Полезное:
Как сделать разговор полезным и приятным
Как сделать объемную звезду своими руками
Как сделать то, что делать не хочется?
Как сделать погремушку
Как сделать так чтобы женщины сами знакомились с вами
Как сделать идею коммерческой
Как сделать хорошую растяжку ног?
Как сделать наш разум здоровым?
Как сделать, чтобы люди обманывали меньше
Вопрос 4. Как сделать так, чтобы вас уважали и ценили?
Как сделать лучше себе и другим людям
Как сделать свидание интересным?
Категории:
АрхитектураАстрономияБиологияГеографияГеологияИнформатикаИскусствоИсторияКулинарияКультураМаркетингМатематикаМедицинаМенеджментОхрана трудаПравоПроизводствоПсихологияРелигияСоциологияСпортТехникаФизикаФилософияХимияЭкологияЭкономикаЭлектроника
|
Управляемая цепная реакция деления. Ядерные реакторыПромышленное использование ядерной энергии возможно, как отмечалось в лекции 3, при условии к = 1, когда цепная реакция управляема и протекает с постоянной скоростью. Устройство для осуществления самоподдерживающейся реакции деления ядер называют ядерным реактором. Первый реактор, предназначавшийся для наработки 239Рu, был пущен в декабре 1942 г. в Чикаго под руководством Э. Ферми. В 1946 г. в СССР под руководством академика И.В. Курчатова был пущен реактор такого же типа, а в 1954 г. — первая в мире атомная электростанция (АЭС). Реакторы классифицируют по многим признакам: по назначению (энергетические, исследовательские и реакторы-размножители); по энергетическому спектру нейтронов (медленные — тепловые; промежуточные и быстрые); по способу размещения горючего в замедлителе (гетерогенные и гомогенные); по роду замедлителя (графитные, тяжеловодные, реакторы на обычной воде, реакторы с бериллиевым и окисно-бериллиевым замедлителем); по роду теплоносителя (газовые, водяные, жидкометаллические и т.п.); по тепловой схеме (одно-, трехконтурные); по конструктивной схеме (канальные и корпусные).
Ядерный реактор это устройство, в котором осуществляется и поддерживается управляемая цепная реакция деления. Рассмотрим принцип действия реактора на тепловых нейтронах.В активной зоне peaктора рас-положены тепловыделяющие элементы (твэлы) 1 и
замедлитель 2 (в нем нейтроны замедляются до тепловых скоростей). Твэлы изготавливаются в виде из делящегося материала. За счет выделяю-щейся при делении ядер энергии твэлы разо-греваются и помещаются в поток теплоносителя 3. Активная зона окружена отражателем нейтронов (4). Управление цепной реакцией осуществляется специальными управляющими стержнями 5 из материалов, сильно поглощающих нейтроны Чтобы реакция не прекратилась, из активной зоны постепенно извлекаются управляющие (а часто специальные компенсирующие) стержни. Ядерный реактор представляет собой источник проникающей радиации (п, γ), поэтому он имеет биологическую защиту и пульт дистанционного управления. Общим для реакторов всех типов является наличие активной зоны, где происходит реакция. В активной зоне находится топливо. Регулирование скорости цепной реакции («сгорания топлива») в реакторе достигается введением в массу ядерного топлива подвижных стержней. Стержни выполняют функцию поглотителя быстрых нейтронов, испускаемых при делении и необходимых для поддержания реактора в критическом состоянии, когда к = 1. Подвижные управляющие стержни изготавливают из кадмия или бора. В качестве же замедлителей быстрых нейтронов могут использоваться: тяжелая вода, графит , бор, бериллий и другие химические элементы и их соединения. Активная зона окружена отражателем, например, из бериллия, графита, тяжелой и обычной воды для уменьшения утечки нейтронов. Это делает возможным работу реактора при меньшем количестве ядерного топлива. Наиболее опасно излучение быстрых нейтронов и жестких γ-квантов. Поэтому для снижения радиоактивного излучения до безопасного уровня за отражателем расположена биологическая защита. В большинстве случаев в качестве биологической защиты применяют слой бетона толщиной до 2,5 м. Розжиг реактора начинают при к > 1, когда регулирующие стержни выведены из активной зоны атомного реактора. Именно таким образом начинается цепная реакция деления в тепловыделяющих элементах — твэлах. Твэлы бывают стержневые и пластинчатые. По мере размножения нейтронов стержни вводятся в каналы между тепловыделяющими элементами и замедляют реакцию деления, поглощая часть нейтронов, до к = 1. Тепловыделяющий элемент имеет диаметр 1,5 см и длину 4—5 м. Основной конструктивной деталью его является сердечник из таблетированного диоксида урана. Ядерные реакторы укомплектованы примерно двумястами твэлов. Суммарная масса урана в них достигает 100 т. Уран обогащен изотопом урана с массовым числом 235 или плутонием . Количество U в начале эксплуатации равно 3%, в конце — 1%. На обогащенном уране работают водоохлаждаемые реакторы, а на природном — охлаждаемые углекислым газом.