Η πυρηνική και η ατομική ενέργεια είναι ένα και το αυτό. Likbez: Πώς να αποκτήσετε ατομική ενέργεια

1. Εισαγωγή

2.Ραδιενέργεια

3. Πυρηνικοί αντιδραστήρες

4. Τεχνικές πτυχές ενός θερμοπυρηνικού αντιδραστήρα

5. Πυρηνική αντίδραση. Πυρηνική δύναμη.

6.Ακτίνες γάμμα

7.Πυρηνικός αντιδραστήρας

8.Αρχές κατασκευής πυρηνικής ενέργειας

9. Πυρηνική σύντηξη αύριο

10. Συμπέρασμα

11. Λίστα λογοτεχνίας

ΕΙΣΑΓΩΓΗ: τι μελετά η φυσική;

Η φυσική είναι η επιστήμη της φύσης που μελετά τους απλούστερους και ταυτόχρονα τους πιο γενικούς νόμους της φύσης, τη δομή και τους νόμους της κίνησης της ύλης. Η φυσική ταξινομείται ως ακριβής επιστήμη. Οι έννοιες και οι νόμοι του αποτελούν τη βάση της φυσικής επιστήμης. Όρια που χωρίζουν τη φυσική και άλλα φυσικές επιστήμες, είναι ιστορικά υπό όρους. Είναι γενικά αποδεκτό ότι, στον πυρήνα της, η φυσική είναι μια πειραματική επιστήμη, αφού οι νόμοι που ανακαλύφθηκαν από αυτήν βασίζονται σε εμπειρικά καθιερωμένα δεδομένα. Οι φυσικοί νόμοι παρουσιάζονται με τη μορφή ποσοτικών αναλογιών που εκφράζονται στη γλώσσα των μαθηματικών. Γενικά, η φυσική χωρίζεται σε πειραματική, η οποία ασχολείται με τη διεξαγωγή πειραμάτων με σκοπό τη δημιουργία νέων γεγονότων και τη δοκιμή υποθέσεων και γνωστών φυσικών νόμων, και τη θεωρητική, που επικεντρώνεται στη διατύπωση φυσικών νόμων, στην εξήγηση των φυσικών φαινομένων με βάση αυτούς τους νόμους και στην πρόβλεψη νέων φαινομένων. .

Η δομή της φυσικής είναι πολύπλοκη. Περιλαμβάνει διάφορους κλάδους ή ενότητες. Ανάλογα με τα υπό μελέτη αντικείμενα, διακρίνονται η φυσική των στοιχειωδών σωματιδίων, η πυρηνική φυσική, η φυσική των ατόμων και των μορίων, η φυσική αερίων και υγρών, η φυσική πλάσματος και η φυσική στερεάς κατάστασης. Ανάλογα με τις διεργασίες ή τις μορφές κίνησης της ύλης που μελετήθηκαν, η μηχανική των υλικών σημείων και των στερεών, η μηχανική των συνεχών μέσων (συμπεριλαμβανομένης της ακουστικής), η θερμοδυναμική και η στατιστική μηχανική, η ηλεκτροδυναμική (συμπεριλαμβανομένης της οπτικής), η θεωρία της βαρύτητας, κβαντική μηχανικήκαι η κβαντική θεωρία πεδίου. Ανάλογα με τον καταναλωτή προσανατολισμό της γνώσης που αποκτήθηκε, διακρίνονται η θεμελιώδης και η εφαρμοσμένη φυσική. Συνηθίζεται επίσης να ξεχωρίζουμε το δόγμα των δονήσεων και των κυμάτων, το οποίο εξετάζει τις μηχανικές, ακουστικές, ηλεκτρικές και οπτικές δονήσεις και τα κύματα από μία μόνο οπτική γωνία. Η φυσική βασίζεται σε θεμελιώδεις φυσικές αρχές και θεωρίες που καλύπτουν όλους τους κλάδους της φυσικής και αντικατοπτρίζουν πλήρως την ουσία της φυσικά φαινόμενακαι τις διαδικασίες της πραγματικότητας.

Από τους πρώιμους πολιτισμούς που προέκυψαν στις όχθες του Τίγρη, του Ευφράτη και του Νείλου (Βαβυλώνα, Ασσυρία, Αίγυπτος), δεν υπάρχουν στοιχεία για επιτεύγματα στον τομέα της φυσικής γνώσης, με εξαίρεση αυτά που ενσωματώνονται σε αρχιτεκτονικές κατασκευές, οικιακές κ.λπ. . προϊόντα γνώσης. Κατασκευάζοντας διάφορα είδη κατασκευών και κατασκευάζοντας οικιακά είδη, όπλα κ.λπ., οι άνθρωποι χρησιμοποίησαν ορισμένα αποτελέσματα πολυάριθμων φυσικών παρατηρήσεων, τεχνικών πειραμάτων και γενικεύσεών τους. Μπορεί να ειπωθεί ότι κάποια εμπειρική φυσική γνώση υπήρχε, αλλά δεν υπήρχε σύστημα φυσικής γνώσης.

Οι φυσικές αναπαραστάσεις στην αρχαία Κίνα εμφανίστηκαν επίσης με βάση διάφορες τεχνικές δραστηριότητες, κατά τις οποίες αναπτύχθηκαν διάφορες τεχνολογικές συνταγές. Φυσικά, πρώτα απ 'όλα, αναπτύχθηκαν μηχανικές παραστάσεις. Έτσι, οι Κινέζοι είχαν ιδέες για τη δύναμη (τι σε κάνει να κινείσαι), την αντεπίδραση (τι σταματά την κίνηση), το μοχλό, το μπλοκ, τη σύγκριση βαρών (σύγκριση με το πρότυπο). Στον τομέα της οπτικής, οι Κινέζοι είχαν μια ιδέα για το σχηματισμό μιας αντίστροφης εικόνας σε μια "camera obscura". Ήδη τον έκτο αιώνα π.Χ. γνώριζαν τα φαινόμενα του μαγνητισμού - την έλξη του σιδήρου από έναν μαγνήτη, βάσει του οποίου δημιουργήθηκε η πυξίδα. Στον τομέα της ακουστικής γνώριζαν τους νόμους της αρμονίας, τα φαινόμενα της αντήχησης. Αλλά αυτές ήταν ακόμα εμπειρικές ιδέες που δεν είχαν θεωρητική εξήγηση.

ΣΕ αρχαία ΙνδίαΗ βάση των φυσικών φιλοσοφικών ιδεών είναι το δόγμα των πέντε στοιχείων - γη, νερό, φωτιά, αέρας και αιθέρας. Υπήρχε επίσης μια εικασία για την ατομική δομή της ύλης. Αναπτύχθηκαν πρωτότυπες ιδέες για ιδιότητες της ύλης όπως η βαρύτητα, η ρευστότητα, το ιξώδες, η ελαστικότητα κ.λπ., σχετικά με την κίνηση και τις αιτίες που την προκαλούν. Μέχρι τον VI αιώνα. ΠΡΟ ΧΡΙΣΤΟΥ. οι εμπειρικές φυσικές έννοιες σε ορισμένες περιοχές δείχνουν μια τάση μετάβασης σε πρωτότυπες θεωρητικές κατασκευές (στην οπτική, την ακουστική).

Το φαινόμενο της ραδιενέργειας ή της αυθόρμητης αποσύνθεσης των πυρήνων ανακαλύφθηκε από τον Γάλλο φυσικό A. Becquerel το 1896. Ανακάλυψε ότι το ουράνιο και οι ενώσεις του εκπέμπουν ακτίνες ή σωματίδια που διαπερνούν αδιαφανή σώματα και μπορούν να φωτίσουν μια φωτογραφική πλάκα, ο Becquerel διαπίστωσε ότι η ακτινοβολία η ένταση είναι ανάλογη μόνο με τη συγκέντρωση ουρανίου και δεν εξαρτάται από εξωτερικές συνθήκες(θερμοκρασία, πίεση) και εάν το ουράνιο περιέχεται σε κάποια χημική ένωση.

Οι Άγγλοι φυσικοί E. Rutherford και F. Soddy απέδειξαν ότι σε όλες τις ραδιενεργές διεργασίες υπάρχουν αμοιβαίοι μετασχηματισμοί των ατομικών πυρήνων των χημικών στοιχείων. Μια μελέτη των ιδιοτήτων της ακτινοβολίας που συνοδεύει αυτές τις διεργασίες σε μαγνητικά και ηλεκτρικά πεδία έδειξε ότι χωρίζεται σε σωματίδια α (πυρήνες ηλίου), σωματίδια β (ηλεκτρόνια) και ακτίνες g (ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία με πολύ μικρό μήκος κύματος). .

Ένας ατομικός πυρήνας που εκπέμπει g-κβάντα, a-, b- ή άλλα σωματίδια, ονομάζεται ραδιενεργό πυρήνα. Υπάρχουν 272 σταθεροί ατομικοί πυρήνες στη φύση. Όλοι οι άλλοι πυρήνες είναι ραδιενεργοί και ονομάζονται ραδιοϊσότοπα.

Η ενέργεια δέσμευσης του πυρήνα χαρακτηρίζει την αντίστασή του στη διάσπαση σε συστατικά μέρη. Εάν η ενέργεια δέσμευσης του πυρήνα είναι μικρότερη από την ενέργεια δέσμευσης των προϊόντων διάσπασής του, τότε αυτό σημαίνει ότι ο πυρήνας μπορεί αυθόρμητα (αυθόρμητα) να αποσυντεθεί. Κατά τη διάσπαση άλφα, τα σωματίδια άλφα παρασύρουν σχεδόν όλη την ενέργεια και μόνο το 2% αυτής πέφτει στον δευτερεύοντα πυρήνα. Στην άλφα διάσπαση, ο μαζικός αριθμός αλλάζει κατά 4 μονάδες και ο ατομικός αριθμός κατά δύο μονάδες.

Η αρχική ενέργεια ενός σωματιδίου άλφα είναι 4-10 MeV. Δεδομένου ότι τα σωματίδια άλφα έχουν μεγάλη μάζα και φορτίο, η μέση ελεύθερη διαδρομή τους στον αέρα είναι μικρή. Έτσι, για παράδειγμα, η μέση ελεύθερη διαδρομή στον αέρα των σωματιδίων άλφα που εκπέμπονται από έναν πυρήνα ουρανίου είναι 2,7 cm και εκείνων που εκπέμπονται από το ράδιο είναι 3,3 cm.

Αυτή είναι η διαδικασία μετατροπής ενός ατομικού πυρήνα σε άλλο πυρήνα με αλλαγή στον σειριακό αριθμό χωρίς αλλαγή του μαζικού αριθμού. Υπάρχουν τρεις τύποι β-διάσπασης: ηλεκτρονική, ποζιτρονίων και σύλληψη ενός τροχιακού ηλεκτρονίου από έναν ατομικό πυρήνα. ο τύπος της τελευταίας αποσύνθεσης ονομάζεται επίσης κοινώς ΠΡΟΣ ΤΗΝ- σύλληψη, αφού σε αυτή την περίπτωση η απορρόφηση ενός ηλεκτρονίου από το πλησιέστερο προς τον πυρήνα ΠΡΟΣ ΤΗΝκοχύλια. Απορρόφηση ηλεκτρονίων από μεγάλοΚαι Μκοχύλια είναι επίσης δυνατή, αλλά λιγότερο πιθανό. Ο χρόνος ημιζωής των β-ενεργών πυρήνων ποικίλλει σε πολύ μεγάλο εύρος.

Ο αριθμός των βήτα-ενεργών πυρήνων που είναι σήμερα γνωστός είναι περίπου μιάμιση χιλιάδες, αλλά μόνο 20 από αυτούς είναι φυσικά βήτα-ραδιενεργά ισότοπα. Όλα τα υπόλοιπα λαμβάνονται τεχνητά.

Η συνεχής κατανομή κινητικής ενέργειας των ηλεκτρονίων που εκπέμπονται κατά τη διάσπαση εξηγείται από το γεγονός ότι, μαζί με το ηλεκτρόνιο, εκπέμπεται και ένα αντινετρίνο. Αν δεν υπήρχαν αντινετρίνα, τότε τα ηλεκτρόνια θα είχαν μια αυστηρά καθορισμένη ορμή, ίση με την ορμή του υπολειπόμενου πυρήνα. Παρατηρείται μια απότομη διακοπή στο φάσμα σε μια τιμή κινητικής ενέργειας ίση με την ενέργεια της διάσπασης βήτα. Σε αυτή την περίπτωση, οι κινητικές ενέργειες του πυρήνα και των αντινετρίνων είναι ίσες με μηδέν και το ηλεκτρόνιο μεταφέρει όλη την ενέργεια που απελευθερώνεται κατά την αντίδραση.

Κατά τη διάρκεια της ηλεκτρονικής αποσύνθεσης, ο υπολειπόμενος πυρήνας έχει έναν σειριακό αριθμό περισσότερο από τον αρχικό, ενώ διατηρεί τον αριθμό μάζας. Αυτό σημαίνει ότι στον υπολειπόμενο πυρήνα ο αριθμός των πρωτονίων έχει αυξηθεί κατά ένα, ενώ ο αριθμός των νετρονίων, αντίθετα, έχει μειωθεί: Ν=Α-(Ζ+1).

Στη διάσπαση ποζιτρονίων, ο συνολικός αριθμός των νουκλεονίων διατηρείται, αλλά στον τελικό πυρήνα υπάρχει ένα νετρόνιο περισσότερο από τον αρχικό. Έτσι, η διάσπαση ποζιτρονίων μπορεί να ερμηνευθεί ως αντίδραση μετασχηματισμού μέσα στον πυρήνα ενός πρωτονίου σε νετρόνιο με την εκπομπή ενός ποζιτρονίου και ενός νετρίνου.

ΠΡΟΣ ΤΗΝ ηλεκτρονική σύλληψηαναφέρεται στη διαδικασία απορρόφησης από ένα άτομο ενός από τα τροχιακά ηλεκτρόνια του ατόμου του. Δεδομένου ότι η σύλληψη ενός ηλεκτρονίου από μια τροχιά πιο κοντά στον πυρήνα είναι πιο πιθανή, τα ηλεκτρόνια είναι πιο πιθανό να απορροφηθούν ΠΡΟΣ ΤΗΝ- κοχύλια. Επομένως, αυτή η διαδικασία ονομάζεται επίσης ΠΡΟΣ ΤΗΝ- πιάνω.

Πολύ λιγότερο πιθανό να συλλάβει ηλεκτρόνια από μεγάλο-,Μ- κοχύλια. Μετά τη σύλληψη ενός ηλεκτρονίου από ΠΡΟΣ ΤΗΝ-κέλυφος, συμβαίνει μια σειρά από μεταβάσεις ηλεκτρονίων από τροχιά σε τροχιά, σχηματίζεται μια νέα ατομική κατάσταση, εκπέμπεται ένα κβάντο ακτίνων Χ.

Οι σταθεροί πυρήνες βρίσκονται στη χαμηλότερη ενεργειακή κατάσταση. Αυτή η κατάσταση ονομάζεται κύρια κατάσταση. Ωστόσο, ακτινοβολώντας ατομικούς πυρήνες με διάφορα σωματίδια ή πρωτόνια υψηλής ενέργειας, μια ορισμένη ενέργεια μπορεί να μεταφερθεί σε αυτούς και, κατά συνέπεια, να μεταφερθούν σε καταστάσεις που αντιστοιχούν σε υψηλότερη ενέργεια. Περνώντας μετά από κάποιο χρονικό διάστημα από μια διεγερμένη κατάσταση στη θεμελιώδη κατάσταση, ο ατομικός πυρήνας μπορεί να εκπέμψει είτε ένα σωματίδιο, εάν η ενέργεια διέγερσης είναι αρκετά υψηλή, είτε ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία υψηλής ενέργειας - ένα κβαντικό γάμμα.

Δεδομένου ότι ο διεγερμένος πυρήνας βρίσκεται σε διακριτές ενεργειακές καταστάσεις, η ακτινοβολία γάμμα χαρακτηρίζεται επίσης από ένα φάσμα γραμμής.

Η σχάση των βαρέων πυρήνων παράγει αρκετά ελεύθερα νετρόνια. Αυτό καθιστά δυνατή την οργάνωση της λεγόμενης αλυσιδωτής αντίδρασης σχάσης, όταν τα νετρόνια, που διαδίδονται σε ένα μέσο που περιέχει βαρέα στοιχεία, μπορούν να προκαλέσουν τη σχάση τους με την εκπομπή νέων ελεύθερων νετρονίων. Εάν το περιβάλλον είναι τέτοιο που ο αριθμός των νεογέννητων νετρονίων αυξάνεται, τότε η διαδικασία της σχάσης μεγαλώνει σαν χιονοστιβάδα. Στην περίπτωση που ο αριθμός των νετρονίων μειώνεται κατά τις επόμενες σχάσεις, η πυρηνική αλυσιδωτή αντίδραση διασπάται.

Για να ληφθεί μια σταθερή πυρηνική αλυσιδωτή αντίδραση, προφανώς, είναι απαραίτητο να δημιουργηθούν τέτοιες συνθήκες ώστε κάθε πυρήνας που έχει απορροφήσει ένα νετρόνιο να απελευθερώνει, κατά μέσο όρο, ένα νετρόνιο κατά τη σχάση, το οποίο πηγαίνει στη σχάση του δεύτερου βαρύ πυρήνα.

Ένας πυρηνικός αντιδραστήρας είναι μια συσκευή στην οποία πραγματοποιείται και διατηρείται μια ελεγχόμενη αλυσιδωτή αντίδραση σχάσης ορισμένων βαρέων πυρήνων.

Μια πυρηνική αλυσιδωτή αντίδραση σε έναν αντιδραστήρα μπορεί να πραγματοποιηθεί μόνο με έναν ορισμένο αριθμό σχάσιμων πυρήνων, οι οποίοι μπορούν να διασπαστούν σε οποιαδήποτε ενέργεια νετρονίων. Από τα σχάσιμα υλικά, το πιο σημαντικό είναι το ισότοπο 235 U, του οποίου το μερίδιο στο φυσικό ουράνιο είναι μόλις 0,714%.

Αν και το 238 U διαιρείται με νετρόνια των οποίων η ενέργεια υπερβαίνει το 1,2 MeV, ωστόσο, μια αυτοσυντηρούμενη αλυσιδωτή αντίδραση σε γρήγορα νετρόνια στο φυσικό ουράνιο δεν είναι δυνατή λόγω της μεγάλης πιθανότητας ανελαστικής αλληλεπίδρασης πυρήνων 238 U με γρήγορα νετρόνια. Σε αυτή την περίπτωση, η ενέργεια νετρονίων γίνεται χαμηλότερη από την ενέργεια κατωφλίου σχάσης των 238 U πυρήνων.

Η χρήση ενός συντονιστή οδηγεί σε μείωση της απορρόφησης συντονισμού στα 238 U, καθώς ένα νετρόνιο μπορεί να περάσει από την περιοχή συντονιστικών ενεργειών ως αποτέλεσμα σύγκρουσης με πυρήνες συντονισμού και να απορροφηθεί από πυρήνες 235 U, 239 Pu, 233 U, η διατομή σχάσης του οποίου αυξάνεται σημαντικά με τη μείωση της ενέργειας νετρονίων. Ως συντονιστές χρησιμοποιούνται υλικά με μικρό αριθμό μάζας και μικρή διατομή απορρόφησης (νερό, γραφίτης, βηρύλλιο κ.λπ.).

Για να χαρακτηριστεί μια αλυσιδωτή αντίδραση σχάσης, χρησιμοποιείται μια ποσότητα που ονομάζεται συντελεστής πολλαπλασιασμού Κ. Αυτή είναι η αναλογία του αριθμού των νετρονίων μιας συγκεκριμένης γενιάς προς τον αριθμό των νετρονίων της προηγούμενης γενιάς. Για μια στατική αλυσιδωτή αντίδραση σχάσης, K=1. Ένα σύστημα αναπαραγωγής (αντιδραστήρας) στο οποίο K=1 ονομάζεται κρίσιμο. Εάν K > 1, ο αριθμός των νετρονίων στο σύστημα αυξάνεται, και στην περίπτωση αυτή ονομάζεται υπερκρίσιμο. Στο Κ< 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.

Στον πυρήνα ενός αντιδραστήρα θερμικών νετρονίων, μαζί με το πυρηνικό καύσιμο, υπάρχει μια σημαντική μάζα ενός μετριαστή, μιας ουσίας που χαρακτηρίζεται από μεγάλη διατομή σκέδασης και μικρή διατομή απορρόφησης.

Ο πυρήνας του αντιδραστήρα σχεδόν πάντα, με εξαίρεση τους ειδικούς αντιδραστήρες, περιβάλλεται από έναν ανακλαστήρα που επιστρέφει μέρος των νευρώνων στον πυρήνα λόγω πολλαπλής σκέδασης.

Σε αντιδραστήρες που βασίζονται σε γρήγορους νευρώνες, η ενεργή ζώνη περιβάλλεται από ζώνες αναπαραγωγής. Συσσωρεύουν σχάσιμα ισότοπα. Επιπλέον, οι ζώνες αναπαραγωγής εκτελούν επίσης τις λειτουργίες ενός ανακλαστήρα.

Σε έναν πυρηνικό αντιδραστήρα υπάρχει συσσώρευση προϊόντων σχάσης, τα οποία ονομάζονται σκωρίες. Η παρουσία σκωρίας οδηγεί σε πρόσθετες απώλειες ελεύθερων νετρονίων.

Οι πυρηνικοί αντιδραστήρες, ανάλογα με την αμοιβαία διάταξη καυσίμου και συντονιστή, χωρίζονται σε ομοιογενείς και ετερογενείς. Σε έναν ομοιογενή αντιδραστήρα, ο πυρήνας είναι μια ομοιογενής μάζα καυσίμου, μέσου ελέγχου και ψυκτικού με τη μορφή διαλύματος, μείγματος ή τήγματος. Ένας αντιδραστήρας ονομάζεται ετερογενής, στον οποίο το καύσιμο με τη μορφή μπλοκ ή συγκροτημάτων καυσίμου τοποθετείται στον συντονιστή, σχηματίζοντας ένα κανονικό γεωμετρικό πλέγμα σε αυτόν.

Κατά τη λειτουργία του αντιδραστήρα, απελευθερώνεται θερμότητα σε θερμοαφαιρούμενα στοιχεία (στοιχεία καυσίμου), καθώς και σε όλα τα δομικά στοιχεία του, σε διάφορες ποσότητες. Αυτό οφείλεται, πρώτα απ 'όλα, στην αναστολή των θραυσμάτων σχάσης, της ακτινοβολίας βήτα και γάμμα τους, καθώς και των πυρήνων που αλληλεπιδρούν με τους νευρώνες και, τέλος, στην επιβράδυνση των ταχέων νευρώνων. Τα θραύσματα στη σχάση του πυρήνα του καυσίμου ταξινομούνται σύμφωνα με ταχύτητες που αντιστοιχούν σε θερμοκρασίες εκατοντάδων δισεκατομμυρίων βαθμών.

Πράγματι, E= mu 2 = 3RT, όπου E είναι η κινητική ενέργεια των θραυσμάτων, MeV; R \u003d 1,38 10 -23 J / K - σταθερά Boltzmann. Λαμβάνοντας υπόψη ότι 1 MeV = 1,6 10 -13 J, λαμβάνουμε 1,6 10 -6 E = 2,07 10 -16 T, T = 7,7 10 9 E. Οι πιο πιθανές τιμές ενέργειας για σχάσεις θραυσμάτων είναι 97 MeV για ένα ελαφρύ θραύσμα και 65 MeV για ένα βαρύ. Τότε η αντίστοιχη θερμοκρασία για ένα ελαφρύ θραύσμα είναι 7,5 10 11 Κ, για ένα βαρύ - 5 10 11 Κ. Αν και η θερμοκρασία που μπορεί να επιτευχθεί σε έναν πυρηνικό αντιδραστήρα είναι θεωρητικά σχεδόν απεριόριστη, στην πράξη οι περιορισμοί καθορίζονται από τη μέγιστη επιτρεπόμενη θερμοκρασία του δομικού υλικά και στοιχεία καυσίμου.

Ένα χαρακτηριστικό ενός πυρηνικού αντιδραστήρα είναι ότι το 94% της ενέργειας σχάσης μετατρέπεται σε θερμότητα αμέσως, δηλ. κατά τη διάρκεια του χρόνου κατά τον οποίο η ισχύς του αντιδραστήρα ή η πυκνότητα των υλικών σε αυτόν δεν έχει χρόνο να αλλάξει αισθητά. Επομένως, όταν αλλάζει η ισχύς του αντιδραστήρα, η απελευθέρωση θερμότητας ακολουθεί τη διαδικασία σχάσης του καυσίμου χωρίς καθυστέρηση. Ωστόσο, όταν ο αντιδραστήρας είναι απενεργοποιημένος, όταν ο ρυθμός σχάσης μειώνεται κατά περισσότερες από δεκάδες φορές, παραμένουν σε αυτόν πηγές καθυστερημένης απελευθέρωσης θερμότητας (ακτινοβολία γάμμα και βήτα προϊόντων σχάσης), οι οποίες καθίστανται κυρίαρχες.

