Ядерная энергетика

Презентация на тему: «Ядерная энергетика.»

 

Выполнила:

Ученица 9-А класса

Стасовская Илона

История развития атомной энергетики

 

В 1939 году впервые удалось расщепить атом урана. Прошло еще 3 года, и в США  был создан реактор для осуществления  управляемой ядерной реакции. Затем  в 1945 г. была изготовлена и испытана атомная бомба, а в 1954 г. в нашей  стране была пущена в эксплуатацию первая в мире атомная электростанция. Во всех этих случаях использовалась огромная энергия распада атомного ядра. Еще большее количество энергии  выделяется в результате синтеза  атомных ядер. В 1953 году в СССР впервые  была испытана термоядерная бомба, и  человек научился воспроизводить процессы, происходящие на солнце. Пока использовать для мирных целей ядерный синтез нельзя, но, если это станет возможным, то люди обеспечат себя дешевой энергией на миллиарды лет. Эта проблема –  одно из важнейших направлений современной  физики на протяжении последних 50 лет.

Приблизительно  до 1800 года основным топливом было дерево. Энергия древесины получена из солнечной  энергии, запасенной в растениях  в течение их жизни. Начиная с  Индустриальной революции, люди зависели от полезных ископаемых – угля и  нефти, энергия которых также  происходила из запасенной солнечной  энергии. Когда топливо типа угля сжигается, атомы водорода и углерода, содержащиеся в угле, объединяются с атомами кислорода воздуха. При возникновении водного или  углеродистого диоксида происходит выделение высокой температуры, эквивалентной приблизительно 1.6 киловатт-час  на килограмм или приблизительно 10 электрон-вольт на атом углерода. Это количество энергии типично  для химических реакций, приводящих к изменению электронной структуры  атомов. Части энергии, выделенной в  виде высокой температуры, достаточно для поддержания продолжения  реакции.

Первая  в мире АЭС опытно-промышленного  назначения мощностью 5 МВт была пущена в СССР 27 июня 1954 г. в г. Обнинске. До этого энергия атомного ядра использовалась преимущественно в военных целях. Пуск первой АЭС ознаменовал открытие нового направления в энергетике, получившего признание на 1-й Международной  научно-технической конференции  по мирному

Основы  ядерной энергии

 

  
Атомное ядро характеризуется зарядом Ze, массой М, спином J, магнитным и электрическим квадрупольным моментом Q, определенным радиусом R, изотопическим спином Т и состоит из нуклонов – протонов и нейтронов. Все атомные ядра разделяются на стабильные и нестабильные. Свойства стабильных ядер остаются неизменными неограниченно долго. Нестабильные же ядра испытывают различного рода превращения.

Явление радиоактивности, или спонтанного  распада ядер, была открыта французским  физиком А. Беккерелем в 1896 г. Он обнаружил, что уран и его соединения испускают лучи или частицы, проникающие  сквозь непрозрачные тела и способные  засвечивать фотопластинку, Беккерель  установил, что интенсивность излучения  пропорциональна только концентрации урана и не зависит от внешних  условий (температура, давление) и от того, находится ли уран в каких-либо химических соединениях.

Энергия связи ядра характеризует его устойчивость к распаду на составные части. Если энергия связи ядра меньше энергии  связи продуктов его распада, то это означает, что ядро может  самопроизвольно (спонтанно) распадаться. При альфа-распаде альфа-частицы уносят почти всю энергию, и только 2% ее приходится на вторичное ядро. При альфа-распаде массовое число изменяется на 4 единицы, а атомный номер на две единицы.

Начальная энергия  альфа-частицы составляет 4–10 МэВ. Поскольку  альфа-частицы имеют большую массу  и заряд, длина их свободного пробега  в воздухе невелика. Так, например, длина свободного пробега в воздухе  альфа-частиц, испускаемых ядром  урана, равна 2,7 см, а испускаемых  радием, – 3,3 см.

 

Альфа-распад

Бета-распад

 

Это процесс  превращения атомного ядра в другое ядро с изменением порядкового номера без изменения массового числа. Различают три типа бета – распада: электронный, позитронный и захват орбитального электрона атомным  ядром. Последний тип распада  принято также называть К-захватом, поскольку при этом наиболее вероятно поглощение электрона с ближайшей к ядру К оболочки. Поглощение электронов с L и М оболочек также возможно, но менее вероятно. Период полураспада b – активных ядер изменяется в очень широких пределах.

Число бета-активных ядер, известных в настоящее время, составляет около полутора тысяч, но только 20 из них являются естественными бета-радиоактивными изотопами. Все остальные получены искусственным путем.

