Kärnenergi. Användningsområden och riktningar för kärnenergi Hur man skaffar kärnenergi

Beroendet av bindningsenergin per nukleon av antalet nukleoner i kärnan visas i grafen.

Den energi som krävs för att dela en kärna i enskilda nukleoner kallas bindningsenergi. Bindningsenergin per nukleon är inte densamma för olika kemiska element och till och med isotoper av samma kemiska element. Den specifika bindningsenergin för en nukleon i en kärna varierar i genomsnitt från 1 MeV för lätta kärnor (deuterium) till 8,6 MeV för medelviktiga kärnor (A≈100). För tunga kärnor (A≈200) är den specifika bindningsenergin för en nukleon mindre än för kärnor med medelvikt, med ungefär 1 MeV, så deras omvandling till kärnor med medelvikt (uppdelning i 2 delar) åtföljs av frisättning av energi i en mängd av cirka 1 MeV per nukleon, eller cirka 200 MeV per kärna. Omvandlingen av lätta kärnor till tyngre kärnor ger en ännu större energivinst per nukleon. Till exempel reaktionen mellan deuterium och tritium

1 D²+ 1 T³→ 2 He 4 + 0 n 1

åtföljs av frisättning av energi 17,6 MeV, det vill säga 3,5 MeV per nukleon.

Utsläpp av kärnenergi

Exotermiska kärnreaktioner som frigör kärnenergi är kända.

Vanligtvis används en kärnklyvningskedjereaktion av uran-235 eller plutoniumkärnor för att producera kärnenergi. Kärnor fission när en neutron träffar dem, producerar nya neutroner och fissionsfragment. Fissionsneutroner och fissionsfragment har hög kinetisk energi. Som ett resultat av kollisioner av fragment med andra atomer omvandlas denna kinetiska energi snabbt till värme.

Ett annat sätt att frigöra kärnenergi är kärnfusion. I det här fallet kombineras två kärnor av lätta element till en tung. Sådana processer sker på solen.

Många atomkärnor är instabila. Med tiden förvandlas några av dessa kärnor spontant till andra kärnor och frigör energi. Detta fenomen kallas radioaktivt sönderfall.

Tillämpningar av kärnenergi

Fusionsenergi används i en vätebomb.

Anteckningar

se även

Länkar

Internationella avtal

Konvention om tidig anmälan av en kärnkraftsolycka (Wien, 1986)
Konventionen om fysiskt skydd av kärnmaterial (Wien, 1979)
Wienkonventionen om civilrättsligt ansvar för kärnvapenskada
Gemensam konvention om säkerheten vid hantering av använt bränsle och säkerheten vid hantering av radioaktivt avfall

Litteratur

Clarfield, Gerald H. och William M. Wiecek (1984). Nuclear America: Militär och civil kärnkraft i USA 1940-1980, Harper & Row.
Cooke, Stephanie (2009). In Mortal Hands: A Cautionary History of the Nuclear Age, Black Inc.
Cravens Gwyneth Power to Save the World: Sanningen om kärnenergi. - New York: Knopf, 2007. - ISBN 0-307-26656-7
Elliott, David (2007). Kärnkraft eller inte? Har kärnkraft en plats i en hållbar energiframtid?, Palgrave.
Falk, Jim (1982). Global Fission: Kampen om kärnkraft, Oxford University Press.
Ferguson, Charles D., (2007). Kärnenergi: Balansering av fördelar och risker Rådet för utrikesrelationer.
Herbst, Alan M. och George W. Hopley (2007). Kärnenergi nu: Varför det är dags för världens mest missförstådda energikälla, Wiley.
Schneider, Mycle, Steve Thomas, Antony Froggatt, Doug Koplow (augusti 2009). World Nuclear Industry Status Report, tyska förbundsministeriet för miljö, naturskydd och reaktorsäkerhet.
Walker, J. Samuel (1992). Containing the Atom: Nuclear Regulation in a Changing Environment, 1993-1971
Walker, J. Samuel (2004). Three Mile Island: A Nuclear Crisis in Historical Perspective, Berkeley: University of California Press.
Weart, Spencer R. Uppkomsten av kärnkraftsrädsla. Cambridge, MA: Harvard University Press, 2012. ISBN 0-674-05233-1

Kärnteknik
Teknik
Material
Kärnkraft
Nukleär medicin
Kärnvapen

Wikimedia Foundation. 2010.

Kossman, Bernhard
Zimmerman, Albert Karl Heinrich

Se vad "Kärnenergi" är i andra ordböcker:

KÄRNKRAFT- (atomenergi) inre energi hos atomkärnor som frigörs under kärnomvandlingar (kärnreaktioner). kärnkraftsbindande energi. massdefekt Nukleoner (protoner och neutroner) i kärnan hålls stadigt av kärnkrafter. För att ta bort en nukleon från en kärna... ... Stor encyklopedisk ordbok

KÄRNKRAFT- (kärnenergi), intern energi kl. kärna, frigörs under kärnomvandlingar. Den energi som måste förbrukas för att dela en kärna i dess beståndsdelar kallas nukleoner. kärnkraftsbindande energi? Detta är max. energi mot himlen kan frigöras. … … Fysisk uppslagsverk

KÄRNKRAFT- KÄRNENERGIE, ENERGI som frigörs under en kärnreaktion som ett resultat av övergången av MASS till energi som beskrivs i ekvationen: E=mс2 (där E är energi, m är massa, c är ljusets hastighet); den härleddes av A. EINSTEIN i hans RELATIVITETSTEORI.... ... Vetenskaplig och teknisk encyklopedisk ordbok

KÄRNKRAFT- (kärnenergi) se () () ... Big Polytechnic Encyclopedia

KÄRNKRAFT- (atomenergi), den inre energin hos atomkärnor som frigörs under vissa kärnreaktioner. Användningen av kärnenergi är baserad på implementeringen av kedjereaktioner av fission av tunga kärnor och termonukleära fusionsreaktioner av lätta kärnor (se... ... Modernt uppslagsverk

När det stod klart att kolvätekällor av råvaror, såsom olja, gas, kol, håller på att utarmas. Det betyder att vi måste leta efter nya energislag. Nu har en mycket allvarlig fråga uppstått om möjligheten till katastrofala klimatförändringar på grund av att konventionella värmekraftverk skapar ett växthusgaslager. Som ett resultat sker global uppvärmning på jorden. Detta är helt säkert. Vi måste leta efter nya typer av energi som inte leder till detta.

