Unde se folosește energia nucleară? Energia nucleară: esența și utilizarea sa în inginerie și tehnologie. Aplicarea energiei nucleare în industrie

La sfârșitul secolului trecut, oamenii de știință au fost surprinși să descopere că atomii, sau mai degrabă nucleele atomilor, se destramă de la sine, emitând raze și căldură. Ei au numit acest fenomen. Iar când au calculat, au fost și mai surprinși: 1 g de radiu, dacă se descompune complet, poate da căldură atâta cât dau 500 kg de cărbune prin ardere. Dar este imposibil să folosiți această proprietate - atomii se descompun atât de încet încât doar jumătate din căldură este eliberată în 2000 de ani.

E ca un baraj mare. Barajul este închis, iar apa curge într-un mic pârâu care nu este de nici un folos.

Acum, dacă barajul ar fi deschis, dacă oamenii ar învăța cum să distrugă atomii!... Ar primi un ocean nesfârșit de energie. Dar cum să faci asta?

Ei spun că nu trag într-o vrabie dintr-un tun, au nevoie de un mic pellet. Și de unde să obțineți o peltă pentru a despica nucleul unui atom?

Oamenii de știință de pe tot Pământul au lucrat din greu de câteva decenii. În acest timp, au învățat cum funcționează și au găsit o „împușcătură” pentru el. S-a dovedit a fi una dintre particulele care face parte din nucleu - neutronul. Pătrunde cu ușurință în atom și rupe nucleul.

Și apoi s-a dovedit că atomii uraniului metalic, despărțindu-se, emit noi neutroni care distrug atomii învecinați. Dacă luați o bucată de uraniu, în care multe nuclee se vor descompune simultan și vor fi eliberați mulți neutroni noi, procesul de fisiune va crește ca o avalanșă în munți. O bombă atomică va exploda.

Schema dispozitivului unui reactor nuclear. Tijele negre groase sunt absorbante de neutroni. În reactor, apa este încălzită și apoi se încălzește până la fierbere apa din schimbătorul de căldură. Aburul rezultat rotește turbina centralei electrice.

Imaginează-ți că un baraj mare s-a prăbușit. Apa strânsă în spatele tuturor se repezi imediat în jos. Puterea pârâului este mare, dar numai rău de la el, pentru că mătură totul în cale. Așa este și cu atomul: energia colosală a exploziei nu poate decât să distrugă. Și oamenii au nevoie de energie atomică pentru a construi. Acum, dacă atomul și-ar da rezervele în acele porțiuni pe care vrem noi! Nu este nevoie de energie - a închis amortizorul. A fost nevoie - (De cât ai nevoie?) a deschis două sau trei amortizoare: „Ia cât ai cerut!”

Și omul a oprit explozia.

Cine este principalul „lucrător” la „centrala nucleară”? Neutroni. El este cel care sparge nucleele de uraniu. Și dacă scoatem unii dintre muncitori din „fabrică”? Munca va merge mai încet.

Așa funcționează un cazan atomic sau un reactor nuclear. Acesta este un puț mare, cu pereți groși de beton (sunt necesari pentru ca radiațiile dăunătoare oamenilor să nu iasă afară). Fântâna este umplută cu grafit, același material folosit pentru a face mine de creion. Există găuri în umplutura de grafit unde sunt plasate tije de uraniu. Când sunt destui, apare numărul necesar de neutroni „funcționați” și începe o reacție atomică.

Pentru a-l controla, există tije de metal în alte găuri, care captează și absoarbe neutronii. Acestea sunt „clapele” din baraj.

Nu este nevoie de energie sau există pericolul unei explozii, tijele obturatoarelor sunt coborâte instantaneu, neutronii emiși din nucleele de uraniu sunt absorbiți, nu mai funcționează, iar reacția se oprește.

Este necesar ca reacția să înceapă, tijele obturatoarelor sunt ridicate, neutronii „funcționați” apar din nou în reactor, iar temperatura din cazan crește (De câtă energie aveți nevoie? Ia-o!).

Reactoarele nucleare pot fi amplasate pe centrale nucleare, pe submarine nucleare, pe un spărgător de gheață nuclear. Ele, ca și cazanele obișnuite cu abur, transformă în mod ascultător apa în abur, care va roti turbinele. Cinci sute de kilograme de combustibil atomic - conținutul a doar zece valize - sunt suficiente pentru ca spărgătorul de gheață Lenin să plutească pe tot parcursul anului. Vă puteți imagina cât de profitabil este: nu trebuie să cărați cu dvs. sute de tone de combustibil, în schimb puteți lua mai mult încărcătură utilă; nu poți merge în port pentru realimentare un an întreg, mai ales că în Nord acest lucru nu este întotdeauna ușor de făcut. Da, iar mașinile pot fi puse mai puternice...

În reactoarele nucleare existente, energia se obține prin distrugerea nucleelor ​​formate din un numar mare particule (în nucleele de uraniu, de exemplu, există mai mult de două sute). Și deși există încă o mulțime de astfel de combustibil pe Pământ, dar într-o zi se va epuiza... Există o modalitate de a obține energie nucleară din alte substanțe? Și oamenii de știință au descoperit!

S-a dovedit că atomii, în nucleul cărora sunt doar două particule: un proton și unul neutron, pot servi și ca sursă de energie. Dar nu o dau atunci când se divid, ci când se combină sau, după cum se spune, în timpul sintezei, doi nuclei.

Pentru aceasta, atomii de hidrogen trebuie încălziți la multe milioane de grade. La această temperatură, nucleele lor încep să se miște cu viteză mare și, după ce s-au accelerat, pot depăși forte electrice repulsiile care există între ele. Când se apropie suficient, forțele nucleare de atracție încep să acționeze și nucleele fuzionează. Este eliberată de mii de ori mai multă căldură decât în ​​timpul fisiunii nucleare.

Această metodă de obținere a energiei se numește reacție termonucleară. Aceste reacții fac furie atât în ​​adâncurile stelelor îndepărtate, cât și în Soarele din apropiere, care ne oferă lumină și căldură. Dar pe Pământ, ei s-au manifestat până acum sub forma unei explozii devastatoare a unei bombe cu hidrogen.

Acum oamenii de știință lucrează pentru ca nucleele de hidrogen să se combine treptat. Și când vom învăța să controlăm reacțiile termonucleare, vom putea profita de rezervele nelimitate de energie conținute în apă, care constă din hidrogen și ale cărei rezerve sunt inepuizabile.

aplicație omniprezentă energie nucleară a început datorită progresului științific și tehnologic, nu numai în domeniul militar, ci și în scopuri pașnice. Astăzi este imposibil să faci fără ea în industrie, energie și medicină.

Cu toate acestea, utilizarea energiei nucleare are nu numai avantaje, ci și dezavantaje. În primul rând, este pericolul radiațiilor, atât pentru oameni, cât și pentru mediu.

Utilizarea energiei nucleare se dezvoltă în două direcții: utilizarea în energie și utilizarea izotopilor radioactivi.

Inițial, energia atomică trebuia să fie folosită doar în scopuri militare, iar toate evoluțiile au mers în această direcție.

Utilizarea energiei nucleare în sfera militară

Un număr mare de materiale foarte active sunt folosite pentru a produce arme nucleare. Experții estimează că focoasele nucleare conțin câteva tone de plutoniu.

Se face referire la armele nucleare deoarece provoacă distrugeri pe teritorii vaste.

În funcție de raza de acțiune și puterea încărcăturii, armele nucleare sunt împărțite în:

• Tactic.
• Operațional-tactic.
• Strategic.

Armele nucleare sunt împărțite în atomice și hidrogen. Armele nucleare se bazează pe reacții în lanț necontrolate de fisiune a nucleelor ​​grele și reacții.Pentru o reacție în lanț se folosește uraniu sau plutoniu.

Stocarea atât de multe materiale periculoase Aceasta este o mare amenințare pentru umanitate. Și utilizarea energiei nucleare în scopuri militare poate duce la consecințe îngrozitoare.

Pentru prima dată, armele nucleare au fost folosite în 1945 pentru a ataca orașele japoneze Hiroshima și Nagasaki. Consecințele acestui atac au fost catastrofale. După cum știți, aceasta a fost prima și ultima utilizare a energiei nucleare în război.

Agenția Internațională pentru Energie Atomică (AIEA)

AIEA a fost înființată în 1957 cu scopul de a dezvolta cooperarea între țări în domeniul utilizării energiei atomice în scopuri pașnice. Încă de la început, agenția a implementat programul „Securitate nucleară și protecția mediului”.

Dar cea mai importantă funcție este controlul asupra activităților țărilor din sfera nucleară. Organizația controlează ca dezvoltarea și utilizarea energiei nucleare să aibă loc numai în scopuri pașnice.

Scopul acestui program este de a asigura utilizarea în siguranță a energiei nucleare, protecția omului și a mediului de efectele radiațiilor. Agenția a studiat și consecințele accidentului de la centrala nucleară de la Cernobîl.

De asemenea, agenția sprijină studiul, dezvoltarea și utilizarea energiei nucleare în scopuri pașnice și acționează ca intermediar în schimbul de servicii și materiale între membrii agenției.

Împreună cu ONU, AIEA definește și stabilește standarde de siguranță și sănătate.

Energie nucleara

În a doua jumătate a anilor patruzeci ai secolului XX, oamenii de știință sovietici au început să dezvolte primele proiecte pentru utilizarea pașnică a atomului. Direcția principală a acestor dezvoltări a fost industria energiei electrice.

Și în 1954, a fost construită o stație în URSS. După acest program de creștere rapidă energie nucleară a început să fie dezvoltat în SUA, Marea Britanie, Germania și Franța. Dar cele mai multe dintre ele nu au fost îndeplinite. După cum sa dovedit, centrala nucleară nu a putut concura cu stațiile care funcționează cu cărbune, gaz și păcură.

Dar după declanșarea crizei energetice globale și creșterea prețului petrolului, cererea de energie nucleară a crescut. În anii 70 ai secolului trecut, experții credeau că capacitatea tuturor centralelor nucleare ar putea înlocui jumătate din centralele electrice.

La mijlocul anilor '80, creșterea energiei nucleare a încetinit din nou, țările au început să revizuiască planurile pentru construirea de noi centrale nucleare. Acest lucru a fost facilitat atât de politica de economisire a energiei, cât și de scăderea prețului petrolului, precum și de dezastrul de la centrala de la Cernobîl, care a avut Consecințe negative nu numai pentru Ucraina.

După ce unele țări au oprit în general construcția și funcționarea centrale nucleare.

Energia nucleară pentru călătoriile în spațiu

Peste trei duzini de reactoare nucleare au zburat în spațiu, au fost folosite pentru a genera energie.

Americanii au folosit un reactor nuclear în spațiu pentru prima dată în 1965. Uraniul-235 a fost folosit drept combustibil. A lucrat 43 de zile.

În Uniunea Sovietică, reactorul Romashka a fost lansat la Institutul de Energie Atomică. Trebuia să fie folosit pe nave spațiale împreună cu Dar după toate testele, nu a fost niciodată lansat în spațiu.

Următoarea instalație nucleară Buk a fost folosită pe un satelit de recunoaștere radar. Primul aparat a fost lansat în 1970 din cosmodromul Baikonur.

Astăzi, Roskosmos și Rosatom își propun să proiecteze nava spatiala, care va fi echipat cu un motor de rachetă nucleară și va putea ajunge pe Lună și Marte. Dar, deocamdată, totul este în faza de propunere.

Aplicarea energiei nucleare în industrie

Energia nucleară este folosită pentru a crește sensibilitatea analizelor chimice și pentru a produce amoniac, hidrogen și alte substanțe chimice care sunt folosite pentru a face îngrășăminte.

Energia nucleară, a cărei utilizare în industria chimică face posibilă obținerea de noi elemente chimice, ajută la recrearea proceselor care au loc în scoarța terestră.

Energia nucleară este folosită și pentru desalinizarea apei sărate. Aplicarea în metalurgia feroasă permite recuperarea fierului din minereul de fier. În culoare - este utilizat pentru producția de aluminiu.

Utilizarea energiei nucleare în agricultură

Utilizarea energiei nucleare în agricultură rezolvă problemele de selecție și ajută la combaterea dăunătorilor.

Energia nucleară este folosită pentru a crea mutații în semințe. Acest lucru se face pentru a obține noi soiuri care aduc un randament mai mare și sunt rezistente la bolile culturilor. Așadar, mai mult de jumătate din grâul cultivat în Italia pentru a face paste a fost crescut folosind mutații.

Radioizotopii sunt, de asemenea, utilizați pentru a determina cele mai bune modalități de aplicare a îngrășămintelor. De exemplu, cu ajutorul lor, s-a stabilit că la cultivarea orezului, este posibil să se reducă introducerea îngrășăminte cu azot. Acest lucru nu numai că a economisit bani, dar a salvat și mediul.

O utilizare ușor ciudată a energiei nucleare este iradierea larvelor de insecte. Acest lucru se face pentru a le afișa în mod inofensiv pentru mediu. În acest caz, insectele care au apărut din larvele iradiate nu au descendenți, dar în alte privințe sunt destul de normale.

Medicina nucleara

Medicina folosește izotopi radioactivi pentru a face un diagnostic precis. Izotopii medicali au un timp de înjumătățire scurt și nu prezintă un pericol deosebit atât pentru ceilalți, cât și pentru pacient.

