Термоядерные реакторы доклад кратко
Обновлено: 05.07.2024
Человечество постепенно подходит к границе необратимого истощения углеводородных ресурсов Земли. Мы почти два столетия добываем из недр планеты нефть, газ и уголь, и уже понятно, что их запасы истощаются с огромной скоростью. Ведущие страны мира давно задумались над созданием нового источника энергии, экологически чистого, безопасного с точки зрения эксплуатации, с колоссальными топливными запасами.
Сегодня много говорят об использовании так называемых альтернативных видов энергии – возобновляемых источников в виде фотовольтаики, ветроэнергетики и гидроэнергетики. Очевидно, что в силу своих свойств данные направления могут выступить лишь в роли вспомогательных источников энергоснабжения.
В качестве долгосрочной перспективы человечества можно рассматривать только энергетику на основе ядерных реакций.
С одной стороны, интерес к строительству ядерных реакторов на своей территории проявляет все больше государств. Но все же насущной проблемой для ядерной энергетики является переработка и захоронение радиоактивных отходов, а это сказывается на экономических и экологических показателях. Еще в середине XX века ведущие мировые ученые-физики в поисках новых видов энергии обратились к источнику жизни на Земле – Солнцу, в недрах которого при температуре около 20 миллионов градусов протекают реакции синтеза (слияния) легких элементов с выделением колоссальной энергии.
Лучше всех с задачей разработки установки для реализации ядерных реакций синтеза в земных условиях справились отечественные специалисты. Знания и опыт в области управляемого термоядерного синтеза (УТС), полученные в России, легли в основу проекта, являющегося без преувеличения энергетической надеждой человечества – Международного экспериментального термоядерного реактора (ИТЭР, ITER), который возводится в Кадараше (Франция).
История термоядерного синтеза
Первые термоядерные исследования начались в странах, работавших над своей атомной оборонной программой. Это не удивительно, ведь на заре атомной эры главной целью появления реакторов с дейтериевой плазмой было исследование физических процессов в горячей плазме, знание которых было необходимо в том числе и для создания термоядерного оружия. Согласно рассекреченным данным, СССР и США практически одновременно начали в 1950-х гг. работы по УТС. Но, в тоже время, есть исторические свидетельства, что еще в 1932 г. старый революционер и близкий друг вождя мирового пролетариата Николай Бухарин, занимавший в тот период пост председателя комитета ВСНХ и следивший за развитием советской науки, предлагал развернуть в стране проект по исследованию контролируемых термоядерных реакций.
Важнейший плюс термоядерного реактора - снижение радиационной биологической опасности примерно в тысячу раз в сравнении со всеми современными атомными энергореакторами.
Шаг длиной в полвека
В 1985 г. академик Евгений Велихов от имени СССР предложил ученым Европы, США и Японии вместе создать термоядерный реактор, и уже в 1986 г. в Женеве было достигнуто соглашение о проектировании установки, получившей в дальнейшем имя ИТЭР. В 1992 г. партнеры подписали четырехстороннее соглашение о разработке инженерного проекта реактора. Первый этап строительства по плану должен завершиться к 2020 г., когда запланировано получить первую плазму. В 2011 г. на площадке ИТЭР началось реальное строительство.
Схема ИТЭРа повторяет классический российский токамак, разработанный еще в 1960-х гг. Планируется, что на первом этапе реактор будет работать в импульсном режиме при мощности термоядерных реакций 400–500 МВт, на втором этапе будет отрабатываться режим непрерывной работы реактора, а также система воспроизводства трития.
Реактор ИТЭР не зря называют энергетическим будущим человечества. Во-первых, это крупнейший мировой научный проект, ведь на территории Франции его строят практически всем миром: участвуют ЕС+Швейцария, Китай, Индия, Япония, Южная Корея, Россия и США. Соглашение о сооружении установки было подписано в 2006 г. Страны Европы вносят около 50% объема финансирования проекта, на долю России приходится примерно 10% от общей суммы, которые будут инвестированы в форме высокотехнологичного оборудования. Но самый главный вклад России – сама технология токамака, легшая в основу реактора ИТЭР.
