Экзаменационный Реферат по физике

тема

     «Атомная  энергетика» 
 
 
 
 
 

     Ученика 9 «А» класса

     МОУ «ЦО»

       Псковский Педагогический  комплекс»

     Назарова  Никиты

     Учитель: Киргизова Н.М.

     2009 

СОДЕРЖАНИЕ 

ВВЕДЕНИЕ

      Еще не так давно слова «атомная энергетика»  и «научно-технический прогресс» сливались в неразрывное целое. И тому было немало причин. Молодая отрасль стимулировала развитие целого ряда новых направлений в физике, химии, биологии. Больше того, открывалась очень радужная перспектива решения энергетических проблем, в первую очередь замены традиционных видов топлива принципиально иным – компактным, «бездымны» и, что особенно важно, практически неисчерпаемым. Именно поэтому атомная энергетика сразу получила приоритетное развитие во многих промышленно развитых странах. Однако со временем ситуация стала меняться. Наступило время, когда энергетики, ученые и политики признали наличие серьезных проблем в атомной отрасли и выделили самые важные из них:

• существующие АЭС потенциально опасны: ни один из современных энергоблоков не гарантирован от тяжелых аварий;
• использование энергии атома привело к радиационному и экологическому загрязнению огромных территорий, воды, воздуха и материалов, используемых в атомной энергетике;
• взрывы ядерных устройств, аварии и обычная работа АЭС повысили радиационный фон планеты и оказывают негативное влияние на здоровье людей;
• как показывает опыт, аварийно-спасательные службы после масштабной аварии и сегодня оказываются не готовыми к эффективной работе по защите персонала АЭС и населения прилегающих территорий, особенно в начальном периоде.

Каково  же теперь реальное место атомной  энергетики в жизни общества? Каковы ее перспективы?

      Вот об этом и пойдёт речь в моём реферате, ведь тема очень актуальная, как говорится на злобу дня, она вызывает огромные споры и среди население и среди учёных. Общество интересуют последствия широкого строительства АЭС, их влияние на природу и человека.

1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И СОСТОЯНИЕ АТОМНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ В РФ

1.1. Понятие атома и атомного ядра.

     Все в мире состоит из молекул, которые  представляют собой сложные комплексы  взаимодействующих атомов. Молекулы - это наименьшие частицы вещества, сохраняющие его свойства. В состав молекул входят атомы различных химических элементов.

     Химические  элементы состоят из атомов одного типа. Атом, мельчайшая частица химического  элемента, состоит из "тяжелого" ядра и вращающихся вокруг электронов.

     Ядра  атомов образованы совокупностью положительно заряженных протонов и нейтральных  нейтронов. Эти частицы, называемые нуклонами, удерживаются в ядрах  короткодействующими силами притяжения, возникающими за счет обменов мезонами, частицами меньшей массы.

     Атомное ядро характеризуется зарядом Ze, массой М и состоит из нуклонов - протонов и нейтронов.

     Число нуклонов А в ядре называется массовым числом. Число Z называют зарядовым  числом ядра или атомным номером. Поскольку Z определяет число протонов, а А - число нуклонов в ядре, то число нейронов в атомном ядре N=A-Z. Атомные ядра с одинаковыми Z, но различными А называются изотопами. В среднем на каждое значение Z приходится около трех стабильных изотопов¹. Например, 28Si, 29Si, 30Si являются стабильными изотопами ядра Si. Кроме стабильных изотопов, большинство элементов имеют и нестабильные изотопы, для которых характерно ограниченное время жизни.

     Ядра  с одинаковым массовым числом А называются изобарами, а с одинаковым числом нейтронов - изотонами.

     Все атомные ядра разделяются на стабильные и нестабильные. Свойства стабильных ядер остаются неизменными неограниченно  долго. Нестабильные же ядра испытывают различного рода превращения.

1.1.1. Устройство энергетических ядерных реакторов.

