Реферат на тему:


Воспользуйтесь поиском к примеру Реферат        Грубый поиск Точный поиск






Загрузка...
Проблемы энергетики (ядерные и термоядерные реакторы)

Проблемы энергетики (ядерные и термоядерные реакторы)

План

1. Деление ядер урана

2. Ядерные реакторы

3. Мировые энергетические ресурсы и необходимость решения проблемы управляемого термоядерного синтеза

Деление ядер урана

Нейтрон это ключ, который открыл путь к использованию запасов внутриядерного энергии. Теперь мы знаем о нем много: он не заряда, его масса немного превышает массу протона, а все атомные ядра представляют собой плотное упаковки из смеси протонов и нейтронов. Чедвик, сотрудник лаборатории Э. Резерфорда, сразу же после открытия нейтрона в 1932 году выдвинул гипотезу о протонно-нейтронную структуру ядра. Эта гипотеза вполне себя подтвердила и ни разу не подверглась сомнениям.

Первым, кто сразу же понял, что нейтрон это идеальное средство для исследования ядерных реакций, был великий итальянский физик Энрико Ферми. Главное отличие и преимущество нейтрона его электронейтральность, что позволяет ему беспрепятственно проникать в ядра любых даже самых тяжелых элементов.

Е. Ферме больше известный как теоретик, однако Нобелевскую премию он получил за работы по экспериментальной физики. Любая из научных специализаций была для него слишком узкое, он был натуралистом в точном и широком смысле этого слова. Такая универсальность качество для XX века чрезвычайно редкая оказалась крайне необходимой для решения проблемы атомной энергии, где каждый шаг был шагом в неизвестное.

Летом 1934 года группа молодых итальянских физиков (старшему Э. Ферми было всего 33 года) восторженно экспериментировала: они облучали нейтронами различные элементы и наблюдали, что происходит. Идея их опытов заключалась в получении искусственных изотопов. Действительно, когда нейтрон поглощается каким-нибудь ядром, оно превращается в изотоп того же элемента, в свою очередь стремится избавиться излишнебиолога В. Арнольда, ввели общепринятый теперь термин "деление ядра" по аналогии с разделением клетки и, точно так же, как за четверть века до них Резерфорд ввел понятие «ядро атома» по аналогии с ядром клетки). Но, самое главное, они сразу поняли, что при таком разделении должна выделяться огромная энергия: при делении ядер, содержащихся в 1 г урана, выделяется энергия, которую можно получить при сжигаемого 3 тонн угля!

С этого момента события вошли в стремительный и крутой развитие, и счет времени пошел не на годы и месяцы, а на недели и дни. Уже через несколько недель явление деления ядра наблюдали десятки исследователей во многих лабораториях от Нью-Йорка до Ленинграда.

Обсуждая явление деления ядра урана, Энрико Ферми обратил внимание на то, что нейтроны, которые возникают при разделении, могут вызвать следующие акты деления, то есть в уране цепная реакция. Но никто не видел взрыва в результате облучения урана нейтронами. Н. Бор предположил, что это связано с тем, что ядра урана бывают двух видов: природный уран содержит, в основном, тяжелый изотоп (99,28%), а содержание легкого V235- незначительный и составляет только 0, 72%. Медленные нейтроны вызывают деление только легкого изотопа & nbsp ;, а тяжелый изотоп поглощает быстрые нейтроны, рождающиеся в процессе разделения, и цепная реакция обрывается.

Сразу же встал три новых вопроса: Сколько нейтронов и с какой энергией вылетает из ядра урана-235 при каждом делении? Что происходит с ядрами изотопов ура-на-238 после захвата нейтрона? При каких условиях можно осуществить Продолжающийся цепную ядерную реакцию в уране?

Ответ на первый вопрос был получен через полтора месяца в марте 1939 года во Франции (Жолио-Кюри), России (Флеров и Петржак), СЕЛА (Ферми и Сцил-Лард) показали, что при каждом делении ядра урана-235 высвобождается 2-3 нейтроны со средней энергией 13 МэВ. Точное количество нейтронов деления (2,42), измеренное впоследствии, оставалось государствной тайной вплоть до 1950 года.

