Электрические сети энергосистем Основы энергосбережения Устройство реактора Физические основы  атомной энергетики Ядерное оружие Концепция развития атомной энергетики

Развитие атомной энергетики России

Физические основы атомной энергетики

Введение

Среди величайших достижений XX века наряду с генной и полупроводниковой технологиями открытие атомной энергии и овладение ею занимает особое место.

Человечество получило доступ к громадному и потенциально опасному источнику энергии, который нельзя ни закрыть, ни забыть, его нужно использовать не во вред, а на пользу человечеству.

У атомной энергии две "основные" функции – военная, раз­рушительная, и энергетическая – созидательная. По мере уничто­жения ядерных арсеналов, созданных в период хо­лодной войны, атомная энергия будет проникать внутрь цивили­зованного общества в виде тепла, электричества, медицинских изо­топов, ядерных технологий, нашедших применение в промышлен­ности, космосе, сельском хозяйстве, археологии, судебной меди­цине и т. д.

Цель настоящей лекции – дать Вам представление о теоретических и технических основах атомной энергетики.

Строение атома. Состав атомных ядер

Чтобы понять процессы, протекающие в ядерном реакторе, при превращении ядерной энергии в тепловую, нужно кратко остановится на строении материи.

Как известно, все в мире состоит из молекул, которые представляют собой сложные комплексы взаимодействующих атомов. Молекулы – это наименьшие частицы вещества, сохраняющие его свойства. В состав молекул входят атомы различных химических элементов. Согласно планетарной модели атома в положительно заряженном ядре исключительно малых размеров сконцентрирована практически вся масса атома. Вокруг ядра на очень больших (в атомном масштабе) расстояниях от него по круговым и эллиптическим траекториям вращаются отрицательно заряженные электроны.

Атомные ядра различных элементов состоят из двух частиц – протонов и нейтронов. Протон представляет собой атом водорода, из которого удален единственный электрон. Эта частица наблюдалась уже в опытах Дж. Томсона (1907 г.). В 1919 году Э. Резерфорд обнаружил ядра атома водорода в продуктах расщепления ядер атомов многих элементов. Резерфорд назвал эту частицу протоном. Он высказал предположение и подтвердил своими опытами, что протоны входят в состав всех атомных ядер.

После открытия протона было высказано предположение, что ядра атомов состоят из одних протонов. Однако это предположение оказалось несостоятельным, так как отношение заряда ядра к его массе не остается постоянным для разных ядер, как это было бы, если бы в состав ядер входили одни протоны. Для более тяжелых ядер это отношение оказывается меньше, чем для легких, то есть при переходе к более тяжелым ядрам масса ядра растет быстрее, чем заряд.

Идея о существовании тяжелой нейтральной частицы казалась Резерфорду настолько привлекательной, что он незамедлительно предложил группе своих учеников во главе с Дж. Чедвиком заняться поиском такой частицы. Через 12 лет в 1932 г. Чедвик экспериментально исследовал излучение, возникающее при облучении бериллия α-частицами и обнаружил, что это излучение представляет собой поток нейтральных частиц с массой, примерно равной массе протона. Так был открыт нейтрон.

Нейтрон – это элементарная частица. Масса нейтрона приблизительно на две электронные массы превосходит массу протона.

Сразу же после открытия нейтрона российский ученый Д.Д. Иваненко и немецкий физик В. Гейзенберг выдвинули гипотезу о протонно-нейтронном строении атомных ядер, которая полностью подтвердилась последующими исследованиями.

Протоны и нейтроны принято называть нуклонами. Число протонов, входящих в состав атомного ядра, обозначают символом Z и называют зарядовым числом или атомным номером (это порядковый номер в периодической таблице Менделеева). Число нейтронов обозначают символом N. Общее число нуклонов (то есть протонов и нейтронов) называют массовым числом A: A = Z + N.

Ядра одного и того же химического элемента могут отличаться числом нейтронов. Такие ядра называются изотопами. У большинства химических элементов имеется несколько изотопов. Химические элементы в природных условиях обычно представляют собой смесь изотопов. Присутствие изотопов определяет значение атомной массы природного элемента в периодической таблице Менделеева.