Η ισχύς ενός πυρηνικού αντιδραστήρα είναι ανάλογη με την πυκνότητα ροής νευρώνων σε αυτόν, επομένως οποιαδήποτε ισχύς είναι θεωρητικά εφικτή. Στην πράξη, η περιοριστική ισχύς καθορίζεται από τον ρυθμό απομάκρυνσης της θερμότητας που απελευθερώνεται στον αντιδραστήρα. Η ειδική αφαίρεση θερμότητας στους σύγχρονους αντιδραστήρες ισχύος είναι 10 2 - 10 3 MW / m 3, σε vortex - 10 4 - 10 5 MW / m 3.

Η θερμότητα απομακρύνεται από τον αντιδραστήρα μέσω του ψυκτικού που κυκλοφορεί μέσω αυτού. Ένα χαρακτηριστικό γνώρισμα του αντιδραστήρα είναι η υπολειπόμενη θερμότητα μετά τον τερματισμό της αντίδρασης σχάσης, η οποία απαιτεί απομάκρυνση θερμότητας για μεγάλο χρονικό διάστημα μετά τη διακοπή του αντιδραστήρα. Αν και η υπολειπόμενη θερμότητα είναι πολύ μικρότερη από την ονομαστική, η κυκλοφορία του ψυκτικού μέσω του αντιδραστήρα πρέπει να διασφαλίζεται πολύ αξιόπιστα, καθώς η θερμότητα διάσπασης δεν μπορεί να ελεγχθεί. Η αφαίρεση του ψυκτικού από έναν αντιδραστήρα που λειτουργεί εδώ και αρκετό καιρό απαγορεύεται αυστηρά για να αποφευχθεί η υπερθέρμανση και η ζημιά στα στοιχεία καυσίμου.

Ένας αντιδραστήρας πυρηνικής ενέργειας είναι μια συσκευή στην οποία πραγματοποιείται μια ελεγχόμενη αλυσιδωτή αντίδραση πυρηνικής σχάσης βαρέων στοιχείων και η θερμική ενέργεια που απελευθερώνεται κατά τη διάρκεια αυτής αφαιρείται από το ψυκτικό υγρό. Το κύριο στοιχείο ενός πυρηνικού αντιδραστήρα είναι ο πυρήνας. Στεγάζει πυρηνικά καύσιμα και πραγματοποιεί μια αλυσιδωτή αντίδραση σχάσης. Η ενεργή ζώνη είναι ένα σύνολο στοιχείων καυσίμου που περιέχουν πυρηνικά καύσιμα τοποθετημένα με συγκεκριμένο τρόπο. Οι αντιδραστήρες θερμικών νετρονίων χρησιμοποιούν έναν συντονιστή. Ένα ψυκτικό υγρό ταλαντεύεται μέσω του πυρήνα, ψύχοντας τα στοιχεία καυσίμου. Σε ορισμένους τύπους αντιδραστήρων, ο ρόλος του συντονιστή και του ψυκτικού εκτελείται από την ίδια ουσία, για παράδειγμα, συνηθισμένο ή βαρύ νερό. Για

Για τον έλεγχο της λειτουργίας του αντιδραστήρα, εισάγονται στον πυρήνα ράβδοι ελέγχου από υλικά με μεγάλη διατομή απορρόφησης νετρονίων. Ο πυρήνας των αντιδραστήρων ισχύος περιβάλλεται από έναν ανακλαστήρα νετρονίων - ένα στρώμα υλικού συντονισμού για τη μείωση της διαρροής νετρονίων από τον πυρήνα. Επιπλέον, χάρη στον ανακλαστήρα, η πυκνότητα νετρονίων και η απελευθέρωση ενέργειας εξισώνονται σε σχέση με τον όγκο του πυρήνα, γεγονός που καθιστά δυνατή την απόκτηση μεγαλύτερης ισχύος για τα δεδομένα μεγέθη ζώνης, την επίτευξη πιο ομοιόμορφης καύσης καυσίμου και την αύξηση της διάρκειας του αντιδραστήρα χωρίς ανεφοδιασμό καυσίμου και για την απλοποίηση του συστήματος απομάκρυνσης θερμότητας. Ο ανακλαστήρας θερμαίνεται λόγω της ενέργειας της επιβράδυνσης και της απορρόφησης νετρονίων και γάμμα κβαντών, επομένως, παρέχεται η ψύξη του. Ο πυρήνας, ο ανακλαστήρας και άλλα στοιχεία στεγάζονται σε ένα ερμητικά σφραγισμένο περίβλημα ή περίβλημα, που συνήθως περιβάλλεται από βιολογική θωράκιση.

Ο πυρήνας του αντιδραστήρα πρέπει να είναι σχεδιασμένος κατά τρόπο που να αποκλείει την πιθανότητα απρόβλεπτης μετακίνησης των συστατικών του, που οδηγεί σε αύξηση της αντιδραστικότητας. Το κύριο δομικό μέρος ενός ετερογενούς πυρήνα είναι ένα στοιχείο καυσίμου, το οποίο καθορίζει σε μεγάλο βαθμό την αξιοπιστία, τις διαστάσεις και το κόστος του. Στους αντιδραστήρες ισχύος, κατά κανόνα, οι ράβδοι καυσίμου χρησιμοποιούνται με καύσιμο με τη μορφή συμπιεσμένων σφαιριδίων διοξειδίου του ουρανίου που περικλείονται σε κέλυφος από χάλυβα ή κράμα ζιρκονίου. Για ευκολία, τα στοιχεία καυσίμου συναρμολογούνται σε συγκροτήματα καυσίμου (FA), τα οποία είναι εγκατεστημένα στον πυρήνα ενός πυρηνικού αντιδραστήρα.

Στις ράβδους καυσίμου, το κύριο μερίδιο της θερμικής ενέργειας παράγεται και μεταφέρεται στο ψυκτικό. Περισσότερο από το 90% της ενέργειας που απελευθερώνεται κατά τη σχάση των βαρέων πυρήνων απελευθερώνεται μέσα στα στοιχεία καυσίμου και απομακρύνεται από το ψυκτικό που ρέει γύρω από τα στοιχεία καυσίμου. Τα στοιχεία καυσίμου λειτουργούν σε πολύ σοβαρές θερμικές συνθήκες: η μέγιστη πυκνότητα ροής θερμότητας από το στοιχείο καυσίμου στο ψυκτικό υγρό φτάνει (1 - 2) 10 6 W / m 2, ενώ στους σύγχρονους λέβητες ατμού είναι (2 - 3) 10 5 W / m 2. Επιπλέον, μια μεγάλη ποσότητα θερμότητας απελευθερώνεται σε σχετικά μικρό όγκο πυρηνικού καυσίμου. η ενεργειακή ένταση του πυρηνικού καυσίμου είναι επίσης πολύ υψηλή. Η ειδική έκλυση θερμότητας στον πυρήνα φτάνει τα 10 8 -10 9 W/m 3 , ενώ στους σύγχρονους ατμολέβητες δεν ξεπερνά τα 10 7 W/m 3 .

Οι μεγάλες ροές θερμότητας που διέρχονται από την επιφάνεια των στοιχείων καυσίμου και η σημαντική ενεργειακή πυκνότητα του καυσίμου απαιτούν εξαιρετικά υψηλή αντοχή και αξιοπιστία των στοιχείων καυσίμου. Επιπλέον, οι συνθήκες λειτουργίας των στοιχείων καυσίμου περιπλέκονται από την υψηλή θερμοκρασία λειτουργίας, που φτάνει τους 300 - 600 C o στην επιφάνεια του κελύφους, την πιθανότητα θερμικών κραδασμών, κραδασμούς, παρουσία ροής νετρονίων (η ροή φτάνει τα 10 27 νετρονίων/ m 2).

Υψηλές τεχνικές απαιτήσεις επιβάλλονται στις ράβδους καυσίμου: απλότητα σχεδιασμού. μηχανική σταθερότητα και αντοχή στη ροή του ψυκτικού υγρού, εξασφαλίζοντας τη διατήρηση των διαστάσεων και της στεγανότητας. χαμηλή απορρόφηση νετρονίων από το δομικό υλικό της ράβδου καυσίμου και ελάχιστο δομικό υλικό στον πυρήνα. καμία αλληλεπίδραση πυρηνικού καυσίμου και προϊόντων σχάσης με την επένδυση καυσίμου, το ψυκτικό υγρό και τον συντονιστή σε θερμοκρασίες λειτουργίας. Το γεωμετρικό σχήμα του στοιχείου καυσίμου πρέπει να εξασφαλίζει την απαιτούμενη αναλογία επιφάνειας και όγκου και τη μέγιστη ένταση απομάκρυνσης θερμότητας από το ψυκτικό από ολόκληρη την επιφάνεια του στοιχείου καυσίμου, καθώς και να εγγυάται μεγάλο βάθος καύσης πυρηνικού καυσίμου και υψηλή βαθμός κατακράτησης προϊόντων σχάσης. Οι ράβδοι καυσίμου πρέπει να έχουν αντίσταση στην ακτινοβολία, να έχουν τις απαιτούμενες διαστάσεις και σχεδιασμό, παρέχοντας τη δυνατότητα γρήγορης εκτέλεσης εργασιών ανεφοδιασμού. έχουν την απλότητα και την αποτελεσματικότητα της αναγέννησης πυρηνικών καυσίμων και το χαμηλό κόστος.

Για λόγους ασφαλείας, οι επενδύσεις καυσίμου θα πρέπει να σφραγίζονται αξιόπιστα κατά τη διάρκεια ολόκληρης της περιόδου λειτουργίας του πυρήνα (3-5 χρόνια) και στη συνέχεια αποθήκευσης των στοιχείων αναλωμένου καυσίμου μέχρι να σταλούν για επανεπεξεργασία (1-3 χρόνια). Κατά το σχεδιασμό του πυρήνα, είναι απαραίτητο να καθοριστούν και να αιτιολογηθούν εκ των προτέρων τα επιτρεπτά όρια ζημιάς στα στοιχεία καυσίμου (ο αριθμός και ο βαθμός βλάβης). Ο πυρήνας είναι σχεδιασμένος με τέτοιο τρόπο ώστε κατά τη λειτουργία καθ' όλη την εκτιμώμενη διάρκεια ζωής του, να μην ξεπερνιούνται τα καθορισμένα όρια για ζημιά στα στοιχεία καυσίμου. Η συμμόρφωση με αυτές τις απαιτήσεις διασφαλίζεται από το σχεδιασμό του πυρήνα, την ποιότητα του ψυκτικού υγρού, τα χαρακτηριστικά και την αξιοπιστία του συστήματος απομάκρυνσης θερμότητας. Κατά τη λειτουργία, είναι δυνατή η στεγανότητα της επένδυσης μεμονωμένων στοιχείων καυσίμου. Υπάρχουν δύο τύποι τέτοιας παραβίασης: ο σχηματισμός μικρορωγμών μέσω των οποίων τα αέρια προϊόντα σχάσης εξέρχονται από το στοιχείο καυσίμου στο ψυκτικό υγρό (ελάττωμα του τύπου πυκνότητας αερίου). την εμφάνιση ελαττωμάτων στα οποία είναι δυνατή η άμεση επαφή του καυσίμου με το ψυκτικό.

Οι συνθήκες λειτουργίας των ράβδων καυσίμου καθορίζονται σε μεγάλο βαθμό από τον σχεδιασμό του πυρήνα, ο οποίος θα πρέπει να παρέχει τη σχεδιαστική γεωμετρία των ράβδων καυσίμου και ό,τι είναι απαραίτητο από την άποψη των συνθηκών θερμοκρασίας για την κατανομή του ψυκτικού. Πρέπει να διατηρείται σταθερή ροή ψυκτικού μέσω του πυρήνα κατά τη λειτουργία του αντιδραστήρα από την ισχύ, η οποία εγγυάται αξιόπιστη απομάκρυνση θερμότητας. Ο πυρήνας πρέπει να είναι εξοπλισμένος με αισθητήρες μέσα στο χειριστήριο του αντιδραστήρα, οι οποίοι παρέχουν πληροφορίες για την κατανομή της ισχύος, τη ροή νετρονίων, τις συνθήκες θερμοκρασίας των στοιχείων καυσίμου και τη ροή του ψυκτικού.

Ο πυρήνας ενός αντιδραστήρα ισχύος πρέπει να είναι σχεδιασμένος με τέτοιο τρόπο ώστε ο εσωτερικός μηχανισμός αλληλεπίδρασης μεταξύ φυσικών και θερμοφυσικών διεργασιών νετρονίων να θέτει ένα νέο ασφαλές επίπεδο ισχύος κάτω από οποιεσδήποτε διαταραχές στον συντελεστή πολλαπλασιασμού. Στην πράξη, η ασφάλεια ενός πυρηνικού σταθμού εξασφαλίζεται, αφενός, από τη σταθερότητα του αντιδραστήρα (μείωση του συντελεστή πολλαπλασιασμού με την αύξηση της θερμοκρασίας και της ισχύος του πυρήνα) και, αφετέρου, από την αξιοπιστία του αυτόματου συστήματος ελέγχου και προστασίας.

Προκειμένου να διασφαλιστεί η ασφάλεια σε βάθος, ο σχεδιασμός του πυρήνα και τα χαρακτηριστικά του πυρηνικού καυσίμου πρέπει να αποκλείουν τη δυνατότητα σχηματισμού κρίσιμων μαζών σχάσιμων υλικών κατά την καταστροφή του πυρήνα και την τήξη του πυρηνικού καυσίμου. Κατά το σχεδιασμό του πυρήνα, θα πρέπει να είναι δυνατή η εισαγωγή ενός απορροφητή νετρονίων για να σταματήσει την αλυσιδωτή αντίδραση σε κάθε περίπτωση που σχετίζεται με παραβίαση της ψύξης του πυρήνα.

Ο πυρήνας, ο οποίος περιέχει μεγάλους όγκους πυρηνικού καυσίμου για την αντιστάθμιση της καύσης, της δηλητηρίασης και της επίδρασης της θερμοκρασίας, έχει, όπως ήταν, αρκετές κρίσιμες μάζες. Επομένως, κάθε κρίσιμος όγκος καυσίμου πρέπει να εφοδιάζεται με μέσα αντιστάθμισης της αντιδραστικότητας. Θα πρέπει να τοποθετηθούν στον πυρήνα με τέτοιο τρόπο ώστε να αποκλείεται η πιθανότητα τοπικών κρίσιμων μαζών.

Οι αντιδραστήρες ταξινομούνται σύμφωνα με το ενεργειακό επίπεδο των νετρονίων που εμπλέκονται στην αντίδραση σχάσης, σύμφωνα με την αρχή της τοποθέτησης του καυσίμου και του συντονιστή, τον επιδιωκόμενο σκοπό, τον τύπο του συντονιστή και του ψυκτικού και τη φυσική τους κατάσταση.

Σύμφωνα με το επίπεδο των ενεργειακών νετρονίων: οι αντιδραστήρες μπορούν να λειτουργήσουν σε γρήγορα νετρόνια, σε θερμικά και ενδιάμεσα (συντονιζόμενα) ενεργειακά νετρόνια και, σύμφωνα με αυτό, χωρίζονται σε αντιδραστήρες σε θερμικά, γρήγορα και ενδιάμεσα νετρόνια (μερικές φορές για συντομία ονομάζονται θερμικά, γρήγορο και ενδιάμεσο).

ΣΕ θερμικός αντιδραστήρας νετρονίωνΗ περισσότερη πυρηνική σχάση συμβαίνει όταν οι πυρήνες των σχάσιμων ισοτόπων απορροφούν θερμικά νετρόνια. Οι αντιδραστήρες στους οποίους η πυρηνική σχάση παράγεται κυρίως από νετρόνια με ενέργειες μεγαλύτερες από 0,5 MeV ονομάζονται αντιδραστήρες ταχέων νετρονίων. Οι αντιδραστήρες στους οποίους οι περισσότερες σχάσεις συμβαίνουν ως αποτέλεσμα της απορρόφησης ενδιάμεσων νετρονίων από σχάσιμα ισότοπα ονομάζονται ενδιάμεσοι (συντονιζόμενοι) αντιδραστήρες νετρονίων.

Επί του παρόντος, οι αντιδραστήρες θερμικών νετρονίων χρησιμοποιούνται ευρέως. Οι θερμικοί αντιδραστήρες χαρακτηρίζονται από συγκεντρώσεις πυρηνικού καυσίμου 235 U στον πυρήνα από 1 έως 100 kg/m 3 και την παρουσία μεγάλων μαζών του συντονιστή. Ένας γρήγορος αντιδραστήρας νετρονίων χαρακτηρίζεται από συγκεντρώσεις πυρηνικού καυσίμου 235 U ή 239 U της τάξης των 1000 kg/m 3 και την απουσία μεσολαβητή στον πυρήνα.

Στους ενδιάμεσους αντιδραστήρες νετρονίων, υπάρχει πολύ λίγος μεσολαβητής στον πυρήνα και η συγκέντρωση πυρηνικού καυσίμου 235 U σε αυτόν είναι από 100 έως 1000 kg/m 3 .

Στους θερμικούς αντιδραστήρες νετρονίων, η σχάση των πυρήνων καυσίμου συμβαίνει επίσης όταν τα γρήγορα νετρόνια συλλαμβάνονται από τον πυρήνα, αλλά η πιθανότητα αυτής της διαδικασίας είναι ασήμαντη (1 - 3%). Η ανάγκη για έναν συντονιστή νετρονίων προκαλείται από το γεγονός ότι οι αποτελεσματικές διατομές σχάσης των πυρήνων καυσίμου είναι πολύ μεγαλύτερες σε χαμηλές ενέργειες νετρονίων παρά σε υψηλές.

Στον πυρήνα ενός θερμικού αντιδραστήρα πρέπει να υπάρχει ένας συντονιστής - μια ουσία της οποίας οι πυρήνες έχουν μικρό αριθμό μάζας. Ως ρυθμιστικό χρησιμοποιούνται γραφίτης, βαρύ ή ελαφρύ νερό, βηρύλλιο, οργανικά υγρά. Ένας θερμικός αντιδραστήρας μπορεί να λειτουργήσει ακόμη και με φυσικό ουράνιο εάν το βαρύ νερό ή ο γραφίτης χρησιμεύουν ως μετριαστής. Για άλλους συντονιστές, πρέπει να χρησιμοποιείται εμπλουτισμένο ουράνιο. Οι απαραίτητες κρίσιμες διαστάσεις του αντιδραστήρα εξαρτώνται από τον βαθμό εμπλουτισμού του καυσίμου· με την αύξηση του βαθμού εμπλουτισμού, είναι μικρότερες. Ένα σημαντικό μειονέκτημα των θερμικών αντιδραστήρων νετρονίων είναι η απώλεια αργών νετρονίων ως αποτέλεσμα της σύλληψής τους από τον συντονιστή, το ψυκτικό, τα δομικά υλικά και τα προϊόντα σχάσης. Επομένως, σε τέτοιους αντιδραστήρες, είναι απαραίτητο να χρησιμοποιούνται ουσίες με χαμηλή διατομή σύλληψης για αργά νετρόνια ως μέσο μετριασμού, ψυκτικό και δομικά υλικά.

ΣΕ ενδιάμεσοι αντιδραστήρες νετρονίων, όπου τα περισσότερα συμβάντα σχάσης προκαλούνται από νετρόνια με ενέργειες υψηλότερες από τη θερμική (από 1 eV έως 100 keV), η μάζα του συντονιστή είναι μικρότερη από ό,τι στους θερμικούς αντιδραστήρες. Ένα χαρακτηριστικό της λειτουργίας ενός τέτοιου αντιδραστήρα είναι ότι η διατομή σχάσης του καυσίμου μειώνεται λιγότερο με την αύξηση της σχάσης νετρονίων στην ενδιάμεση περιοχή από τη διατομή απορρόφησης των δομικών υλικών και των προϊόντων σχάσης. Έτσι, η πιθανότητα ενεργειών σχάσης αυξάνεται σε σύγκριση με τις πράξεις απορρόφησης. Οι απαιτήσεις για τα χαρακτηριστικά νετρονίων των δομικών υλικών είναι λιγότερο αυστηρές, το εύρος τους είναι ευρύτερο. Επομένως, ο πυρήνας ενός ενδιάμεσου αντιδραστήρα νετρονίων μπορεί να αποτελείται από περισσότερα ανθεκτικά υλικά, γεγονός που καθιστά δυνατή την αύξηση της ειδικής απομάκρυνσης θερμότητας από την επιφάνεια θέρμανσης του αντιδραστήρα. Ο εμπλουτισμός του καυσίμου σε σχάσιμα ισότοπα στους ενδιάμεσους αντιδραστήρες θα πρέπει να είναι υψηλότερος από ό,τι στους θερμικούς αντιδραστήρες ως αποτέλεσμα της μείωσης της διατομής. Η αναπαραγωγή του πυρηνικού καυσίμου σε ενδιάμεσους αντιδραστήρες νετρονίων είναι μεγαλύτερη από ότι σε έναν θερμικό αντιδραστήρα νετρονίων.

Ουσίες με ασθενώς μέτρια νετρόνια χρησιμοποιούνται ως ψυκτικά σε ενδιάμεσους αντιδραστήρες. Για παράδειγμα, υγρά μέταλλα. Ο συντονιστής είναι ο γραφίτης, το βηρύλλιο κ.λπ.

Ράβδοι καυσίμου με ιδιαίτερα εμπλουτισμένο καύσιμο τοποθετούνται στον πυρήνα ενός γρήγορου αντιδραστήρα νετρονίων. Η ενεργός ζώνη περιβάλλεται από μια ζώνη αναπαραγωγής, που αποτελείται από ράβδους καυσίμου που περιέχουν πρώτες ύλες καυσίμου (απεμπλουτισμένο ουράνιο, θόριο). Τα νετρόνια που εκπέμπονται από την ενεργό ζώνη δεσμεύονται στη ζώνη αναπαραγωγής από τους πυρήνες της πρώτης ύλης καυσίμου, με αποτέλεσμα να σχηματίζεται νέο πυρηνικό καύσιμο. Ένα ιδιαίτερο πλεονέκτημα των ταχέων αντιδραστήρων είναι η δυνατότητα οργάνωσης εκτεταμένης αναπαραγωγής πυρηνικού καυσίμου σε αυτούς, δηλ. Ταυτόχρονα με την παραγωγή ενέργειας, παράγετε καινούργια αντί για καμένα πυρηνικά καύσιμα. Οι γρήγοροι αντιδραστήρες δεν απαιτούν συντονιστή και το ψυκτικό δεν πρέπει να επιβραδύνει τα νετρόνια.

Ανάλογα με τον τρόπο που τοποθετείται το καύσιμο στον πυρήνα, οι αντιδραστήρες χωρίζονται σε ομοιογενείς και ετερογενείς.

ΣΕ ομοιογενής αντιδραστήραςΤο πυρηνικό καύσιμο, το ψυκτικό και ο συντονιστής (εάν υπάρχει) αναμειγνύονται καλά και βρίσκονται σε ένα φυσική κατάσταση, δηλ. ο πυρήνας ενός πλήρως ομοιογενούς αντιδραστήρα είναι ένα υγρό, στερεό ή αέριο ομοιογενές μείγμα πυρηνικού καυσίμου, ψυκτικού ή μέσου ελέγχου. Οι ομογενείς αντιδραστήρες μπορεί να είναι τόσο θερμικοί όσο και γρήγοροι νετρονίων. Σε έναν τέτοιο αντιδραστήρα, ολόκληρος ο πυρήνας βρίσκεται μέσα σε ένα χαλύβδινο σφαιρικό δοχείο και είναι ένα υγρό ομοιογενές μείγμα καυσίμου και μέσου ελέγχου με τη μορφή διαλύματος ή υγρού κράματος (για παράδειγμα, διάλυμα θειικού ουρανίου σε νερό, διάλυμα ουρανίου σε υγρό βισμούθιο), το οποίο εκτελεί ταυτόχρονα τη λειτουργία ενός ψυκτικού.

Μια αντίδραση πυρηνικής σχάσης λαμβάνει χώρα στο διάλυμα καυσίμου μέσα στο δοχείο του σφαιρικού αντιδραστήρα, ως αποτέλεσμα, η θερμοκρασία του διαλύματος αυξάνεται. Το εύφλεκτο διάλυμα από τον αντιδραστήρα εισέρχεται στον εναλλάκτη θερμότητας, όπου εκπέμπει θερμότητα στο νερό του δευτερεύοντος κυκλώματος, ψύχεται και αποστέλλεται πίσω στον αντιδραστήρα μέσω μιας αντλίας κυκλοφορίας. Για να αποφευχθεί η εκδήλωση πυρηνικής αντίδρασης έξω από τον αντιδραστήρα, οι όγκοι των σωληνώσεων του κυκλώματος, του εναλλάκτη θερμότητας και της αντλίας επιλέγονται έτσι ώστε ο όγκος του καυσίμου που βρίσκεται σε κάθε τμήμα του κυκλώματος να είναι πολύ χαμηλότερος από τον κρίσιμο . Οι ομογενείς αντιδραστήρες έχουν πολλά πλεονεκτήματα έναντι των ετερογενών αντιδραστήρων. Αυτός είναι ένας απλός σχεδιασμός του πυρήνα και των ελάχιστων διαστάσεων του, η δυνατότητα συνεχούς αφαίρεσης προϊόντων σχάσης και προσθήκης φρέσκου πυρηνικού καυσίμου κατά τη λειτουργία χωρίς διακοπή λειτουργίας του αντιδραστήρα, ευκολία προετοιμασίας καυσίμου και επίσης το γεγονός ότι ο αντιδραστήρας μπορεί να ελεγχθεί με αλλαγή συγκέντρωση πυρηνικού καυσίμου.

