Gdje se koristi atomska energija. Nuklearna energija: njena suština i upotreba u inženjerstvu i tehnologiji. Industrijske primjene nuklearne energije

Krajem prošlog stoljeća, naučnici su bili iznenađeni kad su otkrili da se atomi, odnosno jezgra atoma, sami raspadaju, emitirajući zrake i toplotu. Nazvali su ovaj fenomen. A kad su izračunali, bili su još više iznenađeni: 1 g radijuma, ako se potpuno raspadne, može dati toliko toplote koliko 500 kg uglja daje sagorijevanjem. Ali nemoguće je koristiti ovo svojstvo - atomi se tako sporo raspadaju da se samo polovina toplote oslobađa tokom 2000 godina.

To je poput velike brane. Brana je zatvorena i voda teče malim potokom od kojeg nema koristi.

Sad, kad bi se samo otvorila brana, kad bi ljudi naučili uništavati atome! .. Dobili bi beskrajni okean energije. Ali kako to učiniti?

Kažu da top ne puca na vrapca, potreban je mali pelet. A gdje nabaviti pelet za cijepanje jezgre atoma?

Naučnici sa cijele Zemlje vrijedno rade već nekoliko decenija. Za to vrijeme naučili su kako to funkcionira i pronašli su mu "pelet". Ispostavilo se da je to jedna od čestica koja čini jezgro - neutron. Lako prodire u atom i razbija jezgru.

A onda se ispostavilo da atomi metala urana, razdvojivši se, emitiraju nove neutrone koji uništavaju susjedne atome. Ako uzmete komad urana, u kojem će se istovremeno raspasti mnogo jezgara i osloboditi mnogo novih neutrona, proces fisije će se proširiti poput lavine u planinama. Eksplodirat će atomska bomba.

Dijagram uređaja nuklearnog reaktora. Debele crne šipke su apsorberi neutrona. U reaktoru se voda zagrijava, a zatim zagrijava vodu u izmjenjivaču topline do vrenja. Stvorena para okreće turbinu elektrane.

Zamislite da se srušila velika brana. Voda prikupljena iza nje odjednom će silovito jurnuti prema dolje. Sila potoka je velika, ali samo nanosi štetu, jer pomete sve što joj se nađe na putu. Tako je i sa atomom: kolosalna energija eksplozije može samo uništiti. A ljudima je potrebna atomska energija za izgradnju. E sad, ako se atom odrekao svojih rezervi u onim dijelovima kakve mi želimo! Nije potrebna energija - zatvorio je zaklopku. Trebalo je - (Koliko koštaš?) Otvorio je dva ili tri poklopca: "Uzmi ono što si tražio!"

A čovjek je kontrolirao eksploziju.

Ko je glavni "zaposlenik" u "atomskoj tvornici"? Neutron. On je taj koji razbija jezgre urana. A ako uklonimo neke radnike iz "fabrike"? Posao će ići sporije.

Tako radi atomski kotao ili nuklearni reaktor. Ovo je veliki bunar s debelim betonskim zidovima (potrebni su da ne izađe zračenje štetno za ljude). Bunar je ispunjen grafitom, istim materijalom od kojeg se izrađuju olovke. U grafitnom punjenju nalaze se rupe u koje se postavljaju uranove šipke. Kad ih ima dovoljno, pojavi se potreban broj "radnih" neutrona i započne atomska reakcija.

Da bi se njime upravljalo, u drugim rupama postoje metalne šipke koje hvataju i apsorbiraju neutrone. To su "prigušivači" u brani.

Nije potrebna energija ili postoji opasnost od eksplozije, rolete se trenutno spuštaju, neutroni koji se emitiraju iz jezgara urana apsorbiraju, prestaju raditi i reakcija prestaje.

Potrebno je da reakcija teče, podignite šipke, ponovo se u reaktoru pojave „radni“ neutroni, a temperatura u kotlu raste (Koliko vam energije treba? Nabavite!).

Nuklearni reaktori mogu se instalirati na nuklearne elektrane, na nuklearne podmornice ili na nuklearni ledolomac. Oni će, poput običnih parnih kotlova, poslušno pretvoriti vodu u paru koja će okretati turbine. Petsto kilograma atomskog goriva - sadržaj samo deset kofera - dovoljno je da Lenjinov ledolomac pliva tijekom cijele godine... Zamislite koliko je to isplativo: ne trebate sa sobom nositi stotine tona goriva, umjesto toga možete uzeti korisniji teret; moguće je ne ići u luku na punjenje gorivom cijelu godinu, pogotovo jer na sjeveru to nije uvijek lako učiniti. A mogu se instalirati i jači automobili ...

U postojećim nuklearnim reaktorima energija se dobiva uništavanjem jezgara koje se sastoje od velikog broja čestica (u jezgrima urana, na primjer, ima ih više od dvjesto). I premda na Zemlji još ima puno takvog goriva, jednog dana će to završiti ... Ne postoji li način da se nuklearna energija dobije iz drugih supstanci? I naučnici su otkrili!

Pokazalo se da atomi, u čijoj se jezgri nalaze samo dvije čestice: jedan proton i jedan neutron, mogu također poslužiti kao izvor energije. Ali oni ga ne daju tijekom fisije, već kada se spoje dvije jezgre ili, kako kažu, tokom fuzije.

Za to atome vodonika treba zagrijati na mnogo miliona stepeni. Na takvoj temperaturi, njihove se jezgre počinju kretati ogromnom brzinom i ubrzavanjem mogu prevladati električne sile odbojnosti koje postoje među njima. Kad se približe dovoljno, nuklearne gravitacijske sile počinju djelovati i jezgre se stapaju. Otpušta se hiljade puta više toplote od nuklearne fisije.

Ova metoda generisanja energije naziva se termonuklearna reakcija. Te reakcije bjesne u dubinama i udaljenih zvijezda i obližnjeg Sunca, što nam daje svjetlost i toplinu. Ali na Zemlji su se do sada pojavili u obliku destruktivne eksplozije vodonične bombe.

Naučnici sada rade na tome da se jezgre vodonika postupno stapaju. A kad naučimo kontrolirati termonuklearne reakcije, moći ćemo koristiti neograničene rezerve energije sadržane u vodi koja se sastoji od vodonika i čije su rezerve neiscrpne.

Široka upotreba Nuklearna energija započeo je zahvaljujući naučnom i tehnološkom napretku, ne samo u vojnom polju, već i u miroljubive svrhe. Danas je bez toga nemoguće u industriji, energetici i medicini.

U isto vrijeme, upotreba nuklearne energije ima ne samo prednosti već i nedostatke. Prije svega, to je opasnost od zračenja, kako za ljude, tako i za okoliš.

Upotreba nuklearne energije razvija se u dva pravca: u energetici i upotrebi radioaktivnih izotopa.

U početku se atomska energija trebala koristiti samo u vojne svrhe i sav razvoj događaja išao je u tom smjeru.

Upotreba nuklearne energije u vojnoj sferi

Veliki broj visoko aktivnih materijala koristi se za proizvodnju nuklearnog oružja. Stručnjaci procjenjuju da nuklearne bojeve glave sadrže nekoliko tona plutonijuma.

Nuklearno oružje se spominje jer uzrokuje uništavanje ogromnih teritorija.

Prema dometu i snazi ​​punjenja, nuklearno oružje se dijeli na:

• Taktički.
• Operativni i taktički.
• Strateški.

Nuklearna municija se dijeli na atomsku i vodoničnu. Nuklearno oružje temelji se na nekontroliranim lančanim reakcijama fisije teških jezgara i reakcijama, a za lančanu reakciju koristi se uran ili plutonij.

Pohraniti toliko opasni materijali je velika prijetnja čovječanstvu. A upotreba nuklearne energije u vojne svrhe može dovesti do strašnih posljedica.

Prvi put je nuklearno oružje upotrebljeno 1945. godine za napad na japanske gradove Hirošimu i Nagasaki. Posljedice ovog napada bile su katastrofalne. Kao što znate, ovo je bila prva i zadnja upotreba nuklearne energije u ratu.

Međunarodna agencija za atomsku energiju (IAEA)

IAEA je osnovana 1957. godine s ciljem razvijanja suradnje među zemljama u korištenju atomske energije u miroljubive svrhe. Od samog početka agencija provodi program Nuklearne sigurnosti i zaštite okoliša.

Ali najvažnija funkcija je kontrola aktivnosti zemalja u nuklearnom polju. Organizacija kontrolira da se razvoj i upotreba nuklearne energije odvija samo u miroljubive svrhe.

Cilj ovog programa je osigurati sigurno korištenje nuklearne energije, zaštitu ljudi i okoliša od izlaganja zračenju. Agencija je takođe proučavala posljedice nesreće u nuklearnoj elektrani Černobil.

Agencija također podržava proučavanje, razvoj i primjenu nuklearne energije u miroljubive svrhe i djeluje kao posrednik u razmjeni usluga i materijala između članova agencije.

Zajedno s UN-om, IAEA definira i postavlja standarde za sigurnost i zdravlje.

Nuklearne energije

U drugoj polovini četrdesetih godina dvadesetog vijeka sovjetski su naučnici počeli razvijati prve projekte za mirnu upotrebu atoma. Glavni fokus ovog razvoja bila je elektroenergetska industrija.

A 1954. godine izgrađena je stanica u SSSR-u. Nakon toga, programi za brzi rast nuklearne energije počeli su se razvijati u SAD-u, Velikoj Britaniji, Njemačkoj i Francuskoj. Ali većina njih nije ispunjena. Kako se ispostavilo, nuklearna elektrana nije bila u stanju da se takmiči sa elektranama koje rade na ugalj, gas i mazut.

Ali nakon početka globalne energetske krize i porasta cijena nafte, potražnja za nuklearnom energijom je porasla. 70-ih godina prošlog stoljeća stručnjaci su vjerovali da bi kapacitet svih nuklearnih elektrana mogao zamijeniti polovinu elektrana.

Sredinom 80-ih, rast nuklearne energije ponovo se usporio, sranje je počelo revidirati planove za izgradnju novih nuklearnih elektrana. To su olakšali i politika očuvanja energije i pad cijena nafte, i katastrofa na stanici u Černobilu, koja je imala Negativne posljedice ne samo za Ukrajinu.

Nakon što su neke zemlje potpuno zaustavile izgradnju i rad. nuklearne elektrane.

Nuklearna energija za svemirska putovanja

Više od tri desetine nuklearnih reaktora odletjelo je u svemir, oni su korišteni za proizvodnju energije.

Amerikanci su prvi put nuklearni reaktor u svemiru koristili 1965. Uran-235 je korišten kao gorivo. Radio je 43 dana.

U Sovjetskom Savezu reaktor Romashka pokrenut je u Institutu za atomsku energiju. Trebao je biti korišten na svemirskim letjelicama, ali nakon svih ispitivanja, nikada nije lansiran u svemir.

Sljedeća nuklearna instalacija "Buk" korištena je na radarskom izviđačkom satelitu. Prvi uređaj lansiran je 1970. godine sa kosmodroma Baikonur.

Danas Roscosmos i Rosatom predlažu dizajn svemirski brod, koji će pokretati nuklearni raketni motor i moći će doći do Mjeseca i Marsa. Ali za sada je ovo sve u fazi prijedloga.

Industrijske primjene nuklearne energije

Atomska energija koristi se za povećanje osjetljivosti hemijske analize i za proizvodnju amonijaka, vodonika i drugih hemikalija koje se koriste za proizvodnju gnojiva.

Nuklearna energija, čija upotreba u hemijskoj industriji omogućava dobivanje novih hemijskih elemenata, pomaže u ponovnom stvaranju procesa koji se dešavaju u zemljinoj kori.

Nuklearna energija se takođe koristi za desalinizaciju slane vode. Primjena u crnoj metalurgiji omogućava obnavljanje željeza iz željezne rude. U boji se koristi za proizvodnju aluminijuma.

Upotreba nuklearne energije u poljoprivredi

Upotreba nuklearne energije u poljoprivreda rješava probleme uzgoja i pomaže u suzbijanju štetočina.

Nuklearna energija koristi se za stvaranje mutacija u sjemenkama. To se radi kako bi se dobile nove sorte koje donose veći prinos i otporne su na bolesti poljoprivrednih kultura. Dakle, više od polovine pšenice uzgajane u Italiji za proizvodnju tjestenine dobiveno je mutacijama.

Takođe, uz pomoć radioizotopa utvrđuju se najbolje metode oplodnje. Na primjer, uz njihovu pomoć utvrđeno je da je uzgojem riže moguće smanjiti primjenu azotna đubriva... Ovo ne samo da je uštedjelo novac, već i okoliš.

