РАДИОКТИВНЫЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ ИСТОЧНИКОВ ЭНЕРГИИ

радиоктивные исто́ чники эне́ ргии — устройства различного конструктивного исполнения, использующие энергию, выделяющуюся при радиоактивном распаде, для нагрева теплоносителя или преобразующие её в электроэнергию.

Радиоизотопный источник энергии принципиально отличается от атомного реактора тем, что в нём используется не управляемая цепная реакция, а энергия естественного распада радиоактивных изотопов.

РЕАКЦИИ АТОМНОГО ДЕЛЕНИЯ

Деление атомных ядер может происходить самопроизвольно или при воздействии на них элементарных частиц и легких ядер.

Для получения взрыва используют деление ядер тяжелых изотопов, которое происходит при воздействии на них нейтронов любых энергий, протекает с высокой скоростью (одно деление длится 10-15—10-14 с), сопровождается выделением большого количества энергии (около 200 МэВ на одно деление) и испусканием двух или более нейтронов, способных вызвать деление других ядер. В большой массе таких изотопов под воздействием нейтронов любых энергий возникает саморазвивающаяся цепная ядерная реакция деления, сопровождающаяся лавинообразным нарастанием числа делящихся ядер и выделением вследствие этого большого количества энергии в течение малого промежутка времени. Такими свойствами обладают уран-233, уран-235, плутоний-239, плутоний-241 и ряд трансплутониевых элементов. Их называют делящимися изотопами.

В ядерных боеприпасах могут использоваться и изотопы, деление ядер которых вызывают нейтроны с энергией не ниже определенного значения — изотопы с пороговым характером деления, например уран-238. Ядра урана-238 делятся только под воздействием быстрых нейтронов. Их деление происходит без самоподдерживающейся цепной реакции. Вещества, которые используют для получения энергии в результате взрывных реакций деления их атомных ядер, называют ядерным горючим. К ним относятся делящиеся изотопы, а также изотопы с пороговым характером деления.

Основными делящимися изотопами, используемыми в настоящее время в качестве ядерного горючего, являются уран-235, плутоний-239 и уран-233. Из них практически только уран-235 существует в природе. Он встречается в природном уране, представляющем собой смесь трех изотопов: урана-238 (99, 282%), урана-235 (0, 712%) и урана-234 (0, 006%). Изотопы плутония-239 и урана-233 в промышленных количествах получают в результате облучения нейтронами в ядерных реакторах урана-238 и тория-232 соответственно. Из изотопов с пороговым характером деления в качестве ядерного горючего применяется уран-238.

Цепная реакция деления

Рассмотрим механизм цепной реакции деления. При делении тяжелых ядер под действием нейтронов возникают новые нейтроны. Например, при каждом делении ядра урана ₉₂U²³⁵ в среднем возникает 2, 4 нейтрона. Часть этих нейтронов снова может вызвать деление ядер. Такой лавинообразный процесс называется цепной реакцией.
Цепная реакция деления идет в среде, в которой происходит процесс размножения нейтронов. Такая среда называется активной зоной. Важнейшей физической величиной, характеризующей интенсивность размножения нейтронов, является коэффициент размножения нейтронов в средеk _∞ . Коэффициент размножения равен отношению количества нейтронов в одном поколении к их количеству в предыдущем поколении. Индекс ∞ указывает, что речь идет об идеальной среде бесконечных размеров. Аналогично величине k_∞ определяется коэффициент размножения нейтронов в физической системе k. Коэффициент k является характеристикой конкретной установки.
В делящейся среде конечных размеров часть нейтронов будет уходить из активной зоны наружу. Поэтому коэффициент k зависит еще от вероятности Р для нейтрона не уйти из активной зоны. По определению

k = k∞ P.

(1)

Величина Р зависит от состава активной зоны, ее размеров, формы, а также от того, в какой степени окружающее активную зону вещество отражает нейтроны.
С возможностью ухода нейтронов за пределы активной зоны связаны важные понятия критической массы и критических размеров. Критическим размером называется размер активной зоны, при котором k = 1. Критической массой называется масса активной зоны критических размеров. Очевидно, что при массе ниже критической цепная реакция не идет, даже если k_∞ > 1. Наоборот, заметное превышение массы над критической ведет к неуправляемой реакции - взрыву.
Если в первом поколении имеется N нейтронов, то в n-м поколении их будет Nkⁿ. Поэтому при
k = 1 цепная реакция идет стационарно, при k < 1 реакция гаснет, а при k > 1 интенсивность реакции нарастает. При k = 1 режим реакции называется критическим, при k > 1 – надкритическим и при
k < 1 – подкритическим.