Ωστόσο, οι ομοιογενείς αντιδραστήρες έχουν επίσης σοβαρά μειονεκτήματα. Ένα ομοιογενές μείγμα που κυκλοφορεί γύρω από το κύκλωμα εκπέμπει ισχυρή ραδιενεργή ακτινοβολία, η οποία απαιτεί πρόσθετη προστασία και περιπλέκει τον έλεγχο του αντιδραστήρα. Μόνο ένα μέρος του καυσίμου βρίσκεται στον αντιδραστήρα και χρησιμοποιείται για την παραγωγή ενέργειας και το άλλο μέρος βρίσκεται σε εξωτερικούς αγωγούς, εναλλάκτες θερμότητας και αντλίες. Το μίγμα που κυκλοφορεί προκαλεί σοβαρή διάβρωση και διάβρωση των συστημάτων και συσκευών του αντιδραστήρα και του κυκλώματος. Ο σχηματισμός ενός εκρηκτικού εκρηκτικού μίγματος σε έναν ομοιογενή αντιδραστήρα ως αποτέλεσμα της ραδιόλυσης του νερού απαιτεί συσκευές για την καύση του. Όλα αυτά οδήγησαν στο γεγονός ότι οι ομοιογενείς αντιδραστήρες δεν χρησιμοποιούνται ευρέως.

ΣΕ ετερογενής αντιδραστήραςτο καύσιμο με τη μορφή μπλοκ τοποθετείται στον συντονιστή, δηλ. το καύσιμο και ο συντονιστής διαχωρίζονται χωρικά.

Επί του παρόντος, μόνο ετερογενείς αντιδραστήρες έχουν σχεδιαστεί για ενεργειακούς σκοπούς. Το πυρηνικό καύσιμο σε έναν τέτοιο αντιδραστήρα μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε αέρια, υγρή και στερεή κατάσταση. Ωστόσο, τώρα οι ετερογενείς αντιδραστήρες λειτουργούν μόνο με στερεά καύσιμα.

Ανάλογα με τον παράγοντα μετριασμού, οι ετερογενείς αντιδραστήρες χωρίζονται σε γραφίτη, ελαφρύ νερό, βαρύ νερό και οργανικό. Σύμφωνα με τον τύπο του ψυκτικού, οι ετερογενείς αντιδραστήρες είναι ελαφρύ νερό, βαρύ νερό, αέριο και υγρό μέταλλο. Οι φορείς υγρής θερμότητας μέσα στον αντιδραστήρα μπορεί να είναι σε μονοφασικές και διφασικές καταστάσεις. Στην πρώτη περίπτωση, το ψυκτικό μέσα στον αντιδραστήρα δεν βράζει και στη δεύτερη περίπτωση, βράζει.

Οι αντιδραστήρες στον πυρήνα των οποίων η θερμοκρασία του υγρού ψυκτικού είναι κάτω από το σημείο βρασμού ονομάζονται αντιδραστήρες υπό πίεση νερού και οι αντιδραστήρες μέσα στους οποίους βράζει το ψυκτικό ονομάζονται βρασμός.

Ανάλογα με τον συντονιστή και το ψυκτικό που χρησιμοποιείται, οι ετερογενείς αντιδραστήρες κατασκευάζονται σύμφωνα με διαφορετικά σχήματα. Στη Ρωσία, οι κύριοι τύποι πυρηνικών αντιδραστήρων είναι το νερό υπό πίεση και ο γραφίτης νερού.

Σύμφωνα με το σχεδιασμό, οι αντιδραστήρες χωρίζονται σε δοχείο και κανάλι. ΣΕ αντιδραστήρες πλοίωνη πίεση του ψυκτικού μεταφέρεται από το σώμα. Η συνολική ροή ψυκτικού υγρού ρέει μέσα στο δοχείο του αντιδραστήρα. ΣΕ αντιδραστήρες καναλιούτο ψυκτικό τροφοδοτείται σε κάθε κανάλι με το συγκρότημα καυσίμου χωριστά. Το δοχείο του αντιδραστήρα δεν φορτίζεται με πίεση ψυκτικού, αυτή η πίεση μεταφέρεται από κάθε μεμονωμένο κανάλι.

Ανάλογα με τον σκοπό, οι πυρηνικοί αντιδραστήρες χωρίζονται σε ισχύς, μετατροπείς και πολλαπλασιαστές, ερευνητικούς και πολλαπλών χρήσεων, μεταφορών και βιομηχανικούς.

Οι αντιδραστήρες πυρηνικής ενέργειας χρησιμοποιούνται για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας σε πυρηνικούς σταθμούς ηλεκτροπαραγωγής, σε σταθμούς ηλεκτροπαραγωγής πλοίων, σε πυρηνικούς σταθμούς συνδυασμένης θερμότητας και ηλεκτροπαραγωγής (NPP), καθώς και σε σταθμούς παροχής πυρηνικής θερμότητας (NPP).

Οι αντιδραστήρες που έχουν σχεδιαστεί για την παραγωγή δευτερογενούς πυρηνικού καυσίμου από φυσικό ουράνιο και θόριο ονομάζονται μετατροπείςή φορές από παράγοντες. Στον αντιδραστήρα-μετατροπέα δευτερογενούς πυρηνικού καυσίμου, σχηματίζεται λιγότερο από αυτό που καταναλώθηκε αρχικά.

Στον αντιδραστήρα - φορές τον πολλαπλασιαστή, πραγματοποιείται εκτεταμένη αναπαραγωγή πυρηνικού καυσίμου, δηλ. αποδεικνύεται περισσότερα από όσα δαπανήθηκαν.

Οι ερευνητικοί αντιδραστήρες χρησιμοποιούνται για τη μελέτη των διαδικασιών αλληλεπίδρασης νετρονίων με την ύλη, τη μελέτη της συμπεριφοράς των υλικών των αντιδραστήρων σε έντονα πεδία ακτινοβολίας νετρονίων και γάμμα, ραδιοχημική και βιολογική έρευνα, παραγωγή ισοτόπων, πειραματική έρευνα στη φυσική των πυρηνικών αντιδραστήρων.

Οι αντιδραστήρες έχουν διαφορετική ισχύ, σταθερή ή παλμική λειτουργία. Οι πιο ευρέως χρησιμοποιούμενοι ερευνητικοί αντιδραστήρες πεπιεσμένου νερού σε εμπλουτισμένο ουράνιο. Η θερμική ισχύς των ερευνητικών αντιδραστήρων ποικίλλει σε μεγάλο εύρος και φτάνει τις πολλές χιλιάδες κιλοβάτ.

Οι αντιδραστήρες πολλαπλών χρήσεων είναι αντιδραστήρες που εξυπηρετούν πολλαπλούς σκοπούς, όπως η παραγωγή ενέργειας και η παραγωγή πυρηνικών καυσίμων.

Αν κ εφφ >< 1, ряд благополучно сходится и по формуле суммы геометрической прогрессии имеем

πού<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

όπως και

Τεχνικές πτυχές ενός αντιδραστήρα σύντηξης:

Ο θερμοπυρηνικός αντιδραστήρας tokamak αποτελείται από τα ακόλουθα κύρια μέρη: μαγνητικά, κρυογονικά και συστήματα κενού, σύστημα τροφοδοσίας ρεύματος, κουβέρτα, κύκλωμα τριτίου και προστασία, σύστημα πρόσθετης θέρμανσης πλάσματος και τροφοδοσίας με καύσιμο, καθώς και σύστημα τηλεχειρισμού και συντήρησης.

Το μαγνητικό σύστημα περιέχει πηνία σπειροειδούς μαγνητικού πεδίου, επαγωγέα για τη διατήρηση ρεύματος και επαγωγικής θέρμανσης του πλάσματος και περιελίξεις που σχηματίζουν ένα πολοειδή μαγνητικό πεδίο, το οποίο είναι απαραίτητο για τη λειτουργία του εκτροπέα και τη διατήρηση της ισορροπίας της στήλης πλάσματος.

Για να εξαλειφθούν οι απώλειες Joule, το μαγνητικό σύστημα, όπως αναφέρθηκε προηγουμένως, θα είναι εντελώς υπεραγώγιμο. Για τις περιελίξεις του μαγνητικού συστήματος, υποτίθεται ότι χρησιμοποιούνται κράματα νιοβίου-τιτανίου και νιοβίου-κασσιτέρου.

Δημιουργία μαγνητικού συστήματος για αντιδραστήρα υπεραγωγών με ΣΕ 12 Τ και πυκνότητα ρεύματος περίπου 2 kA είναι ένα από τα κύρια μηχανικά προβλήματα στην ανάπτυξη ενός θερμοπυρηνικού αντιδραστήρα, το οποίο θα πρέπει να λυθεί στο εγγύς μέλλον.

Το κρυογονικό σύστημα περιλαμβάνει έναν κρυοστάτη του μαγνητικού συστήματος και κρυοπάνελ στους εγχυτήρες για πρόσθετη θέρμανση πλάσματος. Ο κρυοστάτης έχει τη μορφή θαλάμου κενού στον οποίο περικλείονται όλες οι ψυχόμενες δομές. Κάθε πηνίο του μαγνητικού συστήματος τοποθετείται σε υγρό ήλιο. Ο ατμός του ψύχει ειδικές οθόνες που βρίσκονται μέσα στον κρυοστάτη για να μειώσει τις ροές θερμότητας από επιφάνειες σε θερμοκρασία υγρού ηλίου. Το κρυογονικό σύστημα έχει δύο κυκλώματα ψύξης, το ένα από τα οποία κυκλοφορεί υγρό ήλιο, το οποίο παρέχει τη θερμοκρασία που απαιτείται για την κανονική λειτουργία υπεραγώγιμων πηνίων περίπου 4 K, και το άλλο - υγρό άζωτο, η θερμοκρασία του οποίου είναι 80 - 95 K. Αυτό Το κύκλωμα χρησιμεύει για την ψύξη των χωρισμάτων, διαχωρίζοντας τα μέρη με ήλιο και θερμοκρασίες δωματίου.

Τα κρυοπάνελ των μπεκ ψύχονται με υγρό ήλιο και είναι σχεδιασμένα να απορροφούν αέρια, γεγονός που καθιστά δυνατή τη διατήρηση επαρκούς ταχύτητας άντλησης σε σχετικά υψηλό κενό.

Το σύστημα κενού παρέχει άντληση ηλίου, υδρογόνου και ακαθαρσιών από την κοιλότητα του εκτροπέα ή από τον χώρο που περιβάλλει το πλάσμα κατά τη λειτουργία του αντιδραστήρα, καθώς και από τον θάλαμο εργασίας στις παύσεις μεταξύ των παλμών. Για να αποτραπεί η διοχέτευση του τριτίου προς τα έξω περιβάλλον, είναι απαραίτητο να παρέχεται ένας κλειστός βρόχος με ελάχιστη ποσότητα τριτίου που κυκλοφορεί στο σύστημα. Το αέριο μπορεί να αντληθεί από στροβιλομοριακές αντλίες, η παραγωγικότητα των οποίων θα πρέπει να είναι κάπως υψηλότερη από αυτή που επιτυγχάνεται σήμερα. Η διάρκεια της παύσης για την προετοιμασία του θαλάμου εργασίας για τον επόμενο παλμό δεν υπερβαίνει τα 30 δευτερόλεπτα.

Το σύστημα τροφοδοσίας εξαρτάται ουσιαστικά από τον τρόπο λειτουργίας του αντιδραστήρα. Είναι αισθητά πιο απλό για ένα tokamak που λειτουργεί σε συνεχή λειτουργία. Όταν λειτουργείτε σε παλμική λειτουργία, συνιστάται η χρήση συνδυασμένου συστήματος τροφοδοσίας - δικτύου και γεννήτριας κινητήρα. Η ισχύς της γεννήτριας καθορίζεται από παλμικά φορτία και φτάνει τα 10 6 kW.

Η κουβέρτα του αντιδραστήρα βρίσκεται πίσω από το πρώτο τοίχωμα του θαλάμου εργασίας και έχει σχεδιαστεί για να συλλαμβάνει τα νετρόνια που παράγονται στην αντίδραση DT, να αναπαράγει «καμένο» τρίτιο και να μετατρέπει την ενέργεια νετρονίων σε θερμική ενέργεια. Σε έναν υβριδικό θερμοπυρηνικό αντιδραστήρα, η κουβέρτα χρησιμεύει επίσης για την παραγωγή σχάσιμων υλικών. Το Blanket είναι στην ουσία κάτι νέο που διακρίνει έναν θερμοπυρηνικό αντιδραστήρα από μια συμβατική θερμοπυρηνική εγκατάσταση. Η πείρα στον σχεδιασμό και τη λειτουργία της κουβέρτας δεν είναι ακόμη διαθέσιμη, επομένως, θα απαιτηθεί μηχανική και σχεδιαστική ανάπτυξη κουβερτών λιθίου και ουρανίου.

Το κύκλωμα τριτίου αποτελείται από πολλές ανεξάρτητες μονάδες που διασφαλίζουν την αναγέννηση του αερίου που εκκενώνεται από τον θάλαμο εργασίας, την αποθήκευση και παροχή του για αναπλήρωση πλάσματος, την εξαγωγή του τριτίου από την κουβέρτα και την επιστροφή του στο σύστημα τροφοδοσίας, καθώς και τον καθαρισμό των καυσαερίων και του αέρα από αυτό.

Η προστασία του αντιδραστήρα χωρίζεται σε ακτινοβολία και βιολογική. Η θωράκιση από την ακτινοβολία εξασθενεί τη ροή νετρονίων και μειώνει την απελευθέρωση ενέργειας στα υπεραγώγιμα πηνία. Για την κανονική λειτουργία του μαγνητικού συστήματος με ελάχιστη κατανάλωση ενέργειας, είναι απαραίτητο να αποδυναμωθεί η ροή νετρονίων κατά 10 s -10 6 φορές. Η ακτινοπροστασία βρίσκεται μεταξύ της κουβέρτας και των πηνίων του σπειροειδούς πεδίου και καλύπτει ολόκληρη την επιφάνεια του θαλάμου εργασίας, εκτός από τα κανάλια του εκτροπέα και των μπεκ. Ανάλογα με τη σύνθεση, το πάχος της προστασίας είναι 80-130 cm.

Η βιολογική ασπίδα συμπίπτει με τα τοιχώματα της αίθουσας του αντιδραστήρα και είναι κατασκευασμένη από σκυρόδεμα πάχους 200 - 250 εκ. Προστατεύει τον περιβάλλοντα χώρο από την ακτινοβολία.

Τα συστήματα για πρόσθετη θέρμανση πλάσματος και παροχή καυσίμου καταλαμβάνουν σημαντικό χώρο γύρω από τον αντιδραστήρα. Εάν το πλάσμα θερμαίνεται με δέσμες γρήγορων ατόμων, τότε η θωράκιση ακτινοβολίας πρέπει να περιβάλλει ολόκληρο τον εγχυτήρα, κάτι που δεν είναι βολικό για τη διάταξη του εξοπλισμού στην αίθουσα του αντιδραστήρα και τη συντήρηση του αντιδραστήρα. Τα συστήματα θέρμανσης υψηλής συχνότητας είναι πιο ελκυστικά από αυτή την άποψη, καθώς οι συσκευές εισόδου τους (κεραίες) είναι πιο συμπαγείς και οι γεννήτριες μπορούν να εγκατασταθούν έξω από την αίθουσα του αντιδραστήρα. Η έρευνα για τα tokamaks και η ανάπτυξη σχεδιασμού κεραιών θα καταστήσει δυνατή την τελική επιλογή ενός συστήματος θέρμανσης πλάσματος.

Το σύστημα ελέγχου είναι αναπόσπαστο μέρος ενός θερμοπυρηνικού αντιδραστήρα. Όπως σε κάθε αντιδραστήρα, λόγω του αρκετά υψηλού επιπέδου ραδιενέργειας στον χώρο που περιβάλλει τον αντιδραστήρα, ελέγχεται και συντηρείται εξ αποστάσεως - τόσο κατά τη λειτουργία όσο και σε περιόδους διακοπής λειτουργίας.

Η πηγή ραδιενέργειας σε έναν θερμοπυρηνικό αντιδραστήρα είναι, πρώτον, το τρίτιο, το οποίο διασπάται με την εκπομπή ηλεκτρονίων και 7-κβάντα χαμηλής ενέργειας (ο χρόνος ημιζωής του είναι περίπου 13 χρόνια) και δεύτερον, τα ραδιενεργά νουκλίδια που σχηματίζονται κατά την αλληλεπίδραση των νετρονίων με δομικά υλικά της κουβέρτας και κάμερες εργασίας. Για τα πιο κοινά από αυτά (χάλυβας, κράματα μολυβδαινίου και νιοβίου), η δραστηριότητα είναι αρκετά υψηλή, αλλά εξακολουθεί να είναι περίπου 10-100 φορές μικρότερη από ό,τι σε πυρηνικούς αντιδραστήρες παρόμοιας ισχύος. Στο μέλλον, σχεδιάζεται η χρήση υλικών με χαμηλή επαγόμενη δραστηριότητα σε έναν θερμοπυρηνικό αντιδραστήρα, για παράδειγμα, αλουμίνιο και βανάδιο. Στο μεταξύ, ο αντιδραστήρας σύντηξης tokamak σχεδιάζεται με γνώμονα την απομακρυσμένη συντήρηση, γεγονός που επιβάλλει πρόσθετες απαιτήσεις στο σχεδιασμό του. Συγκεκριμένα, θα αποτελείται από πανομοιότυπα τμήματα συνδεδεμένα μεταξύ τους, τα οποία θα γεμίζουν με διάφορα τυπικά μπλοκ (ενότητες). Αυτό θα επιτρέψει, εάν είναι απαραίτητο, την αντικατάσταση μεμονωμένων κόμβων σχετικά εύκολα χρησιμοποιώντας ειδικούς χειριστές.

Πυρηνικές αντιδράσεις. Πυρηνική ενέργεια.

ατομικό πυρήνα

Ο ατομικός πυρήνας χαρακτηρίζεται από φορτίο Ze, μάζα M, spin J, μαγνητική και ηλεκτρική τετραπολική ροπή Q, ορισμένη ακτίνα R, ισοτονικό σπιν Τ και αποτελείται από νουκλεόνια - πρωτόνια και νετρόνια.

Ο αριθμός των νουκλεονίων Α σε έναν πυρήνα ονομάζεται μαζικός αριθμός. Ο αριθμός Ζ ονομάζεται αριθμός χρέωσηςπυρήνα ή ατομικό αριθμό. Εφόσον το Ζ καθορίζει τον αριθμό των πρωτονίων και το Α - τον αριθμό των νουκλεονίων στον πυρήνα, τότε ο αριθμός των νευρώνων στον ατομικό πυρήνα είναι N=A-Z. Ονομάζονται ατομικοί πυρήνες με το ίδιο Ζ αλλά διαφορετικό Α ισότοπα. Κατά μέσο όρο, υπάρχουν περίπου τρία σταθερά ισότοπα για κάθε τιμή Z. Για παράδειγμα, τα 28 Si, 29 Si, 30 Si είναι σταθερά ισότοπα του πυρήνα του Si. Εκτός από τα σταθερά ισότοπα, τα περισσότερα στοιχεία έχουν επίσης ασταθή ισότοπα, τα οποία χαρακτηρίζονται από περιορισμένη διάρκεια ζωής.

Ονομάζονται πυρήνες με τον ίδιο μαζικό αριθμό Α ισοβαρείςκαι με τον ίδιο αριθμό νετρονίων - ισοτονίων.

Όλοι οι ατομικοί πυρήνες χωρίζονται σε σταθερούς και ασταθείς. Οι ιδιότητες των σταθερών πυρήνων παραμένουν αμετάβλητες επ' αόριστον. Οι ασταθείς πυρήνες υφίστανται διάφορα είδη μετασχηματισμών.

Πειραματικές μετρήσεις των μαζών των ατομικών πυρήνων, που πραγματοποιήθηκαν με μεγάλη ακρίβεια, δείχνουν ότι η μάζα ενός πυρήνα είναι πάντα μικρότερη από το άθροισμα των μαζών των νουκλεονίων που τον αποτελούν.

Η ενέργεια δέσμευσης είναι η ενέργεια που πρέπει να δαπανηθεί για να διαιρεθεί ο πυρήνας στα νουκλεόνια που τον αποτελούν.

Η ενέργεια δέσμευσης που σχετίζεται με τον αριθμό μάζας Α ονομάζεται μέση ενέργεια δέσμευσης ενός νουκλεονίουστον ατομικό πυρήνα (ενέργεια δέσμευσης ανά νουκλεόνιο).

Η ενέργεια δέσμευσης είναι περίπου σταθερή για όλους τους σταθερούς πυρήνες και είναι περίπου ίση με 8 MeV. Εξαίρεση αποτελεί η περιοχή των ελαφρών πυρήνων, όπου η μέση ενέργεια δέσμευσης αυξάνεται από το μηδέν (A=1) στα 8 MeV για τον πυρήνα 12C.

Ομοίως, η ενέργεια δέσμευσης ανά νουκλεόνιο μπορεί να εισαχθεί ως η ενέργεια δέσμευσης του πυρήνα σε σχέση με τα άλλα συστατικά μέρη του.

Σε αντίθεση με τη μέση ενέργεια δέσμευσης των νουκλεονίων, η ποσότητα της ενέργειας δέσμευσης ενός νευρώνα και ενός πρωτονίου ποικίλλει από πυρήνα σε πυρήνα.

Συχνά, αντί για την ενέργεια δέσμευσης, μια ποσότητα που ονομάζεται μαζικό ελάττωμακαι ίση με τη διαφορά μεταξύ των μαζών και του μαζικού αριθμού του ατομικού πυρήνα.

Ακτινοβολία γάμμα

Η ακτινοβολία γάμμα είναι ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία μικρού μήκους κύματος. Στην κλίμακα των ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων, συνορεύει με σκληρή ακτινοβολία ακτίνων Χ, καταλαμβάνοντας την περιοχή των υψηλότερων συχνοτήτων. Η ακτινοβολία γάμμα έχει εξαιρετικά μικρό μήκος κύματος (λhν (ν είναι η συχνότητα ακτινοβολίας, h η σταθερά του Planck).

Η ακτινοβολία γάμμα εμφανίζεται κατά τη διάσπαση ραδιενεργών πυρήνων, στοιχειωδών σωματιδίων, κατά την εκμηδένιση ζευγών σωματιδίων-αντισωματιδίων, καθώς και κατά τη διέλευση γρήγορα φορτισμένων σωματιδίων μέσα από την ύλη.

Η ακτινοβολία γάμμα, η οποία συνοδεύει τη διάσπαση των ραδιενεργών πυρήνων, εκπέμπεται κατά τη μετάβαση του πυρήνα από μια πιο διεγερμένη ενεργειακή κατάσταση σε μια λιγότερο διεγερμένη ή θεμελιώδη κατάσταση. Η ενέργεια ενός γ-κβαντικού είναι ίση με την ενεργειακή διαφορά Δε ρ των καταστάσεων μεταξύ των οποίων γίνεται η μετάβαση.

συγκινημένη κατάσταση

Βάση κατάσταση του πυρήνα Ε1

Η εκπομπή ενός γ-κβαντικού από τον πυρήνα δεν συνεπάγεται αλλαγή στον ατομικό αριθμό ή τον αριθμό μάζας, σε αντίθεση με άλλους τύπους ραδιενεργών μετασχηματισμών. Το πλάτος γραμμής της ακτινοβολίας γάμμα είναι εξαιρετικά μικρό (~10 -2 eV). Δεδομένου ότι η απόσταση μεταξύ των επιπέδων είναι πολλές φορές μεγαλύτερη από το πλάτος της γραμμής, το φάσμα των ακτίνων γάμμα έχει σχήμα γραμμής, δηλ. αποτελείται από έναν αριθμό διακριτών γραμμών. Η μελέτη των φασμάτων της ακτινοβολίας γάμμα καθιστά δυνατό τον καθορισμό των ενεργειών των διεγερμένων καταστάσεων των πυρήνων. Τα κβάντα γάμμα με υψηλές ενέργειες εκπέμπονται κατά τη διάσπαση ορισμένων στοιχειωδών σωματιδίων. Έτσι, η διάσπαση ενός μεσονίου π 0 ηρεμίας προκαλεί ακτινοβολία γάμμα με ενέργεια ~70 MeV. Η ακτινοβολία γάμμα από τη διάσπαση των στοιχειωδών σωματιδίων σχηματίζει επίσης ένα γραμμικό φάσμα. Ωστόσο, τα στοιχειώδη σωματίδια που υφίστανται διάσπαση συχνά κινούνται με ταχύτητες συγκρίσιμες με την ταχύτητα του φωτός. Ως αποτέλεσμα, εμφανίζεται μια διεύρυνση Doppler της γραμμής και το φάσμα των ακτίνων γάμμα κηλιδώνεται σε ένα ευρύ φάσμα ενέργειας. Η ακτινοβολία γάμμα, που σχηματίζεται κατά τη διέλευση γρήγορα φορτισμένων σωματιδίων μέσω της ύλης, προκαλείται από την επιβράδυνσή τους στο πεδίο Coulomb των ατομικών πυρήνων της ύλης. Η ακτινοβολία γάμμα Bremsstrahlung, καθώς και η ακτινοβολία ακτίνων Χ bremsstrahlung, χαρακτηρίζονται από ένα συνεχές φάσμα, το ανώτερο όριο του οποίου συμπίπτει με την ενέργεια ενός φορτισμένου σωματιδίου, όπως ένα ηλεκτρόνιο. Στους επιταχυντές σωματιδίων, το gamma bremsstrahlung παράγεται με μέγιστη ενέργεια έως και αρκετές δεκάδες GeV.