     Энергетический  ядерный реактор - это устройство, в котором осуществляется управляемая цепная реакция деления ядер тяжелых элементов, а выделяющаяся при этом тепловая энергия отводится теплоносителем. Главным элементом ядерного реактора является активная зона. В нем размещается ядерное топливо и осуществляется цепная реакция деления. Активная зона представляет собой совокупность определенным образом размещенных тепловыделяющих элементов, содержащих ядерное топливо. В реакторах на тепловых нейтронах используется замедлитель. Через активную зону прокачивается теплоноситель, охлаждающий тепловыделяющие элементы. В некоторых типах реакторов роль замедлителя и теплоносителя выполняет одно и то же вещество, например обычная или тяжелая вода. Для управления работой реактора в активную зону вводятся регулирующие стержни из материалов, имеющих большое сечение поглощения нейтронов. Активная зона энергетических реакторов окружена отражателем нейтронов - слоем материала замедлителя для уменьшения утечки нейтронов из активной зоны. Кроме того, благодаря отражателю происходит выравнивание нейтронной плотности и энерговыделения по объему активной зоны, что позволяет при данных размерах зоны получить большую мощность, добиться более равномерного выгорания топлива, увеличить продолжительность работы реактора без перегрузки топлива и упростить систему теплоотвода. Отражатель нагревается за счет энергии замедляющихся и поглощаемых нейтронов и гамма-квантов, поэтому предусматривается его охлаждение. Активная зона, отражатель и другие элементы размещаются в герметичном корпусе или кожухе, обычно окруженном биологической защитой.

Требования к конструкциям активной зоны и ее характеристики.

     Активная зона реактора должна быть спроектирована так, чтобы исключалась возможность непредусмотренного перемещения ее составляющих, приводящего к увеличению реактивности. Основной конструктивной деталью гетерогенной активной зоны является твэл, в значительной мере определяющий ее надежность, размеры и стоимость. В энергетических реакторах, как правило, используются стержневые твэлы с топливом в виде прессованных таблеток двуокиси урана, заключенных в оболочку из стали или циркониевого сплава. Твэлы для удобства собираются в тепловыделяющие сборки (ТВС), которые устанавливаются в активной зоне ядерного реактора.

     В твэлах происходит генерация основной доли тепловой энергии и передача ее теплоносителю. Более 90% всей энергии, освобождающейся при делении  тяжелых ядер, выделяется внутрь твэлов и отводится обтекающим твэлы теплоносителем. Твэлы работают в очень тяжелых тепловых режимах: максимальная плотность теплового потока от твэла к теплоносителю достигает (1-2) 106 Вт/ м2, тогда как в современных паровых котлах она равна (2-3) 105 Вт/м2. Кроме того, в сравнительно небольшом объеме ядерного топлива выделяется большое количество теплоты, т.е. энергонапряженность ядерного топлива также очень высока. Удельное тепловыделение в активной зоне достигает 108-109 Вт/м3, в то время как в современных паровых котлах оно не превышает 107Вт/м3.

     Большие тепловые потоки, проходящие через  поверхность твэлов, и значительная энергонапряженность топлива требуют  наличия исключительно высокой  стойкости и надежности твэлов. Помимо этого, условия работы твэлов осложняются высокой рабочей температурой, достигающей 300-600 oС на поверхности оболочки, возможностью тепловых ударов, вибрацией, наличием потока нейтронов (флюенс достигает 1027 нейтрон/м2)².

К твэлам предъявляются высокие технические требования:

1) простота  конструкции; 

2) механическая  устойчивость и прочность в  потоке теплоносителя, обеспечивающая  сохранение размеров и герметичности; 

3) малое  поглощение нейтронов конструкционным  материалом твэла и минимум  конструкционного материла в активной зоне;

4) отсутствие  взаимодействие ядерного топлива  и продуктов деления с оболочкой  твэлов, теплоносителем и замедлителем  при рабочих температурах.

     Геометрическая  форма твэла должна обеспечивать требуемое соотношение площади  поверхности и объема и максимальную интенсивность отвода теплоты теплоносителем от всей поверхности твэла, а также гарантировать большую глубину выгорания ядерного топлива и высокую степень удержания продуктов деления. Твэлы должны обладать радиационной стойкостью, иметь требуемые размеры и конструкцию, обеспечивающие возможность быстрого проведения перегрузочных операций; обладать простотой и экономичностью регенерации ядерного топлива и низкой стоимостью.

