Атомная энергетика

МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА И

ПРОДОВОЛЬСТВИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ДЕПАРТАМЕНТ ПО РЫБОЛОВСТВУ

МУРМАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ

ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

ФАКУЛЬТЕТ ЗАОЧНОГО

СОЦИАЛЬНО-ЭКОНОМИЧЕСКОГО ОБРАЗОВАНИЯ

РЕФЕРАТ

ПО КОНЦЕПЦИЯМ СОВРЕМЕННОГО

ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ

по теме «Атомная энергетика»

Мурманск

1999

СОДЕРЖАНИЕ

1. ВВЕДЕНИЕ. 3

2. ЭЛЕМЕНТЫ ЯДЕРНОЙ ФИЗИКИ. 4

2.1. АТОМ. АТОМНОЕ ЯДРО. 4

2.2. ЭНЕРГИЯ СВЯЗИ АТОМНЫХ ЯДЕР. 4

2.3. РАДИОАКТИВНОСТЬ. 5

2.3.1. Общие сведения. 5

2.3.2. Альфа-распад. 5

2.3.3. Бета-распад. 5

2.3.4. Позитронный бета-распад. 6

2.3.5. Электронный захват. 6

2.3.6. Гамма-распад. 6

2.4. ДЕЛЕНИЕ АТОМНЫХ ЯДЕР. 7

2.4.1. Общие сведения. 7

2.4.2. Продукты деления. 7

2.4.3. Взаимодействие нейтронов с атомными ядрами. 8

2.5. ЦЕПНАЯ ЯДЕРНАЯ РЕАКЦИЯ. 8

3. ЯДЕРНЫЕ РЕАКТОРЫ. 11

3.1. ОСОБЕННОСТИ ЯДЕРНОГО РЕАКТОРА КАК ИСТОЧНИКА ТЕПЛОТЫ. 11

3.2. УСТРОЙСТВО ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ЯДЕРНЫХ РЕАКТОРОВ. 11

3.3. ТРЕБОВАНИЯ К КОНСТРУКЦИЯМ АКТИВНОЙ ЗОНЫ И ЕЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ. 12

3.4. КЛАССИФИКАЦИЯ РЕАКТОРОВ. 14

4. АТОМНЫЕ ЭЛЕКТРОСТАНЦИИ. 16

5. ЯДЕРНОЕ ТОПЛИВО. 17

6. ЭКОЛОГИЯ АТОМНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ. 18

7. ЛИТЕРАТУРА. 20

1. ВВЕДЕНИЕ.

Энергетика - важнейшая отрасль народного хозяйства, охватывающая энерге-тические ресурсы, выработку, преобразование, передачу и использование различных видов энергии. Это основа экономики государства.

Развитие человеческого общества неразрывно связано с использованием природных ресурсов нашей планеты, с потреблением энергии во все возрастающих масштабах. Но большинство ресурсов не возобновляется, по крайней мере, в замет-ных количествах. Это повышает ответственность людей перед грядущими поколе-ниями за бережное и рациональное использование ресурсов планеты, возможно меньшее загрязнение ее всевозможными отходами.

Развитие атомной энергетики зависит от уровня общемировых энергетиче-ских потребностей. Доля общего производства энергии, которую можно обеспечить за счет атомной энергетики, зависит от приемлемых для промышленного использо-вания природных запасов традиционных основных источников энергии (угля, неф-ти, газа) и эффективности использования возобновляемых источников энергии, в особенности солнечной энергии.

2. ЭЛЕМЕНТЫ ЯДЕРНОЙ ФИЗИКИ.

2.1. АТОМ. АТОМНОЕ ЯДРО.

Все в мире состоит из молекул, которые представляют собой сложные комплек-сы взаимодействующих атомов. Молекулы - это наименьшие частицы вещества, со-храняющие его свойства. В состав молекул входят атомы различных химических эле-ментов.

Химические элементы состоят из атомов одного типа. Атом, мельчайшая части-ца химического элемента, состоит из "тяжелого" ядра и вращающихся вокруг электро-нов.

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, спином J, магнитным и электрическим квадрупольным моментом Q, определенным радиусом R, изотопиче-ским спином Т и состоит из нуклонов - протонов и нейтронов.

Число нуклонов А в ядре называется массовым числом. Число Z называют за-рядовым 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 значе-ние Z приходится около трех стабильных изотопов. 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 ста-бильных ядер остаются неизменными неограниченно долго. Нестабильные же ядра ис-пытывают различного рода превращения.

2.2. ЭНЕРГИЯ СВЯЗИ АТОМНЫХ ЯДЕР.