Kuvshinov Vyacheslav Ivanovich:
En atoms struktur och en atoms struktur (att den har en kärna inuti) blev kända först under förra seklet. När andra världskriget fortskred blev det klart att kolossal energi kunde utvinnas från kärnan i en atom. Naturligtvis tänkte man ut ett alternativ om hur detta skulle kunna användas ur vapensynpunkt, ur atombombs synvinkel.
Och först på 50-talet uppstod frågan om fredlig användning av atomenergi, och begreppet "fredlig atom" uppstod.

Det första kärnkraftverket i Sovjetunionen byggdes i Obninsk. Det är märkligt att chefen för det första kärnkraftverket var akademiker Andrei Kapitonovich Krasin, som förresten senare blev chef för Sosny Institute for Energy and Nuclear Research.

Kuvshinov Vyacheslav Ivanovich:
Låt oss ta protonerna och neutronerna som utgör kärnan. Om de sitter inne i kärnan är de nära förbundna av kärnkrafter. Varför är det trångt? Eftersom till exempel två protoner har samma elektriska laddning borde de stöta bort enormt, däremot dras de ihop. Så det finns kärnkrafter inuti kärnan. Och det visar sig att en del av massan av protoner och neutroner förvandlas till energi. Och det finns en sådan berömd formel som nu till och med är skriven på T-shirts E = Mc2. E är energi, M är partikelmassa, MED i kvadrat är ljusets hastighet.
Det visar sig att det också finns en speciell energi som är förknippad med kroppsvikten. Och om det finns någon form av lagrad energi i kärnan, om kärnan delas, så frigörs denna energi i form av fragmentens energi. Och det är just dess kvantitet (E) som är lika med (M) per (kvadrat på ljusets hastighet). Som ett resultat av klyvningen av en kärna får du lite energi i form av fragmentenergi.
Det intressanta här är att när en stor mängd av till exempel uranbränsleklyvningar uppstår en kärnkedjereaktion. Detta innebär att kärnorna klyvs nästan samtidigt. Detta frigör en kolossal mängd energi. Till exempel kan 1,5 kg uranbränsle ersätta 1,5 vagnar kol.

Vilken roll spelar ljusets hastighet i denna universella formel?

Kuvshinov Vyacheslav Ivanovich:
Einstein byggde sina formler för att ändra ljusets hastighet från ett koordinatsystem till ett annat, av vilka det följer att ljusets hastighet är konstant, och alla andra hastigheter hos andra kroppar och objekt förändras. Det är märkligt att det från Einsteins relativitetsformel visar sig att tidsresor är möjliga. Det innebär den så kallade "tvillingparadoxen". Det ligger i det faktum att en av tvillingarna, som ligger i en raket som accelereras till en hastighet nära ljusets hastighet, kommer att åldras mindre än hans bror kvar på jorden.

Vyacheslav Ivanovich Kuvshinov, professor, generaldirektör för Sosny Joint Institute for Energy and Nuclear Research:
Enligt IAEA ger endast införandet av kärnenergi den lägsta kostnaden för el. Vitryssarna kommer att se denna fördel i sitt "fett".

Enligt MGATE-forskning kommer det, som de säger, år 2020 att finnas ett hål i Vitrysslands bränsle- och energibalans. Experter säger att det kommer att vara möjligt att sluta gapet i energiförbrukning endast med hjälp av ett fungerande kärnkraftverk.

Enligt IAEA finns det 441 kraftenheter i drift i världen. Det finns 5 kärnkraftverk runt Vitryssland. I grannlandet Ukraina finns kärnkraftverket Rivne, i Ryssland - Smolensk, Leningrad och i byggprocessen av det baltiska kärnkraftverket.

Nikolai Grusha, chef för avdelningen för kärnenergi vid energiministeriet i Republiken Vitryssland:
Huvuduppgiften med att bygga ett kärnkraftverk, och i allmänhet huvuduppgiften för energipolitiken i Republiken Vitryssland, är att minska beroendet av naturgasförsörjning.
Vid driftsättning av ett kärnkraftverk med en kapacitet på mer än 2 miljoner kilowatt kommer för det första cirka 27-29 % av all el som produceras vid kärnkraftverket att genereras. Detta kommer att möjliggöra ersättning av cirka 5 miljarder kubikmeter naturgas. Det är nästan en fjärdedel av vad vi konsumerar idag.

Kärnteknikens och kärnteknikens bidrag för att säkerställa statens säkerhet är vanligtvis indelat i sfärerna civila (fredliga) och militära tillämpningar. Denna uppdelning är i viss mening godtycklig, eftersom omvandlingen av kärnteknik ägde rum i alla stadier av deras utveckling.

Huvudinriktningar för fredlig användning av kärnenergi:

elektrisk kraftindustri;
värmeförsörjning till befolkade områden (kommunala) och industrianläggningar (industriella), avsaltning av havsvatten;
kraftverk för transportändamål, som används som energikällor på örlogsfartyg - isbrytare, lättare bärare, etc.;
utveckling av fyndigheter på den arktiska kontinentalsockeln;
kraftverk för kraftförsörjning av konstgjorda rymdsystem och föremål; raketmotorer;
forskningsreaktorinstallationer för olika ändamål;
erhållande av isotopprodukter som är nödvändiga för användning inom medicin, teknologi och jordbruk;
industriell tillämpning av underjordiska kärnvapenexplosioner.
De viktigaste riktningarna för militär användning av kärnenergi:
produktion av kärnmaterial av vapenkvalitet;
kärnvapen;
energiinstallationer som används för att pumpa energi till laservapen;
kraftverk för ubåtar och ytfartyg från flottan och rymdfarkoster.

