Ядерные реакторы и их применение

содержание

1. Получение энергии. 
2. Трансурановые элементы.
3. Получение радиоктивных веществ.

 

 

 

ГУО "СШ №12 г. Витебска"

 

 

 

 

 

 

«Ядерные реакторы и их применение»

 

 

 

 

 

 

 

 

                                                                

 

Выполнил: Заровчатский Илья

                                                ученик 11 "Б" класса.

 

 

Витебск

2013

                                      

Устройство, в котором  происходит управляемая цепная реакция  деления ядер, называется ядерным  реактором. В качестве делящегося вещества (ядерного топлива) применяют уран и  плутоний (получаемый искусственно радиоактивный  элемент с порядковым номером Z=94). 
 
Ядерные реакторы используются для выработки энергии, для получения искусственных радиоактивных изотопов (в том числе трансурановых элементов, т. е. элементов с Z>92) и как источники мощных пучков нейтронов. Рассмотрим эти применения. 
 
1. Получение энергии. Осколки деления тормозятся в уране на очень малом пути (менее 5 мкм). Ввиду этого почти вся энергия, освобождаемая в реакторе, выделяется в виде тепла в массе урана. Это тепло можно использовать, например, для нагревания и испарения жидкости, омывающей уран, и затем через посредство турбины или другой тепловой машины превратить его в механическую и далее в электрическую энергию (рис. 409). Первая в мире атомная электростанция, основанная на таком принципе, была осуществ 
 
Рис. 409. Принципиальная схема атомной электростанции. Урановые стержни реактора омываются теплоносителем (газом, водой или расплавленным металлом), который отбирает тепло, выделяющееся в стержнях, и в теплообменнике передает его воде, образующей пар. Пар, как и на обычной электростанции, приводит в движение паровую турбину и соединенный с ней электрогенератор. В другом варианте, который также находит применение, пар образуется непосредственно в реакторе, а теплообменник отсутствует 
 
Рис. 410. Общий вид атомной электростанции (1954 г.): 1 — реактор, 2 — подъемный кран для замены «выгоревших» урановых стержней, 3, 4 — насос с электродвигателем, обеспечивающий циркуляцию воды через реактор, 5 — теплообменник, 6 — помещение управления реактором (пульт управления), 7 — щит с приборами, сигнализирующими о появлении недопустимой радиоактивности в различных помещениях станции 
лена в Советском Союзе в 1954 г. (рис. 410). Чертеж реактора этой электростанции приведен на рис. 411. Главной частью реактора являются «топливные» элементы с ураном, помещенные в графитовый замедлитель. «Топливные» элементы 
 
Рис. 411. Реактор первой советской атомной электростанции: 1 — графитовая кладка реактора, заключенная в герметическую стальную оболочку; штриховыми линиями очерчена активная зона реактора, в которой расположен уран; остальной графит служит отражателем нейтронов; 2 — верхняя плита (чугун), 3 — один из 128 рабочих каналов, в которых помещаются урановые стержни и протекает охлаждающая вода (давление 100 атм), 4 — канал для перемещения регулирующего стержня, содержащего поглотитель нейтронов (бор); регулирующие стержни служат для регулировки мощности реактора и прекращения реакции; 5 — ионизационная камера для измерения интенсивности реакции в реакторе, 6 — водяная защита, задерживающая нейтроны, 7,8 — подвод и отвод воды из реактора, 9 — верхняя защитная крышка (чугун), 10 — бетонная защита (в основном от g-излучения) 
представляют собой две тонкостенные трубки из нержавеющей стали, вставленные одна в другую. В полость между трубками герметически заделывается уран, а внутренняя полость образует канал для протекания воды, отбирающей тепло, выделяющееся в уране при работе реактора. Герметическая закупорка урана необходима ввиду его химической нестойкости, а также для предохранения от утечки вредных радиоактивных газов, образующихся в качестве продуктов деления. Для облегчения развития цепной реакции «топливные» элементы изготовлены из урана искусственно обогащенного легко делящимся изотопом 235U (в применяемом обогащенном уране содержится 5% 235U против 0,7% в природном уране). 
 
Действие уранового реактора сопровождается интенсивной радиоактивностью. Для защиты людей от радиоактивных излучений и от нейтронов, которые в больших дозах 
 
Рис. 412. Верхняя часть реактора без крышки. Видны моторы передвижения регулирующих стержней. Ниже — трубки для подвода воды к рабочим каналам 
также вредны для здоровья, реактор окружается толстостенной защитой из бетона и других материалов (рис. 411, 412). 
 
Как источник энергии ядерный реактор замечателен малым расходом топлива. Деление 1 г 235U по теплообразованию равноценно сжиганию нескольких тонн каменного угля. Это делает особенно перспективным применение реакторов в пунктах, удаленных от залежей угля и нефти, а также на транспорте — на кораблях, подводных лодках, самолетах. В СССР сооружен ряд крупных атомных теплоэлектростанций, построено несколько ледоколов с атомными двигателями, имеются атомные подводные лодки. 
 
