Принципы работы атомных электростанций

Принципы работы атомных электростанций. Источником энергии в существующих сегодня АЭС служат ядра тяжелых химических элементов, которые при распаде на части высвобождают огромную в сравнении с химическими источниками энергии удельную энергию.При распаде одного килограмма ядер урана выделяется столько энергии, сколько при сгорании примерно двух с половиной тысяч тонн угля. Эта энергия появляется в основном в виде кинетической энергии осколков ядер, разлетающихся и ускоряющихся под действием кулоновских сил отталкивания.

Физические основы ядерной энергетики. В состав ядер входят протоны и нейтроны. Название ядра по латыни звучит nucleus, поэтому эти частицы называют нуклонами. Между нуклонами есть два вида взаимодействий электромагнитное и ядерное. Ядерное взаимодействие проявляется на очень малых расстояниях порядка м. Это расстояние мало в сравнении с размерами м самих атомов.Относительные величины сил кулоновского отталкивания и сил ядерного взаимодействия сильно отличаются.

Внутри ядра на расстояниях порядка м ядерные силы примерно в 100 раз интенсивнее, чем электрические, поэтому ядерное взаимодействие еще называют сильным взаимодействием. Потенциальная энергия взаимодействующих в ядре протонов и нейтронов нуклонов отсчитывается от того состояния, когда все составляющие ядро части находятся далеко друг от друга. Потенциальная энергия и стабильных и радиоактивных ядер отрицательна, причем ее отрицательность обеспечивается сильным взаимодействием.Если разделить полную потенциальную энергию ядра на количество нуклонов протонов и нейтронов, то каждое ядро может быть охарактеризовано удельной на один нуклон отрицательной потенциальной энергией.

Можно сказать, что каждый нуклон в составе ядра находится в глубокой потенциальной яме. Эта удельная потенциальная энергия зависит от количества протонов и нейтронов в ядре. Для ядер химических элементов, соответствующих середине таблицы Менделеева железо, никель, кобальт, глубина потенциальной ямы для каждого нуклона самая большая.

Если мы проведем мысленный эксперимент по сборке ядра из компонентов, то для добавления в ядро очередного протона нам потребуется сначала преодолеть кулоновское отталкивание этого протона с теми протонами, которые уже находятся в составе ядра, а для добавления очередного нейтрона нам не потребуется преодолевать кулоновских сил отталкивания.Зато, когда очередной нуклон окажется на расстоянии действия ядерных сил, взаимодействие между нуклонами приводит к опусканию нуклона в глубокую потенциальную яму, которая гораздо глубже потенциального барьера электрических сил отталкивания.

Ядерные реакции, приводящие к выделению энергии. Разная удельная глубина потенциальной ямы для нуклонов, входящих в состав разных ядер, обеспечивает возможность получения энергии при ядерных превращениях.Например, при слиянии ядер химических элементов, находящихся в начале таблицы Менделеева, глубина потенциальной ямы для нуклонов во вновь полученных ядрах увеличивается, следовательно, при слиянии легких ядер выделяется энергия, причем в основном в виде электромагнитного излучения.

Этот способ получения энергии реализован в водородной бомбе. Для того, чтобы легкие ядра приблизились друг к другу настолько, чтобы между ними начали действовать ядерные силы нужно привести их в движение с огромными скоростями.Тогда при столкновениях ядер их кинетической энергии будет достаточно, чтобы преодолеть потенциальный барьер, созданный электрическими силами отталкивания.

В водородной бомбе процесс выделения энергии при синтезе более тяжелых ядер из легких неуправляем. Если ученым удастся найти надежный и дешевый способ управления реакцией слияния легких ядер, то в распоряжении человечества окажется практически неисчерпаемый источник энергии. Второй путь получения энергии связан с распадом ядер тяжелых химических элементов на осколки, которые становятся ядрами химических элементов, соответствующих середине таблицы Менделеева.Возможность самопроизвольного распада ядер тяжелых элементов существует, но вероятность этого процесса невелика, поэтому ядра урана 235 и урана 238 живут очень долго.

Вследствие самопроизвольного распада половина от большого числа ядер урана 235 распадается за 1, а урана 238 за 7 миллиардов лет соответственно. Естественное содержание урана 235 составляет примерно 0,7 от общей массы.Кстати этих данных о изотопном составе урана и временах полураспада его естественных изотопов хватает, чтобы оценить возраст ядер урана, входящих в состав пород Земли. Если предположить, что в момент рождения концентрации этих ядер были примерно одинаковы, то требуется около 8 миллиардов лет, чтобы установилось наблюдаемое сейчас отношение концентрации изотопов урана 235 и 238. То есть взрыв звезды, из остатков которой впоследствии образовалась Солнечная система, произошел примерно 8 миллиардов лет назад.

Цепные реакции.Однако, если в ядро урана 235 добавить один лишний нейтрон, то вновь образованное ядро оказывается в возбужденном состоянии нейтрон добавил при попадании в потенциальную яму своих соседей несколько МэВ. Такое состояние является неустойчивым радиоактивным.

Один из путей перехода ядра из этого возбужденного состояния в более устойчивое состоит в том, что через очень небольшое время ядро распадается на два осколка. В ядрах осколках соотношение между числом протонов и числом нейтронов нетипично для стабильных изотопов природных ядер нейтроны находятся в избытке.Ядра осколки могут быть радиоактивными или испускать свои лишние нейтроны.

