Kern- und Atomenergie sind dasselbe. Bildungsprogramm: Wie man Kernenergie gewinnt

1. Einführungen

2.Radioaktivität

3.Kernreaktoren

4. Technische Aspekte eines Fusionsreaktors

5.Kernreaktion. Kernenergie.

6.Gammastrahlung

7.Kernreaktor

8.Grundlagen des Aufbaus der Kernenergie

9. Kernfusion morgen

10. Fazit

11.Referenzen

EINFÜHRUNG: Was studiert Physik?

Physik ist die Naturwissenschaft, die die einfachsten und zugleich allgemeinsten Naturgesetze, den Aufbau und die Bewegungsgesetze der Materie untersucht. Physik wird klassifiziert als exakte Wissenschaften. Ihre Konzepte und Gesetze bilden die Grundlage der Naturwissenschaft. Die Grenzen, die die Physik von anderen trennen Naturwissenschaften, historisch bedingt. Es ist allgemein anerkannt, dass die Physik grundsätzlich eine experimentelle Wissenschaft ist, da die von ihr entdeckten Gesetze auf experimentell ermittelten Daten basieren. Physikalische Gesetze werden in Form quantitativer Beziehungen dargestellt, ausgedrückt in der Sprache der Mathematik. Im Allgemeinen wird die Physik in die experimentelle Physik unterteilt, die sich mit der Durchführung von Experimenten befasst, um neue Fakten zu ermitteln und Hypothesen und bekannte physikalische Gesetze zu testen, und in die theoretische, die sich auf die Formulierung physikalischer Gesetze, die Erklärung natürlicher Phänomene auf der Grundlage dieser Gesetze usw. konzentriert Vorhersage neuer Phänomene.

Die Struktur der Physik ist komplex. Es umfasst verschiedene Disziplinen bzw. Abschnitte. Abhängig von den untersuchten Objekten werden Elementarteilchenphysik, Kernphysik, Physik der Atome und Moleküle, Physik der Gase und Flüssigkeiten, Plasmaphysik und Festkörperphysik unterschieden. Abhängig von den untersuchten Prozessen oder Bewegungsformen der Materie werden die Mechanik materieller Punkte und fester Körper, die Mechanik kontinuierlicher Medien (einschließlich Akustik), die Thermodynamik und statistische Mechanik, die Elektrodynamik (einschließlich Optik), die Theorie der Schwerkraft, Quantenmechanik und Quantenfeldtheorie. Je nach Verbraucherorientierung des erworbenen Wissens wird zwischen grundlegender und angewandter Physik unterschieden. Es ist auch üblich, die Schwingungs- und Wellenlehre zu unterscheiden, die mechanische, akustische, elektrische und optische Schwingungen und Wellen aus einem einzigen Blickwinkel betrachtet. Die Physik basiert auf grundlegenden physikalischen Prinzipien und Theorien, die alle Bereiche der Physik abdecken und das Wesentliche am besten widerspiegeln physikalische Phänomene und Prozesse der Realität.

Aus den frühen Zivilisationen, die an den Ufern des Tigris, des Euphrat und des Nils entstanden (Babylon, Assyrien, Ägypten), gibt es keine Hinweise auf Errungenschaften auf dem Gebiet des physikalischen Wissens, mit Ausnahme derjenigen, die in architektonischen Strukturen, Haushaltsgegenständen, usw. Produkte des Wissens. Bei der Errichtung verschiedener Arten von Bauwerken und der Herstellung von Haushaltsgegenständen, Waffen usw. nutzten die Menschen bestimmte Ergebnisse zahlreicher physikalischer Beobachtungen, technischer Experimente und deren Verallgemeinerungen. Wir können sagen, dass es bestimmte empirische physikalische Kenntnisse gab, aber kein System physikalischer Kenntnisse.

Physikalische Ideen entstanden im alten China auch auf der Grundlage verschiedener Arten technischer Aktivitäten, bei denen verschiedene technologische Rezepte entwickelt wurden. Natürlich wurden zunächst mechanische Konzepte entwickelt. So hatten die Chinesen Vorstellungen über Kraft (was einen in Bewegung versetzt), Reaktion (was die Bewegung stoppt), Hebel, Block, Vergleich von Maßstäben (Vergleich mit einem Standard). Auf dem Gebiet der Optik hatten die Chinesen die Idee, in einer „Camera obscura“ ein umgekehrtes Bild zu erzeugen. Bereits im sechsten Jahrhundert v. Chr. Sie kannten die Phänomene des Magnetismus – die Anziehung von Eisen durch einen Magneten, auf deren Grundlage der Kompass entstand. Auf dem Gebiet der Akustik kannten sie die Gesetze der Harmonie und die Phänomene der Resonanz. Aber das waren immer noch empirische Ideen, für die es keine theoretische Erklärung gab.

IN Altes Indien Grundlage naturphilosophischer Vorstellungen ist die Lehre von den fünf Elementen – Erde, Wasser, Feuer, Luft und Äther. Es gab auch Vermutungen über den atomaren Aufbau der Materie. Es wurden originelle Ideen über Eigenschaften von Materie wie Schwere, Fließfähigkeit, Viskosität, Elastizität usw., über Bewegung und die Ursachen, die sie verursachen, entwickelt. Bis zum 6. Jahrhundert Chr. Empirische physikalische Konzepte zeigen in einigen Bereichen die Tendenz, sich in einzigartige theoretische Konstruktionen (in Optik, Akustik) zu verwandeln.

Das Phänomen der Radioaktivität oder des spontanen Zerfalls von Kernen wurde 1896 vom französischen Physiker A. Becquerel entdeckt. Er entdeckte, dass Uran und seine Verbindungen Strahlen oder Partikel aussenden, die undurchsichtige Körper durchdringen und eine fotografische Platte beleuchten können Die Strahlungsintensität ist nur proportional zur Urankonzentration und hängt nicht davon ab äußere Bedingungen(Temperatur, Druck) und ob Uran in chemischen Verbindungen enthalten ist.

Die englischen Physiker E. Rutherford und F. Soddy haben bewiesen, dass es bei allen radioaktiven Prozessen zu gegenseitigen Umwandlungen der Atomkerne chemischer Elemente kommt. Eine Untersuchung der Eigenschaften der Strahlung, die diese Prozesse in magnetischen und elektrischen Feldern begleitet, ergab, dass sie in a-Teilchen (Heliumkerne), b-Teilchen (Elektronen) und g-Strahlen (elektromagnetische Strahlung mit sehr kurzer Wellenlänge) unterteilt wird.

Man nennt einen Atomkern, der g-Quanten, a-, b- oder andere Teilchen aussendet radioaktiver Kern. In der Natur gibt es 272 stabile Atomkerne. Alle anderen Kerne sind radioaktiv und werden aufgerufen Radioisotope.

Die Bindungsenergie eines Kerns charakterisiert seinen Widerstand gegen den Zerfall in seine Bestandteile. Wenn die Bindungsenergie eines Kerns geringer ist als die Bindungsenergie seiner Zerfallsprodukte, bedeutet dies, dass der Kern spontan zerfallen kann. Beim Alpha-Zerfall transportieren Alphateilchen fast die gesamte Energie und nur 2 % davon gelangen in den Sekundärkern. Beim Alpha-Zerfall ändert sich die Massenzahl um 4 Einheiten und die Ordnungszahl um zwei Einheiten.

Die Anfangsenergie eines Alphateilchens beträgt 4-10 MeV. Da Alphateilchen eine große Masse und Ladung haben, ist ihre mittlere freie Weglänge in der Luft kurz. Beispielsweise beträgt die mittlere freie Weglänge in der Luft für von einem Urankern emittierte Alphateilchen 2,7 cm und für die von Radium emittierten Teilchen 3,3 cm.

Dies ist der Prozess der Umwandlung eines Atomkerns in einen anderen Kern unter Änderung der Ordnungszahl, ohne dass sich die Massenzahl ändert. Es gibt drei Arten des b-Zerfalls: Elektron, Positron und Einfangen eines Orbitalelektrons durch einen Atomkern. Der letzte Zerfallstyp wird auch genannt ZU-Einfang, da in diesem Fall das Elektron, das dem Kern am nächsten ist, am wahrscheinlichsten absorbiert wird ZU Muscheln. Absorption von Elektronen aus L Und M Muscheln sind ebenfalls möglich, aber weniger wahrscheinlich. Die Halbwertszeit b-aktiver Kerne variiert in einem sehr weiten Bereich.

Die Zahl der betaaktiven Kerne, die derzeit bekannt sind, beträgt etwa eineinhalbtausend, aber nur 20 davon sind natürlich vorkommende betaradioaktive Isotope. Alle anderen werden künstlich gewonnen.

Die kontinuierliche Verteilung der kinetischen Energie der beim Zerfall emittierten Elektronen erklärt sich dadurch, dass neben dem Elektron auch ein Antineutrino emittiert wird. Gäbe es keine Antineutrinos, hätten die Elektronen einen genau definierten Impuls, der dem Impuls des Restkerns entspricht. Bei einem Wert der kinetischen Energie, der der Beta-Zerfallsenergie entspricht, wird ein scharfer Bruch im Spektrum beobachtet. In diesem Fall sind die kinetischen Energien von Kern und Antineutrino gleich Null und das Elektron trägt die gesamte bei der Reaktion freigesetzte Energie ab.

Während des elektronischen Zerfalls hat der verbleibende Kern eine Ordnungszahl, die um eins größer ist als die ursprüngliche, während die Massenzahl erhalten bleibt. Das bedeutet, dass im Restkern die Zahl der Protonen um eins zunahm, die Zahl der Neutronen hingegen kleiner wurde: N=A-(Z+1).

Während des Positronenzerfalls bleibt die volle Anzahl an Nukleonen erhalten, aber der endgültige Kern hat ein Neutron mehr als der ursprüngliche. Somit kann der Positronenzerfall als die Reaktion der Umwandlung eines Protons im Kern in ein Neutron mit der Emission eines Positrons und eines Neutrinos interpretiert werden.

ZU elektronische Erfassung bezieht sich auf den Prozess, bei dem ein Atom eines der Orbitalelektronen seines Atoms absorbiert. Da das Einfangen eines Elektrons aus der dem Kern am nächsten gelegenen Umlaufbahn am wahrscheinlichsten ist, ist die Absorption von Elektronen am wahrscheinlichsten ZU-Muscheln. Daher wird dieser Vorgang auch genannt ZU-erfassen.

Es ist viel unwahrscheinlicher, dass Elektronen eingefangen werden L-,M-Muscheln. Nach dem Einfangen eines Elektrons von ZU-Schale kommt es zu einer Reihe von Elektronenübergängen von Umlaufbahn zu Umlaufbahn, ein neuer Atomzustand wird gebildet und ein Röntgenquant wird emittiert.

Stabile Kerne befinden sich in einem Zustand, der der niedrigsten Energie entspricht. Dieser Zustand wird als Basiszustand bezeichnet. Durch die Bestrahlung von Atomkernen mit verschiedenen Teilchen oder hochenergetischen Protonen kann jedoch eine bestimmte Energie auf sie übertragen und somit in Zustände höherer Energie überführt werden. Beim Übergang vom angeregten Zustand in den Grundzustand kann der Atomkern nach einiger Zeit entweder ein Teilchen aussenden, wenn die Anregungsenergie hoch genug ist, oder hochenergetische elektromagnetische Strahlung – ein Gammaquant.

Da sich der angeregte Kern in diskreten Energiezuständen befindet, ist Gammastrahlung durch ein Linienspektrum gekennzeichnet.

Bei der Spaltung schwerer Kerne entstehen mehrere freie Neutronen. Dies ermöglicht die Organisation der sogenannten Spaltkettenreaktion, bei der Neutronen, die sich in einem Medium ausbreiten, das schwere Elemente enthält, ihre Spaltung unter Emission neuer freier Neutronen bewirken können. Wenn die Umgebung so ist, dass die Zahl der neu erzeugten Neutronen zunimmt, dann nimmt der Spaltungsprozess lawinenartig zu. Wenn die Anzahl der Neutronen bei nachfolgenden Spaltungen abnimmt, lässt die nukleare Kettenreaktion nach.

Um eine stationäre Kernkettenreaktion zu erreichen, müssen natürlich Bedingungen geschaffen werden, bei denen jeder Kern, der ein Neutron absorbiert, bei der Spaltung durchschnittlich ein Neutron freisetzt, das zur Spaltung des zweiten schweren Kerns führt.

Ein Kernreaktor ist ein Gerät, in dem eine kontrollierte Kettenreaktion der Spaltung bestimmter schwerer Kerne durchgeführt und aufrechterhalten wird.

Eine nukleare Kettenreaktion in einem Reaktor kann nur mit einer bestimmten Anzahl spaltbarer Kerne ablaufen, die bei jeder Neutronenenergie spalten können. Unter den spaltbaren Stoffen ist das Isotop 235 U das wichtigste, dessen Anteil im natürlichen Uran nur 0,714 % beträgt.

Obwohl 238 U durch Neutronen mit einer Energie von mehr als 1,2 MeV spaltbar ist, ist eine selbsterhaltende Kettenreaktion an schnellen Neutronen in natürlichem Uran aufgrund der hohen Wahrscheinlichkeit einer inelastischen Wechselwirkung von 238 U-Kernen mit schnellen Neutronen nicht möglich. In diesem Fall liegt die Neutronenenergie unter der Schwellenspaltungsenergie von 238 U-Kernen.

Die Verwendung eines Moderators führt zu einer Verringerung der Resonanzabsorption in 238 U, da ein Neutron durch Kollisionen mit Moderatorkernen den Bereich der Resonanzenergien passieren und von den Kernen 235 U, 239 Pu, 233 U usw. absorbiert werden kann Der Spaltquerschnitt nimmt mit abnehmender Neutronenenergie deutlich zu. Als Moderatoren werden Materialien mit niedriger Massenzahl und kleinem Absorptionsquerschnitt (Wasser, Graphit, Beryllium etc.) verwendet.

Zur Charakterisierung der Spaltkettenreaktion wird eine Größe namens Multiplikationsfaktor K verwendet. Dies ist das Verhältnis der Anzahl der Neutronen einer bestimmten Generation zur Anzahl der Neutronen der vorherigen Generation. Für eine stationäre Spaltkettenreaktion ist K=1. Ein Zuchtsystem (Reaktor), in dem K = 1 ist, wird als kritisch bezeichnet. Wenn K > 1, erhöht sich die Anzahl der Neutronen im System, und in diesem Fall spricht man von überkritisch. Bei K< 1 происходит уменьшение числа нейтронов, и система называется под критической. В стационарном состоянии реактора число вновь образующихся нейтронов равно числу нейтронов, покидающих реактор (нейтроны утечки) и поглощающихся в его пределах. В критическом реакторе присутствуют нейтроны всех энергий. Они образуют так называемый энергетический спектр нейтронов, который характеризует число нейтронов различных энергий в единице объема в любой точке реактора. Средняя энергия спектра нейтронов определяется долей замедлителя, делящихся ядер (ядра горючего) и других материалов, которые входят в состав активной зоны реактора. Если большая часть делений происходит при поглощении тепловых нейтронов, то такой реактор называется реактором на тепловых нейтронах. Энергия нейтронов в такой системе не превышает 0.2 эВ. Если большая часть делений в реакторе происходит при поглощении быстрых нейтронов, такой реактор называется реактором на быстрых нейтронах.

Im Kern eines thermischen Neutronenreaktors befindet sich neben Kernbrennstoff eine erhebliche Masse an Moderatorsubstanz, die durch einen großen Streuquerschnitt und einen kleinen Absorptionsquerschnitt gekennzeichnet ist.

Die aktive Zone eines Reaktors ist, mit Ausnahme spezieller Reaktoren, fast immer von einem Reflektor umgeben, der durch Mehrfachstreuung einen Teil der Neuronen in die aktive Zone zurückführt.

In schnellen Neuronenreaktoren ist die aktive Zone von Reproduktionszonen umgeben. Sie reichern spaltbare Isotope an. Darüber hinaus dienen die Reproduktionszonen auch als Reflektor.

In einem Kernreaktor sammeln sich Spaltprodukte an, die als Schlacke bezeichnet werden. Das Vorhandensein von Schlacken führt zu zusätzlichen Verlusten an freien Neutronen.

Kernreaktoren werden je nach relativer Anordnung von Brennstoff und Moderator in homogene und heterogene Reaktoren unterteilt. In einem homogenen Reaktor ist der Kern eine homogene Masse aus Brennstoff, Moderator und Kühlmittel in Form einer Lösung, Mischung oder Schmelze. Ein Reaktor, in dem Brennstoff in Form von Blöcken oder Brennelementen in einem Moderator angeordnet ist und darin ein regelmäßiges geometrisches Gitter bildet, wird als heterogen bezeichnet.

Während des Betriebs des Reaktors wird in den wärmeabführenden Elementen (Brennstäben) sowie in allen seinen Strukturelementen Wärme in unterschiedlichen Mengen freigesetzt. Dies ist vor allem auf die Hemmung von Spaltfragmenten, ihrer Beta- und Gammastrahlung sowie der mit Neuronen interagierenden Kerne und schließlich auf die Verlangsamung schneller Neuronen zurückzuführen. Fragmente aus der Spaltung eines Brennstoffkerns werden nach Geschwindigkeiten klassifiziert, die Temperaturen von Hunderten von Milliarden Grad entsprechen.

Tatsächlich ist E = mu 2 = 3RT, wobei E die kinetische Energie der Fragmente, MeV, ist; R = 1,38·10 -23 J/K – Boltzmann-Konstante. Unter Berücksichtigung von 1 MeV = 1,6 · 10 -13 J erhalten wir 1,6 · 10 -6 E = 2,07 · 10 -16 T, T = 7,7 · 10 9 E. Die wahrscheinlichsten Energiewerte für Fragmentspaltungen sind 97 MeV für ein leichtes Fragment und 65 MeV für ein schweres Fragment. Dann beträgt die entsprechende Temperatur für ein leichtes Fragment 7,5 · 10 11 K, für ein schweres Fragment - 5 · 10 11 K. Obwohl die in einem Kernreaktor erreichbare Temperatur theoretisch nahezu unbegrenzt ist, werden in der Praxis die Einschränkungen durch die maximal zulässige Temperatur der Struktur bestimmt Materialien und Brennelemente.

