Ядерная энергетика

Тема: 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).

И нтересно, что называя энергию, выделяющуюся при делении ядра, атомной, мы допускаем двойную неточность. Во-первых, делится не атом, а ядро, а во-вторых, выражение «атомная энергия» в буквальном смысле означает «энергия неделимого». Фредерик Содди предлагал взамен термин «томная энергия» (то есть «энергия делимого») на том основании, что слово «томик» устранит, по крайней мере, противоречие «деление неделимого». Однако «томная» энергия не прижилась, а так и осталась «a-томной». Правильно же её называть ядерной энергией.

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.

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.

Ч тобы 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.

Самый первый в мире ядерный реактор был построен в США Энерико Ферми в 1942 году. Назывался он «Чикагская поленница-1».

А первый советский атомный реактор был построен в 1946 году под управлением Игоря Васильевича Курчатова. Проект получил название «Первый физический реактор».

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.

Топливо для реактора представляет собой «таблетки» одного из трёх радиоактивных изотопов: урана-235, урана-238 или плутония-239, и запакованные в ТВЭЛы. Топливо в реакторах работает от 3 до 5 лет, после чего ТВЭЛы извлекают из реактора и заменяют на новые.

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.

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 ^оС 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.