O altă aplicație a energiei nucleare în medicină a fost descoperită destul de recent. Aceasta este tomografia cu emisie de pozitroni. Poate ajuta la detectarea cancerului într-un stadiu incipient.

Aplicarea energiei nucleare în transporturi

La începutul anilor 50 ai secolului trecut, s-au făcut încercări de a crea un tanc cu propulsie nucleară. Dezvoltarea a început în SUA, dar proiectul nu a fost niciodată adus la viață. În principal din cauza faptului că în aceste tancuri nu au putut rezolva problema ecranării echipajului.

Cunoscuta companie Ford lucra la o mașină care să funcționeze cu energie nucleară. Dar producția unei astfel de mașini nu a depășit aspectul.

Chestia este că instalația nucleară a ocupat mult spațiu, iar mașina s-a dovedit a fi foarte generală. Reactoarele compacte nu au apărut niciodată, deci proiect ambițios oprit.

Probabil cel mai faimos transport care funcționează cu energie nucleară sunt diverse nave, atât militare, cât și civile:

• Nave de transport.
• Portavioane.
• Submarine.
• Croaziere.
• Submarine nucleare.

Avantaje și dezavantaje ale utilizării energiei nucleare

Astăzi, ponderea în producția mondială de energie este de aproximativ 17 la sută. Deși umanitatea folosește dar rezervele sale nu sunt nesfârșite.

Prin urmare, ca Opțiune alternativă, se folosește Dar procesul de obținere și utilizare a acestuia este asociat cu un risc mare pentru viață și mediu.

Desigur, reactoarele nucleare sunt în permanență îmbunătățite, se iau toate măsurile de siguranță posibile, dar uneori acest lucru nu este suficient. Un exemplu sunt accidentele de la Cernobîl și Fukushima.

Pe de o parte, un reactor care funcționează corespunzător nu emite mediu inconjurator fara radiatii, in timp ce din centralele termice intra in atmosfera un numar mare de Substanțe dăunătoare.

Cel mai mare pericol este combustibilul uzat, prelucrarea și depozitarea acestuia. Pentru că până în prezent nu a fost inventată o modalitate complet sigură de a elimina deșeurile nucleare.

Energia nucleară este o forță teribilă și, în același timp, minunată. Dezintegrarea radioactivă și reacțiile nucleare care au loc în atomi eliberează o cantitate enormă de energie pe care oamenii încearcă să o folosească. Ei încearcă, pentru că dezvoltarea energiei nucleare a implicat nu numai multe victime, ci și catastrofe (de exemplu, centrala nucleară de la Cernobîl). Cu toate acestea, centralele nucleare din întreaga lume funcționează și produc aproximativ 15% din electricitatea mondială. Reactoarele nucleare sunt disponibile în 31 de țări ale lumii. Navele și submarinele sunt, de asemenea, echipate cu reactoare nucleare. În orice caz, atitudinea față de energia nucleară și în general tot ceea ce ține de dezintegrarea nucleară (spre deosebire de fuziune) se deteriorează în fiecare an. Va veni ziua în care energia atomului va fi exclusiv pașnică.

În ultimele episoade din serialul Cernobîl al companiei de televiziune HBO, oamenii de știință ruși dezvăluie adevărul despre cauza exploziei reactorului celei de-a 4-a unități de putere a centralei nucleare de la Cernobîl, care ulterior a „polenizat” teritoriile a 17 teritorii europene. țări cu o suprafață totală de 207,5 mii de kilometri pătrați cu cesiu radioactiv. Dezastrul de la centrala nucleară de la Cernobîl a scos la iveală defecte fundamentale ale reactorului RBMK-1000. În ciuda acestui fapt, astăzi 10 reactoare RBMK-1000 încă funcționează în Rusia. Sunt în siguranță? Potrivit experților occidentali în fizică nucleară, care și-au împărtășit opinia cu portalul Live Science, această întrebare rămâne deschisă.

Un atom este format dintr-un nucleu înconjurat de nori de particule numite electroni(vezi fig.). Nucleele atomilor - cele mai mici particule care alcătuiesc toate substanțele - conțin o rezervă semnificativă. Această energie este eliberată sub formă de radiație în timpul dezintegrarii elementelor radioactive. Radiațiile pun viața în pericol, dar reacțiile nucleare pot fi folosite pentru a produce . Radiația este folosită și în medicină.

Radioactivitate

Radioactivitatea este proprietatea nucleelor ​​atomilor instabili de a radia energie. Majoritatea atomilor grei sunt instabili, iar atomii mai ușori au radioizotopi, adică. izotopi radioactivi. Motivul radioactivității este că atomii tind să devină stabili (vezi articolul „”). Există trei tipuri de radiații radioactive: razele alfa, razele betași raze gamma. Ele sunt numite după primele trei litere ale alfabetului grecesc. Inițial, nucleul emite raze alfa sau beta, iar dacă este încă instabil, nucleul emite și raze gamma. În imagine vedeți trei nuclee atomice. Sunt instabile și fiecare dintre ele emite unul dintre cele trei tipuri de raze. Particulele beta sunt electroni cu energie foarte mare. Ele apar din dezintegrarea unui neutron. Particulele alfa sunt formate din doi protoni și doi neutroni. Nucleul atomului de heliu are exact aceeași compoziție. Razele gamma sunt radiații electromagnetice de înaltă energie care se deplasează cu viteza luminii.

Particulele alfa se mișcă încet și un strat de materie mai gros decât o bucată de hârtie le prinde. Ele nu sunt diferite de nucleele atomilor de heliu. Oamenii de știință cred că heliul de pe Pământ este un produs al radioactivității naturale. O particulă alfa zboară mai puțin de 10 cm și o coală de hârtie groasă o va opri. O particulă beta zboară la aproximativ 1 metru în aer. O foaie de cupru de 1 mm grosime o poate ține. Intensitatea razelor gamma scade la jumătate la trecerea printr-un strat de plumb de 13 milimetri sau un strat de 120 de metri.

Substanțele radioactive sunt transportate în recipiente de plumb cu pereți groși pentru a preveni scurgerea radiațiilor. Expunerea la radiații provoacă arsuri, cataractă și cancer la oameni. Nivelul de radiație este măsurat folosind Contor Geiger. Acest dispozitiv emite clicuri atunci când sunt detectate radiații radioactive. După ce a emis particule, nucleul capătă un nou număr atomic și se transformă în nucleul altui element. Acest proces se numește dezintegrare radioactivă. Dacă noul element este și instabil, procesul de dezintegrare continuă până când se formează un nucleu stabil. De exemplu, când un atom de plutoniu-2 (masa sa este 242) emite o particulă alfa, relativul masă atomică care este 4 (2 protoni si 2 neutroni), se transforma intr-un atom de uraniu - 238 (masa atomica 238). Jumătate de viață este timpul necesar pentru ca jumătate din toți atomii dintr-o probă dintr-o anumită substanță să se descompună. Diferite au timpi de înjumătățire diferit. Timpul de înjumătățire al radiului-221 este de 30 de secunde, în timp ce cel al uraniului este de 4,5 miliarde de ani.

Reacții nucleare

Există două tipuri de reacții nucleare: fuziune nuclearăși fisiunea (diviziunea) nucleului. „Sinteză” înseamnă „conexiune”; în fuziunea nucleară, două nuclee sunt combinate și unul mare. Fuziunea nucleară poate avea loc numai la temperaturi foarte ridicate. În timpul fuziunii, se eliberează o cantitate imensă de energie. În fuziunea nucleară, două nuclee sunt combinate într-unul mare. În 1992, satelitul KOBE a detectat un tip special de radiație în spațiu, ceea ce confirmă teoria conform căreia s-a format ca urmare a așa-numitului Marea explozie . Din termenul „fisiune” este clar că nucleele se despart, eliberând energie nucleară. Acest lucru este posibil la bombardarea nucleelor ​​cu neutroni și are loc în substanțe radioactive sau într-un dispozitiv special numit accelerator de particule. Nucleul se divide, emițând neutroni și eliberând energie colosală.

Energie nucleara

Energia eliberată de reacțiile nucleare poate fi folosită pentru a genera electricitate și ca sursă de energie pentru submarinele nucleare și portavioanele. Funcționarea unei centrale nucleare se bazează pe fisiunea nucleară în reactoare nucleare. Tijă făcută din substanță radioactivă, precum uraniul, sunt bombardate cu neutroni. Nucleele de uraniu se divid, radiind energie. Aceasta eliberează noi neutroni. Un astfel de proces se numește reacție în lanț. Dintr-o unitate de masă de combustibil, centralele electrice produc mai multă energie decât orice altă centrală electrică, dar măsurile de siguranță și eliminarea deșeurilor radioactive sunt extrem de costisitoare.

Arme nucleare

Funcționarea armelor nucleare se bazează pe faptul că eliberarea necontrolată a unei cantități uriașe de energie nucleară duce la o explozie teribilă. La sfârșitul celui de-al Doilea Război Mondial, Statele Unite au aruncat bombe atomice asupra orașelor japoneze Hiroshima și Nagasaki. Sute de mii de oameni au murit. Bombele atomice se bazează pe reacții de fisiune, hidrogen - pornit reacții de sinteză. Imaginea arată bomba atomică aruncată pe Hiroshima.

metoda radiocarbonului

Metoda radiocarbonului determină timpul scurs de la moartea unui organism. Ființele vii conțin cantități mici de carbon-14, un izotop radioactiv al carbonului. Timpul său de înjumătățire este de 5700 de ani. Când un organism moare, depozitele tisulare de carbon-14 sunt epuizate, izotopul se descompune, iar cantitatea rămasă poate fi folosită pentru a determina cu cât timp în urmă a murit organismul. Datorită metodei radiocarbonului, puteți afla cu cât timp în urmă a avut loc erupția. Pentru a face acest lucru, utilizați insecte înghețate în lavă și polen.

Cum altfel se folosește radioactivitatea?

În industrie, folosind radiații, se determină grosimea unei foi de hârtie sau plastic (vezi articolul ""). Din intensitatea razelor beta care trec prin foaie se poate detecta chiar și o ușoară neomogenitate a grosimii acesteia. Alimentele – fructele, carnea – sunt iradiate cu raze gamma pentru a le menține proaspete. Folosind radioactivitate, medicii urmăresc calea unei substanțe în organism. De exemplu, pentru a determina modul în care zahărul este distribuit în corpul unui pacient, un medic poate injecta niște carbon-14 în moleculele de zahăr și poate monitoriza emisia acelei substanțe pe măsură ce intră în organism. Radioterapia, adică iradierea pacientului cu porțiuni strict dozate de radiații, ucide celulele canceroase - celulele supraîncărcate ale corpului.

1. Introducere

2.Radioactivitate

3. Reactoare nucleare

4. Aspecte de inginerie ale unui reactor termonuclear

5. Reacția nucleară. Energie nucleara.

6.Raze gamma

7.Reactor nuclear

8.Principii de construire a energiei nucleare

9. Fuziunea nucleară mâine

10.Concluzie

11. Lista literaturii

INTRODUCERE: ce studiază fizica?

Fizica este știința naturii care studiază cele mai simple și în același timp cele mai generale legi ale naturii, structura și legile mișcării materiei. Fizica este clasificată ca știință exactă. Conceptele și legile sale formează baza științei naturii. Granițele care separă fizica și alte științe ale naturii sunt arbitrare din punct de vedere istoric. Este general acceptat că, în esență, fizica este o știință experimentală, deoarece legile pe care le descoperă se bazează pe date stabilite empiric. Legile fizice sunt prezentate sub forma unor rapoarte cantitative exprimate în limbajul matematicii. În general, fizica se împarte în experimentală, care se ocupă cu efectuarea de experimente în scopul stabilirii unor fapte noi și testării ipotezelor și legilor fizice cunoscute, și teoretică, axată pe formularea legilor fizice, explicația pe baza acestor legi. fenomene naturaleși predicția de noi fenomene.

Structura fizicii este complexă. Include diverse discipline sau secțiuni. În funcție de obiectele studiate, se disting fizica particulelor elementare, fizica nucleară, fizica atomilor și moleculelor, fizica gazelor și lichidelor, fizica plasmei și fizica stării solide. În funcție de procesele sau formele de mișcare ale materiei studiate, se distinge mecanica puncte materialeși solide, mecanică continue (inclusiv acustică), termodinamică și mecanică statistică, electrodinamică (inclusiv optică), teoria gravitației, mecanică cuantică și teoria câmpului cuantic. În funcție de orientarea către consumator a cunoștințelor obținute, se disting fizica fundamentală și fizica aplicată. De asemenea, se obișnuiește să se evidențieze doctrina vibrațiilor și undelor, care consideră vibrațiile și undele mecanice, acustice, electrice și optice dintr-un singur punct de vedere. Fizica se bazează pe principii și teorii fizice fundamentale care acoperă toate ramurile fizicii și reflectă cel mai pe deplin esența fenomenelor fizice și a proceselor realității.

Din primele civilizații apărute pe malurile Tigrului, Eufratului și Nilului (Babilon, Asiria, Egipt), nu există dovezi ale unor realizări în domeniul cunoașterii fizice, cu excepția celor întruchipate în structuri arhitecturale, casnice etc. . produse de cunoaștere. Ridicând diferite tipuri de structuri și confecționând obiecte de uz casnic, arme etc., oamenii au folosit anumite rezultate ale numeroaselor observații fizice, experimente tehnice și generalizările acestora. Se poate spune că au existat anumite cunoștințe fizice empirice, dar nu a existat un sistem de cunoștințe fizice.