Die Besonderheit eines Kernreaktors besteht darin, dass 94 % der Spaltungsenergie sofort in Wärme umgewandelt werden, d. h. während der Zeit, in der sich die Leistung des Reaktors oder die Dichte der darin enthaltenen Materialien nicht merklich ändern kann. Wenn sich die Reaktorleistung ändert, folgt die Wärmefreisetzung daher ohne Verzögerung dem Brennstoffspaltungsprozess. Wenn der Reaktor jedoch abgeschaltet wird und die Spaltungsrate um mehr als das Zehnfache abnimmt, verbleiben darin Quellen verzögerter Wärmefreisetzung (Gamma- und Betastrahlung aus Spaltprodukten), die vorherrschend werden.

Die Leistung eines Kernreaktors ist proportional zur Flussdichte der darin befindlichen Neuronen, sodass theoretisch jede Leistung erreichbar ist. In der Praxis wird die maximale Leistung durch die im Reaktor freigesetzte Wärmeabfuhrrate bestimmt. Die spezifische Wärmeabfuhr in modernen Leistungsreaktoren beträgt 10 2 – 10 3 MW/m 3, in Wirbelreaktoren – 10 4 – 10 5 MW/m 3.

Die Wärme wird dem Reaktor durch ein durch ihn zirkulierendes Kühlmittel entzogen. Charakteristisches Merkmal Reaktor ist die Zerfallswärme nach dem Stoppen der Spaltreaktion, die noch lange nach dem Abschalten des Reaktors eine Wärmeabfuhr erfordert. Obwohl die Zerfallswärmeleistung deutlich unter der Nennleistung liegt, muss die Kühlmittelzirkulation durch den Reaktor sehr zuverlässig gewährleistet sein, da die Nachzerfallswärme nicht kontrolliert werden kann. Um eine Überhitzung und Beschädigung der Brennelemente zu vermeiden, ist die Entnahme von Kühlmittel aus einem schon länger in Betrieb befindlichen Reaktor strengstens untersagt.

Ein Kernreaktor ist eine Vorrichtung, in der eine kontrollierte Kettenreaktion der Kernspaltung schwerer Elemente durchgeführt wird und die dabei freigesetzte Wärmeenergie durch ein Kühlmittel abgeführt wird. Das Hauptelement eines Kernreaktors ist der Kern. Es beherbergt Kernbrennstoff und führt eine Spaltungskettenreaktion durch. Der Kern ist eine Ansammlung von Brennelementen, die Kernbrennstoff enthalten und auf eine bestimmte Weise angeordnet sind. Thermische Neutronenreaktoren verwenden einen Moderator. Zur Kühlung der Brennelemente wird ein Kühlmittel durch den Kern gepumpt. Bei einigen Reaktortypen übernimmt ein und derselbe Stoff die Rolle von Moderator und Kühlmittel, beispielsweise gewöhnliches oder schweres Wasser. Für

Um den Betrieb des Reaktors zu steuern, werden Steuerstäbe aus Materialien mit großem Neutronenabsorptionsquerschnitt in den Kern eingeführt. Der Kern von Leistungsreaktoren ist von einem Neutronenreflektor umgeben – einer Schicht aus Moderatormaterial, um den Austritt von Neutronen aus dem Kern zu reduzieren. Darüber hinaus werden dank des Reflektors die Neutronendichte und die Energiefreisetzung im gesamten Kernvolumen ausgeglichen, was es ermöglicht, bei gegebener Zonengröße eine größere Leistung zu erzielen, einen gleichmäßigeren Brennstoffausbrand zu erreichen und die Betriebszeit des Reaktors ohne Überlastung zu verlängern den Brennstoff und vereinfachen das Wärmeabfuhrsystem. Der Reflektor wird durch die Energie der verlangsamten und absorbierten Neutronen und Gammaquanten erhitzt und sorgt so für seine Kühlung. Der Kern, der Reflektor und andere Elemente sind in einem versiegelten Gehäuse oder Gehäuse untergebracht, das normalerweise von einer biologischen Abschirmung umgeben ist.

Der Reaktorkern muss so ausgelegt sein, dass die Möglichkeit einer unbeabsichtigten Bewegung seiner Komponenten, die zu einer Erhöhung der Reaktivität führt, ausgeschlossen ist. Der wichtigste strukturelle Teil eines heterogenen Kerns ist das Brennelement, das maßgeblich seine Zuverlässigkeit, Größe und Kosten bestimmt. Leistungsreaktoren verwenden typischerweise Brennstäbe mit Brennstoff in Form von komprimierten Urandioxidpellets, die in einer Hülle aus Stahl oder einer Zirkoniumlegierung eingeschlossen sind. Der Einfachheit halber werden Brennelemente zu Brennelementen (FA) zusammengebaut, die im Kern eines Kernreaktors installiert werden.

Der Hauptanteil der Wärmeenergie wird in Brennstäben erzeugt und auf das Kühlmittel übertragen. Mehr als 90 % der gesamten bei der Spaltung schwerer Kerne freigesetzten Energie werden an die Brennelemente abgegeben und durch das die Brennelemente umströmende Kühlmittel abtransportiert. Brennstäbe arbeiten unter sehr strengen thermischen Bedingungen: Die maximale Wärmeflussdichte vom Brennstab zum Kühlmittel erreicht (1 – 2) 10 6 W/m 2, während sie in modernen Dampfkesseln gleich (2 – 3) 10 5 ist W/m². Darüber hinaus setzt eine relativ kleine Menge Kernbrennstoff viel Wärme frei, d.h. Auch die Energiedichte von Kernbrennstoffen ist sehr hoch. Die spezifische Wärmeabgabe im Kern erreicht 10 8 -10 9 W/m 3 , während sie in modernen Dampfkesseln 10 7 W/m 3 nicht überschreitet.

Große Wärmeströme, die durch die Oberfläche von Brennstäben strömen, und eine erhebliche Energieintensität des Brennstoffs erfordern eine außergewöhnlich hohe Haltbarkeit und Zuverlässigkeit von Brennstäben. Darüber hinaus werden die Betriebsbedingungen von Brennstäben durch die hohe Betriebstemperatur erschwert, die 300–600 °C auf der Oberfläche der Hülle erreicht, die Möglichkeit von Thermoschocks, Vibrationen und das Vorhandensein eines Neutronenflusses (Fluenz erreicht 10–27). Neutron/m 2).

An Brennelemente werden hohe technische Anforderungen gestellt: Einfachheit des Designs; mechanische Stabilität und Festigkeit im Kühlmittelfluss, wodurch Maßhaltigkeit und Dichtheit gewährleistet werden; geringe Neutronenabsorption durch das Strukturmaterial des Brennelements und ein Minimum an Strukturmaterial im Kern; Keine Wechselwirkung von Kernbrennstoff und Spaltprodukten mit der Brennstoffhülle, dem Kühlmittel und dem Moderator bei Betriebstemperaturen. Die geometrische Form des Brennelements muss das erforderliche Verhältnis von Oberfläche zu Volumen und die maximale Intensität der Wärmeabfuhr durch das Kühlmittel von der gesamten Oberfläche des Brennelements gewährleisten sowie einen großen und hohen Abbrand des Kernbrennstoffs gewährleisten der Rückhaltung von Spaltprodukten. Brennelemente müssen strahlungsbeständig sein, die erforderlichen Abmessungen und das erforderliche Design aufweisen und eine schnelle Durchführung von Nachladevorgängen gewährleisten; haben eine einfache und wirtschaftliche Regeneration von Kernbrennstoff und sind kostengünstig.

Aus Sicherheitsgründen muss die zuverlässige Dichtheit der Brennstabhüllen während der gesamten Betriebsdauer des Kerns (3–5 Jahre) und der anschließenden Lagerung der abgebrannten Brennstäbe bis zur Wiederaufbereitung (1–3 Jahre) aufrechterhalten werden. Bei der Auslegung eines Kerns müssen vorab die zulässigen Schadensgrenzen für Brennelemente (Menge und Grad der Schädigung) festgelegt und begründet werden. Der Kern ist so ausgelegt, dass im Betrieb während der gesamten Auslegungslebensdauer die festgelegten Grenzwerte für die Schädigung von Brennelementen nicht überschritten werden. Die Erfüllung dieser Anforderungen wird durch die Gestaltung des Kerns, die Qualität des Kühlmittels, die Eigenschaften und die Zuverlässigkeit des Wärmeabfuhrsystems sichergestellt. Im Betrieb kann die Dichtheit der Umhüllung einzelner Brennelemente beeinträchtigt werden. Es gibt zwei Arten eines solchen Verstoßes: die Bildung von Mikrorissen, durch die gasförmige Spaltprodukte aus dem Brennelement in das Kühlmittel gelangen (Defekt vom Typ Gasdichte); das Auftreten von Mängeln, bei denen ein direkter Kontakt des Kraftstoffs mit dem Kühlmittel möglich ist.

Die Betriebsbedingungen von Brennstäben werden weitgehend durch die Gestaltung des Kerns bestimmt, der die konstruktive Geometrie der Platzierung der Brennstäbe und die unter dem Gesichtspunkt der Temperaturbedingungen erforderliche Kühlmittelverteilung gewährleisten muss. Wenn der Reaktor mit Strom betrieben wird, muss ein stabiler Kühlmittelfluss durch den Kern aufrechterhalten werden, um eine zuverlässige Wärmeabfuhr zu gewährleisten. Der Kern muss innerhalb der Reaktorsteuerung mit Sensoren ausgestattet sein, die Informationen über die Energieverteilung, den Neutronenfluss, die Brennstabtemperaturbedingungen und den Kühlmittelfluss liefern.

Der Kern eines Leistungsreaktors muss so ausgelegt sein, dass der interne Mechanismus der Wechselwirkung zwischen neutronischen und thermisch-physikalischen Prozessen ein neues sicheres Leistungsniveau für etwaige Störungen des Multiplikationsfaktors schafft. In der Praxis wird die Sicherheit eines Kernkraftwerks einerseits durch die Stabilität des Reaktors (Abnahme des Multiplikationsfaktors mit zunehmender Temperatur und Leistung des Kerns) und andererseits durch die gewährleistet Zuverlässigkeit des automatischen Kontroll- und Schutzsystems.

Um die Sicherheit in der Tiefe zu gewährleisten, müssen die Konstruktion des Kerns und die Eigenschaften des Kernbrennstoffs die Möglichkeit der Bildung kritischer Massen spaltbarer Materialien während der Zerstörung des Kerns und des Schmelzens des Kernbrennstoffs ausschließen. Bei der Auslegung des Kerns muss es möglich sein, einen Neutronenabsorber einzubauen, um die Kettenreaktion in allen Fällen zu stoppen, die mit einer Verletzung der Kernkühlung einhergehen.

Der Kern, der große Mengen Kernbrennstoff enthält, um Abbrand, Vergiftung und Temperatureinflüsse auszugleichen, weist mehrere kritische Massen auf. Daher muss jedes kritische Kraftstoffvolumen mit Mitteln zur Reaktivitätskompensation ausgestattet sein. Sie müssen so im Kern platziert werden, dass die Möglichkeit lokaler kritischer Massen ausgeschlossen ist.

Reaktoren werden nach dem Energieniveau der an der Spaltreaktion beteiligten Neutronen, nach dem Prinzip der Anordnung von Brennstoff und Moderator, dem Verwendungszweck, der Art des Moderators und Kühlmittels sowie ihrem physikalischen Zustand klassifiziert.

Entsprechend dem Niveau der energetischen Neutronen: Reaktoren können mit schnellen Neutronen, mit thermischen und mit Neutronen mittlerer (Resonanz-)Energie betrieben werden und werden dementsprechend in Reaktoren für thermische, schnelle und mittlere Neutronen unterteilt (manchmal werden sie der Kürze halber auch so genannt). thermisch, schnell und mittelschwer).

IN thermischer Neutronenreaktor Die meisten Kernspaltungen finden statt, wenn die Kerne spaltbarer Isotope thermische Neutronen absorbieren. Reaktoren, in denen die Kernspaltung hauptsächlich durch Neutronen mit Energien größer als 0,5 MeV erfolgt, werden als schnelle Neutronenreaktoren bezeichnet. Reaktoren, in denen die meisten Spaltungen durch die Absorption von Zwischenneutronen durch die Kerne spaltbarer Isotope auftreten, werden als Zwischenneutronenreaktoren (resonante Neutronenreaktoren) bezeichnet.

Derzeit sind thermische Neutronenreaktoren am weitesten verbreitet. Thermische Reaktoren zeichnen sich durch Konzentrationen von 235 U-Kernbrennstoff im Kern von 1 bis 100 kg/m 3 und das Vorhandensein großer Moderatormassen aus. Ein schneller Neutronenreaktor zeichnet sich durch Konzentrationen des Kernbrennstoffs 235 U oder 239 U in der Größenordnung von 1000 kg/m 3 und das Fehlen eines Moderators im Kern aus.

In Zwischenneutronenreaktoren befindet sich im Kern nur sehr wenig Moderator und die Konzentration des Kernbrennstoffs 235 U beträgt darin 100 bis 1000 kg/m 3.

In thermischen Neutronenreaktoren kommt es auch zur Spaltung von Brennstoffkernen, wenn schnelle Neutronen vom Kern eingefangen werden, die Wahrscheinlichkeit dieses Prozesses ist jedoch unbedeutend (1 - 3 %). Die Notwendigkeit eines Neutronenmoderators ergibt sich aus der Tatsache, dass die effektiven Spaltquerschnitte von Brennstoffkernen bei niedrigen Neutronenenergien viel größer sind als bei großen.

Der Kern eines thermischen Reaktors muss einen Moderator enthalten – eine Substanz, deren Kerne eine niedrige Massenzahl haben. Als Moderator werden Graphit, schweres oder leichtes Wasser, Beryllium und organische Flüssigkeiten verwendet. Ein thermischer Reaktor kann sogar mit natürlichem Uran betrieben werden, wenn der Moderator schweres Wasser oder Graphit ist. Andere Moderatoren verlangen die Verwendung von angereichertem Uran. Die erforderlichen kritischen Abmessungen des Reaktors hängen vom Grad der Brennstoffanreicherung ab; mit zunehmendem Anreicherungsgrad werden sie kleiner. Ein wesentlicher Nachteil thermischer Neutronenreaktoren ist der Verlust langsamer Neutronen durch deren Einfang durch Moderator, Kühlmittel, Strukturmaterialien und Spaltprodukte. Daher ist es in solchen Reaktoren notwendig, Stoffe mit kleinen Querschnitten zum langsamen Neutroneneinfang als Moderator, Kühlmittel und Strukturmaterialien zu verwenden.

IN Zwischenneutronenreaktoren, in denen die meisten Spaltungsereignisse durch Neutronen mit Energien über der thermischen Energie (von 1 eV bis 100 keV) verursacht werden, ist die Moderatormasse geringer als in thermischen Reaktoren. Die Besonderheit des Betriebs eines solchen Reaktors besteht darin, dass der Brennstoffspaltungsquerschnitt mit zunehmender Neutronenspaltung im Zwischenbereich weniger abnimmt als der Absorptionsquerschnitt von Strukturmaterialien und Spaltprodukten. Somit steigt die Wahrscheinlichkeit von Spaltungsereignissen im Vergleich zu Absorptionsereignissen. Die Anforderungen an die Neutroneneigenschaften von Strukturmaterialien sind weniger streng und ihre Bandbreite ist größer. Folglich kann der Kern eines Zwischenneutronenreaktors aus mehr bestehen langlebige Materialien, was es ermöglicht, die von der Heizfläche des Reaktors abgeführte spezifische Wärme zu erhöhen. Die Anreicherung des Brennstoffs mit einem spaltbaren Isotop in Zwischenreaktoren aufgrund einer Querschnittsverringerung sollte höher sein als in thermischen. Die Reproduktion von Kernbrennstoff in Zwischenreaktoren mit Neutronen ist größer als in einem thermischen Neutronenreaktor.

Als Kühlmittel in Zwischenreaktoren werden Stoffe verwendet, die Neutronen schwach moderieren. Zum Beispiel flüssige Metalle. Der Moderator ist Graphit, Beryllium usw.

Im Kern eines Reaktors für schnelle Neutronen werden Brennstäbe mit hochangereichertem Brennstoff platziert. Der Kern ist von einer Brutzone umgeben, die aus Brennelementen besteht, die Brennstoffrohstoffe (abgereichertes Uran, Thorium) enthalten. Aus dem Kern austretende Neutronen werden in der Brutzone von den Kernen der Brennstoffrohstoffe eingefangen, wodurch neuer Kernbrennstoff entsteht. Ein besonderer Vorteil schneller Reaktoren ist die Möglichkeit, in ihnen eine erweiterte Reproduktion von Kernbrennstoffen zu organisieren, d.h. gleichzeitig mit der Energieerzeugung neuen Kernbrennstoff anstelle ausgebrannten Kernbrennstoffs produzieren. Schnelle Reaktoren benötigen keinen Moderator und das Kühlmittel muss die Neutronen nicht verlangsamen.

Abhängig von der Art der Brennstoffeinbringung in den Kern werden Reaktoren in homogene und heterogene Reaktoren unterteilt.

IN homogener Reaktor Kernbrennstoff, Kühlmittel und Moderator (falls vorhanden) werden gründlich vermischt und sind in einem körperliche Verfassung, d.h. Der Kern eines völlig homogenen Reaktors ist ein flüssiges, festes oder gasförmiges homogenes Gemisch aus Kernbrennstoff, Kühlmittel oder Moderator. Homogene Reaktoren können entweder thermische oder schnelle Neutronenreaktoren sein. In einem solchen Reaktor befindet sich die gesamte aktive Zone innerhalb eines kugelförmigen Stahlkörpers und stellt eine flüssige homogene Mischung aus Brennstoff und Moderator in Form einer Lösung oder flüssigen Legierung dar (z. B. eine Lösung von Uransulfat in Wasser, eine Lösung von Uran in flüssigem Wismut), das gleichzeitig als Kühlmittel dient.

Die Kernspaltungsreaktion findet in der Brennstofflösung im Inneren des kugelförmigen Reaktorbehälters statt, was zu einem Anstieg der Temperatur der Lösung führt. Die brennbare Lösung aus dem Reaktor gelangt in den Wärmetauscher, wo sie Wärme an das Wasser des Sekundärkreislaufs überträgt, abgekühlt und von einer Kreispumpe zurück zum Reaktor gefördert wird. Um sicherzustellen, dass es außerhalb des Reaktors nicht zu einer Kernreaktion kommt, werden die Volumina der Kreislaufleitungen, des Wärmetauschers und der Pumpe so gewählt, dass das in jedem Abschnitt des Kreislaufs befindliche Brennstoffvolumen deutlich unter dem kritischen liegt. Homogene Reaktoren haben gegenüber heterogenen eine Reihe von Vorteilen. Dies liegt an der einfachen Konstruktion des Kerns und seinen minimalen Abmessungen, der Fähigkeit, während des Betriebs kontinuierlich Spaltprodukte zu entfernen und frischen Kernbrennstoff hinzuzufügen, ohne den Reaktor anzuhalten, der einfachen Brennstoffaufbereitung und auch der Tatsache, dass der Reaktor durch Wechsel gesteuert werden kann die Konzentration des Kernbrennstoffs.