Neobična upotreba nuklearne energije je zračenje ličinki insekata. To se radi kako bi se uklonili neškodljivi za okoliš. U ovom slučaju, insekti koji izlaze iz ozračenih ličinki nemaju potomstvo, ali u ostalom su sasvim normalni.

Nuklearna medicina

Medicina koristi radioaktivne izotope za postavljanje tačne dijagnoze. Medicinski izotopi imaju kratak poluživot i ne predstavljaju posebnu opasnost za druge ili za pacijenta.

Još jedna primjena nuklearne energije u medicini otkrivena je nedavno. Ovo je pozitronska emisiona tomografija. Može pomoći u otkrivanju raka u ranoj fazi.

Upotreba nuklearne energije u transportu

Početkom 50-ih godina prošlog stoljeća pokušavalo se stvoriti tenk na nuklearni pogon. Razvoj je započeo u Sjedinjenim Državama, ali projekt nikada nije proveden. Uglavnom zbog činjenice da ti tenkovi nisu mogli riješiti problem zaštite posade.

Poznata Fordova kompanija radila je na automobilu koji će raditi na nuklearnu energiju. Ali proizvodnja takve mašine nije išla dalje od izgleda.

Stvar je u tome što je nuklearna instalacija zauzela puno prostora, a automobil se pokazao vrlo sveukupnim. Kompaktni reaktori se nikada nisu pojavili, pa je ambiciozni projekt otkazan.

Vjerovatno najpoznatiji prijevoz koji se koristi nuklearnom energijom su razni brodovi, kako vojni, tako i civilni:

• Transportni brodovi.
• Nosači aviona.
• Podmornice.
• Krstari.
• Nuklearne podmornice.

Za i protiv upotrebe nuklearne energije

Danas udio u globalnoj proizvodnji energije iznosi približno 17 posto. Iako se čovječanstvo koristi, ali njegove rezerve nisu beskrajne.

Stoga se kao alternativa koristi, ali je postupak dobivanja i upotrebe povezan s velikim rizikom za život i životnu sredinu.

Naravno, nuklearni reaktori se neprestano poboljšavaju, poduzimaju se sve moguće sigurnosne mjere, ali ponekad to nije dovoljno. Primjer su nesreće u Černobilu i Fukušimi.

S jedne strane, reaktor koji ispravno radi ne ispušta se u okoliš nema zračenja, dok termoelektrane ulaze u atmosferu veliki brojštetne materije.

Najveću opasnost predstavlja istrošeno gorivo, njegova prerada i skladištenje. Jer do danas nije izmišljen potpuno siguran način odlaganja nuklearnog otpada.

Nuklearna energija je užasna, ali istovremeno i predivna sila. Tokom radioaktivnog raspada i nuklearnih reakcija koje se javljaju u atomima, oslobađa se ogromna količina energije koju ljudi pokušavaju iskoristiti. Pokušavaju jer razvoj nuklearne energije nije samo rezultirao mnogim žrtvama, već i katastrofama (na primjer, nuklearna elektrana Černobil). Ipak, nuklearne elektrane širom svijeta rade i proizvode oko 15 posto svjetske električne energije. Nuklearni reaktori postoje u 31 zemlji svijeta. Takođe su brodovi i podmornice opremljeni nuklearnim reaktorima. U svakom slučaju, odnos prema nuklearnoj energiji i općenito svemu vezanom za nuklearnu fisiju (za razliku od fuzije) iz godine u godinu je sve gori. Doći će dan kada će energija atoma biti izuzetno mirna.

U najnovijim epizodama HBO-ove serije "Černobil" ruski naučnici otkrivaju istinu o razlogu eksplozije reaktora 4. energetske jedinice nuklearne elektrane u Černobilu, koja je teritoriju 17 evropskih zemalja naknadno "zaprašila" ukupne površine 207,5 hiljada kvadratnih kilometara sa radioaktivnim cezijem. Katastrofa u nuklearnoj elektrani Černobil otkrila je temeljne nedostatke u reaktoru RBMK-1000. Uprkos tome, danas u Rusiji još uvijek radi 10 reaktora RBMK-1000. Jesu li sigurni? Prema zapadnim stručnjacima za nuklearnu fiziku, koji su svoje stavove podijelili sa Live Science, ovo pitanje ostaje otvoreno.

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

Radioaktivnost

Radioaktivnost je svojstvo jezgara nestabilnih atoma da emituju energiju. Većina teških atoma su nestabilni, dok lakši atomi imaju radioizotope, tj. radioaktivni izotopi. Razlog radioaktivnosti je taj što atomi teže da postanu stabilni (vidi članak ““). Postoje tri vrste zračenja: alfa zrake, beta zrake i gama zrake... Nazvani su po prva tri slova grčke abecede. U početku jezgro emitira alfa ili beta zrake, a ako je i dalje nestabilno, jezgro emitira i gama zrake. Na slici vidite tri atomska jezgra. Nestabilne su i svaka od njih emitira jednu od tri vrste zraka. Beta čestice su vrlo energični elektroni. Nastaju raspadanjem neutrona. Alfa čestice se sastoje od dva protona i dva neutrona. Jezgra atoma helija ima potpuno isti sastav. Gama zrake su visokoenergetsko elektromagnetno zračenje koje putuje brzinom svjetlosti.

Alfa čestice se sporo kreću, a sloj materije deblji od lista papira zarobljava ih. Oni se ne razlikuju od jezgara atoma helija. Naučnici vjeruju da je helij na Zemlji proizvod prirodne radioaktivnosti. Alfa čestica leti manje od 10 cm, a list debelog papira zadržat će je. Beta čestica leti oko 1 metar u zraku. Može ga zaustaviti lim bakra debljine 1 milimetar. Intenzitet gama zraka se prepolovljuje pri prolasku kroz sloj olova od 13 milimetara ili sloj od 120 metara.

Radioaktivni materijali prevoze se u olovnim kontejnerima sa debelim stijenkama kako bi se spriječilo curenje zračenja. Izloženost zračenju uzrokuje opekotine, kataraktu i rak kod ljudi. Nivoi zračenja mjere se pomoću Geiger brojač... Ovaj uređaj emitira klikove kada otkrije zračenje. Emitirajući čestice, jezgra stječe novi atomski broj i pretvara se u jezgru drugog elementa. Taj se proces naziva radioaktivni raspad... Ako je novi element također nestabilan, proces raspadanja nastavlja se sve dok se ne stvori stabilna jezgra. Na primjer, kada atom plutonijuma-2 (njegova masa iznosi 242) emitira alfa česticu, relativni atomska masašto je 4 (2 protona i 2 neutrona), pretvara se u atom urana - 238 (atomska masa 238). Poluživot- ovo je vrijeme tokom kojeg propada polovina svih atoma u uzorku date supstance. Različiti imaju različiti poluživot. Poluživot radija-221 je 30 sekundi, dok je uranijum 4,5 milijardi godina.

Nuklearne reakcije

Postoje dvije vrste nuklearnih reakcija: nuklearna fuzija i fisija (cijepanje) jezgre... "Sinteza" znači "spoj"; u nuklearnoj fuziji, dva jezgra se kombiniraju i jedno veliko. Nuklearna fuzija može se dogoditi samo pri vrlo visokim vrijednostima. Tokom sinteze oslobađa se ogromna količina energije. U nuklearnoj fuziji dvije jezgre se kombiniraju u jednu veliku. 1992. godine satelit KOBE otkrio je posebnu vrstu zračenja u svemiru, što potvrđuje teoriju da je nastao kao rezultat tzv. Veliki prasak... Iz pojma fisije jasno je da se jezgre razdvajaju, oslobađajući nuklearnu energiju. To je moguće kada se jezgre bombardiraju neutronima, a javljaju se u radioaktivnim supstancama ili u posebnom uređaju tzv akcelerator čestica... Jezgra se cijepa, emitirajući neutrone i oslobađajući kolosalnu energiju.

Nuklearne energije

Energija oslobođena nuklearnim reakcijama može se koristiti za proizvodnju električne energije i kao izvor energije u nuklearnim podmornicama i nosačima aviona. Rad nuklearne elektrane zasnovan je na cijepanju nukleusa u nuklearnim reaktorima. Štap napravljen od radioaktivne supstance kao što je uran bombardiran je neutronima. Jezgra urana se dijeli, emitirajući energiju. Ovo oslobađa nove neutrone. Taj se proces naziva lančana reakcija... Elektrane proizvode više energije iz jedinične mase goriva nego bilo koja druga elektrana, ali mjere sigurnosti i odlaganje radioaktivnog otpada izuzetno su skupe.

Nuklearno oružje

Djelovanje nuklearnog oružja temelji se na činjenici da nekontrolirano ispuštanje 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. Stotine hiljada ljudi je umrlo. Atomske bombe temelje se na reakcije cijepanja, vodonik - na reakcije sinteze... Na slici je prikazana atomska bomba bačena na Hirošimu.

Radiokarbonska metoda

Radiokarbonska metoda određuje vrijeme koje je proteklo nakon smrti organizma. Living sadrži malu količinu ugljenika-14, radioaktivnog izotopa ugljenika. Njegov poluživot je 5700 godina. Kad organizam umre, rezerve ugljika-14 u tkivima se troše, izotop propada, a preostala količina se može koristiti za utvrđivanje prije koliko vremena je organizam umro. Zahvaljujući radiokarbonskoj metodi možete saznati koliko davno je došlo do erupcije. Za to se koriste insekti i polen smrznuti u lavi.

Kako se inače koristi radioaktivnost?

U industriji se zračenje koristi za određivanje debljine lista papira ili plastike (vidi članak „“). Intenzitetom beta zraka koji prolaze kroz lim može se otkriti čak i mala nehomogenost njegove debljine. Prehrambeni proizvodi - voće, meso - zrače se gama zrakama kako bi bili svježi. Koristeći radioaktivnost, lekari prate put supstance u telu. Na primjer, da bi utvrdio kako se šećer distribuira u tijelu pacijenta, liječnik može ubrizgati malo ugljika-14 u molekule šećera i nadzirati emisiju ove supstance koja je ušla u tijelo. Terapija zračenjem, odnosno ozračivanje pacijenta strogo doziranim dijelovima zračenja, ubija ćelije raka - obrasle ćelije tijela.

1. Uvod

2.Radioaktivnost

3 nuklearna reaktora

4. Inženjerski aspekti fuzijskog reaktora

5. Nuklearna reakcija. Nuklearna energetika.

6. Gama zračenje

7 nuklearni reaktor

8.Principi izgradnje atomske energije

Nuklearna fuzija sutra

10.Izlaz

11.Popis literature

UVOD: Šta uči fizika?

Fizika je nauka o prirodi koja proučava najjednostavnije i ujedno najopštije zakone prirode, strukturu i zakone kretanja materije. Fizika spada u tačne nauke. Njegovi koncepti i zakoni čine osnovu prirodne nauke. Granice koje dijele fiziku i druge prirodne znanosti povijesno su uvjetovane. Općenito je prihvaćeno da je fizika u osnovi eksperimentalna znanost, jer se zakoni koji su otkriveni temelje na empirijski utvrđenim podacima. Fizički zakoni su predstavljeni u obliku kvantitativnih omjera izraženih u jeziku matematike. Općenito, fizika je podijeljena na eksperimentalnu koja se bavi provođenjem eksperimenata kako bi se utvrdile nove činjenice i ispitivanje hipoteza i poznatih fizikalnih zakona, te teorijsku, usredotočenu na formuliranje fizikalnih zakona, objašnjenje temeljeno na tim zakonima prirodnih pojava i predviđanje novih pojava.

Struktura fizike je složena. Sadrži razne discipline ili odjeljke. Ovisno o predmetima koji se proučavaju, razlikuju se fizika elementarnih čestica, fizika jezgre, fizika atoma i molekula, fizika plinova i tekućina, fizika plazme i fizika čvrstog stanja. Ovisno o proučavanim procesima ili oblicima kretanja materije, razlikuju se mehanike materijalne bodove i čvrste materije, mehanika kontinuuma (uključujući akustiku), termodinamika i statistička mehanika, elektrodinamika (uključujući optiku), gravitaciona teorija, kvantna mehanika i kvantna teorija polja. Fundamentalna i primijenjena fizika razlikuju se ovisno o orijentaciji stečenog znanja prema potrošaču. Također je uobičajeno isticati doktrinu vibracija i valova koja mehaničke, akustičke, električne i optičke vibracije i valove razmatra iz jednog ugla gledanja. Fizika se temelji na temeljnim fizičkim principima i teorijama koje pokrivaju sve grane fizike i najpotpunije odražavaju suštinu fizičkih pojava i procesa stvarnosti.