Во-вторых, это будет первая крупномасштабная попытка использовать для получения электроэнергии термоядерную реакцию, которая происходит на Солнце. В-третьих, эта научная работа должна принести вполне практические плоды, и к концу века мир ожидает появления первого прототипа коммерческой термоядерной электростанции.
Ученые предполагают, что первую плазму на международном экспериментальном термоядерном реакторе удастся получить в декабре 2025 г.
Почему такой реактор стали строить буквально всем мировым научным сообществом? Дело в том, что многие технологии, которые планируется использовать при возведении ИТЭРа, не принадлежат сразу всем странам. Не может одно, даже самое высокоразвитое в научно-техническом плане государство иметь сразу сотню технологий высшего мирового уровня во всех областях техники, применяемой в таком высокотехнологичном и прорывном проекте, как термоядерный реактор. А ведь ИТЭР – это сотни подобных технологий.
Россия по многим технологиям термоядерного синтеза превосходит общемировой уровень. Но, к примеру, и японские атомщики также обладают уникальными компетенциями в этой области, вполне применимыми в ИТЭРе.
Поэтому еще в самом начале проекта страны-партнеры пришли к договоренностям о том, кто и что будет поставлять на площадку, и что это должна быть не просто кооперация в инжиниринге, а возможность для каждого из партнеров получить новые технологии от других участников, чтобы в будущем развивать их у себя самостоятельно.
Ядерный реактор — первый и наиболее яркий пример мощной промышленной установки, работающей по законам микромира. Управление реактором требует глубокого понимания протекающих в нем процессов и быстрого реагирования на их изменения. Особенно ясно это стало после Чернобыльской аварии.
Первый ядерный реактор построен и запущен в декабре 1942 года в США под руководством Э. Ферми. Первым реактором, построенным за пределами США, стал ZEEP, запущенный в Канаде 5 сентября 1945 года[1]. В Европе первым ядерным реактором стала установка Ф-1, заработавшая 25 декабря 1946 года в Москве под руководством И. В. Курчатова[2]. К 1978 году в мире работало уже около сотни ядерных реакторов различных типов.
Любой ядерный реактор состоит из следующих частей:Активная зона с ядерным топливом и замедлителем;Отражатель нейтронов, окружающий активную зону;Теплоноситель;Система регулирования цепной реакции, в том числе аварийная защита;Радиационная защита;Система дистанционного управления.
Иодная яма — состояние ядерного реактора после его остановки, характеризующееся накоплением короткоживущего изотопа ксенона 135Xe, который является продуктом распада изотопа иода-135 (из-за чего этот процесс и получил своё название). Высокое сечение захвата тепловых нейтронов ксеноном-135 приводит к временному появлению значительной отрицательной реактивности, что, в свою очередь, делает затруднительным вывод реактора на проектную мощность в течение определённого периода (около 1-2 суток).
По характеру использования ядерные реакторы делятся на:
Энергетические реакторы, предназначенные для получения электрической и тепловой энергии, используемой в энергетике, а также для опреснения морской воды (реакторы для опреснения также относят к промышленным). Основное применение такие реакторы получили на атомных электростанциях. Тепловая мощность современных энергетических реакторов достигает 5 ГВт. В отдельную группу выделяют:
Транспортные реакторы, предназначенные для снабжения энергией двигателей транспортных средств. Наиболее широкие группы применения — морские транспортные реакторы, применяющиеся на подводных лодках и различных надводных судах, а также реакторы, применяющиеся в космической технике.
Экспериментальные реакторы, предназначенные для изучения различных физических величин, значение которых необходимо для проектирования и эксплуатации ядерных реакторов; мощность таких реакторов не превышает нескольких кВт.