Στο διαστρικό διάστημα, η ακτινοβολία γάμμα μπορεί να προκύψει ως αποτέλεσμα των συγκρούσεων κβάντων μαλακότερων μακρών κυμάτων, ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας, όπως το φως, με ηλεκτρόνια που επιταχύνονται από τα μαγνητικά πεδία των διαστημικών αντικειμένων. Σε αυτή την περίπτωση, ένα γρήγορο ηλεκτρόνιο μεταφέρει την ενέργειά του στην ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία και το ορατό φως μετατρέπεται σε σκληρότερη ακτινοβολία γάμμα.

Ένα παρόμοιο φαινόμενο μπορεί να συμβεί σε επίγειες συνθήκες όταν ηλεκτρόνια υψηλής ενέργειας που παράγονται σε επιταχυντές συγκρούονται με φωτόνια ορατού φωτός σε έντονες δέσμες φωτός που παράγονται από λέιζερ. Το ηλεκτρόνιο μεταφέρει ενέργεια σε ένα φωτόνιο φωτός, το οποίο μετατρέπεται σε γ-κβάντο. Έτσι, είναι δυνατό στην πράξη να μετατραπούν μεμονωμένα φωτόνια φωτός σε κβάντα ακτίνων γάμμα υψηλής ενέργειας.

Η ακτινοβολία γάμμα έχει υψηλή διεισδυτική ισχύ, δηλ. μπορεί να διεισδύσει σε μεγάλα πάχη ύλης χωρίς αισθητή εξασθένηση. Οι κύριες διεργασίες που συμβαίνουν κατά την αλληλεπίδραση της ακτινοβολίας γάμμα με την ύλη είναι η φωτοηλεκτρική απορρόφηση (φωτοηλεκτρικό φαινόμενο), η σκέδαση Compton (φαινόμενο Compton) και ο σχηματισμός ζευγών ηλεκτρονίων-ποζιτρονίων. Στο φωτοηλεκτρικό φαινόμενο, ένα γ-κβάντο απορροφάται από ένα από τα ηλεκτρόνια του ατόμου και η ενέργεια του γ-κβαντικού μετατρέπεται (μείον την ενέργεια δέσμευσης του ηλεκτρονίου στο άτομο) στην κινητική ενέργεια του ηλεκτρονίου που πετάει έξω από το άτομο. Η πιθανότητα του φωτοηλεκτρικού φαινομένου είναι ευθέως ανάλογη με την πέμπτη δύναμη του ατομικού αριθμού του στοιχείου και αντιστρόφως ανάλογη με την τρίτη ισχύ της ενέργειας ακτινοβολίας γάμμα. Έτσι, το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο κυριαρχεί στην περιοχή των χαμηλών ενεργειών των γ-κβάντα (£100 keV) σε βαρέα στοιχεία (Pb, U).

Με το φαινόμενο Compton, ένα γ-κβάντο διασκορπίζεται από ένα από τα ηλεκτρόνια που είναι ασθενώς συνδεδεμένα στο άτομο. Σε αντίθεση με το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο, το γ-κβάντο δεν εξαφανίζεται με το φαινόμενο Compton, αλλά αλλάζει μόνο την ενέργεια (μήκος κύματος) και την κατεύθυνση διάδοσης. Ως αποτέλεσμα του φαινομένου Compton, μια στενή δέσμη ακτίνων γάμμα γίνεται ευρύτερη και η ίδια η ακτινοβολία γίνεται πιο ήπια (μεγάλου μήκους κύματος). Η ένταση της σκέδασης Compton είναι ανάλογη με τον αριθμό των ηλεκτρονίων σε 1 cm 3 της ουσίας, και επομένως η πιθανότητα αυτής της διαδικασίας είναι ανάλογη με τον ατομικό αριθμό της ουσίας. Το φαινόμενο Compton γίνεται αισθητό σε ουσίες με μικρό ατομικό αριθμό και σε ενέργειες ακτινοβολίας γάμμα που υπερβαίνουν την ενέργεια δέσμευσης των ηλεκτρονίων στα άτομα. Έτσι, στην περίπτωση του Pb, η πιθανότητα σκέδασης Compton είναι συγκρίσιμη με την πιθανότητα φωτοηλεκτρικής απορρόφησης σε ενέργεια ~0,5 MeV. Στην περίπτωση του Al, το φαινόμενο Compton κυριαρχεί σε πολύ χαμηλότερες ενέργειες.

Εάν η ενέργεια του γ-κβαντικού υπερβαίνει το 1,02 MeV, καθίσταται δυνατή η διαδικασία σχηματισμού ζευγών ηλεκτρονίων-ποζιτρονίων στο ηλεκτρικό πεδίο των πυρήνων. Η πιθανότητα σχηματισμού ζεύγους είναι ανάλογη του τετραγώνου του ατομικού αριθμού και αυξάνεται με την αύξηση του hν. Επομένως, σε hν ~ 10 MeV, η κύρια διαδικασία σε οποιαδήποτε ουσία είναι ο σχηματισμός ζευγών.

0,1 0,5 1 2 5 10 50

Ενέργεια ακτίνων γ (Mev)

Η αντίστροφη διαδικασία εκμηδένισης ενός ζεύγους ηλεκτρονίων-ποζιτρονίων είναι μια πηγή ακτινοβολίας γάμμα.

Για τον χαρακτηρισμό της εξασθένησης της ακτινοβολίας γάμμα σε μια ουσία, χρησιμοποιείται συνήθως ο συντελεστής απορρόφησης, ο οποίος δείχνει σε ποιο πάχος Χ του απορροφητή η ένταση I 0 της προσπίπτουσας ακτινοβολίας γάμμα εξασθενεί σε μιμια φορά:

Εδώ μ 0 είναι ο γραμμικός συντελεστής απορρόφησης της ακτινοβολίας γάμμα. Μερικές φορές εισάγεται ένας συντελεστής απορρόφησης μάζας, ίσος με την αναλογία μ 0 προς την πυκνότητα του απορροφητή.

Ο εκθετικός νόμος της εξασθένησης της ακτινοβολίας γάμμα ισχύει για τη στενή κατεύθυνση της δέσμης γάμμα, όταν οποιαδήποτε διεργασία, τόσο απορρόφηση όσο και σκέδαση, αφαιρεί την ακτινοβολία γάμμα από την κύρια δέσμη. Ωστόσο, σε υψηλές ενέργειες, η διαδικασία διέλευσης ακτινοβολίας γάμμα μέσω της ύλης γίνεται πολύ πιο περίπλοκη. Τα δευτερεύοντα ηλεκτρόνια και τα ποζιτρόνια έχουν υψηλή ενέργεια και επομένως μπορούν, με τη σειρά τους, να δημιουργήσουν ακτινοβολία γάμμα μέσω των διαδικασιών επιβράδυνσης και εκμηδένισης. Έτσι, ένας αριθμός εναλλασσόμενων γενεών δευτερογενούς ακτινοβολίας γάμμα, ηλεκτρονίων και ποζιτρονίων προκύπτουν στην ύλη, δηλαδή αναπτύσσεται μια καταρρακτώδης βροχή. Ο αριθμός των δευτερογενών σωματιδίων σε ένα τέτοιο ντους αυξάνεται πρώτα με το πάχος, φτάνοντας στο μέγιστο. Ωστόσο, τότε οι διαδικασίες απορρόφησης αρχίζουν να κυριαρχούν στις διαδικασίες πολλαπλασιασμού των σωματιδίων και το ντους υποχωρεί. Η ικανότητα της ακτινοβολίας γάμμα να αναπτύσσει ντους εξαρτάται από την αναλογία μεταξύ της ενέργειάς της και της λεγόμενης κρίσιμης ενέργειας, μετά την οποία ένα ντους σε μια δεδομένη ουσία πρακτικά χάνει την ικανότητα ανάπτυξης.

Για την αλλαγή της ενέργειας της ακτινοβολίας γάμμα στην πειραματική φυσική, χρησιμοποιούνται φασματόμετρα γάμμα διαφόρων τύπων, που βασίζονται κυρίως στη μέτρηση της ενέργειας των δευτερογενών ηλεκτρονίων. Οι κύριοι τύποι φασματόμετρων ακτινοβολίας γάμμα είναι: μαγνητικός, σπινθηρισμός, ημιαγωγός, περίθλαση κρυστάλλου.

Η μελέτη των φασμάτων της πυρηνικής ακτινοβολίας γάμμα παρέχει σημαντικές πληροφορίες για τη δομή των πυρήνων. Η παρατήρηση των επιπτώσεων που σχετίζονται με την επίδραση του εξωτερικού περιβάλλοντος στις ιδιότητες της πυρηνικής ακτινοβολίας γάμμα χρησιμοποιείται για τη μελέτη των ιδιοτήτων των στερεών.

Η ακτινοβολία γάμμα χρησιμοποιείται στην τεχνολογία, για παράδειγμα, για την ανίχνευση ελαττωμάτων σε μεταλλικά μέρη - ανίχνευση ελαττωμάτων γάμμα. Στη χημεία ακτινοβολίας, η ακτινοβολία γάμμα χρησιμοποιείται για την έναρξη χημικών μετασχηματισμών, όπως οι διαδικασίες πολυμερισμού. Η ακτινοβολία γάμμα χρησιμοποιείται στη βιομηχανία τροφίμων για την αποστείρωση των τροφίμων. Οι κύριες πηγές ακτινοβολίας γάμμα είναι φυσικά και τεχνητά ραδιενεργά ισότοπα, καθώς και επιταχυντές ηλεκτρονίων.

Η επίδραση της ακτινοβολίας γάμμα στο σώμα είναι παρόμοια με την επίδραση άλλων τύπων ιονίζουσας ακτινοβολίας. Η ακτινοβολία γάμμα μπορεί να προκαλέσει βλάβη από την ακτινοβολία στο σώμα, μέχρι το θάνατό του. Η φύση της επίδρασης της ακτινοβολίας γάμμα εξαρτάται από την ενέργεια των γ-κβαντών και τα χωρικά χαρακτηριστικά της έκθεσης, για παράδειγμα, εξωτερική ή εσωτερική. Η σχετική βιολογική αποτελεσματικότητα της ακτινοβολίας γάμμα είναι 0,7-0,9. Υπό βιομηχανικές συνθήκες (χρόνια έκθεση σε χαμηλές δόσεις), η σχετική βιολογική αποτελεσματικότητα της ακτινοβολίας γάμμα λαμβάνεται ίση με 1. Η ακτινοβολία γάμμα χρησιμοποιείται στην ιατρική για τη θεραπεία όγκων, για την αποστείρωση χώρων, εξοπλισμού και φαρμάκων. Η ακτινοβολία γάμμα χρησιμοποιείται επίσης για τη λήψη μεταλλάξεων με επακόλουθη επιλογή οικονομικά χρήσιμων μορφών. Έτσι εκτρέφονται πολύ παραγωγικές ποικιλίες μικροοργανισμών (για παράδειγμα, για τη λήψη αντιβιοτικών) και φυτών.

Οι σύγχρονες δυνατότητες ακτινοθεραπείας έχουν επεκταθεί κυρίως λόγω των μέσων και των μεθόδων της εξ αποστάσεως θεραπείας γάμμα. Η επιτυχία της θεραπείας γάμμα εξ αποστάσεως έχει επιτευχθεί ως αποτέλεσμα εκτεταμένης εργασίας στον τομέα της χρήσης ισχυρών τεχνητών ραδιενεργών πηγών ακτινοβολίας γάμμα (κοβάλτιο-60, καίσιο-137), καθώς και νέων παρασκευασμάτων γάμμα.

Η μεγάλη σημασία της απομακρυσμένης θεραπείας γάμμα εξηγείται επίσης από τη σχετική διαθεσιμότητα και την ευκολία χρήσης των συσκευών γάμμα. Οι τελευταίες, καθώς και οι ακτίνες Χ, έχουν σχεδιαστεί για στατική και κινητή ακτινοβολία. Με τη βοήθεια της κινητής ακτινοβολίας, προσπαθούν να δημιουργήσουν μια μεγάλη δόση στον όγκο με διάσπαρτη ακτινοβολία υγιών ιστών. Βελτιώσεις σχεδίασης έχουν γίνει σε μηχανές ακτίνων γάμμα με στόχο τη μείωση του ημίσερου, τη βελτίωση της ομογενοποίησης πεδίου, τη χρήση φίλτρων κλείστρου και την αναζήτηση πρόσθετων επιλογών προστασίας.

Η χρήση της πυρηνικής ακτινοβολίας στη φυτική παραγωγή έχει ανοίξει νέες, ευρείες ευκαιρίες για την αλλαγή του μεταβολισμού των γεωργικών φυτών, την αύξηση της απόδοσής τους, την επιτάχυνση της ανάπτυξης και τη βελτίωση της ποιότητας.

Ως αποτέλεσμα των πρώτων μελετών ραδιοβιολόγων, διαπιστώθηκε ότι η ιονίζουσα ακτινοβολία είναι ένας ισχυρός παράγοντας που επηρεάζει την ανάπτυξη, την ανάπτυξη και το μεταβολισμό των ζωντανών οργανισμών. Υπό την επίδραση της ακτινοβολίας γάμμα σε φυτά, ζώα ή μικροοργανισμούς, ο συντονισμένος μεταβολισμός αλλάζει, η πορεία των φυσιολογικών διεργασιών επιταχύνεται ή επιβραδύνεται (ανάλογα με τη δόση), παρατηρούνται αλλαγές στην ανάπτυξη, την ανάπτυξη και τον σχηματισμό καλλιεργειών.

Πρέπει να σημειωθεί ιδιαίτερα ότι κατά τη διάρκεια της ακτινοβολίας γάμμα, οι ραδιενεργές ουσίες δεν εισέρχονται στους σπόρους. Οι ακτινοβολημένοι σπόροι, καθώς και η καλλιέργεια που προέρχεται από αυτούς, είναι μη ραδιενεργοί. Οι βέλτιστες δόσεις ακτινοβόλησης επιταχύνουν μόνο τις κανονικές διεργασίες που συμβαίνουν στο φυτό, και επομένως οποιοιδήποτε φόβοι και προειδοποιήσεις κατά της χρήσης μιας καλλιέργειας που προέρχεται από σπόρους που έχουν υποβληθεί σε ακτινοβόληση πριν από τη σπορά είναι εντελώς αβάσιμοι.

Η ιονίζουσα ακτινοβολία άρχισε να χρησιμοποιείται για να αυξήσει τη διάρκεια ζωής των αγροτικών προϊόντων και να καταστρέψει διάφορα έντομα. Για παράδειγμα, εάν ο κόκκος περάσει μέσα από μια αποθήκη με ισχυρή πηγή ακτινοβολίας πριν φορτωθεί στον ανελκυστήρα, τότε η πιθανότητα αναπαραγωγής παρασίτων θα αποκλειστεί και ο κόκκος μπορεί να αποθηκευτεί για μεγάλο χρονικό διάστημα χωρίς καμία απώλεια. Το ίδιο το δημητριακό ως θρεπτικό προϊόν δεν αλλάζει σε τέτοιες δόσεις ακτινοβολίας. Η χρήση του ως τροφή για τέσσερις γενιές πειραματόζωων δεν προκάλεσε αποκλίσεις στην ανάπτυξη, την ικανότητα αναπαραγωγής και άλλες παθολογικές αποκλίσεις από τον κανόνα.

Ατομικός αντιδραστήρας.

Η πηγή ενέργειας για τον αντιδραστήρα είναι η σχάση των βαρέων πυρήνων. Θυμηθείτε ότι οι πυρήνες αποτελούνται από νουκλεόνια, δηλαδή πρωτόνια και νετρόνια. Ο αριθμός των πρωτονίων Z καθορίζει το φορτίο του πυρήνα Ze: είναι ίσος με τον αριθμό του στοιχείου από τον περιοδικό πίνακα και το ατομικό βάρος του πυρήνα Α είναι ο συνολικός αριθμός πρωτονίων και νετρονίων. Οι πυρήνες που έχουν τον ίδιο αριθμό πρωτονίων αλλά διαφορετικούς αριθμούς νετρονίων είναι διαφορετικά ισότοπα του ίδιου στοιχείου και συμβολίζονται με το σύμβολο του στοιχείου ατομικού βάρους επάνω αριστερά. Για παράδειγμα, υπάρχουν τα ακόλουθα ισότοπα ουρανίου: 238 U, 235 U, 233 U, ...

Η μάζα του πυρήνα M δεν είναι απλώς ίση με το άθροισμα των μαζών των πρωτονίων και νετρονίων που τον αποτελούν, αλλά μικρότερη από αυτήν με την τιμή M, η οποία καθορίζει την ενέργεια δέσμευσης

(σύμφωνα με την αναλογία) M=Zm p +(A-Z)m n -(A)A, όπου (A)c είναι η ενέργεια δέσμευσης ανά νουκλεόνιο. Η τιμή (Α) εξαρτάται από τις λεπτομέρειες της δομής του αντίστοιχου πυρήνα ... Ωστόσο, υπάρχει μια γενική τάση για εξάρτησή του από το ατομικό βάρος. Δηλαδή, παραβλέποντας μικρές λεπτομέρειες, αυτή η εξάρτηση μπορεί να περιγραφεί από μια ομαλή καμπύλη, η οποία αυξάνεται στο μικρό. Α, φτάνοντας στο μέγιστο στη μέση του περιοδικού πίνακα και μειώνεται μετά τις μέγιστες σε μεγάλες τιμές του Α. Φανταστείτε ότι ένας βαρύς πυρήνας με ατομικό βάρος Α και μάζα Μ χωρίζεται σε δύο πυρήνες Α 1 και Α 2 με μάζες Μ 1 και M 2, αντίστοιχα, και A 1 + A 2 είναι ίσο με A ή ελαφρώς μικρότερο από αυτό, καθώς αρκετά νετρόνια μπορούν να πετάξουν έξω κατά τη διαδικασία της σχάσης. Για λόγους σαφήνειας, ας πάρουμε την περίπτωση A 1 + A 2 = A. Εξετάστε τη διαφορά μεταξύ των μαζών του αρχικού πυρήνα και των δύο τελικών πυρήνων και θα υποθέσουμε ότι A 1 = A 2, έτσι ώστε (A 1) \u003d ( A 2), M \u003d M- M 1 -M 2 \u003d - (A) A + (A 1) (A 1 + A 2) \u003d A ((A 1) - (A 1)). Αν το Α αντιστοιχεί στον βαρύ πυρήνα στο τέλος του Περιοδικού Πίνακα, τότε το Α 1 βρίσκεται στη μέση και έχει μέγιστη τιμή (Α 2). Αυτό σημαίνει ότι M>0 και, κατά συνέπεια, στη διαδικασία της σχάσης, απελευθερώνεται ενέργεια E d \u003d Ms 2. Για βαρείς πυρήνες, για παράδειγμα, για πυρήνες ουρανίου, ((A 1) - (A)) με 2 \u003d 1 MeV. Άρα στο A=200 έχουμε εκτίμηση E d = 200 MeV. Θυμηθείτε ότι ένα ηλεκτρόνιο-βολτ (eV) είναι μια μονάδα ενέργειας εκτός συστήματος, ίση με την ενέργεια που αποκτάται από ένα στοιχειώδες φορτίο υπό τη δράση διαφοράς δυναμικού 1V (1eV = 1,6 * 10 -19 J). Για παράδειγμα, η μέση ενέργεια που απελευθερώνεται κατά τη διάσπαση του πυρήνα 235 U

E d \u003d 180 MeV \u003d 180 10 6 eV.

Έτσι, οι βαρείς πυρήνες είναι πιθανές πηγές ενέργειας. Ωστόσο, η αυθόρμητη σχάση των πυρήνων συμβαίνει εξαιρετικά σπάνια και δεν έχει πρακτική σημασία. Εάν ένα νετρόνιο εισέλθει σε έναν βαρύ πυρήνα, τότε η διαδικασία σχάσης μπορεί να επιταχυνθεί δραματικά. Αυτό το φαινόμενο εμφανίζεται με διαφορετική ένταση για διαφορετικούς πυρήνες και μετράται από την αποτελεσματική διατομή της διαδικασίας. Ας θυμηθούμε πώς καθορίζονται οι αποτελεσματικές διατομές και πώς σχετίζονται με τις πιθανότητες ορισμένων διεργασιών. Φανταστείτε μια δέσμη σωματιδίων (για παράδειγμα, νετρόνια) να πέφτει σε έναν στόχο που αποτελείται από συγκεκριμένα αντικείμενα, ας πούμε, πυρήνες. Έστω N 0 ο αριθμός των νετρονίων στη δέσμη, n είναι η πυκνότητα των πυρήνων ανά μονάδα όγκου (1 cm 3). Ας μας ενδιαφέρουν γεγονότα ενός συγκεκριμένου είδους, για παράδειγμα, η σχάση των πυρήνων-στόχων. Τότε ο αριθμός τέτοιων γεγονότων N θα καθοριστεί από τον τύπο N=N 0 nl eff, όπου l είναι το μήκος στόχος και eff ονομάζεται διατομή της διαδικασίας σχάσης (ή οποιασδήποτε άλλης διαδικασίας) με μια δεδομένη ενέργεια E, που αντιστοιχεί στην ενέργεια των προσπίπτοντων νετρονίων. Όπως φαίνεται από τον προηγούμενο τύπο, η ενεργός διατομή έχει τη διάσταση του εμβαδού (cm 2). Έχει μια εντελώς κατανοητή γεωμετρική έννοια: είναι μια πλατφόρμα, κατά την είσοδο στην οποία πραγματοποιείται η διαδικασία που μας ενδιαφέρει. Προφανώς, εάν η διατομή είναι μεγάλη, η διαδικασία είναι έντονη και μια μικρή διατομή αντιστοιχεί σε χαμηλή πιθανότητα να χτυπήσει αυτή την περιοχή, επομένως, σε αυτήν την περίπτωση, η διαδικασία συμβαίνει σπάνια.

Έτσι, ας έχουμε για κάποιο πυρήνα μια αρκετά μεγάλη αποτελεσματική διατομή της διαδικασίας σχάσης σε αυτή την περίπτωση, κατά τη διάρκεια της σχάσης, μαζί με δύο μεγάλα θραύσματα A 1 και A 2, αρκετά νετρόνια μπορούν να πετάξουν έξω. Ο μέσος αριθμός πρόσθετων νετρονίων ονομάζεται συντελεστής πολλαπλασιασμού και συμβολίζεται με το σύμβολο k. Στη συνέχεια, η αντίδραση πηγαίνει σύμφωνα με το σχήμα

n+A A 1 + A 2 + kn.

Τα νετρόνια που γεννιούνται σε αυτή τη διαδικασία, με τη σειρά τους, αντιδρούν με πυρήνες Α, που δίνει νέες αντιδράσεις σχάσης και νέες, περισσότερες περισσότερονετρόνια. Εάν k > 1, μια τέτοια διαδικασία αλυσίδας συμβαίνει με αυξανόμενη ένταση και οδηγεί σε έκρηξη με απελευθέρωση τεράστιας ποσότητας ενέργειας. Αλλά αυτή η διαδικασία μπορεί να ελεγχθεί. Δεν θα εισέλθουν απαραίτητα όλα τα νετρόνια στον πυρήνα Α: μπορούν να περάσουν έξω από το εξωτερικό όριο του αντιδραστήρα, μπορούν να απορροφηθούν σε ουσίες που εισάγονται ειδικά στον αντιδραστήρα. Έτσι, η τιμή του k μπορεί να μειωθεί σε κάποιο k eff, το οποίο είναι ίσο με 1 και μόνο ελαφρώς το υπερβαίνει. Τότε είναι δυνατόν να υπάρχει χρόνος για εκτροπή της παραγόμενης ενέργειας και η λειτουργία του αντιδραστήρα γίνεται σταθερή. Ωστόσο, σε αυτή την περίπτωση, ο αντιδραστήρας λειτουργεί σε κρίσιμο τρόπο. Η αποτυχία αποστράγγισης ενέργειας θα οδηγούσε σε αυξανόμενη αλυσιδωτή αντίδραση και καταστροφή. Σε όλα λειτουργικά συστήματαπροβλέπονται μέτρα ασφαλείας, αλλά ατυχήματα, με πολύ μικρή πιθανότητα, μπορούν να συμβούν και, δυστυχώς, συμβαίνουν.

