Лекція №2 Види радіоактивних розпадів І випромінювань 8



Сторінка18/22
Дата конвертації15.02.2018
Розмір1.55 Mb.
ТипЛекція
1   ...   14   15   16   17   18   19   20   21   22

Лекція № 12. Ядерна енергетика


Щоб розділити будь яке ядро на його складові протони і нейтрони та видалити їх з поля дії ядерних сил, треба виконати роботу, тобто затратити енергію. Цю енергію називають енергією зв'язку ядра. При утворенні ядра з нуклонів енергія зв'язку навпаки виділяється.

Якщо розрахувати масу ядра, наприклад атома гелію, за формулою



,

де MЯ - маса ядра; mр - маса протонів, Np - число протонів, мп - маса нейтронів, Nn - число нейтронів,

то вона буде дорівнювати

  а.о.м.

Разом з тим фактична маса ядра гелію дорівнює 4,003 а.о.м. Таким чином, фактична маса ядра гелію виявляється менше розрахункової на величину 0,03 а.о.м. В цьому випадку говорять, що ядро має дефект маси (нестача маси). Різницю між розрахунок ∆м між розрахунковою і фактичною масою ядра називають дефектом маси.

Дефект маси показує, наскільки міцно пов'язані частки в ядрі, а також скільки енергії виділилося при утворенні ядра з окремих нуклонів. Цей розрахунок можна провести на підставі рівняння взаємозв'язку між масою і енергією, виведеного А. Ейнштейном:



де Е-енергія, ерг, м - маса, г, с - швидкість світла, рівна 3 • 1010 см / с.

Відповідно до цього закону маса і енергія являють собою різні форми одного і того самого явища. Ні маса, ні енергія не зникають, а при відповідних умовах переходять з одного виду в інший, тобто будь-якої зміни маси ∆м системи відповідає еквівалентна зміна її енергії ∆Е:

Як уже зазначалося, в ядерній фізиці за одиницю енергії прийнято електронвольт, тому енергію зв'язку ядра можна виразити в електронвольт, виходячи з того, що енергетичний еквівалент 1 а.о.м. становить 931 МеВ:



 МеВ.

Якби існував спосіб поділу ядра атома гелію на два протони і два нейтрони, то для цього треба було б затратити не менше 28 МеВ енергії.

Середню енергію зв'язку, що припадає на один нуклон, називають питомою енергією зв'язку. Для гелію вона становить 28:4 = 7 МеВ. Отже, знаючи дефект маси, можна легко вирахувати енергію зв'язку ядра. Енергія зв'язку ядер пропорційно зростає із збільшенням числа нуклонів, проте нестрого пропорційно їх числа. Наприклад, енергія ядра дейтерію складає 2,2 МеВ, азоту - 104,56, а урану - 1800 МеВ. Якщо не вважати найлегших ядер (дейтерій, тритій), то енергія зв'язку на один нуклон становить для всіх ядер приблизно 8 МеВ.

Для порівняння необхідно нагадати, що хімічна енергія зв'язку атомів у молекулах в розрахунку на один атом дорівнює кільком електронвольт (2 ... 5 еВ). Саме цим пояснюється, що ядерні реакції характеризуються в мільйон разів більше енергії, ніж звичайні хімічні реакції.

Таким чином, закон взаємозв'язку маси і енергії показує, звідки виникає та колосальна енергія, яка виділяється при синтезі і розподілі ядер.

Термоядерні реакції синтезу

У надрах Сонця міститься гігантська кількість водню, що знаходиться в стані надвисокого стиснення при температурі близько 15 000 000 К. При таких високих температурі і щільності плазми ядра водню відчувають постійні зіткнення один з одним, частина з яких завершується їх злиттям і в кінцевому рахунку утворенням більш важких ядер гелію. Подібні реакції, що носять назву термоядерного синтезу, супроводжуються виділенням величезної кількості енергії. Згідно законам фізики, енерговиділення при термоядерному синтезі обумовлено тим, що при утворенні більш важкого ядра частина маси, що входила до складу легких ядер перетворюється на колосальну кількість енергії. Саме тому Сонце, володіючи гігантської масою, в процесі термоядерного синтезу щодня втрачає ~ 100 млрд. т речовини і виділяє енергію, завдяки якій стала можливою життя на Землі.