Od ranih civilizacija nastalih na obalama Tigrisa, Eufrata i Nila (Babilon, Asirija, Egipat), ne postoje dokazi o dostignućima u polju fizičkog znanja, osim onih ugrađenih u arhitektonske strukture, domaćinstvo itd. . proizvodi znanja. Podizući razne vrste građevina i izrađujući predmete za domaćinstvo, oružje itd., Ljudi su koristili određene rezultate brojnih fizičkih posmatranja, tehničkih eksperimenata i njihovih generalizacija. Možemo reći da je postojalo određeno empirijsko fizičko znanje, ali nije postojao sistem fizičkog znanja.

Fizički prikazi u drevnoj Kini pojavili su se i na osnovu različitih vrsta tehničkih aktivnosti, u procesu kojih su razvijeni različiti tehnološki recepti. Prije svega, razvijeni su mehanički prikazi. Dakle, Kinezi su imali ideje o sili (šta vas tjera da se krećete), reakciji, (što zaustavlja kretanje), poluzi, bloku, usporedbi težina (usporedba sa standardom). Na polju optike, Kinezi su bili svjesni stvaranja inverzne slike u "camera obscura". Već u šestom veku pre nove ere. poznavali su pojave magnetizma - privlačenje željeza magnetom, na osnovu kojeg je stvoren kompas. Na polju akustike poznavali su zakone harmonije, pojave rezonancije. Ali to su još uvijek bile empirijske ideje koje nisu imale teorijsko objašnjenje.

U drevnoj Indiji osnova prirodnih filozofskih koncepata je doktrina o pet elemenata - zemlji, vodi, vatri, zraku i etru. Bilo je i nagađanja o atomskoj strukturi materije. Razvijene su jedinstvene ideje o takvim svojstvima materije kao što su gravitacija, fluidnost, viskoznost, elastičnost itd., O kretanju i njegovim uzrocima. Do VI vijeka. Pne. empirijski fizički koncepti u nekim oblastima pokazuju tendenciju prelaska na neku vrstu teorijskih konstrukcija (u optici, akustici).

Fenomen radioaktivnosti ili spontanog propadanja jezgara otkrio je francuski fizičar A. Becquerel 1896. Otkrio je da uran i njegovi spojevi emituju zrake ili čestice koje prodiru kroz neprozirna tijela i sposobni su osvijetliti fotografsku ploču, utvrdio je Becquerel da je intenzitet zračenja proporcionalan samo koncentraciji urana i ne ovisi o njemu spoljni uslovi(temperatura, pritisak) i ima li uranij bilo kakvih hemijskih spojeva.

Engleski fizičari E. Rutherford i F. Soddy dokazali su da u svim radioaktivnim procesima postoje međusobne transformacije atomskih jezgara hemijskih elemenata. Proučavanje svojstava zračenja koje prate ove procese u magnetskim i električnim poljima pokazalo je da je podijeljeno na a-čestice (jezgre helija), b-čestice (elektroni) i g-zrake (elektromagnetsko zračenje vrlo kratke valne dužine).

Nazvana je atomska jezgra koja emitira g-kvante, a-, b- ili druge čestice radioaktivno jezgro... U prirodi postoje 272 stabilna atomska jezgra. Sve ostale jezgre su radioaktivne i nazivaju se radioizotopi.

Energija vezivanja jezgre karakterizira njegovu otpornost na raspadanje u sastavne dijelove. Ako je energija vezivanja jezgre manja od energije vezanja produkata njenog raspada, onda to znači da jezgra može spontano (spontano) propasti. U alfa raspadanju alfa čestice odnose gotovo svu energiju i samo 2% pada na sekundarno jezgro. U alfa raspadu, maseni broj se mijenja 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 slobodni put u zraku je kratak. Na primjer, srednji slobodni put u zraku alfa čestica koje emitira jezgra uranijuma je 2,7 cm, a radije 3,3 cm.

Ovo je proces transformacije atomske jezgre u drugu jezgru sa promjenom rednog broja bez promjene masenog broja. Postoje tri vrste b-raspada: elektronski, pozitron i hvatanje orbitalnog elektrona atomskom jezgrom. tip Posljednje propadanje se također naziva TO-hvatanje, jer je u ovom slučaju apsorpcija elektrona iz najbliže jezgre najvjerojatnija TOškoljka. Apsorpcija elektrona sa L i M Moguće su i granate, ali manje vjerovatno. Poluživot b-aktivnih jezgara varira u vrlo širokom rasponu.

Trenutno je poznato beta-aktivnih jezgara oko jedne i po hiljade, ali samo 20 od njih su prirodni beta-radioaktivni izotopi. Sve ostalo dobiveno je vještačkim putem.

Neprekidna raspodjela kinetičke energije elektrona emitiranih tokom raspada objašnjava se činjenicom da se, zajedno s elektronom, emitira i antineutrino. Da nema antineutrina, tada bi elektroni imali strogo definiran zamah, jednak zamahu rezidualnog jezgra. Oštar prekid spektra primećuje se kada je vrijednost kinetičke energije jednaka energiji beta raspada. U ovom slučaju, kinetičke energije jezgre i antineutrina jednake su nuli i elektron odnosi svu energiju oslobođenu tokom reakcije.

U elektroničkom raspadu, rezidualna jezgra ima serijski broj jedan više od početnog, uz održavanje masenog broja. To znači da se broj protona u rezidualnom jezgru povećao za jedan, dok je broj neutrona, naprotiv, postao manji: N = A- (Z + 1).

U raspadu pozitrona, ukupan broj nukleona je očuvan, ali u konačnom jezgru ima jedan neutron više nego u početnom. Stoga se raspad pozitrona može tumačiti kao reakcija transformacije unutar jezgre jednog protona u neutron s emisijom pozitrona i neutrina.

TO elektroničko hvatanje odnosi se na proces apsorpcije atomom jednog od orbitalnih elektrona njegovog atoma. Budući da je hvatanje elektrona iz orbite koja je najbliža jezgru najvjerovatnije, elektroni se najvjerovatnije apsorbiraju TO-ljuske. Stoga se i ovaj proces naziva TO-zauzimanje.

Mnogo je manje vjerovatno da su elektroni zahvaćeni L-,M-ljuske. Nakon hvatanja elektrona iz TO-ljuska, javlja se niz prijelaza elektrona iz orbite u orbitu, formira se novo atomsko stanje, emitira se kvant ks-zraka.

Stabilne jezgre su u najnižem energetskom stanju. Ova država se naziva glavnom. Međutim, zračenjem atomskih jezgara raznim česticama ili visokoenergetskim protonima, moguće je na njih prenijeti određenu energiju i, prema tome, u stanja koja odgovaraju višoj energiji. Prelazeći nakon nekog vremena iz pobuđenog u osnovno stanje, atomska jezgra može emitirati ili česticu, ako je energija pobude dovoljno velika, ili visokoenergetsko elektromagnetno zračenje - gama kvant.

Budući da se pobuđena jezgra nalazi u diskretnim energetskim stanjima, gama zračenje karakterizira i linijski spektar.

Fisijom teških jezgara nastaje nekoliko slobodnih neutrona. To omogućava organizaciju takozvane lančane fisione reakcije, kada neutroni, šireći se u mediju koji sadrži teške elemente, mogu prouzrokovati njihovu fisiju emisijom novih slobodnih neutrona. Ako je medij takav da se broj novorođenih neutrona povećava, tada proces cijepanja raste poput lavine. U slučaju kada se broj neutrona smanji tokom narednih fisija, nuklearna lančana reakcija izumire.

Da bi se dobila stacionarna nuklearna lančana reakcija, očito je potrebno stvoriti takve uvjete da svaka jezgra koja je apsorbirala neutron u toku fisije u prosjeku oslobodi jedan neutron, koji ulazi u fisiju drugog teškog jezgra.

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

Nuklearna lančana reakcija u reaktoru može se provesti samo s određenim brojem fisljivih jezgara koje mogu cijepati pri bilo kojoj neutronskoj energiji. Najvažniji cijepljivi materijal je izotop 235 U, čiji udio u prirodnom uraniju iznosi samo 0,714%.

Iako se 238 U dijeli od neutrona čija energija prelazi 1,2 MeV, samoodrživa lančana reakcija na brze neutrone u prirodnom uranijumu nije moguća zbog velike vjerovatnoće neelastične interakcije jezgara 238 U s brzim neutronima. U ovom slučaju, neutronska energija postaje niža od praga energije cijepanja 238 U jezgara.

Upotreba moderatora dovodi do smanjenja rezonantne apsorpcije za 238 U, budući da neutron može proći kroz područje rezonantnih energija kao rezultat sudara sa jezgrima moderatora i apsorbirati ga od 235 U, 239 Pu, 233 U jezgra, čiji se presjek fisije znatno povećava sa smanjenjem neutronske energije. Kao moderatori koriste se materijali s malim masenim brojem i malim poprečnim presjekom apsorpcije (voda, grafit, berilij, itd.).

Za karakterizaciju lančane reakcije cijepanja koristi se veličina koja se naziva faktor množenja K. Ovo je odnos broja neutrona određene generacije prema broju neutrona prethodne generacije. Za stacionarnu lančanu reakciju fisije, K = 1. Sistem za umnožavanje (reaktor), u kojem je K = 1, naziva se kritičnim. Ako je K> 1, broj neutrona u sustavu se povećava i u ovom slučaju se naziva preko kritičnim. 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 большая часть делений происходит при поглощении тепловых нейтронов, то такой реактор называется реактором на тепловых нейтронах. Энергия нейтронов в такой системе не превышает 0.2 эВ. Если большая часть делений в реакторе происходит при поглощении быстрых нейтронов, такой реактор называется реактором на быстрых нейтронах.

U aktivnoj zoni reaktora toplotnog neutrona, zajedno sa nuklearnim gorivom, postoji značajna masa tvari-moderatora, koja se odlikuje velikim presjekom raspršenja i malim presjekom apsorpcije.

Aktivna zona reaktora je gotovo uvijek, osim posebnih reaktora, okružena reflektorom koji vraća neke neurone u aktivnu zonu zbog višestrukog rasipanja.

U brzim neuronskim reaktorima aktivna zona okružena je reproduktivnim zonama. U njima se akumuliraju fisioni izotopi. Pored toga, reprodukcione zone takođe funkcionišu kao reflektor.

U nuklearnom reaktoru nakupljaju se proizvodi fisije, koji se nazivaju šljaka. Prisustvo troske dovodi do dodatnih gubitaka slobodnih neutrona.

Nuklearni reaktori, ovisno o relativnom smještaju goriva i moderatora, podijeljeni su na homogene i heterogene. U homogenom reaktoru jezgra je homogena masa goriva, moderatora i rashladne tečnosti u obliku otopine, smjese ili taline. Reaktor se naziva heterogenim, u kojem se gorivo u obliku blokova ili sklopova za gorivo stavlja u moderator, čineći u njemu pravilnu geometrijsku rešetku.

Tokom rada reaktora, toplota se oslobađa u elementima za uklanjanje toplote (gorivim elementima), kao i u svim njegovim strukturnim elementima u različitim količinama. To je prije svega zbog inhibicije fisionih fragmenata, njihovog beta i gama zračenja, kao i jezgara koje su u interakciji s neuronima i, konačno, usporavanja brzih neurona. Otpadi od cijepanja jezgre goriva klasificirani su prema brzinama koje odgovaraju temperaturama stotinama milijardi stepeni.

Zaista, E = mu 2 = 3RT, gdje je E kinetička energija fragmenata, MeV; R = 1,38 · 10 -23 J / K - Boltzmannova konstanta. Uzimajući u obzir da je 1 MeV = 1,6 · 10 -13 J, dobijamo 1,6 · 10 -6 E = 2,07 · 10 -16 T, T = 7,7 · 10 9 E. Najvjerovatnije energetske vrijednosti za cijepanje fragmenata su 97 MeV za lagani fragment i 65 MeV za teški. Tada je odgovarajuća temperatura lakog fragmenta 7,5 · 10 11 K, teškog - 5 · 10 11 K. Iako je temperatura koja se može postići u nuklearnom reaktoru teoretski gotovo neograničena, u praksi su ograničenja određena najvećom dozvoljenom temperaturom strukturni materijali i gorivni elementi.

Posebnost nuklearnog reaktora je u tome što se 94% energije fisije trenutno pretvara u toplotu, tj. tokom vremena tokom kojeg snaga reaktora ili gustina materijala u njemu nemaju vremena da se osjetno promijene. Stoga, kada se snaga reaktora promijeni, oslobađanje toplote slijedi bez odlaganja proces cijepanja goriva. Međutim, kada se reaktor isključi, kada se brzina fisije smanji više od desetine puta, u njemu ostaju izvori odgođenog oslobađanja toplote (gama i beta zračenje iz proizvoda fisije), koji postaju dominantni.