Атомный реактор

Реактором называется устройство, в котором поддерживается управляемая цепная реакция деления. При работе реактора происходит выделение тепла за счет экзотермичности реакции деления. Основной характеристикой реактора является его мощность – количество тепловой энергии, выделяющейся в единицу времени. Мощность реактора измеряете в мегаваттах (10⁶ Вт). Мощность в 1 МВт соответствует цепной реакции, в которой происходит 3·10¹⁶ актов деления в секунду. Имеется большое количество разных видов реакторов. Одна из типичных схем теплового реактора изображена на рис. 5.
Основной частью реактора является активная зона, в которой протекает реакция и тем самым выделяется энергия. В тепловых реакторах и в реакторах на промежуточных нейтронах активная зона состоит из горючего, как правило, смешанного с неделящимся изотопом (обычно ²³⁸U) и из замедлителя. В активной зоне реакторов на быстрых нейтронах замедлителя нет.
Объем активной зоны варьируется от десятых долей литра в некоторых реакторах на быстрых нейтронах до десятков кубометров в больших тепловых реакторах. Для уменьшения утечки нейтронов активной зоне придают сферическую или близкую к сферической форму (например, цилиндр с высотой, примерно равной диаметру, или куб).
В зависимости от относительного расположения горючего и замедлителя различают гомогенные и гетерогенные реакторы. Примером гомогенной активной зоны может служить раствор уранил-сульфатной соли иU₂SO₄ в обычной или тяжелой воде. Более распространены гетерогенные реакторы. В гетерогенных реакторах активная зона состоит из замедлителя, в который помещаются кассеты, содержащие горючее. Поскольку энергия выделяется именно в этих кассетах, их называют тепловыделяющими элементами или сокращенно твэлами. Активная зона с отражателем часто заключается в стальной кожух.

 

ПРОБЛЕМА ИСТОЧНИКОВ ЭНЕРГИИ

Жизнедеятельность человечества невозможна без потребления энергии: она необходима для производства промышленных и сельскохозяйственных продуктов, для разработки новых технологий, да и просто для обогрева жилищ. Потребляя энергию, человек прошел путь от первого костра до атомных электростанций, освоил добычу традиционных энергетических ресурсов: угля, нефти и газа, научился использовать энергию рек, освоил “мирный атом”. Сегодня суммарное потребление тепловой энергии в мире составляет колоссальную величину – более 1013 Вт в год (эквивалентно 36 млрд. тонн условного топлива). Рост народонаселения Земли и развитие промышленности будут неуклонно увеличивать приведенные цифры.

Однако современное энергопотребление основано на использовании невозобновимых запасовископаемого топлива – угля, нефти, газа, а они, к сожалению, не бесконечны. Все это составляет одну сторону энергетической проблемы, стоящей перед человечеством: быстрое исчерпание невозобновимого ископаемого топлива при нарастающих темпах его потребления.

Что касается перспектив ядерной энергетики, то все известные промышленные запасы урана будут исчерпаны уже в первом десятилетии XXI в. Учитывая затраты на добычу топлива, нейтрализацию, утилизацию и захоронение отходов, консервацию отработавших реакторов (а их ресурс не более 30 лет), расходы на социальные, природоохранные нужды, то стоимость энергии АЭС многократно превысит любой экономически допустимый уровень. По оценкам специалистов, только затраты на вывоз, захоронение и нейтрализацию накопившихся на российских предприятиях отходов ядерной энергетики составят около 400 млрд. долл., на обеспечение необходимого уровня технологической безопасности – 25 млрд. долл. С увеличением числа реакторов повышается вероятность их аварий. Таким образом, атомная энергетика не имеет долгосрочной перспективы.