Пытаясь найти ответ на второй вопрос, установили, что разделение урана-235 наиболее эффективно происходит, если нейтроны замедлены до очень малых энергий 0,04 эВ (такие энергии имеют частицы газа, если его температура составляет около 100 ° С, и поэтому такие нейтроны называются "тепловыми"). Наиболее эффективно уран-238 захватывает нейтроны, если их энергия составляет 6,8 эВ; при этом уран-238, поглощая нейтрон и высвобождая электрон (Р-распад), превращается в трансурановый элемент непту ней-239.

Таким образом, чтобы стало возможным цепная реакция, необходим замедлитель нейтронов, который должен, во-первых, уменьшить их энергию в 10000000 раз от 1 МэВ, с которым они высвобождаются в процессе деления ядра урана-235, к энергии 0,1 эВ, и, во-вторых, осуществить это так быстро, чтобы нейтроны успели замедлиться до того, как столкнутся с ядром урана-238. Наконец, сам замедлитель не должен поглощать нейтроны.

Выбор материала для замедлителя оказался небогатым: углерод или тяжелая вода D20, то есть вода, в которой водород заменен его тяжелым изотопом дейтерием. Тяжелая вода лучше соответствует требованиям, но ее трудно добывать: в литре обычной воды содержится только 0,15 г тяжелой. Из двух возможностей Жолио-Кюри (Франция) и Гейзенберг (Германия) выбрали тяжелую воду, а Ферми (США) и Курчатов (СССР) остановились на граффити.

Способ снижения потерь нейтронов при их захвате ураном-238 реализуется в гетерогенной реакторе. Суть идеи проста и заключается в том, что вместо того, чтобы перемешивать равномерно уран и замедлитель, нужно разместить блоки урана в пространстве на некотором расстоянии друг от друга, вроде атомов в кристаллической решетке, а затем заполнить этот объем замедлителем. В этом случае нейтроны деления, вылетая из блоков урана с энергией 1,3 МэВ, большую часть пути будут проходить в замедлители и в то время, когда они достигнут другого блока урана, уже пройдут опасную область энергиии (в советской урановой программе это явление было названо "блок-эффектом»).

Путь к созданию ядерного реактора был открыт.

Ядерные реакторы

2 декабря 1942 в 15 часов 25 минут по местному времени на теннисном корте под трибунами стадиона в Чикаго Энрико Ферми впервые в истории человечества совершил управляемую ядерную реакцию в "атомном котле". Первый ядерный реактор представлял собой сплющенный эллипсоид диаметром 8 метров и высотой 6 метров, составленный из 385 тонн графитовых брикетов, между которыми на расстоянии 21 см друг от друга было размещено 46 тонн урановых блоков весом 2 кг каждый, то есть реактор был похож на кристалл с кубической решеткой. Мощность этого реактора 40 Вт была меньше мощности горящей спички, и после 28 минут работы ядерную реакцию в нем было остановлено. Это было начало атомной эры: отныне пути назад, в доатомную эру, не было.

Работы по использованию энергии деления урана, проводились в США (6 декабря 1941 правительство США приняло решение о начале работ по проблеме атомной бомбы), были строго засекречены. В Советском Союзе обратили внимание, что во всех иностранных журналах прекратились публикации по ядерной физике, что означало засекреченность целой отрасли науки. Ничем другим нельзя было объяснить исчезновение этих публикаций. Причем они исчезли как из немецких научных журналов, так и из английских и американских, то есть похоже было на то, что в этих странах развиваются секретные работы. Фамилии ученых, занимающихся ядерными проблемами, не появлялись, они просто исчезли из журналов. По этому поводу было много соображений, и все пришли к выводу, что в США, Англии и Германии начаты работы по созданию ядерного оружия. Причем США и Англия держали в секрете свои работы даже от СССР союзника по антигитлеровской коалиции ..

11 февраля 1943 правительство СССР приняло решение об организации работ по уранового проекта. Руководителем работ был утвержден Игоря Васильевича Курчатова одного из ведущихх специалистов в области ядерной физики и, что не менее важно, человека, который имел выдающиеся организаторские способности и огромную личную привлекательность.

