Изучение физических основ ядерной энергетики в курсе физики средней школы

В качестве теплоносителей в промежуточных реакторах используется вещество, слабо замедляющие нейтроны. Например жидкие металлы. Замедлителем служит графит, бериллий т.д.

В активной зоне реактора на быстрых нейтронах размещаются твэлы с высокообогащенный топливом. Активная зона окружается зоной воспроизводства, состоящей из твэлов, содержащих топливное сырье (обедненный уран. торий). Вылетающие из активной зоны нейтроны захватываются в зоне воспроизводства ядрами топливного сырья, в результате образуется новое ядерное топливо. Особым достоинством быстрых реакторов является возможность организации в них расширенного воспроизводство ядерного топлива, т.е. одновременно с выработкой энергии производить вместо выгоревшего ядерного топлива новое. Для быстрых реакторов не требуется замедлитель, а теплоноситель не должен замедлять нейтроны.

Для обеспечения высокой концентрации ядерного топлива необходимо достижение максимального тепловыделения на единицу объема активной зоны. Это можно осуществить только с помощью жидкометаллических теплоносителей, например натрия, калия или энергоемких газовых теплоносителей, обладающих наилучшими теплотехническими и теплофизическими характеристиками, таких как гелий и диссоциирующие газы. В качестве теплоносителя можно использовать и пары воды. Паразитный захват быстрых нейтронов ядрами конструкционных материалов и продуктов деления крайне незначительный, поэтому для быстрых реакторов существует широкий выбор конструкционных материалов, позволяющих повысить надежность активной зоны. Следовательно, в них можно достичь высокой степени выгорания делящихся веществ.

В зависимости от способа размещения топлива в активной зоне реакторы делятся на гомогенные и гетерогенные.

В гомогенном реакторе ядерное топливо, теплоноситель и замедлитель (если они есть) тщательно перемешаны и находятся в одном физическом состоянии, т.е. активная зона полностью гомогенного реактора представляет жидкую, твердую или газообразную однородную смесь ядерного топлива, теплоносителя или замедлителя. Гомогенные реакторы могут быть как на тепловых, так и на быстрых нейтронах. В таком реакторе вся активная зона находится внутри стального сферического корпуса и представляет жидкую однородную смесь горючего и замедлителя в виде раствора или жидкого сплава (например, раствор уранилсульфата в воде, раствор урана в жидком висмуте), который одновременно выполняет и функцию теплоносителя.

Ядерная реакция деления происходит в топливном растворе, находящемся внутри сферического корпуса реактора, в результате температура раствора повышается. Горючий раствор из реактора поступает в теплообменник, где отдает теплоту воде второго контура, охлаждается и циркулярным насосом направляется опять в реактор. Для того чтобы ядерная реакция не произошла вне реактора, объемы трубопроводов контура, теплообменника и насоса подобраны так, чтобы объем горючего, находящегося на каждом участке контура, были намного ниже критического. Гомогенные реакторы имеют ряд преимуществ по сравнению с гетерогенными. Это несложная конструкция активной зоны и минимальные ее размеры, возможность в процессе работы без остановки реактора непрерывно удалять продукты деления и добавлять свежее ядерное топливо, простота приготовления горючего, а также то, что управлять реактором можно, изменяя концентрацию ядерного топлива.

Однако гомогенные реакторы имеют и серьезные недостатки. Гомогенная смесь циркулирующая по контуру, испускает сильное радиоактивное излучение, что требует дополнительной защиты и усложняет управление реактором. Только часть топлива находится в реакторе и служит для выработки энергии, а другая часть - во внешних трубопроводах, теплообменниках и насосах. Циркулирующая смесь вызывает сильную коррозию и эрозию систем и устройств реактора и контура. Образование в гомогенном реакторе в результате радиолиза воды взрывоопасной гремучей смеси требует устройств для ее дожигания. Все это привело к тому, что гомогенные реакторы не получили широкого распространения.

В гетерогенном реакторе топливо в виде блоков размещено в замедлителе, т.е. топливо и замедлитель пространственно разделены.

Гетерогенный реактор: 1-топливо, 2-замедлитель, 3-теплоноситель, 4-отражатель, 5-корпус и биологическая защита, 6-вход теплоносителя, 7-выход теплоносителя, 8-стержни регулирования

В настоящее время для энергетических целей проектируют только гетерогенные реакторы. Ядерное топливо в таком реакторе может использоваться в газообразном, жидком и твердом состояниях. Однако сейчас гетерогенные реакторы работают только на твердом топливе.

