Презентация по физике 9 класс. Ядерный рекактор.

Ядерный реактор. Преобразование внутренней энергии атомных ядер в электрическую энергию

Когда немецким химикам Отто Гану и Фрицу Штрассману впервые удалось в 1938 г. расщепить ядро урана посредством нейтронного облучения, они не спешили сообщать публике о масштабах своего открытия. Эти эксперименты заложили основу использования атомной энергии - как в мирных, так и в военных целях.

  Для добычи плутония был создан первый атомный реактор под трибуной футбольного стадиона Чикагского университета. Здесь под руководством Энрико Ферми была в 1942 г. запущена первая контролируемая самоподдерживающаяся цепная реакция. Для выделявшегося в результате тепла тогда еще не нашли полезного применения.

Первые ядерные реакторы

В России первый ядерный реактор был запущен 25 декабря 1946 г. коллективом физиков, который возглавлял ученый Игорь Васильевич Курчатов

Основной частью атомной электростанции является ядерный реактор. Ядерный реактор – это устройство, назначением которого является поддержание контролируемой ядерной реакции с выделением энергии.

Основные элементы ядерного реактора:

• ядерное горючее(уран 235, уран 238, плутоний 239);
• замедлитель нейтронов (тяжелая вода, графит и др.);
• теплоноситель для вывода энергии, образующейся при работе реактора (вода, жидкий натрий и др.);
• Регулирующие стержни (бор, кадмий) - сильно поглощающие нейтроны
• Защитная оболочка, задерживающая излучения (бетон с железным наполнителем).

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.

• У любого ядерного реактора есть несколько частей: активная зона с топливом и замедлителем , отражатель нейтронов , теплоноситель , система управления и защиты . В качестве топлива в реакторах чаще всего используются изотопы урана , плутония и тория .  Активная зона представляет собой котел, через который протекает обычная вода (теплоноситель). Среди других теплоносителей реже используется «тяжелая вода» и жидкий графит. Если говорить про работу АЭС, то ядерный реактор используется для получения тепла. Само электричество вырабатывается тем же методом, что и на других типах электростанций - пар вращает турбину, а энергия движения преобразуется в электрическую энергию.

Устройство ядерного реактора

1. Активная зона:

• Ядерное горючее (урановые стержни).
• Замедлитель нейтронов (тяжелая вода, графит).

2. Теплоноситель для вывода энергии (вода).

3. Регулирующие стержни (для регулирования скорости реакции (стержни из кадмия, бора).

4. Отражатель (из бериллия).

5. Защитная оболочка (из железобетона).

Ядерный реактор + теплообменник = первый замкнутый контур АЭС

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.

Реактор на медленных нейтронах

Наиболее эффективное деление ядер урана-235 происходит под действием медленных нейтронов. Такие реакторы называются реакторами на медленных нейтронах. Вторичные нейтроны, образующиеся в результате реакции деления, являются быстрыми. Для того чтобы их последующее взаимодействие с ядрами урана-235 в цепной реакции было наиболее эффективно, их замедляют, вводя в активную зону замедлитель — вещество, уменьшающее кинетическую энергию нейтронов.

Реакторы на быстрых нейтронах

Такие реакторы не могут работать на естественном уране. Реакцию можно поддерживать лишь в обогащенной смеси, содержащей не менее 15% изотопа урана.

Преимущество: при их работе образуется значительное количество плутония, который затем можно использовать в качестве ядерного топлива.

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.

Виды реакторов

Гомогенные : активная зона представляет жидкую, твердую или газообразную однородную смесь ядерного топлива, теплоносителя и замедлителя.

Гетерогенные: топливо в виде блоков размещено в замедлителе, т.е. топливо и замедлитель пространственно разделены

Использование ядерных реакторов

В зависимости от назначения ядерные реакторы бывают энергетические, конверторы и размножители, исследовательские и многоцелевые, транспортные и промышленные.

Экологические катастрофы на АЭС

• 1957 г- авария в Великобритании
• 1966 г – частичное расплавление активной зоны после выхода из строя охлаждения реактора неподалеку от Детройта.
• 1971 г – много загрязненной воды ушло в реку США
• 1979 – крупнейшая авария в США
• 1982 г - выброс радиоактивного пара в атмосферу
• 1983 – страшная авария в Канаде (20 минут вытекала радиоактивная вода – по тонне в минуту)
• 1986 – авария в Великобритании
• 1986 г – авария в Германии
• 1986 г – Чернобыльская АЭС
• 1988 г – пожар на АЭС в Японии

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.