Исследовательские реакторы, в которых потоки нейтронов и гамма-квантов, создаваемые в активной зоне, используются для исследований в области ядерной физики, физики твёрдого тела, радиационной химии, биологии, для испытания материалов, предназначенных для работы в интенсивных нейтронных потоках (в том числе деталей ядерных реакторов), для производства изотопов. Мощность исследовательских реакторов не превосходит 100 МВт. Выделяющаяся энергия, как правило, не используется.
Промышленные (оружейные, изотопные) реакторы, используемые для наработки изотопов, применяющихся в различных областях. Наиболее широко используются для производства ядерных оружейных материалов, например 239Pu. Также к промышленным относят реакторы, использующиеся для опреснения морской воды.
Еще они различаются по: виду теплонисителя;роду замедлителя;виду топлива;конструкции и генерации пара.
Выгорание и воспроизводство ядерного топлива: В процессе работы ядерного реактора из-за накопления в топливе осколков деления изменяется его изотопный и химический состав, происходит образование трансурановых элементов, главным образом изотопов Pu(Плутоний).Влияние осколков деления на реактивность ядерного реактора называется отравлением (для радиоактивных осколков) и зашлаковыванием (для стабильных изотопов).
Управление ядерным реактором: правление ядерным реактором возможно только благодаря тому, что часть нейтронов при делении вылетает из осколков с запаздыванием, которое может составить от нескольких миллисекунд до нескольких минут.Для управления реактором используют поглощающие стержни, вводимые в активную зону, изготовленные из материалов, сильно поглощающих нейтроны (в основном В, Cd и некоторые др.) и/или раствор борной кислоты, в определённой концентрации добавляемый в теплоноситель (борное регулирование). Движение стержней управляется специальными механизмами, приводами, работающими по сигналам от оператора или аппаратуры автоматического регулирования нейтронного потока.Ядерные реакторы проектируются так, чтобы в любой момент времени процесс деления находился в устойчивом равновесии относительно малых изменений параметров, влияющих на реактивность. Таким образом, случайное изменение скорости ядерной реакции гасится, а вызванное перемещением управляющих стержней или медленным изменением других параметров — приводит к квазистационарному изменению мощности реактора.На случай различных аварийных ситуаций в каждом реакторе предусмотрено экстренное прекращение цепной реакции, осуществляемое сбрасыванием в активную зону всех поглощающих стержней — система аварийной защиты.
Остаточное тепловыделение: Важной проблемой, непосредственно связанной с ядерной безопасностью, является остаточное тепловыделение. Это специфическая особенность ядерного топлива, заключающаяся в том, что, после прекращения цепной реакции деления и обычной для любого энергоисточника тепловой инерции, выделение тепла в реакторе продолжается ещё долгое время, что создаёт ряд технически сложных проблем.Остаточное тепловыделение является следствием β- и γ- распада продуктов деления, которые накопились в топливе за время работы реактора. Ядра продуктов деления вследствие распада переходят в более стабильное или полностью стабильное состояние с выделением значительной энергии.Хотя мощность остаточного тепловыделения быстро спадает до величин, малых по сравнению со стационарными значениями, в мощных энергетических реакторах она значительна в абсолютных величинах. По этой причине остаточное тепловыделение влечёт необходимость длительное время обеспечивать теплоотвод от активной зоны реактора после его остановки. Эта задача требует наличия в конструкции реакторной установки систем расхолаживания с надёжным электроснабжением, а также обуславливает необходимость длительного (в течение 3-4 лет) хранения отработавшего ядерного топлива в хранилищах со специальным температурным режимом — бассейнах выдержки, которые обычно располагаются в непосредственной близости от реактора.
Ядерный реактор работает слаженно и четко. Иначе, как известно, будет беда. Но что там творится внутри? Попытаемся сформулировать принцип работы ядерного (атомного) реактора кратко, четко, с остановками.
По сути, там творится тот же процесс, что и при ядерном взрыве. Только вот взрыв происходит очень быстро, а в реакторе все это растягивается на длительное время. В итоге все остается целым и невредимым, а мы получаем энергию. Не столько, чтобы все вокруг сразу разнесло, но вполне достаточную для того, чтобы обеспечить электричеством город.