Для о ведении работ было организовано Лабораторию № 2 АН СССР (ныне Институт атомной энергии им. И. В. Курчатова). Основным и первоочередной задачей Лаборатории № 2 было проведение исследований, которые позволили бы осуществить цепь Гову реакцию деления урана. Грандиозную программу создания реактора и осуществления управляемой цепной реакции можно было выполнить, разработав подробную теорию реактора и экспериментально проверив ее, а также получив сотни тонн графита высокой степени чистоты и десятков тонн очень чистого урана. Такой графит и уран в Советском Союзе никогда раньше не производились. Но война и необходи и ность скорейшего создания атомного оружия спрессовавшем время. До 1946 года было создано принципиально новые производства сверхчистых урановых и графитовых блоков, и 25 декабря 1946 в 19 часов И. В. Курчатов с участием четырех сотрудников запустил первый советский урановый реактор Ф-1.

Создание реактора Ф-1 стало достижением советской науки и техники, первым этапом генерального развития и решения атомной проблемы. Это был огромный подвиг ученых, инженеров, рабочих, создавших первый реактор, а также работников урановой и графитовой промышленности. Полученные на реакторе небольшие количества плутония позволили изучить его химические свойства и разработать технологию извлечения плутония из облученного урана. (10 июня 1948 года в СССР было введено в действие промышленный ядерный реактор по производству плутония, а 29 августа 1949 был испытан первую советскую атомную бомбу из плутония-239, чем был положен конец монополии США на ядерное оружие). Следует также отметить, что экспериментальные возможности первого советского реактора Ф-1 были значительно шире, чем у американского (полная мощность реактора Ф-1 достигала 4000 кВт, а американского не превышала 200 Вт).

15 19 декабря48 года неподалеку от Парижа под руководством Ирэн и Фредерика Жолио-Кюри был введен в действие французский атомный реактор.

Первая в мире атомная электростанция мощностью 5000 кВт начала работать 27 июня 1954 в г.. Обнинске под Москвой.

С тех пор прошло не так много времени, но уже сейчас более 400 ядерных реакторов в 26 странах мира производят более 300 000 000 киловатт электроэнергии около 16% всей электроэнергии на Земле, то есть больше, чем все гидростанции мира. Во Франции АЭС производят более 80% электроэнергии, в Украине более 50%.

История овладения атомной энергией уникальна во многих отношениях: по значимости проблемы, обстоятельствами, которые сопровождали ее решения, и последствиями, которые осознали еще далеко не все. В науке так случалось и раньше, что два исследователя независимо друг от друга открывали то же явление. Сам по себе этот факт не является очень странным, если мы верим в объективность законов природы. Но впервые случилось так, что сотни и тысячи людей, разделенные океанами, пожаром войны и стеной секретности, последовательно, шаг за шагом направлялись к одинаковым выводам, ставили и решали те же научные, технологические и инженерные задачи и примерно в той же последовательности. Только в 1955 году, после 15 лет практически полной изоляции, ученые из 79 стран собрались в Женеве на Первую международную конференцию по мирному использованию атомной энергии и смогли убедиться, что их независимые измерения и формулы совпали с большой точностью. Вроде Книга Природы открылась перед всеми одновременно, а они только записали ее письмена.

Все физические процессы, происходящие внутри ядерного реактора, мы знаем теперь достаточно детально. Чтобы началась цепная реакция, фактически достаточно одного нейтрона. В толще урана они всегда есть: каждую секунду в 1 кг урана спонтанно происходит разделение 7 ядер, и нейтроны, вылетающие при этом, могут быть "спичкой", что поджигает "урановое костра". Нейтроны, вылетевших прежде чем дать начало ноном поколению нейтронов, живут в реакторе менее тысячную долю секунды. За это время они успевают испытать 114 столкновений с ядрами углерода, пройти путь, длина которого 54 см, замедлиться до тепловых скоростей и вызвать новое деление ядра урана. Количество нейтронов в реакторе нарастает лавинообразно и через несколько секунд достигает уровня, который заранее задан расположением стержней-поглотителей нейтронов. В каждом кубическом сантиметре объема мощного реактора содержится примерно полмиллиарда нейтронов, которые всегда "находятся в пути" от одного ядра урана к другому. В целом же внутри корпуса реактора устанавливается некоторое стационарное распределение нейтронов, так называемое "нейтронное поле", которое имеет достаточно сложную конфигурацию. Им можно управлять, иногда оно колеблется. Это поле всегда является предметом пристального внимания физиков и повседневных забот инженеров.