Snaga nuklearnog reaktora proporcionalna je gustini fluksa neurona u njemu, pa je teoretski svaka snaga dostižna. U praksi se granična snaga određuje brzinom odvođenja toplote 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 iz reaktora uklanja hladnjakom koja cirkulira kroz njega. Karakteristična karakteristika reaktora je zaostalo oslobađanje toplote nakon završetka reakcije cijepanja, koje zahtijeva uklanjanje topline dugo vremena nakon što je reaktor isključen. Iako je snaga zaostalog ispuštanja toplote mnogo manja od nominalne, cirkulacija rashladne tečnosti kroz reaktor mora biti osigurana vrlo pouzdano, jer se zaostalo ispuštanje toplote ne može kontrolirati. Uklanjanje rashladne tečnosti iz reaktora koji radi neko vrijeme strogo je zabranjeno kako bi se izbjeglo pregrijavanje i oštećenje gorivih elemenata.

Energetski nuklearni reaktor je uređaj u kojem se provodi kontrolirana lančana reakcija cijepanja jezgara teških elemenata, a toplotna energija koja se tokom toga oslobađa uklanja rashladnom tečnošću. Jezgra nuklearnog reaktora je jezgra. U njemu se čuva nuklearno gorivo i vrši lančana reakcija fisije. Jezgra je skup gorivih elemenata koji sadrže nuklearno gorivo, raspoređenih na određeni način. Termički reaktori koriste moderator. Rashladno sredstvo se ljulja kroz jezgru da hladi gorivne elemente. U nekim vrstama reaktora ulogu moderatora i rashladnog sredstva ima ista supstanca, na primjer, obična ili teška voda. Za

Za kontrolu rada reaktora u jezgru se uvode upravljačke šipke od materijala sa velikim presjekom apsorpcije neutrona. Jezgra energetskih reaktora okružena je neutronskim reflektorom - slojem moderatorskog materijala koji smanjuje propuštanje neutrona iz jezgre. Pored toga, zahvaljujući reflektoru, gustina neutrona i oslobađanje energije izjednačavaju se preko zapremine jezgre, što omogućava danoj veličini zone da dobije veću snagu, postigne ravnomjernije sagorijevanje goriva, poveća trajanje rada reaktora bez punjenja gorivom , i pojednostaviti sistem odvođenja toplote. Reflektor se zagrijava energijom usporavajućih i apsorbiranih neutrona i gama kvanta, stoga je predviđen za hlađenje. Jezgra, reflektor i drugi elementi smješteni su u zatvoreno kućište ili kućište, obično okruženo biološkim oklopom.

Jezgro reaktora mora biti izvedeno tako da isključuje mogućnost nenamjernog kretanja njegovih komponenata, što dovodi do povećanja reaktivnosti. Glavni strukturni detalj heterogene jezgre je gorivni element, koji u velikoj mjeri određuje njezinu pouzdanost, veličinu i cijenu. U energetskim reaktorima se, po pravilu, gorivi elementi šipki koriste sa gorivom u obliku presovanih peleta uranijum-dioksida zatvorenih u obloge od čelika ili legure cirkonijuma. Radi praktičnosti, gorivni elementi se sastavljaju u sklopove za gorivo (FA) koji su ugrađeni u jezgru nuklearnog reaktora.

Glavni dio toplotne energije stvara se u gorivim elementima i prenosi u rashladnu tečnost. Više od 90% sve energije koja se oslobodi tokom cijepanja teških jezgara otpušta se u gorivne šipke i uklanja rashladnom tečnošću koja teče oko gorivih šipki. Šipke za gorivo rade u vrlo teškim toplotnim uvjetima: maksimalna gustoća toplotnog toka od šipke za gorivo do rashladne tečnosti dostiže (1 - 2) 10 6 W / m 2, dok u modernim parnim kotlovima iznosi (2 - 3) 10 5 W / m 2 Uz to se u relativno maloj količini nuklearnog goriva oslobađa velika količina toplote, tj. energetski intenzitet nuklearnog goriva je takođe vrlo visok. Specifično oslobađanje toplote u jezgri dostiže 10 8 -10 9 W / m 3, dok u modernim parnim kotlovima ne prelazi 10 7 W / m 3.

Veliki toplotni tokovi koji prolaze površinom gorivih elemenata i značajna gustina energije goriva zahtevaju izuzetno visoku trajnost i pouzdanost gorivih elemenata. Pored toga, radni uslovi gorivih elemenata komplicirani su visokom radnom temperaturom koja doseže 300 - 600 C o na površini obloge, mogućnošću termičkih udara, vibracija i prisustvom neutronskog fluksa (fluencija dostiže 10 27 neutrona / m2).

Visoko tehnički zahtjevi: jednostavnost dizajna; mehanička stabilnost i čvrstoća u protoku rashladne tečnosti, osiguravajući očuvanje dimenzija i nepropusnosti; mala apsorpcija neutrona strukturnim materijalom gorivog elementa i minimum strukturnog materijala u jezgri; nedostatak interakcije nuklearnog goriva i proizvoda fisije sa oblogom gorivih elemenata, rashladne tečnosti i moderatora na radnim temperaturama. Geometrijski oblik gorivog elementa trebao bi osigurati potreban omjer površine i zapremine i maksimalnu brzinu uklanjanja toplote rashladnom tečnošću sa cijele površine gorivog elementa, kao i zajamčiti veliko sagorijevanje nuklearnog goriva i visok stupanj zadržavanja produkata fisije. Šipke za gorivo moraju imati otpornost na zračenje, potrebne dimenzije i dizajn, osiguravajući mogućnost brzog ponovnog punjenja; imaju jednostavnost i ekonomičnost regeneracije nuklearnog goriva i niske troškove.

Iz sigurnosnih razloga mora se održavati pouzdana nepropusnost obloge gorivih elemenata tokom cijelog perioda rada jezgre (3-5 godina) i naknadnog skladištenja istrošenih gorivih elemenata prije slanja na preradu (1-3 godine). Pri projektiranju jezgre potrebno je unaprijed utvrditi i potkrijepiti dopuštene granice oštećenja za gorivne elemente (broj i stupanj oštećenja). Jezgra je konstruirana na takav način da se tijekom rada tijekom cijelog projektnog vijeka ne prekorače utvrđene granice oštećenja gorivih elemenata. Ispunjavanje ovih zahtjeva osigurava se dizajnom jezgre, kvalitetom rashladne tečnosti, karakteristikama i pouzdanošću sistema za odvođenje topline. Tokom rada moguće je propuštanje obloge pojedinih gorivnih elemenata. Postoje dvije vrste takvog kršenja: stvaranje mikropukotina kroz koje plinoviti proizvodi cijepanja napuštaju gorivni element u rashladnu tekućinu (nedostatak vrste gustoće plina); pojava kvarova kod kojih je moguć direktan kontakt goriva sa rashladnom tečnošću.

Uvjeti rada gorivnih elemenata u velikoj su mjeri određeni dizajnom jezgre, koji mora osigurati konstrukcijsku geometriju smještaja gorivih elemenata i raspodjelu rashladne tekućine potrebne sa stajališta temperaturnih uvjeta. Kroz jezgru se mora održavati stabilna brzina protoka rashladne tečnosti tokom rada reaktora iz snage, što garantuje pouzdano uklanjanje toplote. Jezgra treba biti opremljena senzorima unutar kontrole reaktora, koji pružaju informacije o raspodjeli snage, protoku neutrona, temperaturnim uvjetima gorivih elemenata i protoku rashladne tečnosti.

Jezgra energetskog reaktora treba biti dizajnirana tako da ima unutrašnji mehanizam interakcije neutronsko-fizičke i toplotne energije fizički procesi pod bilo kojim poremećajima u faktoru množenja, uspostavio je novi siguran nivo snage. U praksi se sigurnost nuklearne elektrane osigurava, s jedne strane, stabilnošću reaktora (smanjenje faktora množenja s povećanjem temperature i snage jezgre), a s druge strane , pouzdanošću automatskog sistema upravljanja i zaštite.

Da bi se osigurala dubinska sigurnost, dizajn jezgre i karakteristike nuklearnog goriva trebaju isključiti mogućnost stvaranja kritičnih masa cijepljivih materijala tokom uništavanja jezgre i topljenja nuklearnog goriva. Dizajn jezgre trebao bi osigurati mogućnost uvođenja neutronskog apsorbera za zaustavljanje lančane reakcije u svim slučajevima povezanim s prekidom hlađenja jezgre.

Jezgra koja sadrži velike količine nuklearnog goriva za nadoknađivanje sagorijevanja, trovanja i temperaturnog učinka ima, kao, nekoliko kritičnih masa. Zbog toga svaka kritična količina goriva mora biti opremljena sredstvom za kompenzaciju reaktivnosti. Trebali bi biti smješteni u jezgri na takav način da isključuju mogućnost lokalnih kritičnih masa.

Reaktori su klasificirani prema energetskom nivou neutrona koji sudjeluju u fisionoj reakciji, prema principu smještaja goriva i moderatora, namjeni, vrsti moderatora i rashladne tečnosti i njihovom fizičkom stanju.

Prema nivou energetskih neutrona: reaktori mogu raditi na brzim neutronima, na toplotnoj i na srednjoj (rezonancijskoj) energiji i, u skladu s tim, podijeljeni su na reaktore na toplotnim, brzim i srednjim neutronima (ponekad se zbog kratkoće nazivaju termičkim , brzo i srednje).

IN termički reaktor najveći dio fisije jezgara događa se kada jezgre apsorbiraju toplotne neutrone fisualnih izotopa. Reaktori u kojima nuklearnu fisiju uglavnom obavljaju neutroni s energijom većom od 0,5 MeV nazivaju se brzim neutronskim reaktorima. Reaktori u kojima se veći dio fisije javlja kao rezultat apsorpcije srednjih neutrona jezgrama koji se dijele izotopima nazivaju se srednjim (rezonantnim) neutronskim reaktorima.

Termički reaktori su trenutno najrasprostranjeniji. Termičke reaktore karakteriše koncentracija nuklearnog goriva od 235 U u jezgri od 1 do 100 kg / m 3 i prisustvo velikih masa moderatora. Reaktor za brzi neutron karakterizira koncentracija nuklearnog goriva od 235 U ili 239 U reda veličine 1000 kg / m 3 i odsustvo moderatora u jezgri.

U reaktorima na srednjim neutronima u jezgri moderatora vrlo je mala, a koncentracija nuklearnog goriva 235 U u njemu je od 100 do 1000 kg / m 3.

U termičkim reaktorima dolazi do fisije jezgara goriva i kada jezgro zahvati brze neutrone, ali verovatnoća ovog procesa je beznačajna (1 - 3%). Potreba za neutronskim moderatorom nastaje zbog činjenice da su efektivni fisioni presjeci jezgara goriva mnogo veći pri malim energijama neutrona nego kod velikih.

U jezgri termičkog reaktora mora postojati moderator - supstanca čije jezgre imaju mali maseni broj. Kao moderatori se koriste grafit, teška ili lagana voda, berilij, organske tečnosti. Termički reaktor može raditi i na prirodni uran ako se kao moderator koristi teška voda ili grafit. Za ostale moderatore mora se koristiti obogaćeni uran. Potrebne kritične dimenzije reaktora ovise o stupnju obogaćivanja gorivom, a s povećanjem stupnja obogaćivanja one su manje. Značajan nedostatak termički neutronski reaktori su gubici usporenih neutrona kao rezultat njihovog zahvata od strane moderatora, rashladne tečnosti, strukturnih materijala i fisionih proizvoda. Zbog toga je u takvim reaktorima potrebno koristiti supstance sa malim poprečnim presjecima hvatanja za spore neutrone kao moderator, rashladno sredstvo i strukturne materijale.

IN srednji neutronski reaktori, u kojem većinu fisionih događaja uzrokuju neutroni čija je energija viša od toplotne (od 1 eV do 100 keV), masa moderatora je manja nego u termičkim reaktorima. Specifična karakteristika rada takvog reaktora je da se fisioni presjek goriva s porastom fisije neutrona u međuprostoru smanjuje slabiji od apsorpcijskog presjeka strukturnih materijala i proizvoda fisije. Dakle, vjerovatnoća djelovanja fisije raste u odnosu na djela preuzimanja. Zahtjevi za neutronskim karakteristikama građevinskih materijala su manje strogi, njihov opseg je širi. Prema tome, jezgra srednjeg neutronskog reaktora može biti izrađena od izdržljivijih materijala, što omogućava povećanje specifičnog odvođenja topline s površine grijanja reaktora. Obogaćivanje goriva cjepivim izotopom u srednjim reaktorima zbog smanjenja presjeka trebalo bi biti veće nego u termičkim reaktorima. Reprodukcija nuklearnog goriva u reaktorima koji koriste srednje neutrone veća je nego u reaktoru koji koristi toplotne neutrone.

Supstanca koja slabo moderira neutrone koristi se kao rashladna sredstva u srednjim reaktorima. Na primjer, tečni metali. Moderator je grafit, berilij itd.