Homogene Reaktoren haben jedoch auch gravierende Nachteile. Das durch den Kreislauf zirkulierende homogene Gemisch emittiert starke radioaktive Strahlung, die zusätzlichen Schutz erfordert und die Reaktorsteuerung erschwert. Nur ein Teil des Brennstoffs befindet sich im Reaktor und wird zur Energieerzeugung genutzt, der andere Teil befindet sich in externen Rohrleitungen, Wärmetauschern und Pumpen. Das zirkulierende Gemisch führt zu starker Korrosion und Erosion von Reaktor- und Kreislaufsystemen und -geräten. Bildung von explosivem Wasser in einem homogenen Reaktor durch Radiolyse explosives Gemisch erfordert Geräte zum Brennen. All dies führte dazu, dass homogene Reaktoren nicht weit verbreitet sind.

IN heterogener Reaktor Brennstoff in Form von Blöcken wird in den Moderator gegeben, d.h. Brennstoff und Moderator sind räumlich getrennt.

Derzeit sind ausschließlich heterogene Reaktoren für Energiezwecke ausgelegt. Kernbrennstoff kann in einem solchen Reaktor in gasförmigem, flüssigem und festem Zustand verwendet werden. Heute werden heterogene Reaktoren jedoch nur noch mit festen Brennstoffen betrieben.

Abhängig von der moderierenden Substanz werden heterogene Reaktoren in Graphit, leichtes Wasser, schweres Wasser und organische Stoffe unterteilt. Heterogene Reaktoren sind je nach Art des Kühlmittels Leichtwasser, Schwerwasser, Gas und Flüssigmetall. Flüssige Kühlmittel im Reaktor können einphasig und zweiphasig sein. Im ersten Fall kocht das Kühlmittel im Reaktor nicht, im zweiten Fall jedoch.

Reaktoren, in deren Kern die Temperatur des flüssigen Kühlmittels unter dem Siedepunkt liegt, werden Druckwasserreaktoren genannt, Reaktoren, in denen das Kühlmittel im Inneren siedet, werden Siedewasserreaktoren genannt.

Abhängig vom verwendeten Moderator und Kühlmittel werden heterogene Reaktoren nach unterschiedlichen Bauformen konzipiert. In Russland sind die Haupttypen von Kernkraftwerksreaktoren Wasser-Wasser- und Wasser-Graphit-Reaktoren.

Aufgrund ihrer Bauart werden Reaktoren in Behälter- und Kanalreaktoren unterteilt. IN Gefäßreaktoren Der Kühlmitteldruck wird vom Gehäuse getragen. Im Inneren des Reaktorbehälters fließt ein gemeinsamer Kühlmittelstrom. IN Kanalreaktoren Das Kühlmittel wird jedem Kanal mit dem Brennelement separat zugeführt. Der Reaktorbehälter wird nicht mit Kühlmitteldruck belastet; dieser Druck wird von jedem einzelnen Kanal getragen.

Je nach Zweck können Kernreaktoren Leistungsreaktoren, Konverter und Multiplikatoren, Forschungs- und Mehrzweckreaktoren, Transport- und Industriereaktoren sein.

Kernreaktoren werden zur Stromerzeugung in Kernkraftwerken, in Schiffskraftwerken, in Kernkraftwerken (NKKW) sowie in Kernwärmeversorgungsanlagen (WKW) eingesetzt.

Als Reaktoren werden Reaktoren bezeichnet, die zur Herstellung von sekundärem Kernbrennstoff aus natürlichem Uran und Thorium ausgelegt sind Konverter oder mal Multiplikatoren. In einem Konverterreaktor erzeugt sekundärer Kernbrennstoff weniger als ursprünglich verbraucht wurde.

Im Multiplikatorreaktor erfolgt die erweiterte Reproduktion von Kernbrennstoffen, d.h. Es fällt mehr aus, als ausgegeben wurde.

Forschungsreaktoren werden zur Untersuchung der Wechselwirkungsprozesse von Neutronen mit Materie, zur Untersuchung des Verhaltens von Reaktormaterialien in intensiven Feldern von Neutronen- und Gammastrahlung, zur radiochemischen und biologischen Forschung, zur Herstellung von Isotopen und zur experimentellen Erforschung der Physik von Kernreaktoren eingesetzt.

Reaktoren haben unterschiedliche Leistungen, stationäre oder gepulste Betriebsarten. Am weitesten verbreitet erhielt wassergekühlte Forschungsreaktoren mit angereichertem Uran. Die thermische Leistung von Forschungsreaktoren variiert in einem weiten Bereich und erreicht mehrere tausend Kilowatt.

Mehrzweckreaktoren dienen mehreren Zwecken, beispielsweise der Energieerzeugung und der Produktion von Kernbrennstoff.

Wenn keff >< 1, ряд благополучно сходится и по формуле суммы геометрической прогрессии имеем

wohin<1 - коэффициент, равный отношению числа нейтронов, вызвавших деление, к полному их числу. Этот коэффициент зависит от конструкции установки, используемых материалов и т.д. Он надёжно вычисляется. В примерах k=0,6. Осталось выяснить, как можно получить первоначальный поток нейтронов N 0 . Для этого можно использовать ускоритель, дающий достаточно интенсивный поток протонов или других частиц, которые, реагируя с некоторой мишенью, порождают большое кол-во нейтронов. Действительно, например, при столкновении с массивной свинцовой мишенью каждый протон, ускоренный до энергии 1ГэВ (10 9 эВ), производит в результате развития ядерного каскада в среднем n = 22 нейтрона. Энергии их составляют несколько мега электрон -вольт, что как раз соответствует работе реактора на быстрых

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Technische Aspekte eines Fusionsreaktors:

Der thermonukleare Tokamak-Reaktor besteht aus den folgenden Hauptteilen: Magnet-, Kryo- und Vakuumsystem, Stromversorgungssystem, Decke, Tritiumkreislauf und -schutz, System zur zusätzlichen Erwärmung des Plasmas und zur Versorgung mit Brennstoff sowie einer Fernsteuerung und -wartung System.

Das Magnetsystem enthält Spulen eines toroidalen Magnetfelds, einen Induktor zur Aufrechterhaltung des Stroms und zur Induktionserwärmung des Plasmas sowie Wicklungen, die ein poloidales Magnetfeld bilden, das für den Betrieb des Divertors und die Aufrechterhaltung des Gleichgewichts der Plasmaschnur erforderlich ist.

Um Joule-Verluste zu vermeiden, wird das magnetische System, wie bereits erwähnt, vollständig supraleitend sein. Für die Wicklungen des Magnetsystems wird vorgeschlagen, Legierungen aus Niob – Titan und Niob – Zinn zu verwenden.

Schaffung eines magnetischen Systems eines Supraleiterreaktors mit IN 12 Tesla und eine Stromdichte von etwa 2 kA ist eines der wichtigsten technischen Probleme bei der Entwicklung eines thermonuklearen Reaktors, das in naher Zukunft gelöst werden muss.

Das Kryosystem umfasst ein magnetisches Kryostatsystem und Kryoplatten in den zusätzlichen Plasmaheizinjektoren. Der Kryostat sieht aus wie eine Vakuumkammer, in der alle gekühlten Strukturen eingeschlossen sind. Jede Spule des Magnetsystems wird in flüssiges Helium gelegt. Seine Dämpfe kühlen spezielle Siebe im Inneren des Kryostats, um den Wärmefluss von Oberflächen mit der Temperatur von flüssigem Helium zu reduzieren. Das Kryosystem verfügt über zwei Kühlkreisläufe, in einem davon zirkuliert flüssiges Helium, das die für den normalen Betrieb supraleitender Spulen erforderliche Temperatur von etwa 4 K liefert, und im anderen flüssiger Stickstoff, dessen Temperatur 80 - 95 K beträgt Der Kreislauf dient der Kühlung der Trennwände, der Trennung der Teile mit Helium und Raumtemperatur.

Kryopanels von Injektoren werden mit flüssigem Helium gekühlt und sind so konzipiert, dass sie Gase absorbieren, wodurch eine ausreichende Pumpgeschwindigkeit bei relativ hohem Vakuum aufrechterhalten werden kann.

Das Vakuumsystem gewährleistet das Pumpen von Helium, Wasserstoff und Verunreinigungen aus dem Divertorhohlraum oder aus dem das Plasma umgebenden Raum während des Reaktorbetriebs sowie aus der Arbeitskammer in Pausen zwischen den Impulsen. Um zu verhindern, dass gepumptes Tritium freigesetzt wird Umfeld Das System muss einen geschlossenen Kreislauf mit einer Mindestmenge an zirkulierendem Tritium bereitstellen. Mit Turbomolekularpumpen kann Gas abgepumpt werden, deren Produktivität die heute erreichte leicht übertreffen dürfte. Die Dauer der Pause zur Vorbereitung der Arbeitskammer auf den nächsten Impuls beträgt maximal 30 s.

Das Stromversorgungssystem hängt maßgeblich von der Betriebsart des Reaktors ab. Deutlich einfacher ist es bei einem Tokamak, der im Dauerbetrieb arbeitet. Beim Betrieb im Pulsbetrieb empfiehlt sich der Einsatz eines kombinierten Stromversorgungssystems – Netz und Motorgenerator. Die Generatorleistung wird durch gepulste Lasten bestimmt und erreicht 10 6 kW.

Die Reaktordecke befindet sich hinter der ersten Wand der Arbeitskammer und dient dazu, die bei der DT-Reaktion erzeugten Neutronen einzufangen, „verbranntes“ Tritium zu reproduzieren und Neutronenenergie in thermische Energie umzuwandeln. In einem hybriden thermonuklearen Reaktor dient die Decke auch zur Produktion spaltbarer Stoffe. Eine Decke ist im Wesentlichen etwas Neues, das einen thermonuklearen Reaktor von einer herkömmlichen thermonuklearen Anlage unterscheidet. Es liegen noch keine Erfahrungen mit der Konstruktion und dem Betrieb einer Decke vor, sodass eine technische und gestalterische Entwicklung von Lithium- und Urandecken erforderlich sein wird.

Der Tritiumkreislauf besteht aus mehreren unabhängigen Einheiten, die die Regeneration des aus der Arbeitskammer abgepumpten Gases, seine Speicherung und Bereitstellung zur Plasmanachfüllung, die Extraktion von Tritium aus der Decke und seine Rückführung in das Stromnetz sowie die Reinigung gewährleisten von Abgasen und Luft daraus.

Der Reaktorschutz wird in Strahlenschutz und biologischen Schutz unterteilt. Eine Strahlenabschirmung schwächt den Neutronenfluss und verringert die Energiefreisetzung in den supraleitenden Spulen. Für den normalen Betrieb des Magnetsystems mit minimalem Energieverbrauch ist es notwendig, den Neutronenfluss um das 10- bis 10-fache zu schwächen. Der Strahlungsschutz befindet sich zwischen der Decke und den Ringfeldspulen und bedeckt die gesamte Oberfläche der Arbeitskammer mit Ausnahme der Umlenkkanäle und Injektoreingänge. Die Dicke des Schutzes beträgt je nach Zusammensetzung 80-130 cm.

Der biologische Schild deckt sich mit den Wänden der Reaktorhalle und besteht aus 200 – 250 cm dickem Beton. Er schützt den umgebenden Raum vor Strahlung.

Systeme zur zusätzlichen Erwärmung des Plasmas und zur Versorgung mit Brennstoff nehmen viel Platz um den Reaktor herum ein. Wenn die Plasmaerwärmung durch Strahlen schneller Atome erfolgt, muss der gesamte Injektor von einem Strahlenschutz umgeben sein, was für die Platzierung der Ausrüstung in der Reaktorhalle und die Wartung des Reaktors ungünstig ist. Heizsysteme mit hochfrequenten Strömen sind in diesem Sinne attraktiver, da ihre Eingabegeräte (Antennen) kompakter sind und Generatoren außerhalb der Reaktorhalle installiert werden können. Die Erforschung von Tokamaks und die Entwicklung von Antennendesigns werden es uns ermöglichen, die endgültige Wahl des Plasmaheizsystems zu treffen.

Das Steuerungssystem ist ein integraler Bestandteil eines thermonuklearen Reaktors. Wie bei jedem Reaktor erfolgt die Steuerung und Wartung aufgrund der relativ hohen Radioaktivität im Raum um den Reaktor aus der Ferne – sowohl während des Betriebs als auch während der Stillstandszeiten.

Die Quelle der Radioaktivität in einem thermonuklearen Reaktor ist zum einen Tritium, das unter Emission von Elektronen und niederenergetischen 7-Quanten zerfällt (seine Halbwertszeit beträgt etwa 13 Jahre), und zum anderen radioaktive Nuklide, die bei der Wechselwirkung von Neutronen entstehen mit den Strukturmaterialien der Decke und funktionierenden Kameras. Bei den häufigsten von ihnen (Stahl-, Molybdän- und Nioblegierungen) ist die Aktivität recht hoch, aber immer noch etwa 10-100-mal geringer als in Kernreaktoren ähnlicher Leistung. Zukünftig ist geplant, Materialien mit geringer induzierter Aktivität wie Aluminium und Vanadium in einem thermonuklearen Reaktor zu verwenden. Mittlerweile ist der thermonukleare Tokamak-Reaktor unter Berücksichtigung der Fernwartung konzipiert, was zusätzliche Anforderungen an seine Konstruktion stellt. Insbesondere wird es aus miteinander verbundenen identischen Abschnitten bestehen, die mit verschiedenen Standardblöcken (Modulen) gefüllt werden. Dies ermöglicht bei Bedarf einen relativ einfachen Austausch einzelner Komponenten mithilfe spezieller Manipulatoren.

Kernreaktionen. Kernenergie.

Atomkern

Der Atomkern zeichnet sich durch Ladung Ze, Masse M, Spin J, magnetisches und elektrisches Quadrupolmoment Q, einen bestimmten Radius R, isotonischen Spin T aus und besteht aus Nukleonen – Protonen und Neutronen.

Man nennt die Anzahl der Nukleonen A in einem Kern Massenzahl. Die Z-Nummer wird aufgerufen Gebührennummer Kern oder Ordnungszahl. Da Z die Anzahl der Protonen und A die Anzahl der Nukleonen im Atomkern bestimmt, beträgt die Anzahl der Neuronen im Atomkern N=A-Z. Atomkerne mit gleichem Z, aber unterschiedlichem A werden genannt Isotope. Im Durchschnitt gibt es für jeden Z-Wert etwa drei stabile Isotope. Beispielsweise sind 28 Si, 29 Si, 30 Si stabile Isotope des Si-Kerns. Neben stabilen Isotopen gibt es bei den meisten Elementen auch instabile Isotope, die sich durch eine begrenzte Lebensdauer auszeichnen.

Kerne mit der gleichen Massenzahl A werden genannt Isobaren, und mit der gleichen Anzahl von Neutronen - Isotone.

Alle Atomkerne werden in stabile und instabile unterteilt. Die Eigenschaften stabiler Kerne bleiben auf unbestimmte Zeit unverändert. Instabile Kerne durchlaufen verschiedene Arten von Umwandlungen.

Experimentelle Messungen der Massen von Atomkernen, die mit großer Genauigkeit durchgeführt wurden, zeigen, dass die Masse eines Kerns immer kleiner ist als die Summe der Massen seiner Nukleonenbestandteile.

Bindungsenergie ist die Energie, die aufgewendet werden muss, um einen Kern in seine Nukleonen zu zerlegen.

Man nennt die auf die Massenzahl A bezogene Bindungsenergie durchschnittliche Nukleonenbindungsenergie im Atomkern (Bindungsenergie pro Nukleon).

Die Bindungsenergie ist für alle stabilen Kerne annähernd konstant und beträgt etwa 8 MeV. Eine Ausnahme bildet der Bereich der leichten Kerne, wo die durchschnittliche Bindungsenergie für den 12-C-Kern von Null (A = 1) auf 8 MeV ansteigt.

Ebenso kann die Bindungsenergie pro Nukleon verwendet werden, um die Bindungsenergie des Kerns relativ zu seinen anderen Bestandteilen anzugeben.

Im Gegensatz zur durchschnittlichen Bindungsenergie von Nukleonen variiert die Höhe der Bindungsenergie zwischen einem Neuron und einem Proton von Kern zu Kern.

Oftmals wird anstelle der Bindungsenergie auch eine Größe genannt Massendefekt und gleich der Differenz zwischen den Massen und der Massenzahl des Atomkerns.

Gammastrahlung

Gammastrahlung ist kurzwellige elektromagnetische Strahlung. Auf der Skala elektromagnetischer Wellen grenzt es an harte Röntgenstrahlung und liegt im Bereich höherer Frequenzen. Gammastrahlung hat eine extrem kurze Wellenlänge (λhν (ν – χ Strahlungsfrequenz, h – Plancksches Wirkungsquantum).

Gammastrahlung entsteht beim Zerfall radioaktiver Kerne, Elementarteilchen, bei der Vernichtung von Teilchen-Antiteilchen-Paaren sowie beim Durchgang schneller geladener Teilchen durch Materie.

Gammastrahlung, die den Zerfall radioaktiver Kerne begleitet, wird emittiert, wenn der Kern von einem stärker angeregten Energiezustand in einen weniger angeregten Zustand oder in den Grundzustand übergeht. Die Energie eines γ-Quanten ist gleich der Energiedifferenz Δε ρ der Zustände, zwischen denen der Übergang stattfindet.