Reprezentări fizice în China antică a apărut și pe baza diferitelor tipuri de activități tehnice, în cadrul cărora s-au dezvoltat diverse rețete tehnologice. Desigur, în primul rând, au fost dezvoltate reprezentări mecanice. Așadar, chinezii aveau idei despre forță (ceea ce te face să te miști), contraacțiunea (ceea ce oprește mișcarea), pârghie, blocaj, comparație de greutăți (comparație cu standardul). În domeniul opticii, chinezii au avut o idee despre formarea unei imagini inverse într-o „camera obscura”. Deja în secolul al VI-lea î.Hr. cunoșteau fenomenele de magnetism - atracția fierului de către un magnet, pe baza căruia a fost creată busola. În domeniul acusticii, ei cunoșteau legile armoniei, fenomenele rezonanței. Dar acestea erau încă idei empirice care nu aveau o explicație teoretică.

În India antică, baza ideilor natural-filosofice este doctrina celor cinci elemente - pământ, apă, foc, aer și eter. A existat și o presupunere despre structura atomică a materiei. S-au dezvoltat idei originale despre proprietăți ale materiei precum greutatea, fluiditatea, vâscozitatea, elasticitatea etc., despre mișcare și cauzele care o cauzează. Prin secolul VI. î.Hr. conceptele fizice empirice din unele domenii arată o tendință de tranziție în construcții teoretice originale (în optică, acustică).

Fenomenul radioactivității, sau dezintegrarea spontană a nucleelor, a fost descoperit de fizicianul francez A. Becquerel în 1896. El a descoperit că uraniul și compușii săi emit raze sau particule care pătrund în corpuri opace și pot ilumina o placă fotografică, Becquerel a descoperit că intensitatea radiației este proporțională doar cu concentrația de uraniu și nu depinde de conditii externe(temperatură, presiune) și dacă uraniul este în vreun compuși chimic.

Fizicienii englezi E. Rutherford și F. Soddy au demonstrat că în toate procesele radioactive au loc transformări reciproce ale nucleelor ​​atomice. elemente chimice. Un studiu al proprietăților radiației care însoțește aceste procese în câmpurile magnetice și electrice a arătat că aceasta este împărțită în particule a (nuclee de heliu), particule b (electroni) și raze G (radiație electromagnetică cu o lungime de undă foarte scurtă) .

Se numește un nucleu atomic care emite g-quanta, a-, b- sau alte particule nucleu radioactiv. Există 272 de nuclee atomice stabile în natură. Toate celelalte nuclee sunt radioactive și sunt numite radioizotopi.

Energia de legare a nucleului caracterizează rezistența acestuia la descompunerea în părți constitutive. Dacă energia de legare a nucleului este mai mică decât energia de legare a produșilor săi de descompunere, atunci aceasta înseamnă că nucleul se poate descompune spontan (spontan). În timpul dezintegrarii alfa, particulele alfa transportă aproape toată energia și doar 2% din aceasta cade pe nucleul secundar. În dezintegrarea alfa, numărul de masă se modifică cu 4 unități, iar numărul atomic cu două unități.

Energia inițială a unei particule alfa este de 4-10 MeV. Deoarece particulele alfa au o masă și o sarcină mare, calea lor liberă medie în aer este scurtă. Deci, de exemplu, calea liberă medie în aer a particulelor alfa emise de un nucleu de uraniu este de 2,7 cm, iar cele emise de radiu este de 3,3 cm.

Acesta este procesul de transformare a unui nucleu atomic într-un alt nucleu cu o schimbare a numărului de serie fără a schimba numărul de masă. Există trei tipuri de dezintegrare b: electronică, pozitronă și captarea unui electron orbital de către un nucleu atomic. tipul ultimei dezintegrare mai este numit în mod obișnuit La- captare, deoarece în acest caz absorbția unui electron din cel mai apropiat de nucleu La scoici. Absorbția electronilor din Lși M scoici este, de asemenea, posibil, dar mai puțin probabil. Timpul de înjumătățire al nucleilor b-activi variază într-un interval foarte larg.

Numărul de nuclee beta-active cunoscute în prezent este de aproximativ o mie și jumătate, dar doar 20 dintre ei sunt izotopi beta-radioactivi naturali. Toate restul sunt obținute artificial.

Distribuția continuă a energiei cinetice a electronilor emiși în timpul dezintegrarii se explică prin faptul că, împreună cu electronul, este emis și un antineutrin. Dacă nu ar exista antineutrini, atunci electronii ar avea un impuls strict definit, egal cu impulsul nucleului rezidual. Se observă o întrerupere bruscă a spectrului la o valoare a energiei cinetice egală cu energia dezintegrarii beta. În acest caz, energiile cinetice ale nucleului și ale antineutrinilor sunt egale cu zero, iar electronul transportă toată energia eliberată în timpul reacției.

În timpul dezintegrarii electronice, nucleul rezidual are un număr de serie cu unu mai mult decât cel original, păstrând în același timp numărul de masă. Aceasta înseamnă că în nucleul rezidual numărul de protoni a crescut cu unu, în timp ce numărul de neutroni, dimpotrivă, a devenit mai mic: N=A-(Z+1).

În dezintegrarea pozitronilor se păstrează numărul total de nucleoni, dar în nucleul final există cu un neutron mai mult decât în ​​cel inițial. Astfel, dezintegrarea pozitronilor poate fi interpretată ca o reacție de transformare în interiorul nucleului unui proton într-un neutron cu emisia unui pozitron și a unui neutrin.

La captura electronică se referă la procesul de absorbție de către un atom a unuia dintre electronii orbitali ai atomului său. Deoarece captarea unui electron de pe o orbită cea mai apropiată de nucleu este cea mai probabilă, este cel mai probabil ca electronii să fie absorbiți La- scoici. Prin urmare, acest proces este numit și La- captură.

Mult mai puțin probabil să capteze electroni din L-,M- scoici. După capturarea unui electron din La-shell, are loc o serie de tranziții de electroni de pe orbită la orbită, se formează o nouă stare atomică, se emite un cuantum de raze X.

Nucleele stabile sunt în starea cea mai scăzută de energie. Această stare se numește starea principală. Cu toate acestea, prin iradierea nucleelor ​​atomice cu diverse particule sau protoni de înaltă energie, le poate fi transferată o anumită energie și, în consecință, pot fi transferate în stări corespunzătoare unei energii superioare. Trecând după ceva timp de la starea excitată la starea fundamentală, nucleul atomic poate emite fie o particulă, dacă energia de excitație este suficient de mare, fie radiații electromagnetice de înaltă energie - un cuantum gamma.

Deoarece nucleul excitat se află în stări de energie discrete, radiația gamma este, de asemenea, caracterizată printr-un spectru de linii.

Fisiunea nucleelor ​​grele produce mai mulți neutroni liberi. Aceasta face posibilă organizarea așa-numitei reacții de fisiune în lanț, când neutronii, propagăndu-se într-un mediu care conține elemente grele, pot provoca fisiunea lor cu emisia de noi neutroni liberi. Dacă mediul este astfel încât numărul de neutroni nou născuți crește, atunci procesul de fisiune crește ca o avalanșă. În cazul în care numărul de neutroni scade în timpul fisiunilor ulterioare, reacția nucleară în lanț se descompune.

Pentru a obține o reacție nucleară staționară în lanț, evident, este necesar să se creeze astfel de condiții încât fiecare nucleu care a absorbit un neutron eliberează, în medie, un neutron în timpul fisiunii, care merge la fisiunea celui de-al doilea nucleu greu.

Un reactor nuclear este un dispozitiv în care se realizează și se menține o reacție controlată în lanț de fisiune a unor nuclee grele.

O reacție nucleară în lanț într-un reactor poate fi efectuată numai cu un anumit număr de nuclee fisionabile, care pot fi fisiune la orice energie neutronică. Dintre materialele fisionabile, cel mai important este izotopul 235 U, a cărui pondere în uraniul natural este de doar 0,714%.

Deși 238 U este împărțit la neutroni a căror energie depășește 1,2 MeV, totuși, o reacție în lanț auto-susținută asupra neutronilor rapizi din uraniul natural nu este posibilă din cauza probabilității mari de interacțiune inelastică a nucleelor ​​de 238 U cu neutronii rapizi. În acest caz, energia neutronilor devine mai mică decât pragul de energie de fisiune a 238 de nuclee U.

Utilizarea unui moderator duce la o scădere a absorbției rezonante în 238 U, deoarece un neutron poate trece prin regiunea energiilor rezonante ca urmare a unei coliziuni cu nucleele moderatorului și poate fi absorbit de nucleele 235 U, 239 Pu, 233 U, a cărei secțiune transversală de fisiune crește semnificativ odată cu scăderea energiei neutronilor. Ca moderatori, sunt utilizate materiale cu un număr de masă scăzut și o secțiune transversală mică de absorbție (apă, grafit, beriliu etc.).

Pentru a caracteriza o reacție în lanț de fisiune, se folosește o cantitate numită factor de multiplicare K. Acesta este raportul dintre numărul de neutroni dintr-o anumită generație și numărul de neutroni din generația anterioară. Pentru o reacție în lanț de fisiune staționară, K=1. Un sistem de reproducere (reactor) în care K=1 este numit critic. Dacă K > 1, numărul de neutroni din sistem crește, iar în acest caz este numit peste critic. La 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.

În miezul unui reactor cu neutroni termici, împreună cu combustibilul nuclear, există o masă semnificativă a unui moderator, o substanță caracterizată printr-o secțiune transversală mare de împrăștiere și o secțiune transversală mică de absorbție.

Miezul reactorului este aproape întotdeauna, cu excepția reactoarelor speciale, înconjurat de un reflector care returnează o parte din neuroni la miez datorită împrăștierii multiple.

În reactoarele bazate pe neuroni rapizi, zona activă este înconjurată de zone de reproducere. Acumulează izotopi fisionali. În plus, zonele de reproducere îndeplinesc și funcțiile unui reflector.

Într-un reactor nuclear are loc o acumulare de produse de fisiune, care se numesc zgură. Prezența zgurii duce la pierderi suplimentare de neutroni liberi.

Reactoarele nucleare, în funcție de aranjarea reciprocă a combustibilului și a moderatorului, sunt împărțite în omogene și eterogene. Într-un reactor omogen, miezul este o masă omogenă de combustibil, moderator și lichid de răcire sub formă de soluție, amestec sau topitură. Un reactor se numește eterogen, în care combustibilul sub formă de blocuri sau ansambluri de combustibil este plasat în moderator, formând în el o rețea geometrică regulată.

În timpul funcționării reactorului, căldura este eliberată în elementele de îndepărtare a căldurii (elemente de combustibil), precum și în toate elementele sale structurale, în diferite cantități. Acest lucru se datorează, în primul rând, inhibării fragmentelor de fisiune, a radiațiilor lor beta și gamma, precum și a nucleelor ​​care interacționează cu neuronii și, în cele din urmă, încetinirii neuronilor rapizi. Fragmentele din fisiunea nucleului combustibilului sunt clasificate în funcție de viteze corespunzătoare temperaturilor de sute de miliarde de grade.

Într-adevăr, E= mu 2 = 3RT, unde E este energia cinetică a fragmentelor, MeV; R \u003d 1,38 10 -23 J / K - constanta lui Boltzmann. Avand in vedere ca 1 MeV = 1,6 10 -13 J, se obtine 1,6 10 -6 E = 2,07 10 -16 T, T = 7,7 10 9 E. Cele mai probabile valori energetice pentru fisiune de fragmente sunt 97 MeV pentru un fragment usor si 65 MeV pentru unul greu. Atunci temperatura corespunzătoare pentru un fragment ușor este de 7,5 10 11 K, pentru unul greu - 5 10 11 K. Deși temperatura realizabilă într-un reactor nuclear este teoretic aproape nelimitată, în practică limitările sunt determinate de temperatura maximă admisă a structurii. materiale si elemente combustibile.

O caracteristică a unui reactor nuclear este că 94% din energia de fisiune este transformată instantaneu în căldură, adică. în timpul în care puterea reactorului sau densitatea materialelor din acesta nu are timp să se schimbe semnificativ. Prin urmare, atunci când puterea reactorului se modifică, eliberarea de căldură urmează fără întârziere procesului de fisiune a combustibilului. Cu toate acestea, atunci când reactorul este oprit, când viteza de fisiune scade de mai mult de zeci de ori, în el rămân surse de eliberare de căldură întârziată (radiația gamma și beta a produselor de fisiune), care devin predominante.

Puterea unui reactor nuclear este proporțională cu densitatea fluxului de neuroni din acesta, astfel încât orice putere este teoretic realizabilă. În practică, puterea de limitare este determinată de viteza de îndepărtare a căldurii eliberate în reactor. Îndepărtarea specifică a căldurii în reactoarele de putere moderne este de 10 2 - 10 3 MW / m 3, în vortex - 10 4 - 10 5 MW / m 3.

