Атомная энергетика

Физика
Атомная энергетика
Оптика
Физические основы механики
Квантовая механика
Электротехника
Расчеты цепей постоянного тока
Расчет трехфазной цепи
Лабораторные работы
Исследование полупроводниковых выпрямителей
Закон Ома 
Расчет электрических цепей
Электрические машины переменного тока
Электронные усилители и генераторы
Трехфазные выпрямители
Энергетика
Электрические сети энергосистем России
Основы энергосбережения
Экологические проблемы энергетики
Концепция развития атомной энергетики
Ядерный реактор
Быстрые реакторы
Ядерное оружие
Начертательная геометрия
Аксонометрические проекции
Взаимопринадлежность геометрических фигур
Конические сечения
Метод проецирующих секущих плоскостей
Метрические задачи
Инженерная графика
Спецификация
Основная надпись
Обозначения графические материалов
Правила нанесения размеров
Сопряжение
Геометрические построения
Метод проекций
Позиционные задачи
Курс «Детали машин»
Решение метрических задач
Информатика
Компьютерные сети
Курс лекций по информатике
Служба имен доменов DNS
Электронная почта
Пересылка писем
Браузеры
Протокол ftp
XHTML
Повышение производительности
Беспроводные веб-технологий
Цифровая обработка звука
Интернет-радио
Видео
Прокладка оптоволоконного кабеля
История искусства
Романская и готическая архитектура
Архитектура ренессанса
Нотер-Дам-де-Пари
Архитектура Германии
Русское деревянное зодчество
Русское барокко
Русский классицизм
Математика
Курс высшей математики
Математическая логика
Предел и непрерывность функции
Непрерывность функции в точке
Вычислить производную функции
Вычислить интеграл
Метод замены переменной

 

Рассмотрим сначала, какие достоинства имеет атомная энергетика, почему она появилась в мире? Главное достоинство атомной энергетики заключается в том, что в качестве топлива она использует материал уран, который не используется более нигде

Во Франции, где был взят курс на ускоренное развитие атомной энергетики (во Франции ~ 80 % электричества производят на атомных станциях)

Дело в том, что гражданская атомная энергетика стала развиваться на базе достижений военной атомной энергетики. Если бы не была поставлена задача создания ядерного оружия и не были бы созданы соответствующие научная и промышленная базы, то атомной энергетикой никто бы не занимался - еще лет сто вполне можно было бы использовать органическое топливо.

Есть проблема политическая – нераспространение делящихся ядерных материалов

Сущность процессов, которые протекают в реакторе во время его работы.

Рассмотрим деление ядра

Основные принципы работы ядерного реактора. В реакторе с нейтронами существует всего три типа процессов, которые определяют количество нейтронов в реакторе, или их баланс.

В предыдущей лекции мы определили коэффициент размножения нейтронов, как отношение числа процессов, при которых нейтроны рождаются, к числу процессов, при которых нейтроны исчезают.

Классификация ядерных реакторов Сначала перечислим классификационные признаки реакторов, а потом по каждому отдельному признаку будем уже их более подробно рассматривать

Реакторы для наработки оружейного плутония Если идти в историческом хронологическом порядке, то первые реакторы, которые были созданы, это были реакторы для наработки военного плутония – не для выработки электроэнергии, а для наработки военного (оружейного) плутония.

Реакторы транспортных двигательных установок, которые нашли сегодня применение – это, конечно, судовые реакторы. Сначала это были реакторы для военных целей, т.е. реакторы атомных подводных лодок и реакторы боевых надводных кораблей, ну а дальше были построены атомные ледоколы, лифтеровозы и т.д. Здесь, если говорить о гражданском использовании, атомная энергетика,  в принципе, конкурентоспособна с энергетикой на органическом топливе, как доказал опыт использования ледоколов

Класификация реакторов по используемому теплоносителю Нужно сказать, что существует очень широкое поле возможностей использования в реакторах различных теплоносителей. Вода, тяжелая вода, различные газы, различные жидкие металлы, расплавленные соли – все это не только рассматривалось, но и испытывалось или вошло в эксплуатацию, или не вошло, но в каких-то реакторах действует.

Жидкие металлы Рассмотрим следующий тип теплоносителя, который тоже призван решать ту же самую проблему разработчиков и эксплуатационников – убрать высокое давление в контуре реактора. Было ясно, что чем выше точка кипения жидкости, тем проще решается эта проблема. И следующим типом теплоносителя, который был применен (вначале исследован) для создания реактора с низким давлением в первом контуре был теплоноситель с жидкими металлами. Важно, что давление в контуре на уровне компенсатора, не превышает атмосферное.

