 |
История ядерной энергетики
|
|
|
|
Лекция: «Ядерная энергетика»
Введение
Ядерная энергетика — это отрасль энергетики, занимающаяся производством электрической и тепловой энергии путём преобразования ядерной энергии.
Ядерная энергия – это энергия, содержащаяся в атомных ядрах и выделяемая при ядерных реакциях.
Обычно для получения ядерной энергии используют цепную ядерную реакцию деления ядер урана-235 или плутония. Ядра делятся при попадании в них нейтрона, при этом получаются новые нейтроны и осколки деления. Нейтроны деления и осколки деления обладают большой кинетической энергией. В результате столкновений осколков с другими атомами эта кинетическая энергия быстро преобразуется в тепло.
Хотя в любой области энергетики первичным источником является ядерная энергия (например, энергия солнечных ядерных реакций в гидроэлектростанциях и электростанциях, работающих на органическом топливе, энергия радиоактивного распада в геотермальных электростанциях), к ядерной энергетике относится лишь использование управляемых реакций в ядерных реакторах.
Ядерная энергия производится в атомных электрических станциях, используется на атомных ледоколах, атомных подводных лодках; США осуществляют программу по созданию ядерного двигателя для космических кораблей, кроме того, предпринимались попытки создать ядерный двигатель для самолётов (атомолётов) и «атомных» танков.
Основная научная информация
Несмотря на свои микроскопические размеры, атом имеет строение до некоторой степени сходное со строением нашей солнечной системы. В его непостижимо малом центре, радиус которого менее одной триллионной сантиметра, находится относительно огромное "солнце" — ядро атома. Вокруг этого атомного "солнца" вращаются крохотные "планеты" — электроны. Ядро состоит из двух основных строительных кирпичиков Вселенной — протонов и нейтронов (они имеют объединяющее название — нуклоны).
|
|
|
Электрон и протон — заряженные частицы, причём количество заряда в каждом из них совершенно одинаково, однако заряды различаются по знаку: протон всегда заряжен положительно, а электрон — отрицательно. Нейтрон не несёт электрического заряда и вследствие этого имеет очень большую проницаемость. В атомной шкале измерений масса протона и нейтрона принята за единицу. Атомный вес любого химического элемента зависит от количества протонов и нейтронов, заключённых в его ядре. Например, атом водорода, ядро которого состоит только из одного протона, имеет атомную массу равную 1.
Атом гелия, с ядром из двух протонов и двух нейтронов, имеет атомную массу, равную 4. Ядра атомов одного и того же элемента всегда содержат одинаковое число протонов, но число нейтронов может быть разным. Атомы, имеющие ядра с одинаковым числом протонов, но отличающиеся по числу нейтронов и относящиеся к разновидностям одного и того же элемента, называются изотопами. Чтобы отличить их друг от друга, к символу элемента приписывают число, равное сумме всех частиц в ядре данного изотопа. Может возникнуть вопрос: почему ядро атома не разваливается, ведь входящие в него протоны — электрически заряженные частицы с одинаковым зарядом, которые должны отталкиваться друг от друга с большой силой?
Объясняется это тем, что внутри ядра действуют ещё и так называемые внутриядерные силы, притягивающие частицы ядра друг к другу. Эти силы компенсируют силы отталкивания протонов и не дают ядру самопроизвольно разлететься. Внутриядерные силы очень велики, но действуют только на очень близком расстоянии. Поэтому ядра тяжёлых элементов, состоящие из сотен нуклонов, оказываются нестабильными. Частицы ядра находятся здесь в беспрерывном движении (в пределах объёма ядра), и если добавить им какое-то дополнительное количество энергии, они могут преодолеть внутренние силы — ядро разделится на части. Величину этой избыточной энергии называют энергией возбуждения или энергией связи.