Căldura este îndepărtată din reactor de lichidul de răcire care circulă prin acesta. O trăsătură caracteristică a reactorului este căldura reziduală după terminarea reacției de fisiune, care necesită îndepărtarea căldurii pentru o lungă perioadă de timp după oprirea reactorului. Deși puterea de căldură reziduală este mult mai mică decât cea nominală, circulația lichidului de răcire prin reactor trebuie asigurată foarte fiabil, deoarece căldura de descompunere nu poate fi controlată. Scoaterea lichidului de răcire dintr-un reactor care a funcționat de ceva timp este strict interzisă pentru a evita supraîncălzirea și deteriorarea elementelor de combustibil.

Un reactor nuclear este un dispozitiv în care se realizează o reacție controlată în lanț de fisiune nucleară a elementelor grele, iar energia termică eliberată în timpul acesteia este îndepărtată de lichidul de răcire. Elementul principal al unui reactor nuclear este miezul. Adăpostește combustibil nuclear și efectuează o reacție în lanț de fisiune. Zona activă este un set de elemente combustibile care conțin combustibil nuclear plasate într-un anumit mod. Reactoarele cu neutroni termici folosesc un moderator. Un lichid de răcire se balansează prin miez, răcind elementele de combustibil. În unele tipuri de reactoare, rolul de moderator și de lichid de răcire este îndeplinit de aceeași substanță, de exemplu, apa obișnuită sau grea. Pentru

pentru a controla funcționarea reactorului, în miez sunt introduse tije de control din materiale cu o secțiune transversală mare de absorbție a neutronilor. Miezul reactoarelor de putere este înconjurat de un reflector de neutroni - un strat de material moderator pentru a reduce scurgerea de neutroni din miez. În plus, datorită reflectorului, densitatea neutronilor și eliberarea de energie sunt egalizate pe volumul miezului, ceea ce face posibilă obținerea unei puteri mai mari pentru zone date, obținerea unei arderi mai uniforme a combustibilului, creșterea duratei reactorului fără combustibil. realimentarea și simplificarea sistemului de îndepărtare a căldurii. Reflectorul este încălzit datorită energiei de încetinire și absorbție a neutronilor și a cuantelor gamma, prin urmare, este asigurată răcirea acestuia. Miezul, reflectorul și alte elemente sunt găzduite într-o carcasă sau carcasă închisă ermetic, de obicei înconjurate de ecranare biologică.

Miezul reactorului trebuie proiectat astfel încât să excludă posibilitatea deplasării neprevăzute a componentelor sale, care să conducă la o creștere a reactivității. Partea structurală principală a unui miez eterogen este un element de combustibil, care determină în mare măsură fiabilitatea, dimensiunile și costul acestuia. În reactoarele de putere, de regulă, barele de combustibil sunt utilizate cu combustibil sub formă de pelete de dioxid de uraniu comprimat, închise într-o carcasă de oțel sau aliaj de zirconiu. Pentru comoditate, elementele de combustibil sunt asamblate în ansambluri de combustibil (FA), care sunt instalate în miezul unui reactor nuclear.

În barele de combustibil, ponderea principală a energiei termice este generată și transferată la lichidul de răcire. Mai mult de 90% din toată energia eliberată în timpul fisiunii nucleelor ​​grele este eliberată în interiorul elementelor de combustibil și este îndepărtată de lichidul de răcire care curge în jurul elementelor de combustibil. Elementele de combustibil funcționează în condiții termice foarte severe: densitatea maximă a fluxului de căldură de la elementul de combustibil la lichidul de răcire atinge (1 - 2) 10 6 W / m 2 , în timp ce în cazanele moderne cu abur este de (2 - 3) 10 5 W / m 2. În plus, o cantitate mare de căldură este eliberată într-un volum relativ mic de combustibil nuclear; intensitatea energetică a combustibilului nuclear este de asemenea foarte mare. Degajarea de căldură specifică în miez ajunge la 10 8 -10 9 W/m 3 , în timp ce în cazanele moderne cu abur nu depăşeşte 10 7 W/m 3 .

Fluxurile mari de căldură care trec prin suprafața elementelor de combustibil și o densitate energetică semnificativă a combustibilului necesită durabilitate și fiabilitate excepțional de ridicate a elementelor de combustibil. În plus, condițiile de funcționare a barelor de combustibil sunt complicate de temperatura ridicată de funcționare, ajungând la 300 - 600 C o pe suprafața carcasei, posibilitatea de șocuri termice, vibrații, prezența unui flux de neutroni (fluența ajunge la 10 27 neutroni/). m 2).

Tijele de combustibil sunt supuse la mare cerinte tehnice: simplitatea designului; stabilitate mecanică și rezistență în fluxul de lichid de răcire, asigurând păstrarea dimensiunilor și etanșeitatea; absorbție scăzută a neutronilor de către materialul structural al barei de combustibil și un minim de material structural în miez; nicio interacțiune a combustibilului nuclear și a produselor de fisiune cu învelișul combustibilului, lichidul de răcire și moderatorul la temperaturi de funcționare. Forma geometrică a elementului de combustibil trebuie să ofere raportul necesar între suprafață și volum și intensitatea maximă a eliminării căldurii de către lichidul de răcire de pe întreaga suprafață a elementului de combustibil, precum și să garanteze o adâncime mare de ardere a combustibilului nuclear și un nivel ridicat. gradul de retenție al produselor de fisiune. Tijele de combustibil trebuie să aibă rezistență la radiații, să aibă dimensiunile și designul cerute, oferind capacitatea de a efectua rapid operațiuni de realimentare; au simplitatea și eficiența regenerării combustibilului nuclear și costuri reduse.

Din motive de siguranță, învelișurile de combustibil trebuie să fie sigilate în mod fiabil pe toată perioada de funcționare a miezului (3-5 ani) și depozitarea ulterioară a elementelor de combustibil uzat până când acestea sunt trimise pentru reprocesare (1-3 ani). La proiectarea miezului, este necesar să se stabilească și să se justifice în prealabil limitele admisibile de deteriorare a elementelor de combustibil (numărul și gradul de deteriorare). Miezul este proiectat astfel încât în ​​timpul funcționării pe toată durata de viață estimată, limitele stabilite pentru deteriorarea elementelor de combustibil să nu fie depășite. Respectarea acestor cerințe este asigurată de designul miezului, de calitatea lichidului de răcire, de caracteristicile și fiabilitatea sistemului de îndepărtare a căldurii. În timpul funcționării, etanșeitatea învelișului elementelor individuale de combustibil este posibilă. Există două tipuri de astfel de încălcări: formarea de microfisuri prin care produsele de fisiune gazoasă ies din elementul de combustibil în lichidul de răcire (un defect de tipul densității gazului); apariția defectelor în care este posibil contactul direct al combustibilului cu lichidul de răcire.

Condițiile de funcționare ale tijelor de combustibil sunt în mare măsură determinate de proiectarea miezului, care ar trebui să asigure geometria de proiectare a tijelor de combustibil și ceea ce este necesar din punct de vedere al condițiilor de temperatură pentru distribuția lichidului de răcire. Un flux stabil de lichid de răcire trebuie menținut prin miez în timpul funcționării reactorului de la putere, ceea ce garantează o îndepărtare fiabilă a căldurii. Miezul ar trebui să fie echipat cu senzori în interiorul controlului reactorului, care oferă informații despre distribuția puterii, fluxul de neutroni, condițiile de temperatură ale elementelor de combustibil și fluxul de lichid de răcire.

Miezul unui reactor de putere ar trebui proiectat în așa fel încât mecanismul intern de interacțiune dintre neutroni-fizic și căldură. procese fizice setați un nou nivel de putere sigur pentru orice perturbări ale factorului de multiplicare. În practică, siguranța unei centrale nucleare este asigurată, pe de o parte, de stabilitatea reactorului (o scădere a factorului de multiplicare odată cu creșterea temperaturii și puterii miezului) și, pe de altă parte, de fiabilitatea sistemului automat de control și protecție.

Pentru a asigura siguranța în profunzime, proiectarea miezului și caracteristicile combustibilului nuclear trebuie să excludă posibilitatea formării de mase critice de materiale fisionabile în timpul distrugerii miezului și topirii combustibilului nuclear. La proiectarea miezului, ar trebui să fie posibilă introducerea unui absorbant de neutroni pentru a opri reacția în lanț în orice caz asociat cu o încălcare a răcirii miezului.

Miezul, care conține volume mari de combustibil nuclear pentru a compensa arderea, otrăvirea și efectul temperaturii, are, parcă, câteva mase critice. Prin urmare, fiecare volum critic de combustibil trebuie să fie prevăzut cu mijloace de compensare a reactivității. Ele ar trebui plasate în miez astfel încât să excludă posibilitatea maselor critice locale.

Reactoarele sunt clasificate în funcție de nivelul de energie al neutronilor implicați în reacția de fisiune, în funcție de principiul plasării combustibilului și a moderatorului, scopul propus, tipul de moderator și lichid de răcire și starea lor fizică.

Dupa nivelul neutronilor energetici: reactoarele pot functiona pe neutroni rapizi, pe termici si pe neutroni de energii intermediare (rezonante) si, in conformitate cu aceasta, se impart in reactoare pe neutroni termici, rapizi si intermediari (uneori, pentru scurtare, sunt numite termice, rapide și intermediare).

LA reactor cu neutroni termici Cea mai mare parte a fisiunii nucleare are loc atunci când nucleele izotopilor fisionali absorb neutronii termici. Reactoarele în care fisiunea nucleară este produsă în principal de neutroni cu energii mai mari de 0,5 MeV se numesc reactoare cu neutroni rapizi. Reactoarele în care cele mai multe fisiuni au loc ca urmare a absorbției neutronilor intermediari de către izotopii fisionali se numesc reactoare cu neutroni intermediari (rezonante).

În prezent, reactoarele cu neutroni termici sunt cele mai utilizate. Reactoarele termice se caracterizează prin concentrații de combustibil nuclear de 235 U în miez de la 1 la 100 kg/m 3 și prezența unor mase mari ale moderatorului. Un reactor cu neutroni rapidi se caracterizează prin concentrații de 235 U sau 239 U combustibil nuclear de ordinul a 1000 kg/m 3 și absența unui moderator în miez.

În reactoarele cu neutroni intermediari, există foarte puțin moderator în miez, iar concentrația de combustibil nuclear de 235 U în el este de la 100 la 1000 kg/m 3 .

În reactoarele cu neutroni termici, fisiunea nucleelor ​​de combustibil are loc și atunci când neutronii rapizi sunt capturați de nucleu, dar probabilitatea acestui proces este nesemnificativă (1 - 3%). Necesitatea unui moderator de neutroni este cauzată de faptul că secțiunile transversale efective de fisiune ale nucleelor ​​de combustibil sunt mult mai mari la energii neutronice scăzute decât la cele mari.

În miezul unui reactor termic trebuie să existe un moderator - o substanță ale cărei nuclee au un număr de masă mic. Grafitul, apa grea sau ușoară, beriliul, lichidele organice sunt folosite ca moderator. Un reactor termic poate funcționa chiar și cu uraniu natural dacă apa grea sau grafitul servesc drept moderator. Pentru alți moderatori, trebuie folosit uraniu îmbogățit. Dimensiunile critice necesare ale reactorului depind de gradul de îmbogățire a combustibilului; cu creșterea gradului de îmbogățire, acestea sunt mai mici. Un dezavantaj semnificativ Reactoarele cu neutroni termici reprezintă pierderea de neutroni lenți ca urmare a captării acestora de către moderator, lichid de răcire, materiale structurale și produse de fisiune. Prin urmare, în astfel de reactoare, este necesar să se utilizeze substanțe cu secțiuni transversale de captare scăzute pentru neutroni lenți ca moderator, lichid de răcire și materiale structurale.

LA reactoare cu neutroni intermediari, în care majoritatea evenimentelor de fisiune sunt cauzate de neutroni cu energii mai mari decât termice (de la 1 eV la 100 keV), masa moderatorului este mai mică decât în ​​reactoarele termice. O caracteristică a funcționării unui astfel de reactor este că secțiunea transversală de fisiune a combustibilului scade mai puțin odată cu creșterea fisiunii neutronilor în regiunea intermediară decât secțiunea transversală de absorbție a materialelor structurale și a produselor de fisiune. Astfel, probabilitatea unor acte de fisiune crește în comparație cu actele de absorbție. Cerințele pentru caracteristicile neutronice ale materialelor structurale sunt mai puțin stricte, gama lor este mai largă. În consecință, miezul unui reactor cu neutroni intermediari poate fi realizat din materiale mai rezistente, ceea ce face posibilă creșterea eliminării specifice de căldură de pe suprafața de încălzire a reactorului. Îmbogățirea combustibilului în izotopi fisionali în reactoarele intermediare ar trebui să fie mai mare decât în ​​reactoarele termice ca urmare a scăderii secțiunii transversale. Reproducerea combustibilului nuclear în reactoarele cu neutroni intermediari este mai mare decât într-un reactor cu neutroni termici.

Substanțele care moderează slab neutronii sunt utilizate ca agenți de răcire în reactoarele intermediare. De exemplu, metalele lichide. Moderatorul este grafit, beriliu etc.

Barele de combustibil cu combustibil foarte îmbogățit sunt plasate în miezul unui reactor cu neutroni rapid. Zona activă este înconjurată de o zonă de reproducere, constând din bare de combustibil care conțin materii prime combustibile (uraniu sărăcit, toriu). Neutronii emiși din zona activă sunt captați în zona de reproducere de către nucleele materiei prime combustibile, ca urmare, se formează un nou combustibil nuclear. Un avantaj deosebit al reactoarelor rapide este posibilitatea de a organiza reproducerea extinsă a combustibilului nuclear în ele, de exemplu. Simultan cu generarea de energie, produceți combustibil nuclear nou în loc de combustibil nuclear ars. Reactoarele rapide nu necesită un moderator, iar lichidul de răcire nu ar trebui să încetinească neutronii.