Aufgeregter Zustand

Grundzustand des E1-Kerns

Die Emission eines γ-Quantums durch einen Kern führt im Gegensatz zu anderen Arten radioaktiver Umwandlungen nicht zu einer Änderung der Ordnungszahl oder Massenzahl. Die Breite der Gammastrahlungslinien ist extrem gering (~10 -2 eV). Da der Abstand zwischen den Ebenen um ein Vielfaches größer ist als die Breite der Linien, ist das Spektrum der Gammastrahlung liniert, d. h. besteht aus einer Reihe diskreter Linien. Die Untersuchung von Gammastrahlungsspektren ermöglicht die Bestimmung der Energien angeregter Kernzustände. Beim Zerfall bestimmter Elementarteilchen entstehen energiereiche Gammastrahlen. So entsteht beim Zerfall eines ruhenden π 0 - Mesons Gammastrahlung mit einer Energie von ~70 MeV. Auch Gammastrahlung aus dem Zerfall von Elementarteilchen bildet ein Linienspektrum. Allerdings bewegen sich zerfallende Elementarteilchen oft mit Geschwindigkeiten, die mit der Lichtgeschwindigkeit vergleichbar sind. Dadurch kommt es zu einer Verbreiterung der Doppler-Linie und das Gammastrahlungsspektrum wird über einen weiten Energiebereich unscharf. Gammastrahlung, die entsteht, wenn schnell geladene Teilchen Materie durchdringen, entsteht durch deren Abbremsung im Coulomb-Feld der Atomkerne der Materie. Bremsstrahlung-Gammastrahlung zeichnet sich wie Bremsstrahlung-Röntgenstrahlung durch ein kontinuierliches Spektrum aus, dessen obere Grenze mit der Energie eines geladenen Teilchens, beispielsweise eines Elektrons, zusammenfällt. In Beschleunigern für geladene Teilchen wird Bremsstrahlung-Gammastrahlung mit einer maximalen Energie von bis zu mehreren zehn GeV erzeugt.

Im interstellaren Raum kann Gammastrahlung durch Kollisionen von Quanten weicherer langwelliger elektromagnetischer Strahlung wie Licht mit Elektronen entstehen, die durch die Magnetfelder von Weltraumobjekten beschleunigt werden. Dabei überträgt das schnelle Elektron seine Energie in elektromagnetische Strahlung und sichtbares Licht wird in härtere Gammastrahlung umgewandelt.

Ein ähnliches Phänomen kann unter terrestrischen Bedingungen auftreten, wenn hochenergetische Elektronen, die an Beschleunigern erzeugt werden, mit Photonen sichtbaren Lichts in intensiven Lichtstrahlen kollidieren, die von Lasern erzeugt werden. Das Elektron überträgt Energie auf ein Lichtphoton, das sich in ein γ-Quantum verwandelt. Somit ist es in der Praxis möglich, einzelne Lichtphotonen in hochenergetische Gammastrahlenquanten umzuwandeln.

Gammastrahlung hat eine große Durchdringungskraft, d.h. kann ohne merkliche Schwächung große Materieschichten durchdringen. Die Hauptprozesse, die bei der Wechselwirkung von Gammastrahlung mit Materie ablaufen, sind die photoelektrische Absorption (photoelektrischer Effekt), die Compton-Streuung (Compton-Effekt) und die Bildung von Elektron-Positron-Paaren. Beim photoelektrischen Effekt wird ein γ-Quantum von einem der Elektronen des Atoms absorbiert und die Energie des γ-Quantums (abzüglich der Bindungsenergie des Elektrons im Atom) in die kinetische Energie des fliegenden Elektrons umgewandelt aus dem Atom. Die Wahrscheinlichkeit eines photoelektrischen Effekts ist direkt proportional zur fünften Potenz der Ordnungszahl des Elements und umgekehrt proportional zur dritten Potenz der Gammastrahlungsenergie. Somit überwiegt der photoelektrische Effekt im Bereich niederenergetischer γ-Strahlung (£100 keV) auf schweren Elementen (Pb, U).

Beim Compton-Effekt wird ein γ-Quantum an einem der im Atom schwach gebundenen Elektronen gestreut. Im Gegensatz zum photoelektrischen Effekt verschwindet beim Compton-Effekt das γ-Quant nicht, sondern ändert nur die Energie (Wellenlänge) und Ausbreitungsrichtung. Durch den Compton-Effekt wird ein schmaler Gammastrahlenstrahl breiter und die Strahlung selbst wird weicher (langwelliger). Die Intensität der Compton-Streuung ist proportional zur Anzahl der Elektronen in 1 cm 3 einer Substanz und daher ist die Wahrscheinlichkeit dieses Prozesses proportional zur Ordnungszahl der Substanz. Der Compton-Effekt macht sich bei Stoffen mit niedriger Ordnungszahl und bei Gammastrahlungsenergien bemerkbar, die die Bindungsenergie der Elektronen in Atomen überschreiten. Somit ist im Fall von Pb die Wahrscheinlichkeit einer Compton-Streuung vergleichbar mit der Wahrscheinlichkeit einer photoelektrischen Absorption bei einer Energie von ~ 0,5 MeV. Im Fall von Al überwiegt der Compton-Effekt bei viel niedrigeren Energien.

Wenn die Energie des γ-Quantums 1,02 MeV überschreitet, wird der Prozess der Bildung von Elektron-Positron-Paaren im elektrischen Feld von Kernen möglich. Die Wahrscheinlichkeit der Paarbildung ist proportional zum Quadrat der Ordnungszahl und steigt mit hν. Daher ist bei hν ~10 MeV der Hauptprozess in jeder Substanz die Bildung von Paaren.

0,1 0,5 1 2 5 10 50

Energie der γ-Strahlung (MeV)

Der umgekehrte Prozess, die Vernichtung eines Elektron-Positron-Paares, ist eine Quelle von Gammastrahlung.

Um die Schwächung von Gammastrahlung in einem Stoff zu charakterisieren, wird üblicherweise der Absorptionskoeffizient verwendet, der angibt, bei welcher Dicke X des Absorbers die Intensität I 0 des einfallenden Gammastrahlungsstrahls geschwächt wird e einmal:

Dabei ist μ 0 der lineare Absorptionskoeffizient der Gammastrahlung. Manchmal wird ein Massenabsorptionskoeffizient eingeführt, der dem Verhältnis von μ 0 zur Dichte des Absorbers entspricht.

Das exponentielle Gesetz der Schwächung der Gammastrahlung gilt für eine schmale Richtung des Gammastrahlenbündels, wenn ein Prozess, sowohl Absorption als auch Streuung, Gammastrahlung aus der Zusammensetzung des Primärstrahls entfernt. Bei hohen Energien wird der Prozess des Durchgangs von Gammastrahlung durch Materie jedoch viel komplizierter. Sekundärelektronen und Positronen haben eine hohe Energie und können daher durch Brems- und Vernichtungsprozesse wiederum Gammastrahlung erzeugen. Dadurch kommt es in der Substanz zu einer Reihe abwechselnder Generationen sekundärer Gammastrahlung, Elektronen und Positronen, d. h. es entsteht ein Kaskadenschauer. Die Anzahl der Sekundärpartikel in einem solchen Schauer nimmt zunächst mit der Dicke zu und erreicht ein Maximum. Dann beginnen jedoch die Absorptionsprozesse die Prozesse der Partikelreproduktion zu überwiegen und der Schauer lässt nach. Die Fähigkeit der Gammastrahlung, Schauer zu entwickeln, hängt vom Verhältnis ihrer Energie zur sogenannten kritischen Energie ab, nach der ein Schauer in einer bestimmten Substanz praktisch die Fähigkeit zur Entwicklung verliert.

Um die Energie der Gammastrahlung in der Experimentalphysik zu verändern, werden Gammaspektrometer unterschiedlicher Art eingesetzt, die meist auf der Messung der Energie von Sekundärelektronen basieren. Die wichtigsten Arten von Gammastrahlungsspektrometern: Magnet-, Szintillations-, Halbleiter- und Kristallbeugungsspektrometer.

Die Untersuchung der Spektren der nuklearen Gammastrahlung liefert wichtige Informationen über die Struktur von Kernen. Die Beobachtung der Auswirkungen, die mit dem Einfluss der äußeren Umgebung auf die Eigenschaften der nuklearen Gammastrahlung verbunden sind, wird zur Untersuchung der Eigenschaften von Festkörpern verwendet.

Gammastrahlung wird in der Technik beispielsweise zur Erkennung von Defekten an Metallteilen eingesetzt – der Gammafehlererkennung. In der Strahlenchemie wird Gammastrahlung genutzt, um chemische Umwandlungen, beispielsweise Polymerisationsprozesse, einzuleiten. Gammastrahlung wird in der Lebensmittelindustrie zur Sterilisierung von Lebensmitteln eingesetzt. Die Hauptquellen der Gammastrahlung sind natürliche und künstliche radioaktive Isotope sowie Elektronenbeschleuniger.

Die Wirkung von Gammastrahlung auf den Körper ähnelt der Wirkung anderer Arten ionisierender Strahlung. Gammastrahlung kann zu Strahlenschäden im Körper bis hin zum Tod führen. Die Art des Einflusses der Gammastrahlung hängt von der Energie der γ-Quanten und den räumlichen Eigenschaften der Strahlung ab, beispielsweise extern oder intern. Die relative biologische Wirksamkeit der Gammastrahlung beträgt 0,7-0,9. Unter industriellen Bedingungen (chronische Exposition in kleinen Dosen) wird die relative biologische Wirksamkeit von Gammastrahlung mit 1 angenommen. Gammastrahlung wird in der Medizin zur Behandlung von Tumoren, zur Sterilisation von Räumlichkeiten, Geräten und Medikamenten eingesetzt. Gammastrahlung wird auch zur Gewinnung von Mutationen mit anschließender Selektion wirtschaftlich sinnvoller Formen eingesetzt. Auf diese Weise werden hochproduktive Arten von Mikroorganismen (z. B. zur Gewinnung von Antibiotika) und Pflanzen gezüchtet.

Die modernen Möglichkeiten der Strahlentherapie haben sich vor allem durch die Mittel und Methoden der Fern-Gammatherapie erweitert. Die Erfolge der Fern-Gammatherapie wurden durch umfangreiche Arbeiten beim Einsatz leistungsstarker künstlicher radioaktiver Gammastrahlungsquellen (Kobalt-60, Cäsium-137) sowie neuer Gamma-Medikamente erzielt.

Die große Bedeutung der Fern-Gammatherapie erklärt sich auch aus der vergleichsweisen Zugänglichkeit und Benutzerfreundlichkeit von Gammageräten. Letztere sind wie Röntgenstrahlen für die statische und bewegte Bestrahlung ausgelegt. Mit Hilfe mobiler Bestrahlung wird versucht, eine hohe Dosis im Tumor zu erzeugen und gleichzeitig die Bestrahlung auf gesundes Gewebe zu verteilen. An Gammageräten wurden Designverbesserungen vorgenommen, die darauf abzielen, die Halbschatten zu reduzieren, die Feldhomogenisierung zu verbessern, Blindfilter zu verwenden und nach zusätzlichen Schutzoptionen zu suchen.

Der Einsatz nuklearer Strahlung im Pflanzenbau hat neue, umfassende Möglichkeiten eröffnet, den Stoffwechsel landwirtschaftlicher Pflanzen zu verändern, ihre Produktivität zu steigern, die Entwicklung zu beschleunigen und die Qualität zu verbessern.

Als Ergebnis der ersten Studien von Strahlenbiologen wurde festgestellt, dass ionisierende Strahlung ein starker Einflussfaktor auf das Wachstum, die Entwicklung und den Stoffwechsel lebender Organismen ist. Unter dem Einfluss von Gammastrahlung verändert sich der gut koordinierte Stoffwechsel von Pflanzen, Tieren oder Mikroorganismen, der Ablauf physiologischer Prozesse beschleunigt oder verlangsamt sich (je nach Dosis) und es werden Verschiebungen im Wachstum, in der Entwicklung und bei der Pflanzenbildung beobachtet.

Besonders zu beachten ist, dass bei der Gammabestrahlung keine radioaktiven Stoffe in die Samen gelangen. Bestrahlte Samen sind ebenso wie die daraus angebauten Pflanzen nicht radioaktiv. Optimale Bestrahlungsdosen beschleunigen nur die normalen Prozesse, die in der Pflanze ablaufen, und daher sind alle Befürchtungen oder Warnungen vor der Verwendung von Pflanzen, die aus Samen gewonnen wurden, die einer Bestrahlung vor der Aussaat unterzogen wurden, völlig unbegründet.

Ionisierende Strahlung wurde eingesetzt, um die Haltbarkeit landwirtschaftlicher Produkte zu verlängern und verschiedene Insektenschädlinge abzutöten. Wenn beispielsweise Getreide vor dem Verladen in einen Elevator durch einen Bunker geleitet wird, in dem eine starke Strahlungsquelle installiert ist, ist die Möglichkeit der Schädlingsvermehrung ausgeschlossen und das Getreide kann lange Zeit ohne Verluste gelagert werden. Das Getreide selbst als Nahrungsmittel verändert sich bei solchen Strahlendosen nicht. Die Verwendung als Futter für vier Generationen von Versuchstieren führte zu keinen Abweichungen im Wachstum, in der Fortpflanzungsfähigkeit oder in anderen pathologischen Abweichungen von der Norm.

Atomreaktor.

Die Energiequelle des Reaktors ist der Spaltungsprozess schwerer Kerne. Denken Sie daran, dass Kerne aus Nukleonen bestehen, also Protonen und Neutronen. In diesem Fall bestimmt die Anzahl der Protonen Z die Ladung des Kerns Ze: Sie entspricht der Nummer des Elements aus dem Periodensystem und das Atomgewicht des Kerns A ist die Gesamtzahl der Protonen und Neutronen. Kerne mit der gleichen Anzahl an Protonen, aber unterschiedlicher Anzahl an Neutronen sind unterschiedliche Isotope desselben Elements und werden durch das Atomgewichtssymbol des Elements oben links angezeigt. Es gibt beispielsweise die folgenden Isotope von Uran: 238 U, 235 U, 233 U,...

Die Masse des Kerns M ist nicht einfach gleich der Summe der Massen seiner Protonen und Neutronen, sondern um den Wert M geringer, der die Bindungsenergie bestimmt

(gemäß der Beziehung) M=Zm p + (A-Z)m n -(A)A, wobei (A)c die Bindungsenergie pro Nukleon ist. Der Wert (A) hängt von den Details der Struktur des entsprechenden Kerns ab... Es besteht jedoch eine allgemeine Tendenz, dass er vom Atomgewicht abhängt. Wenn wir nämlich kleine Details vernachlässigen, können wir diese Abhängigkeit als eine glatte Kurve beschreiben, die für kleine ansteigt. A erreicht ein Maximum in der Mitte des Periodensystems und nimmt nach dem Maximum auf große Werte von A ab. Stellen wir uns vor, dass ein schwerer Kern mit Atomgewicht A und Masse M in zwei Kerne A 1 und A 2 mit geteilt wird Massen M 1 bzw. M 2 und A 1 + A 2 ist gleich A oder etwas kleiner als es, da während des Spaltungsprozesses mehrere Neutronen emittiert werden können. Nehmen wir der Klarheit halber den Fall A 1 + A 2 = A. Betrachten wir den Unterschied zwischen den Massen des Anfangskerns und der beiden Endkerne und gehen wir davon aus, dass A 1 = A 2, sodass (A 1) = (A 2), M = M- M 1 -M 2 =-(A)A+ (A 1)(A 1 +A 2) =A((A 1)- (A 1)). Entspricht A dem schweren Kern am Ende des Periodensystems, dann liegt A 1 in der Mitte und hat einen Maximalwert (A 2). Dies bedeutet M>0 und daher wird beim Spaltungsprozess Energie E d =Mc 2 freigesetzt. Für schwere Kerne, beispielsweise für Urankerne, ist ((A 1) - (A))c 2 = 1 MeV. Bei A = 200 haben wir also eine Schätzung von E d = 200 MeV. Erinnern wir uns daran, dass ein Elektronenvolt (eV) eine außersystemische Energieeinheit ist, die der Energie entspricht, die eine Elementarladung unter dem Einfluss einer Potentialdifferenz von 1 V (1 eV = 1,6*10 -19 J) erhält. Beispielsweise beträgt die durchschnittliche Energie, die bei der Kernspaltung freigesetzt wird, 235 U

E d = 180 MeV = 180 10 6 eV.

Somit sind schwere Kerne potenzielle Energiequellen. Eine spontane Kernspaltung kommt jedoch äußerst selten vor und hat praktisch keine Bedeutung. Trifft ein Neutron auf einen schweren Kern, kann sich der Spaltungsprozess stark beschleunigen. Dieses Phänomen tritt bei unterschiedlichen Kernen mit unterschiedlicher Intensität auf und wird anhand des effektiven Wirkungsquerschnitts des Prozesses gemessen. Erinnern wir uns daran, wie effektive Wirkungsquerschnitte bestimmt werden und wie sie mit den Wahrscheinlichkeiten bestimmter Prozesse zusammenhängen. Stellen wir uns einen Teilchenstrahl (z. B. Neutronen) vor, der auf ein Ziel fällt, das aus bestimmten Objekten, beispielsweise Kernen, besteht. Sei N 0 die Anzahl der Neutronen im Strahl, n die Dichte der Kerne pro Volumeneinheit (1 cm 3). Interessieren wir uns für Ereignisse einer bestimmten Art, zum Beispiel die Spaltung von Zielkernen. Dann wird die Anzahl solcher Ereignisse N durch die Formel N=N 0 nl eff bestimmt, wobei l die Länge des Ziels ist und eff der Wirkungsquerschnitt des Spaltprozesses (oder eines anderen Prozesses) mit einer gegebenen Energie E ist , entsprechend der Energie einfallender Neutronen. Wie aus der vorherigen Formel hervorgeht, hat der effektive Querschnitt die Dimension Fläche (cm 2). Es hat eine völlig verständliche geometrische Bedeutung: Es ist eine Plattform, bei deren Betreten der für uns interessante Prozess stattfindet. Wenn der Querschnitt groß ist, läuft der Prozess offensichtlich intensiv ab, und ein kleiner Querschnitt entspricht einer geringen Wahrscheinlichkeit, diesen Bereich zu treffen, daher tritt der Prozess in diesem Fall selten auf.

Selbst wenn wir also für einen bestimmten Kern einen ausreichend großen effektiven Wirkungsquerschnitt für den Spaltungsprozess haben, können bei der Spaltung zusammen mit zwei großen Fragmenten A 1 und A 2 mehrere Neutronen emittiert werden. Die durchschnittliche Anzahl zusätzlicher Neutronen wird Multiplikationsfaktor genannt und durch k symbolisiert. Dann läuft die Reaktion nach dem Schema ab

n+A A 1 +A 2 +kn.