|
|
|
Энергия связи – это энергия, которая требуется, чтобы разделить ядро на отдельные нуклоны. Энергия связи, приходящаяся на один нуклон, неодинакова для разных химических элементов и, даже, изотопов одного и того же химического элемента. Удельная энергия связи нуклона в ядре колеблется, в среднем, в пределах от 1 МэВ у лёгких ядер (дейтерий) до 8,6 МэВ, у ядер среднего веса (А≈100). У тяжёлых ядер (А≈200) удельная энергия связи нуклона меньше, чем у ядер среднего веса, приблизительно на 1 МэВ, так что их превращение в ядра среднего веса (деление на 2 части) сопровождается выделением энергии в количестве около 1 МэВ на нуклон, или около 200 МэВ на ядро. Превращение лёгких ядер в более тяжёлые ядра даёт ещё больший энергетический выигрыш в расчёте на нуклон. Так, например, реакция соединения дейтерия и трития
1D²+1T³→2He4+0n1
сопровождается выделением энергии 17,6 МэВ, то есть 3,5 МэВ на нуклон.
Среди изотопов тяжёлых элементов есть такие, которые как бы находятся на самой грани самораспада. Достаточно лишь небольшого "толчка", например, простого попадания в ядро нейтрона (причём он даже не должен разгоняться до большой скорости), чтобы пошла реакция ядерного деления. Некоторые из этих "делящихся" изотопов позже научились получать искусственно. В природе же существует только один такой изотоп — это уран-235.
История ядерной энергетики
Уран был открыт в 1783 году немецким химиком Мартином Генрихом Клапротом, который выделил его из урановой смолки и назвал в честь недавно открытой планеты Уран. Как оказалось в дальнейшем, это был, собственно, не сам уран, а его оксид. Чистый уран — металл серебристо-белого цвета — был получен только в 1842 году французским химиком Эженом Мелькьором Пелиго. Новый элемент не обладал никакими замечательными свойствами и не привлекал к себе внимания вплоть до 1896 года, когда французский физик Антуан Анри Беккерель открыл явление радиоактивности солей урана. После этого уран сделался объектом научных исследований и экспериментов, но практического применения по-прежнему не имел. Когда в первой трети XX века физикам более или менее стало понятно строение атомного ядра, они, прежде всего, попробовали осуществить давнюю мечту алхимиков — постарались превратить один химический элемент в другой.
|
|
|
В 1934 году французские исследователи супруги Фредерик и Ирен Жолио-Кюри доложили Французской академии наук о следующем опыте: при бомбардировке пластин алюминия альфа-частицами (ядрами атома гелия) атомы алюминия превращались в атомы фосфора, но не обычные, а радиоактивные, которые в свою очередь переходили в устойчивый изотоп кремния. Таким образом, атом алюминия, присоединив один протон и два нейтрона, превращался в более тяжёлый атом кремния. Этот опыт навёл на мысль, что если "обстреливать" нейтронами ядра самого тяжёлого из существующих в природе элементов — урана, то можно получить такой элемент, которого в естественных условиях нет. В 1938 году немецкие химики Отто Ган и Фриц Штрассман повторили в общих чертах опыт супругов Жолио-Кюри, взяв вместо алюминия уран.
Результаты эксперимента оказались совсем не те, что они ожидали — вместо нового сверхтяжёлого элемента с массовым числом больше, чем у урана, Ган и Штрассман получили лёгкие элементы из средней части периодической системы: барий, криптон, бром и некоторые другие. Сами экспериментаторы не смогли объяснить наблюдаемое явление. Только в следующем году физик Лиза Мейтнер, которой Ган сообщил о своих затруднениях, нашла правильное объяснение наблюдаемому феномену, предположив, что при обстреле урана нейтронами происходит расщепление (деление) его ядра. При этом должны были образовываться ядра более лёгких элементов (вот откуда брались барий, криптон и другие вещества), а также выделяться 2–3 свободных нейтрона. Дальнейшие исследования позволили детально прояснить картину происходящего.
|
|
|
Природный уран состоит из смеси трёх изотопов с массами 238, 234 и 235. Основное количество урана приходится на изотоп-238, в ядро которого входят 92 протона и 146 нейтронов. Уран-235 составляет всего 1/140 природного урана (0,7%) (он имеет в своём ядре 92 протона и 143 нейтрона), а уран-234 (92 протона, 142 нейтрона) лишь — 1/17500 от общей массы урана (0,006%). Наименее стабильным из этих изотопов является уран-235. Время от времени ядра его атомов самопроизвольно делятся на части, вследствие чего образуются более лёгкие элементы периодической системы.