Elkraftindustrin. De flesta drivande kraftenheter använder tryckvattenreaktorer (PWR, VVER) eller kokvattenreaktorer (BWR, RBMK), vilket gör det möjligt att uppnå en kraftgenereringseffektivitet på 31...33%. Snabba och högtemperaturreaktorer (gaskylda) ger kraftgenereringseffektivitet på 41...43%. Övergången till gasturbinenergiomvandling vid en temperatur bakom en gaskyld reaktor på cirka 900 °C gör det möjligt att öka effektiviteten i elproduktionen till 48...49%.

År 2002 var den totala globala elproduktionen för alla drivande kärnkraftsenheter (441 enheter med en total installerad elektrisk kapacitet på 359 GW) 2574 TWh (ungefär 16 % av den producerade elen och 6 % av den globala bränsle- och energibalansen).

Värmetillförsel med användning av kärnenergikällor för närvarande (med dess begränsade volymer) är tillräckligt förberedd i tekniska termer, och dess praktiska genomförande anses vara av särskild vikt vid ersättning av organiskt bränsle med kärnbränsle. Användningen av kärnenergi för värmeförsörjning till befolkade områden och industri började nästan samtidigt med produktionen av el från kärnkraftsreaktorer.

Det finns tre metoder för centraliserad värmeförsörjning från en kärnkraftskälla:

kärnkraftverk (NTPP) för kombinerad produktion av el och värme i en enhet;
kärnkraftspannhus som endast tjänar till att producera lågtrycksånga och varmvatten (metoden implementeras i ganska liten skala);
användning av värmeförmågan hos kondenserande kärnkraftverk för att producera värme.

Värmeavgivning för uppvärmning produceras av alla kärnkraftverk i Ryssland och OSS-länderna, såväl som många utländska (Bulgarien, Ungern, Tyskland, Kanada, USA, Schweiz, etc.). I enlighet med den "ryska energistrategin för perioden fram till 2020" Produktionen av termisk energi i Ryssland med hjälp av kärnkraftskällor kommer att öka från 6 miljoner Gcal 1990 till 15 miljoner Gcal 2020. Ökningen av termisk energiproduktion förväntas genom skapandet av tekniska möjligheter för överföring av värmeenergi från kärnkraftverk och driva kärnkraftverk. Samtidigt är de faktorer som påverkar den ekonomiska effektiviteten av värmeförsörjning med hjälp av en kärnenergikälla typen av reaktoranläggning och kapitalinvesteringar i den, koncentrationen av användarnas värmebelastningar, längden på huvudvärmenäten, såväl som jämförande priser på kärnkraft och organiskt bränsle.

Användning av termisk energi från kärnkraftverk i industriell skala i länderna i fd Sovjetunionen startades i slutet av 50-talet. vid Sibiriens kärnkraftverk, där värmen användes för att värma industrilokaler och bostadshus. Den höga tillförlitligheten och säkerheten hos värmeförsörjningssystem demonstrerades vid Bilibino ATPP, som är verksamt i Chukotka sedan 1974. Den sista, fjärde kraftenheten lanserades 1976. BiATPP är det enda kärnkraftverket i världen som är konstruerat för att producera el och värme för de industriella och inhemska behoven i norra territoriet under permafrostförhållanden.

I Ryssland och utomlands har projekt av medel- och lågeffektsreaktorer utvecklats, endast avsedda för uppvärmningsändamål - AST-500 (Ryssland), NHR-200 (Kina), SES-10 (Kanada), Geyser (Schweiz, etc.) , såväl som för användning med dubbla ändamål, dvs. för produktion av värme och elektricitet - VK-300, RUTA, ATETs-200, ABV, Sakha-32 och KLT-40 (Ryssland), SMART (Republiken Korea), CAREM-25 (Argentina), MRX (Japan), ISIS (Italien).

Graden av utveckling av projekt varierar från skiss till arbete. För vissa projekt har demonstrationsenheter byggts och är i drift (SDR för SES-10, NHR-5 för NHR-200).

Värme med hög temperaturpotential (upp till 1000 °C och högre), nödvändig för den kemiska industrin, väteproduktion, järnmetallurgi och andra energiintensiva teknologier, kan erhållas i heliumkylda reaktorer. Genomförandet av de utvecklade projekten för sådana reaktorer och de energiteknikkomplex de tillhandahåller är tekniskt genomförbart, men med tanke på den nuvarande kostnaden för organiskt bränsle ges företräde åt traditionell teknik som använder detta bränsle.

Avsaltning. Ett av de betydande och lovande användningsområdena för låg- och medelkraftsreaktorer kan vara avsaltning av havsvatten och andra mycket mineraliserade och salthaltiga vatten (gruvvatten, etc.). Storskalig produktion av sötvatten med hjälp av kärnenergi bemästrades först i Sovjetunionen. 1973 togs ett stort industriellt vattenavsaltningskomplex med en snabb reaktor BN-350 med en flytande metall (natrium) kylvätska i drift i Kazakstan.

Många års erfarenhet av att driva denna komplexa, många inhemska och utländska designstudier av avsaltningsanläggningar med olika typer av reaktorer, och en detaljerad studie av problemet inom ramen för forskningsprogram från Internationella atomenergiorganet (IAEA) tillåter oss att överväga kärnreaktorer som ekonomiskt lovande energikällor för avsaltningsanläggningar, vilket ger möjlighet att producera färskvatten i stora områden med decentraliserad energiförsörjning, vilket är typiskt för många vattenstressade områden i världen.