Ядерні реактори

Ядерний реактор - пристрій, в якому здійснюється керована ланцюгова реакція поділу, що супроводжується виділенням енергії. Для цих реакцій необхідна наявність в реакторі речовини, що ділиться, яка при своєму розпаді виділяє елементарні частинки, здатні викликати розпад інших ядер.

Розподіл атомного ядра може відбутися спонтанно або при попаданні в нього елементарної частинки. Мимовільний розпад в ядерній енергетиці не використовується через дуже низьку його інтенсивність.

В якості речовини, що ділиться в даний час можуть використовуватися ізотопи урану - уран-235 і уран-238, а також плутоній-239.

У ядерному реакторі відбувається ланцюгова реакція. Ядра урану або плутонію розпадаються, при цьому утворюються два-три ядра елементів середини таблиці Менделєєва, виділяється енергія, випромінюються гамма-кванти і утворюються два або три нейтрона, які, в свою чергу, можуть прореагувати з іншими атомами і, викликавши їх розподіл, продовжити ланцюгову реакцію. Для розпаду атомного ядра необхідно попадання в нього елементарної частинки з певною енергією (величина цієї енергії повинна лежати в певному діапазоні: більш повільна або більш швидка частинка просто відштовхнеться від ядра, не проникнувши в нього). Найбільше значення в ядерній енергетиці мають нейтрони.

Залежно від швидкості елементарної частинки виділяють два види нейтронів: швідкі та повільні. Нейтрони різних видів по-різному впливають на ядра поділу елементів.

Уран-238 ділиться тільки швидкими нейтронами. При його розподілі виділяється енергія і утворюється 2-3 швидких нейтрона. Внаслідок того, що ці швидкі нейтрони уповільнюються в речовині урану-238 до швидкостей, нездатних викликати розподіл ядра урану-238, ланцюгова реакція в урані-238 протікати не може.

Оскільки в природному урані основний ізотоп - уран-238, то ланцюгова реакція в природному урані протікати не може.

У урані-235 ланцюгова реакція протікати може, тому що найбільш ефективно його поділ відбувається, коли нейтрони уповільнені в 3-4 рази в порівнянні з швидкими, що проходять при досить довгому їх пробігу в товщі урану без ризику бути поглиненими сторонніми речовинами або при проходженні через речовину, що володіє властивістю сповільнювати нейтрони, не поглинаючи їх.

Оскільки в природному урані є досить велика кількість речовин, що поглинають нейтрони (той же уран-238, який при цьому перетворюється в іншій подільний ізотоп - плутоній-239), то в сучасних ядерних реакторах необхідно для уповільнення нейтронів застосовувати не сам уран, а інші речовини, що мало поглинають нейтрони (наприклад, графіт або важка вода).

Звичайна вода нейтрони уповільнює дуже добре, але сильно їх поглинає. Для цього для нормального протікання ланцюгової реакції при використанні як уповільнювача звичайної легкої води необхідно використовувати уран з високою часткою подільного ізотопу - урану-235 (збагачений уран). Збагачений уран виробляють по досить складній і трудомісткій технології на гірничо-збагачувальних комбінатах, при цьому утворюються токсичні і радіоактивні відходи.

Графіт добре уповільнює нейтрони й погано їх поглинає. Тому при використанні графіту як сповільнювача можна використовувати менш збагачений уран, ніж при використанні легкої води.

Важка вода дуже добре уповільнює нейтрони й погано їх поглинає. Тому при використанні важкої води як уповільнювача можна використовувати менш збагачений уран, ніж при використанні легкої води. Але виробництво важкої води дуже трудомістке і екологічно небезпечне.