Срок эксплуатации твэлов — примерно три года; После чего они удаляются из ядерного реактора и заменяются новым ядерным топливом. Для облегчения перезарядки реактора тепловыделяющие элементы объединяются в тепловыделяющие сборки. Облученные твэлы высокорадиоактивны и содержат около 200 расщепляющихся продуктов. Алюминиевые и магниевые оболочки твэлов чувствительны к излучениям и температурам. Под их воздействием урановые стержни твэлов и их оболочки сильно деформируются уже при температуре в окрестности 300 °С. В оболочках возникают мелкие трещины и через них радиоактивные вещества попадают в воздух и воду. С учетом изложенного предел температуры теплоносителей составляет примерно 270°С. Однако с помощью ряда конструктивных мероприятий и выбора соответствующих материалов активной зоны (металлокерамики, оболочек из циркониевых сплавов и др.) этот предел удалось поднять до 350—560°С в реакторах с пароводяным рабочим телом и до 700—800°С в реакторах с газовым и жидкометаллическим теплоносителем. Описанная конструкция реактора называется гетерогенной. Цепная реакция ведется на медленных и тепловых нейтронах, которые хорошо поглощаются ядрами любого из указанных выше радиоактивных элементов, вызывая их деление. Осколки урановых ядер, образующиеся в процессе цепной реакции, тормозятся замедлителем и отдают ему свою кинетическую энергию. Это приводит к повышению температуры в активной зоне реактора до 800-900 К. Получаемая таким образом теплота отводится из активной зоны реактора теплоносителем. Наилучшими теплоносителями считаются жидкие металлы Na и К, затем вода (тяжелая и обычная), органические теплоносители (дифенил и др.) и СО2. Затем тепловой потенциал теплоносителя преобразуется в энергию пара вторичного теплоносителя — рабочего тела, которая затем превращается в механическую энергию вращения ротора турбины, на валу которой находится ротор электрического генератора. Наилучшим рабочим телом считается гелий. И в основном потому, что он не поддается радиационной активации. В медленных реакторах используется менее 1% энергоемкости природного урана. Поэтому будущее ядерной энергетики планируется в расчете на быстрые реакторы-размножители, в которых используется природный уран. Поглощая быст рый нейтрон, ядро урана-238 превращается в ядро радиоактивного изотопа U (T = 23 мин):
Ядро изотопа U переходит в ядро радиоак-тивного трансуранового элемента нептуния (Т=2,3 дня)
который затем, испуская β -частицу, превращается в ядро трансуранового элемента плутония:
Период полураспада плутония — 24 100 лет. Поэтому реакция этого типа позволяет получить ядерную энергию при одновременном получении другого радиоактивного топлива — плутония с нечетным числом нейтронов. Точнее, на каждое разделившееся ядро урана или нептуния образуется больше одного ядра нового, способного к делению плутония. К концу XX века в мире будет сосредоточено 1700 т плутония. Кстати, на изготовление одной бомбы необходимо 5 кг. Возникает вопрос о том, что делать с таким количеством плутония. До настоящего времени нет ясности в вопросе стоимости электроэнергии, вырабатываемой на АЭС. Навряд ли она меньше стоимости электроэнергии, получаемой на ТЭС. Отметим наиболее существенные проблемы атомной энергетики. Это прежде всего, высокая стоимость предприятий по добыче и обогащению урана. В процессе управляемой цепной реакции почти 99% ядерного топлива идет в отходы, которые невозможно уничтожить и нельзя хранить на обычных складах. Количество ядерного мусора растет на каждом этапе ядерного топливного цикла, начинающегося на стадии добычи сырья на урановых рудниках. Элементы здания АЭС, тех-нологическая аппаратура, соприкасающиеся с ядерными энергоносителями и продуктами их распада, подвергаются радиоактивному заражению и становятся источниками радиации, требующими тщательного захоронения. Захоронение радиоак-тивных отходов, предприятий по переработке ядерного топлива и самой АЭС после 30-летнего срока эксплуатации представляет самую трудную задачу ядерной энергетики. Более подробно проблемы «мирного» использования энергии атома будут рассмотрены ниже. По данным Международного агентства по атомной энергетике (МАГАТЭ), в настоящее время число действующих в мире реакторов достигло 426. Суммарная электрическая мощность реакторов составляет 320 ГВт. В мировом энергетическом балансе это соответствует 17% производства электроэнергии. Больше всего АЭС в США — 110, затем во Франции, бывшем СССР, Англии, Японии. Мировое лидерство в развитии атомной энергетики принадлежит Франции, АЭС которой вырабатывают почти 75% всего объема электроэнергии. Однако в целом в мире имеет место тенденция сокращения строительства новых АЭС. Ядерные реакторы использовались также в качестве нестационарных энергетических устано-вок на ледоколах «Ленин» (введен в эксплуатацию в 1960 г. Имеет три реактора общей тепловой мощ-ностью 270 МВт, работающих на диоксиде урана, обогащенном до 5% ураном-235. Суточный расход урана — 0,7 кг), «Арктика» (введен в эксплуатацию в 1972 г.Общая энергетическая мощность турбоэлектрической машинной установки достигает 55 МВт) и «Сибирь». Особенно широкое использование получили водо-водяные реакторы на подводных лодках. Термоядерная реакция синтеза легких ядер.
|