Расплавленные соли или жидкосолевые реакторы Особенность расплавленных солей такая же, как и у жидких металлов – высокая точка кипения, т.е. тоже давление не нужно, но точка плавления, к сожалению, у них высокая. Самая низкая точка плавления смеси из разных комбинаций солей – около 4000 С. Т.е. эксплуатация такого реактора будет еще больше затруднена в условиях ремонта, обслуживания и т.д. по сравнению со свинцово-охлаждаемым реактором.

Классификация реакторов по спектру нейтронов Реакторы на быстрых нейтронах

Реакторы на тепловых нейтронах Надо, чтобы вы поняли, а почему же вся атомная энергетика сегодня работает на тепловых нейтронах, а не на быстрых нейтронах? Причина одна – экономика. Они дешевле. Первая причина удешевления связана с тем, что используется не натриевая технология, которая удорожает проект и эксплуатацию, а используется вода, где может быть и одноконтурное исполнение, как РБМК (кипящий), и двухконтурное, как ВВЭР - это технические причины удешевления, но есть еще и физические.

Классификация реакторов по структуре активной зоны По структуре активной зоны реакторы подразделяются на две группы – гетерогенные и гомогенные. Что является отличительным признаком принадлежности реактора к той или иной группе? В гетерогенном реакторе топливо и замедлитель (или теплоноситель тоже), находятся в отдельных пространственных зонах, т.е. они не перемешаны друг с другом.

К трехконтурным схемам прежде всего относятся быстрые реакторы с натриевым теплоносителем. Почему быстрые реакторы с натриевым теплоносителем потребовали введения дополнительного, натриевого контура, не радиоактивного? Этот контур называется промежуточным и располагается он между первым контуром радиоактивного натрия и пароводяным контуром

Классификация реакторов по принципу работы По принципу работы реакторы разделяются на два класса – стационарные и импульсные. К стационарным реакторам относятся реакторы, поддерживающие в течение какого-то промежутка времени постоянный уровень мощности. К стационарным реакторам относятся все реакторы атомных электростанций (хотя у них есть переходы с одного уровня мощности на другой), также реакторы транспортных энергетических установок (хотя они работают, в основном, в маневренных режимах работы, но, тем не менее, имеют тот же принцип работы, что и АЭС, и, в сущности, все остальные реакторы, которые мы рассматривали.

Ядерная концентрация легко рассчитывается, если вы знаете структуру реактора, его чертеж, т.е. поперечное сечение реактора, сколько в нем содержится урана, его масса, объем и т.д.

Теперь давайте рассмотрим осколки деления. Их в среднем два, подавляющее большинство ядер делится на два осколка, очень редко бывает тройное деление. В результате тройного деления получается два больших осколка и еще возможно образование трития. Тритий – это радиоактивный изотоп водорода, и, в принципе, избежать выделения трития на АЭС невозможно.

Мы рассмотрели второй тип ядерных реакций. Таким образом, при делении нейтроны рождаются, а при захвате и поглощении они поглощаются, исчезают.

Что собой представляет процесс рассеяния? Этот процесс происходит при столкновении нейтрона с ядром, но когда нейтрон не исчезает, а сталкивается с ядром, меняет направление своего полета, и куда-то летит дальше

 Изотоп азота

Теперь давайте вернемся к ядерным концентрациям. Мы таким образом, с вами рассмотрели сейчас микроскопические сечения, как они зависят от энергии, какие характерные значения микроскопических сечений для разных процессов рассеяния там, поглощения и т.д.

Макроскопическое сечение взаимодействия нейтронов S равно произведению ядерной концентрации r на микроскопическое сечение s

Расчет ядерных концентраций Сначала рассмотрим однородную среду, для простоты возьмем топливо – допустим, двуокись урана. Химическая формула двуокиси урана - UO2. Это молекула, в которой на одно ядро урана приходится два ядра или два атома кислорода.

Расчет гомогенизированных ядерных концентраций Но знание ядерных концентраций в отдельных веществах еще не позволяет нам найти ядерные концентрации в реакторе. Сейчас мы переходим к расчету гомогенизированных ядерных концентраций, т.е. к таким концентрациям, которые будут в реакторе, если все компоненты активной зоны перемешать – топливо, воду, графит, оболочки.

Расчет коэффициента размножения нейтронов в гомогенной среде бесконечных размеров.