При попаданні повільного нейтрона в ядро урану-235 він може бути захоплений цим ядром. При цьому відбудеться ряд ядерних реакцій, підсумком яких стане утворення ядра плутонія-239. (Плутоній-239 в принципі може теж використовуватися для потреб ядерної енергетики, але в даний час він є одним з основних компонентів начинки атомних бомб.) Тому ядерне паливо в реакторі не тільки витрачається, але й напрацьовується. У деяких ядерних реакторах основним завданням є саме така напрацювання.

Іншим способом вирішити проблему необхідності уповільнення нейтронів є створення реакторів без необхідності їх уповільнювати - реакторів на швидких нейтронах. У такому реакторі основною ділильною речовиною є не уран, а плутоній. Уран (використовується уран-238) виступає як додатковий компонент реакції - від швидкого нейтрона, випущеного при розпаді ядра плутонію, відбудеться розпад ядра урану з виділенням енергії та випусканням інших нейтронів, а при попаданні в ядро урану уповільненого нейтрона воно перетвориться в плутоній-239, відновлюючи тим самим запаси ядерного палива в реакторі. У зв'язку з малою величиною поглинання нейтронів плутонієм ланцюгова реакція в сплаві плутонію і урану-238 йти буде, причому в ній буде утворюватися велика кількість нейтронів.

Таким чином, в ядерному реакторі повинен використовуватися або збагачений уран з сповільнювачем, що поглинає нейтрони, або незбагачений уран з сповільнювачем, що мало поглинає нейтрони, або сплав плутонію з ураном без сповільнювача. Про різних типах ядерних реакторів, що реалізують ці три можливості різними способами, буде говоритися далі.

Вміст урану в земній корі 3–4*10-4%. В природному урані переважає:


  • 238U – 99,28%;

  • 235U – 0,71%;

  • 234U – 0,006%.

Урана приблизно в 1000 разів більше, ніж золота, в 30 разів більше, ніж срібла, і майже стільки ж, скільки цинку і свинцю.

Відомо близько 200 уранових і урановмісних мінералів.


Фіз. властивості.

1. У чистому вигляді уран - сріблясто-білий метал, на повітрі повільно покривається чорною плівкою оксиду, яка гальмує подальшу корозію. При нагріванні окислення прискорюється.

2. Щільність урану - 19, 05 г/см3.

3. Слабопарамагнтний.

4. Температура плавлення урану близько 1405 К, температура кипіння - 4090 К.

5. Електропровідність - 2-4 • 104 (Ом • см)-1.



Хім. властивості.

1. Металевий уран хімічно високоактивний. Він легко реагує з усіма металоїдами.

2. У вигляді тонкого пилу на повітрі самозаймається.

3. При 100о С повільно розкладає воду.

4. У присутності окислювачів розчиняється в кислотах.

5. В лугах не розчинний.

Ядерна фізика є досить молодою наукової дисципліною, і перший ядерний реактор був побудований людиною всього 60 років тому - в 1942 р. Проте, природні ядерні реактори існували на нашій планеті ще 2 млрд. років тому. Поки науці відомі 17 стародавніх природних реакторів, розташованих в Габоні - однієї з країн екваторіальної Африки. Всі реактори були виявлені в районі уранових родовищ Окло і Бангомбе, які знаходяться на південно-сході Габону. Дев'ять із сімнадцяти реакторів знайдені в повністю вироблених уранових покладах.

Утворення природних ядерних реакторів стало можливим завдяки тому, що в настільки давні часи на Землі було більше урану-235, ніж сьогодні. Для протікання ядерної реакції необхідно, щоб в урані містилося не менше 3% ізотопу-235. Крім того, необхідна наявність відповідного простору і відсутність матеріалів, захватуючих нейтрони. Час роботи габонських реакторів склав приблизно 1 млн. років. В даний час виникнення таких реакторів неможливо, оскільки через спонтанний розпад урану-235 його концентрація в природі невелика.

Атомні електростанції відносяться до теплових, так як в їх структурі є тепловиділювачі, теплоносій і генератор електричного струму - турбіна. Існують як одноконтурні АЕС, так і двох-трьох-контурні (це залежить від типу ядерного реактора).

