Ядерный реактор. Преобразование внутренней энергии атомных ядер в электрическую энергию

[музыка] здравствуйте уважаемые ученики я учитель физики панарин виктор алексеевич проведу для вас очередное занятие на онлайн канале школы имени николай иваныч и лобачевского на этом занятии мы с вами узнаем как работает ядерный реактор как определяются условия для его работы познакомимся с атомной энергетикой имеющий огромное значение для человечества и начнем мы такого физического явления как деления ядер урана деление ядер урана при бомбардировке их нейтронами была открыта в тридцать девятом году немецкими учеными от органам и фрицам стр османов давайте рассмотрим механизм этого явления на рисунке условно изображена ядро атома урана массовое число 235 номер таблицы 92 это же является зарядным числом как мы помним поглотив лишний нейтрон ядро возбуждается деформируется приобретай вытянутую форму мы уже знаем что в ядре действует два вида сил электростатические силы отталкивания между протонами стремящиеся разорвать ядро ядерные силы притяжения между всеми наклонами благодаря которым ядро не распадается но ядерные силы городках действующие поэтому вытянуто в ядре они уже не могут удержать сильно удаленные друг от друга части ядра под действием электростатических сил отталкивания ядро разрывается на две части которые разлетаются в разные стороны с огромной скоростью излучают при этом 23 нейтрон получается что часть внутренней энергии ядра переходит в кинетическую энергию разлетающихся осколков и частиц осколки быстро тормозят сам окружающей среде в результате чего их кинетическая энергия преобразуется во внутреннюю энергию среды то есть в энергия взаимодействия теплового движения составляющих ее частиц при одновременном деление большого количества ядер урана внутренняя энергия окружающей уран среды и соответствие и температуру заметно возрастают то есть среда нагревается таким образом реакция деления ядер урана идет с выделением энергии в окружающую среду энергия заключенная в ядрах атомов колоссально например при полном деление всех ягер имеющиеся в одном грамме урана выделялось бы столько же энергии сколько выделяется при сгорании двух с половиной тонн нефти для преобразования внутренней энергии атомных ядер в электрическую на атомных электростанциях используют так называемый цепной реакции деления ядер давайте рассмотрим механизм протекание цепной реакции деления ядра изотопы урана с массовым числом 235 на рисунке изображена ядро атома урана которая в результате захвата нейтрона разделилась на две части и случаев при этом два нейтрона два этих нейтрона вызвали реакцию деления еще двух ядер этом раздавалось уже 4 нейтрона и те в свою очередь вызвали дилейни четырех ядер после чего образовалась 9 нейтронов и так далее цепная реакция возможна благодаря тому что определение каждого ядра образуются два три нейтрона которые могут принять участие в делении других я тира рисунке показана схема цепной реакции при которой общее число свободных нейтронов куске урана лавинообразно увеличивается со временем соответственно резко возрастает число делений ядер и энергия выделяющейся в единицу времени поэтому такая реакция носит взрывной характер она протекает в атомной пункт факторы определяющие коэффициент размножения нейтронов перечислены очередном рисунки слайда захват медленных нейтронов я драме урана с последующим выделением не захват быстрых нейтронах я драме урана-235 238 также с последующим делением сопровождается увеличением числа нейтронов захват нейтронов ядрами урана без деления приводит соответственно к были числа нейтронов захват нейтронов продуктами деления замедлителем конструктивными элементами на установке приводит к были числа нейтронов вылет нет нейтронов изделия щи вася вещества наружу приводит к убыли числа нейтронов для стационарного течения цепной реакции коэффициент размножения нейтронов должен быть равен единице то есть количество нейтронов образуются единицу времени должно быть постоянным коэффициент появление новых нейтронов в результате цепной реакции обозначается буковкой к если он равен единице то идет управляемая для тёрна ряд если коэффициент больше единицы то происходит взрыв возможно другой вариант при котором число свободных нейтронов уменьшается со временем то есть к меньшей яиц в этом случае цепная реакция прекращается следа на такую реакцию нельзя использовать для производства электроэнергии в мирных целях возможно использовать энергию только такой цепной