В целом, несмотря на сложность физических процессов, происходящих в "атомном котле», его принципиальная схема оказалась чрезвычайно простой. "Урановый реактор олицетворяет гениальное и самое удивительное достижение науки за всю историю человечества", писал Содди в конце жизни, через 50 лет после начала своих опытов с ураном.

Мировые энергетические ресурсы и необходимость решения проблемы управляемого термоядерного синтеза

Поиски человеком новых источников энергии для удовлетворения своих потребностей уходят корнями истоков цивилизации на Земле. В последнее время по меньшей мере несколько международных конфликтов были вызваны борьбой за овладение территориями, богатыми на энергетические ресурсы. Бесплодные пространства никогда не были объектом завоевания и эксплуатации. Будем надеяться, что ядерные процессы синтеза и разделения смогут, наконец, полностью решить проблему обеспечения энергией всего человечества.

Мы приближаемся теперь к сущности вопроса о важности решения проблемы управляемого синтеза легких ядер. Именно управляемого, а не спонтанного, как это происходит в результате страшного замощностью взрыва водородной бомбы. Почему, несмотря на отсутствие решающего успеха, ей продолжают уделять такое большое внимание во всех передовых промышленно развитых странах?

На первый взгляд, ответ на удивление прост: решив эту проблему, человечество получит неограниченное по мощности, дешевый источник энергии, который будет одинаково доступным для всех наций. Неожиданная простота ответы в сочетании с некоторой примесью пафоса (речь идет и о судьбе человечества, и о безграничных возможностях!) Может вызвать скепсис, и актуальность современных исследований в этой области кажется сомнительной. Ведь еще далеко не исчерпаны запасы угля и нефти, еще не потрачены ресурсы гидроэнергии, почти не используется солнечная энергия, мы только начали эксплуатировать ядерное горючее урановые и ториевые руды.

С позиций данного момента все это, конечно, верно в рамках статического, постоянного мира. Но мы живем в условиях мира динамического стремительно меняется. Чтобы завтра наш мир не появилось угроза энергетического голода, основы энергетики будущего должны закладываться уже сегодня. Здесь не должно оставаться даже тени сомнения или двусмысленности, поэтому поясним приведенную мнение. Проследим, прежде всего, как менялась численность населения Земли. Разумеется, точность оценок, касающихся далекого прошлого, недостаточно, но это не меняет общей картины: понадобилось несколько сотен тысяч лет, чтобы человечество до 1830 года размножилось до одного миллиарда, за следующие сто лет добавился второй миллиард, и только тридцать лет понадобилось для появления на Земле еще одного миллиарда человек. В настоящее время годовой прирост составляет примерно 2%, то есть около 140 000 000 человек.

10000 лет до нашей эры | (1 - 10)

Начало нашей эры | 250

1650 | 500

1850 | 1,1

1950 | 2,4

1975 | 4,0

2000г. | 7,0

Хорошо известно, что наибольшее значение для стремительного роста населенияимел прогресс медицины (снижение детской смертности, открытие антибиотиков). Перед будущими поколениями вскоре предстанут сложные проблемы расселения людей и регулирования численности человечества. Но независимо от этого люди должны есть, одеваться, иметь защиту от холода, не говоря уже об удовлетворении духовных потребностей, которые постоянно растут. Впрочем, не в отдаленном будущем, а уже в наше время проблема голода одна из самых чувствительных. Полуголодное существование от колыбели до смертного часа судьба четвертой части человечества. Если учесть темпы прироста населения, то даже радикальное решение социальных проблем не устраняет необходимости создания синтетической пищи (задача биологов) и обеспечения установок белкового синтеза энергетикой (задача физиков).

Сказанного достаточно, чтобы оценить всю серьезность ситуации. Рассмотрим теперь положение с энергетическим балансом. Целесообразно разделить источники энергии на две группы: воспроизводимые источники и "основной капитал". К первой группе относятся энергия ветра, рек и морских приливов, сельскохозяйственного и древесного топлива, геотермия (внутреннее тепло Земли), солнечная энергия. Ко второй группе относятся источники энергии, которые образовались в земной коре в результате геологической

Загрузка...

Страницы: 1 2