ВВЕР


Реактори ВВЕР(Водо-Водяний Енергетичний Реактор) є найпоширенішим типом реакторів в Росії та Україні. Досить привабливі дешевизна використовуваного в них теплоносія-уповільнювача і відносна безпека в експлуатації, незважаючи на необхідність використання в цих реакторах збагаченого урану. Із самої назви реактора ВВЕР випливає, що у нього і сповільнювачем, і теплоносієм є звичайна легка вода. В якості палива використується збагачений до 4.5% уран. Принципова схема реактора ВВЕР представлена на малюнку.

Як видно зі схеми, він має два контури. Перший контур, реакторний, повністю ізольований від другого, що зменшує радіоактивні викиди в атмосферу. Циркуляційні насоси (насос першого контуру на схемі не показаний) прокачують воду через реактор і теплообмінник (живлення циркуляційних насосів походить від турбіни). Вода реакторного контуру знаходиться під підвищеним тиском, так що незважаючи на її високу температуру (293 градуса - на виході, 267 - на вході в реактор) її закипання не відбувається. Вода другого контуру знаходиться під звичайним тиском, так що в теплообміннику вона перетворюється на пару. В теплообміннику-парогенераторі теплоносій, циркулює по першому контуру, віддає тепло воді другого контуру. Пар, генерований в парогенераторі, по головних паропроводах другого контуру надходить на турбіни і, віддає частину своєї енергії на обертання турбіни, після чого поступає в конденсатор. Конденсатор, охолоджуваний водою циркуляційного контуру (так би мовити, третій контур), забезпечує збір і конденсацію відпрацьованої пари. Конденсат, пройшовши систему, подається знову в теплообмінник.

Енергетична потужність більшості реакторів ВВЕР у нашій країні - 1000 Мега ват (Мвт).

Будова активної зони реактора ВВЕР показана на малюнку. Вона має міцний зовнішній сталевий корпус, який може в разі непередбачених обставин локалізувати можливу аварію. Корпус повністю заповнений водою під високим тиском. У середині активної зони розташовані ТВЗ з кроком в 20-25 см. Деякі ТВС доповнені зверху поглиначем з бороциркониевого сплаву і нітриду бору та здатні знаходиться в активній зоні - таким чином здійснювати регулювання ланцюгової реакції. Вода подається в реактор знизу під тиском. Зверху реактор закритий сталевою кришкою, герметизуючою його корпус і для біозахисту.



РБМК


РБМК(Реактор Большой Мощности Канальный) побудований за кілька іншим принципом, ніж ВВЕР. Насамперед у його активній зоні відбувається кипіння - з реактора надходить пароводяна суміш, яка, проходячи через сепаратори, ділиться на воду, що повертається на вхід реактора, і пар, який йде безпосередньо на турбіну. Електрика, що виробляється турбіною, витрачається, як і в реакторі ВВЕР, також на роботу циркуляційних насосів. Його принципова схема - на малюнку.

Основні технічні характеристики РБМК наступні. Активна зона реактора, вертикальний циліндр діаметром 11,8 метрів і висотою 7 метрів (мал. нище). За периферії активної зони, а також зверху і знизу розташований бічний відбивач - суцільно графітова кладка товщиною 0,65 метра. Власне активна зона зібрана з графітових шестигранних колон (усього їх 2488), зібраних з блоків перетином 250х250мм. По центру кожного блоку крізь всю колону проходять наскрізні отвори діаметром 114мм для розміщення технологічних каналів і стрижнів.