În funcție de modul în care combustibilul este plasat în miez, reactoarele sunt împărțite în omogene și eterogene.

LA reactor omogen combustibilul nuclear, lichidul de răcire și moderatorul (dacă există) sunt bine amestecați și se află în aceeași stare fizică, de ex. miezul unui reactor complet omogen este un amestec omogen lichid, solid sau gazos de combustibil nuclear, lichid de răcire sau moderator. Reactoarele omogene pot fi atât neutroni termici, cât și rapid. Într-un astfel de reactor, întregul miez este situat în interiorul unui vas sferic de oțel și reprezintă un amestec lichid omogen de combustibil și moderator sub formă de soluție sau aliaj lichid (de exemplu, o soluție de sulfat de uraniu în apă, o soluție de uraniu). în bismut lichid), care îndeplinește simultan funcția de lichid de răcire.

O reacție de fisiune nucleară are loc în soluția de combustibil din interiorul vasului reactorului sferic, ca urmare, temperatura soluției crește. Soluția combustibilă din reactor intră în schimbătorul de căldură, unde eliberează căldură apei din circuitul secundar, se răcește și este trimisă înapoi în reactor de către o pompă de circulație. Pentru a preveni apariția unei reacții nucleare în afara reactorului, volumele conductelor circuitului, schimbătorul de căldură și pompa sunt selectate astfel încât volumul de combustibil situat în fiecare secțiune a circuitului să fie mult mai mic decât cel critic. . Reactoarele omogene au o serie de avantaje față de cele eterogene. Acestea sunt designul simplu al miezului și dimensiunile sale minime, capacitatea de a elimina continuu produsele de fisiune și de a adăuga combustibil nuclear proaspăt în timpul funcționării fără a opri reactorul, simplitatea preparării combustibilului și faptul că reactorul poate fi controlat prin schimbare. concentrația de combustibil nuclear.

Cu toate acestea, reactoarele omogene au și dezavantaje serioase. Un amestec omogen care circulă în jurul circuitului emite radiații radioactive puternice, ceea ce necesită protectie suplimentaraşi complică controlul reactorului. Doar o parte din combustibil se află în reactor și servește la generarea energiei, iar cealaltă parte se află în conducte externe, schimbătoare de căldură și pompe. Amestecul în circulație provoacă coroziune și eroziune severă a sistemelor și dispozitivelor reactorului și circuitului. Formarea unui amestec exploziv exploziv într-un reactor omogen ca urmare a radiolizei apei necesită dispozitive pentru arderea acestuia. Toate acestea au dus la faptul că reactoarele omogene nu sunt utilizate pe scară largă.

LA reactor eterogen combustibilul sub formă de blocuri este plasat în moderator, adică. combustibilul și moderatorul sunt separate spațial.

În prezent, doar reactoarele eterogene sunt proiectate în scopuri energetice. Combustibilul nuclear dintr-un astfel de reactor poate fi utilizat în stare gazoasă, lichidă și solidă. Cu toate acestea, acum reactoare eterogene funcționează numai cu combustibil solid.

În funcție de agentul de moderare, reactoarele eterogene sunt împărțite în grafit, apă ușoară, apă grea și organică. În funcție de tipul de lichid de răcire, reactoarele eterogene sunt apă ușoară, apă grea, gaz și metal lichid. Purtătorii de căldură lichid în interiorul reactorului pot fi în stări monofazate și bifazate. În primul caz, lichidul de răcire din interiorul reactorului nu fierbe, iar în al doilea caz, da.

Reactoarele în miezul cărora temperatura lichidului de răcire este sub punctul de fierbere se numesc reactoare cu apă sub presiune, iar reactoarele în care fierbe lichidul de răcire se numesc fierbere.

În funcție de moderatorul și lichidul de răcire utilizat, reactoarele eterogene sunt realizate după diferite scheme. În Rusia, principalele tipuri de reactoare nucleare sunt apa sub presiune și grafitul de apă.

Conform proiectării, reactoarele sunt împărțite în vas și canal. LA reactoare cu vas presiunea lichidului de răcire este purtată de corp. Debitul total de lichid de răcire curge în interiorul vasului reactorului. LA reactoare cu canal lichidul de răcire este furnizat pe fiecare canal cu ansamblul combustibil separat. Vasul reactorului nu este încărcat cu presiunea lichidului de răcire, această presiune este transportată de fiecare canal individual.

În funcție de scop, reactoarele nucleare se împart în putere, convertoare și multiplicatoare, de cercetare și polivalente, de transport și industriale.

Reactoarele nucleare sunt utilizate pentru a genera energie electrică în centralele nucleare, în centralele de navă, în centralele nucleare combinate de căldură și energie (CNE), precum și în stațiile de alimentare cu căldură nucleară (NPP).

Se numesc reactoare concepute pentru a produce combustibil nuclear secundar din uraniu natural și toriu convertoare sau ori prin factori. În reactorul-convertor de combustibil nuclear secundar se formează mai puțin decât consumul inițial.

În reactor - ori multiplicatorul, se realizează o reproducere extinsă a combustibilului nuclear, adică. se dovedește mai mult decât s-a cheltuit.

Reactoarele de cercetare sunt utilizate pentru studiul proceselor de interacțiune a neutronilor cu materia, studiul comportamentului materialelor reactoarelor în câmpuri intense de radiații neutronice și gama, cercetare radiochimică și biologică, producerea de izotopi, cercetare experimentală în fizica reactoarelor nucleare.

Reactoarele au putere diferită, mod de funcționare staționar sau în impulsuri. Cele mai utilizate reactoare de cercetare cu apă sub presiune pe uraniu îmbogățit. Puterea termică a reactoarelor de cercetare variază într-o gamă largă și ajunge la câteva mii de kilowați.

Reactoarele multifuncționale sunt reactoare care servesc mai multe scopuri, cum ar fi generarea de energie și producția de combustibil nuclear.

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

unde sa<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

la fel de

Aspecte de inginerie ale unui reactor de fuziune:

Reactorul tokamak de fuziune este format din următoarele părți principale: sisteme magnetice, criogenice și de vid, sistem de alimentare cu energie, pătură, circuit și protecție cu tritiu, sistem de încălzire suplimentară cu plasmă și alimentare cu combustibil, precum și un sistem de control și întreținere la distanță.

Sistemul magnetic conține bobine de câmp magnetic toroidal, un inductor pentru menținerea curentului și încălzirea prin inducție a plasmei și înfășurări care formează un câmp magnetic poloidal, care este necesar pentru funcționarea divertorului și menținerea echilibrului coloanei cu plasmă.

Pentru a elimina pierderile Joule, sistemul magnetic, așa cum am menționat mai devreme, va fi complet supraconductor. Pentru înfășurările sistemului magnetic, se presupune că se utilizează aliaje de niobiu-titan și niobiu-staniu.

Crearea unui sistem magnetic pentru un reactor supraconductor cu LA 12 T și o densitate de curent de aproximativ 2 kA este una dintre principalele probleme de inginerie în dezvoltarea unui reactor termonuclear, care va trebui rezolvată în viitorul apropiat.

Sistemul criogenic include un criostat al sistemului magnetic și criopanouri în injectoare pentru încălzirea suplimentară a plasmei. Criostatul are forma unei camere cu vid în care sunt închise toate structurile răcite. Fiecare bobină a sistemului magnetic este plasată în heliu lichid. Vaporii săi răcesc ecranele speciale situate în interiorul criostatului pentru a reduce fluxurile de căldură de la suprafețe la temperatura heliului lichid. Sistemul criogenic este prevăzut cu două circuite de răcire, în unul din care circulă heliu lichid, care asigură temperatura de aproximativ 4 K necesară pentru funcționarea normală a bobinelor supraconductoare, iar în celălalt - azot lichid, a cărui temperatură este de 80 - 95 K. Acest circuit servește la răcirea pereților despărțitori, separând părțile cu heliu și temperatura camerei.

Criopanourile injectoarelor sunt răcite cu heliu lichid și sunt concepute pentru a absorbi gazele, ceea ce face posibilă menținerea unei viteze de pompare suficiente la un vid relativ ridicat.

Sistemul de vid asigură pomparea heliului, hidrogenului și impurităților din cavitatea divertorului sau din spațiul din jurul plasmei în timpul funcționării reactorului, precum și din camera de lucru în pauzele dintre impulsuri. Pentru a se asigura că tritiul care este pompat nu este eliberat în mediu, este necesar să se asigure un circuit închis în sistem cu o cantitate minimă de tritiu circulant. Gazul poate fi pompat prin pompe turbomoleculare, a căror productivitate ar trebui să fie ceva mai mare decât cea atinsă astăzi. Durata pauzei de pregătire a camerei de lucru pentru următorul impuls nu depășește 30 s.

Sistemul de alimentare depinde în esență de modul de funcționare al reactorului. Este vizibil mai simplu pentru un tokamak care funcționează în mod continuu. Când funcționează în modul în impulsuri, este recomandabil să utilizați un sistem de alimentare combinat - o rețea și un motor-generator. Puterea generatorului este determinată de sarcinile de impuls și ajunge la 10 6 kW.

Pătura reactorului este situată în spatele primului perete al camerei de lucru și este proiectată să capteze neutronii produși în reacția DT, să reproducă tritiul „ars” și să transforme energia neutronilor în energie termică. Într-un reactor termonuclear hibrid, pătura servește și la producerea de materiale fisionabile. Pătura este, în esență, ceva nou care distinge un reactor termonuclear de o instalație termonucleară convențională. Experiența în proiectarea și operarea păturii nu este încă disponibilă, prin urmare, va fi necesară dezvoltarea de inginerie și proiectare a păturii cu litiu și uraniu.

Circuitul de tritiu este format din mai multe unitati independente care asigura regenerarea gazului pompat din camera de lucru, depozitarea si alimentarea acestuia pentru completarea cu plasma, extragerea tritiului din patura si revenirea acestuia in sistemul de alimentare cu energie electrica, precum si purificarea gazelor de eșapament și a aerului din acesta.

Protecția reactorului este împărțită în radiații și biologică. Ecranarea radiațiilor atenuează fluxul de neutroni și reduce eliberarea de energie în bobinele supraconductoare. Pentru funcționarea normală a sistemului magnetic cu un consum minim de energie, este necesară slăbirea fluxului de neutroni de 10 s -10 6 ori. Protecția împotriva radiațiilor este situată între pătură și bobinele câmpului toroidal și acoperă întreaga suprafață a camerei de lucru, cu excepția canalelor deviatorului și injectoarelor. In functie de compozitie, grosimea protectiei este de 80-130cm.

Scutul biologic coincide cu peretii halei reactorului si este realizat din beton cu grosimea de 200 - 250 cm.Protejeaza spatiul inconjurator de radiatii.

Sistemele de încălzire suplimentară cu plasmă și alimentare cu combustibil ocupă un spațiu semnificativ în jurul reactorului. Dacă plasma este încălzită de fascicule de atomi rapizi, atunci ecranul împotriva radiațiilor trebuie să înconjoare întregul injector, ceea ce este incomod pentru amenajarea echipamentelor în sala reactorului și întreținerea reactorului. Sistemele de încălzire de înaltă frecvență sunt mai atractive în acest sens, deoarece dispozitivele lor de intrare (antenele) sunt mai compacte, iar generatoarele pot fi instalate în afara halei reactorului. Cercetările asupra tokamak-urilor și dezvoltarea designului antenei vor face posibilă alegerea finală a unui sistem de încălzire cu plasmă.

Sistemul de control este o parte integrantă a unui reactor termonuclear. Ca în orice reactor, datorită nivelului destul de ridicat de radioactivitate din spațiul din jurul reactorului, acesta este controlat și întreținut de la distanță - atât în ​​timpul funcționării, cât și în perioadele de oprire.

Sursa de radioactivitate într-un reactor termonuclear este, în primul rând, tritiul, care se descompune odată cu emisia de electroni și 7-quanta de energie scăzută (timp de înjumătățire este de aproximativ 13 ani), iar în al doilea rând, nuclizii radioactivi formați în timpul interacțiunii neutronilor. cu materiale structurale ale păturii și camere de lucru. Pentru cele mai comune dintre ele (oțel, aliaje de molibden și niobiu), activitatea este destul de mare, dar totuși de aproximativ 10-100 de ori mai mică decât în ​​reactoarele nucleare de putere similară. În viitor, este planificată utilizarea materialelor cu activitate indusă scăzută într-un reactor termonuclear, de exemplu, aluminiu și vanadiu. Între timp, reactorul de fuziune tokamak este proiectat având în vedere întreținerea de la distanță, ceea ce impune cerințe suplimentare pentru proiectarea sa. În special, va consta din secțiuni identice conectate între ele, care vor fi umplute cu diverse blocuri (module) standard. Acest lucru va permite, dacă este necesar, înlocuirea nodurilor individuale relativ ușor folosind manipulatoare speciale.

Reacții nucleare. Energie nucleară.

nucleul atomic

Nucleul atomic este caracterizat de sarcina Ze, masa M, spin J, moment quadrupol magnetic și electric Q, o anumită rază R, spin izotonic T și este format din nucleoni - protoni și neutroni.

