Сообщение на тему ядерный реактор преобразование внутренней энергии ядер в электрическую энергию
Обновлено: 05.07.2024
Презентация на тему: " Ядерный реактор. Преобразование внутренней энергии атомных ядер в электрическую энергию " — Транскрипт:
1 Ядерный реактор. Преобразование внутренней энергии атомных ядер в электрическую энергию Выполнили: Кондратьева Любовь, Пименова Анастасия
2 Основной частью атомной электростанции является ядерный реактор. Ядерный реактор – это устройство, назначением которого является поддержание контролируемой ядерной реакции с выделением энергии.
4 История ядерного реактора ведёт свой отсчет с декабря 1942 г. Он был запущен в США. Руководителем проекта был итальянский физик Энрико Ферми. В СССР руководителем 1-го атомного реактора был И.В.Курчатов
5 В качестве делящегося вещества в реакторе используется в основном уран-235. В природном уране этого изотопа недостаточно для протекания цепной реакции (всего 0,7%), поэтому природный уран обогащают, т. е. увеличивают процентное содержание в нём урана- 235 (до 5%). Реактор, работающий на этом изотопе урана, называется реактором на медленных нейтронах. Он назван так потому, что уран-235 наиболее эффективно делится под действием медленных нейтронов. Поскольку при делении ядер образуются в основном быстрые нейтроны, их необходимо замедлять. Для этого в реакторе с таким ядерным топливом используется замедлитель нейтронов.
7 В рабочую зону вводят специальные замедляющие стержни, эффективно поглощающие нейтроны. Глубиной погружения стержней регулируют интенсивность реакции. Когда замедляющие стержни погружены полностью, реакция идти не может. Это делается с целью безопасности, чтобы держать реакцию под контролем. Для запуска реактора регулирующие стержни постепенно выводят из активной зоны до тех пор, пока не начнётся цепная реакция деления ядер урана.
8 В результате деления ядер урана образуются осколки ядер и нейтроны, разлетающиеся с огромной скоростью. Они взаимодействуют с молекулами воды и замедляются, вода нагревается. Нейтроны попадают в новые ядра урана и продолжают реакцию деления. Горячая вода из рабочей зоны поднимается по контуру и проходит через теплообменник, в котором находится змеевик второго контура. Во втором контуре также циркулирует вода. Вода в змеевике нагревается от горячей воды из первого контура. Превращаясь в пар, вода из второго контура вращает турбину, которая соединена с ротором генератора электрического тока. В результате вращения ротора появляется электрический ток в объединенном с ним статоре.
9 Внутренняя энергия деления ядер урана переходит в кинетическую энергию осколков и протонов, затем они попадают в воду и увеличивают её внутреннюю энергию, она нагревается и превращается в пар, который вращает турбину генератора электрического тока сообщая ей кинетическую энергию и наконец генератор вырабатывает электрическую энергию.
1. Что такое ядерный реактор?
Ядерный реактор - это устройство, способное осуществлять управляемую ядерную реакцию.
2. Какой реактор называется реактором на медленных нейтронах?
Реактор, работающий на уране-235, называется реактором на медленных нейтронах.
Уран-235 наиболее эффективно делится под действием медленных нейтронов.
Поскольку при делении ядер образуются в основном быстрые нейтроны, их необходимо замедлять.
Для этого в реакторе с таким ядерным топливом используется замедлитель нейтронов.
3. В чем заключается управление ядерной реакцией?
Управление ядерной реакцией заключается в регулировании скорости размножения свободных нейтронов в уране, чтобы их число оставалось неизменным.
При этом цепная реакция будет продолжаться столько времени, сколько это необходимо, не прекращаясь и не приобретая взрывного характера.
4. Из каких основных частей состоит реактор?
Основные части реактора на медленных нейтронах:
- делящееся вещество (ядерное топливо в виде урановых стержней),
- защитная оболочка,
- активная зона,
- отражатель,
- замедлитель нейтронов (вода),
- теплообменник.
5. Что находится в активной зоне?
В активной зоне реактора находятся урановые стержни, являющиеся ядерным топливом, регулирующие стержни, поглощающие нейтроны, вода, служащая замедлителем нейтронов и теплоносителем.
Активная зона окружена слоем вещества, отражающего нейтроны (отражатель), и защитной оболочкой из бетона, задерживающей нейтроны и другие частицы.
6. Для чего нужно, чтобы масса каждого уранового стержня была меньше критической массы?
Масса каждого уранового стержня значительно меньше критической, поэтому в одном стержне цепная реакция происходить не может (это делается специально из соображений безопасности).