В зависимости от замедляющего вещества гетерогенные реакторы делятся на графитовые, легководные, тяжеловодные и органические. По виду теплоносителя гетерогенные реакторы бывают легководные, тяжеловодные, газовые и жидкометаллические. Жидкие теплоносители внутри реактора могут быть в однофазном и двухфазном состояниях. В первом случае теплоноситель внутри реактора не кипит, а во втором - кипит.

Реакторы, в активной зоне которых температура жидкого теплоносителя ниже температуры кипения, называются реакторами с водой под давлением, а реакторы, внутри которых происходит кипение теплоносителя, - кипящими.

В зависимости от используемого замедлителя и теплоносителя гетерогенные реакторы выполняются по разным схемам. В России основные типы ядерных энергетических реакторов - водо-водяные и водографитовые.

По конструктивному исполнению реакторы подразделяются на корпусные и канальные. В корпусных реакторах давление теплоносителя несет корпус. Внутри корпуса реактора течет общий поток теплоносителя. В канальных реакторах теплоноситель подводится к каждому каналу с топливной сборкой раздельно. Корпус реактора не нагружен давлением теплоносителя, это давление несет каждый отдельный канал.

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

Ядерные энергетические реакторы используются для выработки электроэнергии на атомных электростанциях, в судовых энергетических установках, на атомных теплоэлектроцентралях ( АТЭЦ), а также на атомных станциях теплоснабжения (АСТ).

Реакторы, предназначенные для производства вторичного ядерного топлива из природного урана и тория, называются конверторами или размножителями. В реакторе - конверторе вторичного ядерного топлива образуется меньше первоначально израсходованного.

В реакторе-размножителе осуществляется расширенное воспроизводство ядерного топлива, т.е. его получается больше, чем было затрачено.

Исследовательские реакторы служат для исследований процессов взаимодействия нейтронов с веществом, изучения поведения реакторных материалов в интенсивных полях нейтронного и гамма-излучений, радиохимических и биологических исследований, производства изотопов, экспериментального исследования физики ядерных реакторов.

Реакторы имеют различную мощность, стационарный или импульсный режим работы. Наибольшее распространение получили водо-водяные исследовательские реакторы на обогащенном уране. Тепловая мощность исследовательских реакторов колеблется в широком диапазоне и достигает нескольких тысяч киловатт.

Многоцелевыми называются реакторы, служащие для нескольких целей, например для выработки энергии и получения ядерного топлива.

Строительство АЭС в Беларуси

Атомная энергетика сегодня является экологически безопасной, доступной и экономичной технологией для обеспечения больших объемов производства электроэнергии. Логично, что Беларусью также принято решение о строительстве в республике атомной электростанции. Выбор в пользу АЭС не был легким, ведь именно наша страна больше всего пострадала от Чернобыльской аварии. Но скептиками быть просто, сложнее взять на себя ответственность и внедрить в Беларуси современные ядерные технологии - надежные и эффективные - и, снизив тем самым зависимость от импортируемого газа, выйти на новый уровень энергетической безопасности государства.

Создание АЭС в Беларуси планировалось еще в советские времена. Реально были начаты работы под Минском, предполагалось строить Минскую АТЭЦ - теплофикационную атомную станцию мощностью до 2 тыс. МВт, уже приступили к строительству. Но Чернобыль внес свои коррективы и подготовка к использованию мирного атома в республике была приостановлена. Вместе с тем в 1990-х годах проводились работы по поиску площадок для строительства АЭС. В 1994 году было принято решение Президиума Совета Министров Беларуси об энергообеспечении народного хозяйства на перспективу, которым поручалось Министерству энергетики и топлива Республики Беларусь совместно с Национальной академией наук продолжить работы по изучению возможности и целесообразности развития в республике ядерной энергетики. Наработанные за прошлые годы материалы по поиску площадок теперь стали базой для изысканий по новому проекту, и это ускоряет процесс.

В республике в 2005 - 2007 гг. проводилось социологическое исследование по теме «Чернобыльского синдрома». Оно показало, что число сторонников атомной энергетики по сравнению с данными опроса 2005 года значительно увеличилось. У нас в стране сегодня уже более 50% граждан уверенно говорят «да» ядерной энергетике. Люди понимают, что рост цен в мире на органическое топливо, истощение и труднодоступность его запасов, заставляют каждую страну искать выход. И реальной альтернативой сегодня может быть только ядерная энергетика. Это изученный и испытанный источник, имеющий отработанные технологии и преференции, в то время как, например, водородная энергетика - еще будущее, которое должно пройти свой путь, как научный, так и практический.