Процесс сопровождается выделением двух или трёх свободных нейтронов, которые мчатся с огромной скоростью — около 10 тыс. км/с (их называют быстрыми нейтронами). Нейтроны, выделившиеся при делении нескольких ядер, в свою очередь, попадая в соседние ядра, вызывают их деление. В результате выделяется новая порция нейтронов, которая расщепляет следующие ядра. При благоприятных условиях эта реакция протекает лавинообразно и носит название цепной реакции.
Число делений будет увеличиваться безгранично, если процесс не остановить. Однако реально лишь незначительная часть нейтронов попадает в ядра атомов. Остальные, стремительно промчавшись между ними, уносятся в окружающее пространство.
Самоподдерживающаяся цепная реакция может возникнуть только в достаточно большом массиве урана-235, обладающим критической массой (эта масса при нормальных условиях равна 50 кг). Важно отметить, что деление каждого ядра сопровождается выделением огромного количества энергии, которая оказывается примерно в 300 миллионов раз больше энергии, затраченной на расщепление! (подсчитано, что при полном делении 1 кг урана-235 выделяется столько же тепла, сколько при сжигании 3 тыс. тонн угля). Этот колоссальный выплеск энергии, освобождающейся в считанные мгновения, проявляет себя как взрыв чудовищной силы и лежит в основе действия ядерного оружия, а редкий изотоп уран-235 называется обогащённым.
Позже было установлено, что чистый плутоний также является делящимся материалом и может быть использован в атомном заряде вместо урана-235. Все эти важные открытия были сделаны накануне Второй мировой войны. Вскоре в Германии и в других странах начались секретные работы по созданию атомной бомбы. В США этой проблемой занялись в 1941 году, а уже в 1942 году была основана крупнейшая в мире исследовательская лаборатория в Лос-Аламосе.
По составу учёных, размаху научных экспериментов, числу привлекаемых к работе специалистов и рабочих Лос-Аламосская лаборатория не имела себе равных в мировой истории.
|
|
|
Если в конце 1941 года в распоряжении американских учёных было всего несколько граммов металлического урана, то уже в ноябре 1942 года его промышленное производство достигло 6000 фунтов в месяц. Одновременно, с начала 1942 года под руководством Энрико Ферми шла работа над созданием первого в истории ядерного реактора.
К декабрю 1942 года строительство реактора было закончено и уже 2 декабря Ферми приказал начать экспериментальный запуск готового реактора. Через четыре минуты нейтронные счётчики стали щелкать все громче и громче. С каждой минутой интенсивность нейтронного потока становилась больше. Это говорило о том, что в реакторе идёт цепная реакция. Она продолжалась в течение 28 минут. Затем Ферми дал знак, и опущенные стержни прекратили процесс. Так впервые человек освободил энергию атомного ядра и доказал, что может контролировать её по своей воле.
В 1943 году реактор Ферми демонтировали и перевезли в Арагонскую национальную лабораторию (50 км от Чикаго). Здесь был вскоре построен ещё один ядерный реактор, в котором в качестве замедлителя использовалась тяжёлая вода.
В 1943 году городке Ок-Ридж в долине реки Теннеси был построен первый в истории завод по производству обогащённого урана. Тут же был пущен промышленный реактор, вырабатывавший плутоний. В феврале 1944 года из него ежедневно извлекали около 300 кг урана. Очищенный уран после этого вновь возвращался в реактор. В том же году в бесплодной унылой пустыне на южном берегу реки Колумбия началось строительство огромного Хэнфордского завода. Здесь размещалось три мощных атомных реактора, ежедневно дававших несколько сот граммов плутония.
