흐름을 전달할 수 있을 만큼 얇아야 합니다. 최적의 두께는 2mm입니다. 선택한 재료는 오스테나이트강 또는 니켈 및 티타늄 합금입니다.

Euratom은 여러 면에서 OTR과 유사한 NET(Next Europeus Tor)을 설치할 계획이며, 이는 JET 및 T-15 이후의 차세대 토카막입니다.

NET은 1994~1999년에 구축될 예정이었습니다. 1단계 연구는 3~4년에 걸쳐 진행될 예정이다.

그들은 또한 NET 이후의 차세대에 대해 이야기하고 있습니다. 이것은 전통적으로 DEMO라고 불리는 "진짜" 열핵 원자로입니다. 그러나 여러 국제 설치를 구축할 계획이 있기 때문에 NET을 사용하더라도 아직 모든 것이 명확하지는 않습니다.