Сегодня в мире находится в эксплуатации 442 ядерных реактора - эта цифра говорит о многом. Например, во Франции 75% электроэнергии производится на атомных станциях. И в других развитых странах доля ядерной энергетики в балансе значительна. Конечно, Чернобыльская авария и авария на американской атомной станции в Three Mile Island в США в 1979 году приостановила процесс строительства новых АЭС. Но сегодня весь мир опять повернулся к этому и многие государства Европы, США, азиатские страны, Российская Федерация разработали новые программы о развитии ядерной энергетики и уже приступили к их реализации. Сегодня новые атомные электростанции строятся в Болгарии, Финляндии, Франции, Китае, Индии, Иране, Японии. Даже Объединенные Арабские Эмираты, которые имеют большие запасы органического топлива, подписывают контракт на строительство АЭС. Там понимают, что запасы углеводородов не бесконечны, и создают собственную ядерную энергетику.

В настоящее время в мире применяются различные технологии при строительстве АЭС:

ВВЭР, PWR - корпусные водо-водяные реакторы с водой в качестве теплоносителя и замедлителя под давлением. Таких реакторов в мире используется 265 блоков и строится еще 25.BWR, ABWR - кипящие реакторы с водой в качестве теплоносителя и замедлителя. В эксплуатации 94 блока и 2 блока в стадии строительства.PHWR - реакторы с тяжелой водой в качестве теплоносителя и замедлителя. Эксплуатируется 44 блока, в стадии строительства 4 блока.GCR, AGR - газоохлаждаемые реакторы с графитовым замедлителем. Эксплуатируется 18 блоков, выведено из эксплуатации 34 блока.FBR - реакторы на быстрых нейтронах. Эксплуатируются 2 блока и 2 в стадии строительства.

Подавляющее большинство эксплуатируемых в мире ядерных реакторов - это реакторы на тепловых нейтронах водо-водяного типа (PWR и ВВЭР). Из 439 эксплуатируемых в мире энергоблоков реакторов водо-водяного типа 359.

При реализации проекта по созданию АЭС в Беларуси ориентир именно на водо-водяной реактор. По мнению ученых Академии наук и специалистов Минэнерго, данное оборудование сегодня самое технологичное и проверенное и лучше всего подходит для нашей страны. Современные реакторы такого типа со схожими технико-экономическими характеристиками сегодня в мире предлагаются компаниями ЗАО «Атомстройэкспорт» (Россия), американской Westinghouse, французской Areva.

Все системы безопасности атомных станций со времен СССР полностью пересмотрены. Сегодня реакторы как Российской Федерации, так и Франции, США и других стран-производителей - это оборудование нового поколения, которое отвечает самым современным требованиям по надежности и безопасности и соответствует нормам МАГАТЭ.

Водо-водяные реакторы рассчитаны на срок службы 60 лет. В них установлены многоуровневые системы безопасности, не позволяющие техническим сбоям перерасти в аварию ни при каких обстоятельствах, так как целый ряд «пассивных» и «активных» устройств препятствует выходу радиоактивных веществ наружу, заменяя и дублируя друг друга. «Активные» системы вводятся в действие по команде человека, «пассивные» - срабатывают сами в случае внештатной ситуации.

Здание реактора укрывается двойной защитной оболочкой из бетона и металла: внутренняя защищает окружающую среду и людей от радиации, а наружная предохраняет реактор от нежелательного воздействия извне. Станция не пострадает и в случае землетрясения в 8 баллов, и в случае урагана, наводнения, взрыва и даже после падения самолета на реактор. Учтено все, вплоть до самых фантастических вариантов, например, землетрясений, которых в Беларуси не бывает.

Например, в современных проектах АЭС предусмотрена ловушка расплава активной зоны - это означает, что в случае нештатной ситуации в реакторе все радиоактивные вещества останутся внутри и не смогут распространиться в землю. Даже если расплавленная активная зона проникнет в ловушку (являющуюся, по сути, бетонной шахтой под реактором), то она будет задержана здесь и охлаждена водой и не сможет разрушить нижнюю плиту корпуса реактора.

В целом, согласно расчетам, вероятность серьезных аварий (с выходом последствий за пределы станции) на современных АЭС составляет одну аварию на миллион реакторо-лет.

Стоимость киловатт-часа вырабатываемой электроэнергии на атомных электростанциях ниже, чем на источниках с использованием органического топлива.