Numărul de nucleoni A dintr-un nucleu se numește numar de masa. Se numește numărul Z numărul de taxare nucleul sau numărul atomic. Deoarece Z determină numărul de protoni și A - numărul de nucleoni din nucleu, atunci numărul de neuroni din nucleul atomic este N=A-Z. Se numesc nuclee atomice cu același Z, dar A diferit izotopi. În medie, există aproximativ trei izotopi stabili pentru fiecare valoare Z. De exemplu, 28 Si, 29 Si, 30 Si sunt izotopi stabili ai nucleului Si. Pe lângă izotopii stabili, majoritatea elementelor au și izotopi instabili, care se caracterizează printr-o durată de viață limitată.

Se numesc nuclee cu același număr de masă A izobare, și cu același număr de neutroni - izotone.

Toate nucleele atomice sunt împărțite în stabile și instabile. Proprietățile nucleelor ​​stabile rămân neschimbate la nesfârșit. Nucleele instabile suferă diferite tipuri de transformări.

Măsurătorile experimentale ale maselor nucleelor ​​atomice, efectuate cu mare precizie, arată că masa unui nucleu este întotdeauna mai mică decât suma maselor nucleonilor săi constitutivi.

Energia de legare este energia care trebuie cheltuită pentru a împărți nucleul în nucleonii săi constitutivi.

Energia de legare legată de numărul de masă A se numește energia medie de legare a unui nucleonîn nucleul atomic (energie de legare per nucleon).

Energia de legare este aproximativ constantă pentru toți nucleele stabili și este aproximativ egală cu 8 MeV. Excepția este regiunea nucleelor ​​ușoare, unde energia de legare medie crește de la zero (A=1) la 8 MeV pentru nucleul 12C.

În mod similar, energia de legare per nucleon poate fi introdusă ca energia de legare a nucleului în raport cu celelalte părți constitutive ale acestuia.

Spre deosebire de energia medie de legare a nucleonilor, cantitatea de energie de legare a unui neuron și a unui proton variază de la nucleu la nucleu.

Adesea, în loc de energia de legare, o cantitate numită defect de masăși egal cu diferența dintre masele și numărul de masă al nucleului atomic.

Radiația gamma

Radiația gamma este radiație electromagnetică cu lungime de undă scurtă. La scara undelor electromagnetice, se învecinează cu radiația de raze X dure, ocupând regiunea cu frecvențe mai înalte. Radiația gamma are o lungime de undă extrem de scurtă (λhν (ν este frecvența radiației, h este constanta lui Planck).

Radiația gamma apare în timpul dezintegrarii nucleelor ​​radioactive, a particulelor elementare, în timpul anihilării perechilor particule-antiparticule, precum și în timpul trecerii particulelor încărcate rapid prin materie.

Radiația gamma, care însoțește dezintegrarea nucleelor ​​radioactive, este emisă în timpul tranziției nucleului de la o stare de energie mai excitată la o stare mai puțin excitată sau fundamentală. Energia unui cuantum γ este egală cu diferența de energie Δε ρ a stărilor între care are loc tranziția.

stare de excitat

Starea fundamentală a nucleului E1

Emiterea unui cuantum γ de către nucleu nu implică o modificare a numărului atomic sau a numărului de masă, spre deosebire de alte tipuri de transformări radioactive. Lățimea de linie a radiației gamma este extrem de mică (~10 -2 eV). Deoarece distanța dintre nivele este de multe ori mai mare decât lățimea liniei, spectrul de raze gamma are formă de linie, adică constă dintr-un număr de linii discrete. Studiul spectrelor radiațiilor gamma face posibilă stabilirea energiilor stărilor excitate ale nucleelor. Cuante gamma cu energii mari sunt emise în timpul dezintegrarii unor particule elementare. Astfel, dezintegrarea unui mezon π 0 în repaus dă naștere la radiații gamma cu o energie de ~70 MeV. Radiația gamma de la degradarea particulelor elementare formează, de asemenea, un spectru de linii. Cu toate acestea, particulele elementare aflate în descompunere se mișcă adesea la viteze comparabile cu viteza luminii. Ca urmare, are loc o lărgire Doppler a liniei și spectrul de raze gamma este mânjit pe o gamă largă de energie. Radiația gamma, formată în timpul trecerii particulelor încărcate rapid prin materie, este cauzată de decelerația lor către câmpul Coulomb al nucleelor ​​atomice ale materiei. Radiația gamma Bremsstrahlung, precum și radiația de raze X Bremsstrahlung, se caracterizează printr-un spectru continuu, a cărui limită superioară coincide cu energia unei particule încărcate, cum ar fi un electron. În acceleratoarele de particule, gama bremsstrahlung este produsă cu o energie maximă de până la câteva zeci de GeV.

În spațiul interstelar, radiația gamma poate apărea ca urmare a ciocnirii cuantelor de radiații electromagnetice cu lungimi de undă mai moale, cum ar fi lumina, cu electronii accelerați de câmpurile magnetice ale obiectelor spațiale. În acest caz, un electron rapid își transferă energia la radiația electromagnetică, iar lumina vizibilă se transformă în radiații gamma mai dure.

Un fenomen similar poate avea loc în condiții terestre când electronii de înaltă energie produși la acceleratori se ciocnesc cu fotonii luminii vizibile în fascicule de lumină intense produse de lasere. Electronul transferă energie unui foton de lumină, care se transformă într-un cuantic γ. Astfel, în practică este posibilă convertirea fotonilor individuali de lumină în cuante de raze gamma de înaltă energie.

Radiația gamma are o putere mare de penetrare, adică. poate pătrunde în grosimi mari de materie fără o slăbire apreciabilă. Principalele procese care au loc în timpul interacțiunii radiațiilor gamma cu materia sunt absorbția fotoelectrică (efectul fotoelectric), împrăștierea Compton (efectul Compton) și formarea perechilor electron-pozitron. În efectul fotoelectric, un cuantic γ este absorbit de unul dintre electronii atomului, iar energia cuantumului γ este convertită (minus energia de legare a electronului din atom) în energia cinetică a electronului care zboară. din atom. Probabilitatea efectului fotoelectric este direct proporțională cu puterea a cincea a numărului atomic al elementului și invers proporțională cu puterea a treia a energiei radiației gamma. Astfel, efectul fotoelectric domină în regiunea energiilor joase ale γ-quanta (£100 keV) pe elementele grele (Pb, U).

Cu efectul Compton, un cuantic γ este împrăștiat de unul dintre electronii legați slab în atom. Spre deosebire de efectul fotoelectric, γ-quantul nu dispare odată cu efectul Compton, ci modifică doar energia (lungimea de undă) și direcția de propagare. Ca urmare a efectului Compton, un fascicul îngust de raze gamma devine mai larg, iar radiația în sine devine mai moale (lungime de undă lungă). Intensitatea împrăștierii Compton este proporțională cu numărul de electroni din 1 cm 3 de substanță și, prin urmare, probabilitatea acestui proces este proporțională cu numărul atomic al substanței. Efectul Compton devine vizibil la substanțele cu un număr atomic mic și la energiile radiațiilor gamma care depășesc energia de legare a electronilor din atomi. Astfel, în cazul Pb, probabilitatea de împrăștiere Compton este comparabilă cu probabilitatea de absorbție fotoelectrică la o energie de ~0,5 MeV. În cazul Al, efectul Compton domină la energii mult mai mici.

Dacă energia cuantumului γ depășește 1,02 MeV, procesul de formare a perechilor electron-pozitron în câmpul electric al nucleelor ​​devine posibil. Probabilitatea formării perechii este proporțională cu pătratul numărului atomic și crește odată cu creșterea hν. Prin urmare, la hν ~ 10 MeV, procesul principal în orice substanță este formarea de perechi.

0,1 0,5 1 2 5 10 50

Energia razelor γ (Mev)

Procesul invers de anihilare a unei perechi electron-pozitron este o sursă de radiație gamma.

Pentru a caracteriza atenuarea radiației gamma într-o substanță, se folosește de obicei coeficientul de absorbție, care arată la ce grosime X a absorbantului este atenuată intensitatea I 0 a fasciculului de radiații gamma incidente în e o singura data:

Aici μ 0 este coeficientul de absorbție liniar al radiației gamma. Uneori se introduce un coeficient de absorbție de masă, egal cu raportul μ 0 la densitatea absorbantului.

Legea exponențială de atenuare a radiațiilor gamma este valabilă pentru direcția îngustă a fasciculului de raze gamma, atunci când orice proces, atât de absorbție, cât și de împrăștiere, îndepărtează radiația gamma din compoziția fasciculului primar. Cu toate acestea, la energii mari, procesul de trecere a radiațiilor gamma prin materie devine mult mai complicat. Electronii secundari și pozitronii au energie mare și, prin urmare, pot crea, la rândul lor, radiații gamma prin procesele de decelerare și anihilare. Astfel, în materie apar o serie de generații alternative de radiații gamma secundare, electroni și pozitroni, adică se dezvoltă un duș în cascadă. Numărul de particule secundare dintr-un astfel de duș crește mai întâi odată cu grosimea, atingând un maxim. Cu toate acestea, atunci procesele de absorbție încep să domine asupra proceselor de multiplicare a particulelor, iar dușul se atenuează. Capacitatea radiațiilor gamma de a dezvolta averse depinde de raportul dintre energia sa și așa-numita energie critică, după care un duș într-o anumită substanță își pierde practic capacitatea de a se dezvolta.

Pentru a schimba energia radiațiilor gamma în fizica experimentală, se folosesc spectrometre gamma de diferite tipuri, în mare parte bazate pe măsurarea energiei electronilor secundari. Principalele tipuri de spectrometre de radiații gamma sunt: ​​magnetice, cu scintilație, semiconductoare, cu difracție cu cristale.

Studiul spectrelor radiațiilor gamma nucleare oferă informații importante despre structura nucleelor. Observarea efectelor asociate cu influența mediului extern asupra proprietăților radiațiilor gamma nucleare este utilizată pentru studiul proprietăților solidelor.

Radiația gamma este utilizată în tehnologie, de exemplu, pentru a detecta defecte ale pieselor metalice - detectarea defectelor gamma. În chimia radiațiilor, radiațiile gamma sunt folosite pentru a iniția transformări chimice, cum ar fi procesele de polimerizare. Radiațiile gamma sunt folosite în industria alimentară pentru sterilizarea alimentelor. Principalele surse de radiație gamma sunt izotopii radioactivi naturali și artificiali, precum și acceleratorii de electroni.

Efectul radiațiilor gamma asupra organismului este similar cu efectul altor tipuri de radiații ionizante. Radiațiile gamma pot provoca daune prin radiații organismului, până la moartea acestuia. Natura influenței radiației gamma depinde de energia γ-quanta și de caracteristicile spațiale ale expunerii, de exemplu, externă sau internă. Eficacitatea biologică relativă a radiațiilor gamma este de 0,7-0,9. În condiții industriale (expunere cronică în doze mici), eficiența biologică relativă a radiațiilor gamma este luată egală cu 1. Radiațiile gamma sunt utilizate în medicină pentru tratamentul tumorilor, pentru sterilizarea spațiilor, echipamentelor și medicamentelor. Radiația gamma este, de asemenea, utilizată pentru a obține mutații cu selecția ulterioară a formelor utile din punct de vedere economic. Așa sunt crescute varietăți de microorganisme foarte productive (de exemplu, pentru a obține antibiotice) și plante.

Posibilitățile moderne de radioterapie s-au extins în primul rând datorită mijloacelor și metodelor de terapie gamma la distanță. Succesul terapiei gamma la distanță a fost obținut ca urmare a lucrărilor mari în domeniul utilizării surselor radioactive artificiale puternice de radiații gamma (cobalt-60, cesiu-137), precum și a noilor preparate gamma.

Marea importanță a terapiei gamma la distanță se explică și prin disponibilitatea relativă și ușurința în utilizare a dispozitivelor gamma. Acestea din urmă, precum și razele X, sunt proiectate pentru iradierea statică și mobilă. Cu ajutorul iradierii mobile, ei se străduiesc să creeze o doză mare în tumoră cu iradiere dispersată a țesuturilor sănătoase. Au fost aduse îmbunătățiri de proiectare a mașinilor cu raze gamma care vizează reducerea penumbrei, îmbunătățirea omogenizării câmpului, utilizarea filtrelor obturatoare și căutarea unor opțiuni suplimentare de protecție.

Utilizarea radiațiilor nucleare în producția de culturi a deschis noi oportunități largi pentru schimbarea metabolismului plantelor agricole, creșterea randamentului acestora, accelerarea dezvoltării și îmbunătățirea calității.

În urma primelor studii ale radiobiologilor, s-a constatat că radiațiile ionizante sunt un factor puternic care influențează creșterea, dezvoltarea și metabolismul organismelor vii. Sub influența iradierii gamma la plante, animale sau microorganisme, metabolismul coordonat se modifică, cursul proceselor fiziologice accelerează sau încetinește (în funcție de doză), se observă modificări ale creșterii, dezvoltării și formării culturilor.

Trebuie remarcat mai ales că în timpul iradierii gamma, substanțele radioactive nu intră în semințe. Semințele iradiate, precum și recolta crescută din acestea, sunt neradioactive. Dozele optime de iradiere nu fac decât să accelereze procesele normale care au loc în plantă și, prin urmare, orice temeri și avertismente împotriva utilizării unei culturi obținute din semințe care au fost supuse iradierii înainte de însămânțare sunt complet nefondate.