Экспериментальные измерения масс атомных ядер, выполненные с большой точностью, показывают, что масса ядра всегда меньше суммы масс составляющих его нуклонов.

Энергия связи - это энергия, которую необходимо затратить, чтобы разделить ядро на составляющие его нуклоны.

Энергия связи, отнесенная к массовому числу А, называется средней энергией связи нуклона в атомном ядре (энергия связи на один нуклон).

Энергия связи приблизительно постоянна для всех стабильных ядер и примерно равна 8 МэВ. Исключением является область легких ядер, где средняя энергия связи растет от нуля (А=1) до 8 МэВ для ядра 12С.

Аналогично энергия связи на один нуклон можно ввести энергию связи ядра от-носительно других составных его частей.

В отличие от средней энергии связи нуклонов количество энергии связи нейро-на и протона изменяется от ядра к ядру.

Часто вместо энергии связи используют величину, называемую дефектом массы и равную разности масс и массового числа атомного ядра.

2.3. РАДИОАКТИВНОСТЬ.

2.3.1. Общие сведения.

Явление радиоактивности, или спонтанного распада ядер, было открыто фран-цузским физиком А. Беккерелем в 1896 г. Он обнаружил, что уран и его соединения испускают лучи или частицы, проникающие сквозь непрозрачные тела и способные за-свечивать фотопластинку. Беккерель установил, что интенсивность излучения пропор-циональна только концентрации урана и не зависит от внешних условий (температуры, давления) и от того, находится ли уран в каких-либо химических соединениях.

Английскими физиками Э. Резерфордом и Ф. Содди было доказано, что во всех радиоактивных процессах происходят взаимные превращения атомных ядер хи-мических элементов. Изучение свойств излучения, сопровождающего эти процессы в магнитном и электрическом полях, показало, что оно разделяется на -частицы (ядра гелия), -частицы (электроны) и -лучи (электромагнитное излучение с очень малой длиной волны).

Атомное ядро, испускающее -кванты, -, - или другие частицы, называется радиоактивным ядром. В природе существует 272 стабильных атомных ядра. Все ос-тальные ядра радиоактивны и называются радиоизотопами.

Радиоактивность определяется состоянием атомного ядра. Для данного состоя-ния ядра вероятность его распада в единицу времени является постоянной величиной.

2.3.2. Альфа-распад.

Энергия связи ядра характеризует его устойчивость к распаду на составные части. Если энергия связи ядра меньше энергии связи продуктов его распада, то это оз-начает, что ядро может самопроизвольно (спонтанно) распадаться. При альфа-распаде альфа-частицы уносят почти всю энергию и только 2 % ее приходится на вторичное яд-ро. При альфа-распаде массовое число изменяется на 4 единицы, а атомный номер на две единицы.

Начальная энергия альфа-частицы составляет 4-10 МэВ. Поскольку альфа-частицы имеют большую массу и заряд, длина их свободного пробега в воздухе неве-лика. Так, например, длина свободного пробега в воздухе альфа-частиц, испускаемых ядром урана, равна 2,7 см, а испускаемых радием, - 3,3 см.

2.3.3. Бета-распад.

Это процесс превращения атомного ядра в другое ядро с изменением порядково-го номера без изменения массового числа. Различают три типа -распада: электронный, позитронный и захват орбитального электрона атомным ядром. Последний тип распада принято также называть К-захватом, поскольку при этом наиболее вероятно поглоще-ние электрона с ближайшей к ядру К-оболочки. Поглощение электронов с L- и М-оболочек также возможно, но менее вероятно. Период полураспада -активных ядер изменяется в очень широких пределах.

Число бета-активных ядер, известных в настоящее время, составляет около по-лутора тысяч, но только 20 из них являются естественными бета-радиоактивными изо-топами. Все остальные получены искусственным путем.

Непрерывное распределение по кинетической энергии испускаемых при распаде электронов объясняется тем обстоятельством, что наряду с электроном испускается и антинейтрино. Если бы не было антинейтрино, то электроны имели бы строго опреде-ленный импульс, равный импульсу остаточного ядра. Резкий обрыв спектра наблюда-ется при значении кинетической энергии, равной энергии бета-распада. При этом ки-нетическая энергия ядра и антинейтрино равна нулю, и электрон уносит всю энергию, выделяющуюся при реакции.

При электронном распаде остаточное ядро имеет порядковый номер на единицу больше исходного при сохранении массового числа. Это означает, что в остаточном яд-ре число протонов увеличилось на единицу, а число нейтронов, наоборот, стало мень-ше: N=A-(Z+1).

2.3.4. Позитронный