Πώς επιλέγεται η ουσία εργασίας για έναν πυρηνικό αντιδραστήρα; Είναι απαραίτητο οι κυψέλες καυσίμου να περιέχουν ισότοπους πυρήνες με μεγάλη αποτελεσματική διατομή σχάσης. Η μονάδα μέτρησης του τμήματος είναι 1 αχυρώνας \u003d 10 -24 cm 2. Βλέπουμε δύο ομάδες διατομών: (233 U, 235 U, 239 Pu) και μικρές (232 Th, 238 U). Για να φανταστούμε τη διαφορά, ας υπολογίσουμε πόσο μακριά πρέπει να διανύσει ένα νετρόνιο για να συμβεί ένα γεγονός σχάσης. Ας χρησιμοποιήσουμε για αυτόν τον τύπο N=N 0 nl eff. Για N=N 0 =1 έχουμε Εδώ n είναι η πυκνότητα των πυρήνων, όπου p είναι η συνήθης πυκνότητα και m =1,66*10 -24 g είναι η μονάδα ατομικής μάζας. Για το ουράνιο και το θόριο, n = 4,8. 10 22 cm 3 . Τότε για 235 U έχουμε l = 10 cm, και για 232 Th l = 35 m. Έτσι, για την πραγματική υλοποίηση της διαδικασίας σχάσης, θα πρέπει να χρησιμοποιηθούν ισότοπα όπως 233 U, 235 U, 239 Pu. Το ισότοπο 235 U περιέχεται σε μικρή ποσότητα σε φυσικό ουράνιο, αποτελούμενο κυρίως από 238 U, επομένως το ουράνιο εμπλουτισμένο με το ισότοπο 235 U χρησιμοποιείται συνήθως ως πυρηνικό καύσιμο. Ταυτόχρονα, κατά τη λειτουργία του αντιδραστήρα, σημαντικό παράγεται ποσότητα ενός άλλου σχάσιμου ισοτόπου - 239 Pu. Το πλουτώνιο λαμβάνεται ως αποτέλεσμα μιας αλυσίδας αντιδράσεων

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

όπου σημαίνει την εκπομπή ενός φωτονίου και είναι η διάσπαση σύμφωνα με το σχήμα

Εδώ το Ζ καθορίζει το φορτίο του πυρήνα, έτσι ώστε η διάσπαση να συμβεί στο επόμενο στοιχείο του περιοδικού πίνακα με το ίδιο αντινετρίνο Α, e-ηλεκτρόνιο και v-ηλεκτρόνιο. Πρέπει επίσης να σημειωθεί ότι τα ισότοπα A 1 , A 2 που λαμβάνονται κατά τη διαδικασία της σχάσης, κατά κανόνα, είναι ραδιενεργά με χρόνο ημιζωής από ένα έτος έως εκατοντάδες χιλιάδες χρόνια, έτσι ώστε τα απόβλητα των πυρηνικών σταθμών, τα οποία είναι καμένο καύσιμο, είναι πολύ επικίνδυνο και απαιτεί ειδικά μέτρα αποθήκευσης. Εδώ προκύπτει το πρόβλημα της γεωλογικής αποθήκευσης, η οποία θα πρέπει να διασφαλίζει την αξιοπιστία για εκατομμύρια χρόνια. Παρά τα προφανή οφέλη της πυρηνικής ενέργειας, με βάση τη λειτουργία των πυρηνικών αντιδραστήρων σε κρίσιμο τρόπο, έχει επίσης σοβαρά μειονεκτήματα. Αυτός είναι, πρώτον, ο κίνδυνος ατυχημάτων παρόμοια με το Τσερνομπίλ και, δεύτερον, το πρόβλημα ραδιενεργά απόβλητα. Η πρόταση χρήσης υποκρίσιμων αντιδραστήρων για την πυρηνική ενέργεια λύνει πλήρως το πρώτο πρόβλημα και διευκολύνει πολύ τη λύση του δεύτερου.

Πυρηνικός αντιδραστήρας σε υποκρίσιμο τρόπο ως ενισχυτής ενέργειας.

Φανταστείτε ότι έχουμε συναρμολογήσει έναν πυρηνικό αντιδραστήρα με αποτελεσματικό συντελεστή πολλαπλασιασμού νετρονίων k eff ελαφρώς μικρότερο από τη μονάδα. Ας ακτινοβολήσουμε αυτή τη συσκευή με μια σταθερή εξωτερική ροή νετρονίων N 0. Στη συνέχεια, κάθε νετρόνιο (μείον αυτά που εκπέμπονται και απορροφώνται, που λαμβάνεται υπόψη στο k eff) θα προκαλέσει σχάση, η οποία θα δώσει μια επιπλέον ροή N 0 k 2 eff. Κάθε νετρόνιο από αυτόν τον αριθμό θα παράγει πάλι k eff νετρόνια κατά μέσο όρο, τα οποία θα δώσουν μια επιπλέον ροή N 0 k eff, και ούτω καθεξής. Έτσι, η συνολική ροή των νετρονίων που δίνουν διεργασίες σχάσης αποδεικνύεται ότι είναι ίση με

N \u003d N 0 (1 + k eff + k 2 eff + k 3 eff + ...) \u003d N 0 k n eff.

Εάν το keff > 1, η σειρά σε αυτόν τον τύπο αποκλίνει, κάτι που αντανακλά την κρίσιμη συμπεριφορά της διαδικασίας σε αυτήν την περίπτωση. Αν κ εφ< 1, ряд благополучно сходится и по формуле суммы геометрической прогрессии имеем

Η απελευθέρωση ενέργειας ανά μονάδα χρόνου (ισχύς) προσδιορίζεται στη συνέχεια από την απελευθέρωση ενέργειας στη διαδικασία της σχάσης,

πού<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

νετρόνια. Είναι βολικό να αναπαραστήσουμε τη ροή νετρονίων μέσω του ρεύματος του επιταχυντή

όπου e είναι το φορτίο των πρωτονίων, το οποίο είναι ίσο με το στοιχειώδες ηλεκτρικό φορτίο. Όταν εκφράζουμε ενέργεια σε ηλεκτρονιοβολτ, αυτό σημαίνει ότι παίρνουμε την παράσταση E \u003d eV, όπου V είναι το δυναμικό που αντιστοιχεί σε αυτήν την ενέργεια, που περιέχει τόσα βολτ όσα τα ηλεκτρον βολτ περιέχουν ενέργεια. Αυτό σημαίνει ότι, λαμβάνοντας υπόψη τον προηγούμενο τύπο, μπορούμε να ξαναγράψουμε τον τύπο απελευθέρωσης ενέργειας όπως και

Τέλος, είναι βολικό να αναπαραστήσετε την ισχύ του εργοστασίου στη μορφή

όπου V είναι το δυναμικό που αντιστοιχεί στην ενέργεια του επιταχυντή, άρα VI σύμφωνα με τον γνωστό τύπο είναι η ισχύς της δέσμης του επιταχυντή: P 0 = VI, και R 0 στον προηγούμενο τύπο είναι ο συντελεστής για k eff = 0,98 , το οποίο παρέχει ένα αξιόπιστο περιθώριο υποκρισιμότητας. Όλες οι άλλες ποσότητες είναι γνωστές και για ενέργεια επιταχυντή πρωτονίου 1 GeV έχουμε . Πήραμε κέρδος 120, που φυσικά είναι πολύ καλό. Ωστόσο, ο συντελεστής του προηγούμενου τύπου αντιστοιχεί στην ιδανική περίπτωση, όταν δεν υπάρχουν απώλειες ενέργειας τόσο στον επιταχυντή όσο και στην παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας. Για να ληφθεί ένας πραγματικός συντελεστής, είναι απαραίτητο να πολλαπλασιάσουμε τον προηγούμενο τύπο με την απόδοση του επιταχυντή r y και την απόδοση του θερμοηλεκτρικού σταθμού r e. Τότε R=r y r e R 0 . Η απόδοση της επιτάχυνσης μπορεί να είναι αρκετά υψηλή, για παράδειγμα, σε ένα πραγματικό έργο ενός κυκλοτρονίου υψηλού ρεύματος 1 GeV, r y = 0,43. Η απόδοση της παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας μπορεί να είναι 0,42. Τέλος, το πραγματικό κέρδος R = r y r e R 0 = 21,8, το οποίο εξακολουθεί να είναι αρκετά καλό, επειδή μόνο το 4,6% της ενέργειας που παράγεται από την εγκατάσταση χρειάζεται να επιστραφεί για τη συντήρηση του επιταχυντή. Σε αυτή την περίπτωση, ο αντιδραστήρας λειτουργεί μόνο όταν ο επιταχυντής είναι ενεργοποιημένος και δεν υπάρχει κίνδυνος ανεξέλεγκτη αλυσιδωτή αντίδραση.

Η αρχή της κατασκευής πυρηνικής ενέργειας.

Όπως γνωρίζετε, τα πάντα στον κόσμο αποτελούνται από μόρια που

είναι πολύπλοκα συμπλέγματα αλληλεπιδράσεων

αιωρούμενα άτομα. Τα μόρια είναι τα μικρότερα σωματίδια

ουσίες που διατηρούν τις ιδιότητές του. Η σύνθεση των μορίων

περιλαμβάνει άτομα διαφόρων χημικών στοιχείων.

Τα χημικά στοιχεία αποτελούνται από άτομα του ίδιου τύπου.

Άτομο, το μικρότερο σωματίδιο ενός χημικού στοιχείου,

είναι από τον «βαρύ» πυρήνα και περιστρέφεται γύρω από το ηλεκτρο-

Οι πυρήνες των ατόμων σχηματίζονται από ένα σύνολο θετικών

φορτισμένα πρωτόνια και ουδέτερα νετρόνια.

Αυτά τα σωματίδια, που ονομάζονται νουκλεόνια, συγκρατούνται

στους πυρήνες από ελκτικές δυνάμεις μικρής εμβέλειας,

που προκύπτουν από ανταλλαγές μεσονίων,

μικρότερα σωματίδια.

Ο πυρήνας του στοιχείου X συμβολίζεται ως ή X-A, για παράδειγμα, ουράνιο U-235 -,

όπου Z είναι το φορτίο του πυρήνα, ίσο με τον αριθμό των πρωτονίων, που καθορίζει τον ατομικό αριθμό του πυρήνα, Α είναι ο μαζικός αριθμός του πυρήνα, ίσος με

ο συνολικός αριθμός πρωτονίων και νετρονίων.

Οι πυρήνες των στοιχείων με τον ίδιο αριθμό πρωτονίων αλλά διαφορετικό αριθμό νετρονίων ονομάζονται ισότοπα (για παράδειγμα, ουράνιο

έχει δύο ισότοπα U-235 και U-238). πυρήνες σε N=const, z=var - κατά ισοβαρείς.

Πυρήνες υδρογόνου, πρωτόνια, καθώς και νετρόνια, ηλεκτρόνια (σωματίδια βήτα) και μεμονωμένοι πυρήνες ηλίου (που ονομάζονται σωματίδια άλφα), μπορούν να υπάρχουν αυτόνομα έξω από τις πυρηνικές δομές. Τέτοιοι πυρήνες, ή αλλιώς στοιχειώδη σωματίδια, που κινούνται στο χώρο και πλησιάζουν τους πυρήνες σε αποστάσεις της τάξης των εγκάρσιων διαστάσεων των πυρήνων, μπορούν να αλληλεπιδράσουν με τους πυρήνες, όπως λένε, συμμετέχουν στην αντίδραση. Σε αυτή την περίπτωση, τα σωματίδια μπορούν να συλληφθούν από πυρήνες ή μετά από σύγκρουση, μπορούν να αλλάξουν την κατεύθυνση της κίνησης, να δώσουν μέρος της κινητικής ενέργειας στον πυρήνα. Τέτοιες πράξεις αλληλεπίδρασης ονομάζονται πυρηνικές αντιδράσεις. Μια αντίδραση χωρίς διείσδυση στον πυρήνα ονομάζεται ελαστική σκέδαση.

Μετά τη σύλληψη του σωματιδίου, ο σύνθετος πυρήνας βρίσκεται σε διεγερμένη κατάσταση. Ο πυρήνας μπορεί να «απαλλαγεί» από τη διέγερση με διάφορους τρόπους - να εκπέμπει κάποιο άλλο σωματίδιο και ένα γάμμα κβάντο ή να διασπαστεί σε δύο άνισα μέρη. Σύμφωνα με τα τελικά αποτελέσματα, διακρίνονται οι αντιδράσεις - σύλληψη, ανελαστική σκέδαση, σχάση, πυρηνικός μετασχηματισμός με εκπομπή πρωτονίου ή σωματιδίου άλφα.

Η πρόσθετη ενέργεια που απελευθερώνεται κατά τη διάρκεια των πυρηνικών μετασχηματισμών συχνά παίρνει τη μορφή ροών ακτίνων γάμμα.

Η πιθανότητα μιας αντίδρασης χαρακτηρίζεται από την τιμή της «διατομής» ενός δεδομένου τύπου αντίδρασης.

Η σχάση των βαρέων πυρήνων συμβαίνει κατά τη σύλληψη

νετρόνια. Αυτό απελευθερώνει νέα σωματίδια.

και η δεσμευτική ενέργεια του πυρήνα, μεταφέρεται

θραύσματα σχάσης. Αυτό είναι ένα θεμελιώδες φαινόμενο.

ανακαλύφθηκε στα τέλη της δεκαετίας του '30 από Γερμανούς επιστήμονες

nymi Hahn και Strassman, που έθεσαν τα θεμέλια

για την πρακτική χρήση της πυρηνικής ενέργειας.

Οι πυρήνες των βαρέων στοιχείων - ουράνιο, πλουτώνιο και μερικά άλλα απορροφούν εντατικά θερμικά νετρόνια. Μετά την πράξη της σύλληψης νετρονίων, ένας βαρύς πυρήνας με πιθανότητα ~0,8 χωρίζεται σε δύο μέρη άνισα σε μάζα, που ονομάζονται θραύσματα ή προϊόντα σχάσης. Σε αυτή την περίπτωση, εκπέμπονται γρήγορα νετρόνια / (κατά μέσο όρο περίπου 2,5 νετρόνια ανά συμβάν σχάσης), αρνητικά φορτισμένα σωματίδια βήτα και ουδέτερα κβάντα γάμμα και η ενέργεια δέσμευσης των σωματιδίων στον πυρήνα μετατρέπεται στην κινητική ενέργεια των θραυσμάτων σχάσης, νετρονίων και άλλα σωματίδια. Αυτή η ενέργεια στη συνέχεια ξοδεύεται στη θερμική διέγερση των ατόμων και των μορίων που συνθέτουν την ουσία, δηλ. για να ζεσταθεί η γύρω ύλη.

Μετά την πράξη της πυρηνικής σχάσης, τα πυρηνικά θραύσματα που γεννήθηκαν κατά τη σχάση, όντας ασταθή, υφίστανται μια σειρά διαδοχικών ραδιενεργών μετασχηματισμών και, με κάποια καθυστέρηση, εκπέμπουν «καθυστερημένα» νετρόνια, μεγάλο αριθμό σωματιδίων άλφα, βήτα και γάμμα. Από την άλλη, ορισμένα θραύσματα έχουν την ικανότητα να απορροφούν έντονα νετρόνια.

Ένας πυρηνικός αντιδραστήρας είναι μια τεχνική εγκατάσταση στην οποία πραγματοποιείται μια αυτοσυντηρούμενη αλυσιδωτή αντίδραση σχάσης βαρέων πυρήνων με απελευθέρωση πυρηνικής ενέργειας. Ένας πυρηνικός αντιδραστήρας αποτελείται από μια ενεργή ζώνη και έναν ανακλαστήρα τοποθετημένο σε προστατευτικό περίβλημα Η ενεργή ζώνη περιέχει πυρηνικό καύσιμο με τη μορφή σύνθεσης καυσίμου σε προστατευτική επίστρωση και μεσολαβητή. Οι κυψέλες καυσίμου συνήθως παίρνουν τη μορφή λεπτών ράβδων. Συλλέγονται σε δέσμες και περικλείονται σε καλύμματα. Τέτοιες προκατασκευασμένες συνθέσεις ονομάζονται συγκροτήματα ή κασέτες.

Ένα ψυκτικό κινείται κατά μήκος των στοιχείων καυσίμου, το οποίο αντιλαμβάνεται τη θερμότητα των πυρηνικών μετασχηματισμών. Το ψυκτικό που θερμαίνεται στον πυρήνα κινείται κατά μήκος του κυκλώματος κυκλοφορίας λόγω της λειτουργίας των αντλιών ή υπό τη δράση των δυνάμεων του Αρχιμήδη και, περνώντας από έναν εναλλάκτη θερμότητας ή μια γεννήτρια ατμού, εκπέμπει θερμότητα στο ψυκτικό του εξωτερικού κυκλώματος.

Η μεταφορά θερμότητας και η κίνηση των φορέων της μπορεί να αναπαρασταθεί ως ένα απλό σχήμα:

1.Αντιδραστήρας

2. Εναλλάκτης θερμότητας, γεννήτρια ατμού

3.Εργοστάσιο τουρμπίνας ατμού

4.Γεννήτρια

5.Συμπυκνωτής

Η ανάπτυξη μιας βιομηχανικής κοινωνίας βασίζεται σε ένα συνεχώς αυξανόμενο επίπεδο παραγωγής και κατανάλωσης.

διάφορα είδη ενέργειας.

Όπως γνωρίζετε, η παραγωγή θερμότητας και ηλεκτρικής ενέργειας βασίζεται στη διαδικασία καύσης ορυκτών καυσίμων.

ενεργειακοί πόροι -

• λάδι

και στην πυρηνική μηχανική ενέργειας - η σχάση των πυρήνων των ατόμων ουρανίου και πλουτωνίου κατά την απορρόφηση νετρονίων.

Η κλίμακα εξόρυξης και κατανάλωσης ορυκτών πόρων ενέργειας, μετάλλων, κατανάλωσης νερού, αέρα για την παραγωγή της ποσότητας ενέργειας που απαιτείται για την ανθρωπότητα είναι τεράστια και, δυστυχώς, τα αποθέματα πόρων είναι περιορισμένα. Ιδιαίτερα οξύ είναι το πρόβλημα της ταχείας εξάντλησης των οργανικών φυσικών ενεργειακών πόρων.

1 κιλό φυσικού ουρανίου αντικαθιστά 20 τόνους άνθρακα.

Τα παγκόσμια αποθέματα ενεργειακών πόρων υπολογίζονται σε 355 Q, όπου το Q είναι μονάδα θερμικής ενέργειας, ίση με Q=2,52*1017 kcal = 36*109 τόνους τυπικού καυσίμου /t.c.f./, δηλ. καύσιμο με θερμογόνο δύναμη 7000 kcal / kg, έτσι ώστε τα αποθέματα ενέργειας να είναι 12,8 * 1012 τόνοι καυσίμου αναφοράς.

Από αυτό το ποσό, περίπου το 1/3 δηλ. ~ 4,3*1012 tce μπορεί να εξαχθεί χρησιμοποιώντας σύγχρονη τεχνολογία με μέτριο κόστος εξόρυξης καυσίμου. Από την άλλη πλευρά, η τρέχουσα ζήτηση για ενεργειακούς φορείς είναι 1,1*1010 tce/έτος και αυξάνεται με ρυθμό 3-4% ετησίως, δηλ. διπλασιάζεται κάθε 20 χρόνια.

Είναι εύκολο να εκτιμηθεί ότι οι οργανικοί ορυκτές πηγές, ακόμη και με δεδομένη την πιθανή επιβράδυνση της αύξησης της κατανάλωσης ενέργειας, θα εξαντληθούν σε μεγάλο βαθμό τον επόμενο αιώνα.

Παρεμπιπτόντως, σημειώνουμε ότι η καύση ορυκτών άνθρακα και πετρελαίου, που έχουν περιεκτικότητα σε θείο περίπου 2,5%, παράγει ετησίως έως και 400 εκατομμύρια τόνους. διοξείδιο του θείου και οξείδια του αζώτου, δηλ. περίπου 70 κιλά. επιβλαβών ουσιών ανά κάτοικο της γης ανά έτος.

Η χρήση της ενέργειας του ατομικού πυρήνα, η ανάπτυξη της πυρηνικής ενέργειας αφαιρεί την οξύτητα αυτού του προβλήματος.

Πράγματι, η ανακάλυψη της σχάσης βαρέων πυρήνων κατά τη σύλληψη νετρονίων, που έκανε τον αιώνα μας ατομικό, πρόσθεσε στα αποθέματα ενέργειας ορυκτών καυσίμων έναν σημαντικό θησαυρό πυρηνικών καυσίμων. Τα αποθέματα ουρανίου στον φλοιό της γης υπολογίζονται σε τεράστιο αριθμό 1014 τόνων. Ωστόσο, το μεγαλύτερο μέρος αυτού του πλούτου βρίσκεται σε διάσπαρτη κατάσταση - σε γρανίτες, βασάλτες. Στα νερά των ωκεανών, η ποσότητα ουρανίου φτάνει τους 4 * 109 τόνους. Ωστόσο, είναι γνωστά σχετικά λίγα κοιτάσματα πλούσιου ουρανίου όπου η εξόρυξη θα ήταν φθηνή. Επομένως, η μάζα των πόρων ουρανίου που μπορεί να εξορυχθεί με σύγχρονη τεχνολογία και σε λογικές τιμές υπολογίζεται σε 108 τόνους. Η ετήσια ζήτηση για ουράνιο είναι, σύμφωνα με σύγχρονες εκτιμήσεις, 104 τόνοι φυσικού ουρανίου. Αυτά λοιπόν τα αποθέματα καθιστούν δυνατή, όπως είπε ο ακαδημαϊκός A.P. Aleksandrov, «να αφαιρεθεί το δαμόκλειο ξίφος της ανεπάρκειας καυσίμων για πρακτικά απεριόριστο χρόνο».

Ένα άλλο σημαντικό πρόβλημα της σύγχρονης βιομηχανικής κοινωνίας είναι η διασφάλιση της διατήρησης της φύσης, της καθαρότητας του νερού και της εναέριας λεκάνης.

Γνωστή ανησυχία των επιστημόνων για το «φαινόμενο του θερμοκηπίου» που προκύπτει από τις εκπομπές διοξειδίου του άνθρακα από την καύση ορυκτών καυσίμων, και την αντίστοιχη υπερθέρμανση του πλανήτη του κλίματος στον πλανήτη μας. Και τα προβλήματα ρύπανσης αερίων στην εναέρια λεκάνη, «ξινές» βροχές, δηλητηριάσεις ποταμών έχουν πλησιάσει σε κρίσιμο σημείο σε πολλές περιοχές.

Η πυρηνική ενέργεια δεν καταναλώνει οξυγόνο και έχει αμελητέες εκπομπές κατά την κανονική λειτουργία. Εάν η πυρηνική ενέργεια αντικαταστήσει τη συμβατική ενέργεια, τότε θα εξαλειφθεί η πιθανότητα ενός «θερμοκηπίου» με σοβαρές περιβαλλοντικές συνέπειες της υπερθέρμανσης του πλανήτη.

Μια εξαιρετικά σημαντική συγκυρία είναι το γεγονός ότι η πυρηνική ενέργεια έχει αποδείξει την οικονομική της αποτελεσματικότητα σε όλες σχεδόν τις περιοχές του πλανήτη. Επιπλέον, ακόμη και με μεγάλη κλίμακα παραγωγής ενέργειας σε πυρηνικούς σταθμούς, η πυρηνική ενέργεια δεν θα δημιουργήσει ιδιαίτερα προβλήματα μεταφοράς, καθώς απαιτεί αμελητέο κόστος μεταφοράς, το οποίο απαλλάσσει τις κοινωνίες από το βάρος της συνεχούς μεταφοράς τεράστιων ποσοτήτων ορυκτών καυσίμων.

Οι πυρηνικοί αντιδραστήρες χωρίζονται σε διάφορες ομάδες:

ανάλογα με τη μέση ενέργεια του φάσματος νετρονίων - σε γρήγορο, ενδιάμεσο και θερμικό.

σύμφωνα με τα σχεδιαστικά χαρακτηριστικά του πυρήνα - σε κύτος και κανάλι.

ανά τύπο ψυκτικού - νερό, βαρύ νερό, νάτριο.

ανά τύπο συντονιστή - σε νερό, γραφίτη, βαρύ νερό κ.λπ.

Για ενεργειακούς σκοπούς, για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας, χρησιμοποιούνται:

αντιδραστήρες νερού υπό πίεση με νερό που δεν βράζει ή βραστό νερό υπό πίεση,

αντιδραστήρες ουρανίου-γραφίτη με βραστό νερό ή ψύχονται με διοξείδιο του άνθρακα,

αντιδραστήρες καναλιών βαρέος νερού κ.λπ.