В среднем в результате вторичных реакций радиоактивных ядер осколков на одно распавшееся ядро урана появляются 2,5 нейтрона от 2 до 4. Появление в результате распада ядер новых нейтронов обуславливает возможность осуществления положительной обратной связи чем больше начальных нейтронов поглотится ядрами, тем больше произойдет распадов неустойчивых ядер, в результате этих распадов появляется еще большее количество нейтронов, которые опять поглощаются ядрами, а эти ядра в свою очередь распадаются на осколки, рождая еще большее количество нейтронов.

Такая реакция носит название цепной разветвляющейся реакции. Цепь реакций может оборваться, если нейтрон покинет область, в которой имеются ядра урана, или если он будет поглощен каким-нибудь другим ядром.Первый из этих двух механизмов торможения цепной реакции используется в урановой 235 или плутониевой 239 ядерной бомбе. До приведения урана 235 в урановой бомбе в боевое состояние размеры уранового заряда велики.

Поэтому нейтроны, образующиеся при самопроизвольных распадах ядер, не поглощаются другими ядрами урана а покидают область расположения урана. Цепная реакция гаснет, не успев развиться. С помощью обычного химического взрыва урановый заряд обжимают со всех сторон и удерживают под давлением короткое время. Размеры области, занятой ураном, становятся после обжатия достаточными для развития цепной ядерной реакции.За короткое время порядка 0,1 микросекунды часть ядер урана примерно 1 от общего числа успевает развалиться и выделить колоссальную энергию.

Остальные атомы урана, не успев прореагировать, разлетаются вследствие возрастания температуры и давления. В урановой бомбе происходит неуправляемое выделение энергии. Ученые научились управлять скоростью цепной ядерной реакции. Самым важным моментом здесь является то обстоятельство, что не все ядра осколки разваливаются сразу.Те осколки, что разваливаются за время меньшее секунды, производят так называемые мгновенные нейтроны.

Однако часть продуктов распада ядер урана в свою очередь распадаются с испусканием нейтронов только через 100 секунд. При этих распадах появляется всего около 0,7 от общего количества нейтронов, это касается только урана 235. Именно наличие этих запаздывающих нейтронов и дает возможность регулировать скорость цепной реакции. Важную роль в этом регулировании играет поглощение нейтронов ядрами некоторых атомов.Рядом с урановыми стержнями помещают стержни из материала, содержащего атомы кадмия, поглощающие нейтроны в сотни раз эффективнее, чем уран. Стержни можно механически перемещать и, таким образом, регулировать скорость течения цепной реакции.

Если коэффициент размножения нейтронов от одного поколения к другому в зоне реактора обозначить К 2, где это доля используемых нейтронов, то реактивностью называют соотношение К 1К. Если эта величина много меньше, чем , то нейтроны размножаются очень медленно и можно удобно и безопасно регулировать мощность реактора.

При К 1К 0 мощность реактора остается на неизменном уровне. Если же реактивность становится больше, чем , то в этом случае происходит очень быстрый аварийный подъм мощности реактора за счт мгновенных нейтронов. Устройство ядерного реактора. В ядерных реакторах энергия распада ядер урана преобразуется в электрическую энергию. После распада ядра кинетическая энергия осколков ядер переходит в тепловую энергию материала, загруженного в реактор.Плотность тепловыделения в энергетических ядерных реакторах достигает сотен кВт на литр объема активной зоны. Эта энергия с помощью жидкости, протекающей по трубам внутри рабочей зоны реактора первый контур циркуляции, переносится в теплообменники.

Здесь она используется для того, чтобы нагреть и превратить в пар воду. Водяной пар направляют в турбину, производящую электрический ток. Расширяясь и совершая работу по вращению турбины, пар охлаждается.Чтобы циклически использовать одну и ту же воду, отработавший пар охлаждают в теплообменниках второго контура циркуляции и вновь направляют к теплообменникам первого контура.

Таким образом, ядерный реактор представляет собой тепловую машину, в которой нагревателем служит уран в рабочей зоне, а холодильником обычно служит вода протекающей мимо электростанции реки. Горячая вода частично направляется на обогрев домов и производственных помещений в городках при АЭС. Коэффициент полезного действия такой тепловой машины, преобразующей тепловую энергию в электрическую, обычно не превышает 30. По этому показателю атомные электростанции ничем не отличаются от обычных тепловых электростанций.

Технические и экономические показатели АЭС. Чтобы обеспечить работу одного энергоблока мощностью в тысячу мегаватт Вт нужно с учетом КПД, чтобы в рабочей зоне за год распалось примерно 1200 кг ядер урана.Если АЭС должна работать около 30 лет, то всего за время ее эксплуатации сгорит около 36 тонн урана 235. В один такой энергоблок загружается около 180 тонн обогащенного уранового горючего.

Обогащение составляет 1,8, то есть от всего количества урана только 1,8 составляет уран 235. Итак, в реакторе находится около 3 тонн урана 235, а всего сгорает 36 тонн. Значит, на АЭС регулярно происходит частичная перезагрузка топлива, тепловыделяющие элементы ТВЭЛ заменяют. Используется, однако, только около 1,5 всего урана, то есть даже не весь уран 235 сгорает.Стоимость 1 кг чистого урана в 1985 году была около 40. Обогащение стоит еще около 100. Изготовление ТВЭЛ обходится примерно в 300. Стоимость одного энергоблока на 1000 мегаватт составляла в те же годы около 2 миллиардов долларов. Стоимость самого урана при начальной загрузке составляла только 4 от общей стоимости блока.

Десятикратная замена ТВЭЛ увеличивает расходы до 2,8 миллиарда долларов.Если стоимость 1 киловатт часа электроэнергии равнялась 0,1, то за время своей эксплуатации энергоблок АЭС должен был произвести электроэнергии на 30 миллиардов долларов.

Таким образом, АЭС окупает себя десятикратно. Так ли это на самом деле и хорошо ли это.