Transportkraftverk. Kärnkraftsanläggningar ombord och marina designades och byggdes i Ryssland, USA, Tyskland, Japan, Storbritannien, Frankrike och Kina. Världens första kärnkraftsdrivna civila fartyg - den kärnkraftsdrivna isbrytaren "Lenin" - byggdes 1959, och sedan togs en serie kärnkraftsdrivna isbrytare i drift ("Arctic", "Sibirien", "Ryssland", " Sovjetunionen", "Taimyr", "Vaigach", "Yamal") och container-tändare bäraren "Sevmorput". Erfarenheterna av civil kärnkraftsbyggnad i andra länder (USA - Savannah, 1962; Tyskland - Otto Gann, 1968; Japan - Mutsu, 1974) var ojämförligt mindre.

Den totala olycksfria driften av kärnkraftverk på ryska isbrytare och lättare bärare översteg 160 reaktorår; Drifttiden för utrustningen vid de första kärnkraftverken uppgick till mer än 100...120 tusen timmar med bibehållen drift. Under de 35 år som nukleära isbrytare har varit i drift och 9 år som Nordsjövägen har varit i drift har det inte inträffat en kärnkrafts- eller strålningsfarlig incident på dem som skulle ha lett till en reseavbrott, exponering för personal eller negativ påverkan på miljön. Det fanns inga fall av yrkessjukdom i samband med arbete vid reaktoranläggningen.

De första atomubåtarna byggdes och levererades till flottan i USA 1954, i Ryssland 1958. Därefter började ubåtar byggas i Storbritannien, Frankrike och Kina (1963, 1971 respektive 1974). I Ryssland byggdes 261 atomubåtar mellan 1957 och 1995; huvuddelen av atomubåten har två kärnreaktorer.

I samband med begränsning och minskning av vapen inkluderar agendan skapandet av en effektiv teknik för nedmontering av avvecklade kärnubåtar, såväl som valet och ekonomisk motivering av nya tillämpningsområden för effektiv teknik för kärnkraftverk ombord. Bland de senare är ledarna:

flytande kärnkraftverk för att leverera el och värme till avlägsna regioner som inte har en centraliserad kraftförsörjning.

Dessa inkluderar

Rysslands norra och östra kust, territorier längs sibiriska floder, några öländer i Stilla havet, etc.;
Flytande kärnkraftsenheter för avsaltning av havsvatten;
undervattensfarkoster för att studera världshavet, undersöka sjunkna fartyg, utveckla bottenområden, industriell brytning av järn-manganknölar och andra mineraler från botten av hav och hav.

Utveckling av fyndigheter på den arktiska kontinentalsockeln. På 90-talet Under det senaste århundradet började Ryssland utveckla projekt för utveckling av fyndigheter på den arktiska kontinentalsockeln. De totala (utvinningsbara) kolvätereserverna i Norra ishavet uppskattas till 100 miljarder ton bränsleekvivalenter. Forskning av ryska designorganisationer har visat möjligheten att använda kärnenergi för att lösa ett brett spektrum av energiförsörjningsproblem för den offshore-olja- och gasteknologiska cykeln på den arktiska hyllan. Projekt har uppstått för kärnkraftsförsörjning för kolväteproduktion på plattformar i Barents hav, gastransport genom undervattensgasledningar över långa avstånd, undervattensskytteltankers med stor kapacitet (projekt av en nukleär undervattens isbrytartanker från Malachite Design Bureau, St. Petersburg en kärnvapentanker för att transportera flytande bränsle från Ryssland till Japan, Design Bureau "Lazurit", Nizhny Novgorod).

Som en del av projektet för utvecklingen av det gigantiska gaskondensatfältet Shtokman gjordes en bedömning och möjligheten att skapa en kärnteknisk undervattensstation för att pumpa naturgas genom långa undervattensgasledningar på stort djup visades. Designen av nya installationer använder tekniska lösningar från omfattande rysk erfarenhet av design och drift av kärnkraftverk med tryckvattenreaktorer för marinen och nukleära isbrytare.

Kärnkraftverk på rymdfarkoster kan användas som energikällor och/eller motorer ombord och har absoluta fördelar för rymdraketfartyg under långväga interplanetära flygningar, när kemiska källor och/eller flödet av solstrålning inte kan tillhandahålla den nödvändiga strömförsörjningen för expeditionen.

I Ryssland är en av huvudriktningarna i utvecklingen av rymdkärnkraftverk användningen av reaktorer med termionomvandlare inbyggda i kärnan - effektiva energikällor för att leverera rymdfarkoster till geostationära och andra energiintensiva banor med hjälp av ett elektriskt framdrivningssystem (EPS). ).

De första flygtesterna av rymdkärnkraftverket "Buk" med en effekt på 3 kW(e) med termionomvandlare, utvecklade sedan 1956, ägde rum i oktober 1970 (AES "Cosmos-367"). Fram till 1988, när satelliten Cosmos-1932 sändes upp, skickades 32 Buk-kärnkraftverk ut i rymden.

Utvecklingen av det termioniska kärnkraftverket "Topaz" med en effekt på 5...7 kW(e) med multi-element power generating channels (EGC), genomförd sedan 1958, inkluderade (från 1970) livstester vid kraften hos sju prover av kärnkraftverk. Världens första rymduppskjutning av ett termioniskt kärnkraftverk ägde rum 1987-02-02 som en del av det experimentella rymdskeppet "Plasma-A" (satellit "Cosmos-1818", omloppshöjd 810/970 km). Kärnkraftverket fungerade i autonomt läge i 142 dagar och genererade över 7 kW el. Den andra uppskjutningen av kärnkraftverket Topaz genomfördes den 10 juli 1987 (Cosmos-1867-satelliten, omloppshöjd 797/813 km). Denna installation fungerade i rymden i 342 dagar och genererade mer än 50 tusen kWh el.