Расчеты ученых Академии наук показывают, что ввод в республике АЭС позволит снизить себестоимость электроэнергии в целом по энергосистеме. Но можно говорить с уверенностью о том, что производство электроэнергии на АЭС будет значительно дешевле по сравнению со станциями на природном газе. Если на традиционных станциях, использующих органические ресурсы, топливо занимает 70% и более в себестоимости отпускаемой электроэнергии, то на АЭС этот показатель составляет до 20%.Атомная электростанция в Беларуси будет мощностью 2 тыс. МВт, ее доля в энергосистеме в целом составит более 20% (сейчас установленная мощность электростанций в республике составляет 7,8 тыс. МВт).

Вторым важным моментом является диверсификация поставок топлива. Ввод в эксплуатацию АЭС позволит заместить 4-4,5 млрд. куб. м природного газа в год (республика ежегодно импортирует около 21,5 млрд. куб.м газа). При этом мы можем закупать ядерное топливо для работы реактора сразу на 5-10 лет вперед. Оно же не портится, лежит себе спокойно. И не является радиоактивным, пока не побывало в реакторе. Стабильное обеспечение генерирующих источников топливом - это и есть один из элементов энергобезопасности страны.

Отработанное топливо на станции несколько лет хранится в так называемых бассейнах мокрой выдержки, где оно охлаждается. Далее оно перекладывается в специальные контейнеры и может храниться там много лет. Это безопасно. Кстати, на Игналинской АЭС с момента ее пуска еще хранятся ядерные отходы в контейнерах. Затем отработанное топливо может быть отправлено на переработку. Сегодня этим занимаются Франция, Россия - у них есть соответствующие технологии, заводы. В США переработку не осуществляют, там все отработанное топливо хранится при станциях. При переработке из отходов извлекаются полезные радиоактивные вещества, которые можно использовать в дальнейшем для подготовки топлива, а также в других отраслях народного хозяйства. Ну, а остатки, которые уже бесполезны, но все еще радиоактивны, потом хранятся в специальных местах.

Российское законодательство позволяет после переработки ядерные отходы оставлять в России. Но это предмет переговоров. Французское законодательство такой возможности не предусматривает - то есть переработанные отходы должны вернуться снова на станцию. Но ничего в этом страшного нет, современные технологии хранения полностью безопасны. Не забывайте, что в настоящее время у нас в медицине и в других отраслях народного хозяйства тоже используются радиоактивные материалы, и их отходы мы сегодня храним…

В проекте строительства в Беларуси атомной электростанции будут предусмотрены и технологии хранения ядерных отходов.

Площадкой для строительства АЭС был выбран Островецкий район.

Первый блок АЭС в Беларуси планируется ввести в эксплуатацию в 2016 году, второй - в 2018 году.

Приложение №3

Практические занятия к факультативному курсу «Основы ядерной энергетики»

Урок решения задач №1

1. Напишите недостающие обозначения в следующих ядерных реакциях:

а) б)

2. Выделяется или поглощается энергия в следующей ядерной реакции:

? Определите ее значение.

3. Ядро , захватывая ядро водорода , распадается на две частицы . Определите сумму кинетических энергий этих частиц. Кинетической энергией ядра водорода пренебречь.

4. При делении одного ядра на два осколка выделяется энергия

200 МэВ. Сколько каменного угля нужно сжечь для получения энергии, равной энергии, освобождаемой при «сжигании» в ядерном реакторе 1,0 г изотопа урана?

5. При взрыве водородной бомбы протекает термоядерная реакция

образования гелия из дейтерия и трития. Напишите уравнение реакции. Какую энергию можно получить при образовании 1 г гелия?

Урок решения задач №2

1. Определите, сколько ядер в 1,0 мг радиоизотопа стронция распадется в течение одного года.

2. Определите массу радиоактивного актиния через трое суток, если вначале его было 10 г.

3. Определите период полураспада радона, если за одни сутки из 1,00·10⁶ атомов распадается 1,75·10⁵ атомов.

4. Сколько пар ионов образовалось в счетчике Гейгера, если емкость счетчика 24 пФ, а присоединенный к счетчику вольтметр показал уменьшение напряжения на 20 В?

5. Какова скорость электрона, влетающего в камеру Вильсона, если радиус трека равен 4 см, а индукция магнитного поля 8,5 мТл? Вектор магнитной индукции перпендикулярен скорости движения частицы. Для расчетов применяйте законы классической механики.