Radiațiile ionizante au început să fie folosite pentru a crește durata de valabilitate a produselor agricole și pentru a distruge diferite insecte dăunătoare. De exemplu, dacă boabele sunt trecute printr-un buncăr cu o sursă puternică de radiații înainte de a fi încărcate în lift, atunci posibilitatea de reproducere a dăunătorilor va fi exclusă și boabele pot fi depozitate pentru o lungă perioadă de timp fără nicio pierdere. Boabele în sine ca produs nutritiv nu se modifică la astfel de doze de radiații. Utilizarea sa de patru generații de animale experimentale nu a provocat abateri ale creșterii, capacității de reproducere și alte abateri patologice de la normă.

Reactorul atomic.

Sursa de energie pentru reactor este fisiunea nucleelor ​​grele. Amintiți-vă că nucleele sunt formate din nucleoni, adică protoni și neutroni. Numărul de protoni Z determină sarcina nucleului Ze: este egal cu numărul elementului din tabelul periodic, iar greutatea atomică a nucleului A este numărul total de protoni și neutroni. Nucleele care au același număr de protoni, dar numere diferite de neutroni sunt izotopi diferiți ai aceluiași element și sunt notați prin simbolul greutății atomice al elementului din stânga sus. De exemplu, există următorii izotopi ai uraniului: 238 U, 235 U, 233 U, ...

Masa nucleului M nu este doar egală cu suma maselor protonilor și neutronilor săi constituenți, ci mai mică decât aceasta cu valoarea M, care determină energia de legare.

(după raportul) M=Zm p +(A-Z)m n -(A)A, unde (A)c este energia de legare per nucleon. Valoarea (A) depinde de detaliile structurii nucleului corespunzător... Cu toate acestea, există o tendință generală de dependență a acestuia de greutatea atomică. Și anume, neglijând detaliile mici, această dependență poate fi descrisă printr-o curbă netedă, care crește la mic. A, atingând un maxim în mijlocul tabelului periodic și scăzând după valorile maxime până la mari ale lui A. Să ne imaginăm că un nucleu greu cu greutate atomică A și masă M este împărțit în două nuclee A 1 și A 2 cu mase M 1 și, respectiv, M 2 și A 1 + A 2 este egal cu A sau puțin mai mic decât acesta, deoarece mai mulți neutroni pot zbura în timpul procesului de fisiune. Pentru claritate, să luăm cazul A 1 + A 2 = A. Luați în considerare diferența dintre masele nucleului inițial și două nuclee finale și vom presupune că A 1 = A 2, astfel încât (A 1) \u003d ( A 2), M \u003d M- M 1 -M 2 \u003d - (A) A + (A 1) (A 1 + A 2) \u003d A ((A 1) - (A 1)). Dacă A corespunde nucleului greu de la sfârșitul tabelului periodic, atunci A 1 se află în mijloc și are o valoare maximă (A 2). Aceasta înseamnă că M>0 și, în consecință, în procesul de fisiune, se eliberează energia E d \u003d Ms 2. Pentru nucleele grele, de exemplu, pentru nucleele de uraniu, ((A 1) - (A)) cu 2 \u003d 1 MeV. Deci la A=200 avem o estimare E d = 200 MeV. Reamintim că un electron-volt (eV) este o unitate de energie în afara sistemului, egală cu energia dobândită de o sarcină elementară sub acțiunea unei diferențe de potențial de 1V (1eV = 1,6 * 10 -19 J). De exemplu, energia medie eliberată în timpul fisiunii nucleului 235 U

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

Astfel, nucleele grele sunt surse potențiale de energie. Cu toate acestea, fisiunea spontană a nucleelor ​​are loc extrem de rar și nu are nicio semnificație practică. Dacă un neutron intră într-un nucleu greu, atunci procesul de fisiune se poate accelera dramatic. Acest fenomen are loc cu intensitate diferită pentru diferite nuclee și este măsurat prin secțiunea transversală efectivă a procesului. Să ne amintim cum sunt determinate secțiunile transversale efective și cum sunt legate de probabilitățile anumitor procese. Imaginați-vă un fascicul de particule (de exemplu, neutroni) care cad pe o țintă constând din anumite obiecte, de exemplu, nuclee. Fie N 0 numărul de neutroni din fascicul, n este densitatea nucleelor ​​pe unitate de volum (1 cm 3). Să fim interesați de evenimente de un anumit fel, de exemplu, fisiunea nucleelor ​​țintă. Atunci numărul de astfel de evenimente N va fi determinat prin formula N=N 0 nl eff, unde l este lungimea țintă și eff se numește secțiunea transversală a procesului de fisiune (sau a oricărui alt proces) cu o energie dată E, corespunzătoare la energia neutronilor incidenti. După cum se poate observa din formula anterioară, secțiunea transversală efectivă are dimensiunea ariei (cm2). Are o semnificație geometrică complet de înțeles: este o platformă, la intrare în care are loc procesul care ne interesează. Evident, dacă secțiunea transversală este mare, procesul este intens, iar o secțiune transversală mică corespunde unei probabilități scăzute de a lovi această zonă, prin urmare, în acest caz, procesul are loc rar.

Deci, să avem pentru un nucleu o secțiune transversală eficientă suficient de mare a procesului de fisiune, în acest caz, în timpul fisiunii, împreună cu două fragmente mari A1 și A2, mai mulți neutroni pot zbura. Numărul mediu de neutroni suplimentari se numește factor de multiplicare și este notat cu simbolul k. Apoi reacția merge conform schemei

n+A A 1 + A 2 + kn.

Neutronii născuți în acest proces, la rândul lor, reacționează cu nucleele A, ceea ce dă noi reacții de fisiune și un număr nou și mai mare de neutroni. Dacă k > 1, un astfel de proces în lanț are loc cu o intensitate crescândă și duce la o explozie cu eliberarea unei cantități uriașe de energie. Dar acest proces poate fi controlat. Nu toți neutronii vor intra neapărat în nucleul A: pot ieși în exterior prin limita exterioară a reactorului, pot fi absorbiți în substanțe care sunt introduse special în reactor. Astfel, valoarea lui k poate fi redusă la niște k eff, care este egal cu 1 și o depășește doar puțin. Atunci este posibil să avem timp să devii energia produsă și funcționarea reactorului devine stabilă. Cu toate acestea, în acest caz, reactorul funcționează într-un mod critic. Eșecul de a drena energia ar duce la o reacție în lanț și un dezastru tot mai mare. In toate sisteme de operare sunt prevazute masuri de siguranta, dar accidentele, cu o probabilitate foarte mica, pot avea loc si, din pacate, chiar au loc.

Cum este selectată substanța de lucru pentru un reactor nuclear? Este necesar ca celulele de combustie să conțină nuclee izotopice cu o secțiune transversală de fisiune eficientă mare. Unitatea de măsură a secțiunii este 1 hambar \u003d 10 -24 cm 2. Vedem două grupuri de secțiuni transversale: (233 U, 235 U, 239 Pu) și mici (232 Th, 238 U). Pentru a ne imagina diferența, să calculăm cât de departe trebuie să parcurgă un neutron pentru ca un eveniment de fisiune să aibă loc. Să folosim pentru această formulă N=N 0 nl eff. Pentru N=N 0 =1 avem Aici n este densitatea nucleelor, unde p este densitatea obișnuită și m =1,66*10 -24 g este unitatea de masă atomică. Pentru uraniu și toriu, n = 4,8. 10 22 cm 3 . Atunci pentru 235 U avem l = 10 cm, iar pentru 232 Th l = 35 m. Astfel, pentru implementarea efectivă a procesului de fisiune, ar trebui folosiți izotopi precum 233 U, 235 U, 239 Pu. Izotopul 235 U este conținut într-o cantitate mică în uraniul natural, care constă în principal din 238 U, prin urmare, uraniul îmbogățit cu izotopul 235 U este de obicei folosit drept combustibil nuclear. În același timp, în timpul funcționării reactorului, un se produce o cantitate semnificativă dintr-un alt izotop fisionabil - 239 Pu. Plutoniul este obținut ca urmare a unui lanț de reacții

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

unde înseamnă emisia unui foton și este dezintegrarea conform schemei

Aici Z determină sarcina nucleului, astfel încât dezintegrarea are loc la următorul element al tabelului periodic cu același antineutrin A, e-electron și v-electron. De asemenea, trebuie menționat că izotopii A 1 , A 2 obținuți în procesul de fisiune, de regulă, sunt radioactivi cu timpi de înjumătățire de la un an la sute de mii de ani, astfel încât deșeurile centralelor nucleare, care este combustibil ars, este foarte periculos și necesită măsuri speciale de depozitare. Aici se pune problema stocării geologice, care ar trebui să asigure fiabilitatea pentru milioane de ani de acum înainte. În ciuda beneficiilor evidente ale energiei nucleare, bazată pe funcționarea reactoarelor nucleare într-un mod critic, aceasta are și dezavantaje serioase. Acesta este, în primul rând, riscul unor accidente similare cu Cernobîl și, în al doilea rând, problema deșeurilor radioactive. Propunerea de a folosi reactoare subcritice pentru energia nucleară rezolvă complet prima problemă și, în într-o mare măsură ușurează a doua.

Reactorul nuclear în modul subcritic ca amplificator de energie.

Imaginează-ți că am asamblat un reactor nuclear cu un factor eficient de multiplicare a neutronilor k eff puțin mai mic decât unitatea. Să iradiăm acest dispozitiv cu un flux extern constant de neutroni N 0. Atunci fiecare neutron (minus cei emisi și absorbiți, care se ia în considerare în k eff) va provoca fisiune, care va da un flux suplimentar N 0 k 2 eff. Fiecare neutron din acest număr va produce din nou k eff neutroni în medie, ceea ce va da un flux suplimentar N 0 k eff și așa mai departe. Astfel, fluxul total de neutroni care dă procese de fisiune se dovedește a fi egal cu

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

Dacă keff > 1, seria din această formulă diverge, ceea ce este o reflectare a comportamentului critic al procesului în acest caz. Dacă k eff< 1, ряд благополучно сходится и по формуле суммы геометрической прогрессии имеем

Eliberarea de energie pe unitatea de timp (putere) este apoi determinată de eliberarea de energie în procesul de fisiune,

unde sa<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. Este convenabil să se reprezinte fluxul de neutroni prin curentul acceleratorului

unde e este sarcina protonilor, care este egală cu sarcina electrică elementară. Când exprimăm energia în electroni volți, aceasta înseamnă că luăm reprezentarea E \u003d eV, unde V este potențialul corespunzător acestei energii, care conține tot atâtea volți cât electronvolți conține energie. Aceasta înseamnă că, ținând cont de formula anterioară, putem rescrie formula de eliberare a energiei la fel de

În cele din urmă, este convenabil să se reprezinte puterea plantei în formă

unde V este potențialul corespunzător energiei acceleratorului, deci VI conform formulei binecunoscute este puterea fasciculului acceleratorului: P 0 = VI, iar R 0 în formula anterioară este coeficientul pentru k eff = 0,98 , care oferă o marjă sigură de subcriticitate. Toate celelalte cantități sunt cunoscute, iar pentru o energie a acceleratorului de protoni de 1 GeV avem . Am obținut un câștig de 120, ceea ce, desigur, este foarte bun. Totuși, coeficientul formulei anterioare corespunde cazului ideal, când nu există pierderi de energie atât în ​​accelerator, cât și în producția de energie electrică. Pentru a obține un coeficient real, este necesar să se înmulțească formula anterioară cu randamentul acceleratorului ry și randamentul centralei termice r e. Atunci R=r y r e R 0 . Eficiența accelerației poate fi destul de mare, de exemplu, într-un proiect real al unui ciclotron de curent mare de 1 GeV, r y = 0,43. Eficiența producției de energie electrică poate fi de 0,42. În sfârșit, câștigul real R = r y r e R 0 = 21,8, ceea ce este încă destul de bun, deoarece doar 4,6% din energia produsă de instalație trebuie returnată pentru a menține acceleratorul. În acest caz, reactorul funcționează numai când acceleratorul este pornit și nu există pericolul unei reacții în lanț necontrolate.

Principiul construirii energiei nucleare.

După cum știți, totul în lume este format din molecule care

sunt complexe complexe de interacțiuni

atomi plutitori. Moleculele sunt cele mai mici particule

substanțe care își păstrează proprietățile. Compoziția moleculelor

include atomi ai diferitelor elemente chimice.

Elementele chimice sunt formate din atomi de același tip.

Atom, cea mai mică particulă a unui element chimic,

este din nucleul „greu” și se rotește în jurul electro-

Nucleele atomilor sunt formate dintr-un set de pozitive

protoni încărcați și neutroni neutri.

Aceste particule, numite nucleoni, sunt reținute

în nuclee prin forțe de atracție cu rază scurtă de acțiune,

care rezultă din schimburile de mezoni,

particule mai mici.

Nucleul elementului X este notat cu sau X-A, de exemplu, uraniu U-235 -,

unde Z este sarcina nucleului, egală cu numărul de protoni, care determină numărul atomic al nucleului, A este numărul de masă al nucleului, egal cu

numărul total de protoni și neutroni.