Elementi goriva s visoko obogaćenim gorivom smješteni su u aktivnu zonu reaktora sa brzim neutronom. Jezgra je okružena uzgajivačkom zonom koja se sastoji od gorivih elemenata koji sadrže sirovinu za gorivo (osiromašeni uranijum, torijum). Neutroni koji izlaze iz jezgre zahvataju se u zoni uzgajanja jezgrima gorivne sirovine, što rezultira stvaranjem novog nuklearnog goriva. Posebna prednost brzih reaktora je mogućnost organiziranja proširenog uzgajanja nuklearnog goriva u njima, tj. istovremeno s proizvodnjom energije, proizvoditi novo umjesto izgaranog nuklearnog goriva. Za brze reaktore nije potreban moderator, a rashladna tečnost ne bi trebala usporavati neutrone.

Reaktori se dijele na homogene i heterogene, ovisno o načinu postavljanja goriva u jezgru.

IN homogeni reaktor nuklearno gorivo, rashladna tečnost i moderator (ako ih ima) temeljito su pomiješani i u istom su fizičkom stanju, tj. jezgra potpuno homogenog reaktora je tečna, čvrsta ili plinovita homogena smjesa nuklearnog goriva, rashladne tečnosti ili moderatora. Homogeni reaktori mogu biti i toplotni i brzi neutroni. U takvom je reaktoru cijelo jezgro smješteno unutar čelične sferne posude i predstavlja tekuću homogenu smjesu goriva i moderatora u obliku otopine ili tečne legure (na primjer, otopina uranil sulfata u vodi, otopina urana u tečnom bizmutu), koji takođe služi kao rashladna tečnost.

Reakcija nuklearne fisije događa se u otopini goriva unutar sferne posude reaktora, uslijed čega temperatura otopine raste. Zapaljiva otopina iz reaktora ulazi u izmjenjivač topline, gdje odaje toplinu vodi sekundarnog kruga, hladi se i kružnom pumpom vraća natrag u reaktor. Kako bi se spriječilo da se nuklearna reakcija dogodi izvan reaktora, zapremine cjevovoda petlje, izmjenjivača topline i pumpe odabiru se tako da je količina goriva u svakom dijelu petlje mnogo manja od kritične. Homogeni reaktori imaju nekoliko prednosti u odnosu na heterogene. Ovo je jednostavan dizajn jezgre i njegovih minimalnih dimenzija, sposobnost kontinuiranog uklanjanja fisionih proizvoda i dodavanja svježeg nuklearnog goriva tijekom rada bez zaustavljanja reaktora, jednostavnost pripreme goriva i činjenica da se reaktorom može upravljati promjenom koncentracija nuklearnog goriva.

Međutim, homogeni reaktori također imaju ozbiljne nedostatke. Homogena smjesa koja kruži duž petlje emitira jako radioaktivno zračenje, što zahtijeva dodatnu zaštitu i otežava kontrolu reaktora. Samo je dio goriva u reaktoru i služi za proizvodnju energije, dok je drugi dio u vanjskim cjevovodima, izmjenjivačima topline i pumpama. Cirkulirajuća smjesa uzrokuje jaku koroziju i eroziju sistema i uređaja reaktora i kruga. Stvaranje eksplozivne eksplozivne smjese u homogenom reaktoru kao rezultat radiolize vode zahtijeva uređaje za njegovo sagorijevanje. Sve je to dovelo do činjenice da homogeni reaktori nisu bili široko korišteni.

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

Trenutno su samo heterogeni reaktori dizajnirani u energetske svrhe. Nuklearno gorivo u takvom reaktoru može se koristiti u plinovitom, tečnom i čvrstom stanju. Međutim, sada heterogeni reaktori rade samo na čvrsto gorivo.

Ovisno o umjerenoj supstanci, heterogeni reaktori se dijele na grafit, laku vodu, tešku vodu i organske. Po vrsti rashladne tečnosti, heterogeni reaktori su lako voda, teška voda, plin i tečni metal. Tekuće rashladne tečnosti unutar reaktora mogu biti u jednofaznom i dvofaznom stanju. U prvom slučaju rashladna tekućina unutar reaktora ne vrije, a u drugom vrije.

Reaktori u čijoj jezgri je temperatura rashladne tečnosti ispod tačke ključanja nazivaju se vodenim reaktorima pod pritiskom, a reaktori unutar kojih rashladna tekućina vrije reakcijama.

Ovisno o moderatoru i rashladnoj tekućini, heterogeni reaktori projektirani su prema različitim shemama. U Rusiji su glavne vrste nuklearnih reaktora pod pritiskom vode i vodenog grafita.

Projektno su reaktori podijeljeni na brodske i kanalske reaktore. IN reaktori pod pritiskom pritisak rashladne tečnosti nosi tijelo. Općeniti protok rashladne tekućine teče unutar posude reaktora. IN kanalni reaktori rashladna tečnost se dovodi u svaki kanal sa sklopom za gorivo odvojeno. Posuda reaktora nije opterećena pritiskom rashladne tečnosti, a taj pritisak vrši svaki zasebni kanal.

Ovisno o namjeni, nuklearni reaktori su energija, pretvarači i multiplikatori, istraživački i višenamjenski, transportni i industrijski.

Nuklearni reaktori se koriste za proizvodnju električne energije u nuklearnim elektranama, u brodskim elektranama, u nuklearnim kombinacijama toplotne i elektrane (NTPP), kao iu nuklearnim toplanama (AST).

Nazvani su reaktori dizajnirani za proizvodnju sekundarnog nuklearnog goriva od prirodnog uranijuma i torija pretvarači ili puta multiplikatorima... U reaktoru-pretvaraču sekundarnog nuklearnog goriva formira se manje prvobitno potrošenog goriva.

Prošireno uzgajanje nuklearnog goriva vrši se u multiplikatoru, tj. ispada više nego što je potrošeno.

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

Reaktori imaju različite kapacitete, stacionarni ili impulsni. Najrasprostranjeniji su istraživački reaktori sa vodom pod pritiskom koji koriste obogaćeni uranijum. Toplinska snaga istraživačkih reaktora varira u širokom rasponu i doseže nekoliko hiljada kilovata.

Višenamjenski reaktori su oni koji služe u više svrha, poput proizvodnje električne energije i nuklearnog goriva.

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

kuda<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:

Fuzijski reaktor tokamak sastoji se od sljedećih glavnih dijelova: magnetski, kriogeni i vakuumski sustavi, sistem napajanja, pokrivač, tritijev krug i zaštita, dodatni plazemski sustavi za grijanje i napajanje gorivom, kao i sistemi daljinskog upravljanja i održavanja.

Magnetski sistem sadrži zavojnice toroidnog magnetnog polja, induktor za održavanje struje i indukcijsko zagrijavanje plazme i namote koji čine poloidalno magnetsko polje, neophodno za rad divertora i održavanje ravnoteže plazmenog stuba .

Da bi se eliminisali Joule-ovi gubici, magnetni sistem, kako je ranije naznačeno, bit će u potpunosti supravodljiv. Za namotaje magnetnog sistema predlaže se upotreba legura niobijum-titana i niobijum-kalaja.

Stvaranje magnetnog sistema superprovodničkog reaktora sa IN 12 T i gustina struje od oko 2 kA jedan je od glavnih inženjerskih problema u razvoju termonuklearnog reaktora, koji treba riješiti u bliskoj budućnosti.

Kriogeni sistem uključuje kriostat magnetnog sistema i kriopanele u mlaznicama za dodatno zagrijavanje plazme. Kriostat ima oblik vakuumske komore u kojoj su zatvorene sve ohlađene strukture. Svaka zavojnica magnetnog sistema uronjena je u tečni helij. Njegove pare hlade posebne zaslone smještene unutar kriostata kako bi smanjili toplotne tokove sa površina na temperaturi tečnog helija. Kriogeni sistem ima dva rashladna kruga, od kojih jedan cirkulira tečni helij, pružajući temperaturu potrebnu za normalan rad supravodljivih zavojnica od oko 4 K, a drugi - tečni azot čija je temperatura 80 - 95 K. Ovaj krug služi za hlađenje pregrada, odvajanje dijelova helijem i sobnim temperaturama.

Kriopaneli mlaznica hlade se tekućim helijem i dizajnirani su da apsorbiraju plinove, što omogućava održavanje dovoljne brzine pumpanja pri relativno visokom vakuumu.

Vakuumski sistem omogućava ispumpavanje helija, vodonika i nečistoća iz šupljine divertora ili iz prostora koji okružuje plazmu tokom rada reaktora, kao i iz radne komore u pauzama između impulsa. Da se ispumpani tritij ne ispušta u okolinu, potrebno je osigurati zatvoreni krug u sistemu s minimalnom količinom cirkulirajućeg tricija. Plin se može ispumpati turbomolekularnim pumpama, čiji bi kapacitet trebao malo premašiti dosadašnji postignuti. Trajanje pauze za pripremu radne komore za sljedeći impuls ne prelazi 30 s.

Sistem napajanja u osnovi ovisi o načinu rada reaktora. Primjetno je jednostavnije za tokamak koji radi u kontinuiranom režimu. Kada radite u impulsnom režimu, preporučljivo je koristiti kombinovani sistem napajanja - mrežu i motor-generator. Snaga generatora određuje se impulsnim opterećenjima i dostiže 10 6 kW.

Pokrivalo reaktora nalazi se iza prvog zida radne komore i dizajnirano je za hvatanje neutrona generiranih u DT reakciji, reprodukciju "izgorjelog" tricija i pretvaranje neutronske energije u toplotnu energiju. U hibridnom termonuklearnom reaktoru pokrivač se također koristi za proizvodnju fisljivih supstanci. Deka je u osnovi nešto novo što razlikuje fuzijski reaktor od konvencionalnog fuzijskog postrojenja. Još uvijek nema iskustva u dizajniranju i radu pokrivača, stoga će biti potreban inženjerski i dizajnerski razvoj pokrivača od litija i urana.

Tritijev krug sastoji se od nekoliko neovisnih jedinica koje osiguravaju regeneraciju ispumpanog plina iz radne komore, njegovo skladištenje i opskrbu za punjenje plazme, vađenje tritija iz pokrivača i njegov povratak u elektroenergetski sistem, kao i pročišćavanje izduvnih gasova i vazduha iz njega.

Zaštita reaktora dijeli se na zračenje i biološku. Zaštita od zračenja umanjuje protok neutrona i smanjuje oslobađanje energije u supravodljivim zavojnicama. Za normalan rad magnetnog sistema uz minimalnu potrošnju energije potrebno je neutronski tok oslabiti za 10 s -10 6 puta. Zaštita od zračenja nalazi se između pokrivača i zavojnica toroidnog polja i pokriva cijelu površinu radne komore, osim kanala preusmjerivača i ulaza mlaznica. Ovisno o sastavu, debljina zaštite je 80-130cm.

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

Sistemi za dodatno zagrijavanje plazme i napajanje gorivom zauzimaju značajan prostor oko reaktora. Ako se plazma zagrijava snopovima brzih atoma, tada bi zaštita od zračenja trebala okruživati ​​čitavu mlaznicu, što je nezgodno za uređenje opreme u reaktorskoj hali i održavanje reaktora. U tom smislu, sustavi grijanja s visokofrekventnim strujama su privlačniji, jer su njihovi ulazni uređaji (antene) kompaktniji, a generatori se mogu instalirati izvan reaktorske hale. Istraživanje tokamaka i razvoj dizajna antena omogućit će konačni izbor plazemskog sustava grijanja.

Upravljački sistem je sastavni dio fuzijskog reaktora. Kao i u bilo kojem reaktoru, zbog prilično visokog nivoa radioaktivnosti u prostoru koji okružuje reaktor, kontrola i održavanje u njemu se provode na daljinu - i tokom rada i tokom isključenja.

Izvor radioaktivnosti u termonuklearnom reaktoru je, prvo, tritij koji se raspada emisijom elektrona i 7-kvanta niske energije (njegov poluživot je oko 13 godina), i drugo, radioaktivni nuklidi nastali u interakciji neutrona sa strukturnim materijalima pokrivača i radnim kamerama. Za najčešće od njih (legure čelika, 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 indukovanom aktivnošću u termonuklearnom reaktoru, na primjer, aluminijum i vanadijum. U međuvremenu se izrađuje termonuklearni reaktor tokamak uzimajući u obzir daljinsko održavanje, što nameće dodatne zahtjeve za njegov dizajn. Konkretno, sastojat će se od međusobno povezanih identičnih odjeljaka, koji će biti ispunjeni različitim građevinskim blokovima (modulima). To će omogućiti, ako je potrebno, relativno laku zamjenu pojedinih jedinica pomoću posebnih manipulatora.