реакции в который число нейтронов не меняется с течением времени как же добиться того чтобы число нейтронов все время оставалось постоянным на решение этой проблемы нужно знать какие факторы влияют на увеличение на уменьшение общего числа свободных нейтронов куске урана в котором протекает цепной реакции одним из таких факторов является масса ураган дело в том что не каждый нейтрон излучины определение ядра вызывает или нет других я тёр если масса и соответственно размера куска урана слишком мало то многие нейтроны вылетят за его пределы не успел встретить на своем пути ядро вызвать его отделение и породить таким образом новое поколение нейтронов необходимых для продолжения реакций в этом случае цепная реакция прекратится чтобы реакция не прекращалась нужно увеличить массу урана до определенного значения называемого критическим почему при увеличении массы цепная реакция становится возможной чем больше масса куска тем больше его размеры и тем длиннее путь которые проходят в нем не трону при этом вероятность встречи нейтронов с ядрами возрастает соответственно увеличивается число отделений лидеры и число и излучаемых не тронь при некоторой так называемой критической массе урана число нейтронов появившиеся определения der становится равным числу потерянных нейтронов то есть захваченные ядрами без деления и вылетевшие за пределы куска поэтому их общее число становится неизменным при этом цепная реакция может эти длительное время не прекращай осени приобретают взрывного характера наименьшая мар саура на при которой возможно протекание цепной реакции называется критической массы если масса урана больше критической то в результате резкого увеличения числа свободных нейтронов цепная реакция приводит к взрыву а если меньше критической то реакции не протекает из-за недостатка свободных нейтронов уменьшить потерю нейтронов которые вылетают из уран и не прореагировал с театрами можно и только за счет увеличения массы урана но и с помощью специальной отражающие оболочки для этого кусок урана помещают в оболочку сделаны из вещества хорошо отражающего нейтроны например из береги отражаясь от этой оболочки нейтрона возвращаются в уран и могут принять участие в делении едешь помимо массы и наличие отражающий оболочки существует еще несколько факторов от которых зависит возможность протекания цепной реакции на примере со кусок урана содержит слишком много примесей других химических элементов то они поглощают большую часть нейтронов и реакция прекращается еще одним фактором влияющим на ход реакции является наличие бюро не так называемого замедлители нейтронов дело в том что ядра урана 235 с наибольшей вероятностью делятся под действием медленных нейтронов определения дира образуется быстро и не тронь если быстро и нейтроны замедлить побольше их часть захвате центрами урана-235 с последующим делением и директор качестве замедлителя используются такие вещества как графит вода тяжелая вода состав которой входит дейтерий изотоп водорода с массовым числом 2 и некоторые другие эти вещества только замедляют нейтроны почти не поглощение таким образом возможно протекание цепной реакции определяется марса и урана количеством примесей в ней наличием оболочки и замедлителя и некоторыми другими факторами критическая масса шарообразного куска урана-235 приблизительно равна 50 килограмм при этом видео радиус составляет всего девять сантиметров поскольку уран имеет очень большую плотность применяя замедлители отражающие оболочку и уменьшая количество примесей удается съесть критическому марса урана до 0,8 килограмм ядерный реактор это устройство предназначенное для осуществления управляемой ядерной реакции управление ядерной реакции заключается в регулировании скорости размножения свободных нейтронов урони чтобы их число оставалось неизменным при этом цепная реакция будет продолжаться столько времени сколько это необходимо не прекращаясь и не приобретая взрывного характера давайте рассмотрим устройство и принцип действия реактора в котором в качестве делящегося вещества его называют также ядерным топливом или горючим используют в основном уран-235 в природном уране этого изотопа недостаточно для протекания цепной реакции там находится всего лишь 0,7 процента от общей массы руды поэтому природный уран обогащают то есть увеличивает процентное содержание в нем урана-235 примерно до 5 процентов реактор работающий на этом изотопе урана называется реактором на медленных нейтронов он назван так потому что