Современные ядерные реакторы
по назначению и мощности делят на несколько групп:
- экспериментальные реакторы (изучение параметров проектируемых или испытываемых ядерных реакторов; их мощность не превышает нескольких кВт); - исследовательские реакторы (научные исследования в ядерной физике, физике твёрдого тела, радиационной химии и биологии и т.д.);
-изотопные ядерные реакторы (получение радионуклидов);
-энергетические ядерные реакторы (выработка электроэнергии;
тепловая мощность составляет 3-5ГВт);
- реакторы-размножители (бридерные реакторы), работающие
на быстрых нейтронах (выработка электроэнергии сопровождается производством вторичного горючего - плутония или урана-233).
Реактор -
размножитель
«Суперфеникс»
(Франция)
Реактор-
размножитель «Дзиоио» (Япония)
9.1.8. Термоядерные реакции. Энергия звёзд. Управляемый термоядерный синтез.
Реакции ядерного синтеза - слияния лёгких ядер в одно ядро, сопровождаются выделением огромного количества энергии. Это объясняется тем, что удельная энергия связи у лёгких ядер меньше, чем у промежуточных, и резко увеличивается при переходе от лёгких к более тяжёлым ядрам:
Ядро |
21Н |
31Н |
36Li |
24 Нe |
Wуд , МэВ/нукл |
1,1 |
2,8 |
5,3 |
7,1 |
св |
|
|
|
|
Для осуществления реакции синтеза, необходимо положительно заряженные ядра сблизить до расстояния 10-15м, при этом они преодолевают кулоновский потенциальный барьер, высотой
0,1МэВ.
Поэтому процесс синтеза идёт с заметной интенсивностью только между лёгкими ядрами с малым зарядом и только
при очень высоких температурах Т 108К.
Поэтому синтез ядер называется термоядерной реакцией.
В результате реакций синтеза выделяется очень большая энергия:
Реакции синтеза |
Wсв , МэВ |
wуд, МэВ/нукл |
21 Н + 21Н =→ 23 Нe + 01n |
3,3 |
0,83 |
21Н + 21Н =→ 31Н +11р |
4,0 |
1,0 |
36 Li + 21Н =→ 24 Нe + 24 Нe |
22,4 |
2,8 |
21Н + 31Н =→ 24 Нe + 01n |
17,6 |
3,52 |
Во многих реакциях синтеза удельная энергия значительно
выше, чем в реакциях ядерного деления.
Например, при делении ядра урана-238 выделяется удельная энергия, равная wуд= 0,84 МэВ/нукл.
В природных условиях термоядерные реакции между ядрами водорода (протонами) протекают в недрах звёзд и служат тем постоянным источником энергии, который определяет их излучение.
Солнце и
другие звезды – это гигантские
термоядерные реакторы.
Сгорание водорода в звёздах идёт с малой скоростью, но гигантские размеры и плотности звёзд обеспечивают непрерывное испускание огромных потоков энергии в течение миллиардов лет.
Солнце - природный термоядерный реактор.
Искусственная термоядерная реакция
впервые была осуществлена в СССР в 1953 году, а затем в США в 1954 году в виде взрывов водородных бомб.
Взрывчатым веществом в
водородной бомбе является
смесь дейтерия и трития.
Сверхвысокая температура
создаётся с помощью запала – обычной атомной бомбы, в которой осуществляется
реакция ядерного деления.
Мощность водородной бомбы в тысячи раз превосходит мощность атомной бомбы.
Осуществление управляемого термоядерного синтеза (УТС)
в термоядерных реакторах является очень сложной и пока неразрешённой проблемой.
УТС возможен при одновременном выполнении двух условий:
1)температура плазмы Т>108К,
2)соблюдение критерия Лоусона - n. >1014см-3.с,
где n - плотность высокотемпературной плазмы,- время удержания плазмы в системе.
Рабочее вещество при температуре Т 108К представляет собой полностью
ионизированную плазму, которую необходимо теплоизолировать
. от стенок рабочей камеры и удерживать в ограниченном объёме
в течение определённого времени.
Для этой цели создаются специальные магнитные ловушки - ТОКОМАКи (тороидальные камеры с магнитными катушками).
Такие установки созданы в России, США, Японии, странах ЕЭС. В настоящее время температуру плазмы удаётся поднять
до Т 8.107К и удерживать её в течение 0,1с.
Эти параметры близки к необходимым для осуществления УТС.
Огромное значение, которое придаётся исследованиям в области УТС, объясняется тем, что
радиоактивная опасность установок на УТС
по оценкам учёных должна оказаться
на три порядка ниже, чем у реакторов деления.
Наилучшим вариантом в будущем экологически чистой электроэнергетики было бы
сочетание солнечных электростанций и установок на УТС.
9.1.9. Нейтрализация радиоактивных отходов. Накопление радиоактивных веществ в биосфере Земли
заметно увеличивается с каждым годом.
Это происходит и в результате ядерных взрывов при испытаниях атомного оружия, и при авариях на ядерных реакторах, и вследствие развития атомной промышленности и атомной энергетики.
В настоящее время во многих странах разработаны эффективные технологии переработки, концентрирования и хранения высокоактивных отходов с удельной активностью более 3,7.1010Бк/л.
Из отработанного топлива извлекаются
. высокотоксичные долгоживущие изотопы, которые перерабатывают в стекловидную массу и хоронят глубоко под землёй в «саркофагах»
или на дне океана.
Памятник радиоактивности в Голландии.
Внутри здания хранятся радиоактивные отходы от двух ядерных реакторов.
По местному закону храниться они должны 100 лет.
Отходы средней степени активности - 3,7.104 3,7.1010Бк/л
некоторое время выдерживают в контейнерах в специальных хранилищах до тех пор, пока
происходит распад короткоживущих радиоактивных изотопов.
Когда удельная активность этих отходов станет меньше 3,7.104Бк/л,
то есть они превратятся в так называемые
слабоактивные отходы, их. разбавляют и спускают в сточные воды
или рассеивают в атмосфере.
Понятно, что основной вклад в радиоактивный фон Земли
вносят именно такие рассеиваемые в окружающей среде «слабоактивные» отходы,
в каждом литре которых каждую секунду распадается 37 тысяч ядер.