Στο μέλλον, θα χρησιμοποιούνται ευρέως αντιδραστήρες ταχέων νετρονίων που ψύχονται από υγρά μέταλλα (νάτριο κ.λπ.). στο οποίο εφαρμόζουμε θεμελιωδώς τον τρόπο αναπαραγωγής του καυσίμου, δηλ. δημιουργία ποσότητας σχάσιμων ισοτόπων πλουτωνίου Pu-239 που υπερβαίνει την ποσότητα αναλώσιμων ισοτόπων του ουρανίου U-235. Η παράμετρος που χαρακτηρίζει την αναπαραγωγή του καυσίμου ονομάζεται συντελεστής πλουτωνίου. Δείχνει πόσες ενέργειες ατόμων Pu-239 δημιουργούνται στις αντιδράσεις σύλληψης νετρονίων στο U-238 ανά άτομο U-235 που συλλαμβάνει ένα νετρόνιο και υφίσταται σχάση ή μετασχηματισμό ακτινοβολίας σε U-235.

Οι αντιδραστήρες νερού υπό πίεση κατέχουν εξέχουσα θέση στον παγκόσμιο στόλο αντιδραστήρων ηλεκτρικής ενέργειας. Επιπλέον, χρησιμοποιούνται ευρέως στο ναυτικό ως πηγές ενέργειας τόσο για πλοία επιφανείας όσο και για υποβρύχια. Τέτοιοι αντιδραστήρες είναι σχετικά συμπαγείς, απλοί και αξιόπιστοι στη λειτουργία τους. Το νερό, το οποίο χρησιμεύει ως ψυκτικό και μετριαστής νετρονίων σε τέτοιους αντιδραστήρες, είναι σχετικά φθηνό, μη επιθετικό και έχει καλές νετρονικές ιδιότητες.

Οι αντιδραστήρες υπό πίεση νερού είναι επίσης γνωστοί ως αντιδραστήρες υπό πίεση ή ελαφρού νερού. Κατασκευάζονται με τη μορφή κυλινδρικού δοχείου πίεσης με αφαιρούμενο καπάκι. Αυτό το δοχείο (δοχείο αντιδραστήρα) στεγάζει τον πυρήνα, ο οποίος αποτελείται από συγκροτήματα καυσίμου (φυσίγγια καυσίμου) και κινητά στοιχεία του συστήματος ελέγχου και προστασίας. Το νερό εισέρχεται στο σώμα μέσω ακροφυσίων, τροφοδοτείται στο χώρο κάτω από τον πυρήνα, κινείται κάθετα προς τα πάνω κατά μήκος των στοιχείων καυσίμου και εκκενώνεται μέσω των ακροφυσίων εξόδου στον βρόχο κυκλοφορίας. Η θερμότητα των πυρηνικών αντιδράσεων μεταφέρεται στις γεννήτριες ατμού στο δευτερεύον νερό χαμηλότερης πίεσης. Η κίνηση του νερού κατά μήκος του κυκλώματος εξασφαλίζεται από τη λειτουργία αντλιών κυκλοφορίας ή, όπως στους αντιδραστήρες για σταθμούς παροχής θερμότητας, λόγω της κινητήριας πίεσης της φυσικής κυκλοφορίας.

Πυρηνική σύντηξη αύριο.

Το "Tomorrow" σχεδιάζεται, πρώτα απ 'όλα, να δημιουργηθεί η επόμενη γενιά tokamaks, στα οποία μπορεί να επιτευχθεί αυτοσυντηρούμενη σύνθεση. Για το σκοπό αυτό, αναπτύσσεται ένας πειραματικός θερμοπυρηνικός αντιδραστήρας (OTR) στην ΙΑΕ με το όνομα I.V. Kurchatov και στο Ερευνητικό Ινστιτούτο Ηλεκτροφυσικού Εξοπλισμού με το όνομα D.V. Efremov.

Στο OTR, ο στόχος είναι να διατηρηθεί η ίδια η αντίδραση σε τέτοιο επίπεδο ώστε ο λόγος της ωφέλιμης παραγωγής ενέργειας προς την αναλωμένη ενέργεια (που συμβολίζεται με Q) να είναι μεγαλύτερος ή τουλάχιστον ίσος με ένα: Q=1. Αυτή η κατάσταση είναι ένα σοβαρό στάδιο στην ανάπτυξη όλων των στοιχείων του συστήματος στο δρόμο για τη δημιουργία ενός εμπορικού αντιδραστήρα με Q=5. Σύμφωνα με τις διαθέσιμες εκτιμήσεις, μόνο σε αυτήν την τιμή του Q επιτυγχάνεται η αυτάρκεια μιας θερμοπυρηνικής πηγής ενέργειας, όταν το κόστος όλων των διαδικασιών παροχής υπηρεσιών, συμπεριλαμβανομένων των κοινωνικών και οικιακών δαπανών, καταβάλλεται. Στο μεταξύ, η τιμή Q=0,2-0,4 έχει επιτευχθεί στο αμερικανικό TFTR.

Υπάρχουν και άλλα προβλήματα. Για παράδειγμα, ο πρώτος τοίχος -δηλαδή το κέλυφος ενός δακτυλιοειδούς θαλάμου κενού- είναι το πιο αγχωτικό, κυριολεκτικά πολύπαθο μέρος ολόκληρης της κατασκευής. Στο OTR, ο όγκος του είναι περίπου 300 m 3 και η επιφάνεια είναι περίπου 400 m 2 . Το τοίχωμα πρέπει να είναι αρκετά ισχυρό ώστε να αντέχει την ατμοσφαιρική πίεση και τις μηχανικές δυνάμεις που προκύπτουν από το μαγνητικό πεδίο, και αρκετά λεπτό ώστε να απομακρύνει τις ροές θερμότητας από το πλάσμα προς το νερό που κυκλοφορεί στην εξωτερική πλευρά του δακτυλίου χωρίς σημαντική διαφορά θερμοκρασίας. Το βέλτιστο πάχος του είναι 2 mm. Ως υλικά επιλέχθηκαν ωστενιτικοί χάλυβες ή κράματα νικελίου και τιτανίου.

Σχεδιάζεται η εγκατάσταση NET (Next Europeus Tor) από την Euratom, από πολλές απόψεις παρόμοια με το OTP, αυτή είναι η επόμενη γενιά tokamaks μετά το JET και το T-15.

Το NET επρόκειτο να κατασκευαστεί κατά την περίοδο 1994-1999. Το πρώτο στάδιο της έρευνας προγραμματίζεται να πραγματοποιηθεί σε 3-4 χρόνια.

Μιλούν επίσης για την επόμενη γενιά μετά το NET - αυτός είναι ήδη ένας «πραγματικός» θερμοπυρηνικός αντιδραστήρας, που ονομάζεται υπό όρους DEMO. Ωστόσο, δεν είναι όλα ξεκάθαρα ακόμη και με τη NET, καθώς υπάρχουν σχέδια για την κατασκευή αρκετών διεθνών εγκαταστάσεων.

Η ενέργεια μιας πυρηνικής αντίδρασης συγκεντρώνεται στον πυρήνα ενός ατόμου. Ένα άτομο είναι το μικροσκοπικό σωματίδιο που συνθέτει όλη την ύλη στο σύμπαν.

Η ποσότητα ενέργειας στην πυρηνική σχάση είναι τεράστια και μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τη δημιουργία ηλεκτρικής ενέργειας, αλλά πρέπει πρώτα να απελευθερωθεί από το άτομο.

Λήψη ενέργειας

Η χρήση της ενέργειας μιας πυρηνικής αντίδρασης γίνεται με τη βοήθεια εξοπλισμού που μπορεί να ελέγξει την ατομική σχάση για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας.

Το καύσιμο που χρησιμοποιείται για τους αντιδραστήρες και την παραγωγή ενέργειας είναι συνήθως σφαιρίδια του στοιχείου ουρανίου. Σε έναν πυρηνικό αντιδραστήρα, τα άτομα ουρανίου αναγκάζονται να καταρρεύσουν. Όταν διαχωρίζονται, τα άτομα απελευθερώνουν μικροσκοπικά σωματίδια που ονομάζονται προϊόντα σχάσης. Τα προϊόντα σχάσης δρουν σε άλλα άτομα ουρανίου για να διαχωριστούν - ξεκινά μια αλυσιδωτή αντίδραση. Η βασική ενέργεια που απελευθερώνεται από αυτή την αλυσιδωτή αντίδραση δημιουργεί θερμότητα. Η θερμότητα από τον πυρηνικό αντιδραστήρα τον κάνει πολύ ζεστό, επομένως πρέπει να κρυώσει. Το καλύτερο τεχνολογικά ψυκτικό είναι συνήθως το νερό, αλλά ορισμένοι πυρηνικοί αντιδραστήρες χρησιμοποιούν υγρό μέταλλο ή λιωμένα άλατα. Το ψυκτικό, που θερμαίνεται από τον πυρήνα, παράγει ατμό. Ο ατμός δρα στον ατμοστρόβιλο περιστρέφοντάς τον. Ο στρόβιλος συνδέεται μηχανικά με μια γεννήτρια που παράγει ηλεκτρική ενέργεια.
Οι αντιδραστήρες ελέγχονται από ράβδους ελέγχου που μπορούν να προσαρμοστούν στην ποσότητα της παραγόμενης θερμότητας. Οι ράβδοι ελέγχου κατασκευάζονται από υλικά όπως το κάδμιο, το άφνιο ή το βόριο για να απορροφούν ορισμένα από τα προϊόντα που δημιουργούνται από την πυρηνική σχάση. Οι ράβδοι υπάρχουν κατά τη διάρκεια της αλυσιδωτής αντίδρασης για τον έλεγχο της αντίδρασης. Η αφαίρεση των ράβδων θα επιτρέψει στην αλυσιδωτή αντίδραση να αναπτυχθεί πιο έντονα και να δημιουργήσει περισσότερη ηλεκτρική ενέργεια.

Περίπου το 15 τοις εκατό της παγκόσμιας ηλεκτρικής ενέργειας παράγεται από πυρηνικούς σταθμούς.

Οι Ηνωμένες Πολιτείες διαθέτουν περισσότερους από 100 αντιδραστήρες, αν και οι ΗΠΑ παράγουν το μεγαλύτερο μέρος της ηλεκτρικής τους ενέργειας από ορυκτά καύσιμα και υδροηλεκτρική ενέργεια.

Στη Ρωσία, υπάρχουν 33 μονάδες παραγωγής ενέργειας σε 10 πυρηνικούς σταθμούς - το 15% του ενεργειακού ισοζυγίου της χώρας.

Η Λιθουανία, η Γαλλία και η Σλοβακία καταναλώνουν το μεγαλύτερο μέρος της ηλεκτρικής τους ενέργειας από πυρηνικούς σταθμούς.

Πυρηνικό καύσιμο που χρησιμοποιείται για την παραγωγή ενέργειας

Το ουράνιο είναι το καύσιμο που χρησιμοποιείται ευρύτερα για την παραγωγή ενέργειας πυρηνικής αντίδρασης. Αυτό συμβαίνει επειδή τα άτομα ουρανίου διασπώνται σχετικά εύκολα. Ένας συγκεκριμένος τύπος ουρανίου για παραγωγή, που ονομάζεται U-235, είναι σπάνιος. Το U-235 αποτελεί λιγότερο από το ένα τοις εκατό του παγκόσμιου ουρανίου.

Το ουράνιο εξορύσσεται στην Αυστραλία, τον Καναδά, το Καζακστάν, τη Ρωσία, το Ουζμπεκιστάν και πρέπει να υποβληθεί σε επεξεργασία για να μπορέσει να χρησιμοποιηθεί.

Δεδομένου ότι το πυρηνικό καύσιμο μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τη δημιουργία όπλων, η παραγωγή αναφέρεται σε μια συνθήκη μη διάδοσης τέτοιων όπλων με εισαγωγή ουρανίου ή πλουτωνίου ή άλλου πυρηνικού καυσίμου. Η συνθήκη προωθεί την ειρηνική χρήση καυσίμων, καθώς και τον περιορισμό της διάδοσης αυτών των τύπων όπλων.

Ένας τυπικός αντιδραστήρας χρησιμοποιεί περίπου 200 τόνους ουρανίου κάθε χρόνο.. Οι πολύπλοκες διεργασίες επιτρέπουν σε μέρος του ουρανίου και του πλουτωνίου να επαναεμπλουτιστούν ή να επανεπεξεργαστούν. Αυτό μειώνει την ποσότητα εξόρυξης, εξόρυξης και επεξεργασίας.

Πυρηνική ενέργεια και άνθρωποι

Η πυρηνική πυρηνική ενέργεια παράγει ηλεκτρική ενέργεια που μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την τροφοδοσία κατοικιών, σχολείων, επιχειρήσεων και νοσοκομείων.

Ο πρώτος αντιδραστήρας που παρήγαγε ηλεκτρική ενέργεια κατασκευάστηκε στο Αϊντάχο των ΗΠΑ και άρχισε πειραματικά να τροφοδοτείται μόνος του το 1951.

Το 1954 ιδρύθηκε ο πρώτος πυρηνικός σταθμός ηλεκτροπαραγωγής στο Obninsk της Ρωσίας, σχεδιασμένος να παρέχει ενέργεια στους ανθρώπους.

Η κατασκευή αντιδραστήρων για την εξαγωγή της ενέργειας μιας πυρηνικής αντίδρασης απαιτεί υψηλό επίπεδο τεχνολογίας και μόνο οι χώρες που έχουν υπογράψει μια συνθήκη μη διάδοσης μπορούν να αποκτήσουν το ουράνιο ή το πλουτώνιο που απαιτείται. Για αυτούς τους λόγους, οι περισσότεροι πυρηνικοί σταθμοί βρίσκονται στις ανεπτυγμένες χώρες του κόσμου.

Οι πυρηνικοί σταθμοί παράγουν ανανεώσιμους πόρους φιλικούς προς το περιβάλλον. Δεν μολύνουν τον αέρα ούτε παράγουν εκπομπές αερίων του θερμοκηπίου. Μπορούν να κατασκευαστούν σε αστικές ή αγροτικές περιοχές και δεν αλλάζουν δραστικά το περιβάλλον γύρω τους.

Ραδιενεργό υλικό σταθμών ηλεκτροπαραγωγής

ραδιενεργό υλικό σε rΟ αντιδραστήρας είναι ασφαλής καθώς ψύχεται σε μια ξεχωριστή δομή που ονομάζεται πύργος ψύξης. Ο ατμός μετατρέπεται ξανά σε νερό και μπορεί να χρησιμοποιηθεί ξανά για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας. Ο υπερβολικός ατμός απλώς ανακυκλώνεται στην ατμόσφαιρα, όπου δεν βλάπτει όπως το καθαρό νερό.

Ωστόσο, η ενέργεια μιας πυρηνικής αντίδρασης έχει ένα υποπροϊόν με τη μορφή ραδιενεργού υλικού. Το ραδιενεργό υλικό είναι μια συλλογή από ασταθείς πυρήνες. Αυτοί οι πυρήνες χάνουν την ενέργειά τους και μπορούν να επηρεάσουν πολλά υλικά γύρω τους, συμπεριλαμβανομένων των ζωντανών οργανισμών και του περιβάλλοντος. Το ραδιενεργό υλικό μπορεί να είναι εξαιρετικά τοξικό, προκαλώντας ασθένειες, αυξάνοντας τον κίνδυνο για καρκίνο, αιματολογικές ασθένειες και αποσύνθεση των οστών.

Ραδιενεργά απόβλητα είναι ό,τι απομένει από τη λειτουργία ενός πυρηνικού αντιδραστήρα.

Τα ραδιενεργά απόβλητα καλύπτουν προστατευτική ενδυμασία που φορούν οι εργαζόμενοι, εργαλεία και υφάσματα που έχουν έρθει σε επαφή με τη ραδιενεργή σκόνη. Τα ραδιενεργά απόβλητα είναι ανθεκτικά. Υλικά όπως ρούχα και εργαλεία μπορεί να είναι ραδιενεργά για χιλιάδες χρόνια. Η κυβέρνηση ρυθμίζει τον τρόπο απόρριψης αυτών των υλικών ώστε να μην μολύνουν οτιδήποτε άλλο.

Τα καύσιμα και οι ράβδοι που χρησιμοποιούνται είναι εξαιρετικά ραδιενεργά. Τα χρησιμοποιημένα σφαιρίδια ουρανίου πρέπει να αποθηκεύονται σε ειδικά δοχεία που μοιάζουν με μεγάλες πισίνες.Μερικά εργοστάσια αποθηκεύουν τα χρησιμοποιημένα καύσιμα σε επίγειες δεξαμενές ξηρής αποθήκευσης.

Το νερό ψύξης του καυσίμου δεν έρχεται σε επαφή με τη ραδιενέργεια και επομένως είναι ασφαλές.

Είναι επίσης γνωστά για τα οποία η αρχή λειτουργίας είναι κάπως διαφορετική.

Χρήση ατομικής ενέργειας και ασφάλεια ακτινοβολίας

Οι επικριτές της χρήσης ενέργειας πυρηνικής αντίδρασης ανησυχούν ότι οι εγκαταστάσεις αποθήκευσης ραδιενεργών αποβλήτων θα διαρρεύσουν, θα ραγίσουν ή θα καταρρεύσουν. Το ραδιενεργό υλικό θα μπορούσε στη συνέχεια να μολύνει το έδαφος και τα υπόγεια ύδατα κοντά στην εγκατάσταση. Αυτό μπορεί να οδηγήσει σε σοβαρά προβλήματα υγείας για τους ανθρώπους και τους ζωντανούς οργανισμούς της περιοχής. Όλοι οι άνθρωποι θα έπρεπε να εκκενωθούν.

Αυτό συνέβη στο Τσερνόμπιλ της Ουκρανίας το 1986. Έκρηξη ατμού σε έναν από τους σταθμούς ηλεκτροπαραγωγής του τέταρτου πυρηνικού αντιδραστήρα το κατέστρεψε και προκάλεσε φωτιά. Σχηματίστηκε ένα σύννεφο ραδιενεργών σωματιδίων, το οποίο έπεσε στο έδαφος ή παρασύρθηκε με τον άνεμο και τα σωματίδια μπήκαν στον κύκλο του νερού στη φύση ως βροχή. Το μεγαλύτερο μέρος των ραδιενεργών κρουσμάτων έπεσε στη Λευκορωσία.

Οι περιβαλλοντικές συνέπειες της καταστροφής του Τσερνομπίλ εμφανίστηκαν αμέσως. Χιλιόμετρα γύρω από την τοποθεσία, το πευκοδάσος έχει στεγνώσει και το κόκκινο χρώμα των νεκρών πεύκων έχει το παρατσούκλι Κόκκινο Δάσος στην περιοχή. Τα ψάρια από τον κοντινό ποταμό Pripyat έχουν λάβει ραδιενέργεια και οι άνθρωποι δεν θα μπορούν πλέον να την καταναλώνουν. Βοοειδή και άλογα πέθαναν. Περισσότεροι από 100.000 άνθρωποι έχουν εκκενωθεί μετά την καταστροφή, αλλά ο αριθμός των ανθρώπινων θυμάτων από το Τσερνόμπιλ είναι δύσκολο να προσδιοριστεί.

Τα αποτελέσματα της δηλητηρίασης από ακτινοβολία εμφανίζονται μόνο μετά από πολλά χρόνια. Σε ασθένειες όπως ο καρκίνος, είναι δύσκολο να προσδιοριστεί η πηγή.

Το μέλλον της πυρηνικής ενέργειας

Οι αντιδραστήρες χρησιμοποιούν τη σχάση ή τη διάσπαση των ατόμων για την παραγωγή ενέργειας.

Η ενέργεια της πυρηνικής αντίδρασης μπορεί επίσης να παραχθεί με σύντηξη ή ένωση ατόμων μεταξύ τους. Παράγεται. Ο ήλιος, για παράδειγμα, υφίσταται συνεχώς πυρηνική σύντηξη ατόμων υδρογόνου για να σχηματίσει ήλιο. Δεδομένου ότι η ζωή στον πλανήτη μας εξαρτάται από τον Ήλιο, μπορεί να ειπωθεί ότι η διάσπαση καθιστά δυνατή τη ζωή στη Γη.

Οι πυρηνικοί σταθμοί δεν έχουν ακόμη την ικανότητα να παράγουν με ασφάλεια και αξιοπιστία ενέργεια μέσω της πυρηνικής σύντηξης (σύντηξη), αλλά οι επιστήμονες ερευνούν την πυρηνική σύντηξη επειδή η διαδικασία είναι πιθανό να είναι ασφαλέστερη και πιο οικονομική ως εναλλακτική μορφή ενέργειας.

Η ενέργεια μιας πυρηνικής αντίδρασης είναι τεράστια και πρέπει να χρησιμοποιηθεί από τους ανθρώπους.

Εισαγωγή

Το 1939, επιτεύχθηκε η πρώτη σχάση του ατόμου ουρανίου. Πέρασαν άλλα 3 χρόνια και ένας αντιδραστήρας δημιουργήθηκε στις ΗΠΑ για να πραγματοποιήσει μια ελεγχόμενη πυρηνική αντίδραση. Στη συνέχεια, το 1945. κατασκευάστηκε και δοκιμάστηκε η ατομική βόμβα και το 1954. Στη χώρα μας τέθηκε σε λειτουργία ο πρώτος πυρηνικός σταθμός στον κόσμο. Σε όλες αυτές τις περιπτώσεις χρησιμοποιήθηκε η τεράστια ενέργεια της διάσπασης του ατομικού πυρήνα. Ακόμη περισσότερη ενέργεια απελευθερώνεται ως αποτέλεσμα της σύντηξης των ατομικών πυρήνων. Το 1953, μια θερμοπυρηνική βόμβα δοκιμάστηκε για πρώτη φορά στην ΕΣΣΔ και ο άνθρωπος έμαθε να αναπαράγει τις διεργασίες που συμβαίνουν στον ήλιο. Μέχρι στιγμής, η πυρηνική σύντηξη δεν μπορεί να χρησιμοποιηθεί για ειρηνικούς σκοπούς, αλλά αν καταστεί δυνατή, τότε οι άνθρωποι θα εφοδιάζονται με φθηνή ενέργεια για δισεκατομμύρια χρόνια. Αυτό το πρόβλημα ήταν μια από τις πιο σημαντικές τάσεις στη σύγχρονη φυσική τα τελευταία 50 χρόνια.

Η πυρηνική ενέργεια απελευθερώνεται κατά τη διάσπαση ή τη σύντηξη των ατομικών πυρήνων. Οποιαδήποτε ενέργεια - φυσική, χημική ή πυρηνική εκδηλώνεται με την ικανότητά της να κάνει εργασία, να εκπέμπει θερμότητα ή ακτινοβολία. Η ενέργεια σε οποιοδήποτε σύστημα διατηρείται πάντα, αλλά μπορεί να μεταφερθεί σε άλλο σύστημα ή να αλλάξει μορφή.

Μέχρι το 1800 περίπου, το κύριο καύσιμο ήταν το ξύλο. Η ενέργεια του ξύλου λαμβάνεται από την ηλιακή ενέργεια που αποθηκεύεται στα φυτά κατά τη διάρκεια της ζωής τους. Από τη Βιομηχανική Επανάσταση, οι άνθρωποι εξαρτώνται από ορυκτά - άνθρακα και πετρέλαιο - η ενέργεια των οποίων προέρχεται επίσης από την αποθηκευμένη ηλιακή ενέργεια. Όταν καίγεται ένα καύσιμο όπως ο άνθρακας, τα άτομα υδρογόνου και άνθρακα που περιέχονται στον άνθρακα συνδυάζονται με τα άτομα οξυγόνου του αέρα. Όταν παράγεται νερό ή διοξείδιο του άνθρακα, δημιουργείται υψηλή θερμοκρασία, που ισοδυναμεί με περίπου 1,6 κιλοβατώρες ανά κιλό ή περίπου 10 ηλεκτρον βολτ ανά άτομο άνθρακα. Αυτή η ποσότητα ενέργειας είναι τυπική για χημικές αντιδράσεις που οδηγούν σε αλλαγή στην ηλεκτρονική δομή των ατόμων. Μέρος της ενέργειας που απελευθερώνεται ως θερμότητα είναι αρκετή για να συνεχίσει την αντίδραση.

Ένα άτομο αποτελείται από έναν μικρό, μαζικό, θετικά φορτισμένο πυρήνα που περιβάλλεται από ηλεκτρόνια. Ο πυρήνας αποτελεί το μεγαλύτερο μέρος της μάζας ενός ατόμου. Αποτελείται από νετρόνια και πρωτόνια (κοινώς ονομαζόμενα νουκλεόνια) που συνδέονται μεταξύ τους από πολύ μεγάλες πυρηνικές δυνάμεις, πολύ μεγαλύτερες από τις ηλεκτρικές δυνάμεις που δεσμεύουν τα ηλεκτρόνια στον πυρήνα. Η ενέργεια ενός πυρήνα καθορίζεται από το πόσο ισχυρά συγκρατούνται μεταξύ τους τα νετρόνια και τα πρωτόνια του από τις πυρηνικές δυνάμεις. Η ενέργεια νουκλεονίου είναι η ενέργεια που απαιτείται για την απομάκρυνση ενός νετρονίου ή πρωτονίου από τον πυρήνα. Εάν δύο ελαφροί πυρήνες συνδυαστούν για να σχηματίσουν έναν βαρύτερο πυρήνα ή εάν ένας βαρύς πυρήνας σπάσει σε δύο ελαφρύτερους, τότε και στις δύο περιπτώσεις απελευθερώνεται μεγάλη ποσότητα ενέργειας.