Представление о том, что мир состоит из фундаментальных частиц, имеет долгую историю. Впервые мысль о существовании мельчайших невидимых частиц, из которых состоят все окружающие предметы, была высказана за 400 лет до нашей эры греческим философом Демокритом. Он назвал эти частицы атомами, то есть неделимыми частицами. Наука начала использовать представление об атомах только в начале XIX века, когда на этой основе удалось объяснить целый ряд химических явлений. В 30-е годы XIX века в теории электролиза, развитой М. Фарадеем, появилось понятие иона и было выполнено измерение элементарного заряда. Конец XIX века ознаменовался открытием явления радиоактивности (А. Беккерель, 1896 г.), а также открытиями электронов (Дж. Томсон, 1897 г.) и α-частиц (Э. Резерфорд, 1899 г.). В 1905 году в физике возникло представление о квантах электромагнитного поля – фотонах (А. Эйнштейн). В 1911 году было открыто атомное ядро (Э. Резерфорд) и окончательно было доказано, что атомы имеют сложное строение. В 1919 году Резерфорд в продуктах расщепления ядер атомов ряда элементов обнаружил протоны. В 1932 году Дж. Чедвик открыл нейтрон. Стало ясно, что ядра атомов, как и сами атомы, имеют сложное строение. Возникла протон-нейтронная теория строения ядер (Д.Д. Иваненко и В. Гейзенберг). В том же 1932 году в космических лучах был открыт позитрон (К. Андерсон). Позитрон – положительно заряженная частица, имеющая ту же массу и тот же (по модулю) заряд, что и электрон. Существование позитрона было предсказано П. Дираком в 1928 году. В эти годы были обнаружены и исследованы взаимные превращения протонов и нейтронов и стало ясно, что эти частицы также не являются неизменными элементарными «кирпичиками» природы. В 1937 году в космических лучах были обнаружены частицы с массой в 207 электронных масс, названные мюонами (μ-мезонами). Затем в 1947–1950 годах были открыты пионы (то есть π-мезоны), которые, по современным представлениям, осуществляют взаимодействие между нуклонами в ядре. В последующие годы число вновь открываемых частиц стало быстро расти. Этому способствовали исследования космических лучей, развитие ускорительной техники и изучение ядерных реакций.

Явление радиоактивности было открыто в 1896 году французским физиком А. Беккерелем, который обнаружил, что соли урана испускают неизвестное излучение, способное проникать через непрозрачные для света преграды и вызывать почернение фотоэмульсии. Через два года французские физики М. и П. Кюри обнаружили радиоактивность тория и открыли два новых радиоактивных элемента – полоний 84Ро210 и радий 88Ra226. В последующие годы исследованием природы радиоактивных излучений занимались многие физики, в том числе Э. Резерфорд и его ученики.

Особенности ядерных реакторов Ядерный реактор - устройство для осуществления управляемой реакции деления и преобразования выделившейся при делении энергии в тепловую для дальнейшего использования. Главным условием нормальной работы ядерного реактора является контролируемый процесс деления урана и отвод избыточного тепла, образующегося при этом. При работе реактора в тепловыделяющих элементах (твэлах), а также во всех его конструктивных элементах в различных количествах выделяется теплота. Это связано прежде всего с торможением осколков деления, бета- и гамма- излучением их, а также ядер, испытывающих взаимодействие с нейронами, и, наконец, с замедлением быстрых нейронов.

Основной конструктивной деталью активной зоны является твэл, в значительной мере определяющий ее надежность, размеры и стоимость. В энергетических реакторах, как правило, используются стержневые твэлы с топливом в виде прессованных таблеток двуокиси урана, заключенных в оболочку из стали или циркониевого сплава. Твэлы для удобства собираются в тепловыделяющие сборки (ТВС), которые устанавливаются в активной зоне ядерного реактора.

Кроме того, приводится описание топливных циклов АЭ и технологических этапов, из которых они состоят. Это позволяет оценить необходимую детализацию будущей модели, понять, чем можно пренебречь, чтобы не делать работу с программой излишне сложной, а расчет длительным. Показано, что не все этапы можно описать численно, ввиду их сложности и многоступенчатости, например химические процессы. Но зачастую, это и не требуется, так как результаты программы, моделирующей систему АЭ, носят оценочный характер.

Баланс делящихся изотопов Критерий минимизации количества делящихся изотопов плутония и/или U233 на складе после переработки ОЯТ соответствует такому сценарному развитию атомной энергетики, при котором потребление вновь наработанных делящихся изотопов, выделенных из ОЯТ, считается приоритетным. Т.е. в системе должны присутствовать быстрые  и тепловые реакторы в пропорциях, обеспечивающих максимально полное использование переработанного топлива.

Энергосбережение – это организационная, научная, практическая, информационная деятельность, направленная на рациональное и экономическое использование первичной и преобразованной энергии и природных энергетических ресурсов на народное хозяйство с использованием технико-экономических и правовых методов.

Органическое топливо - состоит из горючих веществ, негорючих минеральных примесей и влаги. Древесное топливо представляет собой в основном клетчатку, образующую собой стенки клеток и межклеточное вещество лигнин. Содержание в древесине клетчатки достигает 50-70%, лигнин 20-30%, остальное воски, смолы, жирные кислоты. Ископаемое твердое топливо характеризуется общностью происхождения горючей части. Они произошли в основном из растительной массы.

Экологические проблемы энергетики Традиционным способом выработки тепла и электроэнергии сопряжены с разносторонним и локальным глобальным воздействием на окружающую среду. - выброс в атмомферу вредных веществ, сброс минеарализованых вод, потребление значительного количества кислорода, изъятием большых площадей земли под сохранение отходов. Способствует возникновение парникового эффекта, способного повышению планетарной температуры и др.

Гос экспертиза энергосбережения и энергоаудит. Это система мероприятий по установлению соответствия показателей объектов, экспертизы, требований нормативно правовых актов и нормативно технических  документов в сфере энергосбережения.

Энергетический баланс предприятий Эл. баланс предприятий устанавливает соответствие между суммарной подведенной энергией и суммарной полезной энергией и потерями.

Учет электроэнергии


Энергетика