 

ТЕРМОЯДЕРНЫЕ РЕАКЦИИ

- ядерные реакции между лёгкими атомными ядрами, протекающие при очень высоких темп-рах (10⁷-10⁸ К). T. р.- основной (хотя и не единственный) тип процессов, в которых ядрам, испытывающим взаимное кулоновское отталкивание, удаётся, преодолев соответствующий электростатический барьер (рис. 1), сблизиться на расстояние порядка радиуса действия ядерных сил притяжения и, провалившись в образуемую ими глубокую потенц. яму, совершить ту или иную экзоэнергетич. (т. е. сопровождающуюся выделением энергии) ядерную перестройку. Под " выделением энергии" подразумевается выделение в продуктах реакции избыточной кинетич. энергии, равной увеличению суммарной энергии связи.T. о., относительно рыхлые ядра перестраиваются в более прочно связанные, а поскольку ядра с наибольшей энергией связи на один нуклон находятся в ср. части периодич. системы Менделеева, то наиб, типичным механизмом экзоэнергетич. реакции является с л и ян и е (с и н т е з) легчайших ядер в более тяжёлые. Вместе с тем существуют и экзоэнергетич. р е а к ц и и д е л е н и я лёгких ядер, напр. благодаря особой прочности ядра ⁴He возможна реакция ¹¹ В + р-> 3⁴ Не + 8, 7МэВ.

Рис. 1. Потенциальная энергия межъядерного взаимодействия как функция расстояния между ядрами; - относительная энергия ядер, отвечающая глубоко под-барьерному прохождению. Штриховкой показано " срезание" барьера отталкивания на боровском радиусе a_m отрицательного мюона в кулоновском поле одного из сталкивающихся ядер, лежащее в основе явления m-катализа.

ЭНЕРГИЯ ЗВЕЗД

Физики определяют единицу энергии 1 эрг как кинетическую энергию, или энергию движения, массы в 2 г, которая движется со скоростью 1 см/с. Большая ли это величина? Такую энергию затрачивает комар, пролетая через комнату. Вот как это мало — 1 эрг! Когда дело касается энергии, излучаемой Солнцем или другими звездами, то речь идет об огромных количествах энергии. Получая на Земле всего лишь около одной двухмиллиардной части энергии, излучаемой Солнцем, мы обнаруживаем, что эта энергия способна порождать облака, вызывать испарение огромных количеств воды, обогревать дома и делать много других полезных вещей, ибо на 1 см2 земной поверхности приходится около 1, 3 млн. эрг в секунду (эрг/с). И если получаемая Землей энергия составляет лишь ничтожную часть всей энергии, излучаемой Солнцем, то какой же колоссальной она должна быть! Эта величина поражает воображение. Если вычислить количество энергии, теряемой Солнцем, мы получим 3 800 млн. млн. млн. млн. млн. эрг/с. Это число выглядит так: 3 800 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 эрг/с. Требуется время, чтобы запомнить или записать подобное число (не исключено, что при записи мы можем потерять один-два нуля), поэтому существует иная, более удобная форма записи больших чисел. Как астроном использует световой год для измерения расстояния до удаленных на миллионы миллионов километров звезд, так и физик использует обозначения, которые несколько облегчают его жизнь. Чтобы описать большие числа, физик вводит «показатели степени».

Вопрос 14

⇐ Предыдущая45678910111213Следующая ⇒

Поделиться:

Популярное:

1. IV Список рекомендуемых источников
2. VI. ЗАКОН СОХРАНЕНИЯ ЭНЕРГИИ
3. Балансировка энергии и исцеление Центральной Души
4. Библиографическое описание документов, представленных в списке использованных источников к работе
5. Библиографическое описание источников информации
6. Бщая величина основных источников средств для формирования запасов и затрат
7. В XX в. сложился авангардный народный театр, в котором идеи модернизма претерпели сложные превращения.
8. В магазине возможны несколько источников появления некондиционного товара.
9. В поле консервативных сил сумма кинетической и потенциальной энергии материальной точки остается постоянной, т.е. сохраняется.
10. Взаимосвязь массы и энергии.
11. Вид источников финансирования дефицитов бюджетов Российской Федерации
12. Выбор источников питания для ручной дуговой сварки по типу внешней вольтамперной характеристики.