Непрерывное распределение по кинетической энергии  испускаемых при распаде электронов объясняется тем обстоятельством, что наряду с электроном испускается  и антинейтрино. Если бы не было антинейтрино, то электроны имели бы строго определенный импульс, равный импульсу остаточного  ядра. Резкий обрыв спектра наблюдается  при значении кинетической энергии, равной энергии бета-распада. При  этом кинетические энергии ядра и  антинейтрино равны нулю и электрон уносит всю энергию, выделяющихся при  реакции.

При электронном  распаде остаточное ядро имеет порядковый номер на единицу больше исходного  при сохранении массового числа. Это означает, что в остаточном ядре число протонов увеличилось  на единицу, а число нейтронов, наоборот, стало меньше: N=A – (Z+1).

Гамма-распад

 

Стабильные  ядра находятся в состоянии, отвечающем наименьшей энергии. Это состояние  называется основным. Однако путем  облучения атомных ядер различными частицами или высокоэнергетическими  протонами им можно передать определенную энергию и, следовательно, перевести  в состояния, отвечающие большей  энергии. Переходя через некоторое  время из возбужденного состояния  в основное, атомное ядро может  испустить или частицу, если энергия  возбуждения достаточно высока, или  высокоэнергетическое электромагнитное излучение – гамма-квант. Поскольку  возбужденное ядро находится в дискретных энергетических состояниях, то и гамма-излучение  характеризуется линейчатым спектром.

Замечательным и чрезвычайно важным свойством  реакции деления является то, что  в результате деления образуется несколько нейтронов. Это обстоятельство позволяет создать условия для  поддержания стационарной или развивающейся  во времени цепной реакции деления  ядер. Действительно, если в среде, содержащей делящиеся ядра, один нейтрон вызывают реакцию деления, то образующиеся в  результате реакции нейтроны могут  с определенной вероятностью вызвать  деление ядер, что может привести при соответствующих условиях к  развитию неконтролируемого процесса деления.

Устройство  энергетических ядерных реакторов

 

Энергетический  ядерный реактор – это устройство, в котором осуществляется управляемая  цепная реакция деления ядер тяжелых  элементов, а выделяющаяся при этом тепловая энергия отводится теплоносителем. Главным элементом ядерного реактора является активная зона. В нем размещается  ядерное топливо и осуществляется цепная реакция деления. Активная зона представляет собой совокупность определенным образом размещенных тепловыделяющих  элементов, содержащих ядерное топливо. В реакторах на тепловых нейтронах  используется замедлитель. Через активную зону прокачивается теплоноситель, охлаждающий тепловыделяющие элементы. В некоторых типах реакторов  роль замедлителя и теплоносителя  выполняет одно и то же вещество, например обычная или тяжелая  вода.

Для управления работой реактора в активную зону вводятся регулирующие стержни из материалов, имеющих большое сечение поглощения нейтронов. Активная зона энергетических реакторов окружена отражателем  нейтронов – слоем материала  замедлителя для уменьшения утечки нейтронов из активной зоны. Кроме  того, благодаря отражателю происходит выравнивание нейтронной плотности  и энерговыделения по объему активной зоны, что позволяет при данных размерах зоны получить большую мощность, добиться более равномерного выгорания топлива, увеличить продолжительность работы реактора без перегрузки топлива и упростить систему теплоотвода. Отражатель нагревается за счет энергии замедляющихся и поглощаемых нейтронов и гамма-квантов, поэтому предусматривается его охлаждение. Активная зона, отражатель и другие элементы размещаются в герметичном корпусе или кожухе, обычно окруженном биологической защитой.

Ядерная энергия: за и против

 

Современная цивилизация  немыслима без электрической энергии. Выработка и использование электричества увеличивается с каждым годом, но перед человечеством уже маячит призрак грядущего энергетического голода из-за истощения месторождений горючих ископаемых и все больших экологических потерь при получении электроэнергии.  
Энергия, выделяющаяся в ядерных реакциях, в миллионы раз выше, чем та, которую дают обычные химические реакции (например, реакция горения), так что теплотворная способность ядерного топлива оказывается неизмеримо большей, чем обычного топлива. Использовать ядерное топливо для выработки электроэнергии – чрезвычайно заманчивая идея. 
Преимущества атомных электростанций (АЭС) перед тепловыми (ТЭЦ) и гидроэлектростанциями (ГЭС) очевидны: нет отходов, газовых выбросов, нет необходимости вести огромные объемы строительства, возводить плотины и хоронить плодородные земли на дне водохранилищ. Пожалуй, более экологичны, чем АЭС, только электростанции, использующие энергию солнечного излучения или ветра. Но и ветряки, и гелиостанции пока маломощны и не могут обеспечить потребности людей в дешевой электроэнергии – а эта потребность все быстрее растет. И все же целесообразность строительства и эксплуатации АЭС часто ставят под сомнение из-за вредного воздействия радиоактивных веществ на окружающую среду и человека.