Ядерная энергетика имеет огромное значение для будущего. Подсчитано, что при современных темпах роста мирового потребления энергии человечество уже через 50 лет может столкнуться с острой нехваткой угля и нефти. Использование урана спасает положение, так как запас энергии в земных ресурсах урана в 10—20 раз превышает запас энергии в залежах ископаемых органических топлив. Проблема источников энергии получит окончательное решение, когда будет разработана управляемая термоядерная реакция (см. §228). 
 
2. Трансурановые элементы. При облучении урана нейтронами изотоп 23892U превращается в 23992U. Последний неустойчив; испытывая b-распад, он образует изотоп элемента 93 — нептуния 23993Np). В свою очередь 23993Np испытывает b-распад и в короткое время (период полураспада 2,35 дня) превращается в изотоп элемента 94 — плутония (23994Pu). Плутоний-239 также неустойчив, но распадается очень медленно (период полураспада 24 000 лет). Поэтому он может накапливаться в больших количествах. Подобно урану-235, плутоний-239 является хорошим «ядерным горючим», пригодным для устройства ядерных реакторов, а также атомных бомб. Для получения плутония используют реакторы из природного урана с замедлителем. В этих реакторах значительная доля нейтронов поглощается в уране-238, образуя в конце концов плутоний. Накопившийся в уране плутоний может быть выделен химическими методами. Другим искусственным ядерным горючим является изотоп урана 233U с периодом полураспада 162 000 лет, которого в природном уране нет. 233U образуется, аналогично плутонию, в результате облучения нейтронами тория. Таким образом, трудно делящиеся вещества — 238U и торий — могут быть переработаны в ценное ядерное горючее. Эта возможность очень существенна, так как 238U и тория на Земле во много раз больше, чем 235U. Нептуний и плутоний являются представителями трансурановых элементов, расположенных в таблице Менделеева за ураном. 
 
Вслед за плутонием был получен еще ряд трансурановых элементов вплоть до элемента 107. В природе трансурановые элементы не обнаружены: они все радиоактивны и по сравнению с геологическим возрастом Земли короткоживущи.  
 
3. Получение радиоактивных веществ. В действующем реакторе имеют место интенсивные потоки нейтронов, образующихся при реакции деления. Облучая вещества нейтронами внутри реактора, получают различные искусственно-радиоактивные изотопы (ср. реакцию (222.1)). Другим источником радиоактивности в реакторе являются осколки деления урана, большинство которых неустойчиво. 
 
Искусственно-радиоактивные элементы находят много применений в науке и технике. Вещества, испускающие g-излучение, используются вместо более дорогого радия для просвечивания толстых металлических предметов, для лечения рака и т. д. Свойство больших доз g-излучения убивать живые клетки микроорганизма используется при консервировании продуктов питания. Радиоактивные излучения начинают использоваться в химической промышленности, так как они способствуют протеканию многих важных химических реакций. Особенно интересен так называемый метод меченых атомов. Этот метод использует тот факт, что по химическим и многим физическим свойствам радиоактивный изотоп неотличим от устойчивых изотопов того же элемента. В то же время радиоактивный изотоп легко может быть опознан по своему излучению (с помощью, например, газоразрядного счетчика). Добавляя к исследуемому элементу радиоактивный изотоп и улавливая в дальнейшем его излучение, мы можем проследить путь этого элемента в организме, в химической реакции, при плавке металла и т. д. 
 
Значение ядерной энергии. Прошло немного лет со времени открытия способа использования ядерной энергии в земных условиях. Открытие это уже дало свои первые плоды. Несомненно, дальнейшее развитие способов получения и использования ядерной энергии создаст новые невиданные возможности для науки, техники, промышленности. Масштаб этих возможностей на нынешнем этапе трудно еще полностью представить. Освобождение ядерной энергии означает колоссальное расширение власти человека над природой при условии, однако, что ядерная энергия будет использована для мирных целей. Советский Союз, обладая атомными и водородными бомбами, борется за использование атомной энергии только для мирных целей, за запрещение атомного и водородного оружия и других средств массового уничтожения людей. 
 
Отметим еще, что создание ядерных реакторов — это один из наиболее значительных плодов науки о внутреннем строении вещества. Излучение невидимых, неосязаемых атомов и атомных ядер привело к вполне осязаемому и зримому практическому результату — освобождению и использованию ядерной энергии, скрытой в уране. Этот успех самым убедительным образом доказывает, что наши научные представления об атоме и атомном ядре являются истинными, т. е. в основном правильно отражают объективную действительность природы. 
 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Источник: http://www.physel.ru/