Лекция 1 Атомная энергетика

Ядерная энергетика. За последние 25 лет ядерная энергетика выделилась в самостоятельную отрасль атомной промышленности, развиваемую в 43 странах мира. Анализ возможностей получения огромных управляемых количеств энергии свидетельствует, что альтернативы ядерной энергетике нет. Ведь при каждом акте деления ядра атома урана ²³⁵U высвобождается около 150-200МэВ энергии и выделяется 2,5 нейтрона. При делении 1 кг урана-235 высвобождается 2,5·10⁷ кВт·ч (9·10¹³ Дж) энергии, которая эквивалентна энергии, выделяющейся при сжигании 2,5·10³ т каменного угля при зольности 10-12%.

Электрон-вольт – это внесистемная единица энергии

1МэВ=1,602·10^-13 Дж

1эВ=1,602·10^-19 Дж=1,602·10^-12 эрг

Деление ядер атомов ²³⁵U протекает по схеме:

(4.1)

Энергия нейтронов, а также ϒ-, β- и α-излучений осколков деления составляет 6% полной энергии, выделяющейся при делении ядер урана. В природном уране содержится 0,72% , а 99,274%.Следовательно, содержание урана-238 в природных рудах в 137,88 раз превышает содержание урана-235.

При поддержании цепной ядерной реакции образующиеся при делении по уравнению (4.1) так называемые быстрые нейтроны, обладающие высокой средней энергией (2МэВ), необходимо замедлить до того, как они «прошьют» насквозь ядра атомов ,не вызывая ядерной реакции. Если же замедлить быстрые нейтроны, то можно мзбежать обрыва цепной ядерной реакции . В качестве замедлителя быстрых нейтронов используют обычно воду, графит, оксид бериллия и тяжелую воду (D₂O). По экономическим и техническим соображениям используют природную воду и графит.

Исследования показали, что уран вступает в ядерные реакции деления при облучении его быстрыми нейтронами и превращаются сначала в нептуний , а затемв плутоний – эффективное ядерное горючее. Этот процесс можно представить схемой:

(4.2)

Реакторы, в которых осуществляется синтез ядра плутония, получили название реакторов-бридеров (реакторов-размножителей). По ядерным свойствам ,похож на ,так как подвергается делению при облучении медленными нейтронами.

Реакция (4.2) в энергетическом плане имеет важнейшее значение для человечества. Поэтому основой атомной энергетики будущего будет хорошо отработанный ядерным военно-промышленным комплексом уран-плутониевый топливный цикл.

Получение энергии (тепловой и электрической) в реакторах на быстрых нейтронах начинают с превращения ядерного топлива по схеме (4.2): природный уран облучают и превращают в нептуний с периодом полураспада Т_1/2=2,35 сут. Для полного превращения в облученные твэлы с извлекают из ядерных реакторов и выдерживают в течение 10 периодов полураспада (около месяца). Далее содержимое твэлов подвергают химическому растворению в соответствующих реагентах (в основном в азотной кислоте) и экстракционному (5-30%-м трибутилфосфатом в инертном разбавителе) или ионообменному разделению. При последовательном использовании в качестве ядерного горючего и эффективность ядерного цикла возрастает тысячекратно Поэтому атомная энергетика будущего будет использовать в своих технологических процессах исходный недефицитный уран-238, превращать его в плутоний-239 и применять в качестве ядерного топлива, т.е. образуется замкнутый ядерный топливный цикл (ЗЯТЦ).

Рисунок 4.1 – Схема ЗЯТЦ

Вторичный уран после корректировки в нем содержания урана-235 снова направляется на изготовление твэлов. Как видно из рисунка 4.1, в ЗЯТЦ плутоний также используется для изготовления тепловыделяющихся элементов.

Для использования плутония в качестве ядерного топлива его следует подвергать глубокой очистке даже от следов галлия.

Следует отметить, что при сжигании ядерного топлива на основе плутония=239 и уран-238 в реакторах на быстрых нейтронах решаются не только экономические, но и экологические проблемы. Так, если в реакторах на тепловых нейтронах реализуется только около 1% энергетического потенциала ядерного топлива, то в реакторах на быстрых нейтронах достигается исключительно высокая глубина его выгорания (почти до 90%).

В основе концепций ядерных технологий XXI в. Лежат следующие решения и их исполнение:

· Замена тепловых ядерных реакторов реакторами-бридерами с замкнутым ядерным топливным циклом;

· Выбор оптимальной конструкции и строительство новых реакторов-бридеров на быстрых нейтронах, обеспечивающих воспроизводство ядерного топлива в ЗЯТЦ;

· Создание технологий ядерного топливного цикла, исключающих стадии выделения плутония из технологического процесса;

· Стимулирование геологических поисковых работ по открытию новых месторождения урановых руд;

· Конверсия ядерного военного потенциала стран-членов «Ядерного клуба» и объединение их усилий для разработки Междкнародной ядерной энергетической технологии XXI в.

· Выбор наиболее приемлемой концепции утилизации ядерного топлива и строительство материала разрушенного четвертого блока ЧАЭС и ее реализация на практике (для Украины).

Решение экологической проблемы ядерной энергетики является важнейшей задачей первого столетия третьего тысячелетия. В этом плане представляет интерес концепция создания и строительства подземных атомных теплоэлектростанций (ПАТЭС), в которых предусматриваются жесткие требования к безопасности объектов ядерно-топливного цикла (ЯТЦ).

Дата добавления: 2014-01-04