En betydande mängd forskning, design och teknisk utveckling, förreaktor- och reaktortester har utförts för att lösa problemet med att skapa en direktverkande kärnraketmotor (NRE), i vilken väte, uppvärmd i härden till en temperatur på 2500...2800 K, expanderar i munstycksapparaten och ger en specifik impuls på ca 850...900 s. Marktester av prototypreaktorer bekräftade den tekniska genomförbarheten av att skapa kärnkraftsdrivna motorer med en dragkraft på flera tiotals (hundratals) ton.

Ett av de mest föredragna systemen för användning av kärnreaktorer som en del av rymdfarkoster är deras användning för två syften: i skedet av uppskjutning av rymdfarkoster från låg omloppsbana om jorden in i en arbetsbana, vanligtvis geostationär, för strömförsörjning till framdrivningssystemet, och i det efterföljande skedet av avsedd användning - för att driva rymdfarkostens ombord och funktionella utrustning i den sista omloppsbanan.

Som ett okonventionellt tillvägagångssätt för skapandet av ett kärnkraftverk konstruerat för att fungera i två lägen med väsentligt olika elektrisk effekt på 100...150 kW och 20...30 kW med en livslängd på upp till 15-20 år, Energia Rocket and Space Corporation föreslår en ny princip för att bygga ett kärnkraftverk. Det här alternativet gör det möjligt att separera funktionerna för att omvandla termisk energi till elektrisk energi i transportsättet och det sätt för avsedd användning av rymdfarkosten mellan två motsvarande typer av omvandlare: en termionomvandlare inbyggd i reaktorhärden, som används för att driva det elektriska framdrivningssystemet (transportläge) och har en kort resurs på upp till 1, 5 år, och ligger utanför kärnan (för långsiktig kraftförsörjning av rymdfarkostutrustning). Den energi som krävs för drift (i det senare fallet) tillförs av kylvätska som värms upp i reaktorhärden.

Prototypen för den termoelektriska generatorn i det dubbelmodiga kärnkraftverket som är under övervägande kan vara en termoelektrisk generator utvecklad i USA för SP-100-installationen (ett kärnkraftverk baserat på en litiumkyld snabbreaktor, i vilken en kisel- germanium termoelektrisk omvandlare planerades som den huvudsakliga energigeneratorn).

Forskningsreaktoranläggningar. Enligt IAEA, i augusti 2000, är 288 forskningsreaktorer i drift i 60 länder runt om i världen, deras totala termiska effekt är 3205 MW (Fig. B.2.1). Antalet forskningsreaktorer i drift i de viktigaste länderna i världen: Ryssland - 63, USA - 55, Frankrike - 14, Tyskland - 14, Japan - 20, Kanada - 9, Kina - 9, Storbritannien - 3 324 forskningsreaktorer stoppade och avvecklade på grund av utmattningsskäl livslängden för den huvudsakliga tekniska utrustningen eller slutförandet av planerade forskningsprogram. Av dessa har 21 reaktorer projekt och avvecklingsarbeten pågår.

Ris. B.2.1. Antal forskningsreaktorer i världen och deras totala värmeeffekt

Skaffa isotopprodukter. Radioaktiva och stabila nuklider används i olika anordningar och installationer, samt märkta föreningar för vetenskaplig forskning, teknisk och medicinsk diagnostik, behandling och studie av tekniska processer (tabellerna B.2.1 och B.2.2).

Radionuklider erhålls genom bestrålning av speciella målmaterial i kärnreaktorer, såväl som i högströms laddade partikelacceleratorer - cyklotroner och elektronacceleratorer (tabell B.2.3, B.2.4).

Vissa radionuklider frigörs från bestrålat kärnbränsle som klyvningsprodukter. Ett antal kortlivade radionuklider, huvudsakligen avsedda för medicinska ändamål, erhålls direkt på kliniker med hjälp av de så kallade kortlivade nuklidgeneratorerna, som är genetiskt besläktade system av två nuklider: en långlivad (modern) och en kortlivad. levde (dotter), som kan isoleras när den ackumuleras .

Industriella tillämpningar av underjordiska kärnvapenexplosioner(PJV) har studerats sedan slutet av 1950-talet. främst i USSR och USA. Därefter reglerades denna verksamhet av sådana internationella överenskommelser som fördraget om begränsning av underjordiska provning av kärnvapen (1974); fördraget om underjordiska kärnvapenexplosioner för fredliga ändamål (1976), samt protokollet till det senare fördraget (1990). I enlighet med dessa avtal bör effekten för varje industriellt kärnkraftverk inte överstiga 150 kt. Den totala effekten av alla förda "fredliga" kärnvapen överstiger inte 3...4 Mt.

1957 vid National Livermore Laboratory. Lawrence (USA), på initiativ av E. Teller och G. Seaborg, utvecklades ett experimentprogram "Ploughshare", inom vars ram, under tiden fram till 1973, då detta program avbröts av tekniska och miljömässiga skäl, 27 FRI. Möjliga områden för praktisk tillämpning av PNE:er övervägdes: utveckling av oljeskiffer i staten. Colorado, fördjupa Panamakanalen, bygga hamnar i Alaska och nordvästra Australien, bygga en kanal över Kra-näset i Thailand, etc.

Av de 27 kärnsprängämnena utanför provplatsen i st. Nevada hade 4 PYVs. Av dessa var den mest framgångsrika explosionen 1967 i syfte att intensifiera gasproduktionen på ett fält i St. New Mexico, vilket bidrog till en 7-faldig ökning av brunnstrycket. 5 kärnvapenbomber lyckades också på testplatsen i st. Nevada, utförd för utgrävning (utsläpp av jord).

Användningen av industriella kärnvapen i Sovjetunionen var mycket mer utbredd. Från och med den 15 januari 1965, när ett experiment framgångsrikt genomfördes på oljefältet Grachevskoye i Basjkirien för att intensifiera inflödet av olja och gas vid produktionsbrunnar med hjälp av PNE:er, genomfördes 115 PNE:er fram till 1987 (81 av dem i Ryssland).