Цепная реакция начинается после погружения в активную зону всех урановых стержней, т. е. когда масса урана достигнет критического значения.
7. Для чего нужны регулирующие стержни? Как ими пользуются?
Для управления цепной реакцией служат регулирующие стержни, эффективно поглощающие нейтроны.
При их полном погружении в активную зону цепная реакция идти не может.
Для запуска реактора регулирующие стержни постепенно выводят из активной зоны до тех пор, пока не начнётся цепная реакция деления ядер урана.
8. Какую вторую функцию (помимо замедления нейтронов) выполняет вода в первом контуре реактора?
Активная зона реактора посредством труб соединяется с теплообменником, образуя так называемый первый замкнутый контур.
Насосы обеспечивают циркуляцию воды в этом контуре.
Вода, нагретая в активной зоне за счёт внутренней энергии атомных ядер, проходя через теплообменник, нагревает воду в змеевике второго контура, превращая её в пар.
Таким образом, вода в активной зоне реактора служит не только замедлителем нейтронов, но и теплоносителем, отводящим тепло.
9. Какие процессы происходят во втором контуре?
Во втором контуре пар, образовавшийся в змеевике, вращает турбину.
Турбина приводит во вращение ротор генератора электрического тока.
Отработанный пар поступает в конденсатор и превращается в воду.
Затем весь цикл повторяется.
Таким образом, непрерывно вырабатывается электрический ток.
10. Какие преобразования энергии происходят при получении электрического тока на атомных электростанциях?
При получении электрического тока на атомных электростанциях происходят следующие преобразования энергии:
Внутренняя энергия атомных ядер урана при делении частично переходит в кинетическую энергию нейтронов и осколков.
Нейтроны и осколки, разлетаясь с большой скоростью, попадают в воду.
Их кинетическая энергия частично переходит во внутреннюю энергию воды.
Вода нагревается и, проходя через теплообменник, передает свою энергию воде, находящейся в змеевике, превращая ее в пар.
Здесь внутренняя энергия воды переходит во внутреннюю энергию пара, а затем в его кинетическую энергию.
Далее кинетическая энергия пара переходит в кинетическую энергию ротора турбины и ротора генератора.
На выходе кинетическая энергия ротора генератора превращается в электрическую энергию.
Основной частью атомной электростанции является ядерный реактор. Именно там происходит преобразование внутренней энергии ядер в электрическую энергию. Рассмотрим, как устроен ядерный реактор.
Как устроен ядерный реактор
В ядерном реакторе происходит управляемая ядерная реакция. Как топливо используют в основном уран-235. Так как в природном уране изотопа уран-235 недостаточно, то его обогащают до 5%. Из обогащенного урана изготавливают топливные урановые стержни.
Уран-235 делится эффективно под действием медленных нейтронов. При ядерной реакции образуются в основном быстрые нейтроны, поэтому их необходимо замедлять. Для этого используют чаще всего воду.
Итак, в рабочей зоне реактора находятся стержни обогащенного урана и вода. Рабочая зона окружена отражателем, который отражает разлетающиеся нейтроны и защитной бетонной оболочкой, которая задерживает все частицы, образующиеся в результате деления.
Как держат ядерную реакцию под контролем
Также в рабочую зону вводят специальные замедляющие стержни, которые могут очень эффективно поглощать нейтроны. Глубиной погружения этих стержней регулируют интенсивность реакции. Когда замедляющие стержни погружены полностью, реакция идти не может. Это делается с целью безопасности, чтобы держать реакцию под контролем.
С той же целью урановые топливные стержни делаются небольшими. Один такой стержень не в состоянии поддерживать цепную реакцию. Реакция возможна только при введении всех урановых стержней в рабочую зону.
Когда введена вся масса топлива, постепенно выводят замедляющие стержни. Начинается цепная реакция. В результате деления ядер урана образуются осколки ядер и нейтроны, разлетающиеся с огромной скоростью. Они взаимодействуют с молекулами воды и замедляются. При этом вода нагревается.
Замедлившись, нейтроны попадают в новые ядра урана и продолжают реакцию деления. Горячая вода из рабочей зоны поднимается по контуру и проходит через теплообменник, в котором находится змеевик второго контура. Во втором контуре также циркулирует вода.
Вода в змеевике нагревается от горячей воды из первого контура. Превращаясь в пар, вода из второго контура вращает турбину, которая соединена с ротором генератора электрического тока. В результате вращения ротора появляется электрический ток в объединенном с ним статоре.
