ВОЗОБНОВЛЯЕМЫЕ ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ

ЯДЕРНАЯ ЭНЕРГИЯ

Химические вилы тот ива. такие как метан и нефть, выделяют ;ргию за счет того, что молекулы перегруппировываются в конфигурации с меньшей внутренней энергией. При этом выделяется энергия молекулярных свя - ки. измеряемая десятками мегаджоулей на киломоль. Когда перестройке подвер - ■ • .тся компоненты не молекул, а атомов, то. выделяется энергия, на несколько

порядков большая (ГДж/кмоль). Это связано с тем, что энергия внутриатомных связей существенно больше, чем молекулярных.

Внутренняя структура атомов может изменяться различными способами:

1. Атомное ядро бомбардируется нейтроном, который им поглощается с об­разованием нового атома.

2. Структура атома может измениться при спонтанном излучении им элект­рона (Р-излучение) или ядра гелия (a-излучение). При таком радиоактив­ном распаде, связанном с выделением энергии могут работать, например, радиоизотопные термоэлектрические генераторы (RTG), о которых будет рассказано позже.

3. Атомы с большим атомным числом могут распадаться на несколько атомов с меньшим атомным числом. Этот процесс называется ядерным распадом и может принципиально происходить лишь лля вешеств с атомным числом Z больше 26.

4. Атомы с малыми атомными числами могут соединиться в один новый бо­лее тяжелый атом с выделением энергии. Этот процесс называется ядер­ным синтезом и может иметь место лишь для атомов с атомным числом меньше 261

Ядерная энергетика заработала себе плохую репутацию после ряда аварий на атомных электростанциях, крупнейшая из которых была в Чернобыле. Но, несмотря на это, атомные электростанции продолжают использовать во мно­гих странах. В начале текущего века установленная мощность АЭС в США со­ставляла 98 ГВт, вслед за ними шли Франция 60 ГВт (1996 г.) и Япония 42 ГВт (1996 г.)

Коэффициент использования установленной мощности атомных электро­станций имеет очень высокое значение по сравнению с другими типами стан­ций и составляет, как правило, не менее 70 %. В США на АЭС вырабатывается около 18 % всей электроэнергии, а во Франции — более 76 %, в Японии —

33,4 %.

В 2000 г. Германия приняла решение вывести из эксплуатации 19 атомных электростанций. Решение было связано прежде всего с тем, что данные стан­ции выработали свой ресурс, проработав более 32 лет. Сегодня большое число АЭС в Германии выработали более половины своего ресурса, и их тоже вскоре придется выводить из эксплуатации. Ввод новых ядерных энергоблоков пока не осуществляется в связи с протестным общественным мнением.

Стоимость ядерной электроэнергии достаточно высока. Так. в 1996 г. в США стоимость электроэнергии, получаемой от АЭС, составляла 7 центов за 1 кВт ■ ч, тогда как стоимость электроэнергии, получаемой от электростанции, работающей на природном газе, была всего 3 цента за 1 кВт • ч. При использовании современ-

1; Реализация таких превращений была мечтой средневековых алхимиков.

ных реакторов, оснащенных более надежными системами безопасности, стоимость выработки электроэнергии может существенно сократиться. Повышение надеж­ности и безопасности АЭС в сочетании с их несомненным преимуществом — отсутствием выбросов парниковых газов — по-видимому, должно привести к новой волне популярности и активного строительства таких станций в раз­личных странах мира.

Основной проблемой использования ядерных реакторов является не опас­ность самого процесса эксплуатации, которая в современных реакторах сведена к минимуму, а проблема утилизации долгоживущих радиоактивных продуктов ядерной реакции.

Ядерные реакторы нового поколения должны удовлетворять набору следую­щих основных требований:

]) безопасность эксплуатации (с учетом возможности террористических атак);

2) экономичность;

3) надежность;

4) отсутствие продуктов реакции, пригодных для создания ядерного оружия;

5) отсутствие продуктов реакции с длительным периодом полураспада;

6) возможность преобразования радиоактивных продуктов реакции с дли­тельным периодом полураспада, получаемых с АЭС, в «короткоживущие» химические элементы.