Nuklearne reakcije. Nuklearna energija.

Atomska jezgra

Atomsku jezgru karakteriziraju naboj Ze, masa M, spin J, magnetni i električni kvadrupolni moment Q, određeni radijus R, izotonični spin T, a sastoji se od nukleona - protona i neutrona.

Nazvan je broj nukleona A u jezgri ogroman broj... Poziva se broj Z. broj punjenja jezgro ili atomski broj. Budući da Z određuje broj protona, a A je broj nukleona u jezgri, broj neurona u atomskoj jezgri je N = A-Z. Zovu se atomske jezgre s istim Z, ali različitim A izotopi... U prosjeku postoje oko tri stabilna izotopa za svaku vrijednost Z. Na primjer, 28 Si, 29 Si, 30 Si su stabilni izotopi jezgre Si. Pored stabilnih izotopa, većina elemenata ima i nestabilne izotope, koje karakterizira ograničen životni vijek.

Zovu se jezgra s istim masenim brojem A. izobare, i sa istim brojem neutrona - izotoni.

Sve atomske jezgre podijeljene su na stabilne i nestabilne. Svojstva stabilnih jezgara ostaju nepromijenjena u nedogled. S druge strane, nestabilne jezgre prolaze kroz razne transformacije.

Eksperimentalna mjerenja masa atomskih jezgara, izvedena s velikom tačnošću, pokazuju da je masa jezgre uvijek manja od zbira masa njegovih sastavnih nukleona.

Energija vezanja je energija koja se mora potrošiti da bi se jezgra podijelila na sastavne nukleone.

Pozvana je energija vezanja upućena na maseni broj A prosječna energija vezivanja nukleona u atomskoj jezgri (energija vezanja po nukleonu).

Energija vezivanja je približno konstantna za sve stabilne jezgre i približno je jednaka 8 MeV. Izuzetak je područje lakih jezgara, gdje se prosječna energija vezivanja povećava od nule (A = 1) do 8 MeV za jezgro 12C.

Slično tome, energijom vezivanja po nukleonu, možete uvesti energiju vezanja jezgre u odnosu na ostale njezine sastavne dijelove.

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

Često se umjesto energije vezanja naziva količina defekt mase i jednaka razlici između masa i masenog broja atomske jezgre.

Gama zračenje

Gama zračenje je kratkotalasno elektromagnetsko zračenje. Na skali elektromagnetskih talasa graniči se sa tvrdim X-zracima, zauzimajući područje viših frekvencija. Gama zračenje ima izuzetno malu talasnu dužinu (λhν (ν je frekvencija zračenja, h je Planckova konstanta).

Gama zračenje se javlja tokom raspada radioaktivnih jezgara, elementarnih čestica, tokom uništavanja parova čestica-antičestica, kao i tokom prolaska brzo nabijenih čestica kroz materiju.

Gama zračenje praćeno raspadom radioaktivnih jezgara emituje se tokom prelaska jezgre iz pobuđenog energetskog stanja u manje pobuđeno ili osnovno stanje. Energija γ-kvanta jednaka je razlici u energijama Δε ρ stanja između kojih se događa prijelaz.

Uzbuđeno stanje

Osnovno stanje jezgre E1

Emisija γ-kvanta jezgrom ne podrazumijeva promjenu atomskog broja ili masenog broja, za razliku od drugih vrsta radioaktivnih transformacija. Širina linije gama zraka je izuzetno mala (~ 10 -2 eV). Budući da je udaljenost između nivoa višestruko veća od širine linije, spektar gama zraka je linearan, tj. sastoji se od niza diskretnih linija. Proučavanje spektra gama zračenja omogućava utvrđivanje energija pobuđenih stanja jezgara. Gama kvanti sa visokim energijama emituju se tokom raspada nekih elementarnih čestica. Dakle, tokom raspada π 0 - mezona, pojavljuje se gama zračenje sa energijom od ~ 70 MeV. Gama zračenje raspadanjem elementarnih čestica takođe formira linijski spektar. Međutim, raspadajuće se elementarne čestice često kreću brzinama uporedivim sa brzinom svjetlosti. Kao rezultat, dolazi do proširenja Doplerovih linija i ispada da je spektar gama zraka zamagljen u širokom rasponu energije. Gama zračenje, nastalo tokom prolaska brzo nabijenih čestica kroz supstancu, uzrokovano je njihovim usporavanjem u Kulonovo polje atomskih jezgara supstance. Bremsstrahlung gama zračenje, kao i bremsstrahlung rendgensko zračenje, karakterizira kontinuirani spektar čija se gornja granica podudara s energijom napunjene čestice, na primjer elektrona. U akceleratorima naelektrisanih čestica dobija se gensko zračenje sa maksimalnom energijom do nekoliko desetina GeV.

U međuzvjezdanom prostoru gama zračenje može nastati kao rezultat sudara kvanta mekšeg dugovalnog elektromagnetskog zračenja, na primjer svjetlosti, sa elektronima ubrzanim magnetnim poljima svemirskih objekata. U ovom slučaju, brzi elektron prenosi svoju energiju na elektromagnetno zračenje, a vidljiva svjetlost pretvara se u tvrđe gama zračenje.

Sličan fenomen može se dogoditi u zemaljskim uvjetima kada se visokoenergijski elektroni proizvedeni u akceleratorima sudare sa fotonima vidljive svjetlosti u intenzivnim svjetlosnim snopovima koje generišu laseri. Elektron prenosi energiju na svjetlosni foton, koji se pretvara u γ-kvant. Stoga je u praksi moguće pretvoriti pojedinačne fotone svjetlosti u kvante visokoenergetskih gama zraka.

Gama zračenje ima veliku prodornu snagu, tj. mogu prodrijeti u velike slojeve materije bez primjetnog slabljenja. Glavni procesi koji se javljaju tijekom interakcije gama zračenja s materijom su fotoelektrična apsorpcija (fotoelektrični efekt), Comptonovo rasipanje (Comptonov efekt) i stvaranje elektronsko-pozitronskih parova. Tokom fotoefekta, γ-kvant apsorbuje jedan od elektrona atoma, a energija γ-kvanta se pretvara (umanjena za energiju vezivanja elektrona u atomu) u kinetičku energiju elektrona koji izlazi iz atom. Vjerovatnoća fotoelektričnog efekta izravno je proporcionalna petoj snazi ​​atomskog broja elementa i obrnuto proporcionalna trećoj snazi ​​energije gama zračenja. Dakle, fotoelektrični efekt prevladava u području niske energije γ-kvanta (£ 100 keV) na teške elemente (Pb, U).

U Comptonovom efektu, γ kvant se raspršuje jednim od elektrona slabo vezanih u atomu. Za razliku od fotoelektričnog efekta, u Comptonovom efektu, γ-kvant ne nestaje, već samo mijenja energiju (talasnu dužinu) i smjer širenja. Uski snop gama zraka kao rezultat Comptonovog efekta postaje širi, a samo zračenje postaje mekše (duže valne dužine). Intenzitet Comptonovog rasipanja proporcionalan je broju elektrona u 1 cm 3 supstance, pa je stoga vjerovatnoća ovog procesa proporcionalna atomskom broju supstance. Comptonov efekt postaje primjetan u supstancama s malim atomskim brojem i pri energijama gama zračenja koje premašuju energiju vezivanja elektrona u atomima. Dakle, u slučaju Pb, vjerovatnoća Comptonovog rasipanja usporediva je s vjerovatnoćom fotoelektrične apsorpcije pri energiji ~ 0,5 MeV. U slučaju Al, Comptonov efekt dominira pri mnogo nižim energijama.

Ako energija γ-kvanta prelazi 1,02 MeV, proces formiranja elektronsko-pozitronskih parova u električnom polju jezgara postaje moguć. Vjerovatnoća nastanka para proporcionalna je kvadratu atomskog broja i raste s porastom hν. Stoga je pri hν ~ 10 MeV glavni proces u bilo kojoj supstanci stvaranje parova.

0,1 0,5 1 2 5 10 50

Energija gama zraka (MeV)

Obrnuti proces uništavanja elektronsko-pozitronskog para izvor je gama zračenja.

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

Ovdje je μ 0 koeficijent linearne apsorpcije gama zračenja. Ponekad se uvede koeficijent apsorpcije mase, koji je jednak omjeru μ 0 i gustini apsorbera.

Eksponencijalni zakon slabljenja gama zračenja vrijedi za uski smjer snopa gama zraka, kada bilo koji proces, i apsorpcija i rasipanje, uklanja gama zračenje iz sastava primarnog snopa. Međutim, pri visokim energijama proces prolaska gama zračenja kroz materiju postaje mnogo složeniji. Sekundarni elektroni i pozitroni su visokoenergetski i zbog toga mogu stvarati gama zračenje kroz procese usporavanja i uništavanja. Tako se u materiji pojavljuje niz naizmjeničnih generacija sekundarnog gama zračenja, elektrona i pozitrona, odnosno razvija se kaskadni tuš. Broj sekundarnih čestica kod takvog tuširanja prvo se povećava s debljinom, dostižući maksimum. Međutim, tada apsorpcijski procesi počinju prevladavati umnožavanjem čestica, a tuš izumire. Sposobnost gama zračenja da razvija pljuskove ovisi o omjeru njegove energije i takozvane kritične energije, nakon čega tuširanje u određenoj supstanci praktično gubi sposobnost razvoja.

Za promjenu energije gama zračenja u eksperimentalnoj fizici koriste se različiti tipovi gama spektrometara koji se uglavnom temelje na mjerenju energije sekundarnih elektrona. Glavni tipovi spektrometara gama zračenja: magnetni, scintilacijski, poluvodički, difrakcija kristala.

Proučavanje spektra nuklearnih gama zraka daje važne informacije o strukturi jezgara. Uočavanje efekata povezanih sa uticajem spoljne okoline na svojstva nuklearnog gama zračenja koristi se za proučavanje svojstava čvrstih supstanci.

Gama zračenje se koristi u tehnologiji, na primjer, za otkrivanje nedostataka u metalnim dijelovima - otkrivanje gama nedostataka. U hemiji zračenja gama zračenje se koristi za iniciranje hemijskih transformacija, poput procesa polimerizacije. Gama zračenje se koristi u prehrambenoj industriji za sterilizaciju hrane. Glavni izvori gama zračenja su prirodni i umjetni radioaktivni izotopi, kao i elektronski akceleratori.

Učinak gama zračenja na tijelo sličan je efektu ostalih vrsta jonizujućeg zračenja. Gama zračenje može prouzrokovati oštećenje tijela zračenjem, sve do njegove smrti. Priroda utjecaja gama zračenja ovisi o energiji γ-kvanta i prostornim karakteristikama zračenja, na primjer, vanjskom ili unutarnjem. Relativna biološka efikasnost gama zračenja je 0,7-0,9. U industrijskim uslovima (hronična izloženost u malim dozama), relativna biološka efikasnost gama zračenja uzima se jednaka 1. Gama zračenje se koristi u medicini za lečenje tumora, za sterilizaciju prostorija, opreme i lekova. Gama zračenje se takođe koristi za dobivanje mutacija uz naknadni odabir ekonomski korisnih oblika. Tako nastaju visokoproduktivne sorte mikroorganizama (na primjer, za proizvodnju antibiotika) i biljaka.

Savremene mogućnosti radioterapije proširile su se prvenstveno zahvaljujući sredstvima i metodama daljinske gama-terapije. Uspjesi daljinske gama-terapije postignuti su kao rezultat opsežnog rada u upotrebi moćnih umjetnih radioaktivnih izvora gama zračenja (kobalt-60, cezijum-137), kao i novih gama lijekova.

Veliki značaj daljinske gama-terapije objašnjava se i uporednom dostupnošću i upotrebljivošću gama uređaja. Potonji, kao i rendgenski, dizajnirani su za statičko i mobilno zračenje. Uz pomoć mobilnog zračenja pokušavaju stvoriti veliku dozu u tumoru raspršenim zračenjem zdravih tkiva. Izvršena su konstruktivna poboljšanja gama uređaja, čiji je cilj smanjenje penumbre, poboljšanje homogenizacije polja, upotreba žaluzinskih filtera i traženje dodatnih mogućnosti zaštite.

Upotreba nuklearnog zračenja u biljnoj proizvodnji otvorila je nove, široke mogućnosti za promjenu metabolizma poljoprivrednih biljaka, povećanje njihove produktivnosti, ubrzavanje razvoja i poboljšanje kvaliteta.

Kao rezultat prvih studija radiobiologa utvrđeno je da je jonizujuće zračenje moćan faktor koji utječe na rast, razvoj i metabolizam živih organizama. Pod utjecajem gama zračenja biljaka, životinja ili mikroorganizama, mijenja se skladni metabolizam, tok fizioloških procesa ubrzava ili usporava (ovisno o dozi), uočavaju se pomaci u rastu, razvoju i stvaranju prinosa.