Die dabei entstehenden Neutronen reagieren wiederum mit A-Kernen, was zu neuen Spaltungsreaktionen und sogar zu neuen führt größere Zahl Neutronen. Wenn k > 1, läuft ein solcher Kettenprozess mit zunehmender Intensität ab und führt zu einer Explosion unter Freisetzung großer Energiemengen. Aber dieser Prozess kann kontrolliert werden. Nicht alle Neutronen fallen zwangsläufig in den Kern A: Sie können durch die äußere Begrenzung des Reaktors austreten oder von Substanzen absorbiert werden, die speziell in den Reaktor eingeführt werden. Somit kann der Wert von k auf einen bestimmten k eff reduziert werden, der gleich 1 ist und diesen nur geringfügig überschreitet. Dann gelingt es Ihnen, die erzeugte Energie abzuführen und der Betrieb des Reaktors wird stabil. Allerdings arbeitet der Reaktor in diesem Fall im kritischen Modus. Probleme mit der Energiedissipation würden zu einer zunehmenden Kettenreaktion und Katastrophe führen. Insgesamt bestehende Systeme Es sind Sicherheitsmaßnahmen vorgesehen, Unfälle sind jedoch sehr unwahrscheinlich und kommen leider auch vor.

Wie wird der Arbeitsstoff für einen Kernreaktor ausgewählt? Es ist notwendig, dass Brennstoffzellen Isotopenkerne mit einem großen effektiven Spaltquerschnitt enthalten. Die Maßeinheit des Abschnitts ist 1 Scheune = 10 -24 cm 2. Wir sehen zwei Gruppen von Querschnittswerten: (233 U, 235 U, 239 Pu) und klein (232 Th, 238 U). Um uns den Unterschied vorzustellen, berechnen wir, wie weit ein Neutron zurücklegen muss, damit eine Spaltung eintritt. Hierzu verwenden wir die Formel N=N 0 nl eff. Für N=N 0 =1 gilt: Hier ist n die Dichte der Kerne, wobei p die übliche Dichte und m =1,66*10 -24 g die Atommasseneinheit ist. Für Uran und Thorium beträgt n = 4,8. 10 22 cm 3. Dann gilt für 235 U l = 10 cm und für 232 Th l = 35 m. Für die eigentliche Umsetzung des Spaltungsprozesses sollten also Isotope wie 233 U, 235 U, 239 Pu verwendet werden. Das 235 U-Isotop ist in geringen Mengen in natürlichem Uran enthalten, das hauptsächlich aus 238 U besteht. Daher wird mit dem 235 U-Isotop angereichertes Uran normalerweise als Kernbrennstoff verwendet. In diesem Fall wird während des Betriebs des Reaktors eine erhebliche Menge davon verwendet Es entsteht ein weiteres spaltbares Isotop – 239 Pu. Plutonium entsteht durch eine Kette von Reaktionen

238 U + n () 239 U () 239 Np () 239 Pu,

wobei die Emission eines Photons bedeutet und der Zerfall gemäß dem Schema ist

Dabei bestimmt Z die Ladung des Kerns, sodass dieser beim Zerfall zum nächsten Element des Periodensystems mit demselben A-, E-Elektron- und V-Elektron-Antineutrino erfolgt. Es ist auch zu beachten, dass die beim Spaltungsprozess entstehenden Isotope A 1, A 2 in der Regel radioaktiv sind und Halbwertszeiten von einem Jahr bis zu Hunderttausenden von Jahren haben, also Abfälle aus Kernkraftwerken, bei denen es sich um verbrannte Brennstoffe handelt , ist sehr gefährlich und erfordert besondere Maßnahmen bei der Lagerung Hier stellt sich das Problem der geologischen Speicherung, die ihre Zuverlässigkeit über Jahrmillionen gewährleisten muss. Trotz der offensichtlichen Vorteile der Kernenergie, die auf dem Betrieb von Kernreaktoren im kritischen Modus beruht, weist sie auch gravierende Nachteile auf. Dies ist erstens die Gefahr von Unfällen ähnlich wie in Tschernobyl und zweitens das Problem radioaktiver Müll. Der Vorschlag, für die Kernenergie unterkritisch arbeitende Reaktoren einzusetzen, löst das erste Problem vollständig und erleichtert die Lösung des zweiten erheblich.

Kernreaktor im unterkritischen Betrieb als Energieverstärker.

Stellen wir uns vor, wir hätten einen Kernreaktor mit einem effektiven Neutronenmultiplikationsfaktor keff von etwas weniger als eins zusammengebaut. Bestrahlen wir dieses Gerät mit einem konstanten externen Neutronenfluss N 0. Dann verursacht jedes Neutron (abzüglich der emittierten und absorbierten, die in k eff berücksichtigt werden) eine Spaltung, die einen zusätzlichen Fluss N 0 k 2 eff ergibt. Jedes Neutron aus dieser Zahl erzeugt wiederum durchschnittlich k eff Neutronen, was einen zusätzlichen Fluss N 0 k eff usw. ergibt. Somit stellt sich heraus, dass der Gesamtfluss der Neutronen, die Spaltungsprozesse erzeugen, gleich ist

N = N 0 (1 + k eff + k 2 eff + k 3 eff + ...) = N 0 k n eff.

Wenn keff > 1, divergiert die Reihe in dieser Formel, was das kritische Verhalten des Prozesses in diesem Fall widerspiegelt. Wenn k eff< 1, ряд благополучно сходится и по формуле суммы геометрической прогрессии имеем

Die Energiefreisetzung pro Zeiteinheit (Leistung) wird dann durch die Energiefreisetzung während des Spaltungsprozesses bestimmt,

wohin<1 - коэффициент, равный отношению числа нейтронов, вызвавших деление, к полному их числу. Этот коэффициент зависит от конструкции установки, используемых материалов и т.д. Он надёжно вычисляется. В примерах k=0,6. Осталось выяснить, как можно получить первоначальный поток нейтронов N 0 . Для этого можно использовать ускоритель, дающий достаточно интенсивный поток протонов или других частиц, которые, реагируя с некоторой мишенью, порождают большое кол-во нейтронов. Действительно, например, при столкновении с массивной свинцовой мишенью каждый протон, ускоренный до энергии 1ГэВ (10 9 эВ), производит в результате развития ядерного каскада в среднем n = 22 нейтрона. Энергии их составляют несколько мега электрон -вольт, что как раз соответствует работе реактора на быстрых

Neutronen Es ist praktisch, sich den Neutronenfluss durch den Beschleunigerstrom vorzustellen

wobei e die Ladung der Protonen ist, gleich der elektrischen Elementarladung. Wenn wir Energie in Elektronenvolt ausdrücken, bedeutet dies, dass wir die Darstellung E = eV annehmen, wobei V das dieser Energie entsprechende Potential ist, das so viele Volt enthält, wie Elektronenvolt Energie enthalten. Das bedeutet, dass wir unter Berücksichtigung der vorherigen Formel die Energiefreisetzungsformel neu schreiben können als

Schließlich ist es praktisch, die Leistung der Installation im Formular darzustellen

wobei V das der Energie des Beschleunigers entsprechende Potential ist, also ist VI nach der bekannten Formel die Leistung des Beschleunigerstrahls: P 0 = VI, und R 0 in der vorherigen Formel ist der Koeffizient für k eff = 0,98 , was einen zuverlässigen Unterkritikalitätsspielraum bietet. Alle anderen Größen sind bekannt und für eine Protonenbeschleunigerenergie von 1 GeV gilt . Wir haben einen Gewinn von 120 erzielt, was natürlich sehr gut ist. Der Koeffizient der vorherigen Formel entspricht jedoch dem Idealfall, wenn sowohl im Beschleuniger als auch bei der Stromerzeugung keinerlei Energieverluste auftreten. Um den tatsächlichen Koeffizienten zu erhalten, müssen Sie die vorherige Formel mit dem Wirkungsgrad des Beschleunigers r y und dem Wirkungsgrad des Wärmekraftwerks r e multiplizieren. Dann ist R=r y r e R 0 . Die Beschleunigungseffizienz kann beispielsweise in einem realen Projekt eines Hochstromzyklotrons mit einer Energie von 1 GeV r y = 0,43 recht hoch sein. Der Wirkungsgrad der Stromerzeugung kann bis zu 0,42 betragen. Der endgültige tatsächliche Gewinn beträgt R = r y r e R 0 = 21,8, was immer noch recht gut ist, da nur 4,6 % der von der Anlage erzeugten Energie zurückgeführt werden müssen, um den Betrieb des Beschleunigers aufrechtzuerhalten. In diesem Fall arbeitet der Reaktor nur bei eingeschaltetem Beschleuniger und es besteht keine Gefahr einer unkontrollierten Kettenreaktion.

Das Prinzip des Aufbaus der Kernenergie.

Wie Sie wissen, besteht alles auf der Welt aus Molekülen

sind komplexe Wechselwirkungskomplexe

heulende Atome. Moleküle sind die kleinsten Teilchen

Substanzen, die seine Eigenschaften bewahren. Die Zusammensetzung von Molekülen

umfasst Atome verschiedener chemischer Elemente.

Chemische Elemente bestehen aus einer Atomart.

Atom, das kleinste Teilchen eines chemischen Elements,

Es besteht aus einem „schweren“ Kern und rotierenden Elektro-

Die Atomkerne entstehen durch eine positive Kombination

geladene Protonen und neutrale Neutronen.

Diese Teilchen, Nukleonen genannt, werden zusammengehalten

in Kernen durch kurzreichweitige Anziehungskräfte,

entstehen durch Mesonenaustausch,

Teilchen kleinerer Masse.

Der Kern des Elements X wird als oder X-A bezeichnet, zum Beispiel Uran U-235 -,

wobei Z die Ladung des Kerns ist, gleich der Anzahl der Protonen, die die Ordnungszahl des Kerns bestimmt, A die Massenzahl des Kerns, gleich

die Gesamtzahl der Protonen und Neutronen.

Die Kerne von Elementen mit gleicher Protonenzahl, aber unterschiedlicher Neutronenzahl werden Isotope genannt (z. B. Uran).

hat zwei Isotope U-235 und U-238); Kerne bei N=const, z=var - Isobaren.

Wasserstoffkerne, Protonen sowie Neutronen, Elektronen (Betateilchen) und einzelne Heliumkerne (Alphateilchen genannt) können außerhalb von Kernstrukturen autonom existieren. Solche Kerne oder andere Elementarteilchen, die sich im Raum bewegen und sich den Kernen in Abständen in der Größenordnung der Querdimensionen der Kerne nähern, können mit den Kernen interagieren, wie sie sagen, und an der Reaktion teilnehmen. Dabei können Teilchen von Kernen eingefangen werden oder nach einer Kollision die Bewegungsrichtung ändern und einen Teil der kinetischen Energie an den Kern abgeben. Solche Wechselwirkungen nennt man Kernreaktionen. Eine Reaktion ohne Durchdringung des Kerns wird elastische Streuung genannt.

Nachdem das Teilchen eingefangen wurde, befindet sich der zusammengesetzte Kern in einem angeregten Zustand. Der Kern kann sich auf verschiedene Weise von der Anregung „befreien“ – indem er ein anderes Teilchen und einen Gammastrahl aussendet oder sich in zwei ungleiche Teile teilt. Nach den Endergebnissen werden Reaktionen unterschieden: Einfang, inelastische Streuung, Spaltung, Kernumwandlung mit Emission eines Protons oder Alphateilchens.

Zusätzliche Energie, die bei Kernumwandlungen freigesetzt wird, erfolgt häufig in Form von Gammastrahlenflüssen.

Die Wahrscheinlichkeit einer Reaktion wird durch die Größe des „Querschnitts“ einer Reaktion eines bestimmten Typs charakterisiert.

Beim Einfangen kommt es zur Spaltung schwerer Kerne

Neutronen. Gleichzeitig werden neue Partikel emittiert

und die Kernbindungsenergie übertragen

Spaltfragmente. Dies ist ein grundlegendes Phänomen

wurde Ende der 30er Jahre von deutschen Wissenschaftlern entdeckt

von den berühmten Hahn und Strassman, die den Grundstein legten

für die praktische Nutzung der Kernenergie.

Die Kerne schwerer Elemente – Uran, Plutonium und einige andere – absorbieren intensiv thermische Neutronen. Nach dem Einfangen eines Neutrons wird ein schwerer Kern mit einer Wahrscheinlichkeit von ~0,8 in zwei Teile ungleicher Masse geteilt, die als Fragmente oder Spaltprodukte bezeichnet werden. Dabei werden schnelle Neutronen (durchschnittlich etwa 2,5 Neutronen pro Spaltereignis), negativ geladene Betateilchen und neutrale Gammaquanten emittiert und die Bindungsenergie der Teilchen im Kern in die kinetische Energie von Spaltfragmenten, Neutronen usw. umgewandelt andere Teilchen. Diese Energie wird dann für die thermische Anregung der Atome und Moleküle aufgewendet, aus denen der Stoff besteht, d. h. um die umgebende Materie zu erhitzen.

Nach der Kernspaltung durchlaufen die bei der Kernspaltung entstehenden Kernfragmente, da sie instabil sind, eine Reihe aufeinanderfolgender radioaktiver Umwandlungen und emittieren mit einer gewissen Verzögerung „verzögerte“ Neutronen, eine große Anzahl von Alpha-, Beta- und Gammateilchen. Andererseits haben einige Fragmente die Fähigkeit, Neutronen intensiv zu absorbieren.

Ein Kernreaktor ist eine technische Anlage, in der eine sich selbst erhaltende Kettenreaktion der Spaltung schwerer Kerne unter Freisetzung von Kernenergie abläuft. Ein Kernreaktor besteht aus einem Kern und einem Reflektor, der sich in einem Schutzgehäuse befindet. Der Kern enthält Kernbrennstoff in Form einer Brennstoffzusammensetzung in einer Schutzschicht und einem Moderator. Brennstoffzellen haben meist die Form dünner Stäbe. Sie werden in Bündeln gesammelt und in Abdeckungen eingeschlossen. Solche vorgefertigten Zusammensetzungen werden Baugruppen oder Kassetten genannt.

Entlang der Brennelemente bewegt sich ein Kühlmittel, das die Wärme der Kernumwandlungen aufnimmt. Das im Kern erhitzte Kühlmittel bewegt sich durch den Betrieb von Pumpen oder unter dem Einfluss archimedischer Kräfte entlang des Zirkulationskreislaufs und überträgt durch einen Wärmetauscher oder Dampferzeuger Wärme an das Kühlmittel des externen Kreislaufs.

Die Wärmeübertragung und die Bewegung ihrer Träger lassen sich in Form eines einfachen Diagramms darstellen:

1.Reaktor

2. Wärmetauscher, Dampferzeuger

3. Dampfturbinenanlage

4.Generator

5. Kondensator

Die Entwicklung der Industriegesellschaft basiert auf einem immer höheren Produktions- und Konsumniveau

verschiedene Arten von Energie.

Die Erzeugung thermischer und elektrischer Energie basiert bekanntlich auf der Verbrennung fossiler Brennstoffe

Energieressourcen -

• Öl

und in der Kernenergie – die Spaltung der Kerne von Uran- und Plutoniumatomen bei der Absorption von Neutronen.

Der Umfang der Produktion und des Verbrauchs fossiler Energieressourcen, Metalle, der Wasser- und Luftverbrauch zur Erzeugung der für die Menschheit notwendigen Energiemenge ist enorm, und leider sind die Ressourcenreserven begrenzt. Besonders akut ist das Problem der raschen Erschöpfung der organischen natürlichen Energieressourcen.

1 kg Natururan ersetzt 20 Tonnen Kohle.

Die weltweiten Energiereserven werden auf 355 Q geschätzt, wobei Q eine Einheit der thermischen Energie ist, die Q = 2,52 * 1017 kcal = 36 * 109 Tonnen Standardbrennstoff /tce/ entspricht, d. h. Kraftstoff mit einem Heizwert von 7000 kcal/kg, die Energiereserven betragen also 12,8 * 1012 t.e.

Davon entfällt ca. 1/3, d.h. ~ 4,3*1012 t.e.f. kann mit moderner Technologie zu moderaten Kosten für die Brennstoffgewinnung gefördert werden. Andererseits beträgt der moderne Energiebedarf 1,1 * 1010 t.e./Jahr und wächst mit einer Rate von 3-4 % pro Jahr, d. h. alle 20 Jahre verdoppeln.

Es lässt sich leicht abschätzen, dass die organischen fossilen Ressourcen im nächsten Jahrhundert weitgehend erschöpft sein werden, selbst wenn man die wahrscheinliche Verlangsamung des Wachstums des Energieverbrauchs berücksichtigt.

Übrigens stellen wir fest, dass bei der Verbrennung fossiler Kohlen und Öle, die einen Schwefelgehalt von etwa 2,5 % haben, jährlich bis zu 400 Millionen Tonnen entstehen. Schwefeldioxid und Stickoxide, also etwa 70 kg. Schadstoffe pro Erdbewohner pro Jahr.

Die Nutzung der Energie des Atomkerns und die Entwicklung der Kernenergie entschärfen dieses Problem.

Tatsächlich hat die Entdeckung der Spaltung schwerer Kerne durch Neutroneneinfang, die unser Jahrhundert atomar machte, den fossilen Energiereserven einen bedeutenden Schatz an Kernbrennstoffen hinzugefügt. Die Uranreserven in der Erdkruste werden auf gewaltige 1014 Tonnen geschätzt. Der Großteil dieses Reichtums liegt jedoch in verstreutem Zustand vor – in Graniten und Basalten. In den Gewässern der Weltmeere beträgt die Uranmenge 4*109 Tonnen. Es sind jedoch relativ wenige reiche Uranlagerstätten bekannt, deren Abbau kostengünstig wäre. Daher wird die Masse der Uranressourcen, die mit moderner Technologie und zu angemessenen Preisen gefördert werden können, auf 108 Tonnen geschätzt. Der jährliche Bedarf an Uran beträgt nach modernen Schätzungen 104 Tonnen Natururan. Diese Reserven ermöglichen es also, wie Akademiemitglied A.P. Aleksandrov sagte, „das Damoklesschwert der Treibstoffknappheit für nahezu unbegrenzte Zeit zu beseitigen.“

Ein weiteres wichtiges Problem der modernen Industriegesellschaft ist die Gewährleistung des Erhalts von Natur, sauberem Wasser und Luft.

Wissenschaftler sind sich des „Treibhauseffekts“ bewusst, der durch Kohlendioxidemissionen bei der Verbrennung fossiler Brennstoffe und der damit verbundenen globalen Erwärmung des Klimas auf unserem Planeten entsteht. Und die Probleme der Luftverschmutzung, des sauren Regens und der Flussvergiftung haben in vielen Gebieten einen kritischen Punkt erreicht.

Kernenergie verbraucht keinen Sauerstoff und verursacht im Normalbetrieb vernachlässigbare Emissionen. Wenn die Kernenergie die konventionelle Energie ersetzt, entfällt die Möglichkeit eines „Treibhauses“ mit schwerwiegenden Umweltfolgen der globalen Erwärmung.

