Понятие о ядерной энергетике

Цепная реакция деления тяжелых атомных ядер сопровождается выделением огромного количества энергии. 1 кг урана обладает в миллионы раз большей энергией, чем 1 кг каменного угля. Цепные реакции деления делятся на управляемые и неуправляемые. Взрыв атомной бомбы является неуправляемой цепной реакцией. В основе ядерной энергетики лежат управляемые реакции.

Ядерными реакторами называются устройства, в которых поддерживается управляемая цепная реакция деления атомных ядер.

Ядерные реакторы различаются:

· по типу основных материалов, находящихся в активной зоне (ядерное топливо, замедлитель, теплоноситель);

· по характеру размещения ядерного топлива и замедлителя в активной зоне (гомогенные и гетерогенные);

· по энергии нейтронов (реакторы на тепловых и быстрых нейтронах);

· по типу режима (непрерывные и импульсные);

· по назначению (энергетические, исследовательские и т.д.).

В качестве делящихся и сырьевых веществ используются изотопы урана и тория, в качестве замедлителя – вода (обычная и тяжелая), графит, бериллий, органические жидкости, в качестве теплоносителей – воздух, вода, водяной пар. В соответствии с рассмотренными признаками сформировались такие названия, как уран-графитовые, водо-водяные, графитово-газовые и другие реакторы.

Огромные возможности для развития атомной энергетики открываются с созданием реакторов-размножителей (бридеров), в которых выработка энергии сопровождается производством вторичного горючего – плутония. Это позволяет кардинально решить проблему обеспечения ядерным топливом.

Впервые ядерная энергия для мирных целей была использована в СССР. В г. Обнинске Калужской области в 1954 г. была введена в эксплуатацию первая атомная электростанция (5 МВт). В настоящее время примерно 17% мирового объема производства электроэнергии приходится на атомные станции (АЭС). При этом в Бельгии и Швеции доля электроэнергии, произведенной на АЭС, составляет около 50%, а во Франции и Литве – около 75%. В нашей стране доля энергии АЭС составляет около 15%.

Выработка энергии на АЭС представляется одним из наиболее экологически чистых способов производства энергии. Однако известные события на Чернобыльской АЭС, аварии на американских атомных станциях, трагедия Фукусимы показали, что атомная энергетика сопряжена с огромной опасностью. Необходимо повысить надежность работы АЭС, обеспечить строжайший контроль над уровнем радиации, наладить высокоэффективную систему автоматического регулирования технологического цикла. Над новыми технологиями в атомной энергетике работают ученые и инженеры во многих странах мира.

Колоссальным источником энергии может стать термоядерный синтез – образование из легких ядер более тяжелых. Термоядерные реакции дают наибольший выход на единицу массы ”горючего” по сравнению с любыми другими превращениями. Термоядерные реакции протекают только при очень высоких температурах (10⁷–10⁸ К). Такие реакции являются источником энергии звезд. В земных условиях примером неуправляемой термоядерной реакции является взрыв водородной бомбы.

Управляемый термоядерный синтез открывает человечеству доступ к практически неограниченной кладовой ядерной энергии, заключенной в легких элементах. Наиболее заманчивой в этом смысле является возможность использования дейтерия, содержащегося в обыкновенной воде.

Количество дейтерия, содержащегося в стакане воды, энергетически эквивалентно 60 л бензина. Однако при температурах 10⁷–10⁸ К синтезируемое вещество находится в плазменном состоянии и возникает техническая проблема удержания горячей плазмы в ограниченном объеме. Один из вариантов решения проблемы – удержание плазмы в сильном магнитном поле.

В 1975 г. в Институте атомной энергии им. И.В. Курчатова была собрана первая термоядерная установка подобного типа – «Токамак-10». Однако до промышленного внедрения подобных установок еще далеко. Над решением проблемы управляемого термоядерного синтеза работают во многих странах. Остается надеяться, что ее решение – дело недалекого будущего.

Контрольные вопросы

1 Проанализируйте энергетические потребности человечества.

2 Какие природные энергоресурсы использует человек?

3 Какие способы получения электрической энергии Вы знаете?

4 Как решается проблема энергосбережения?

5 Какие способы повышения эффективности энергосистем Вы знаете?

6 На каком принципе основана работа гидроэлектростанций?

7 Как в энергетике используется энергия ветра и термальных вод?

8 Опишите современные направления гелиоэнергетики.

9 Какой физический принцип положен в основу работы ядерного реактора? Какие типы ядерных реакторов Вы знаете?

10 Что такое термоядерный синтез? В чем заключаются проблемы управляемого термоядерного синтеза?