В настоящее время разработка ядерных реакторов, удовлетворяющих боль­шинству из перечисленных требований, активно ведется. Одной из таких разра­боток является, например, разработка реактора с жидкометаллическим тепло­носителем. Данная технология достаточно сложна, но она позволяет получать продукты реакции с низким периодом полураспада (100 лет) по сравнению со старыми типами реакторов (100 ООО лет), причем эти продукты гораздо легче типизировать. Реакторы с жидкометаллическим теплоносителем должны ра­ботать при высоких температурах и низком давлении, что в принципе позволяет получать на них термолитический водород (см. гл. 8), который можно исполь­зовать как топливо в топливных элементах.

Проблемы утилизации радиоактивных продуктов отсутствуют в термоядер­ных реакторах синтеза. К сожалению, в настоящее время не существует ни од­ного работающего прототипа термоядерного реактора, несмотря на десятилетия чпорных исследований.

Для того чтобы произвести хотя бы поверхностный анализ ядерных реакций, нам необходимо знать атомные массы частиц, участвующих в них (табл. 1.9). Читателю может показаться, что точность значений представленных величин необоснованно высокая, однако даже такая малая разность между массами играет огромную роль при расчете выделения энергии. Мы покажем это в дальнейших расчетах.

Таблица 1.9. Массы некоторых частиц, представляющих интерес для ядерной энергетики

Частица

Символ

Масса, дальтон*

Масса, кг

Электрон

є

0,00054579903

9,1093897 • 10“31

Мюон

1-І

0,1134381

1,883566- 10 28

Протон

р

1,007276467

1,672648 • 10-27

Нейтрон

п

1,008664909

1,6749286 - 10-27

1,007825032

1,673533967 • 10-27

2,014101778

3,344496942 ■ 10 27

Т

3,016049278

5,008271031 • 10-27

Не

3,016029319

5,008237888 • 10 27

"Не

4,002603254

6,64683555 - 10~27

Альфа

а

4,001506175

6,644661810 • 10-27

ЗІІ

5,01254

8,323524107 • 10~27

ЗІЛ

6.015122794

9,988353127- 10'27

зЧ

7,01600455

1,165035751 • 10-26

“в

10,012937

1,662688428 • 10 26

“в

11,009305

1,82814 - 10-26

* Дальтон все еще не является официальной единицей атомной массы.

Представленные в таблице массы отдельных нуклонов (протонов и альфа - частиц) практически равны массам соответствующих им частиц без учета мас­сы электронов, связанных с ними. С другой стороны, существует достаточно большая разница между массой нуклона и суммой масс составляющих их ком­понентов (протонов и нейтронов). Так, в случае альфа-частицы, сумма масс двух отдельных протонов и двух нейтронов равна 4,03188278 дальтона, а масса самой частицы равна 4,001506175 дальтона. Разница между массами составляет 0,030376606 дальтона, что в энергетическом эквиваленте соответствует 28 МэВ. Эта энергия является энергией связи элементарных частиц в атоме.

ВОЗОБНОВЛЯЕМЫЕ ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ

РАБОТА

Выше мы говорили о том, что газ, находящийся в цилиндриче­ском сосуде с поршнем, может совершать работу. Какова эта работа? Сила, действующая на поршень со стороны газа, равна рА, где А …

ПЕРВЫЙ ЗАКОН ТЕРМОДИНАМИКИ

Подведем некоторое количество Q теплоты к газу, находящему- ■ : цилиндре с адиабатическими стенками и поршнем внутри, который может ■сремещаться без трения. Наличие адиабатических стенок означает, что тепло - р …

УДЕЛЬНАЯ ТЕПЛОЕМКОСТЬ ПРИ ПОСТОЯННОМ ОБЪЕМЕ

При изменении температуры некоторого фиксированного коли­чества газа будет меняться его внутренняя энергия. Если при этом объем газа остается постоянным (например, газ помещен в сосуд с жесткими стенками), то изменение его …

Как с нами связаться:

Украина:
г.Александрия
тел./факс +38 05235  77193 Бухгалтерия
+38 050 512 11 94 — гл. инженер-менеджер (продажи всего оборудования)

+38 050 457 13 30 — Рашид - продажи новинок
e-mail: msd@msd.com.ua
Схема проезда к производственному офису:
Схема проезда к МСД

Оперативная связь

Укажите свой телефон или адрес эл. почты — наш менеджер перезвонит Вам в удобное для Вас время.