De har använts för djup seismisk sondering av jordskorpan och manteln (39); intensifiering av olja (20) och gasproduktion (1); konstruktion av underjordiska tankar för kolväteråvaror (36); undertryckande av nödgasfontäner på fälten (5); utgrävning av jord längs kanalvägen i samband med genomförandet av ett projekt för att överföra en del av flödet av norra floder i den europeiska delen av Ryssland till söder (1 trippel PJV); skapande av dammar (2) och reservoarer (9); krossning av malmfyndigheter (3); bortskaffande av biologiskt farligt industriavfall (2); förebyggande av gasutsläpp i en kolgruva (1).

Kärnenergi från klyvning av tungmetallatomer används redan i stor utsträckning i många länder. I vissa länder når andelen av denna typ av energi 70 % (Frankrike, Japan). Förmodligen under de kommande 50–100 åren kommer kärnklyvningsenergi på allvar att konkurrera med all annan energi som används av mänskligheten. Världens reserver av uran, den huvudsakliga bäraren av kärnklyvningsenergi, uppgår till mer än 5 miljoner ton. Det betyder att reserven av kärnenergi är en storleksordning större än reserven för alla fossila icke-förnybara energikällor.

Atomernas kärnor består av två elementarpartiklar, protoner och neutroner. Kombinationen av protoner och neutroner bildar ett masstal som består av antalet protoner och antalet neutroner i en atoms kärna:

A = Z sid + Z n ,

Var Z sid– antalet protoner i kärnan, Z n– antal neutroner. Massan av elementarpartiklar mäts i atommassaenheter (am) och i kilogram. Fysiker känner med stor noggrannhet till massorna av de viktigaste elementarpartiklarna. I synnerhet är protonmassan:

m sid= 1,007276 aem = 1,672623·10 -27 kg;

neutronmassa:

m n = 1,008664 am = 1,674928·10 -27 kg.

Skillnaden mellan massan av en proton och en neutron är liten, men märkbar. Massan av en elektron, varav ett visst antal bildar ett elektronmoln runt kärnan, är ungefär 1823 gånger mindre än massan av en proton eller neutron, så deras inflytande försummas vanligtvis, åtminstone i grova beräkningar.

Protoner och neutroner som samlas i en atoms kärna bildar kärnans bindningsenergi:

E ANSLUTNINGAR = ( m sid ∙Z sid + m n ∙Z n – m CORE)∙ c 2 .

Denna formel ger energi i J om massa anges i kilogram. Det framgår av formeln att bindningsenergin bildas på grund av skillnaden mellan kärnans massa och massan av de enskilda komponenterna i kärnan (på grund av den så kallade massdefekten). När en kärna klyvs frigörs denna energi.

Kärnorna i alla element är indelade i:

Stabil eller pseudostabil, med en halveringstid på mer än en miljon år;

Spontant klyvbar, instabil med en halveringstid på mindre än en miljon år.

Men det finns grundämnen vars kärnor tillåter artificiell klyvning om deras kärnor bombarderas av neutroner. Dessa neutroner, som tränger in i kärnan, gör den instabil och orsakar dess artificiella klyvning. För närvarande används tre varianter av sådan artificiell uppdelning för energiändamål:

1.Användning U 2 35 och långsamma (termiska) neutroner. Termiska neutroner har en hastighet på högst 2000 m/s.

2.Användning Pu 239 eller U 2 33 och långsamma (termiska) neutroner. Plutonium Pu 239 och uran U 2 33 finns inte i naturen och erhålls på konstgjord väg när den tredje metoden implementeras.

3.Användning U 2 38 och snabba neutroner med en hastighet av ca 30 000 m/s. Det är också möjligt att använda Th 232 (toriumcykel).

För att säkerställa kontinuerlig kärnklyvning krävs en så kallad fissionskedjereaktion. För att en kedjereaktion ska inträffa måste varje efterföljande fissionshändelse involvera fler neutroner än den föregående. Klyvbart kärnbränsle är enkomponent. Termiska neutroner absorberas mest intensivt av klyvbara isotoper. Därför bromsas neutroner i kärnreaktorer i speciella moderatorämnen - vatten, tungt vatten, grafit, beryllium, etc.

Naturligt uran, utvunnet från jordskorpan, innehåller endast 0,712 % U 2 35, klyvning vid infångning av termiska neutroner. Resten av massan är U 2 38. Detta leder till behovet av att anrika naturligt uran genom att tillsätta U 2 35 från 1 till 5 % för reaktorer i kärnkraftverk.

Låt oss överväga processen att erhålla en kärnklyvningsreaktion enligt det första alternativet. I allmänhet är formeln för att beräkna massdefekten följande:

Var m U- massan av urankärnan, m D är massan av alla fissionsprodukter, m n- neutronmassa. Denna kärnreaktion frigör energi

W = Δ M∙ c 2 .

Teoretiska beräkningar och erfarenhet har visat att vid användning U 2 35 och absorptionen av en långsam neutron av dess atom, uppstår två atomer av fissionsprodukter och tre nya neutroner. I synnerhet kan barium och krypton förekomma. Reaktionen ser ut så här:

Massdefekten i relativa enheter är lika med

Massorna av alla element som deltar i reaktionen är lika: M U = 235.043915,M Ba = 140.907596,M Kr = 91.905030,m n = 1,008664, alla värden i aem. Massdefekten är lika med:

Alltså vid klyvning av 1 kg U 2 35 massadefekten blir 0,000910 kg. Energin som frigörs i detta fall är lika med

W= 0,000910∙(3∙10 8) 2 = 8190∙10 10 J = 8,19∙107 MJ.

En kraftenhet med en kapacitet på 1000 MW producerar elektrisk energi per år W E = 10 3 ∙10 6 ∙3600∙8760 = 3,154∙10 16 J eller 3,154∙10 10 MJ.

Med en blockeffektivitet på η = 0,4 kommer uran-235 att krävas per år:

kg.

Som jämförelse kommer vi att fastställa behovet av antracit

2,25 miljoner ton.