Прежде чем понять, как идет управляемая ядерная реакция, нужно узнать, что такое ядерная реакция вообще.
Ядерная реакция – это процесс превращения (деления) атомных ядер при взаимодействии их с элементарными частицами и гамма-квантами.
Ядерные реакции могут проходить как с поглощением, так и с выделением энергии. В реакторе используются вторые реакции.
Ядерный реактор – это устройство, назначением которого является поддержание контролируемой ядерной реакции с выделением энергии.
Часто ядерный реактор называют еще и атомным. Отметим, что принципиальной разницы тут нет, но с точки зрения науки правильнее использовать слово "ядерный". Сейчас существует множество типов ядерных реакторов. Это огромные промышленные реакторы, предназначенные для выработки энергии на электростанциях, атомные реакторы подводных лодок, малые экспериментальные реакторы, используемые в научных опытах. Существуют даже реакторы, применяемые для опреснения морской воды.
История создания атомного реактора
Первый ядерный реактор был запущен в не таком уж и далеком 1942 году. Произошло это в США под руководством Ферми. Этот реактор назвали "Чикагской поленницей".
В 1946 году заработал первый советский реактор, запущенный под руководством Курчатова. Корпус этого реактора представлял собой шар семи метров в диаметре. Первые реакторы не имели системы охлаждения, и мощность их была минимальной. К слову, советский реактор имел среднюю мощность 20 Ватт, а американский – всего 1 Ватт. Для сравнения: средняя мощность современных энергетических реакторов составляет 5 Гигаватт. Менее чем через десять лет после запуска первого реактора была открыта первая в мире промышленная атомная электростанция в городе Обнинске.
Первый в мире ядерный реактор
Принцип работы ядерного (атомного) реактора
Приведем ниже схему работы ядерного реактора.
Схема ядерного реактора на АЭС
Как мы уже говорили, при распаде тяжелого ядра урана образуются более легкие элементы и несколько нейтронов. Образовавшиеся нейтроны сталкиваются с другими ядрами, также вызывая их деление. При этом количество нейтронов растет лавинообразно.
Здесь нужно упомянуть коэффициент размножения нейтронов. Так, если этот коэффициент превышает значение, равное единице, происходит ядерный взрыв. Если значение меньше единицы, нейтронов слишком мало и реакция угасает. А вот если поддерживать значение коэффициента равным единице, реакция будет протекать долго и стабильно.
Вопрос в том, как это сделать? В реакторе топливо находится в так называемых тепловыделяющих элементах (ТВЭЛах). Это стержни, в которых в виде небольших таблеток находится ядерное топливо. ТВЭЛы соединены в кассеты шестигранной формы, которых в реакторе могут быть сотни. Кассеты с ТВЭЛами располагаются вертикально, при этом каждый ТВЭЛ имеет систему, позволяющую регулировать глубину его погружения в активную зону. Помимо самих кассет среди них располагаются управляющие стержни и стержни аварийной защиты. Стержни изготовлены из материала, хорошо поглощающего нейтроны. Так, управляющие стержни могут быть опущены на различную глубину в активной зоне, тем самым регулируя коэффициент размножения нейтронов. Аварийные стержни призваны заглушить реактор в случае чрезвычайной ситуации.
ТВЭЛы, помещенные в топливную кассету
Как запускают ядерный реактор?
С самим принципом работы мы разобрались, но как запустить и заставить реактор функционировать? Грубо говоря, вот он - кусок урана, но ведь цепная реакция не начинается в нем сама по себе. Дело в том, что в ядерной физике существует понятие критической массы.
Критическая масса – это необходимая для начала цепной ядерной реакции масса делящегося вещества.
При помощи ТВЭЛов и управляющих стержней в ректоре сначала создается критическая масса ядерного топлива, а потом реактор в несколько этапов выводится на оптимальный уровень мощности.
