Реферат: Атомная энергетика, проблемы развития и принцип действия

РОСГИДРОМЕТ

РЕФЕРАТ

По предмету:«Природопользование»

На тему: Атомная энергетика

Выполнила: ст-кагр.«Э-3а» Ячменева Инна

Иркутск 1998 г.

Принцип построения атомной энергетики.

1.1 Элементыядерной физики

1.1.1 Строениеатомов, ядер

Как известно, все в мире состоит из молекул,которые

представляютсобой сложные комплексы взаимодейст-

вующихатомов. Молекулы — это наименьшие частицы

вещества,сохраняющие его свойства. В состав молекул

входятатомы различных химических элементов.

Химические элементы состоят из атомоводного типа.Атом, мельчайшая частица химическогоэлемента, сос-тоит из«тяжелого» ядра и вращающихсявокруг электро-нов.

Ядра атомов образованы совокупностью положительнозаряженных протонов и нейтральных нейтронов.Эти частицы, называемые нуклонами, удерживаютсяв ядрахкороткодействующими силами притяжения,

возникающими за счет обменов мезонами,

частицами меньшей массы.

Ядроэлемента X обозначают как или X-A, например уран U-235 - ,

гдеZ — заряд ядра, равный числу протонов, определяющий атомный номер ядра, A — массовоечисло ядра, равное

суммарномучислу протонов и нейтронов.

Ядраэлементов с одинаковым числом протонов, но разным числом нейтронов называютсяизотопами (например, уран

имеетдва изотопа U-235 и U-238); ядра при N=const, z=var — изобарами.

1.1.2 Ядерные реакции

Ядра водорода, протоны, а также нейтроны, электроны (бета-частицы) и одиночные ядра гелия (называемые альфа-частицами), могут существовать автономно вне ядерныхструктур. Такие ядра или иначе элементарные частицы, двигаясь в пространстве иприближаясь к ядрам на расстояния порядка поперечных размеров ядер, могутвзаимодействовать с ядрами, как говорят участвовать в реакции. При этом частицымогут захватываться ядрами, либо после столкновения — менять направление движения,отдавать ядру часть кинетической энергии. Такие акты взаимодействия называютсяядерными реакциями. Реакция без проникновения внутьядра называется упругим рассеянием.

После захвата частицы составное ядро находится ввозбужденном состоянии. «Освободиться» от возбуждения ядро можетнесколькими способами — испустить какую-либо другую частицу и гамма-квант, либоразделиться на две неравные части. Соответственно конечным результатамразличают реакции — захвата, неупругого рассеяния, деления, ядерногопревращения с испусканием протона или альфа-частицы.

Дополнительная энергия, освобождаемая при ядерныхпревращениях, часто имеет вид потоков гамма-квантов.

Вероятность реакции характеризуется величиной«поперечного сечения» реакции данного типа.

1.1.3 Деление ядер

Деление тяжелых ядер происходит при захвате

нейтронов. При этом испускаются новые частицы

и освобождается энергия связи ядра, передаваемая

осколкам деления. Это фундаментальное явление

было открыто в конце 30-ых годов немецкими уче-

нымиГаноми Штрасманом, что заложило основу

для практического использования ядерной энергии.

Ядра тяжелых элементов — урана, плутония и некоторыхдругих интенсивно поглощают тепловые нейтроны. После акта захвата нейтрона, тяжелоеядро с вероятностью ~0,8 делится на две неравные по массе части, называемыеосколками или продуктами деления. При этом испускаются — быстрые нейтроны/ (всреднем около 2,5 нейтронов на каждый акт деления), отрицательно заряженные бета-частиц и нейтральные гамма-кванты,а энергия связи частиц в ядре преобразуется в кинетическую энергию осколковделения, нейтронов и других частиц. Эта энергия затем расходуется на тепловоевозбуждение составляющих вещество атомов и молекул, т.е. на разогреваниеокружающего вещества.

После акта деления ядер рожденные при деленииосколки ядер, будучи нестабильными, претерпевают ряд последовательныхрадиоактивных превращений и с некоторым запаздыванием испускают«запаздывающие» нейтроны, большое число альфа, бета и гамма-частиц. С другой стороны некоторые осколки обладаютспособностью интенсивно поглощать нейтроны.