Издержав в общей сложности около 2 миллиардов долларов, учёные США к 1944 году создали уникальную технологию обогащения урана и производства плутония.
Первая в истории атомная бомба (ей было дано имя "Тринити") была собрана летом 1945 года. А 16 июня 1945 года на атомном полигоне в пустыне Аламогордо (штат Нью-Мексико) был произведён первый на Земле атомный взрыв. Бомбу поместили в центре полигона на вершине стальной 30-метровой башни.
На всех свидетелей этого события атомный взрыв произвёл потрясающее впечатление. По описанию очевидцев, было такое ощущение, будто множество солнц соединилось в одно и разом осветило полигон. Затем над равниной возник огромный огненный шар и к нему медленно и зловеще стало подниматься круглое облако пыли и света. Оторвавшись от земли, этот огненный шар за несколько секунд взлетел на высоту более трёх километров. С каждым мгновением он разрастался в размерах, вскоре его диаметр достиг 1,5 км, и он медленно поднялся в стратосферу. Затем огненный шар уступил место столбу клубящегося дыма, который вытянулся на высоту 12 км, приняв форму гигантского гриба. Все это сопровождалось ужасным грохотом, от которого дрожала земля.
6 августа 1945 года бомбардировщик Б-29 «Энола Гэй» полковника Пола Уорфилда Тиббетса сбросил атомную бомбу «Малыш» на крупный японский город Хиросиму, а 9 августа самолёт «Бокс Кар» майора Чарльза Суини сбросил вторую бомбу «Толстяк» на Нагасаки.
В СССР конечно же тоже велись работы по исследованию процесса атомного распада и созданию атомной бомбы.
В 1953 году впервые была испытана советская термоядерная бомба, а также продолжались работы по освоению «мирного атома».
Первая в мире АЭС опытно-промышленного назначения мощностью 5 МВт была пущена в СССР 27 июня 1954 г. в г. Обнинске. Пуск первой АЭС ознаменовал открытие нового направления в энергетике, получившего признание на 1-й Международной научно-технической конференции по мирному использованию атомной энергии (август 1955, Женева).
В 1958 была введена в эксплуатацию 1-я очередь Сибирской АЭС мощностью 100 МВт (полная проектная мощность 600 МВт).
В том же году развернулось строительство Белоярской промышленной АЭС, а 26 апреля 1964 генератор 1-й очереди (блок мощностью 100 МВт) выдал ток в Свердловскую энергосистему, 2-й блок мощностью 200 МВт был сдан в эксплуатацию в октябре 1967. Отличительная особенность Белоярской АЭС – перегрев пара (до получения нужных параметров) непосредственно в ядерном реакторе, что позволило применить на ней обычные современные турбины почти без всяких переделок.
В сентябре 1964 был пущен 1-й блок Нововоронежской АЭС мощностью 210 МВт. Себестоимость 1 кВт-Ч электроэнергии (важнейший экономический показатель работы всякой электростанции) на этой АЭС систематически снижалась: она составляла 1,24 коп. в 1965, 1,22 коп. в 1966, 1,18 коп. в 1967, 0,94 коп. в 1968. Первый блок Нововоронежской АЭС был построен не только для промышленного пользования, но и как демонстрационный объект для показа возможностей и преимуществ атомной энергетики, надёжности и безопасности работы АЭС.
В ноябре 1965 в г. Мелекессе (ныне Димитровград) Ульяновской области вступила в строй АЭС с водо-водяным реактором «кипящего» типа мощностью 50 МВт, реактор собран по одноконтурной схеме, облегчающей компоновку станции. В декабре 1969 был пущен второй блок Нововоронежской АЭС (350 МВт).
За рубежом первая АЭС промышленного назначения мощностью 46 МВт была введена в эксплуатацию в 1956 в Колдер-Холле (Англия). Через год вступила в строй АЭС мощностью 60 МВт в Шиппингпорте (США).
|
|
|