Микроскопическое сечение определяет вероятность взаимодействия нейтрона с ядром, с отдельным ядром. Можно представить себе его как площадь шарика, рассеченного пополам, как мишень. Но важно помнить, что для разных ядер площадь этой мишени (или диаметр шарика), зависит от энергии нейтрона.

 Резонансное рассеяние – это совсем другое. Это не неупругое рассеяние. Есть потенциальное рассеяние, есть резонансное рассеяние - это взаимодействие уже на волновом уровне нейтронов. Вот мы сейчас рассматриваем упругое рассеяние как классический процесс столкновения двух шаров

Мы рассматриваем сейчас реактор РБМК, а в реакторе РБМК замедлитель - графит

Мы рассматриваем сейчас замедление нейтронов, а слово замедление означает процесс, при котором уменьшается энергия нейтрона

Интересно рассмотреть, в каких пределах изменяется эффективный резонансный интеграл поглощения

Влияние гетерогенного размещения урана и замедлителя на вероятность избежать резонансного захвата.

Мы рассмотрели выражение для вероятности избежать резонансного захвата в гомогенной среде и начали рассматривать влияние на резонансное поглощение гетерогенной структуры

И теперь мы должны перейти уже от бесконечной среды к конечному реактору, т.е. к эффективному коэффициенту размножения нейтронов

Форма поверхности реактора

Если возраст нейтронов зависел только от рассеивающих и замедляющих свойств среды, то квадрат длины диффузии теплового нейтрона не будет зависеть от замедляющих свойств среды, т.е. все равно, x большое или маленькое, мы рассматриваем уже нейтрон тепловой.

Характерные времена процессов изменения изотопного (или ядерного) состава реактора – это месяцы, годы, т.е. эти времена самые медленные. Самый первый из этих процессов связан с уменьшением количества делящегося материала 235U.

 Система автоматического управления или поддержания мощности реактора настроена следующим образом. Вот вы отградуировали ионизационные камеры по тепловым параметрам (потому что на самом деле мощность измеряется по тепловым параметрам). Есть расход теплоносителя по первому контуру, есть температура входа, есть температура выхода, теплоемкость воды - если вы умножите расход воды на теплоемкость воды, на разность температур – вы получите тепловую мощность реактора.

И теперь мы должны перейти к последнему из процессов, очень важному для работающих реакторов, но особенно важному для будущей ядерной энергетики - процессу образования 239Pu. Мы рассмотрели уже три процесса – выгорание 235U, накопление 236U, накопление осколков деления и для них количественно получили уравнения.

Сначала рассмотрим ядерную реакцию, при которой образуется 239Pu

Лейпунский Александр Ильич, имя которого носит ФЭИ, был научным руководителем и быстрых реакторов в Советском Союзе

Роль быстрых реакторов в будущей атомной энергетике Ситуация в атомной энергетике за прошедшие тридцать лет радикально изменилась в отношении ожидания темпов ее развития. И та роль, которая для быстрых реакторов, которая для быстрых реакторов, которая была предназначена 30 – 40 лет назад – это производители плутония, с высоким темпом для обеспечения топливом тепловых реакторов, которые более дешевые – сегодня эта задача с повестки дня снята и по-видимому, она уже не встанет никогда, потому что запасы плутония в отработавшем ядерном топливе все возрастает и возрастает с одной стороны, ну и истощение запасов дешевого природного урана пока тоже не видно

Натриевый, это реактор, который разработан на базе реактора БН-600, с учетом его опыта эксплуатации, модернизирован, с учетом недостатков, найдены резервы повышения мощности, уменьшения металлоемкости и т.д. и т.д.

А самый первый реактор, как вы помните, был пущен и не для энергетики, а для наработки плутония на «Маяке» - уран-графитовый реактор, промышленный, для наработки плутония, который холодную, условно, воду, ниже 1000 С сбрасывал просто в речку, водоем

Давайте запишем сейчас скорость образования йода

Давайте сейчас запишем уравнение для скорости изменения концентрации ксенона во времени

Мы переходим к следующему разделу – поведению реактора в динамических процессах, а именно к обратным связям в реакторе. Обратные связи определяют в значительной степени характеристики безопасности реактора и требования к системе автоматического управления и качеству управления со стороны оператора. И важность их определяется тем, что обратные связи определяют устойчивость реактора по отношению к малым возмущениям. В правильно спроектированном реакторе обратные связи должны быть отрицательные, если удается как-то на них воздействовать при конструировании реактора

Паровой коэффициент реактивности определяется как производная от kэфф по среднему паросодержанию на выходе из реактора

Рассмотрим теперь процессы, вернее, не процессы, а сначала изменения, которые происходят в реакторе при изменении температуры различных его частей. Первое, что здесь нужно сказать и что совершенно очевидно и понятно - поскольку все тела при нагревании расширяются, то же самое происходит и с реактором.