Nucleele elementelor cu același număr de protoni dar cu un număr diferit de neutroni se numesc izotopi (de exemplu, uraniu

are doi izotopi U-235 și U-238); nuclee la N=const, z=var - prin izobare.

Nucleele de hidrogen, protonii, precum și neutronii, electronii (particulele beta) și nucleele unice de heliu (numite particule alfa), pot exista în mod autonom în afara structurilor nucleare. Astfel de nuclee, sau alte particule elementare, care se deplasează în spațiu și se apropie de nuclee la distanțe de ordinul dimensiunilor transversale ale nucleelor, pot interacționa cu nucleele, după cum se spune, să participe la reacție. În acest caz, particulele pot fi captate de nuclee sau, după o coliziune, pot schimba direcția de mișcare, pot oferi o parte din energia cinetică nucleului. Astfel de acte de interacțiune se numesc reacții nucleare. O reacție fără pătrundere în nucleu se numește împrăștiere elastică.

După capturarea particulei, nucleul compus este într-o stare excitată. Nucleul se poate „elibera” de excitație în mai multe moduri - emite o altă particulă și un quantum gamma sau se împarte în două părți inegale. După rezultatele finale se disting reacții - captare, împrăștiere inelastică, fisiune, transformare nucleară cu emisia unui proton sau a unei particule alfa.

Energia suplimentară eliberată în timpul transformărilor nucleare ia adesea forma fluxurilor de raze gamma.

Probabilitatea unei reacții este caracterizată de valoarea „secțiunii transversale” a unui anumit tip de reacție.

Fisiunea nucleelor ​​grele are loc în timpul captării

neutroni. Aceasta eliberează noi particule.

iar energia de legare a nucleului, transferată

fragmente de fisiune. Acesta este un fenomen fundamental.

a fost descoperit la sfârșitul anilor 30 de oamenii de știință germani

nymi Hahn și Strassman, care au pus bazele

pentru utilizarea în practică a energiei nucleare.

Nucleele elementelor grele - uraniu, plutoniu și unele altele absorb intens neutronii termici. După actul de captare a neutronilor, un nucleu greu cu o probabilitate de ~0,8 este împărțit în două părți inegale ca masă, numite fragmente sau produse de fisiune. În acest caz, sunt emiși neutroni rapizi / (o medie de aproximativ 2,5 neutroni per eveniment de fisiune), particule beta încărcate negativ și cuante gamma neutre, iar energia de legare a particulelor din nucleu este convertită în energia cinetică a fragmentelor de fisiune, neutroni. și alte particule. Această energie este apoi cheltuită pentru excitarea termică a atomilor și moleculelor care alcătuiesc substanța, adică. pentru a încălzi materia înconjurătoare.

După actul fisiunii nucleare, fragmentele nucleare născute în timpul fisiunii, fiind instabile, suferă o serie de transformări radioactive succesive și, cu o oarecare întârziere, emit neutroni „întârziați”, un număr mare de particule alfa, beta și gama. Pe de altă parte, unele fragmente au capacitatea de a absorbi intens neutronii.

Un reactor nuclear este o instalație tehnică în care se realizează o reacție în lanț de fisiune a nucleelor ​​grele cu eliberare de energie nucleară. Un reactor nuclear este format dintr-o zonă activă și un reflector plasat într-o carcasă de protecție.Zona activă conține combustibil nuclear sub formă de compoziție de combustibil într-un strat protector și un moderator. Pilele de combustibil iau de obicei forma unor tije subțiri. Ele sunt adunate în mănunchiuri și închise în capace. Astfel de compoziții prefabricate sunt numite ansambluri sau casete.

Un lichid de răcire se deplasează de-a lungul elementelor de combustibil, care percepe căldura transformărilor nucleare. Lichidul de răcire încălzit în miez se deplasează de-a lungul circuitului de circulație datorită funcționării pompelor sau sub acțiunea forțelor lui Arhimede și, trecând prin schimbătorul de căldură sau generatorul de abur, degajă căldură lichidului de răcire al circuitului extern.

Transferul de căldură și mișcarea purtătorilor săi pot fi reprezentate ca o schemă simplă:

1.Reactor

2. Schimbător de căldură, generator de abur

3.Uzina cu turbine cu abur

4.Generator

5.Condensator

Dezvoltarea unei societăți industriale se bazează pe un nivel din ce în ce mai mare de producție și consum.

diverse tipuri de energie.

După cum știți, producția de căldură și electricitate se bazează pe procesul de ardere a combustibililor fosili.

resurse energetice -

• ulei

iar în inginerie nucleară - fisiunea nucleelor ​​atomilor de uraniu și plutoniu în timpul absorbției neutronilor.

Amploarea extracției și consumului de resurse energetice fosile, metale, consumul de apă, aer pentru producerea cantității de energie necesară omenirii este uriașă și, din păcate, rezervele de resurse sunt limitate. Deosebit de acută este problema epuizării rapide a resurselor organice de energie naturală.

1 kg de uraniu natural înlocuiește 20 de tone de cărbune.

Rezervele mondiale de resurse energetice sunt estimate la 355 Q, unde Q este o unitate de energie termică, egală cu Q=2,52*1017 kcal = 36*109 tone de combustibil standard /t.c.f./, adică. combustibil cu o putere calorică de 7000 kcal/kg, astfel încât rezervele de energie să fie de 12,8 * 1012 tone de combustibil de referință.

Din această sumă, aproximativ 1/3 i.e. ~ 4,3*1012 tce poate fi extras folosind tehnologia modernă la un cost moderat de extracție a combustibilului. Pe de altă parte, cererea actuală de purtători de energie este de 1,1*1010 tce/an și crește cu o rată de 3-4% pe an, i.e. dublu la fiecare 20 de ani.

Este ușor de estimat că resursele fosile organice, chiar și având în vedere probabila încetinire a creșterii consumului de energie, se vor epuiza în mare parte în următorul secol.

Apropo, observăm că la arderea cărbunilor fosili și a petrolului, care au un conținut de sulf de aproximativ 2,5%, se formează anual până la 400 de milioane de tone. dioxid de sulf și oxizi de azot, adică aproximativ 70 kg. substanțe nocive pe locuitor al pământului pe an.

Utilizarea energiei nucleului atomic, dezvoltarea energiei nucleare înlătură acuitatea acestei probleme.

Într-adevăr, descoperirea fisiunii nucleelor ​​grele în timpul captării neutronilor, care a făcut secolul nostru atomic, a adăugat rezervelor energetice de combustibili fosili o comoară semnificativă a combustibilului nuclear. Rezervele de uraniu din scoarța terestră sunt estimate la o cifră uriașă de 1014 tone. Cu toate acestea, cea mai mare parte a acestei bogății se află într-o stare dispersă - în granite, bazalt. În apele oceanelor, cantitatea de uraniu ajunge la 4 * 109 tone. Cu toate acestea, sunt cunoscute relativ puține zăcăminte bogate de uraniu în care exploatarea ar fi ieftină. Prin urmare, masa de resurse de uraniu care poate fi extrasă cu tehnologie modernă și la prețuri rezonabile este estimată la 108 tone. Cererea anuală de uraniu este, conform estimărilor moderne, de 104 tone de uraniu natural. Așadar, aceste rezerve fac posibilă, așa cum a spus academicianul A.P. Aleksandrov, „să înlăture sabia lui Damocles a insuficienței de combustibil pentru un timp practic nelimitat”.

O altă problemă importantă a societății industriale moderne este asigurarea conservării naturii, a purității apei și a aerului.

Preocuparea cunoscută a oamenilor de știință cu privire la „efectul de seră” care decurge din emisiile de dioxid de carbon din arderea combustibililor fosili și încălzirea climatică globală corespunzătoare pe planeta noastră. Iar problemele poluării cu gaze în bazinul aerian, ploile „acre” și otrăvirea râurilor s-au apropiat de un punct critic în multe zone.

Energia nucleară nu consumă oxigen și are emisii neglijabile în timpul funcționării normale. Dacă energia nucleară înlocuiește energia convențională, atunci posibilitatea unei „sere” cu consecințe grave asupra mediului ale încălzirii globale va fi eliminată.

O circumstanță extrem de importantă este faptul că energia nucleară și-a dovedit eficiența economică în aproape toate regiunile globului. În plus, chiar și cu o producție mare de energie la centralele nucleare, energia nucleară nu va crea probleme speciale de transport, deoarece necesită costuri de transport neglijabile, ceea ce eliberează societățile de povara transportului constant de cantități uriașe de combustibili fosili.

Reactoarele nucleare sunt împărțite în mai multe grupuri:

în funcție de energia medie a spectrului de neutroni - în rapid, intermediar și termic;

în funcție de caracteristicile de proiectare ale miezului - în carenă și canal;

după tipul de lichid de răcire - apă, apă grea, sodiu;

după tipul de moderator - în apă, grafit, apă grea etc.

În scopuri energetice, pentru producerea de energie electrică se folosesc următoarele:

reactoare cu apă sub presiune cu apă nefiertă sau apă clocotită sub presiune,

reactoare cu uraniu-grafit cu apă clocotită sau răcite cu dioxid de carbon,

reactoare cu canale de apă grea etc.

În viitor, reactoarele cu neutroni rapizi răcite cu metale lichide (sodiu etc.) vor fi utilizate pe scară largă; în care implementăm în mod fundamental modul de reproducere a combustibilului, adică. crearea unei cantități de izotopi fisionali Pu-239 ai plutoniului care depășește cantitatea de izotopi consumabili ai uraniului U-235. Parametrul care caracterizează reproducerea combustibilului se numește coeficient de plutoniu. Acesta arată câte acte de atomi de Pu-239 sunt create în reacțiile de captare a neutronilor în U-238 pentru un atom de U-235 care captează un neutron și suferă fisiune sau transformare radiativă în U-235.

Reactoarele cu apă sub presiune ocupă un loc proeminent în flota de reactoare de putere din lume. În plus, ele sunt utilizate pe scară largă în marina ca surse de energie atât pentru navele de suprafață, cât și pentru submarine. Astfel de reactoare sunt relativ compacte, simple și fiabile în funcționare. Apa, care servește ca lichid de răcire și moderator de neutroni în astfel de reactoare, este relativ ieftină, neagresivă și are proprietăți neutronice bune.

Reactoarele cu apă sub presiune sunt cunoscute și ca reactoare cu apă sub presiune sau cu apă ușoară. Sunt realizate sub forma unui vas cilindric sub presiune cu capac detașabil. Acest vas (vasul reactor) adăpostește miezul, care este compus din ansambluri de combustibil (cartușe de combustibil) și elemente mobile ale sistemului de control și protecție. Apa intră în corp prin duze, este introdusă în spațiul de sub miez, se deplasează vertical în sus de-a lungul elementelor de combustibil și este evacuată prin duzele de evacuare în bucla de circulație. Căldura reacțiilor nucleare este transferată în generatoarele de abur în apa secundară de presiune mai mică. Mișcarea apei de-a lungul circuitului este asigurată prin funcționarea pompelor de circulație, sau, ca în reactoarele pentru stațiile de alimentare cu căldură, datorită presiunii de antrenare a circulației naturale.

Fuziunea nucleară mâine.

„Mâine” este planificat, în primul rând, să creeze următoarea generație de tokamak, în care se poate realiza o sinteză auto-susținută. În acest scop, la Institutul de Echipamente Electrofizice I.V. Kurchatov și Institutul de Cercetare a Echipamentelor Electrofizice D.V. Efremov este în curs de dezvoltare un reactor termonuclear experimental (OTR).

În OTP, scopul este de a menține reacția în sine la un astfel de nivel încât raportul dintre producția utilă de energie și energia consumată (notat cu Q) să fie mai mare sau cel puțin egal cu unul: Q=1. Această condiție este o etapă serioasă în dezvoltarea tuturor elementelor sistemului pe calea creării unui reactor comercial cu Q=5. Conform estimărilor disponibile, doar la această valoare a lui Q se realizează autosuficiența unei surse de energie termonucleară, atunci când costurile tuturor proceselor de servicii, inclusiv costurile sociale și casnice, sunt plătite. Între timp, pe TFTR-ul american a fost atinsă valoarea lui Q=0,2-0,4.

Mai sunt si alte probleme. De exemplu, primul perete - adică carcasa unei camere cu vid toroidal - este partea cea mai stresantă, literalmente îndelungată, a întregii structuri. În OTR, volumul său este de aproximativ 300 m 3 , iar suprafața este de aproximativ 400 m 2 . Peretele trebuie să fie suficient de puternic pentru a rezista presiunii atmosferice și forțelor mecanice care decurg din câmpul magnetic și suficient de subțire pentru a elimina fluxurile de căldură din plasmă către apa care circulă pe partea exterioară a toroidului fără o diferență semnificativă de temperatură. Grosimea sa optimă este de 2 mm. Ca materiale au fost alese oțeluri austenitice sau aliaje de nichel și titan.

Este planificată instalarea NET (Next Europeus Tor) de către Euratom, în multe privințe similar cu OTP, aceasta este următoarea generație de tokamak-uri după JET și T-15.

NET ar fi trebuit să fie construit în perioada 1994-1999. Prima etapă a cercetării este planificată să fie efectuată în 3-4 ani.

Ei vorbesc și despre următoarea generație după NET - acesta este deja un reactor termonuclear „adevărat”, numit condiționat DEMO. Cu toate acestea, nu totul este clar chiar și cu NET, deoarece sunt planuri de a construi mai multe instalații internaționale.