1.2. Состояние атомной  энергетики России  сегодня

      Сегодняшнее состояние атомной энергетики следующее:

      В России сегодня эксплуатируются  «29 ядерных энергоблоков общей установленной электрической мощностью 21,2 ГВт. В их числе 13 энергоблоков с реакторами типа ВВЭР, 11 энергоблоков с реакторами типа РБМК, 4 энергоблока типа ЭГП Билибинской АТЭЦ с канальными водографитовыми реакторами и один энергоблок на быстрых нейтронах БН-6ОО. Россия имеет уникальный опыт эксплуатации реакторов на быстрых нейтронах - БН-350 и БН-600 (безаварийная работа в течение 20 лет)»³.

      Продолжается эксплуатация в режиме энергообеспечения канальных уран-графитовых промышленных реакторов в г. Северске (Сибирская АЭС) и г. Железногорске.

      Кроме этого, на стадии высокой степени  достройки находятся 5 энергоблоков: на Ростовской АЭС два блока с  ВВЭР-1000, на Калининской АЭС ВВЭР-1000, на Балаковской АЭС ВВЭР-1000 и на Курской АЭС РБМК-1000.

      В 1999 г. АЭС России только за счёт увеличения «КИУМ выработали на ~ 1б % больше электроэнергии, чем в 1998 г. - 120 млрд. кВт·ч»⁴.

      Конечно, после распада СССР Россия потеряла огромную часть энергетических мощностей. Поэтому воссоединение с братскими народами - Украина, Белоруссия это в первую очередь увеличение наших былых мощностей.

      Не  говоря уже о значительной роли, которую играет атомная энергетика, сегодня можно говорить об определённом её кризисе. Об этом свидетельствует наметившаяся перспектива падения её доли в мировом энергопроизводстве, сворачивание ядерных программ и разработок по быстрым реакторам в развитых странах Запада. Кроме того, АЭ подвергается критике, вплоть до требования ее полного закрытия. И хотя в подобной критике часто присутствует субъективизм, а то и полная необъективность, следует признать, что веские основания для критики имеются. Атомная энергетика, как и любая технология, требует совершенствования. Более того, имеются и особые основания для обостренного внимания к ней:

• потенциальная опасность аварий с большим экологическим и экономическим ущербом (реальность этой опасности подтверждена рядом аварий);
• накопление высокоактивных и долгоживущих отходов, ( хотя в будущем возможно использование этих самих отходов еще раз)
• связь ядерной энергетики с опасностью распространения ядерного оружия и ряд других.

      Современные ядерные реакторы при существующем масштабе атомной энергетики являются достаточно безопасными установками. Несмотря на случавшиеся и случающиеся время от времени аварии и инциденты, нельзя забывать о том, что атомная энергетика наработала уже около 8000 реакторо-лет, из них -5000 без крупных аварий после апреля 1986 г⁵. Это - серьезный успех ядерной технологии.

      Безопасность  настоящего поколения реакторов  обеспечивается, главным образом, увеличением  числа различных систем безопасности и систем ограничения выхода активности, ужесточением требований к оборудованию и персоналу. В результате АЭС становятся все более и более сложными и, следовательно, - более и более дорогими. Можно сказать, что при господствующей в настоящее время философии безопасности атомная энергетика близка к её экономически «предельному» уровню: дальнейшее наращивание систем безопасности ведёт к неминуемой потере конкурентоспособности атомной энергетики.

      Анализ  современного состояния атомной  энергетики позволяет сделать следующие  выводы:

• Безопасность современной атомной энергетики является приемлемой для существующих масштабов её использования при условии постепенного замещения действующих энергоблоков на реакторы третьего поколения.
• Ресурсы природного рентабельно извлекаемого из недр урана ограничены. При доминирующей сегодня практике «сжигания» урана в тепловых реакторах эти ресурсы будут исчерпаны уже в следующем веке, как в России, так и в мире в целом. Переработка отработавшего топлива при рецикле Рu (МОХ-топливо) в тепловых реакторах может лишь ненамного продлить эти сроки, увеличивая затраты и снижая возможность последующего развития на быстрых реакторах.
• Конкурентоспособность атомной энергетики под бременем растущих расходов на безопасность, обеспечиваемую наращиванием инженерных систем, имеет устойчивую тенденцию к снижению.

Сейчас  посмотрим, а какое же место АЭС занимает в энергопроизводстве⁶

Доля  в установленной мощности - 11,5%

Доля  в выработке электроэнергии - 15,6%

Доля  выработки в Европейской части  России - 29,3%

Годовой объем замещения газа =~ 40 млрд. м3

      Особенностями размещения предприятий атомной промышленности является то, что они могут находиться в отдалённых районах и не зависят от местоположения источников топлива, так как они используют уран, который имеет большое удельное содержание энергии. Но атомные реакторы нельзя располагать вблизи густонаселённых районов в связи с опасностью аварии. А также есть недостатки, связанные со сложностью строительства и эксплуатации, а также с трудностями связанными с переработкой и захоронением ядерных отходов, демонтажем ядерных установок АЭС (через 25-30 лет их работы).

      Атомная энергетика обладает весомыми, базовыми особенностями по сравнению с  другими энерготехнологиями:

• ядерное топливо имеет в миллионы раз большую концентрацию энергии и неисчерпаемые ресурсы, на 1 кг урана - атомные станции приходиться 5 вагонов угля - тепловые станции, чтоб произвести одинаковую выработку электроэнергии;
• отходы атомной энергетики имеют относительно малые объёмы и могут быть надёжно локализованы, а наиболее опасные из них можно «сжигать» в ядерных реакторах.  
  Приведем некоторые цифры:

      При ежегодной сжигании топлива на ТЭЦ, КЭС,ТЭЦ во всем мире происходит выброс «9 млрд.тонн усл. топлива в атмосферу, 20 млрд.тонн СО2 и 700 млн. тонн пыли, газа и парообразных соединений»⁷.

      Тем более при нормальных условиях работы, и при высококвалифицированном персонале конечно, атомные станции имеют самые большие приоритеты.

   Даже  если принять реальную эффективность очистки дымов, газов от золы - 98,5%, то доля облучения от ТЭС за счет радионуклидов превышает аналогичную дозу вблизи АЭС с реакторами ВВЭР в 40 раз.

Это открывает  принципиально новые возможности  и перспективы:

• в реализации такого топливного цикла, при котором из ограниченных природных запасов топливного сырья в течение тысячелетий можно получать необходимое количество энергии для удовлетворения энергопотребности человечества при любом прогнозируемом сценарии развития цивилизации;
• в осуществлении такого замкнутого технологического цикла, при котором воздействие атомной энергетики на окружающую среду будет существенно меньше, чем воздействие других традиционных энерготехнологий;
• в развитии энергетики для удалённых районов и для крупных транспортных средств;
• в замещении ядерным топливом органического топлива, которое в отличие от первого может быть эффективно использовано для других целей: химический синтез, транспорт и т.д.

      Таким образом, атомная энергетика потенциально обладает всеми необходимыми качествами для постепенного замещения значительной части- энергетики на ископаемом органическом топливе и становления в качестве доминирующей энерготехнологии.

      Создание  необходимых предпосылок и реализация принципиальных особенностей атомной  энергетики составляют основное содержание стратегии её развития.

      Востребованность  принципиальных особенностей атомной энергетики будет означать востребованность крупномасштабной атомной энергетики.

      Значение  развития ядерной технологии и атомной  энергетики для России определяется её национальными интересами:

• ядерные технологии в рассматриваемый период остаются основой обороноспособности России;
• атомная энергетика без ограничений со стороны дешевого и общедоступного топлива открывает новые возможности в развитии экономики России;
• крупномасштабная атомная энергетика переносит центр тяжести в энергетическом производстве с топливодобывающих отраслей и транспорта топлива на современные наукоёмкие ядерные и сопутствующие неядерные технологии, а в экспорте - с топливного сырья на продукцию этих технологий, что даст новый импульс социальному и культурному развитию России;
• развивающаяся атомная энергетика позволит избежать опасностей, связанных с исчерпанием органического топлива и международными конфликтами из-за его источников, что будет способствовать стабилизации международной обстановки;
• вовлечение плутония из сокращаемых ядерных боеголовок и ядерного топлива (ЯТ) в сбалансированный по нему замкнутый топливный цикл быстрых реакторов будет способствовать режиму нераспространения; с переводом же в дальнейшем тепловых реакторов в торий-урановый цикл, построенный подобным образом, отпадёт нужда в технологиях обогащения урана и выделения Ри или 233U, что будет являться важной технологической предпосылкой к полному запрещению ядерного оружия и значительным фактором увеличения глобальной безопасности;
• способствуя безопасному экономическому и социальному развитию и сохранению среды обитания, атомная энергетика будет давать весомый вклад в рост продолжительности и качества жизни граждан России.

Таким образом, у атомной энергетики большое  будущее, ей надо заниматься, инвестировать государственные средства, привлекать учёных, может даже и зарубежных, за атомной энергетикой будущее, о чём и будет сказано далее в этом реферате. 
2.  ПЕРСПЕКТИВЫ АТОМНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ 

     Ожидаемое к середине XXI века почти удвоение населения Земли, в основном за счёт развивающихся стран, и приобщение их к индустриальному развитию может привести к удвоению мировых потребностей в первичной и к утроению (до 6000 ГВт) в электрической энергии. Атомная энергетика, отвечающая требованиям крупномасштабной энергетики по безопасности и экономике, могла бы взять на себя существенную часть прироста мировых потребностей в топливе и энергии [~4000 ГВт (эл.)]. Развитие к середине века мировой атомной энергетики такого масштаба явилось бы радикальным средством стабилизации потребления обычных топлив и предотвращения следующих кризисных явлений:

· истощения  дешёвых ресурсов углеводородных топлив и возникновение конфликтов вокруг их источников, дестабилизации мирового топливного цикла;

· достижения опасных пределов выбросов продуктов химического горения.

      Мирное  использование атомной энергии  давно вышло за рамки дискуссионной  проблемы. Атомная энергия - единственный вне биосферный источник энергии, доступный  человечеству. Повсеместно атомная  энергетика на своей первой стадии развития технологии находит нишу экономической эффективности, что подтверждает мировая выработка электроэнергии на ее основе в 2291 ТВтч (1998 г.). Практически 95% производства электроэнергии сосредоточено в 16 странах мира (рис. 1), из них 7 стран - 75%. Естественно, что последние вносят наибольший вклад в развитие атомных технологий. 
 
 

Рис. 1. Атомная энергетика⁸

     Синдром чернобыльской катастрофы к настоящему времени преодолен. Однако при лицензировании дальнейшего использования атомной энергетики требование естественной безопасности должно быть определяющим. При этом подразумевается, что при любой самой тяжелой, маловероятной аварии реактора ее последствия локализуются в пределах атомной станции (АЭС) без воздействия на окружающую биосферу. Мировой опыт использования атомной энергии подтверждает, что создание атомных реакторов с естественной безопасностью технологически осуществимо.

     Весь  предшествующий опыт позволят рассматривать три технологических этапа развития атомной энергетики.

     Первый  этап развития атомной энергетики еще  не завершен. Его отличительной особенностью является использование атомных  технологий, созданных в процессе разработки атомного оружия. Основой атомной энергетики были тепловые реакторы, обеспеченные ограниченным количеством дешевого топлива. Поэтому требовалось создание реакторов размножителей на быстрых нейтронах. Урановый бланкет, высокий коэффициент воспроизведения топлива и трехконтурная система определяли достаточно высокую стоимость реактора. Во Франции, например, возникают финансовые проблемы вывода из эксплуатации реактора Суперфеникс. Имеют место определенные трудности с бридерами и в Японии. Если принимать во внимание всю критику атомной энергетики первого теневого этапа ее развития, то можно забыть о главном ее принципиальном достоинстве.

     В США (17% от общей выработки электроэнергии (ОВЭ) в 1998 г. производятся на АЭС), например, намерены к 2020 г. вывести из эксплуатации по завершению лицензионного ресурса до 41% АЭС. В то же время намечается процесс обновления технологий АЭС и соответствующего продления лицензионного срока. В 1999 г. частной компанией Boston Edison осуществлена после 27 лет эксплуатации первая продажа Pilgrim АЭС за 121 долл./кВт. Покупатель Entergy надеется повысить ее эффективность и обеспечить конкурентность в условиях рассредоточенной энергетики. Ведутся переговоры о покупке и других АЭС. Поэтому прогноз выработки ресурса может быть скорректирован. Пока планы существенного сокращения установленных мощностей АЭС в США как ведущего производителя искажают картину перспектив развития мировой атомной энергетики.

     Во  Франции (75% от ОВЭ) вводились в эксплуатацию АЭС и в 90-х годах, что предопределяет использование современных атомных технологий. Поэтому при большой заинтересованности сохранения эффективного энергетического потенциала во Франции следует ожидать развития работ по реконструкции атомных технологий и продлению лицензионного срока эксплуатации АЭС.

     В Швейцарии (>40% от ОВЭ) намерены несколько  увеличить мощность за счет обновления (upgrate) АЭС, если общественное мнение по достоинству оценит экологическую  чистоту атомной энергетики и  референдум подтвердит право на ее существование.

     Япония (36% от ОВЭ) намерена сохранить пропорции АЭС за счет замены ресурсных реакторов новыми, развивая исследования в области перспективных атомных технологий.

     Таким образом, если отбросить политические наслоения, то можно считать, что  первый этап развития атомной энергетики обеспечил создание высокоэффективной энергетической технологии, открывшей человечеству перспективу энергетической независимости при сохранении гармонии биосферы.

     Второй  этап развития атомной энергетики базируется на опыте разработки и эксплуатации АЭС первого этапа и создании специализированных топливо энергетических циклов. Примером тому могут служить отечественные исследования. 
 Предлагается изменить структуру атомной энергетики (рис.2).  

Рис. 2. Структура атомной энергетики⁹

     Основой энергетики становится реактор на быстрых  нейтронах почти с малым коэффициентом  размножения и свинцовым теплоносителем. Указанные меры позволят не только снизить стоимость реактора, но и существенно его упростить с достижением требуемой инженерной безопасности и экономических показателей. При этом полностью решается проблема топлива для реакторов деления.

     Намечается  разработка равновесного радиационного  цикла использования ядерного топлива, когда захоронение отходов в месте добычи не повышает ранее существовавший радиационный фон. Таким образом, предлагается на детерминистской основе решить проблему радиационного баланса планеты.

     В результате к 2020 г. возможно на быстрых  безопасных реакторах более чем удвоить установленную мощность АЭС России (рис. 3).

Рис. 3. Мощность АЭС России в будущем¹⁰

     За 50 лет установленная мощность АЭС  может достичь современного уровня электроэнергетики России и вытеснить ТЭС на огневом топливе. При этом АЭС будут обеспечены топливом на сотни лет. Представленные темпы развития атомной энергетики, как показал опыт Франции, реальны только при государственном подходе к этой проблеме.

     Третий этап развития на основе технологического задела первого этапа может принципиально изменить структуру энергопользования человечества. Речь идет о полном исключении углеродных топлив как энергоисточника.

     В самом деле, в Японии работает высокотемпературный атомный реактор (ВТАР) естественной безопасности с гелиевым теплоносителем. Реактор с тепловой мощностью 30 МВт имеет выходную номинальную температуру газа 850-950 0С, оснащен необходимым оборудованием для разработки высокотемпературных технологий. На нем будут отрабатываться известные тепловые циклы с использованием газовых турбин, что позволит существенно повысить термический КПД с 0.35 для тепловых реакторов до 0.7).

     Однако  новым направлением является разработка технологии производства водорода. С  этой целью предполагается изучить технологию на основе трехступенчатой иодо-серной реакции. Первая стадия - экзотермическая реакция (200^оC), когда в воду добавляются реагенты

     хI₂+SO₂+2H₂0=2HIx+H₂SO₄¹¹

     Далее продукт реакции разделяется, и  серная кислота при температуре более 800^оС разлагается

     H₂SO₄=H₂O+SO₂+0.5O₂,

     и при 400^о С

     2HI=H₂+I₂.¹²

     После чего кислород и водород как целевые  продукты используются по назначению, а компоненты SO₂, I₂ возвращаются в реактор для обеспечения цикла. После отработки технологии может быть создан химический атомный реактор (ХАР), который послужит промышленной основой водородной энергетики.