В данной статье мы постарались дать Вам общее представление об устройстве и принципе работы ядерного (атомного) реактора. Если у Вас остались вопросы по теме или в университете задали задачу по ядерной физике – обращайтесь к специалистам нашей компании. Мы, как обычно, готовы помочь Вам решить любой насущный вопрос по учебе. А пока мы этим занимаемся, Вашему вниманию очередное образовательное видео!
Иван Колобков, известный также как Джони. Маркетолог, аналитик и копирайтер компании Zaochnik. Подающий надежды молодой писатель. Питает любовь к физике, раритетным вещам и творчеству Ч. Буковски.
Звучит страшно и опасно, но при умелом обращении приносит много пользы. Как устроен ядерный реактор и почему его не стоит бояться — в нашей статье.
О чем эта статья:
11 класс, ЕГЭ/ОГЭ
Принцип работы ядерного реактора
Принцип действия реактора можно описать в паре предложений:
Уран-235 распадается, вследствие чего выделяется большое количество тепловой энергии. Эта энергия кипятит воду, а возникший пар крутит турбину под давлением. Турбина, в свою очередь, вращает электрогенератор, который вырабатывает электричество.
Все, расходимся… Ладно, давайте разберемся более детально.
Уран-235 — это один из изотопов урана. Изотоп — это разновидность атома какого-либо вещества, которая отличается от обычного атома атомной массой. Конкретно уран-235 отличается от простого урана тем, что в ядре такого изотопа на три нейтрона меньше.
Из-за недостатка нейтронов ядро становится менее стабильным и распадается на две части, если разогнать и врезать в него нейтрон. При этой реакции вылетает еще парочка нейтронов. Эти нейтроны могут попасть в другое ядро урана-235 и расщепить его, после чего оттуда вылетит еще нейтрон, и так далее по цепочке. Такой процесс называется цепной ядерной реакцией.
Деление урана
Деление ядер урана под воздействием нейтронов открыли немецкие ученые Отто Ган и Фриц Штрассман в 1938 году. Для эксперимента выбрали именно нейтроны потому, что они электрически нейтральны, то есть у них нет заряда. А раз нет заряда, то между протонами и нейтронами нет кулоновского отталкивания, и нейтроны легко проникают в ядро.
Когда нейтрон попадает в ядро урана-235, оно деформируется и становится вытянутым. Ядерные силы действуют на очень маленьких расстояниях, но не работают на больших. А вот электростатическое взаимодействие может происходить и на больших расстояниях. Поэтому ядерное взаимодействие не может противодействовать электростатическому отталкиванию противоположных частей вытянутого ядра, и последнее разрывается на части. При этом излучается та самая парочка нейтронов, о которых мы уже упоминали выше, а близкие по массе осколки разлетаются с большой скоростью.
Результаты деления ядра урана-235:
1. Распад на барий и криптон с выделением трех нейтронов:
2. Распад на ксенон и стронций с выделением двух нейтронов:
Еще больше наглядных примеров — на курсах по физике для 9 класса в онлайн-школе Skysmart.
Управляемая ядерная реакция
Естественная ядерная реакция происходит очень быстро — меньше, чем за секунду. Такая быстрая ядерная реакция провоцирует ядерный взрыв.
Хорошая новость заключается в том, что ядерной реакцией можно управлять. Задача проста — следи себе за реакцией, контролируй и не давай урану распадаться слишком быстро. Легко сказать!
Для выполнения этой задачи придумали замедлитель. Замедлитель — не устройство, а вещество, которое уменьшает кинетическую энергию нейтронов за счет многократного столкновения с молекулами замедлителя. В качестве замедлителя часто используют графитовые стержни и воду — обычную (H2O) или тяжелую (D2O).
На Земле был природный ядерный реактор. Он находился в урановом месторождении Окло. Это в Габоне, в Центральной Африке. В природном ядерном реакторе процесс распада урана происходит без человеческого участия. Но есть один нюанс: этот реактор остыл больше миллиарда лет назад.