История атомной энергетики

Обнинская АЭС

Первая в мире АЭС опытно-промышленного назначения мощностью 5 МВт была пущена в СССР 27 июня 1954 г. в г. Обнинске.

Преимущества АЭС

• Экономичность
• Относительная независимость от месторасположения сырья
• Экологичность (при правильной эксплуатации)
• Небольшая площадь под строительство

Недостатки АЭС

• Опасность радиационного загрязнения
• Дорогое строительство, особенно демонтаж
• Возможность аварий
• Техногенное воздействие на окружающую среду

27 лет назад, 26 апреля 1986 года, на четвертом энергоблоке Чернобыльской атомной электростанции (ЧАЭС) произошла крупнейшая в истории мировой атомной энергетики авария.

В ночь на 26 апреля 1986 года на четвертом энергоблоке Чернобыльской атомной электростанции (ЧАЭС), расположенной на территории Украины (в то время Украинской ССР) на правом берегу реки Припять в 12 километрах от города Чернобыля Киевской области, произошла крупнейшая в истории мировой атомной энергетики авария.

Четвертый энергоблок ЧАЭС был запущен в промышленную эксплуатацию в декабре 1983 года.

На 25 апреля 1986 года на ЧАЭС было намечено проведение проектных испытаний одной из систем обеспечения безопасности на четвертом энергоблоке, после чего реактор планировалось остановить для проведения плановых ремонтных работ. В ходе испытаний предполагалось обесточить оборудование АЭС и использовать механическую энергию вращения останавливающихся турбогенераторов (так называемого выбега) для обеспечения работоспособности систем безопасности энергоблока. Из-за диспетчерских ограничений остановка реактора несколько раз откладывалась, что вызвало определенные трудности с управлением мощностью реактора.

В результате аварии радиоактивному загрязнению цезием-137 с уровнями выше 1 Ки/км2 (37 кБк/м2) подверглись территории 17 стран Европы общей площадью 207,5 тысяч квадратных километров. Существенно загрязненными цезием-137 оказались территории Украины (37,63 тысяч квадратных километров), Белоруссии (43,5 тысяч квадратных километров), европейской части России (59,3 тысяч квадратных километров).

В России радиационному загрязнению цезием-137 подверглись 19 субъектов. Наиболее загрязненными областями являются Брянская (11,8 тысяч квадратных километров загрязненных территорий), Калужская (4,9 тысяч квадратных километров), Тульская (11,6 тысяч квадратных километров) и Орловская (8,9 тысяч квадратных километров).

26 апреля в 01 час 24 минуты произошел неконтролируемый рост мощности, который привел к взрывам и разрушению значительной части реакторной установки. Из-за взрыва реактора и последовавшего пожара на энергоблоке в окружающую среду было выброшено значительное количество радиоактивных веществ.

Принятые в последующие дни меры по засыпке реактора инертными материалами привели сначала к уменьшению мощности радиоактивного выброса, но затем рост температуры внутри разрушенной шахты реактора привел к повышению количества выбрасываемых в атмосферу радиоактивных веществ. Выбросы радионуклидов существенно снизились только к концу первой декады мая 1986 года.

Сразу же после катастрофы погиб 31 человек, а 600 тысяч ликвидаторов, принимавших участие в тушении пожаров и расчистке, получили высокие дозы радиации. Радиоактивному облучению подверглись почти 8,4 миллиона жителей Белоруссии, Украины и России, из них было переселено почти 404 тысячи человек.

Из-за очень высокого радиоактивного фона после аварии работа атомной станции была остановлена. После проведения работ по дезактивации зараженной территории и сооружения объекта "Укрытие" 1 октября 1986 года был запущен первый энергоблок ЧАЭС, 5 ноября — второй а 4 декабря 1987 года в работу был включен и третий энергоблок станции.

Чернобыльская АЭС

Чернобыльская АЭС

Чернобыльская АЭС

Авария на Чернобыльской АЭС по своим долговременным последствиям явилась крупнейшей катастрофой современности.

Дорога на Чернобыль

Выброс только по одной своей радиоактивной составляющей - цезию-137 - равняется 300 Хиросимам.

Предупреждающие знаки

Атомоходы и аварии на них

Ядерные реакторы устанавливаются на атомных подводных лодках и ледоколах .

Первый гражданский атомоход — советский ледокол «Ленин» (1959 г.)

Примером аварии на атомоходе может служить атомоход «Курск», крушение которого остается загадкой.

Опасность радиоактивного загрязнения

Контейнеры с радиоактивным веществом

Ввоз ядерных отходов в Россию

Партия Зеленых считает, что ввоз ядерных отходов отложится черным отпечатком на экологии страны и будущем человечества.