Ein äußerst wichtiger Umstand ist die Tatsache, dass die Kernenergie ihre Wirtschaftlichkeit in fast allen Teilen der Welt unter Beweis gestellt hat. Darüber hinaus wird die Kernenergie auch bei einer groß angelegten Energieerzeugung in Kernkraftwerken keine besonderen Transportprobleme mit sich bringen, da sie vernachlässigbare Transportkosten erfordert, was die Gesellschaft von der Last befreit, ständig große Mengen fossiler Brennstoffe transportieren zu müssen.

Kernreaktoren werden in mehrere Gruppen eingeteilt:

abhängig von der durchschnittlichen Energie des Neutronenspektrums - in schnelle, mittlere und thermische;

entsprechend den Konstruktionsmerkmalen des Kerns - in Gefäß und Kanal;

nach Art des Kühlmittels – Wasser, schweres Wasser, Natrium;

nach Moderatortyp – Wasser, Graphit, schweres Wasser usw.

Für energetische Zwecke, zur Stromerzeugung, werden verwendet:

Wasser-Wasser-Reaktoren mit nicht siedendem oder siedendem Wasser unter Druck,

Uran-Graphit-Reaktoren mit kochendem Wasser oder gekühlt durch Kohlendioxid,

Schwerwasserkanalreaktoren usw.

In Zukunft werden schnelle Neutronenreaktoren, die mit flüssigen Metallen (Natrium usw.) gekühlt werden, weit verbreitet sein; in dem wir grundsätzlich den Kraftstoffreproduktionsmodus implementieren, d.h. wodurch die Zahl der spaltbaren Isotope von Plutonium Pu-239 die Zahl der verbrauchbaren Isotope von Uran U-235 übersteigt. Der Parameter, der die Reproduktion von Kraftstoff charakterisiert, wird als Plutoniumkoeffizient bezeichnet. Es zeigt, wie viele Pu-239-Atome bei Reaktionen des Neutroneneinfangs in U-238 pro einem Atom U-235 entstehen, das ein Neutron einfängt und eine Spaltung oder Strahlungsumwandlung in U-235 durchläuft.

Druckwasserreaktoren nehmen in der weltweiten Leistungsreaktorflotte einen herausragenden Platz ein. Sie werden auch in der Marine häufig als Energiequellen für Überwasserschiffe und U-Boote eingesetzt. Solche Reaktoren sind relativ kompakt, einfach und zuverlässig im Betrieb. Wasser, das in solchen Reaktoren als Kühlmittel und Neutronenmoderator dient, ist relativ günstig, nicht aggressiv und verfügt über gute neutronische Eigenschaften.

Druckwasserreaktoren werden auch Wasser-Wasser- oder Leichtwasserreaktoren genannt. Sie bestehen aus einem zylindrischen Hochdruckbehälter mit abnehmbarem Deckel. Dieses Gefäß (Reaktorkörper) beherbergt den Kern, bestehend aus Brennelementen (Brennstoffkassetten) und beweglichen Elementen des Kontroll- und Schutzsystems. Wasser gelangt über Rohre in das Gehäuse, wird dem Raum unter dem Kern zugeführt, bewegt sich entlang der Brennelemente vertikal nach oben und wird über die Auslassrohre in den Zirkulationskreislauf abgeleitet. Die Wärme von Kernreaktionen wird in Dampferzeugern auf Wasser im Sekundärkreislauf mit niedrigerem Druck übertragen. Die Bewegung des Wassers entlang des Kreislaufs wird durch den Betrieb von Umwälzpumpen oder, wie bei Reaktoren für Wärmeversorgungsstationen, durch den Antriebsdruck der natürlichen Zirkulation gewährleistet.

Kernfusion morgen.

„Für morgen“ ist zunächst geplant, die nächste Generation von Tokamaks zu schaffen, in denen eine autarke Fusion erreicht werden kann. Zu diesem Zweck wird am I.V. Kurtschatow-Institut für Atomenergie und am D.V. Efremow-Forschungsinstitut für elektrophysikalische Ausrüstung ein experimenteller thermonuklearer Reaktor (OTR) entwickelt.

Bei der OTR besteht das Ziel darin, die Reaktion auf einem solchen Niveau zu halten, dass das Verhältnis der nutzbaren Energieabgabe zur verbrauchten Energie (bezeichnet mit Q) größer oder mindestens gleich eins ist: Q = 1. Diese Bedingung ist ein wichtiger Schritt beim Testen aller Elemente des Systems auf dem Weg zur Schaffung eines kommerziellen Reaktors mit Q=5. Nach vorliegenden Schätzungen wird erst bei diesem Wert von Q die Autarkie einer thermonuklearen Energiequelle erreicht, wenn die Kosten aller Serviceprozesse, einschließlich Sozial- und Haushaltskosten, amortisiert werden. Mittlerweile hat das amerikanische TFTR einen Wert von Q=0,2-0,4 erreicht.

Es gibt auch andere Probleme. Beispielsweise ist die erste Wand – also die Hülle der torusförmigen Vakuumkammer – der intensivste, im wahrsten Sinne des Wortes langlebigste Teil der gesamten Struktur. Im OTR beträgt sein Volumen etwa 300 m 3 und seine Oberfläche etwa 400 m 2. Die Wand muss stark genug sein, um dem atmosphärischen Druck und den mechanischen Kräften des Magnetfelds standzuhalten, und dünn genug, um Wärmeströme vom Plasma auf das an der Außenseite des Toroids zirkulierende Wasser ohne nennenswerten Temperaturunterschied zu übertragen. Seine optimale Dicke beträgt 2 mm. Als Materialien werden austenitische Stähle oder Nickel- und Titanlegierungen gewählt.

Euratom plant die Installation von NET (Next Europeus Tor), das in vielerlei Hinsicht OTR ähnelt. Dies ist die nächste Generation von Tokamaks nach JET und T-15.

NET sollte zwischen 1994 und 1999 gebaut werden. Die erste Forschungsphase soll über einen Zeitraum von drei bis vier Jahren durchgeführt werden.

Sie sprechen auch über die nächste Generation nach NET – dies ist ein „echter“ thermonuklearer Reaktor, der üblicherweise DEMO genannt wird. Allerdings ist auch bei NET noch nicht alles klar, da der Aufbau mehrerer internationaler Installationen geplant ist.

Die Energie einer Kernreaktion ist im Atomkern konzentriert. Ein Atom ist ein winziges Teilchen, aus dem die gesamte Materie im Universum besteht.

Die bei der Kernspaltung anfallende Energiemenge ist enorm und kann zur Stromerzeugung genutzt werden, muss aber zunächst aus dem Atom freigesetzt werden.

Energie bekommen

Die Nutzung der Energie einer Kernreaktion erfolgt durch Geräte, die die Atomspaltung zur Stromerzeugung steuern können.

Der für Reaktoren und die Energieerzeugung verwendete Brennstoff sind meist Pellets des Elements Uran. In einem Kernreaktor werden Uranatome gezwungen, auseinanderzufallen. Bei der Spaltung setzen die Atome winzige Teilchen frei, sogenannte Spaltprodukte. Die Spaltprodukte wirken auf andere Uranatome ein und trennen sich – eine Kettenreaktion beginnt. Die bei dieser Kettenreaktion freigesetzte Kernenergie erzeugt Wärme. Durch die Hitze des Kernreaktors wird dieser sehr heiß und muss daher abgekühlt werden. Das technologisch beste Kühlmittel ist normalerweise Wasser, aber einige Kernreaktoren verwenden flüssiges Metall oder geschmolzene Salze. Das vom Kern erhitzte Kühlmittel erzeugt Dampf. Der Dampf wirkt auf die Dampfturbine und dreht diese. Die Turbine ist über ein mechanisches Getriebe mit einem Generator verbunden, der Strom erzeugt.
Die Steuerung der Reaktoren erfolgt über Steuerstäbe, die sich an die erzeugte Wärmemenge anpassen lassen. Steuerstäbe bestehen aus einem Material wie Cadmium, Hafnium oder Bor, um einige der bei der Kernspaltung entstehenden Produkte zu absorbieren. Während einer Kettenreaktion sind Stäbe vorhanden, um die Reaktion zu steuern. Durch das Entfernen der Stäbe kann sich die Kettenreaktion weiterentwickeln und mehr Strom erzeugen.

Etwa 15 Prozent des weltweiten Stroms werden durch Kernkraftwerke erzeugt.

Die Vereinigten Staaten verfügen über mehr als 100 Reaktoren, obwohl die USA den größten Teil ihres Stroms aus fossilen Brennstoffen und Wasserkraft erzeugen.

In Russland gibt es 33 Kraftwerksblöcke in 10 Kernkraftwerken – 15 % der Energiebilanz des Landes.

Litauen, Frankreich und die Slowakei verbrauchen den größten Teil ihres Stroms aus Kernkraftwerken.

Kernbrennstoff zur Energieerzeugung

Uran ist der am häufigsten zur Erzeugung von Kernreaktionsenergie verwendete Brennstoff. Dies liegt daran, dass Uranatome relativ leicht auseinanderbrechen. Die spezielle Art des produzierten Urans, U-235 genannt, ist selten. U-235 macht weniger als ein Prozent des weltweiten Urans aus.

Uran wird in Australien, Kanada, Kasachstan, Russland und Usbekistan abgebaut und muss vor seiner Verwendung verarbeitet werden.

Da Kernbrennstoffe zur Herstellung von Waffen verwendet werden können, unterliegt die Produktion dem Atomwaffensperrvertrag für die Einfuhr von Uran oder Plutonium oder anderen Kernbrennstoffen. Der Vertrag fördert die friedliche Nutzung von Treibstoff und begrenzt die Verbreitung dieser Art von Waffen.

Ein typischer Reaktor verbraucht jedes Jahr etwa 200 Tonnen Uran. Durch komplexe Prozesse kann ein Teil des Urans und Plutoniums wieder angereichert oder wiederaufbereitet werden. Dies reduziert den Abbau-, Abbau- und Verarbeitungsaufwand.

Kernenergie und Menschen

Kernenergie erzeugt Strom, der zur Stromversorgung von Haushalten, Schulen, Unternehmen und Krankenhäusern genutzt werden kann.

Der erste Reaktor zur Stromerzeugung wurde in Idaho, USA, gebaut und begann 1951 versuchsweise, sich selbst mit Strom zu versorgen.

1954 wurde in Obninsk, Russland, das erste Kernkraftwerk zur Energieversorgung der Menschen errichtet.

Der Bau von Reaktoren zur Gewinnung nuklearer Reaktionsenergie erfordert ein hohes Maß an Technologie und nur Länder, die den Atomwaffensperrvertrag unterzeichnet haben, können das benötigte Uran oder Plutonium erhalten. Aus diesen Gründen befinden sich die meisten Kernkraftwerke in entwickelten Ländern der Welt.

Kernkraftwerke produzieren erneuerbare, umweltfreundliche Ressourcen. Sie verschmutzen weder die Luft noch verursachen sie Treibhausgasemissionen. Sie können in städtischen oder ländlichen Gebieten gebaut werden und verändern die Umgebung um sie herum nicht radikal.

Radioaktives Material aus Kraftwerken

Radioaktives Material in p Der Reaktor ist sicher, da er in einer separaten Struktur namens Kühlturm gekühlt wird. Der Dampf wird wieder zu Wasser und kann erneut zur Stromerzeugung genutzt werden. Überschüssiger Dampf wird einfach in die Atmosphäre zurückgeführt, wo er nicht schädlich ist wie reines Wasser.

Die Energie einer Kernreaktion hat jedoch ein Nebenprodukt in Form von radioaktivem Material. Radioaktives Material ist eine Ansammlung instabiler Kerne. Diese Kerne verlieren ihre Energie und können viele Materialien um sie herum beeinflussen, einschließlich lebender Organismen und der Umwelt. Radioaktives Material kann äußerst giftig sein, Krankheiten verursachen und das Risiko für Krebs, Bluterkrankungen und Knochenverfall erhöhen.

Radioaktiver Abfall ist das, was beim Betrieb eines Kernreaktors übrig bleibt.

Zu den radioaktiven Abfällen zählen die von Arbeitern getragene Schutzkleidung, Werkzeuge und Stoffe, die mit radioaktivem Staub in Berührung gekommen sind. Radioaktiver Abfall ist langlebig. Materialien wie Kleidung und Werkzeuge können über Tausende von Jahren radioaktiv bleiben. Die Regierung regelt, wie diese Materialien entsorgt werden, damit sie nichts anderes verunreinigen.

Die verwendeten Brennstoffe und Stäbe sind extrem radioaktiv. Die verwendeten Uranpellets müssen in speziellen Behältern gelagert werden, die wie große Schwimmbecken aussehen. Einige Anlagen lagern den verwendeten Brennstoff in oberirdischen Trockenlagertanks.

Das den Kraftstoff kühlende Wasser kommt nicht mit Radioaktivität in Kontakt und ist daher sicher.

Es sind auch solche bekannt, die ein etwas anderes Funktionsprinzip haben.

Nutzung der Kernenergie und Strahlenschutz

Kritiker der Nutzung nuklearer Reaktionsenergie befürchten, dass Lager für radioaktive Abfälle undicht werden, Risse bekommen oder einstürzen könnten. Das radioaktive Material könnte dann den Boden und das Grundwasser in der Nähe des Standorts kontaminieren. Dies kann zu ernsthaften Gesundheitsproblemen für Menschen und Lebewesen in der Umgebung führen. Alle Menschen müssten evakuiert werden.

Dies geschah 1986 in Tschernobyl in der Ukraine. Eine Dampfexplosion in einem der Kraftwerke des vierten Kernreaktors zerstörte diesen und es brach ein Feuer aus. Es bildete sich eine Wolke aus radioaktiven Partikeln, die zu Boden fielen oder mit dem Wind verweht wurden, und die Partikel gelangten als Regen in den Wasserkreislauf der Natur. Der größte Teil des radioaktiven Niederschlags fiel in Weißrussland.

Die Umweltfolgen der Katastrophe von Tschernobyl traten unmittelbar ein. Kilometerweit um das Gelände herum ist der Kiefernwald ausgetrocknet und die rote Farbe der abgestorbenen Kiefern hat dem Gebiet den Spitznamen „Roter Wald“ eingebracht. Der Fisch aus dem nahegelegenen Fluss Pripjat ist radioaktiv geworden und die Menschen werden ihn nicht mehr essen können. Rinder und Pferde starben. Mehr als 100.000 Menschen wurden nach der Katastrophe evakuiert, die Zahl der menschlichen Opfer von Tschernobyl ist jedoch schwer zu ermitteln.

Die Auswirkungen einer Strahlenvergiftung treten erst nach vielen Jahren auf. Bei Krankheiten wie Krebs ist es schwierig, die Ursache zu bestimmen.

Die Zukunft der Kernenergie

Reaktoren nutzen die Spaltung oder Spaltung von Atomen zur Energieerzeugung.

Kernreaktionsenergie kann auch durch die Verschmelzung oder Verbindung von Atomen erzeugt werden. In Produktion. Die Sonne beispielsweise unterliegt ständig der Kernfusion von Wasserstoffatomen zu Helium. Da das Leben auf unserem Planeten von der Sonne abhängt, können wir sagen, dass die Kernspaltung das Leben auf der Erde ermöglicht.

Kernkraftwerke sind noch nicht in der Lage, Energie durch Kernfusion (Fusion) sicher und zuverlässig zu erzeugen, aber Wissenschaftler erforschen die Kernfusion, weil der Prozess als alternative Energieform wahrscheinlich sicherer und kostengünstiger ist.

Die Energie einer Kernreaktion ist enorm und muss vom Menschen genutzt werden.

Einführung

Im Jahr 1939 gelang es erstmals, ein Uranatom zu spalten. Weitere drei Jahre vergingen und in den USA wurde ein Reaktor zur Durchführung einer kontrollierten Kernreaktion gebaut. Dann im Jahr 1945 Die Atombombe wurde 1954 hergestellt und getestet. In unserem Land wurde das erste Kernkraftwerk der Welt in Betrieb genommen. In all diesen Fällen wurde die enorme Energie des Atomkernzerfalls genutzt. Bei der Verschmelzung von Atomkernen wird noch mehr Energie freigesetzt. 1953 wurde in der UdSSR erstmals eine thermonukleare Bombe getestet und der Mensch lernte, die in der Sonne ablaufenden Prozesse nachzubilden. Derzeit kann die Kernfusion nicht für friedliche Zwecke genutzt werden, aber wenn dies möglich wird, werden sich die Menschen für Milliarden von Jahren mit billiger Energie versorgen. Dieses Problem war in den letzten 50 Jahren eines der wichtigsten Gebiete der modernen Physik.

Beim Zerfall oder der Verschmelzung von Atomkernen wird Kernenergie freigesetzt. Jede Energie – ob physikalisch, chemisch oder nuklear – manifestiert sich in ihrer Fähigkeit, Arbeit zu leisten, Wärme oder Strahlung abzugeben. Energie bleibt in jedem System immer erhalten, sie kann jedoch auf ein anderes System übertragen oder in ihrer Form geändert werden.

Bis etwa 1800 war Holz der Hauptbrennstoff. Holzenergie wird aus Sonnenenergie gewonnen, die Pflanzen während ihres Lebens speichern. Seit der industriellen Revolution sind die Menschen auf Mineralien wie Kohle und Öl angewiesen, deren Energie ebenfalls aus gespeicherter Sonnenenergie stammt. Bei der Verbrennung eines Brennstoffs wie Kohle verbinden sich die in der Kohle enthaltenen Wasserstoff- und Kohlenstoffatome mit den Sauerstoffatomen der Luft. Beim Auftreten von wasserhaltigem oder Kohlendioxid wird eine hohe Temperatur freigesetzt, die etwa 1,6 Kilowattstunden pro Kilogramm oder etwa 10 Elektronenvolt pro Kohlenstoffatom entspricht. Diese Energiemenge ist typisch für chemische Reaktionen, die zu Veränderungen in der elektronischen Struktur von Atomen führen. Ein Teil der in Form von Wärme freigesetzten Energie reicht aus, um die Reaktion am Laufen zu halten.

Ein Atom besteht aus einem kleinen, massiven, positiv geladenen Kern, der von Elektronen umgeben ist. Der Kern macht den größten Teil der Masse eines Atoms aus. Es besteht aus Neutronen und Protonen (im Allgemeinen Nukleonen genannt), die durch sehr starke Kernkräfte miteinander verbunden sind, die viel größer sind als die elektrischen Kräfte, die Elektronen an den Kern binden. Die Energie eines Kerns wird dadurch bestimmt, wie stark seine Neutronen und Protonen durch Kernkräfte zusammengehalten werden. Nukleonenenergie ist die Energie, die benötigt wird, um ein Neutron oder Proton aus einem Kern zu entfernen. Verbinden sich zwei leichte Kerne zu einem schwereren Kern oder spaltet sich ein schwerer Kern in zwei leichtere, so setzen beide große Energiemengen frei.

Kernenergie, gemessen in Millionen Elektronenvolt, entsteht durch die Fusion zweier leichter Kerne, wenn sich zwei Wasserstoffisotope (Deuterium) in der folgenden Reaktion verbinden:

Dabei entsteht ein Heliumatom mit einer Masse von 3 amu. , ein freies Neutron, und 3,2 MeV oder 5,1 * 10 6 J (1,2 * 10 3 cal).

Kernenergie entsteht auch, wenn ein schwerer Kern (zum Beispiel der Kern des Isotops Uran-235) durch die Absorption eines Neutrons spaltet:

Infolgedessen zerfällt es in Cäsium-140, Rubidium-93, drei Neutronen und 200 MeV oder 3,2 · 10 16 J (7,7 · 10 8 cal). Bei einer Kernspaltungsreaktion wird 10 Millionen Mal mehr Energie freigesetzt als bei einer ähnlichen chemischen Reaktion.

Kernfusion

Die Freisetzung von Kernenergie kann am unteren Ende der Energiekurve erfolgen, wenn sich zwei leichte Kerne zu einem schwereren verbinden. Die von Sternen wie der Sonne emittierte Energie ist das Ergebnis derselben Fusionsreaktionen in ihren Tiefen.

Bei enormem Druck und einer Temperatur von 15 Millionen Grad C 0. Die dort vorhandenen Wasserstoffkerne verbinden sich nach Gleichung (1) und durch ihre Synthese entsteht Sonnenenergie.

Die Kernfusion wurde erstmals in den frühen 1930er Jahren auf der Erde durchgeführt. Im Zyklotron – einem Beschleuniger für Elementarteilchen – wurde der Beschuss von Deuteriumkernen durchgeführt. Dabei wurde eine hohe Temperatur freigesetzt, diese Energie konnte jedoch nicht genutzt werden. In den 1950er Jahren wurde der erste groß angelegte, aber unkontrollierte Prozess zur Freisetzung von Fusionsenergie in thermoelektrischen Tests demonstriert. Atomwaffen Die Vereinigten Staaten, die UdSSR, Großbritannien und Frankreich. Allerdings handelte es sich hierbei um eine kurzfristige und unkontrollierbare Reaktion, die nicht zur Stromerzeugung genutzt werden konnte.

Bei Zerfallsreaktionen kann sich ein Neutron, das keine elektrische Ladung hat, leicht einem spaltbaren Kern wie Uran-235 nähern und mit ihm reagieren. Bei einer typischen Fusionsreaktion haben die reagierenden Kerne jedoch eine positive elektrische Ladung und werden daher durch das Coulombsche Gesetz abgestoßen, sodass die Kräfte aufgrund des Coulombschen Gesetzes überwunden werden müssen, bevor sich die Kerne verbinden können. Dies geschieht, wenn die Temperatur des reagierenden Gases steigt - ziemlich hoch von 50 bis 100 Millionen Grad C 0 . In einem Gas aus schweren Wasserstoffisotopen von Deuterium und Tritium findet bei dieser Temperatur eine Synthesereaktion statt:

Dabei werden etwa 17,6 MeV freigesetzt. Die Energie erscheint zunächst als kinetische Energie von Helium-4 und dem Neutron, manifestiert sich jedoch bald als hohe Temperatur in den umgebenden Materialien und Gasen.

Wenn bei einer so hohen Temperatur die Gasdichte 10 -1 Atmosphären beträgt (also fast ein Vakuum), dann kann aktives Helium-4 seine Energie auf den umgebenden Wasserstoff übertragen. Dadurch wird eine hohe Temperatur aufrechterhalten und Bedingungen für das Auftreten einer spontanen Synthesereaktion geschaffen. Unter diesen Bedingungen kommt es zur „nuklearen Zündung“.

Das Erreichen der Bedingungen für eine kontrollierte Kernfusion wird durch mehrere große Probleme erschwert. Zuerst müssen Sie das Gas auf eine sehr hohe Temperatur erhitzen. Zweitens ist es notwendig, die Anzahl der reagierenden Kerne über einen ausreichend langen Zeitraum zu kontrollieren. Drittens muss die freigesetzte Energiemenge größer sein als die, die für die Erwärmung und Begrenzung der Gasdichte aufgewendet wurde. Das nächste Problem besteht darin, diese Energie zu speichern und in Strom umzuwandeln.

Selbst bei Temperaturen von 100.000 °C sind alle Wasserstoffatome vollständig ionisiert. Das Gas besteht aus einer elektrisch neutralen Struktur: positiv geladene Kerne und negativ geladene freie Elektronen. Dieser Zustand wird Plasma genannt.

Plasma ist heiß genug für die Fusion, kommt aber in gewöhnlichen Materialien nicht vor. Das Plasma würde sehr schnell abkühlen und die Gefäßwände würden durch den Temperaturunterschied zerstört. Da Plasma jedoch aus geladenen Kernen und Elektronen besteht, die sich spiralförmig um Magnetfeldlinien drehen, kann das Plasma in einem durch ein Magnetfeld begrenzten Bereich enthalten sein, ohne mit den Wänden des Behälters zu reagieren.

In jedem kontrollierten Fusionsgerät muss die Energiefreisetzung die Energie übersteigen, die zum Einschließen und Erhitzen des Plasmas erforderlich ist. Diese Bedingung kann erfüllt sein, wenn die Plasmaeinschlusszeit t und ihre Dichte n etwa 10 14 überschreiten. Beziehungen tn > 10 14 heißt Lawson-Kriterium.

Zahlreiche magnetische Plasma-Einschlusssysteme wurden seit 1950 in den Vereinigten Staaten, der UdSSR, Großbritannien, Japan und anderswo getestet. Es wurden thermonukleare Reaktionen beobachtet, das Lawson-Kriterium überschritt jedoch selten 10 12 . Ein Gerät, „Tokamak“ (dieser Name ist eine Abkürzung für russische Wörter: TOroidal Chamber with Magnetic Coils), das ursprünglich in der UdSSR von Igor Tamm und Andrei Sacharow vorgeschlagen wurde, begann jedoch in den frühen 1960er Jahren gute Ergebnisse zu liefern.

Ein Tokamak ist eine toroidale Vakuumkammer mit Spulen, die ein starkes toroidales Magnetfeld erzeugen. In dieser Kammer wird durch leistungsstarke Elektromagnete ein toroidales Magnetfeld von etwa 50.000 Gauss aufrechterhalten. Durch die Transformatorspulen wird im Plasma ein Längsstrom von mehreren Millionen Ampere erzeugt. Geschlossene Magnetfeldlinien schließen das Plasma stabil ein.

Basierend auf dem Erfolg des kleinen experimentellen Tokamak wurden Anfang der 1980er Jahre in mehreren Labors zwei große Geräte gebaut, eines an der Princeton University in den Vereinigten Staaten und eines in der UdSSR. Im Tokamak entsteht eine hohe Plasmatemperatur durch die Freisetzung von Wärme aufgrund des Widerstands einer starken toroidalen Strömung sowie durch zusätzliche Erwärmung beim Einbringen eines neutralen Strahls, die zusammen zur Zündung führen sollten.

Eine weitere Möglichkeit zur Gewinnung von Fusionsenergie sind ebenfalls Trägheitseigenschaften. In diesem Fall ist der Brennstoff Tritium oder Deuterium in einer winzigen Kugel enthalten, die von mehreren Seiten mit einem gepulsten Laserstrahl beschossen wird. Dadurch explodiert die Kugel und löst eine thermonukleare Reaktion aus, die den Treibstoff entzündet. Mehrere Labore in den Vereinigten Staaten und anderswo untersuchen derzeit diese Möglichkeit. Die Fortschritte in der Fusionsforschung sind vielversprechend, aber die Herausforderung, praktische Systeme für eine nachhaltige Fusionsreaktion zu schaffen, die mehr Energie produziert als sie verbraucht, bleibt ungelöst und wird viel mehr Zeit und Mühe erfordern.

Als klar wurde, dass die Kohlenwasserstoff-Rohstoffquellen wie Öl, Gas und Kohle erschöpft waren. Das bedeutet, dass wir nach neuen Energieformen suchen müssen. Nun stellt sich die Frage nach der Möglichkeit eines katastrophalen Klimawandels aufgrund der Tatsache, dass konventionelle Wärmekraftwerke eine Treibhausgasschicht erzeugen, zu einer sehr ernsten Frage. Und als Ergebnis, was auf der Erde passiert globale Erwärmung. Das ist absolut sicher. Wir müssen nach neuen Energiearten suchen, die nicht dazu führen.

Kuvshinov Vyacheslav Ivanovich:
Der Aufbau eines Atoms und die Struktur eines Atoms (dass es einen Kern im Inneren hat) wurden erst im letzten Jahrhundert bekannt. Wann war der Zweite Weltkrieg Mit dem Fortschritt wurde klar, dass dem Kern eines Atoms enorme Energie entzogen werden kann. Natürlich wurde über eine Option nachgedacht, wie dies aus waffentechnischer Sicht, aus Sicht einer Atombombe, genutzt werden könnte.
Und erst in den 50er Jahren stellte sich die Frage nach der friedlichen Nutzung der Atomenergie und das Konzept eines „friedlichen Atoms“.

In Obninsk wurde das erste Kernkraftwerk der Sowjetunion gebaut. Es ist merkwürdig, dass der Direktor des ersten Kernkraftwerks der Akademiker Andrei Kapitonovich Krasin war, der übrigens später Direktor des Instituts für Energie und Energie wurde Kernforschung„Kiefern“.

Kuvshinov Vyacheslav Ivanovich:
Nehmen wir die Protonen und Neutronen, aus denen der Kern besteht. Sitzen sie im Kern, sind sie durch Kernkräfte eng miteinander verbunden. Warum ist es eng? Da beispielsweise zwei Protonen die gleiche elektrische Ladung haben, müssten sie sich stark abstoßen, werden aber dennoch aneinander gezogen. Also im Kernel gibt es Nuklearkräfte. Und es stellt sich heraus, dass ein Teil der Masse der Protonen und Neutronen in Energie umgewandelt wird. Und es gibt so eine berühmte Formel, die mittlerweile sogar auf T-Shirts geschrieben steht E = Mc2. E ist Energie, M ist Teilchenmasse, MIT im Quadrat ist die Lichtgeschwindigkeit.
Es stellt sich heraus, dass es auch eine besondere Energie gibt, die mit dem Körpergewicht verbunden ist. Und wenn im Kern irgendeine Art von gespeicherter Energie vorhanden ist, wenn der Kern gespalten wird, dann wird diese Energie in Form der Energie der Fragmente freigesetzt. Und genau seine Größe (E) ist gleich (M) pro (Quadrat der Lichtgeschwindigkeit). Durch die Spaltung eines Kerns erhält man etwas Energie in Form von Fragmentenergie.
Das Interessante dabei ist, dass es zu einer Teilung kommt große Menge B. Uranbrennstoff, kommt es zu einer nuklearen Kettenreaktion. Das bedeutet, dass die Kerne nahezu gleichzeitig gespalten werden. Dabei wird eine enorme Energiemenge freigesetzt. Beispielsweise können 1,5 kg Uranbrennstoff 1,5 Waggons Kohle ersetzen.

Welche Rolle spielt die Lichtgeschwindigkeit in dieser universellen Formel?

Kuvshinov Vyacheslav Ivanovich:
Einstein erstellte seine Formeln für die Änderung der Lichtgeschwindigkeit von einem Koordinatensystem zum anderen, woraus folgt, dass die Lichtgeschwindigkeit konstant ist und sich alle anderen Geschwindigkeiten anderer Körper und Objekte ändern. Es ist merkwürdig, dass aus Einsteins Relativitätsformel hervorgeht, dass Zeitreisen möglich sind. Dies impliziert das sogenannte „Zwillingsparadoxon“. Es liegt darin, dass einer der Zwillinge, der sich in einer Rakete befindet, die auf eine Geschwindigkeit nahe der Lichtgeschwindigkeit beschleunigt wird, weniger altern wird als sein auf der Erde verbleibender Bruder.

Kuvshinov Vyacheslav Ivanovich, Professor, Generaldirektor„Gemeinsames Institut für Energie- und Kernforschung „Sosny“:
Nach Angaben der IAEA führt nur die Einbeziehung der Kernenergie zu den niedrigsten Stromkosten. Die Weißrussen werden diesen Vorteil in ihrem „Fett“ sehen.

Laut MGATE-Forschung wird es bis 2020, wie man sagt, ein Loch in der Brennstoff- und Energiebilanz von Belarus geben. Experten sagen, dass es nur mit Hilfe eines in Betrieb befindlichen Kernkraftwerks möglich sein wird, die Lücke im Energieverbrauch zu schließen.

Nach Angaben der IAEA sind weltweit 441 Kraftwerke in Betrieb. Rund um Weißrussland gibt es fünf Kernkraftwerke. In der benachbarten Ukraine gibt es das Kernkraftwerk Riwne, in Russland das Kernkraftwerk Smolensk, Leningrad und im Bau das baltische Kernkraftwerk.

Nikolai Grusha, Direktor der Abteilung für Kernenergie des Energieministeriums der Republik Belarus:
Die Hauptaufgabe beim Bau eines Kernkraftwerks und überhaupt die Hauptaufgabe der Energiepolitik in der Republik Belarus besteht darin, die Abhängigkeit von Erdgaslieferungen zu verringern.
Bei der Inbetriebnahme eines Kernkraftwerks mit einer Leistung von mehr als 2 Millionen Kilowatt werden zunächst etwa 27-29 % des gesamten im Kernkraftwerk erzeugten Stroms erzeugt. Dadurch können etwa 5 Milliarden Kubikmeter Erdgas ersetzt werden. Das ist fast ein Viertel dessen, was wir heute verbrauchen.

Der Beitrag der Kerntechnik zur Gewährleistung der Sicherheit des Staates wird üblicherweise in die Bereiche zivile (friedliche) und militärische Nutzung unterteilt. Diese Einteilung ist in gewissem Sinne willkürlich, da die Umstellung der Kerntechnologien auf allen Stufen ihrer Entwicklung stattfand.

Hauptrichtungen der friedlichen Nutzung der Kernenergie:

• Elektrizitätswirtschaft;
• Wärmeversorgung Siedlungen(kommunale) und industrielle Anlagen (Industrie), Entsalzung Meerwasser;
• Kraftwerke für Transportzwecke, die als Energiequellen auf Schiffen eingesetzt werden Marine- Eisbrecher, leichtere Flugzeugträger usw.;
• Entwicklung arktischer Vorkommen Kontinentalplatte;
• Kraftwerke zur Energieversorgung künstlicher Raumfahrtsysteme und -objekte; Raketentriebwerke;
• Forschungsreaktoranlagen für verschiedene Zwecke;
• Gewinnung von Isotopenprodukten, die für den Einsatz in Medizin, Technik und Landwirtschaft notwendig sind;
• Industrielle Anwendung unterirdischer nuklearer Explosionen.
• Die Hauptrichtungen der militärischen Nutzung der Kernenergie:
• Produktion von waffenfähigem Nuklearmaterial;
• Nuklearwaffe;
• Energieanlagen zum Pumpen von Energie in Laserwaffen;
• Kraftwerke für U-Boote und Überwasserschiffe der Marine und Raumschiffe.

Elektrizitätswirtschaft. Die meisten in Betrieb befindlichen Kraftwerke nutzen Druckwasserreaktoren (PWR, WWER) oder Siedewasserreaktoren (BWR, RBMK), wodurch ein Wirkungsgrad der Stromerzeugung von 31...33 % erreicht werden kann. Schnelle und gasgekühlte Hochtemperaturreaktoren bieten einen Wirkungsgrad der Stromerzeugung von 41 bis 43 %. Der Übergang zur Energieumwandlung durch Gasturbinen bei einer Temperatur hinter einem gasgekühlten Reaktor von etwa 900 °C ermöglicht eine Steigerung des Wirkungsgrades der Stromerzeugung auf 48...49 %.

Im Jahr 2002 betrug die gesamte weltweite Stromproduktion aller in Betrieb befindlichen Kernkraftwerke (441 Blöcke mit einer gesamten installierten elektrischen Leistung von 359 GW) 2574 TWh (ungefähr 16 % der erzeugten Elektrizität und 6 % der globalen Brennstoff- und Energiebilanz).

Wärmeversorgung Die Regelung zur Nutzung nuklearer Energiequellen ist derzeit (mit ihren begrenzten Mengen) technisch ausreichend vorbereitet und ihre praktische Umsetzung wird beim Ersatz organischer Brennstoffe durch Kernbrennstoffe als besonders wichtig erachtet. Fast zeitgleich mit der Stromerzeugung durch Kernreaktoren begann die Nutzung der Kernenergie zur Wärmeversorgung besiedelter Gebiete und der Industrie.

Es gibt drei Methoden der zentralen Wärmeversorgung aus einer Kernenergiequelle:

• Kernwärmekraftwerk (NTPP) zur kombinierten Erzeugung von Strom und Wärme in einer Einheit;
• Kernkesselhäuser, die nur der Erzeugung von Niederdruckdampf und Heißwasser dienen (die Methode wird in relativ kleinem Maßstab eingesetzt);
• Nutzung der Heizleistung von Brennwertkraftwerken zur Wärmeerzeugung.

Wärmeabgabe zum Heizen werden von allen Kernkraftwerken in Russland und den GUS-Staaten sowie vielen ausländischen (Bulgarien, Ungarn, Deutschland, Kanada, USA, Schweiz usw.) produziert. Gemäß der „Russischen Energiestrategie für den Zeitraum bis 2020“ Die Produktion von Wärmeenergie in Russland unter Nutzung nuklearer Quellen wird von 6 Millionen Gcal im Jahr 1990 auf 15 Millionen Gcal im Jahr 2020 steigen. Der Anstieg der Wärmeenergieproduktion wird durch die Schaffung technischer Möglichkeiten für die Übertragung von Wärmeenergie aus Kernkraftwerken erwartet Betrieb von Kernkraftwerken. Gleichzeitig sind die Faktoren, die die Wirtschaftlichkeit der Wärmeversorgung mithilfe einer Kernenergiequelle beeinflussen, die Art der Reaktoranlage und die darin getätigten Kapitalinvestitionen, die Konzentration der Wärmelasten der Nutzer, die Länge der Hauptwärmenetze sowie vergleichbare Faktoren Preise für nukleare und organische Brennstoffe.