Техническая реализация
В момент распада ядро урана раскалывается на две части. Эти части разлетаются в разные стороны с огромной скоростью, но, несмотря на скорость, не улетают далеко. Они ударяются об атомы, которые находятся рядом, и кинетическая энергия переходит в тепловую. Количество теплоты от этих соударений нагревает воду, превращая ее в пар. Пар крутит турбину, а турбина крутит генератор, который вырабатывает электричество.
Вот и получается, что мы живем в стимпанке — все работает на пару.
Если коротко, то атомная электростанция — это сооружение, которое производит электричество за счет ядерного реактора.
А если подробнее, то АЭС — это большой комплекс, во главе которого стоит ядерный реактор. Помимо реактора на АЭС есть турбина, генератор, трансформаторы для преобразования напряжения. В общем, это большая система.
В бытовом употреблении АЭС часто приравнивают к ядерному реактору, и это нельзя назвать неправильным. Просто ядерный реактор — босс в этой движухе, поэтому он и определяет все остальное. 😉
Кстати, когда будете играть в крокодила, загадайте атомную электростанцию. Будет забавно, проверено.
Чернобыльская АЭС
Когда речь заходит о ядерной энергетике, многие невольно вспоминают катастрофу на Чернобыльской АЭС и поэтому ошибочно считают, что ядерный реактор — зло.
Но по большому счету, реактор — это очень дорогой чайник. Дым, который валит из труб АЭС и пугает прохожих, на самом деле не дым, а пар.
В результате работы ядерного реактора действительно образуются радиоактивные отходы, и они могут быть опасны, если с ними неправильно обращаться. Часть этих отходов перерабатывают для дальнейшего использования, а часть приходится держать в хранилищах, чтобы они не причинили вред человеку и окружающей среде.
Атомные электростанции выбрасывают в атмосферу только пар, им необходимо небольшое количество топлива, а еще они занимают малую площадь и при правильном использовании безопасны. Тем не менее, после аварии на Чернобыльской АЭС многие страны приостановили развитие атомной энергетики.
Первая авария на Чернобыльской АЭС произошла в 1982 году. Во время пробного пуска разрушился один из технологических каналов реактора, была деформирована графитовая кладка активной зоны. Пострадавших не было, но последствия ликвидировали около трех месяцев.
В 1986 году произошло ЧП в известном всему миру четвертом энергоблоке. В этом самом энергоблоке проводились испытания турбогенератора. Система аварийного охлаждения была планово отключена, поэтому, когда реактор не смогли остановить, эта система не спасла АЭС от взрыва и пожара.
Взрыв и его последствия не говорят о том, что ядерная энергетика вредна. На самом деле даже бананы радиоактивны, потому что в них содержатся радиоактивные изотопы. Но даже съев около сотни бананов массой 150 г, вы получите всего лишь нормальную суточную дозу радиации. Чтобы банановая радиация навредила человеку, ему придется съесть не меньше тонны. То же и с ядерными реакциями — они приносят вред только в том случае, если их не контролировать.
Виды современных реакторов
Сегодня существует несколько видов ядерных реакторов, но используют в основном два — гомогенные и гетерогенные:
- в гомогенных реакторах ядерное горючее и замедлитель перемешаны;
- в гетерогенных реакторах ядерное горючее и замедлитель находятся отдельно друг от друга.
Еще бывают реакторы, в которых для получения энергии используют уран-238, а не уран-235. Но в таких реакторах сложно отводить тепло, поэтому они довольно редки.
Использование атомной энергии
Атомная энергия используется не только в ядерных реакторах. Например, существуют корабли и подводные лодки, которые работают на атомной энергии.
В начале XXI века из-за высоких цен на нефть были очень актуальны поиски способов использования ядерной энергии. Тогда появились разработки по компактным атомным электростанциям, которые могут работать десятилетиями без обслуживания и к тому же безопасны.
Кроме того, ученые работают над ядерными методами для диагностики и лечения онкологических заболеваний. Есть исследования, которые подтверждают, что радиоактивные изотопы могут уничтожать раковые клетки.
Читайте также: