Курс лекций по физике ядерного реактора Аварийные ситуации Радиоактивные отходы Термоядерные реакторы Источники радиоактивного облучения

Атомная энергетика. Курс лекций по физике ядерного реактора

Земля и ядерная энергия: состояние энергетических ресурсов

Эта книга написана с точки зрения инженера, точнее инженера-теплофизика, т.е. инженера-проектировщика или исследователя, связанного с производством и использованием тепловой энергии. Мы убеждены, что наиболее важные проблемы использования ядерной энергии имеют непосредственное отношение к преобразованию тепловой энергии, генерируемой в различных процессах. Сюда включается управление тепловой энергией как в нормальных рабочих условиях, так и в аварийных ситуациях. Проблема управления тепловой энергией в ядерной энергетике не заканчивается удалением топлива с АЭС; небольшое количество тепла генерируется в отработанном топливе до его химической переработки и в отходах производства. Последствия этого также в поле деятельности инженера-теплофизика.

Подход, который мы будем использовать, отличается от обычного подхода для книг по ядерной энергетике. Мы проследим за историей ядерных материалов, начиная с их космического происхождения, пребывания в земной коре до использования в ядерных реакторах и после удаления из них. Мы изложим некоторые элементарные вопросы физики с акцентом на вопросы, связанные с тепловой энергией.

Начнем с истории урана на Земле, с распада его изотопов и влияния этого распада на состояние Земли. Проведем сравнение урана с другим главным энергетическим источником Земли: с Солнцем. Энергию, получаемую от Солнца, можно оценить как непосредственно, так и в запасах ископаемого топлива, гидроресурсов и в ветровой энергии.

Скорость получения энергии из ядерных материалов может быть увеличена в самоподдерживающейся реакции деления ядер. Деление ядер обычно не происходит в естественных условиях, но последними исследованиями установлено, что природа опередила Энрико Ферми примерно на 2 млрд. лет и создала естественный ядерный реактор в результате ряда экстраординарных и невероятных событий. Мы используем этот пример при описании реакции деления.

В конце этой главы проведено сравнение относительных величин различных источников тепловой энергии: ископаемого топлива, ядерных материалов, Солнца и т.д.

Виды энергии. Что такое энергия? Существует общее опасение относительно того, что мировые энергетические ресурсы исчерпаемы. Люди понимают, что такое энергия в терминах этих ресурсов, а именно, по запасам нефти, газа, угля и по количеству электричества, полученного из них. Все эти ресурсы требуют значительных затрат из национального и личного бюджета.

Благодаря соответствующей подготовке, инженер имеет несколько отличающуюся концепцию энергии. Он получает ее в студенческие годы при прохождении курса термодинамики. Для лучшего понимания части книги важно рассмотреть основные концепции термодинамики.

Концепция совершения работы для подъема тел или перемещения объектов, таких, как велосипед, является общепринятой. Тогда сравнительно легко понять концепцию энергии как меру возможности совершить работу. Энергия может проявляться в следующих различных формах.

Кинетическая энергия. Эта энергия связана с движением тел, например маховика или локомотива.

Потенциальная энергия. Тело обладает этой энергией благодаря своему положению, например, в гравитационном поле Земли. Так, ребенок, сидящий на верхнем конце качелей, имеет большую потенциальную энергию, чем ребенок, сидящий на их нижнем конце. Аналогично, потенциальная энергия воды горного озера выше, потенциальной энергии воды на уровне моря.

Химическая энергия. Вещество состоит из атомов, которые компонуются в молекулы. Молекулы различных веществ могут реагировать с выделением энергии, и эта энергия часто называется химической. Например, химическая энергия высвобождается при взаимодействии бензина с воздухом в двигателе автомобиля.

Электрическая энергия. Атомы состоят из ядра, вокруг которого вращаются электроны (см. рис. 1.1). Если имеет место избыток или недостаток электронов в какой-либо части тела, то говорят, что тело облагает электрическим зарядом и, следовательно, электрической энергией. Примером может служить гроза, при которой облака электрически заряжены относительно Земли.

Ядерная энергия. При отсутствии внешних воздействий ядро атома, как правило, стабильно и может оставаться в неизменном состоянии неопределенно долго. Например, ядро атома железа: без внешних воздействий железо никогда не превратится в другой элемент. Однако атомы некоторых элементов неустойчивы и могут переходить в атомы других элементов спонтанно, с испусканием излучения. Мы обсудим типы испускаемого излучения в § 1.2. Здесь же следует отметить, что радиация имеет кинетическую энергию, а процесс распада ядер приводит к высвобождению энергии, принадлежащей ядру, т.е. ядерной энергии. Если бы ядро можно было взвесить до распада, а затем после распада взвесить оставшееся ядро и частицы - компоненты излучения, то обнаружится небольшое изменение массы, связанное с переходом массы в энергию. Связь между потерей массы т и высвободившейся энергией Е определяется уравнением Эйнштейна:

Е = тс2,

где с – скорость света равная 3*108 м/с 

Рис. 1.1. Схема атома 12С:

1 - протоны; 2 - нейтроны; 3 - электроны

Количество энергии, выделяющейся при потере массы, очень велико. Например, масса, равная 100 кг, полностью преобразованная в энергию, способна удовлетворить все энергетические потребности Великобритании (при существующем уровне потребления) в течение года. Масса, равная 1 кг, полностью конвертированная в энергию, эквивалентна сжиганию 3 млн. т угля. В типичной ядерной реакции, однако, лишь малая доля массы превращается в энергию, обычно около 0,1 %. Распад нестабильного ядра и последующий выход ядерной энергии может быть инициирован возбуждением ядра при бомбардировке его излучением. Этот факт является сердцевиной процесса реакции деления, которую мы обсудим несколько позже. Ядерная энергия также может высвобождаться, как мы увидим, в термоядерной реакции синтеза очень легких атомов в более тяжелые.


На главную страницу. Реакторы атомных станций