Преобразование внутренней энергии ядер в электричество
Таким образом, цепочка получения электричества из атомной энергии такова
Осуществляют управляемую ядерную реакцию в рабочей зоне →
→ вода вокруг урановых стержней замедляет получающиеся нейтроны и отводит образующееся тепло →
→ вода из рабочей зоны нагревает воду во втором контуре до состояния пара →
→ пар вращает турбину →
→ турбина вращает ротор электрогенератора →
→ в статоре электрогенератора образуется электричество →
→ полученное электричество подается потребителям по проводам.
В данном видеоуроке мы с вами поговорим о таком важном вопросе, как ядерная энергетика и экологических проблемах, связанных с её использованием. Рассмотрим устройства и типы различных АЭС. А также узнаем преимущества АЭС над другими видами электростанций.
В данный момент вы не можете посмотреть или раздать видеоурок ученикам
Чтобы получить доступ к этому и другим видеоурокам комплекта, вам нужно добавить его в личный кабинет, приобретя в каталоге.
Получите невероятные возможности
Конспект урока "Ядерный реактор. Ядерная энергетика"
Открытие деления тяжёлых ядер привело к возникновению и развитию ядерной (или атомной) энергетики, основанной на использовании энергии, запасённой внутри ядра атома. Установки, на которых эта энергия преобразуется в электрическую, получили название атомных электростанций (сокращённо АЭС).
Но мы немного отвлеклись. Итак, на современных АЭС для получения электроэнергии используется энергия, выделяющаяся в результате цепной реакции деления. А в качестве источника ядерной энергии используется преимущественно уран-двести тридцать пять.
Давайте вспомним, что цепной называется реакция, в которой частицы, вызывающие ядерную реакцию распада, образуются как продукты этой же реакции.
Как мы уже знаем, цепная реакция может быть управляемой и неуправляемой.
Чтобы управлять цепной ядерной реакцией необходимо очень точно контролировать процесс размножения нейтронов, делая его таким, чтобы число нейтронов в процессе реакции оставалось практически неизменным. Это стало возможным, благодаря изобретению ядерного реактора.
Ядерный реактор — это устройство, в котором происходит управляемая цепная ядерная реакция деления ядер тяжёлых элементов под действием нейтронов.
Как правило, ядерный реактор имеет пять основных составных частей. Главную часть реактора называют активной зоной.
В активной зоне расположены тепловыделяющие элементы (ТВЭЛы), имеющие трубчатую форму и содержащие топливо. Именно в них идёт цепная реакция. Масса топлива в каждом ТВЭЛе значительно меньше критической, поэтому в одном стержне цепная реакция происходить не может (это делается специально из соображений безопасности). Она начинается после погружения в активную зону всех стержней, то есть когда масса делящегося вещества достигнет критического значения.
Активная зона окружена отражателем нейтронов, возвращающим их внутрь активной зоны для продолжения реакции. Хорошим отражателем нейтронов является бериллий.
Чтобы ядерное топливо использовалось максимально эффективно, в активную зону реактора вводят замедлители, которые замедляют нейтроны, выделяющиеся при цепных реакциях. В качестве замедлителей чаще всего используют графит, который состоит из чистого углерода или тяжёлую воду, в состав которой входит дейтерий.
Давайте вспомним, зачем нужны замедлители нейтронов. Итак, средняя энергия нейтронов, появляющихся в реакторе, около двух мегаэлектронвольт. Если энергия нейтронов меньше одной десятой электронвольта, то их называют тепловыми, так как их скорости близки к скорости теплового движения. Если же энергия нейтронов больше одной десятой мегаэлектронвольта, а модуль их скорости порядка десяти миллионов метров в секунду, то нейтроны называют быстрыми. Замедлитель эффективно отбирает энергию у быстрых нейтронов, рождающихся в реакции деления. Нейтроны замедляются (отсюда и название вещества — замедлитель) до энергий порядка долей электронвольта. Под действием медленных (тепловых) нейтронов хорошо делятся изотопы урана-235, при этом выделяется в среднем 170 МэВ энергии в виде кинетической энергии разлетающихся осколков. Также хорошо под действием тепловых нейтронов делятся изотопы плутония-239 и урана-233, которые в природе не встречаются и получаются искусственным путём.
Для управления цепной реакцией в реакторе предусмотрены регулирующие стержни, которые состоят из материалов (чаще соединения кадмия или бора), поглощающих нейтроны. Для того чтобы остановить цепную реакцию, регулирующие стержни полностью погружают в активную зону реактора.
Чтобы заново запустить реактор, стержни постепенно выводят из активной зоны до тех пор, пока не начнётся цепная реакция деления ядер урана. Обычно всё это происходит автоматически. Однако в случае внештатных ситуаций предусмотрена и ручная регулировка погружения стержней.