уран 235 наиболее эффективно делится под действием медленных нейтронов поскольку определение ягер образуется в основу быстрые нейтроны их необходимо замедлять для этого в реакторе с таким ядерным топливом используется замедлитель нейтрона на рисунке изображены основные части реактора на медленных нейтронов в активной зоне находится ядерное топливо виде урановых стержней и замедлители нейтронов в данном случае вода масса каждого уранового стержня значительно меньше критической поэтому в одном стержни цепная реакция происходить не можешь это делается специальные соображений безопасности она начинается после после погружения в активную зону всех урановых стержней то есть когда масса урана достигнет критического значения активная зона окружена слове вещества отражающего нейтроны отражатель и защитной оболочкой из бетона задерживающие нейтроны и другие частицы для управления реакции служат регулирующие стержни эффективно поглощающий нейтроны при их полном погружении в активную зону цепная реакция и тени может для запуска реактора регулирующие стержни постепенно выводят из активной зоны до тех пор пока не начнется цепная реакция деления ядер урана качестве замедлителя обычно используются графитовые стержни образующийся в процессе этой реакции нейтроны и осколки я der разлитая с большой скоростью попадают в воду сталкиваются с ядрами атомов кислорода и водорода отдают им часть своей кинетической энергии замедляются вода при этом нагревается а замедленный нейтроны через какое-то время опять попадают урановые стержни участвуют деление нет активная зона реактора посредством друг соединяется с теплообменником образуя так называемый первый замкнутый контур насосы обеспечивают циркуляцию воды в этом контуре при этом вода нагретая в активной зоне за счет внутренней энергии атомных ядер проходя через теплообменник нагревает вот змеевике второго контура превращая их пар таким образом вода в активной зоне реактора служит не только замедлителем нейтронов но и теплоносителем отводящим тепло далее энергия пара образовавшегося змеевики преобразуется в электроэнергию посредством этого пара вращается турбина которая в свою очередь приводит во вращение ротор генератора электрического тока отработанный пар поступает в конденсатор и превращается в воду затем весь цикл повторяется таким образом при получении электрического тока на атомных электростанциях происходит следующее преобразование энергии частью внутренней энергии атомных ядер урана переходит в кинетическую энергию нейтронов и осколков ягер которая переходит во внутреннюю энергию воды далее которое преобразуется во внутреннюю энергию пора наконец кинетическая энергия пара в кинетическую энергию ротор турбины и ротора генератора которые в свою очередь вырабатывают электрическую энергию одной из важнейших проблем стоящих перед человечеством является проблем источников энергии потребление энергии растет столь быстро что известно и настоящее время запасы топлива коуст исчерпанными сравнительно короткое время проблему энергетического голода не решат и использование энергии так называемых возобновляемых источников энергии рек ветра солнца морских волн глубинного тепла земли так как они могут обеспечить в лучшем случае только 5-10 процентов нашей потребностей связи с этим середине двадцатого века возникла необходимость поиска новых источников энергии настоящее время реальный вклад в энергоснабжении вновь ядерная энергетика до 1940 года многие ученые считают что ядерная физика представляет чисто научный интерес не имея при этом никакого практического применения так в 1937 году резерфорд утверждал что получение ядерная энергия в поля или менее значительных количествах достаточных для практического использования никогда не будет возможным однако уже в 1942 году в сша под руководством энрико ферми был построен первый ядерный реактор первый европейский реактор был создан 1946 году в советском союзе под руководством игоря васильевича курчатова 1954 году нашей стране в городе обнинске балла виденном действий в первой в мире атомной электростанции а из ее мощность была невелика всего 5000 киловольт современный с имеют сотни раз больше мужчин а с имеет ряд преимуществ перед другими видами электростанций основное их преимущество заключается в том что для работы с требуется очень небольшое количество топлива вспомним что энергия заключенной в одном грамме урана равна энергии выделяющейся при сгорании двух с половиной тонн нефти связи с этим эксплуатация