Nutzung thermischer Energie aus Kernkraftwerken im industriellen Maßstab in Ländern ehemalige UdSSR wurde Ende der 50er Jahre begonnen. im sibirischen Kernkraftwerk, wo die Wärme zur Beheizung von Industrie- und Wohngebäuden genutzt wurde. Die hohe Zuverlässigkeit und Sicherheit von Wärmeversorgungssystemen wurde am Bilibino ATPP demonstriert, das seit 1974 in Tschukotka in Betrieb ist. Der letzte, vierte Kraftwerksblock wurde 1976 in Betrieb genommen Wärme für den Industrie- und Haushaltsbedarf des Territoriums Nord unter Permafrostbedingungen.

In Russland und im Ausland wurden Projekte für Reaktoren mittlerer und niedriger Leistung entwickelt, die nur für Heizzwecke bestimmt sind – AST-500 (Russland), NHR-200 (China), SES-10 (Kanada), Geyser (Schweiz usw.). sowie für den doppelten Verwendungszweck, d. h. zur Erzeugung von Wärme und Strom - VK-300, RUTA, ATETs-200, ABV, Sakha-32 und KLT-40 (Russland), SMART (Republik Korea), CAREM-25 (Argentinien), MRX (Japan), ISIS (Italien).

Der Entwicklungsstand von Projekten variiert von der Skizze bis zur Ausführung. Für einige Projekte wurden Demonstrationseinheiten gebaut und sind in Betrieb (SDR für SES-10, NHR-5 für NHR-200).

In heliumgekühlten Reaktoren kann Wärme mit hohem Temperaturpotential (bis zu 1000 °C und mehr) gewonnen werden, die für die chemische Industrie, die Wasserstoffproduktion, die Eisenmetallurgie und andere energieintensive Technologien erforderlich ist. Die Umsetzung entwickelter Projekte für solche Reaktoren und die von ihnen bereitgestellten energietechnischen Komplexe ist technisch machbar, aber moderner Wert Bei fossilen Brennstoffen werden traditionelle Technologien, die diesen Brennstoff nutzen, bevorzugt.

Entsalzung. Eines der bedeutenden und vielversprechenden Anwendungsgebiete von Klein- und Kleinteilen mittlere Leistung Die Entsalzung von Meerwasser und anderen stark mineralisierten und salzhaltigen Wässern (Bergwerk usw.) könnte möglich werden. Die großtechnische Produktion von Süßwasser auf Basis der Nutzung von Kernenergie wurde erstmals in der UdSSR beherrscht. 1973 wurde in Kasachstan ein großer industrieller Wasserentsalzungskomplex mit einem Schnellreaktor BN-350 mit einem flüssigen Metallkühlmittel (Natrium) in Betrieb genommen.

Langjährige Erfahrung im Betrieb dieses Komplexes, zahlreiche in- und ausländische Designstudien von Entsalzungsanlagen mit verschiedene Arten Eine detaillierte Untersuchung des Problems im Rahmen von Forschungsprogrammen der Internationalen Atomenergiebehörde (IAEA) ermöglicht es uns, Kernreaktoren als wirtschaftlich vielversprechende Energiequellen für Entsalzungsanlagen zu betrachten, die die Möglichkeit bieten, in weiten Gebieten Süßwasser zu produzieren mit dezentraler Energieversorgung, wie sie für viele wasserarme Gebiete der Welt typisch ist.

Transportkraftwerke. Schiffs- und Marine-Atomanlagen wurden in Russland, den USA, Deutschland, Japan, Großbritannien, Frankreich und China entworfen und gebaut. Das erste zivile Schiff mit Atomantrieb der Welt – der Atomeisbrecher „Lenin“ – wurde 1959 gebaut, und dann wurde eine Reihe von Atomeisbrechern in Dienst gestellt („Arctic“, „Sibirien“, „Russland“, „ Sowjetunion“, „Taimyr“, „Waigach“, „Jamal“) und dem Containerleichtflugzeugträger „Sewmorput“. Die Erfahrungen mit dem zivilen Nuklearschiffbau in anderen Ländern (USA – Savannah, 1962; Deutschland – Otto Gann, 1968; Japan – Mutsu, 1974) waren unvergleichlich geringer.

Der gesamte unfallfreie Betrieb von Kernkraftwerken auf russischen Eisbrechern und leichteren Flugzeugträgern überstieg 160 Reaktorjahre; Die Betriebszeit der Anlagen in den ersten Kernkraftwerken betrug unter Beibehaltung der Betriebsfähigkeit mehr als 100...120.000 Stunden. In den 35 Betriebsjahren nuklearer Eisbrecher und 9 Betriebsjahren der Nordseeroute kam es auf ihnen zu keinem nuklearen oder strahlengefährdenden Zwischenfall, der zu einer Unterbrechung der Reise, einer Gefährdung des Personals oder anderen Gefahren geführt hätte negative Auswirkung auf die Umwelt. Es gab keine Fälle von Berufskrankheiten im Zusammenhang mit der Arbeit in der Reaktoranlage.

Die ersten Atom-U-Boote wurden 1954 in den USA und 1958 in Russland gebaut und an die Flotte ausgeliefert. Anschließend begann der Bau von U-Booten in Großbritannien, Frankreich und China (1963, 1971 bzw. 1974). In Russland wurden zwischen 1957 und 1995 261 Atom-U-Boote gebaut; Der Hauptteil des Atom-U-Bootes verfügt über zwei Kernreaktoren.

Im Rahmen der Rüstungsbegrenzung und -reduzierung stehen unter anderem die Schaffung einer wirksamen Technologie zur Demontage ausgemusterter Atom-U-Boote sowie die Auswahl und wirtschaftliche Begründung neuer Einsatzgebiete wirksamer Technologien für Bordkernkraftwerke auf der Agenda. Zu den letztgenannten gehören:

Schwimmende Kernkraftwerke zur Strom- und Wärmeversorgung abgelegener Regionen ohne zentrale Stromversorgung.

Diese beinhalten

• Nord- und Ostküste Russlands, Gebiete entlang Sibirische Flüsse, einige pazifische Inselstaaten usw.;
• schwimmende Kernkraftwerke zur Meerwasserentsalzung;
• Unterwasserfahrzeuge zur Erforschung der Weltmeere, zur Untersuchung versunkener Schiffe, zur Erschließung von Bodengebieten, zum industriellen Abbau von Eisen-Mangan-Knollen und anderen Mineralien vom Boden von Meeren und Ozeanen.

Entwicklung der Ablagerungen auf dem arktischen Festlandsockel. In den 90ern Im letzten Jahrhundert begann Russland mit der Entwicklung von Projekten zur Erschließung von Lagerstätten auf dem arktischen Festlandsockel. Die gesamten (förderbaren) Kohlenwasserstoffreserven im Arktischen Ozean werden auf 100 Milliarden Tonnen Treibstoffäquivalent geschätzt. Untersuchungen russischer Designorganisationen haben die Möglichkeit gezeigt, Kernenergie zur Lösung einer Vielzahl von Energieversorgungsproblemen für den Offshore-Öl- und Gas-Technologiekreislauf auf dem arktischen Schelf zu nutzen. Es entstanden Projekte zur nuklearen Energieversorgung für die Kohlenwasserstoffproduktion auf Plattformen in der Barentssee, zum Gastransport durch Unterwasser-Gaspipelines über große Entfernungen, zu großvolumigen Unterwasser-Shuttletankern (Projekte eines nuklearen Unterwasser-Eisbrechertankers vom Malachite Design Bureau, St. Petersburg). ; ein nuklearer Unterwassertanker für den Transport von flüssigem Brennstoff von Russland nach Japan, Designbüro „Lazurit“, Nischni Nowgorod).

Im Rahmen des Projekts zur Erschließung des riesigen Shtokman-Gaskondensatfeldes wurde eine Bewertung vorgenommen und die Möglichkeit der Errichtung einer nuklearen Unterwasserstation zum Pumpen von Erdgas durch lange Unterwasser-Gaspipelines in großer Tiefe aufgezeigt. Bei der Planung neuer Anlagen kommen technische Lösungen aus einem umfangreichen Portfolio zum Einsatz Russische Erfahrung Entwurf und Betrieb von Kernkraftwerken mit einem Druckwasserreaktor für Marine und nukleare Eisbrecher.

Kernkraftwerke auf Raumfahrzeugen können als Energiequellen und/oder Motoren an Bord verwendet werden und haben zweifellos Vorteile für Weltraumraketenschiffe bei langen interplanetaren Flügen chemische Quellen und/oder der Fluss der Sonnenstrahlung kann nicht die notwendige Energieversorgung für die Expedition gewährleisten.

In Russland ist eine der Hauptrichtungen bei der Entwicklung von Weltraumkernkraftwerken der Einsatz von Reaktoren mit im Kern eingebauten thermionischen Konvertern – effektive Energiequellen für die Beförderung von Raumfahrzeugen in geostationäre und andere energieintensive Umlaufbahnen mithilfe eines elektrischen Antriebssystems (EPS). ).

Die ersten Flugtests des seit 1956 entwickelten Weltraum-Kernkraftwerks „Buk“ mit einer Leistung von 3 kW(e) mit thermionischen Konvertern fanden im Oktober 1970 statt (AES „Cosmos-367“). Bis 1988, als der Satellit Cosmos-1932 gestartet wurde, wurden 32 Buk-Atomkraftwerke ins All geschickt.

Die seit 1958 durchgeführte Entwicklung des thermionischen Kernkraftwerks „Topaz“ mit einer Leistung von 5...7 kW(e) mit Multielement-Stromerzeugungskanälen (EGC) umfasste (ab 1970) Lebensdauertests am Leistung von sieben Proben von Kernkraftwerken. Der weltweit erste Weltraumstart eines thermionischen Kernkraftwerks fand am 02.02.1987 im Rahmen der Experimentalraumsonde „Plasma-A“ (Satellit „Cosmos-1818“, Umlaufbahnhöhe 810/970 km) statt. Das Kernkraftwerk arbeitete 142 Tage lang im autonomen Modus und erzeugte über 7 kW Strom. Der zweite Start des Kernkraftwerks Topaz erfolgte am 10. Juli 1987 (Satellit Cosmos-1867, Umlaufbahnhöhe 797/813 km). Diese Anlage war 342 Tage lang im Weltraum in Betrieb und erzeugte mehr als 50.000 kWh Strom.

Um das Problem der Schaffung eines Kernkraftwerks zu lösen, wurden umfangreiche Forschungs-, Konstruktions- und technische Entwicklungsarbeiten sowie Vorreaktor- und Reaktortests durchgeführt Raketenantrieb(NPR) mit direkter Wirkung, bei der Wasserstoff, der im Kern auf eine Temperatur von 2500...2800 K erhitzt wird, im Düsenapparat expandiert und einen spezifischen Impuls von etwa 850...900 s liefert. Bodentests von Prototypenreaktoren bestätigten die technische Machbarkeit der Entwicklung nuklearbetriebener Triebwerke mit einer Schubkraft von mehreren zehn (hunderten) Tonnen.

Eines der am meisten bevorzugten Schemata für den Einsatz von Kernreaktoren als Teil von Raumfahrzeugen ist ihre Verwendung für zwei Zwecke: in der Phase des Starts von Raumfahrzeugen aus einer erdnahen Umlaufbahn in eine Betriebsumlaufbahn, normalerweise geostationär, zur Stromversorgung des Antriebsantriebssystems, und in der anschließenden Phase der beabsichtigten Verwendung – um die Bord- und Funktionsausrüstung von Raumfahrzeugen in der endgültigen Umlaufbahn anzutreiben.

Als unkonventioneller Ansatz zur Schaffung eines Kernkraftwerks, das für den Betrieb in zwei Betriebsarten mit deutlich unterschiedlicher elektrischer Leistung von 100...150 kW und 20...30 kW mit einer Lebensdauer von bis zu 15-20 Jahren ausgelegt ist Energia Rocket and Space Corporation schlägt vor neues Prinzip Bau von Kernkraftwerken. Diese Option sieht die Trennung der Funktionen der Umwandlung von thermischer Energie in elektrische Energie im Transportmodus und der vorgesehenen Verwendungsart des Raumfahrzeugs zwischen zwei entsprechenden Konverterntypen vor: einem in den Reaktorkern eingebauten thermionischen Konverter, der zur Stromversorgung dient Das elektrische Antriebssystem (Transportmodus) hat eine kurze Lebensdauer von bis zu 1,5 Jahren und befindet sich außerhalb des Kerns (zur langfristigen Stromversorgung der Raumfahrzeugausrüstung). Die für den Betrieb benötigte Energie wird (im letzteren Fall) durch im Reaktorkern erhitztes Kühlmittel bereitgestellt.

Der Prototyp des thermoelektrischen Generators des betrachteten Dual-Mode-Kernkraftwerks kann ein in den USA entwickelter thermoelektrischer Generator für die SP-100-Anlage sein (ein Kernkraftwerk auf Basis eines Lithium-gekühlten Schnellreaktors, in dem ein Silizium- Als Hauptenergieerzeuger war ein thermoelektrischer Germanium-Wandler vorgesehen.

Forschungsreaktoranlagen. Nach Angaben der IAEA sind im August 2000 288 Forschungsreaktoren in 60 Ländern weltweit in Betrieb, ihre gesamte thermische Leistung beträgt 3205 MW (Abb. B.2.1). Die Zahl der in Betrieb befindlichen Forschungsreaktoren in den wichtigsten Ländern der Welt: Russland – 63, USA – 55, Frankreich – 14, Deutschland – 14, Japan – 20, Kanada – 9, China – 9, Großbritannien – 3.324 Forschungsreaktoren wurden stillgelegt und stillgelegt aufgrund von Erschöpfungsgründen Lebensdauer der wichtigsten technologischen Ausrüstung oder Abschluss geplanter Forschungsprogramme. Davon sind für 21 Reaktoren Projekte und Stilllegungsarbeiten im Gange.

Reis. B.2.1. Anzahl der Forschungsreaktoren weltweit und ihre gesamte thermische Leistung

Gewinnung von Isotopenprodukten. In verschiedenen Geräten und Anlagen werden radioaktive und stabile Nuklide sowie markierte Verbindungen eingesetzt wissenschaftliche Forschung, technische und medizinische Diagnostik, Behandlung und Untersuchung technologischer Prozesse (Tabellen B.2.1 und B.2.2).

Radionuklide werden durch Bestrahlung spezieller Zielmaterialien in Kernreaktoren sowie in Hochstrombeschleunigern für geladene Teilchen – Zyklotronen und Elektronenbeschleunigern – gewonnen (Tabelle B.2.3, B.2.4).

Einige Radionuklide werden als Spaltprodukte aus bestrahltem Kernbrennstoff freigesetzt. Eine Reihe kurzlebiger Radionuklide, die hauptsächlich für medizinische Zwecke bestimmt sind, werden direkt in Kliniken mithilfe sogenannter kurzlebiger Nuklidgeneratoren gewonnen, bei denen es sich um genetisch verwandte Systeme aus zwei Nukliden handelt: einem langlebigen (mütterlichen) und einem kurzlebigen (mütterlichen) lebte (Tochter), die isoliert werden kann, wenn sie sich ansammelt.

Industrielle Anwendungen unterirdischer nuklearer Explosionen(PJV) wird seit den späten 1950er Jahren untersucht. hauptsächlich in der UdSSR und den USA. Anschließend wurde diese Tätigkeit durch internationale Abkommen wie den Vertrag zur Begrenzung unterirdischer Atomwaffentests (1974); der Vertrag über unterirdische Nuklearexplosionen für friedliche Zwecke (1976) sowie das Protokoll zum letztgenannten Vertrag (1990). Gemäß diesen Vereinbarungen sollte die Leistung jedes industriellen Kernkraftwerks 150 kt nicht überschreiten. Die Gesamtstärke aller eingesetzten „friedlichen“ Atomwaffen überschreitet nicht 3...4 Mt.

Im Jahr 1957 am National Livermore Laboratory. Lawrence (USA) wurde auf Initiative von E. Teller und G. Seaborg ein experimentelles Programm „Ploughshare“ entwickelt, in dessen Rahmen in der Zeit bis 1973, als dieses Programm aus technischen und ökologischen Gründen eingestellt wurde, 27 FR. Mögliche Bereiche der praktischen Anwendung von PNEs wurden berücksichtigt: Entwicklung von Ölschiefer im Staat. Colorado, die Vertiefung des Panamakanals, den Bau von Häfen in Alaska und im Nordwesten Australiens, den Bau eines Kanals über die Kra-Landenge in Thailand usw.

Von den 27 Atomsprengstoffen außerhalb des Testgeländes in Stck. Nevada hatte 4 PYVs. Am erfolgreichsten war dabei die Explosion im Jahr 1967 mit dem Ziel, die Gasförderung auf einem Feld in St. Petersburg zu intensivieren. New Mexico, was zu einem siebenfachen Anstieg des Bohrlochdrucks beitrug. Auch 5 Atombomben waren am Testgelände in Stücken erfolgreich. Nevada, durchgeführt für Ausgrabungszwecke (Bodenentladung).

Der Einsatz industrieller Atomwaffen war in der UdSSR viel weiter verbreitet. Seit dem 15. Januar 1965, als auf dem Erdölfeld Grachevskoye in Baschkirien erfolgreich ein Experiment durchgeführt wurde, um den Öl- und Gaszufluss an Produktionsbohrungen mithilfe von PNEs zu intensivieren, wurden bis 1987 115 PNEs durchgeführt (davon 81). -auf dem Territorium Russland).

Sie wurden zur tiefenseismischen Sondierung der Erdkruste und des Erdmantels eingesetzt (39); Intensivierung der Öl- (20) und Gasförderung (1); Bau von unterirdischen Tanks für Kohlenwasserstoff-Rohstoffe (36); Unterdrückung von Notgasfontänen auf den Feldern (5); Erdaushub entlang der Kanaltrasse im Zusammenhang mit der Umsetzung des Projekts zur Umleitung eines Teils des Abflusses nördliche Flüsse der europäische Teil Russlands im Süden (1 dreifaches PJV); Schaffung von Dämmen (2) und Stauseen (9); Zerkleinerung von Erzvorkommen (3); Entsorgung biologisch gefährlicher Industrieabfälle (2); Vermeidung von Gasemissionen in einem Kohlebergwerk (1).