И, наконец, последний процесс, который также влияет на реактивность – это изменение температуры топлива

И именно вот этот фактор создает ограничение на пути увеличения продолжительности кампании реактора – до перегрузки топлива

 Если сравнить для реактора ВВЭР две этих составляющих температурного коэффициента реактивности теплоносителя – через плотность воды и через спектр нейтронов – то оказывается, что влияние через плотность гораздо более сильное, чем влияние через спектр нейтронов

Мы рассмотрели влияние плотности воды в ВВЭР, мы рассмотрели влияние температуры нейтронного газа или спектра тепловых нейтронов, мы рассмотрели в РБМК влияние паросодержания и остался нам последний процесс рассмотреть - увеличение температуры топлива. Значит, рассматриваем ситуацию, когда температура топлива Ттоп увеличивается.

Рассмотрим теперь другую энергию нейтрона, которая уже соответствует не центру резонанса, а крылу распределения.

Сейчас мы приступаем к следующему разделу временному поведению реактора. Изучение временного поведения реактора при введении в реактор положительной или отрицательной реактивности.

Период изменения мощности. Называется период изменения мощности, численно, в данном случае, он равен времени жизни нейтронов l, деленному на реактивность, т.е. видно, что период обратно пропорционален реактивности. Чем больше реактивность, тем меньше период изменения, поскольку в знаменателе.

Кинетика реактора с учетом одной группы запаздывающих нейтронов

 Давайте теперь рассмотрим другой случай, когда мы вводим положительную реактивность большую, чем b и для конкретности возьмем, что реактивность равна r = 1,5bэфф.

Давайте сейчас рассмотрим уже решение уравнения кинетики, т.е. прямо запишем решение, для установившегося периода разгона реактора в присутствии шести групп запаздывающих нейтронов. Это тот случай, реальный, когда имеются в наличии все запаздывающие нейтроны и реактор уже вышел на установившийся режим разгона.

И, наконец, может быть наиболее важный источник нейтронов – это спонтанное деление 238U

При разгоне реактора растет его мощность, увеличивается парообразование и начинает расти давление пара в сепараторе. Но ведь существует аварийная защита и (вы видели на тренажере) по превышению давления пара во втором контуре (80 кг) уже должна сработать аварийная защита и остановить реактор.

Оно связано уже с обращением с продуктами горения органического и ядерного топлива. Конечно, все вы понимаете, что продукты горения угля, нефти, газа, чего угодно – это тоже вредные вещества. Наиболее экологически чистый – это природный газ, при его сгорании получается много СО2.

Первый класс аварий – реактивностные аварии. Под этими авариями мы подразумеваем аварии с возможностью мгновенного разгона. Чем обусловлена возможность мгновенного разгона?

Второй класс. Аварии с потерей теплоносителя. В английской литературе эти аварии называются Loc loss of current – аварии с потерей теплоносителя. Именно этот класс аварий тянет за собой большое усложнение станции с водяным теплоносителем. Это очень тяжелая авария, потому что при большом разрыве первого контура, если теплоноситель из реактора уйдет, сами понимаете, что получается – активная зона плавится под действием остаточного тепловыделения, проплавляет корпус реактора (расчеты такие есть), этот расплав может проплавить бетонное днище шахты, уйти в грунтовые воды – в общем, вызвать очень тяжелые последствия.

Таким образом, мы пришли, исходя из требований безопасности, к облику реактора с внутренней самозащищенностью. Вот термин такой есть – внутренняя самозащищенность. Сейчас внедряется другой термин – внутренняя присущая безопасность, но этот термин дезориентирует людей, потому что реактор, конечно, все равно остается опасным

Прежде чем перейти собственно к резонансному поглощению, рассмотрим некоторые понятия из теории замедления нейтронов. Рассматривая процесс замедления, мы уже выяснили, что в качестве замедлителей могут быть использованы вещества с малым массовым числом, причем не все элементы с малым массовым числом могут быть замедлителями.

Следующее понятие, которое мы должны рассмотреть – это поток замедляющихся нейтронов

Для этого нам надо будет рассмотреть некоторые новые понятия из теории замедления нейтронов, прежде чем перейти собственно к резонансному поглощению

лак для покраски авто, final | оборудование для выращивания бройлеров, agri
Физика, начертательная геометрия - лекции и примеры решения задач