Η πυρηνική ενέργεια, μετρούμενη σε εκατομμύρια ηλεκτρον βολτ, παράγεται από τη σύντηξη δύο ελαφρών πυρήνων όταν δύο ισότοπα υδρογόνου (δευτέριο) συνδυάζονται στην ακόλουθη αντίδραση:

Σε αυτή την περίπτωση, σχηματίζεται ένα άτομο ηλίου με μάζα 3 amu. , ένα ελεύθερο νετρόνιο και 3,2 MeV, ή 5,1 * 10 6 J (1,2 * 10 3 θερμίδες).

Η πυρηνική ενέργεια παράγεται επίσης όταν ένας βαρύς πυρήνας (για παράδειγμα, ο πυρήνας του ισοτόπου ουρανίου-235) διασπάται λόγω της απορρόφησης ενός νετρονίου:

Ως αποτέλεσμα, διασπάται σε καίσιο-140, ρουβίδιο-93, τρία νετρόνια και 200 ​​MeV, ή 3,2 10 16 J (7,7 10 8 θερμίδες). Μια αντίδραση πυρηνικής σχάσης απελευθερώνει 10 εκατομμύρια φορές περισσότερη ενέργεια από μια παρόμοια χημική αντίδραση.

Πυρηνική σύντηξη

Η απελευθέρωση της πυρηνικής ενέργειας μπορεί να συμβεί στο κάτω άκρο της καμπύλης ενέργειας όταν δύο ελαφροί πυρήνες συνδυάζονται σε έναν βαρύτερο. Η ενέργεια που ακτινοβολούν τα αστέρια, όπως ο ήλιος, είναι το αποτέλεσμα των ίδιων αντιδράσεων σύντηξης στα βάθη τους.

Υπό τεράστια πίεση και θερμοκρασία 15 εκατομμυρίων βαθμών C 0 . Οι πυρήνες υδρογόνου που υπάρχουν εκεί συνδυάζονται σύμφωνα με την εξίσωση (1) και, ως αποτέλεσμα της σύνθεσής τους, σχηματίζεται η ενέργεια του ήλιου.

Η πυρηνική σύντηξη επιτεύχθηκε για πρώτη φορά στη Γη στις αρχές της δεκαετίας του 1930. Στο κυκλότρον - τον επιταχυντή των στοιχειωδών σωματιδίων - πραγματοποιήθηκε ο βομβαρδισμός των πυρήνων του δευτερίου. Σε αυτή την περίπτωση, απελευθερώθηκε υψηλή θερμοκρασία, ωστόσο, αυτή η ενέργεια δεν μπορούσε να χρησιμοποιηθεί. Στη δεκαετία του 1950, η πρώτη μεγάλης κλίμακας αλλά ανεξέλεγκτη διεργασία απελευθέρωσης ενέργειας σύντηξης επιδείχθηκε σε δοκιμές θερμικής πυρηνικά όπλαΗνωμένες Πολιτείες, ΕΣΣΔ, Μεγάλη Βρετανία και Γαλλία. Ωστόσο, αυτή ήταν μια βραχυπρόθεσμη και ανεξέλεγκτη αντίδραση που δεν μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας.

Στις αντιδράσεις διάσπασης, ένα νετρόνιο, που δεν έχει ηλεκτρικό φορτίο, μπορεί εύκολα να πλησιάσει και να αντιδράσει με έναν σχάσιμο πυρήνα, όπως το ουράνιο-235. Σε μια τυπική αντίδραση σύντηξης, ωστόσο, οι πυρήνες που αντιδρούν έχουν θετικό ηλεκτρικό φορτίο και επομένως απωθούνται μεταξύ τους σύμφωνα με το νόμο του Coulomb, επομένως οι δυνάμεις που οφείλονται στον νόμο του Coulomb πρέπει να ξεπεραστούν πριν οι πυρήνες μπορούν να συντηχθούν. Αυτό συμβαίνει όταν η θερμοκρασία του αερίου που αντιδρά - αρκετά υψηλή από 50 έως 100 εκατομμύρια βαθμούς C 0 . Σε ένα αέριο βαρέων ισοτόπων υδρογόνου δευτερίου και τριτίου σε αυτή τη θερμοκρασία, συμβαίνει μια αντίδραση σύντηξης:

τονίζοντας περίπου 17,6 MeV. Η ενέργεια εμφανίζεται αρχικά ως η κινητική ενέργεια του ηλίου-4 και του νετρονίου, αλλά σύντομα εκδηλώνεται ως θερμότητα στα περιβάλλοντα υλικά και το αέριο.

Εάν, σε τόσο υψηλή θερμοκρασία, η πυκνότητα του αερίου είναι 10 -1 ατμόσφαιρες (δηλαδή σχεδόν ένα κενό), τότε το ενεργό ήλιο-4 μπορεί να μεταφέρει την ενέργειά του στο περιβάλλον υδρογόνο. Έτσι, διατηρείται υψηλή θερμοκρασία και δημιουργούνται συνθήκες για την εμφάνιση μιας αυθόρμητης αντίδρασης σύνθεσης. Υπό αυτές τις συνθήκες, εμφανίζεται «πυρηνική ανάφλεξη».

Η επίτευξη των συνθηκών για ελεγχόμενη θερμοπυρηνική σύντηξη παρεμποδίζεται από πολλά κύρια προβλήματα. Πρώτον, το αέριο πρέπει να θερμανθεί σε πολύ υψηλή θερμοκρασία. Δεύτερον, είναι απαραίτητος ο έλεγχος του αριθμού των πυρήνων που αντιδρούν για αρκετά μεγάλο χρονικό διάστημα. Τρίτον, η ποσότητα της ενέργειας που απελευθερώνεται πρέπει να είναι μεγαλύτερη από αυτή που δαπανήθηκε για θέρμανση και περιορισμό της πυκνότητας του αερίου. Το επόμενο πρόβλημα είναι η συσσώρευση αυτής της ενέργειας και η μετατροπή της σε ηλεκτρική ενέργεια.

Σε θερμοκρασίες ακόμη και 100.000 C 0 όλα τα άτομα υδρογόνου ιονίζονται πλήρως. Ένα αέριο αποτελείται από μια ηλεκτρικά ουδέτερη δομή: θετικά φορτισμένους πυρήνες και αρνητικά φορτισμένα ελεύθερα ηλεκτρόνια. Αυτή η κατάσταση ονομάζεται πλάσμα.

Το πλάσμα είναι αρκετά ζεστό για σύντηξη, αλλά δεν μπορεί να βρεθεί σε συμβατικά υλικά. Το πλάσμα θα κρυώσει πολύ γρήγορα και τα τοιχώματα του δοχείου θα καταστρέφονταν από τη διαφορά θερμοκρασίας. Ωστόσο, δεδομένου ότι το πλάσμα αποτελείται από φορτισμένους πυρήνες και ηλεκτρόνια που περιστρέφονται σπειροειδώς γύρω από τις γραμμές του μαγνητικού πεδίου, το πλάσμα μπορεί να περιέχεται εντός της περιοχής περιορισμένης από μαγνητικό πεδίο χωρίς να αντιδρά με τα τοιχώματα του αγγείου.

Σε οποιαδήποτε συσκευή ελεγχόμενης σύντηξης, η απελευθέρωση ενέργειας πρέπει να υπερβαίνει την ενέργεια που απαιτείται για τον περιορισμό και τη θέρμανση του πλάσματος. Αυτή η συνθήκη μπορεί να εκπληρωθεί όταν ο χρόνος περιορισμού του πλάσματος t και η πυκνότητά του n υπερβαίνουν περίπου το 10 14 . Σχέσεις τν > 10 14 ονομάζονται κριτήριο Lawson.

Πολυάριθμα σχήματα μαγνητικού περιορισμού πλάσματος έχουν δοκιμαστεί από το 1950 στις Ηνωμένες Πολιτείες, την ΕΣΣΔ, τη Μεγάλη Βρετανία, την Ιαπωνία και αλλού. Παρατηρήθηκαν θερμοπυρηνικές αντιδράσεις, αλλά το κριτήριο Lawson σπάνια ξεπερνούσε το 10 12 . Ωστόσο, μια συσκευή "Tokamak" (αυτό το όνομα είναι συντομογραφία των ρωσικών λέξεων: Toroidal Camera with Magnetic Coils), που προτάθηκε αρχικά στην ΕΣΣΔ από τους Igor Tamm και Andrei Sakharov, άρχισε να δίνει καλά αποτελέσματα στις αρχές της δεκαετίας του 1960.

Το tokamak είναι ένας σπειροειδής θάλαμος κενού με πηνία που δημιουργούν ένα ισχυρό δακτυλιοειδές μαγνητικό πεδίο. Ένα σπειροειδές μαγνητικό πεδίο περίπου 50.000 Gauss διατηρείται μέσα σε αυτόν τον θάλαμο από ισχυρούς ηλεκτρομαγνήτες. Μια διαμήκης ροή πολλών εκατομμυρίων αμπέρ δημιουργείται στο πλάσμα από τα πηνία του μετασχηματιστή. Οι κλειστές γραμμές μαγνητικού πεδίου περιορίζουν σταθερά το πλάσμα.

Με βάση την επιτυχή λειτουργία ενός πειραματικού μικρού «Tokamak» σε πολλά εργαστήρια, κατασκευάστηκαν δύο μεγάλες συσκευές στις αρχές της δεκαετίας του 1980, μία στο Πανεπιστήμιο Πρίνστον των Ηνωμένων Πολιτειών και μία στην ΕΣΣΔ. Στο "Tokamak" η υψηλή θερμοκρασία πλάσματος προκύπτει ως αποτέλεσμα της απελευθέρωσης θερμότητας στην αντίσταση μιας ισχυρής δακτυλιοειδούς ροής, καθώς και με πρόσθετη θέρμανση με την εισαγωγή μιας ουδέτερης δέσμης, η οποία μαζί θα πρέπει να οδηγήσει σε ανάφλεξη.

Ένας άλλος πιθανός τρόπος απόκτησης ενέργειας σύντηξης είναι επίσης η αδρανειακή ιδιότητα. Σε αυτή την περίπτωση, το καύσιμο - τρίτιο ή δευτέριο - περιέχεται σε μια μικροσκοπική μπάλα που βομβαρδίζεται από πολλές πλευρές από μια παλμική δέσμη λέιζερ. Αυτό προκαλεί έκρηξη του μπαλονιού, παράγοντας μια θερμοπυρηνική αντίδραση που αναφλέγει το καύσιμο. Αρκετά εργαστήρια στις Ηνωμένες Πολιτείες και αλλού διερευνούν αυτήν τη στιγμή αυτήν την πιθανότητα. Η πρόοδος στην έρευνα σύντηξης ήταν πολλά υποσχόμενη, αλλά το έργο της δημιουργίας πρακτικών συστημάτων για μια βιώσιμη αντίδραση σύντηξης που παράγει περισσότερη ενέργεια από αυτή που καταναλώνει παραμένει άλυτο και θα απαιτήσει πολύ περισσότερο χρόνο και προσπάθεια.

Όταν έγινε σαφές ότι οι πηγές υδρογονανθράκων πρώτων υλών, όπως το πετρέλαιο, το φυσικό αέριο, ο άνθρακας, εξαντλούνται. Αυτό σημαίνει ότι πρέπει να αναζητήσουμε νέες μορφές ενέργειας. Τώρα το ζήτημα της πιθανότητας καταστροφικής κλιματικής αλλαγής που σχετίζεται με το γεγονός ότι οι συμβατικοί θερμοηλεκτρικοί σταθμοί δημιουργούν ένα στρώμα αερίων θερμοκηπίου έχει ανακύψει πολύ σοβαρά. Και ως αποτέλεσμα, η Γη βιώνει υπερθέρμανση του πλανήτη. Είναι απολύτως βέβαιο. Πρέπει να αναζητήσουμε νέους τύπους ενέργειας που δεν οδηγούν σε αυτό.

Kuvshinov Vyacheslav Ivanovich:
Η δομή του ατόμου και η δομή του ατόμου (τι έχει μέσα στον πυρήνα) έγιναν γνωστά μόλις τον περασμένο αιώνα. Πότε ήταν το δεύτερο Παγκόσμιος πόλεμοςπερπάτησε, έγινε σαφές ότι κολοσσιαία ενέργεια μπορούσε να εξαχθεί από τον πυρήνα ενός ατόμου. Φυσικά, σκέφτηκε μια παραλλαγή για το πώς θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί από την άποψη των όπλων, από την άποψη της ατομικής βόμβας.
Και μόνο στη δεκαετία του '50, προέκυψε το ζήτημα της ειρηνικής χρήσης της ατομικής ενέργειας, προέκυψε η έννοια του "ειρηνικού ατόμου".

Το πρώτο πυρηνικό εργοστάσιο παραγωγής ενέργειας στη Σοβιετική Ένωση κατασκευάστηκε στο Obninsk. Είναι περίεργο ότι ο ακαδημαϊκός Andrei Kapitonovich Krasin ήταν ο διευθυντής του πρώτου πυρηνικού σταθμού, ο οποίος, παρεμπιπτόντως, αργότερα έγινε διευθυντής του Ινστιτούτου Ενέργειας και πυρηνική έρευνα«Πεύκα».

Kuvshinov Vyacheslav Ivanovich:
Πάρτε τα πρωτόνια και τα νετρόνια που αποτελούν τον πυρήνα. Εάν κάθονται μέσα στον πυρήνα, συνδέονται στενά με πυρηνικές δυνάμεις. Γιατί είναι σφιχτό; Επειδή, για παράδειγμα, δύο πρωτόνια - έχουν το ίδιο ηλεκτρικό φορτίο, πρέπει να απωθούνται σε τεράστιο βαθμό, ωστόσο, συστέλλονται. Έτσι, υπάρχουν πυρηνικές δυνάμεις μέσα στον πυρήνα. Και αποδεικνύεται ότι μέρος της μάζας των πρωτονίων και των νετρονίων μετατρέπεται σε ενέργεια. Και υπάρχει μια τόσο διάσημη φόρμουλα, η οποία τώρα γράφεται ακόμη και στα μπλουζάκια E = Mc2. Ε είναι ενέργεια, Μ είναι η μάζα των σωματιδίων, ΜΕτετράγωνο είναι η ταχύτητα του φωτός.
Αποδεικνύεται ότι υπάρχει επίσης μια ειδική ενέργεια που σχετίζεται με τη μάζα του σώματος. Και αν υπάρχει κάποια αποθηκευμένη ενέργεια στον πυρήνα, εάν ο πυρήνας διασπαστεί, τότε αυτή η ενέργεια απελευθερώνεται με τη μορφή της ενέργειας των θραυσμάτων. Και είναι ακριβώς η ποσότητά του (Ε) που ισούται με (Μ) ανά (τετράγωνο της ταχύτητας του φωτός). Εδώ, ως αποτέλεσμα της σχάσης ενός πυρήνα, έχετε κάποια ενέργεια με τη μορφή της ενέργειας των θραυσμάτων.
Το ενδιαφέρον εδώ είναι ότι όταν συμβαίνει μια μεγάλη ποσότητα, για παράδειγμα, σχάσης καυσίμου ουρανίου, συμβαίνει μια πυρηνική αλυσιδωτή αντίδραση. Αυτό σημαίνει ότι οι πυρήνες διαιρούνται σχεδόν ταυτόχρονα. Αυτό απελευθερώνει μια τεράστια ποσότητα ενέργειας. Για παράδειγμα, 1,5 κιλό καυσίμου ουρανίου μπορεί να αντικαταστήσει 1,5 βαγόνια άνθρακα.

Τι ρόλο παίζει η ταχύτητα του φωτός σε αυτόν τον παγκόσμιο τύπο;

Kuvshinov Vyacheslav Ivanovich:
Ο Αϊνστάιν έφτιαξε τους τύπους του για την αλλαγή της ταχύτητας του φωτός από το ένα σύστημα συντεταγμένων στο άλλο, από το οποίο προκύπτει ότι η ταχύτητα του φωτός είναι σταθερή και όλες οι άλλες ταχύτητες άλλων σωμάτων και αντικειμένων αλλάζουν. Είναι περίεργο ότι από τον τύπο της σχετικότητας του Αϊνστάιν αποδεικνύεται ότι το ταξίδι στο χρόνο είναι δυνατό!Από αυτό προκύπτει το λεγόμενο «δίδυμο παράδοξο». Βρίσκεται στο γεγονός ότι ένα από τα δίδυμα, που βρίσκεται σε έναν πύραυλο επιταχυνόμενο σε ταχύτητα κοντά στην ταχύτητα του φωτός, θα γεράσει λιγότερο από τον αδελφό του, ο οποίος παραμένει στη Γη.

Kuvshinov Vyacheslav Ivanovich, καθηγητής, Διευθύνων Σύμβουλος"Κοινό Ινστιτούτο Ενέργειας και Πυρηνικής Έρευνας "Sosny":
Σύμφωνα με τον ΔΟΑΕ, μόνο η συμπερίληψη της πυρηνικής ενέργειας δίνει το χαμηλότερο κόστος ηλεκτρικής ενέργειας. Οι Λευκορώσοι θα δουν αυτό το πλεονέκτημα στο «λίπος» τους.

Σύμφωνα με μελέτες του ΔΟΑΕ, μέχρι το 2020 θα εμφανιστεί μια τρύπα στο ισοζύγιο καυσίμων και ενέργειας της Λευκορωσίας, όπως λένε. Οι ειδικοί λένε ότι θα είναι δυνατό να καλυφθεί το χάσμα στην κατανάλωση ενέργειας μόνο με τη βοήθεια ενός λειτουργούντος πυρηνικού σταθμού.

Σύμφωνα με τον ΔΟΑΕ, υπάρχουν 441 μονάδες ισχύος που λειτουργούν στον κόσμο. Γύρω από τη Λευκορωσία υπάρχουν 5 πυρηνικοί σταθμοί. Το Rivne NPP λειτουργεί στη γειτονική Ουκρανία, το Smolensk NPP, το Leningrad NPP στη Ρωσία και το Baltic NPP είναι υπό κατασκευή.

Nikolai Grusha, Διευθυντής του Τμήματος Πυρηνικής Ενέργειας του Υπουργείου Ενέργειας της Δημοκρατίας της Λευκορωσίας:
Το κύριο καθήκον της κατασκευής ενός πυρηνικού σταθμού ηλεκτροπαραγωγής, και γενικά, το κύριο καθήκον της ενεργειακής πολιτικής στη Δημοκρατία της Λευκορωσίας είναι η μείωση της εξάρτησης από τον εφοδιασμό φυσικού αερίου.
Με τη θέση σε λειτουργία ενός πυρηνικού σταθμού ισχύος άνω των 2 εκατομμυρίων κιλοβάτ, πρώτον, θα παράγεται περίπου το 27-29% του συνόλου της ηλεκτρικής ενέργειας που παράγεται σε πυρηνικούς σταθμούς. Αυτό θα αντικαταστήσει περίπου 5 δισεκατομμύρια κυβικά μέτρα φυσικού αερίου. Αυτό είναι σχεδόν το ένα τέταρτο αυτού που καταναλώνουμε σήμερα.

Η συμβολή του πυρηνικού εξοπλισμού και τεχνολογιών στη διασφάλιση της ασφάλειας του κράτους συνήθως χωρίζεται σε σφαίρες πολιτικών (ειρηνικών) και στρατιωτικών εφαρμογών. Μια τέτοια διαίρεση είναι, κατά μια έννοια, υπό όρους, δεδομένου ότι η μετατροπή των πυρηνικών τεχνολογιών έλαβε χώρα σε όλα τα στάδια της ανάπτυξής τους.

Οι κύριες κατευθύνσεις της ειρηνικής χρήσης της πυρηνικής ενέργειας:

• βιομηχανία ηλεκτρικής ενέργειας?
• παροχή θερμότητας οικισμών (δημοτικών) και βιομηχανικών εγκαταστάσεων (βιομηχανικών), αφαλάτωση θαλασσινό νερό;
• εργοστάσια ηλεκτροπαραγωγής για μεταφορικούς σκοπούς που χρησιμοποιούνται ως πηγές ενέργειας σε πλοία του πολεμικού ναυτικού - παγοθραυστικά, αναπτήρες κ.λπ.
• ανάπτυξη κοιτασμάτων της Αρκτικής υφαλοκρηπίδα;
• εργοστάσια ηλεκτροπαραγωγής για τροφοδοσία τεχνητών διαστημικών συστημάτων και αντικειμένων. πυραυλοκινητήρες?
• Εγκαταστάσεις ερευνητικών αντιδραστήρων για διάφορους σκοπούς·
• απόκτηση προϊόντων ισοτόπων που είναι απαραίτητα για χρήση στην ιατρική, την τεχνολογία, τη γεωργία·
• βιομηχανική εφαρμογή υπόγειων πυρηνικών εκρήξεων.
• Οι κύριες κατευθύνσεις της στρατιωτικής χρήσης της πυρηνικής ενέργειας:
• ανάπτυξη πυρηνικών υλικών για όπλα.
• πυρηνικά όπλα;
• εργοστάσια παραγωγής ενέργειας που χρησιμοποιούνται για την άντληση ενέργειας σε όπλα λέιζερ.
• εργοστάσια ηλεκτροπαραγωγής για υποβρύχια και πλοία επιφανείας του ναυτικού και διαστημόπλοια.

Βιομηχανία ηλεκτρικής ενέργειας.Οι περισσότερες από τις λειτουργικές μονάδες ισχύος χρησιμοποιούν αντιδραστήρες πεπιεσμένου νερού (PWR, VVER) ή αντιδραστήρες βραστό νερό (BWR, RBMK), οι οποίοι καθιστούν δυνατή την επίτευξη απόδοσης παραγωγής ενέργειας 31...33%. Οι αντιδραστήρες γρήγοροι και υψηλής θερμοκρασίας (ψυκτικοί με αέριο) παρέχουν απόδοση παραγωγής ενέργειας 41 ... 43%. Η μετάβαση στη μετατροπή ενέργειας αεριοστροβίλου σε θερμοκρασία πίσω από τον αερόψυκτο αντιδραστήρα περίπου 900 °C επιτρέπει την αύξηση της απόδοσης της παραγωγής ενέργειας έως και 48...49%.

Το 2002, η συνολική παγκόσμια παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας όλων των λειτουργικών μονάδων πυρηνικής ενέργειας (441 μονάδες με συνολική εγκατεστημένη ηλεκτρική ισχύ 359 GW) ήταν 2574 TWh (περίπου 16% της παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας και 6% του παγκόσμιου ισοζυγίου καυσίμου και ενέργειας).

Παροχή θερμότηταςμε τη χρήση πυρηνικών πηγών ενέργειας επί του παρόντος (με τους περιορισμένους όγκους της) είναι επαρκώς προετοιμασμένη από τεχνική άποψη και η πρακτική εφαρμογή της θεωρείται ιδιαίτερης σημασίας κατά την αντικατάσταση των ορυκτών καυσίμων με πυρηνικά. Η χρήση της πυρηνικής ενέργειας για την παροχή θερμότητας οικισμών και βιομηχανίας ξεκίνησε σχεδόν ταυτόχρονα με την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας από πυρηνικούς αντιδραστήρες.

Υπάρχουν τρεις τρόποι τηλεθέρμανσης από πυρηνική πηγή:

• πυρηνικός θερμοηλεκτρικός σταθμός (ATES) για τη συνδυασμένη παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας και θερμότητας σε μία μονάδα·
• πυρηνικοί λέβητες που χρησιμεύουν μόνο για την παραγωγή ατμού χαμηλής πίεσης και ζεστού νερού (η μέθοδος εφαρμόζεται σε αρκετά μικρή κλίμακα).
• χρήση των δυνατοτήτων παραγωγής θερμότητας των πυρηνικών σταθμών συμπύκνωσης για την παραγωγή θερμότητας.

Απελευθέρωση θερμότητας για θέρμανσηΠαράγουν όλοι οι πυρηνικοί σταθμοί της Ρωσίας και των χωρών της ΚΑΚ, καθώς και πολλοί ξένοι (Βουλγαρία, Ουγγαρία, Γερμανία, Καναδάς, ΗΠΑ, Ελβετία κ.λπ.). Σύμφωνα με την «Ενεργειακή Στρατηγική της Ρωσίας για την περίοδο έως το 2020» Η παραγωγή θερμικής ενέργειας στη Ρωσία με χρήση πυρηνικών πηγών θα αυξηθεί από 6 εκατομμύρια Gcal το 1990 σε 15 εκατομμύρια Gcal το 2020. Αναμένεται αύξηση της παραγωγής θερμικής ενέργειας λόγω της δημιουργίας τεχνικών δυνατοτήτων για τη μεταφορά θερμικής ενέργειας από πυρηνικούς σταθμούς και σε λειτουργία πυρηνικών σταθμών. Ταυτόχρονα, οι παράγοντες που επηρεάζουν την οικονομική απόδοση της παροχής θερμότητας με χρήση πυρηνικής πηγής ενέργειας είναι ο τύπος της μονάδας αντιδραστήρα και οι επενδύσεις σε αυτήν, η συγκέντρωση των θερμικών φορτίων των χρηστών, το μήκος των κύριων δικτύων θέρμανσης, καθώς και η συγκριτική τιμές για πυρηνικά και ορυκτά καύσιμα.