Мировой опыт и перспективы развития ядерной  энергетики

 

В результате оптимизации топливно-энергетического  баланса установлены приоритеты территориального размещения генерирующих мощностей: в Европейской части  России развитие электроэнергетики  целесообразно осуществлять за счет технического перевооружения действующих  тепловых электростанций, создания мощностей  парогазовых установок и максимального  развития атомных электростанций, которые  будут в значительной степени  покрывать повышение потребности  этого региона в электроэнергии.

В оптимистическом  варианте развития экономики энерговыработка АЭС должна возрасти до 200 млрд кВтч в 2010 году (в 1,4 раза) и до 300 млрд кВтч в 2020 году (а 2 раза). Кроме того, предусматривается развитие производства тепловой энергии от атомных энергоисточников до 30 млн Гкал в год.

При умеренном  варианте развития экономики потребность  в производстве электроэнергии на атомных  станциях может составить в 2020 году до 230 млрд кВтч. Возможность увеличения производства энергии на атомных станциях до 270 млрд кВтч связана с созданием энергокомплексов АЭС – ГАЭС, повышением объемов производства и потребления тепловой энергии в районах размещения действующих и новых АЭС и АТЭЦ (до 30 млн Гкал в год), а также с переводом газоперекачивающих станций магистральных трубопроводов на электропривод от АЭС, развитием энергоемких производств (алюминий, сжиженный газ, синтетическое жидкое топливо и др.).

Доля  производства электроэнергии на атомных  станциях в Европейской части  России возрастет к 2020 году до 32%.

При темпах роста производства электроэнергии в России более 2% в год для атомной  энергетики ставится цепь обеспечить ежегодный рост энерговыработки более 4% с темпом наращивания производства электроэнергии до 8 млрд кВтч и тепла – до 1,5 млн Гкал в год.

Атомно-энергетический комплекс России имеет потенциал  для динамичного развития в соответствии с параметрами, установленными Энергетической стратегией России на период до 2020 года.

Государственное планирование СССР в 80-х годах XX века определяло к началу XXI вена создание мощностей атомных станций в  России до 50 ГВт с темпом роста  до 2 ГВт в год и производство тепла до 40 млн Гкал в год. Кроме того, предусматривалось строительство энергокомплексов АЭС – ГАЭС (до 10 ГВт пиковой мощности). Фактически в эксплуатацию введено около половины запланированных мощностей АЭС (реализованный темп роста – до 1 ГВт

Экология

 

  
Даже если атомная электростанция работает идеально и без малейших сбоев, ее эксплуатация неизбежно ведет к накоплению радиоактивных веществ. Поэтому людям приходится решать очень серьезную проблему, имя которой – безопасное хранение отходов.

Отходы  любой отрасли промышленности при  огромных масштабах производства энергии, различных изделий и материалов создают огромной проблемой. Загрязнение  окружающей среды и атмосферы  во многих районах нашей планеты  внушает тревогу и опасения. Речь идет о возможности сохранения животного  и растительного мира уже не в  первозданном виде, а хотя бы в пределах минимальных экологических норм.

Радиоактивные отходы образуются почти на всех стадиях  ядерного цикла. Они накапливаются  в виде жидких, твердых и газообразных веществ с разным уровнем активности и концентрации. Большинство отходов  являются низкоактивными: это вода, используемая для очистки газов и поверхностей реактора, перчатки и обувь, загрязненные инструменты и перегоревшие лампочки из радиоактивных помещений, отработавшее оборудование, пыль, газовые фильтры и многое другое.

Газы  и загрязненную воду пропускают через  специальные фильтры, пока они не достигнут чистоты атмосферного воздуха и питьевой воды. Ставшие  радиоактивными фильтры перерабатывают вместе с твердыми отходами. Их смешивают  с цементом и превращают в блоки  или вместе с горячим битумом  заливают в стальные емкости.

Труднее всего подготовить к долговременному  хранению высокоактивные отходы. Лучше  всего такой «мусор» превращать в стекло и керамику. Для этого  отходы прокаливают и сплавляют  с веществами, образующими стеклокерамическую массу. Рассчитано, что для растворения 1 мм поверхностного слоя такой  массы в воде потребуется не менее 100 лет.