Загальне число технологічних каналів в активній зоні 1693. Усередині більшості технологічних каналів знаходяться тепловиділяючі касети, мають досить складну структуру. Касета складається з двох послідовно з'єднаних тепловиділяючих збірок (ТВЗ,ТВС), довжина кожної з яких 3,5 м. ТВС містить 18 стрижневих твелів - трубок зовнішнім діаметром 13,5 мм з товщиною стінки 0,9 мм, заповнених циліндрами діаметром 11,5 мм з двоокису урану (UO2), кріпильні деталі зі сплаву цирконія і несучий стрижень з оксиду ніобію. Стінки касети щільно фіксовані до графітової кладки, а всередині касет циркулює вода. В інших каналах розташовані стрижні системи управління захистом, що складаються з поглинача - бороциркониевого сплаву. Деякі канали повністю ізольовані від теплоносія, і в них розташовані датчики радіації.

Електрична потужність РБМК -1000 МВт. АЕС з реакторами РБМК становлять бульшу частину в атомній енергетиці. Так, ними оснащені Ленінградська, Курська, Чорнобильська, Смоленська, Ігналінська АЕС.




Поділіться з Вашими друзьями:
1   ...   14   15   16   17   18   19   20   21   22

Схожі:

Лекція №2 Види радіоактивних розпадів І випромінювань 8 icon9 клас І. Мистецтво в просторі культури Види і мова мистецтв
Види І мова мистецтв. Види мистецтва та специфіка їх художньо-образної мови. Просторові, часові та просторово-часові (синтетичні)...
Лекція №2 Види радіоактивних розпадів І випромінювань 8 iconЛекція №2 Основні аспекти інформатики. Архітектура персональних комп'ютерів Основні розділи лекції
Виникла на стику всіх медичних дисциплін, досліджує всі види медичної інофрмації, зв’язки між ними І формує системний підхід в осмисленні...
Лекція №2 Види радіоактивних розпадів І випромінювань 8 iconДіяльність В.І. Вернадського
Наукові праці присвячено дослідженням хімічного складу земної кори, атмосфери, гідросфери, міграції хімічних елементів у земній корі,...
Лекція №2 Види радіоактивних розпадів І випромінювань 8 iconСкладні речення, їх види
Мета: повторити, закріпити, узагальнити знання учнів про складні речення, їх групи, вдосконалювати вміння І навички визначати види...
Лекція №2 Види радіоактивних розпадів І випромінювань 8 iconЛекція Предмет та основні функції релігії Лекція 2
Термін "релігія" походить, за Цицероном, від латинського "геge1е" шанувати, почитати, І означає "богошанування", "культ"; або ж,...
Лекція №2 Види радіоактивних розпадів І випромінювань 8 iconПрограма курсу за вибором зі світової літератури «Мотиви й образи світової літератури в музичному мистецтві»
Заняття Мистецтво. Види мистецтва. Література, музика як види мистецтва
Лекція №2 Види радіоактивних розпадів І випромінювань 8 iconТема: Види мистецтва та специфіка їх художньо-образної мови. Просторові, часові та просторово-часові (синтетичні) види мистецтв. Поняття «образ» у мистецтві. Світ людини й образ світу у мистецьких шедеврах
Просторово-часові (синтетичні) види мистецтв. Поняття «образ» у мистецтві. Світ людини
Лекція №2 Види радіоактивних розпадів І випромінювань 8 iconТема: Види мистецтва та специфіка їх художньо-образної мови. Просторові, часові та просторово-часові (синтетичні) види мистецтв. Поняття «образ» у мистецтві. Світ людини й образ світу у мистецьких шедеврах
Просторово-часові (синтетичні) види мистецтв. Поняття «образ» у мистецтві. Світ людини
Лекція №2 Види радіоактивних розпадів І випромінювань 8 iconКурс лекцій київ «либідь» 1997 зміст передмова вступ тема східна азія. Тибет І великий степ у середні віки лекція китай (закінчення) Лекція великий степ
Головна редакція літератури з духовного відродження України та історико-філософських наук
Лекція №2 Види радіоактивних розпадів І випромінювань 8 iconМатеріали для опрацювання художнякультур а
Види мистецтва та специфіка їх художньо-образної мови. Просторові, часові та просторово-часові (синтетичні) види мистецтв. Поняття...


База даних захищена авторським правом ©biog.in.ua 2017
звернутися до адміністрації

    Головна сторінка