Posebno treba napomenuti da tokom gama zračenja radioaktivne supstance ne ulaze u sjeme. Ozračeno sjeme, poput usjeva uzgojenih iz njih, nije radioaktivno. Optimalne doze ozračivanja samo ubrzavaju normalne procese koji se događaju u biljci, pa su stoga svi strahovi i upozorenja protiv upotrebe usjeva dobijenih od sjemena koje je podvrgnuto predsetvenom ozračivanju potpuno neutemeljeni.

Jonizujuće zračenje počelo se koristiti za povećanje roka trajanja poljoprivrednih proizvoda i uništavanje raznih štetočina od insekata. Na primjer, ako se zrno, prije utovara u lift, prođe kroz bunker u kojem je instaliran snažan izvor zračenja, tada će se isključiti mogućnost razmnožavanja štetočina insekata i žito se može dugo skladištiti bez ikakvog gubici. Sama zrna kao hranjivi proizvod se ne mijenjaju pod takvim dozama zračenja. Njegova upotreba za hranu za četiri generacije pokusnih životinja nije uzrokovala nikakva odstupanja u rastu, sposobnost reprodukcije ili druga patološka odstupanja od norme.

Nuklearni reaktor.

Izvor energije reaktora je proces cijepanja teških jezgara. Podsjetimo da su jezgre sastavljene od nukleona, odnosno protona i neutrona. U ovom slučaju, broj protona Z određuje naboj jezgre Ze: jednak je broju elemenata iz periodnog sistema, a atomska težina jezgra A - ukupnom broju protona i neutrona. Jezgra koja imaju jednak broj protona, ali različit broj neutrona različiti su izotopi istog elementa i označavaju se simbolom elementa sa atomskom težinom u gornjem lijevom uglu. Na primjer, postoje sljedeći izotopi urana: 238 U, 235 U, 233 U, ...

Masa jezgra M nije samo jednaka zbroju masa njegovih sastavnih protona i neutrona, već je manja od njega za vrijednost M, koja određuje energiju vezivanja

(u skladu s relacijom) M = Zm p + (A-Z) m n - (A) A, gdje je (A) c energija vezivanja po nukleonu. Vrijednost (A) ovisi o detaljima strukture odgovarajuće jezgre ... Međutim, postoji općenita tendencija njegove ovisnosti o atomskoj težini. Naime, zanemarujući sitne detalje, ovu je ovisnost moguće opisati glatkom krivuljom koja se povećava na malim. A, dostižući maksimum u sredini periodnog sistema i smanjujući se nakon maksimuma do velikih vrijednosti A. Zamislite da se teška jezgra sa atomskom težinom A i masom M podijelila u dvije jezgre A 1 i A 2 s masama M 1 i M 2, odnosno A 1 + A 2 jednak je A ili nešto manji od njega, jer se tokom procesa fisije može emitovati nekoliko neutrona. Da bismo bili jasniji, uzmimo slučaj A 1 + A 2 = A. Razmotrimo vrijednost razlike između mase početnog jezgra i dva završna jezgra, a mi ćemo pretpostaviti da je A 1 = A 2, tako da (A 1 ) = (A 2), M = M-M 1 -M 2 = - (A) A + (A 1) (A 1 + A 2) = A ((A 1) - (A 1)). Ako A odgovara teškoj jezgri na kraju Periodnog sustava, tada je A1 u sredini i ima maksimalnu vrijednost (A 2). To znači da je M> 0 i, prema tome, u procesu cijepanja dolazi do oslobađanja energije E d = Ms 2. Za teške jezgre, na primjer za jezgre urana, ((A1) - (A)) sa 2 = 1 MeV. Dakle, pri A = 200 imamo procjenu E d = 200 MeV. Podsjetimo da je elektron-volt (eV) van sistemske jedinice energije jednak energiji stečenoj elementarnim nabojem pod dejstvom razlike potencijala od 1V (1eV = 1,6 * 10 -19 J). Na primjer, prosječna energija oslobođena tijekom fisije od 235 U

Ed = 180 MeV = 180 10 6 eV.

Dakle, teška jezgra su potencijalni izvori energije. Međutim, do spontane fisije jezgara dolazi izuzetno rijetko i praktično nije važno. Ako neutron uđe u tešku jezgru, tada se proces fisije može naglo ubrzati. Ova pojava se javlja različitim brzinama za različite jezgre i mjeri se efektivnim presjekom procesa. Prisjetimo se kako se određuju djelotvorni presjeci i kako su oni povezani s vjerovatnoćama određenih procesa. Zamislite snop čestica (na primjer neutrona) koji pada na metu koja se sastoji od određenih predmeta, recimo jezgara. Neka je N 0 - broj neutrona u zraci, n-gustina jezgara po jedinici zapremine (1 cm 3). Neka nas zanimaju događaji određene vrste, na primjer, fisija ciljnih jezgara. Tada će se broj takvih događaja N odrediti formulom N = N 0 nl eff, gdje je l ciljna dužina, a eff se naziva presjekom fisionog procesa (ili bilo kojeg drugog procesa) sa zadanom energijom E koja odgovara energija upadnih neutrona. Kao što se može vidjeti iz prethodne formule, efektivni presjek ima dimenziju površine (cm 2). Ima sasvim razumljivo geometrijsko značenje: to je platforma, prilikom ulaska u koju se odvija proces koji nas zanima. Očito je da je, ako je presjek velik, proces intenzivan, a mali presjek odgovara maloj vjerovatnoći da uđe u ovo područje, stoga se u ovom slučaju proces rijetko događa.

Dakle, neka za neku jezgru imamo dovoljno velik efektivan presjek procesa cijepanja, u ovom slučaju, tijekom cijepanja, zajedno s dva velika fragmenta A1 i A2, može se emitirati nekoliko neutrona. Prosječni broj dodatnih neutrona naziva se faktor množenja i označava se simbolom k. Tada se reakcija odvija prema shemi

n + A A 1 + A 2 + kn.

Neutroni rođeni u ovom procesu zauzvrat reagiraju sa jezgrima A, što daje nove reakcije cijepanja i novi, još veći broj neutrona. Ako je k> 1, takav se lančani proces javlja sve većim intenzitetom i dovodi do eksplozije oslobađanjem ogromne količine energije. Ali ovaj proces se može kontrolirati. Neće svi neutroni nužno ući u jezgru A: oni mogu pobjeći kroz vanjsku granicu reaktora, mogu se apsorbirati u supstancama koje se posebno uvode u reaktor. Dakle, vrijednost k može se svesti na neki k eff, koji je jednak 1 i samo ga malo premašuje. Tada je moguće imati vremena za preusmjeravanje generirane energije i rad reaktora postaje stabilan. Ipak, u ovom slučaju reaktor radi u kritičnom režimu. Problemi odvodnje energije doveli bi do eskalacije lančane reakcije i katastrofe. U svemu operativni sistemi pružaju se sigurnosne mjere, međutim, nezgode, sa vrlo malom vjerovatnoćom, mogu se dogoditi i, na žalost, dogoditi se.

Kako se bira radna supstanca za nuklearni reaktor? Neophodno je da u gorivim ćelijama budu prisutna jezgra izotopa sa velikim efektivnim presjekom fisije. Jedinica presjeka 1 staja = 10 -24 cm 2. Vidimo dvije skupine vrijednosti presjeka: (233 U, 235 U, 239 Pu) i male (232 Th, 238 U). Da bismo zamislili razliku, izračunajmo dokle neutron mora preći da bi se dogodio fisioni događaj. Koristit ćemo formulu N = N 0 nl eff. Za N = N 0 = 1 imamo Ovdje je n gustina jezgara, gdje je p uobičajena gustina, a m = 1,66 * 10 -24 g je jedinica atomske mase. Za uran i torijum, 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 cijepanja treba koristiti izotope poput 233 U, 235 U, 239 Pu. Izotop 235 U u maloj količini sadržan je u prirodnom uranijumu koji se uglavnom sastoji od 238 U, stoga se uran obogaćen izotopom 235 U obično koristi kao nuklearno gorivo. Istovremeno, značajna količina drugog fisionog izotopa nastaje tijekom rada reaktora, 239 Pu. Plutonij nastaje lancem reakcija

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

gdje je emisija fotona, a raspad prema shemi

Ovdje Z određuje naboj jezgre, tako da dolazi do raspada do sljedećeg elementa periodnog sustava s istim antineutrinom A, e-elektrona i v-elektrona. Također treba napomenuti da su izotopi A 1, A2 2 nastali u procesu cijepanja, u pravilu, radioaktivni s poluživotom od godine do stotine hiljada godina, tako da otpad nuklearnih elektrana, koji je izgoreno gorivo, vrlo je opasno i zahtijeva posebne mjere skladištenja. Ovo postavlja problem geološkog skladištenja, koje bi trebalo da osigura pouzdanost milionima godina unaprijed. Uprkos očiglednim prednostima nuklearne energije zasnovane na kritičnom radu nuklearnih reaktora, ona takođe ima ozbiljne nedostatke. To je, prvo, rizik od nesreća sličnih Černobilu, i, drugo, problem radioaktivnog otpada. Prijedlogom upotrebe subkritičnih reaktora za nuklearnu energiju u potpunosti se rješava prvi problem u velikoj mjeri olakšava rješenje drugog.

Subkritični nuklearni reaktor kao pojačivač energije.

Zamislite da smo sastavili atomski reaktor sa efektivnim faktorom množenja neutrona keff nešto manjim od jedinice. Zračimo ovaj uređaj stalnim vanjskim fluksom neutrona N 0. Tada će svaki neutron (minus oni koji se emitiraju vani i apsorbirani, što se uzima u obzir u kefu) uzrokovati fisiju, što će dati dodatni tok N 0 k 2 eff. Svaki neutron iz ovog broja ponovo će proizvesti u prosjeku k eff neutrona, što će dati dodatni tok N 0 k eff, itd. Dakle, ispada da je ukupan tok neutrona koji proizvodi procese fisije jednak

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

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

Tada se oslobađanje energije u jedinici vremena (snage) određuje oslobađanjem energije u procesu fisije,

kuda<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. Pogodno je prikazati neutronski tok kroz struju akceleratora

gdje je e naboj protona, jednak elementarnom električnom naboju. Kada energiju izražavamo u elektron-voltima, to znači da uzimamo prikaz E = eV, gdje je V potencijal koji odgovara toj energiji i sadrži onoliko volti koliko elektronskih volta sadrži energija. To znači da, uzimajući u obzir prethodnu formulu, možemo prepisati formulu oslobađanja energije kao

Konačno, prikladno je predstaviti snagu instalacije u obliku

gdje je V potencijal koji odgovara energiji akceleratora, tako da je VI prema dobro poznatoj formuli snaga snopa akceleratora: P 0 = VI, a R 0 u prethodnoj formuli koeficijent za k eff = 0,98, što pruža pouzdanu granicu podkritičnosti. Sve ostale količine su poznate, a za energiju protonskog akceleratora od 1 GeV imamo ... 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. Da biste dobili stvarni koeficijent, morate pomnožiti prethodnu formulu sa efikasnošću akceleratora r y i efikasnošću termoelektrane r e. Tada je R = r y r e R 0. Učinkovitost ubrzanja može biti prilično visoka, na primjer, u stvarnom projektu jakog strujnog ciklotrona od 1 GeV r y = 0,43. Efikasnost proizvodnje električne energije može biti i do 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 da bi se održao rad akceleratora. U ovom slučaju, reaktor radi samo kad je akcelerator uključen i ne postoji opasnost od nekontrolirane lančane reakcije.

Princip izgradnje nuklearne energije.

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

su složeni kompleksi interakcije

vrtložni atomi. Molekule su najmanje čestice

supstance koje čuvaju njegova svojstva. Sastav molekula

uključeni su atomi različitih hemijskih elemenata.

Hemijski elementi sastoje se od atoma iste vrste.

Atom, najmanja čestica hemijskog elementa, sadrži

dolazi iz "teške" jezgre i

Jezgre atoma čine skup pozitivnih

nabijeni protoni i neutralni neutroni.

Ove čestice, nazvane nukleoni, se zadržavaju

u jezgrima kratkotrajnim silama privlačenja,

koji nastaju uslijed razmjene mezona,

čestice manje mase.

Jezgra elementa X označena je sa ili X-A, na primjer uran U-235 -,

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

ukupan broj protona i neutrona.

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

ima dva izotopa U-235 i U-238); zrna na N = const, z = var su izobare.