1.1.4 Ядерный реактор

Ядерный реактор — это техническая установка, вкоторой осуществляется самоподдерживающаяся цепная реакция деления тяжелых ядерс освобождением ядерной энергии. Ядерный реактор состоит из активной зоны иотражателя, размещенных в защитном корпусе.Активнаязона содержит ядерное топливо в виде топливной композиции в защитном покрытии изамедлитель. Топливные элементы обычно имеют вид тонких стержней. Они собраны впучки и заключены в чехлы. Такие сборные композиции называются сборками иликассетами.

Вдоль топливных элементов двигается теплоноситель,который воспринимает тепло ядерных превращений. Нагретый в активной зонетеплоноситель двигается по контуру циркуляции за счет работы насосов либо поддействием сил Архимеда и, проходя через теплообменник, либо парогенератор,отдает тепло теплоносителю внешнего контура.

Перенос тепла и движения его носителей можнопредставить в виде простой схемы:

1.Реактор

2.Теплообменник,парогенератор

3.Паротурбинная установка

4.Генератор

5.Конденсатор

6.Насос

2.1 Проблемы развития энергетики

Развитие индустриального общества опирается напостоянно растущий уровень производства и потребления

различных видов энергии.

Как известно, в основе производства тепловой иэлектрической энергии лежит процесс сжигания ископаемых

энергоресурсов —

·<span Times New Roman"">

угля

·<span Times New Roman"">

нефти

·<span Times New Roman"">

газа

а в атомной энергетике — деление ядер атомов урана иплутония при поглощении нейтронов.

Масштаб добычи и расходования ископаемыхэнергоресурсов, металлов, потребления воды, воздуха для производстванеобходимого человечеству количества энергии огромен, а запасы ресурсов, увы,ограничены. Особенно остро стоит проблема быстрого исчерпания запасов органическихприродных энергоресурсов.

1 кг природного ураназаменяет 20 т угля.

Мировые запасы энергоресурсов оцениваются величиной355 Q, где Q — единица тепловой энергии, равная Q=2,52*1017 ккал = 36*109 тоннусловного топлива /т.у.т/, т.е. топлива с калорийностью7000 ккал/кг, так что запасы энергоресурсов составляют 12,8*1012 т.у.т.

Из этого количества примерно 1/3 т.е. ~ 4,3*1012 т.у.т. могут быть извлечены с использованием современнойтехники при умеренной стоимости топливодобычи. Сдругой стороны современнные потребности вэнергоносителях составляют 1,1*1010 т.у.т./год, ирастут со скоростью 3-4% в год, т.е. удваиваются каждые 20 лет.

Легко оценить, что органические ископаемые ресурсы,даже если учесть вероятное замедление темпов роста энергопотребления, будут взначительной мере израсходованы в будущем веке.

Отметим кстати, что при сжигании ископаемых углей инефти, обладающих сернистостью около 2,5 %, ежегоднообразуется до 400 млн.т. сернистого газа и окисловазота, т.е. около 70 кг. вредных веществ на каждого жителя земли в год.

Использование энергии атомного ядра, развитиеатомной энергетики снимает остроту этой проблемы.

Действительно, открытие деления тяжелых ядер призахвате нейтронов, сделавшее наш век атомным, прибавило к запасам энергетическогоископаемого топлива существенный клад ядерного горючего. Запасы урана в земнойкоре оцениваются огромной цифрой 1014 тонн. Однако основная масса этогобогатства находится в рассеяном состоянии — вгранитах, базальтах. В водах мирового океана количество урана достигает 4*109тонн. Однако богатых месторождений урана, где добыча была бы недорога, известносравнительно немного. Поэтому массу ресурсов урана, которуюможно добыть при современной технологии и при умеренных ценах, оценивают в 108тонн. Ежегодные потребности в уране составляют, по современным оценкам, 104тонн естественного урана. Так что эти запасы позволяют, как сказал академик А.П.Александров, «убрать Дамоклов меч топливнойнедостаточности практически на неограниченное время».