Beräkningar gjordes för rent uran-235. Om naturligt uran anrikas till 3 % blir den totala massan av uran

M= 962,8/0,03 = 32 093 kg.

Dessutom är det i praktiken inte uranmetall, som har en otillräckligt hög smältpunkt, som används, utan urandioxid UO 2. Låt oss beräkna det totala behovet av anrikat kärnbränsle med urandioxid för att säkerställa driften av en 1000 MW kraftenhet under ett år. Med hänsyn till syremassan, vars andel är ungefär lika med förhållandet: 2∙16/238 = 0,134, kommer den totala massan av kärnbränsle att vara:

M YT = 32093∙(1 + 0,314) = 36400 kg = 36,4 ton.

Det är lätt att se att skillnaden i mängden organiskt bränsle och kärnbränsle som krävs för att producera samma mängd energi är kolossal.

Det har tidigare noterats att huvuddelen av naturligt uran är uran-238, som praktiskt taget inte reagerar på långsamma neutroner, men interagerar bra med snabba neutroner. I detta fall blir följande kärnreaktion möjlig:

och ackumuleras delvis. Den ackumulerade plutonium-239 kan användas som kärnbränsle i en långsam (termisk) neutronreaktor. Med hjälp av en sådan reaktion ökar effektiviteten av att använda naturligt uran många gånger (nästan 100 gånger).

I snabba neutronreaktorer är det möjligt att organisera en toriumcykel med torium-232. Toriumreserverna i naturen överstiger uranreserverna med 4–5 gånger. Infångningen av en termisk neutron av naturlig torium-232 producerar den klyvbara isotopen uranium-233, som kan brännas på plats eller lagras för senare användning i termiska neutronreaktorer:

Toriumenergi, till skillnad från uranenergi, producerar inte plutonium och transuranelement. Detta är viktigt både ur miljösynpunkt och ur kärnvapenicke-spridningssynpunkt.

Kärnreaktorer som använder toriumbränsle är säkrare än de som använder uranbränsle, eftersom toriumreaktorer inte har någon reaktivitetsmarginal. Därför kan ingen förstörelse av reaktorutrustningen orsaka en okontrollerad kedjereaktion. Den industriella tillämpningen av toriumcykelreaktorer är dock fortfarande långt kvar.

Fusionsenergi. När lätta kärnor (väte och dess isotoper, helium, litium och några andra) smälter samman, är kärnans massa efter sammanslagningen mindre än summan av massorna av de enskilda kärnorna före sammansmältningen. Resultatet är också en massdefekt och, som en konsekvens, en frigöring av energi. Attraktionskraften med att använda denna energi beror på de praktiskt taget outtömliga reserver av råmaterial för dess genomförande.

För att utföra termonukleär fusion krävs ultrahöga temperaturer i storleksordningen 10 7 ºK och högre. Behovet av ultrahöga temperaturer beror på det faktum att kärnor i termisk rörelse på grund av stark elektrostatisk repulsion kan komma nära små avstånd och endast reagera med en tillräckligt stor kinetisk energi av sin relativa rörelse. Under naturliga förhållanden inträffar termonukleära reaktioner i stjärnornas djup, som är den huvudsakliga energikällan som släpps ut av dem. En artificiell termonukleär reaktion erhölls endast i form av en okontrollerad explosion av en vätebomb. Samtidigt har arbetet med kontrollerad termonukleär fusion pågått i många år.

Det finns två riktningar för att genomföra projektet för att erhålla användbar energi baserat på en kontrollerad termonukleär fusionsreaktion.

Den första riktningen involverar användningen av en toroidformad kammare, i vilken ett magnetfält komprimerar kärnorna av sammanslagna element uppvärmda till flera miljoner grader. Hela enheten kallas TOKAMAK (står för toroidal kammare med magnetspolar). Europeiska länder och Ryssland följer denna väg.

Den andra riktningen använder lasrar för att värma och komprimera kärnor. Således använder NIF-192-projektet, implementerat vid Liverpool National Laboratory i Kalifornien, 192 lasrar som är placerade i en cirkel och komprimerar deuterium och tritium med sin samtidiga strålning.

Resultaten är uppmuntrande, men tillåter oss inte att dra slutsatser om den specifika tidpunkten för att erhålla kärnfusionsenergi för praktiska ändamål.

Energin i en kärnreaktion är koncentrerad i en atoms kärna. En atom är en liten partikel som utgör all materia i universum.

Mängden energi från kärnklyvning är enorm och kan användas för att skapa elektricitet, men den måste först frigöras från atomen.

Får energi

Att utnyttja energin från en kärnreaktion sker genom utrustning som kan styra atomklyvning för att producera elektricitet.

Bränslet som används för reaktorer och energiproduktion är oftast pellets av grundämnet uran. I en kärnreaktor tvingas uranatomer att falla isär. När de splittras frigör atomerna små partiklar som kallas fissionsprodukter. Klyvningsprodukterna verkar på andra uranatomer för att separera - en kedjereaktion börjar. Kärnenergin som frigörs från denna kedjereaktion skapar värme. Värmen från kärnreaktorn gör den väldigt varm, så den behöver svalna. Det tekniskt bästa kylmediet är vanligtvis vatten, men vissa kärnreaktorer använder flytande metall eller smälta salter. Kylvätskan som värms upp från kärnan producerar ånga. Ångan verkar på ångturbinen och vrider den. Turbinen är via en mekanisk transmission ansluten till en generator, som producerar elektricitet.
Reaktorerna styrs med hjälp av styrstavar som kan anpassas till mängden värme som genereras. Kontrollstavar är gjorda av ett material som kadmium, hafnium eller bor för att absorbera några av de produkter som skapas av kärnklyvning. Stavar är närvarande under en kedjereaktion för att kontrollera reaktionen. Att ta bort stavarna kommer att tillåta kedjereaktionen att utvecklas ytterligare och skapa mer elektricitet.