Vodonične jezgre, protoni, kao i neutroni, elektroni (beta čestice) i pojedinačne jezgre helija (nazvane alfa čestice) mogu autonomno postojati izvan nuklearnih struktura. Takve jezgre, ili na neki drugi način elementarne čestice, krećući se u svemiru i približavajući se jezgrima na udaljenostima reda poprečnih dimenzija jezgara, mogu komunicirati sa jezgrima, kako kažu da učestvuju u reakciji. U tom slučaju, jezgre mogu zauzeti čestice ili nakon sudara mogu promijeniti smjer kretanja, dajući jezgri dio kinetičke energije. Takvi činovi interakcije nazivaju se nuklearne reakcije. Reakcija bez prodora u jezgru naziva se elastično rasipanje.

Nakon hvatanja čestice, složena jezgra je u pobuđenom stanju. Jezgra se može "osloboditi" pobude na nekoliko načina - emitiranjem neke druge čestice i gama kvanta ili dijeljenjem na dva nejednaka dijela. Prema konačnim rezultatima razlikuju se reakcije - hvatanje, neelastično rasipanje, fisija, nuklearna transformacija emisijom protona ili alfa čestice.

Dodatna energija koja se oslobađa tokom nuklearnih transformacija često ima oblik fluksa gama kvanta.

Vjerojatnost reakcije karakterizira vrijednost "presjeka" određene vrste reakcije.

Do fisije teških jezgara dolazi nakon hvatanja

neutroni. Istovremeno se emituju nove čestice

i energija vezanja jezgre, prenesena

fragmenti fisije. Ovo je temeljni fenomen

otkrili su krajem 30-ih njemački naučnici

Hahn i Strassmann, koji su postavili temelje za

za praktičnu upotrebu nuklearne energije.

Jezgra teških elemenata - uran, plutonij i neki drugi - intenzivno apsorbuju toplotne neutrone. Nakon čina hvatanja neutrona, teška jezgra s vjerovatnoćom od ~ 0,8 podijeljena je na dva dijela nejednake mase, koji se nazivaju fragmenti ili produkti cijepanja. U tom se slučaju emitiraju brzi neutroni / (u prosjeku oko 2,5 neutrona za svaki akt fisije), negativno nabijene beta čestice i neutralne gama kvante, a energija vezivanja čestica u jezgri pretvara se u kinetičku energiju fisionih fragmenata, neutrona i ostale čestice. Tada se ta energija troši na toplotnu pobudu atoma i molekula koji čine supstancu, tj. za zagrijavanje okolne supstance.

Nakon akta nuklearne fisije, fragmenti jezgara rođeni tokom fisije, budući da su nestabilni, podvrgavaju se nizu uzastopnih radioaktivnih transformacija i, s određenim kašnjenjem, emitiraju "odgođene" neutrone, veliki broj alfa, beta i gama čestica. S druge strane, neki fragmenti imaju sposobnost intenzivne apsorpcije neutrona.

Nuklearni reaktor je tehnička instalacija u kojoj se provodi samoodrživa lančana reakcija cijepanja teških jezgara oslobađanjem nuklearne energije. Nuklearni reaktor sastoji se od jezgre i reflektora smještenih u zaštitno kućište, koje sadrži nuklearno gorivo u obliku sastava goriva u zaštitnom sloju i moderatora. Gorivne ćelije su obično u obliku tankih štapića. Sakupljaju se u snopove i zatvaraju u vrećice. Ovi montažni dijelovi nazivaju se sklopovi ili kasete.

Rashladno sredstvo se kreće duž gorivnih ćelija, koje opažaju toplotu nuklearnih transformacija. Rashladno sredstvo zagrijano u jezgri kreće se duž cirkulacijske petlje uslijed rada pumpi ili pod djelovanjem Arhimedovih sila i prolazeći kroz izmjenjivač toplote ili generator pare, odaje toplinu rashladnom sredstvu vanjskog kruga.

Prijenos toplote i kretanje njenih nosača mogu se predstaviti u obliku jednostavnog dijagrama:

1.Reaktor

2. Izmjenjivač toplote, generator pare

3.Postrojenje parne turbine

4.Generator

5.Kondenzator

Razvoj industrijskog društva zasnovan je na neprekidno rastućem nivou proizvodnje i potrošnje

različite vrste energije.

Kao što znate, proizvodnja toplotne i električne energije temelji se na sagorijevanju fosilnih goriva.

energetski izvori -

• ulje

a u nuklearnoj energiji - fisija jezgara atoma urana i plutonijuma apsorpcijom neutrona.

Opseg vađenja i potrošnje fosilnih energetskih resursa, metala, potrošnje vode, vazduha za proizvodnju količine energije potrebne za čovječanstvo je ogroman, a rezerve resursa su, nažalost, ograničene. Problem naglog iscrpljivanja organskih prirodnih izvora energije posebno je akutan.

1 kg prirodnog urana zamjenjuje 20 tona uglja.

Svjetske rezerve energetskih resursa procjenjuju se na 355 Q, gdje je Q jedinica toplotne energije, jednaka Q = 2,52 * 1017 kcal = 36 * 109 tona standardnog goriva / t.u. t /, tj. gorivo sa kaloričnom vrijednošću od 7000 kcal / kg, tako da rezerve energije iznose 12,8 * 1012 tce.

Od ovog iznosa, otprilike 1/3 tj. ~ 4,3 * 1012 t.f. mogu se ekstrahirati pomoću moderne tehnologije uz razumne troškove proizvodnje goriva. S druge strane, trenutna potražnja za energijom iznosi 1,1 * 1010 toe / godišnje i raste stopom od 3-4% godišnje, tj. udvostručavanje svakih 20 godina.

Lako je procijeniti da će organski fosilni izvori, čak i uz vjerovatno usporavanje rasta potrošnje energije, biti u velikoj mjeri potrošeni u narednom stoljeću.

Usput, treba napomenuti da sagorijevanjem fosilnog uglja i nafte sa sadržajem sumpora od oko 2,5% generira se do 400 miliona tona godišnje. sumpor-dioksid i azotni oksidi, tj. oko 70 kg. štetne materije za svakog stanovnika zemlje godišnje.

Korištenjem energije atomske jezgre, razvojem atomske energije uklanja se akutnost ovog problema.

Zapravo, otkriće fisije teških jezgara hvatanjem neutrona, što je naše stoljeće učinilo atomskim, dodalo je značajno blago nuklearnog goriva u rezerve energetskih fosilnih goriva. Rezerve urana u zemljinoj kori procjenjuju se na ogromnih 1014 tona. Međutim, glavnina ovog bogatstva je u raspršenom stanju - u granitima, bazaltima. U vodama svjetskih okeana količina urana doseže 4 * 109 tona. Međutim, relativno se malo zna o bogatim nalazištima urana gdje bi rudarstvo bilo jeftino. Stoga se masa resursa urana koji se mogu iskopati modernom tehnologijom i po prihvatljivim cijenama procjenjuje na 108 tona. Godišnja potražnja za uranijumom je, prema modernim procjenama, 104 tone prirodnog uranijuma. Dakle, ove rezerve omogućavaju, kako je rekao akademik A.P. Aleksandrov, "uklanjanje Damoklovog mača nedostatka goriva praktično na neograničeno vrijeme."

Drugi važan problem modernog industrijskog društva je osigurati očuvanje prirode, čistoće vode i zraka.

Poznata zabrinutost naučnika zbog "efekta staklene bašte" koji proizlazi iz emisije ugljen-dioksida izgaranjem fosilnih goriva i odgovarajućeg globalnog zagrijavanja na našoj planeti. A problemi zagađenja plinom u zračnom bazenu, "kiselih" kiša, trovanja rijeka u mnogim područjima približili su se kritičnoj liniji.

Nuklearna energija ne troši kiseonik i ima zanemarljive emisije tokom normalnog rada. Ako nuklearna energija zamijeni konvencionalnu energiju, tada će se eliminirati mogućnost "staklenika" s ozbiljnim posljedicama globalnog zagrijavanja na okoliš.

Izuzetno važna okolnost je činjenica da je nuklearna energija dokazala svoju ekonomsku efikasnost u gotovo svim regijama svijeta. Uz to, čak i uz velike razmjere proizvodnje energije u nuklearnim elektranama, nuklearna energija neće stvarati posebne transportne probleme, jer zahtijeva zanemarive troškove prijevoza, što društvo oslobađa tereta neprestanog transporta ogromnih količina fosilnih goriva.

Nuklearni reaktori podijeljeni su u nekoliko grupa:

ovisno o prosječnoj energiji neutronskog spektra - na brzu, srednju i toplotnu;

prema karakteristikama dizajna jezgre - u trup i kanal;

prema vrsti nosača toplote - voda, teška voda, natrijum;

po tipu moderatora - za vodu, grafit, tešku vodu itd.

U energetske svrhe za proizvodnju električne energije koriste se:

reaktori voda-voda sa nekipućom ili kipućom vodom pod pritiskom,

urano-grafitni reaktori sa kipućom vodom ili hlađeni ugljen-dioksidom,

reaktori za kanale teške vode itd.

U budućnosti će se široko upotrebljavati brzi neutronski reaktori hlađeni tečnim metalima (natrijum itd.); u kojem iz temelja implementiramo način reprodukcije goriva, tj. stvaranje broja fisionih izotopa plutonijuma Pu-239 koji premašuje broj potrošnih izotopa urana U-235. Parametar koji karakterizira uzgajanje goriva naziva se omjer plutonijuma. Pokazuje koliko se djela atoma Pu-239 stvori tokom reakcija hvatanja neutrona u U-238 po jednom atomu U-235, koji je zarobio neutron i podvrgnuo se fisiji ili radijacionoj transformaciji u U-235.

Reaktori pod pritiskom vode su istaknuti u globalnoj floti reaktora snage. Pored 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 rashladna tekućina i neutronski moderator, relativno je jeftina, neagresivna i ima dobra neutronsko-fizička svojstva.

Reaktori pod vodom pod pritiskom nazivaju se i reaktori voda-voda ili lagana voda. Izrađene su u obliku cilindrične posude pod pritiskom sa uklonjivim poklopcem. U ovom se brodu (reaktorskom brodu) nalazi jezgra koja se sastoji od sklopova za gorivo (spremnika za gorivo) i pokretnih elemenata sistema upravljanja i zaštite. Voda kroz mlaznice ulazi u tijelo, dovodi se u prostor ispod jezgre, kreće se vertikalno prema gore duž gorivnih ćelija i izlazi kroz izlazne mlaznice u cirkulacijsku petlju. Toplina nuklearnih reakcija prenosi se u generatorima pare u vodu sekundarnog kruga, pod nižim pritiskom. Kretanje vode duž konture osigurava se radom cirkulacijskih pumpi ili, kao u reaktorima za stanice za opskrbu toplotom, zbog pogonskog pritiska prirodne cirkulacije.

Nuklearna fuzija sutra.

Za sutra je planirano, prije svega, stvaranje sljedeće generacije tokamaka, u kojoj se može postići samoodrživa sinteza. U tu svrhu, eksperimentalni termonuklearni reaktor (OTR) razvija se na IAE I.V.Kurchatov i Istraživačkom institutu za elektrofizičku opremu D.V.Efremov.

U OTP-u je cilj održati samu reakciju na takvom nivou da je omjer korisne energije koja se potroši i potrošene energije (označene sa Q) veći ili barem jednak jednom: Q = 1. Ovo stanje predstavlja ozbiljnu fazu u razvoju svih elemenata sistema na putu ka stvaranju komercijalnog reaktora sa Q = 5. Prema dostupnim procjenama, samo pri ovoj vrijednosti Q postiže se samodostatnost termonuklearnog izvora energije, kada se nadoknade troškovi svih procesa održavanja, uključujući socijalne troškove i troškove domaćinstva. U međuvremenu je na američkom TFTR postignuto Q = 0,2-0,4.

Postoje i drugi problemi. Na primjer, prvi zid - odnosno ljuska toroidne vakuumske komore - je najnapetiji, doslovno trpeći dio cijele strukture. U OTP-u njegova zapremina iznosi oko 300 m 3, a površina oko 400 m 2. Zid mora biti dovoljno jak da podnese atmosferski pritisak i mehaničke sile koje proizlaze iz magnetnog polja i dovoljno tanak da preusmeri toplotne tokove iz plazme u vodu koja cirkulira na spoljnoj strani toroida bez značajnih temperaturnih razlika. Njegova optimalna debljina je 2 mm. Kao materijali odabrani su austenitni čelici ili legure nikla i titana.

Planirano je instalirati Euratom NET (Next Europeus Tor), na mnogo načina sličan OTP-u, ovo je sljedeća generacija tokamaka nakon JET-a i T-15.

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

Oni također govore o sljedećoj generaciji nakon NET-a - ovo je već „pravi“ termonuklearni reaktor, koji se uobičajeno naziva DEMO. Međutim, još nije sve jasno, čak ni sa NET-om, jer postoje planovi za izgradnju nekoliko međunarodnih instalacija.