Другая важная проблема современного индустриальногообщества — обеспечение сохранности природы, чистоты воды, воздушного бассейна.

Известна озабоченность ученых по поводу«парникового эффекта», возникающего из-за выбросов углекислого газапри сжигании органического топлива, и соответствующего глобального потепленияклимата на нашей планете. Да и проблемы загазованности воздушного бассейна,«кислых» дождей, отравления рек приблизились во многих районах ккритической черте.

Атомная энергетика не потребляет кислорода и имеетничтожное количество выбросов при нормальной эксплуатации. Если атомнаяэнергетика заменит обычную энергетику, то возможности возникновения«парника» с тяжелыми экологическими последствиями глобальногопотепления будут устранены.

Чрезвычайно важным обстоятельством является тот факт, чтоатомная энергетика доказала свою экономическую эффективность практически вовсех районах земного шара. Кроме того, даже при большом масштабе энергопроизводства на АС атомная энергетика не создастособых транспортных проблем, поскольку требует ничтожных транспортных расходов,что освобождает общества от бремени постоянных перевозок огромных количестворганического топлива.

3.1 Классификация ядерных реакторов

Ядерные реакторы делятся на несколько групп:

·<span Times New Roman"">

по конструктивным особенностям активной зоны — на корпусные и канальные;

·<span Times New Roman"">

по типу теплоносителя — водяные, тяжеловодные, натриевые;

·<span Times New Roman"">

по типу замедлителя — на водяные, графитовые, тяжеловодные и др.

Для энергетических целей, для производстваэлектроэнергии применяются:

·<span Times New Roman"">

водоводяныереакторы с некипящейили кипящей водой под давлением,

·<span Times New Roman"">

уран-графитовые реакторы с кипящей водой или охлаждаемые углекислым газом,

·<span Times New Roman"">

тяжеловодные канальные реакторы и др.

В будущем будут широко применяться реакторы набыстрых нейтронах, охлаждаемые жидкими металлами (натрий и др.); в которыхпринципиально реализуем режим воспроизводства топлива, т.е. создания количестваделящихся изотопов плутония Pu-239 превышающего количество расходуемых излотоповурана U-235. Параметр, характеризующий воспроизводство топлива называетсяплутониевым коэффициентом. Он показывает, сколько актов атомов Pu-239 создаетсяпри реакциях захвата нейтронов в U-238 на одмин атомU-235, захва тившег онейтрон и претерпевшего деление или радиационное превращение в U-235.

3.1.2 Реакторы с водой под давлением.

Реакторы с водой под давлением занимают видное местов мировом парке энергетических реакторов. Кроме того, они широко используютсяна флоте в качестве источников энергии как для надводных судов, так и дляподводных лодок. Такие реакторы относительно компактны, просты и надежны вэксплуатации. Вода, служащая в таких реакторах теплоносителем и замедлителемнейтронов, относительно дешева, неагрессивна и обладает хорошиминейтронно-физическими свойствами.

Реакторы с водой под давлением называются иначе водоводяными или легководными.Они выполняются в виде цилиндрического сосуда высокого давления со сьемной крышкой. В этом сосуде (корпусе реактора)размещается активная зона, составленная из топливных сборок (топливных кассет)и подвижных элементов системы управления и защиты. Вода входит через патрубки вкорпус, подается в пространство под активной зоной, двигается вертикально вверхвдоль топливных элементов и отводится через выходные патрубки в контурциркуляции. Тепло ядерных реакций передается в парогенераторах воде второгоконтура, более низкого давления. Движение воды по контуру обеспечиваетсяработой циркуляционных насосов, либо, как в реакторах для станцийтеплоснабжения, — за счет движущего напора естественной циркуляции.

Типичная тепловая схема водоводяныхэнергетических реакторов (ВВЭР), действующих с 1964 года в СССР, показана наРис.1:

3.3.2 Кипящие реакторы

1.Реактор

2.Парогенератор

3.Циркуляционный насос

3.3.3Уран-графитовые реакторы

еще рефераты

Еще работы по физике

Реферат по физике

Хаос, необратимость времени и брюссельская интерпретация квантовой механики

29 Августа 2013

Реферат по физике