Χρήση θερμικής ενέργειας NPPσε βιομηχανική κλίμακα στις χώρες πρώην ΕΣΣΔξεκίνησε στα τέλη της δεκαετίας του 1950. στον πυρηνικό σταθμό της Σιβηρίας, όπου η θερμότητα χρησιμοποιήθηκε για τη θέρμανση βιομηχανικών χώρων και κτιρίων κατοικιών. Η υψηλή αξιοπιστία και ασφάλεια των συστημάτων παροχής θερμότητας επιδείχθηκε στο Bilibino ATES, το οποίο λειτουργεί στην Chukotka από το 1974. Η τελευταία, τέταρτη μονάδα ισχύος τέθηκε σε λειτουργία το 1976. Η BiATES είναι η μόνη πυρηνική μονάδα στον κόσμο που έχει σχεδιαστεί για την παραγωγή ηλεκτρισμού και θερμότητας για βιομηχανικούς και οικιακούς Βορρά στο permafrost.

Στη Ρωσία και στο εξωτερικό, έχουν αναπτυχθεί έργα για αντιδραστήρες μεσαίας και μικρής ισχύος που προορίζονται μόνο για σκοπούς θέρμανσης - AST-500 (Ρωσία), NHR-200 (Κίνα), SES-10 (Καναδάς), Geyser (Ελβετία κ.λπ.), καθώς και για διπλή χρήση, δηλ. για την παραγωγή θερμότητας και ηλεκτρικής ενέργειας - VK-300, RUTA, ATES-200, ABV, Sakha-32 και KLT-40 (Ρωσία), SMART (Δημοκρατία της Κορέας), CAREM-25 (Αργεντινή), MRX (Ιαπωνία), ISIS (Ιταλία) ).

Ο βαθμός επεξεργασίας των έργων ποικίλλει από σκίτσο σε εργασία. Για ορισμένα έργα, έχουν κατασκευαστεί και λειτουργούν μονάδες επίδειξης (SDR για SES-10, NHR-5 για NHR-200).

Η θερμότητα του δυναμικού υψηλής θερμοκρασίας (έως 1000 °C και άνω), η οποία είναι απαραίτητη για τη χημική βιομηχανία, την παραγωγή υδρογόνου, τη σιδηρούχα μεταλλουργία και άλλες τεχνολογίες έντασης ενέργειας, μπορεί να ληφθεί σε αντιδραστήρες που ψύχονται με ήλιο. Η υλοποίηση των αναπτυγμένων έργων τέτοιων αντιδραστήρων και των ενεργειακών τεχνολογικών συγκροτημάτων που παρέχονται από αυτούς είναι τεχνικά εφικτή, αλλά με σύγχρονη αξίαστα ορυκτά καύσιμα, δίνεται προτίμηση στις παραδοσιακές τεχνολογίες που χρησιμοποιούν αυτό το καύσιμο.

Αφαλάτωση.Ένας από τους σημαντικούς και πολλά υποσχόμενους τομείς εφαρμογής των μικρών και μέσης ισχύοςαφαλάτωση του θαλασσινού νερού και άλλων υψηλά μεταλλευμένων και αλμυρών νερών (δικό μου κ.λπ.) μπορεί να γίνει. Η μεγάλης κλίμακας παραγωγή γλυκού νερού με βάση τη χρήση πυρηνικής ενέργειας κατακτήθηκε για πρώτη φορά στην ΕΣΣΔ. Το 1973, τέθηκε σε λειτουργία στο Καζακστάν ένα μεγάλο βιομηχανικό συγκρότημα αφαλάτωσης με γρήγορο αντιδραστήρα BN-350 με ψυκτικό υγρό μετάλλου (νάτριο).

Πολυετής εμπειρία στη λειτουργία αυτού του συγκροτήματος, πολυάριθμες εγχώριες και ξένες μελέτες σχεδιασμού μονάδων αφαλάτωσης με διάφορους τύπους αντιδραστήρων, λεπτομερής μελέτη του προβλήματος στα ερευνητικά προγράμματα του Διεθνούς Οργανισμού Ατομικής Ενέργειας (ΔΟΑΕ) καθιστούν δυνατό να εξεταστούν πυρηνικοί αντιδραστήρες ως οικονομικά υποσχόμενες πηγές ενέργειας για μονάδες αφαλάτωσης, παρέχοντας τη δυνατότητα παραγωγής γλυκού νερού σε τεράστιες περιοχές με αποκεντρωμένη παροχή ενέργειας, κάτι που είναι χαρακτηριστικό για πολλές περιοχές με έλλειψη νερού στον κόσμο.

Σταθμοί ηλεκτροπαραγωγής μεταφορών.Πυρηνικές εγκαταστάσεις πλοίων και πλοίων σχεδιάστηκαν και κατασκευάστηκαν στη Ρωσία, τις ΗΠΑ, τη Γερμανία, την Ιαπωνία, τη Μεγάλη Βρετανία, τη Γαλλία και την Κίνα. Το πρώτο πυρηνοκίνητο πολιτικό πλοίο στον κόσμο, το πυρηνοκίνητο παγοθραυστικό «Λένιν», κατασκευάστηκε το 1959 και στη συνέχεια μια σειρά από πυρηνοκίνητα παγοθραυστικά («Arktika», «Sibir», «Russia», «Σοβιετική Ένωση», "Taimyr", "Vaigach", "Yamal") και ένα κοντέινερ-αναπτήρα μεταφοράς "Sevmorput". Η εμπειρία της μη στρατιωτικής πυρηνικής ναυπήγησης σε άλλες χώρες (ΗΠΑ - Σαβάνα, 1962· Γερμανία - Otto Gann, 1968· Ιαπωνία - Mutsu, 1974) ήταν ασύγκριτα μικρότερη.

Η συνολική λειτουργία χωρίς ατυχήματα πυρηνικών σταθμών ηλεκτροπαραγωγής σε ρωσικά παγοθραυστικά και έναν ελαφρύτερο φορέα ξεπέρασε τα 160 έτη αντιδραστήρα. ο χρόνος λειτουργίας του εξοπλισμού στους πρώτους πυρηνικούς σταθμούς ανήλθε σε περισσότερες από 100 ... 120 χιλιάδες ώρες με τη διατήρηση της ικανότητας εργασίας. Για 35 χρόνια λειτουργίας πυρηνικών παγοθραυστικών και 9 χρόνια λειτουργίας του Sevmorput, δεν υπήρξε πυρηνικό ή ραδιενεργό επικίνδυνο περιστατικό σε αυτά που να οδηγούσε σε διακοπή της πτήσης, έκθεση προσωπικού ή αρνητικό αντίκτυπογια το περιβάλλον. Δεν υπήρξαν περιπτώσεις επαγγελματικής ασθένειας που να σχετίζονται με την εργασία στο εργοστάσιο του αντιδραστήρα.

Τα πρώτα πυρηνικά υποβρύχια κατασκευάστηκαν και παραδόθηκαν στον στόλο στις Ηνωμένες Πολιτείες το 1954, στη Ρωσία - το 1958. Στη συνέχεια, άρχισαν να κατασκευάζονται υποβρύχια στη Μεγάλη Βρετανία, τη Γαλλία και την Κίνα (αντίστοιχα 1963, 1971 και 1974). Στη Ρωσία, 261 πυρηνικά υποβρύχια κατασκευάστηκαν μεταξύ 1957 και 1995. το κύριο μέρος του πυρηνικού υποβρυχίου έχει δύο πυρηνικούς αντιδραστήρες.

Υπό τις συνθήκες περιορισμού και μείωσης του εξοπλισμού, έχουν γίνει τα καθήκοντα δημιουργίας μιας αποτελεσματικής τεχνολογίας για την απόρριψη παροπλισμένων πυρηνικών υποβρυχίων, καθώς και η επιλογή και η οικονομική αιτιολόγηση νέων περιοχών για την εφαρμογή αποτελεσματικών τεχνολογιών για πυρηνικούς σταθμούς ηλεκτροπαραγωγής επί πλοίου. τεθεί στην ημερήσια διάταξη. Κορυφαίοι μεταξύ των τελευταίων είναι:

πλωτούς πυρηνικούς σταθμούς ηλεκτροπαραγωγής για την παροχή ηλεκτρικής ενέργειας και θερμότητας σε απομακρυσμένες περιοχές που δεν διαθέτουν κεντρική παροχή ρεύματος.

Αυτά περιλαμβάνουν

• βόρειες και ανατολικές ακτές της Ρωσίας, εδάφη κατά μήκος Σιβηρικά ποτάμια, ορισμένες νησιωτικές χώρες του Ειρηνικού Ωκεανού κ.λπ.
• πλωτές μονάδες πυρηνικής ενέργειας για αφαλάτωση θαλασσινού νερού.
• υποβρύχια οχήματα για τη μελέτη του Παγκόσμιου Ωκεανού, την επιθεώρηση βυθισμένων πλοίων, την ανάπτυξη εδαφών κοντά στον πυθμένα, τη βιομηχανική εξόρυξη οζιδίων σιδήρου-μαγγανίου και άλλων ορυκτών από τον πυθμένα των θαλασσών και των ωκεανών.

Ανάπτυξη πεδίου στην υφαλοκρηπίδα της Αρκτικής. Στη δεκαετία του '90. του περασμένου αιώνα στη Ρωσία, ξεκίνησε η ανάπτυξη έργων για την ανάπτυξη κοιτασμάτων στην υφαλοκρηπίδα της Αρκτικής. Τα συνολικά (ανακτήσιμα) αποθέματα υδρογονανθράκων στον Αρκτικό Ωκεανό υπολογίζονται σε 100 δισεκατομμύρια τόνους ισοδύναμου καυσίμου. Μελέτες από ρωσικούς σχεδιαστικούς οργανισμούς έχουν δείξει τη δυνατότητα χρήσης της πυρηνικής ενέργειας για την επίλυση ενός ευρέος φάσματος προβλημάτων ενεργειακού εφοδιασμού για τον υπεράκτιο τεχνολογικό κύκλο πετρελαίου και φυσικού αερίου στο ράφι της Αρκτικής. Έργα παροχής πυρηνικής ενέργειας για παραγωγή υδρογονανθράκων σε πλατφόρμες στη Θάλασσα του Μπάρεντς, μεταφορά φυσικού αερίου μέσω υποθαλάσσιων αγωγών φυσικού αερίου σε μεγάλες αποστάσεις, υποβρύχια λεωφορεία μεγάλης χωρητικότητας (έργα του πυρηνικού υποβρυχίου παγοθραυστικού δεξαμενόπλοιου Design Bureau "Malakhit", Αγία Πετρούπολη, πυρηνικά υποβρύχιο δεξαμενόπλοιο για τη μεταφορά υγρών καυσίμων από τη Ρωσία στην Ιαπωνία, KB "Lazurit", Nizhny Novgorod).

Στο πλαίσιο του έργου για την ανάπτυξη του γιγαντιαίου κοιτάσματος συμπυκνωμάτων φυσικού αερίου Shtokman, έγινε αξιολόγηση και αξιολογήθηκε και παρουσιάστηκε η δυνατότητα δημιουργίας πυρηνικού υποθαλάσσιου σταθμού για την άντληση φυσικού αερίου μέσω μεγάλων υποθαλάσσιων αγωγών φυσικού αερίου σε μεγάλα βάθη. Τα σχέδια των νέων εργοστασίων χρησιμοποιούν τεχνικές λύσεις από ένα ευρύ φάσμα Ρωσική εμπειρίασχεδιασμός και λειτουργία πυρηνικού σταθμού ηλεκτροπαραγωγής με αντιδραστήρα νερού υπό πίεση για ΠΟΛΕΜΙΚΟ ΝΑΥΤΙΚΟκαι πυρηνικά παγοθραυστικά.

Πυρηνικοί σταθμοί σε διαστημικά οχήματαμπορεί να χρησιμοποιηθεί ως ενσωματωμένες πηγές ενέργειας ή/και κινητήρες και έχει αναμφισβήτητα πλεονεκτήματα για διαστημικούς πυραύλους κατά τη διάρκεια διαπλανητικών πτήσεων μεγάλης εμβέλειας, όταν οι χημικές πηγές ή/και η ροή ηλιακής ακτινοβολίας δεν μπορούν να παρέχουν την απαραίτητη τροφοδοσία ρεύματος για την αποστολή.

Στη Ρωσία, μία από τις κύριες κατευθύνσεις στην ανάπτυξη των διαστημικών πυρηνικών σταθμών είναι η χρήση αντιδραστήρων με θερμιονικούς μετατροπείς ενσωματωμένους στον πυρήνα - αποτελεσματικές πηγές ενέργειας για την παράδοση διαστημικών σκαφών σε γεωστατικές και άλλες ενεργοβόρες τροχιές χρησιμοποιώντας ένα σύστημα ηλεκτρικής πρόωσης (EPP ).

Οι πρώτες πτητικές δοκιμές του διαστημικού πυρηνικού σταθμού «Buk» ισχύος 3 kW (ελ.) με θερμιονικούς μετατροπείς, που αναπτύχθηκαν από το 1956, πραγματοποιήθηκαν τον Οκτώβριο του 1970 (δορυφόρος «Cosmos-367»). Μέχρι το 1988, όταν εκτοξεύτηκε ο δορυφόρος Kosmos-1932, στάλθηκαν στο διάστημα 32 πυρηνικοί σταθμοί Buk.

Από το 1958, η ανάπτυξη του θερμιονικού πυρηνικού σταθμού "Topaz" ισχύος 5 ... 7 kW (el.) με κανάλια παραγωγής ενέργειας πολλαπλών στοιχείων (EGC) περιλάμβανε (ξεκινώντας από το 1970) δοκιμές ζωής στην ισχύ του επτά δείγματα πυρηνικών σταθμών. Η πρώτη στον κόσμο εκτόξευση θερμιονικού πυρηνικού σταθμού ηλεκτροπαραγωγής στο διάστημα έγινε στις 2 Φεβρουαρίου 1987, ως μέρος του πειραματικού διαστημικού σκάφους Plasma-A (δορυφόρος Cosmos-1818, τροχιά 810/970 km). Ο πυρηνικός σταθμός λειτούργησε εκτός σύνδεσης για 142 ημέρες, παράγοντας πάνω από 7 kW ηλεκτρικής ενέργειας. Η δεύτερη εκτόξευση του πυρηνικού σταθμού "Topaz" πραγματοποιήθηκε στις 10 Ιουλίου 1987 (δορυφόρος Kosmos-1867, τροχιά σε ύψος 797/813 km). Αυτή η εγκατάσταση λειτούργησε στο διάστημα για 342 ημέρες, παράγοντας πάνω από 50.000 kWh ηλεκτρικής ενέργειας.

Έχει διεξαχθεί σημαντικός όγκος έρευνας, σχεδιασμού και μηχανικής ανάπτυξης, δοκιμών προ-αντιδραστήρα και αντιδραστήρα για την επίλυση του προβλήματος της δημιουργίας πυρηνικού πυραυλοκινητήρα άμεσης δράσης (NRE), στον οποίο το υδρογόνο θερμαίνεται στον πυρήνα σε θερμοκρασία 2500 ... 2800 K διαστέλλονται στη συσκευή ακροφυσίων, παρέχοντας μια ειδική ώθηση περίπου 850 ... 900 s. Οι επίγειες δοκιμές πρωτότυπων αντιδραστήρων επιβεβαίωσαν την τεχνική σκοπιμότητα δημιουργίας πυρηνικού πυραυλοκινητήρα με ώθηση αρκετών δεκάδων (εκατοντάδων) τόνων.

Ένα από τα πλέον προτιμώμενα σχήματα για τη χρήση πυρηνικών αντιδραστήρων ως μέρος διαστημικού σκάφους είναι η χρήση τους για δύο σκοπούς: στο στάδιο της εκτόξευσης διαστημικού σκάφους από τη χαμηλή τροχιά της Γης σε μια λειτουργική τροχιά, συνήθως γεωστατική, για την τροφοδοσία ισχύος της προωθητικής ηλεκτρικής πρόωσης σύστημα και στο επόμενο στάδιο της προβλεπόμενης χρήσης - για την τροφοδοσία ρεύματος του εποχούμενου και του λειτουργικού εξοπλισμού των διαστημικών οχημάτων στην τελική τροχιά.

Ως μια μη συμβατική προσέγγιση για τη δημιουργία ενός πυρηνικού σταθμού που έχει σχεδιαστεί για να λειτουργεί σε δύο τρόπους λειτουργίας με σημαντικά διαφορετική ηλεκτρική ισχύ 100 ... 150 kW και 20 ... 30 kW με διάρκεια ζωής έως και 15-20 χρόνια, η Energia Η Rocket and Space Corporation προτείνει νέα αρχήκατασκευή πυρηνικού σταθμού ηλεκτροπαραγωγής. Για αυτήν την επιλογή, προβλέπεται ο διαχωρισμός των λειτουργιών μετατροπής της θερμικής ενέργειας σε ηλεκτρική ενέργεια στον τρόπο μεταφοράς και του τρόπου προβλεπόμενης χρήσης του διαστημικού σκάφους μεταξύ δύο αντίστοιχων τύπων μετατροπέων: ένας θερμιονικός μετατροπέας ενσωματωμένος στον πυρήνα του αντιδραστήρα, ο οποίος χρησιμοποιείται για την τροφοδοσία του EPS (τρόπος μεταφοράς) και έχει σύντομο πόρο έως και 1 5 χρόνια και βρίσκεται εκτός της ενεργού ζώνης (για μακροχρόνια τροφοδοσία του εξοπλισμού του διαστημικού σκάφους). Η ενέργεια που απαιτείται για τη λειτουργία (στην τελευταία περίπτωση) παρέχεται από ένα ψυκτικό υγρό που θερμαίνεται στον πυρήνα του αντιδραστήρα.

Το πρωτότυπο της θερμοηλεκτρικής γεννήτριας του υπό εξέταση πυρηνικού σταθμού διπλής λειτουργίας μπορεί να είναι μια θερμοηλεκτρική γεννήτρια που αναπτύχθηκε στις ΗΠΑ για την εγκατάσταση SP-100 (ένας πυρηνικός σταθμός που βασίζεται σε έναν γρήγορο αντιδραστήρα ψύξης με λίθιο, στον οποίο ένα πυρίτιο- ο θερμοηλεκτρικός μετατροπέας γερμανίου σχεδιάστηκε ως η κύρια γεννήτρια ισχύος).

Εγκαταστάσεις ερευνητικών αντιδραστήρων.Σύμφωνα με τον ΔΟΑΕ, από τον Αύγουστο του 2000, λειτουργούν 288 ερευνητικοί αντιδραστήρες σε 60 χώρες του κόσμου, η συνολική θερμική τους ισχύς είναι 3205 MW (Εικ. Β.2.1). Αριθμός λειτουργούντων ερευνητικών αντιδραστήρων στις κύριες χώρες του κόσμου: Ρωσία - 63, ΗΠΑ - 55, Γαλλία - 14, Γερμανία - 14, Ιαπωνία - 20, Καναδάς - 9, Κίνα - 9, Μεγάλη Βρετανία - 3.324 ερευνητικοί αντιδραστήρες έχουν κλείσει και παροπλίστηκε για λόγους εξάντλησης πόρων του κύριου τεχνολογικού εξοπλισμού ή ολοκλήρωσης προγραμματισμένων ερευνητικών προγραμμάτων. Από αυτούς, 21 αντιδραστήρες έχουν σχεδιαστεί και παροπλίζονται.

Ρύζι. Β.2.1. Αριθμός ερευνητικών αντιδραστήρων στον κόσμο και η συνολική θερμική τους ισχύς

Λήψη προϊόντων ισοτόπων.Ραδιενεργά και σταθερά νουκλεΐδια χρησιμοποιούνται ως μέρος διαφόρων συσκευών και εγκαταστάσεων, καθώς και επισημασμένες ενώσεις για επιστημονική έρευνα, τεχνική και ιατρική διαγνωστική, θεραπεία και μελέτη τεχνολογικών διεργασιών (Πίνακες Β.2.1 και Β.2.2).

Τα ραδιονουκλίδια λαμβάνονται με ακτινοβολία ειδικών υλικών-στόχων σε πυρηνικούς αντιδραστήρες, καθώς και σε επιταχυντές φορτισμένων σωματιδίων υψηλού ρεύματος - κυκλοτρόνια και επιταχυντές ηλεκτρονίων (Πίνακες Β.2.3, Β.2.4).

Ορισμένα ραδιονουκλίδια απομονώνονται από ακτινοβολημένο πυρηνικό καύσιμο ως προϊόντα σχάσης. Ένας αριθμός βραχύβιων ραδιονουκλεϊδίων, που προορίζονται κυρίως για ιατρικούς σκοπούς, λαμβάνονται απευθείας σε κλινικές χρησιμοποιώντας τις λεγόμενες βραχύβιες γεννήτριες νουκλεϊδίων, οι οποίες είναι γενετικά συνδεδεμένα συστήματα δύο νουκλεϊδίων: μακράς διάρκειας (μητρική) και βραχύβιας ( κόρη), η οποία μπορεί να απομονωθεί καθώς συσσωρεύεται .

Βιομηχανικές εφαρμογές υπόγειων πυρηνικών εκρήξεων(PYaV) έχει μελετηθεί από τα τέλη της δεκαετίας του 1950. κυρίως στην ΕΣΣΔ και στις Η.Π.Α. Στη συνέχεια, αυτή η δραστηριότητα ρυθμίστηκε από διεθνείς συμφωνίες όπως η Συνθήκη για τον περιορισμό των υπόγειων δοκιμών πυρηνικών όπλων (1974). συνθήκη «Περί υπόγειων πυρηνικών εκρήξεων για ειρηνικούς σκοπούς» (1976), καθώς και το Πρωτόκολλο της τελευταίας συνθήκης (1990). Σύμφωνα με αυτές τις συμφωνίες, η ισχύς κάθε βιομηχανικής πυρηνικής έκρηξης δεν πρέπει να υπερβαίνει τους 150 kt. Η συνολική χωρητικότητα όλων των διεξαγόμενων «ειρηνικών» UNE δεν ξεπερνά τα 3...4 Mt.

Το 1957, στο National Livermore Laboratory. Lawrence (Η.Π.Α.), με πρωτοβουλία των E. Teller και G. Seaborg, αναπτύχθηκε ένα πειραματικό πρόγραμμα "Ploughshare" ("Ploughshare"), στο πλαίσιο του οποίου, την περίοδο έως το 1973, όταν το πρόγραμμα αυτό τερματίστηκε για τεχνικούς και περιβαλλοντικούς λόγους, 27 ΠΥΑΒ. Εξετάστηκαν πιθανοί τομείς πρακτικής εφαρμογής του PYaV: η ανάπτυξη πετρελαϊκού σχιστόλιθου σε κομμάτια. Κολοράντο, η εμβάθυνση της διώρυγας του Παναμά, η κατασκευή λιμανιών στην Αλάσκα και η βορειοδυτική Αυστραλία, η κατασκευή ενός καναλιού στον Ισθμό Kra στην Ταϊλάνδη κ.λπ.

Από 27 UNE εκτός πολυγώνου, σε τεμ. Η Νεβάδα πραγματοποιήθηκε στις 4 UNE. Από αυτές, η πιο επιτυχημένη ήταν η έκρηξη το 1967 με στόχο την εντατικοποίηση της παραγωγής φυσικού αερίου στο πεδίο σε τμχ. Νέο Μεξικό, το οποίο συνέβαλε σε 7πλάσια αύξηση της πίεσης στο πηγάδι. 5 UNE ήταν επίσης επιτυχείς στο χώρο δοκιμών σε τμχ. Νεβάδα, που πραγματοποιήθηκε για ανασκαφικούς σκοπούς.

Η χρήση των βιομηχανικών UNE στην ΕΣΣΔ ήταν πολύ πιο διαδεδομένη. Ξεκινώντας από τις 15 Ιανουαρίου 1965, όταν ένα πείραμα διεξήχθη με επιτυχία στο κοίτασμα πετρελαίου Grachevskoye στη Μπασκίρια για την τόνωση της ροής πετρελαίου και φυσικού αερίου σε πηγάδια παραγωγής με τη βοήθεια των UNEs, 115 UNEs διεξήχθησαν μέχρι το 1987 (εκ των οποίων 81 ήταν σε το έδαφος της Ρωσίας).

Χρησιμοποιήθηκαν για τη βαθιά σεισμική ηχογράφηση του φλοιού και του μανδύα της γης (39). εντατικοποίηση πετρελαίου (20) και φυσικού αερίου (1). κατασκευή υπόγειων δεξαμενών υδρογονανθράκων (36). εμπλοκή σε σιντριβάνια έκτακτης ανάγκης αερίου στα χωράφια (5). εκσκαφή εδάφους στη διαδρομή του καναλιού σε σχέση με την υλοποίηση του έργου μεταφοράς μέρους της απορροής βόρειους ποταμούςτο ευρωπαϊκό τμήμα της Ρωσίας προς τα νότια (1 τριπλό UNE). δημιουργία φραγμάτων (2) και δεξαμενών (9). σύνθλιψη κοιτασμάτων μεταλλεύματος (3). ταφή βιολογικά επικίνδυνων βιομηχανικών αποβλήτων (2)· πρόληψη των εκπομπών αερίων σε ανθρακωρυχείο (1).