Cirka 15 procent av världens el genereras av kärnkraftverk.

USA har mer än 100 reaktorer, även om USA genererar det mesta av sin el från fossila bränslen och vattenkraft.

I Ryssland finns 33 kraftenheter vid 10 kärnkraftverk – 15 % av landets energibalans.

Litauen, Frankrike och Slovakien förbrukar det mesta av sin el från kärnkraftverk.

Kärnbränsle som används för att generera energi

Uran är det bränsle som används mest för att producera kärnreaktionsenergi. Detta beror på att uranatomer går sönder relativt lätt. Den specifika typen av uran som produceras, kallad U-235, är sällsynt. U-235 utgör mindre än en procent av världens uran.

Uran bryts i Australien, Kanada, Kazakstan, Ryssland, Uzbekistan och måste bearbetas innan det kan användas.

Eftersom kärnbränsle kan användas för att skapa vapen omfattas produktionen av icke-spridningsavtalet för import av uran eller plutonium eller annat kärnbränsle. Fördraget främjar fredlig användning av bränsle, samt begränsar spridningen av denna typ av vapen.

En typisk reaktor använder cirka 200 ton uran varje år. Komplexa processer gör att en del av uran och plutonium kan återanrikas eller upparbetas. Detta minskar mängden gruvdrift, utvinning och bearbetning.

Kärnenergi och människor

Kärnkraft producerar el som kan användas för att driva hem, skolor, företag och sjukhus.

Den första reaktorn för att generera elektricitet byggdes i Idaho, USA och började experimentellt driva sig själv 1951.

År 1954 skapades det första kärnkraftverket i Obninsk, Ryssland, utformat för att ge energi åt människor.

Byggandet av reaktorer för att utvinna kärnreaktionsenergi kräver en hög tekniknivå och endast länder som har undertecknat icke-spridningsavtalet kan få det uran eller plutonium som krävs. Av dessa skäl är de flesta kärnkraftverk belägna i utvecklade länder i världen.

Kärnkraftverk producerar förnybara, miljövänliga resurser. De förorenar inte luften eller producerar utsläpp av växthusgaser. De kan byggas i stads- eller landsbygdsområden och förändrar inte miljön runt dem radikalt.

Radioaktivt material från kraftverk

Radioaktivt material i sid Reaktorn är säker eftersom den kyls i en separat struktur som kallas ett kyltorn. Ångan omvandlas till vatten och kan användas igen för att producera el. Överskott av ånga återvinns helt enkelt till atmosfären, där det inte är skadligt som rent vatten.

Energin från en kärnreaktion har dock en biprodukt i form av radioaktivt material. Radioaktivt material är en samling instabila kärnor. Dessa kärnor förlorar sin energi och kan påverka många material runt dem, inklusive levande organismer och miljön. Radioaktivt material kan vara extremt giftigt, orsaka sjukdom, öka risken för cancer, blodsjukdomar och skelettförfall.

Radioaktivt avfall är det som blir över från driften av en kärnreaktor.

Radioaktivt avfall omfattar skyddskläder som bärs av arbetare, verktyg och tyger som var i kontakt med radioaktivt damm. Radioaktivt avfall är långvarigt. Material som kläder och verktyg kan förbli radioaktiva i tusentals år. Regeringen reglerar hur dessa material kasseras så att de inte förorenar något annat.

Bränslet och stavarna som används är extremt radioaktiva. Uranpellets som används måste förvaras i speciella behållare som ser ut som stora simbassänger. Vissa anläggningar lagrar bränslet de använder i torra lagringstankar ovan jord.

Vattnet som kyler bränslet kommer inte i kontakt med radioaktivitet och är därför säkert.

Det finns även kända sådana som har en något annorlunda funktionsprincip.

Användning av kärnenergi och strålsäkerhet

Kritiker av att använda kärnreaktionsenergi oroar sig för att lagringsanläggningar för radioaktivt avfall kommer att läcka, spricka eller kollapsa. Det radioaktiva materialet kan då förorena marken och grundvattnet nära platsen. Detta kan leda till allvarliga hälsoproblem för människor och levande organismer i området. Alla människor skulle behöva evakuera.

Detta är vad som hände i Tjernobyl i Ukraina 1986. En ångexplosion i ett av kraftverken i den fjärde kärnreaktorn förstörde den och en brand bröt ut. Ett moln av radioaktiva partiklar bildades, som föll till marken eller drev med vinden, och partiklarna kom in i vattnets kretslopp i naturen som regn. Det mesta av det radioaktiva nedfallet föll i Vitryssland.

Miljökonsekvenserna av Tjernobyl-katastrofen inträffade omedelbart. Kilometer runt platsen har tallskogen torkat ut och den röda färgen på de döda tallarna har gett området smeknamnet Red Forest. Fisk från den närliggande Pripyatfloden har blivit radioaktiv och människor kommer inte längre att kunna äta den. Nötkreatur och hästar dog. Mer än 100 000 människor evakuerades efter katastrofen, men antalet dödsoffer från Tjernobyl är svårt att fastställa.

Effekterna av strålförgiftning uppträder först efter många år. För sjukdomar som cancer är det svårt att fastställa källan.

Kärnenergins framtid

Reaktorer använder klyvning eller splittring av atomer för att producera energi.

Kärnreaktionsenergi kan också produceras genom att smälta eller sammanfoga atomer. I produktion. Solen, till exempel, genomgår ständigt kärnfusion av väteatomer för att bilda helium. Eftersom livet på vår planet är beroende av solen kan vi säga att fission gör livet på jorden möjligt.

Kärnkraftverk har ännu inte förmågan att på ett säkert och tillförlitligt sätt producera energi genom kärnfusion (fusion), men forskare utforskar kärnfusion eftersom processen sannolikt kommer att vara säker och mer kostnadseffektiv som en alternativ energiform.

Energin i en kärnreaktion är enorm och måste användas av människor.