Для отвода из активной зоны реактора выделяющейся энергии, чаще всего используется вода. Она нагревается стенками ТВЭЛов в среднем до 320 о С и под давлением порядка 100 атм выводится из активной зоны.
Далее вода превращается в пар и направляется к паровым турбинам для генерации электрической энергии.
Как мы уже говорили, снаружи активная зона реактора окружена отражателем нейтронов. А поверх отражателя располагаются стальной корпус реактора и защитный слой бетона, которые ослабляют радиоактивное излучение до биологически безопасного уровня.
Сейчас существует огромное количество разнообразных реакторов. В связи с чем их принято делить на следующие типы:
Исследовательские — с их помощью получают мощные пучки нейтронов для научных целей.
Энергетические реакторы служат, в основном, для промышленной выработки электричества.
В теплофикационных реакторах вырабатывают тепло для нужд промышленности и теплофикации.
Есть реакторы воспроизводящие, в которых из изотопа урана-двести тридцать восемь и изотопа тория получают делящиеся материалы плутония и изотопа урана двести тридцать три.
А также принято выделять транспортные реакторы. Из названия понятно, что их используют в двигательных установках кораблей и подводных лодок.
Итак, как мы упоминали в самом начале урока, выработка электроэнергии, основанная на использовании управляемой ядерной реакции, производится на атомных электростанциях. Первая в мире АЭС была построена в СССР в городе Обнинске и дала ток 27 июня 1954 года. Её мощность составляла всего 5 МВт.
Сейчас, несмотря на опасности, связанные с радиоактивным излучением, а также принципиальной возможностью взрыва, ядерная энергетика развивается во всём мире и является одним из самых перспективных на сегодняшний день направлений. Это обусловлено несколькими причинами. Во-первых, запасы угля, нефти и природного газа, используемые на тепловых электростанциях, стремительно сокращаются. Кроме того, используемое на ТЭС топливо содержит в себе от полутора до четырёх с половиной процентов серы. Образующийся при сгорании сернистый ангидрид частично выбрасывается в атмосферу, где, после взаимодействия с атмосферной влагой, превращается в раствор серной кислоты и в виде кислотных дождей выпадает на землю.
Почти исчерпали себя и возможности дальнейшего развития гидроэнергетики. Дело в том, что при строительстве гидроэлектростанций отчуждаются огромные площади земли, в связи со строительством водохранилищ и образованием вследствие этого болот.
Получение энергии из возобновляемых источников энергии — Солнца и ветра — до сих пор остаётся проблемой будущего. Ведь, как оказалось, для строительства таких электростанций большой мощности также требуются огромные территории.
Во-вторых, атомные электростанции с экологической точки зрения более безопасны. Они не загрязняют атмосферу дымом и пылью, как это делают тепловые электростанции, и не нарушают природное равновесие, что неотвратимо при строительстве гидроэлектростанций.
При этом производимая энергия на АЭС становится намного дешевле энергии, вырабатываемой на тепловых электростанциях.
Но в атомной энергетике есть и свои проблемы. Одной из основных и очень серьёзных проблем является хранение и переработка радиоактивных отходов. К сожалению, на сегодняшний день не существует абсолютно безопасных методов захоронения ядерных отходов, поскольку при существующих технологиях не исключена вероятность их утечки в окружающую среду.
Вторая проблема связана с необходимостью защиты людей и окружающей среды от возможного воздействия нейтронов и гамма-излучений.
Всем известно о катастрофе, произошедшей на четвёртом блоке Чернобыльской атомной станции в апреле 1986 года. В результате нарушения технологических процессов произошло перегревание активной зоны. Последующий за этим взрыв разрушил оболочку реактора. Большое количество радиоактивных веществ было выброшено в атмосферу. Кратковременному заражению короткоживущими изотопами подверглись огромные территории. Долговременное заражение сделало невозможными для проживания тысячи квадратных километров территории Беларуси, России и Украины, где выпали наиболее опасные изотопы стронция, цезия и радиоактивного йода.
А не так давно, 11 марта 2011 года, в результате сильнейшего в истории Японии землетрясения и последовавшего за ним цунами, произошла крупная авария на АЭС Фукусима-один. В декабре тринадцатого года АЭС была официально закрыта. На её территории до сих пор продолжаются работы по ликвидации последствий аварии. По предварительным оценкам, для приведения объекта в стабильное, безопасное состояние может потребовать до 40 лет.
В заключении урока отметим, что в настоящее время для развития ядерной энергетики необходимо научиться использовать термоядерный синтез. Это связано с тем, что продуктами этих реакций являются лёгкие стабильные изотопы, не загрязняющие окружающую среду.
Читайте также: