Ядерная энергия и механизм тепловыделения

Общие сведения. Ядерная энергия освобождается в виде тепловой в процессе торможения продуктов ядерного деления или синтеза атомных ядер, движущихся с большими скоростями, и поглощения их кинетической энергии веществом теплоносителя.

Полная энергия связи – энергия, необходимая для деления ядра на отдельные протоны и нейтроны, или энергия, выделяющаяся при синтезе ядра из отдельных протонов и нейтронов.

Удельная энергия связи ядра – энергия, приходящаяся на один нуклон (общее название протона и нейтрона).

Деление ядер нейтронами. По скорости движения различают медленные (тепловые) ней­троны, промежуточные

Энергия активации E_а зависит от вида ядер и применяемых «сна­рядов». Так, 235U, 233U и 239Ри делятся под действием тепловых нейтронов, а 232Th и 238U – при бомбардировке быстрыми нейт­ронами.

Не все нейтроны, направляемые на мишень, сталкиваются с ее ядрами, а из столкнувшихся не все вызывают соответствующую реакцию.

Если нейтрон не поглощается ядром, а только сталкивается с ним, он теряет часть своей энергии, т.е. замедляется. При замед­лении (упругом и неупругом рассеянии энергии) быстрый нейт­рон может стать промежуточным, медленным (или тепловым).

Процесс деления ядра проще всего представить с помощью ка­пельной модели. В ядре-капле действуют противоположные силы: электростатическое (кулоновское) отталкивание протонов стремится разорвать ядро-каплю на составные части, а поверхностные силы, обусловленные ядерным взаимодействием нуклонов, противодей­ствуют распаду ядра. Ядро, поглотившее нейтрон, возбуждается и, подобно жидкой капле, начинает колебаться.

Если нейтрон с кинетической энергией захватывается де­лящимся ядром, то образующееся промежуточное ядро приобре­тает энергию возбуждения W_возб, равную сумме кинетической энер­гии и энергии связи поглощенного нейтрона в промежуточном ядре. Если W_возб > Е_а, то ядро делится, если, напротив, то энергия возбуждения передается какой-либо частице, испус­каемой ядром. Так как энергия связи существенно зависит от того, является ли число нейтронов в ядре четным или нечет­ным, Бору удалось вывести правило (правило Бора), соглас­но которому ядра с нечетным числом нейтронов в основном делятся тепловыми нейтронами, тогда как ядра с чет­ным числом нейтронов делятся только под действием быстрых нейтронов.

Цепные реакции деления ядерных топлив. Для возникновения цепной реакции необходимо, чтобы в каждом последующем акте деления участвовало больше нейтронов, чем в предыдущем. Деля­щиеся ядерные топлива являются однокомпонентными. Тепловые нейтроны поглощаются делящимися изотопами наиболее интен­сивно. Поэтому в атомных реакторах нейтроны замедляются в спе­циальных веществах – замедлителях – в воде, тяжелой воде, бе­риллии, графите и др.

Кинетическая энергия продуктов реакции, попадающих в веще­ство теплоносителя, превращается в теплоту. Один килограмм ядерного топлива обеспечивает получение тепловой мощности 2000 кВт в течение года.

Ядерное топливо применяется в реакторах в виде металлических блоков, отличающихся высокой эффективностью использования нейтронов, хорошей теплопроводностью и высоким сопротивле­нием термическим ударам (внезапным изменениям теплового ре­жима при включении и выключении реактора). Но твердое метал­лическое ядерное топливо имеет и ряд недостатков: низкую темпе­ратуру плавления, малую прочность; испытывает фазовые превращения при температуре до 600 °С, что не позволяет применять его в реакторах большой удельной мощности. Для устра­нения этих недостатков разрабатывают различные виды керами­ческого ядерного топлива – двуокись урана, карбид урана, силицид урана и др.

 

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ

1) Перечислите основные невозобновляемые энергетические ресурсы.

2) Назовите элементарный состав твердого топлива и виды массы топлива.

3) Что является основной характеристикой любого вида топлива?

4) Что такое условное топливо?

5) Назовите основной принцип получения тепловой энергии на атомных станциях.

 

 

Лекция 2. возобновляемые источники энергии и вторичные энергоресурсы

План лекции:

Теплота недр Земли и толщи вод морей.

Солнечная энергия.

Энергия движения воздуха в атмосфере.

Гидроэнергетические ресурсы.

5. Вторичные энергоресурсы