атомных электростанций обходится значительно дешевле чем тепловых для работы которых необходимо большие затраты на добычу и транспортировку топлива правда строительство тепловых станций с обходится дешевле чем атомных поэтому на сегодняшний день стоимость тепловых и атомных станций сопоставимо но в перспективе атомная энергетика станет более выгодным второе преимущество с при правильной их эксплуатации заключается в их экологической чистоте по сравнению с конечно выбросах asmr заранее активные газы и частицы но большая часть радиоактивных я этих так называемых радионуклидов содержащийся в выбросах а с довольно быстро распадается превращаясь в не ради актив а количество долгоживущих радионуклидов и мощность их излучение сравнительно невелики поэтому для населения проживающего в районах размещения с дополнительно радиационная нагрузка не превышает нескольких десятых процентов естественного радиационного фона что же касается электростанций работающих на угле то именно они являются одним из основных источников поступления в среду обитания человека долгоживущих радионуклидов дело в том что в угле всегда содержится ни капли месси радиоактивных элементов которые выносятся с продуктами сгорания осаждаясь на прилегающей местности и накапливаясь на собранных полях возле с например на зольных полях рефтинский с расположенной 80 километрах от екатеринбурга за время ее работы накопилось до семи килограмм урана товаре я ради и других радиоактивных изотопов кроме того используемая над с природной органическое топливо уголь не раз содержат от полутора до четырех с половиной процентов серы образующиеся при сгорании топлива сернистый ангидрид даже пройдя через фильтры и системы очистки частично выбрасывается в атмосферу вступая в контакт с атмосферной влагой его он образует раствор серной кислоты и вместе с дождями выпадает на землю такие кислотные дожди наносят огромный ущерб растительности разрушают структуру почвы и значительно меняет ее состав для восстановления такой почвы необходимо не одна сотня лет в настоящее время квалифицированные критика ядерной энергетики концентрируется вокруг трех ее принципиальных проблем содействие распространению ядерного оружия радиоактивные отходы и возможность аварий первая проблема может быть решена только в рамках мирового сообщества большой вклад в ее решении вносит в частности деятельность международного агентства по атомной энергии прямого кратко магатэ созданного в 1957 году для контроля за не распространением ядерного оружия и безопасным применением ядерной энергии в мирных целях обезвреживание радиоактивных отходов suites в основном к трем задачам которые описаны на нас лайки помимо перечисленных принимаются и многие другие меры направленные на решение проблем радиоактивных отходов что касается безопасности аэс деятельность магатэ в этой области включается в частности разработку стандартов безопасности касающиеся выбора места размещения с их проектирования эксплуатации и прочего консультирование стран-членов магатэ например по проблеме создания программы помощи с настоящим днем странам случае аварий по оказанию содействия развивающимся странам вопросы безопасности многим другим аспектам проводила экспертами магатэ анализ произошедших на атомных станциях аварии выдачи рекомендации по их профилактике внедрение в практику современных методов анализа безопасности и многие другие меры содействует уровней и повышению в целом уровни безопасности с мире как всегда для закрепления полученного материала вам необходимо выполнить задание для самостоятельной работы имени изучить соответствующий материалы учебника ответить на поставленные там вопрос также попробуйте выполнить лабораторную работу изучение и линии ядра урана по фотографии трека лабораторная работа пехоты и проведение изображены ниже на слайдах ну что ж уважаемые ученики мы с вами рассмотрели интересную тему которая казалась изучение возможности получения электрической энергии за счет атомной рассмотрели в как устроен a table реактор узнали при каких условиях он может работать выяснили что такое цепная реакция деления ядер урана познакомились преимуществами атомной энергетики по сравнению с другими видами производства электроэнергии если у вас возникли вопросы по данной тематике вы всегда можете обратиться в ко мне и вместе постараемся них решить надеюсь на дальнейшее встречи с вами на онлайн канале школы имени николай иванович лобачевский спасибо вам за внимание досвидание [музыка] [музыка]