Yadernaya-energetika-i-yadernye-reakcii-osnovy-i-primenenie

1.

Ядерная энергетика и ядерные
реакции: основы и
применение

2.

Что такое ядерная энергия?
Ядерная энергия — это мощный источник, извлекаемый из атомных ядер в ходе
ядерных реакций. Этот процесс позволяет получать огромное количество
энергии из минимального объема вещества, что делает его одним из самых
эффективных видов производства энергии.
В основе ядерной энергетики лежат два основных процесса: деление тяжёлых
ядер (например, урана) и термоядерный синтез лёгких ядер (например,
водорода). Деление используется в существующих атомных электростанциях, а
синтез является предметом активных исследований и обещает практически
неисчерпаемый источник чистой энергии в будущем.
В настоящее время ядерная энергия обеспечивает около 11-14% мировой
электроэнергии, играя ключевую роль в обеспечении энергетической
безопасности многих стран и снижении выбросов парниковых газов.

3.

Ядерные реакции: механизмы и виды
Ядерная реакция
Деление ядра
Синтез ядер
Это процесс, при котором ядро атома
Происходит, когда тяжёлое ядро
Представляет собой процесс слияния
взаимодействует с другой частицей
(например, урана-235) захватывает
лёгких атомных ядер, таких как
или ядром, в результате чего
нейтрон и распадается на два или три
дейтерий и тритий, с образованием
изменяется его состав или структура.
более лёгких "осколка", высвобождая
более тяжёлого ядра и выделением
Эти реакции являются
при этом колоссальное количество
энергии. Например, реакция синтеза
фундаментальными для понимания
энергии – примерно 200 МэВ на
дейтерия и трития высвобождает 17,6
ядерной энергии.
каждое ядро урана-235. Этот процесс
МэВ энергии. Этот процесс лежит в
является основой работы
основе энергии Солнца и является
современных ядерных реакторов.
предметом интенсивных
исследований для будущего
энергетического использования.

4.

Цепная ядерная реакция: ключ к ядерной энергетике
Цепная ядерная реакция — это самоподдерживающийся процесс
деления атомных ядер. Когда ядро урана-235 делится, оно не только
высвобождает энергию, но и испускает несколько нейтронов. Эти
нейтроны, в свою очередь, могут столкнуться с другими ядрами урана235, вызывая их деление, и так далее.
В ядерных реакторах этот процесс тщательно контролируется, чтобы
избежать неконтролируемого высвобождения энергии. Главная задача
заключается в поддержании оптимального числа нейтронов,
необходимых для поддержания реакции, без её разгона.
Историческим моментом, ознаменовавшим начало эры ядерной
энергетики, стала первая управляемая цепная реакция,
осуществлённая группой учёных под руководством Энрико Ферми в
Чикаго в 1942 году. Этот эксперимент доказал возможность
использования ядерной энергии в мирных целях.

5.

Устройство и работа ядерного реактора
Регулирующие стержни
Активная зона
Содержит топливные стержни из
обогащённого урана-235 или плутония-239,
где происходит цепная реакция деления.
Изготовлены из боросодержащих
материалов, поглощают нейтроны для
контроля интенсивности цепной реакции и
остановки реактора.
Система охлаждения
Обычно использует воду, которая
отводит тепло, выделяющееся при
Электрогенератор
Преобразует механическую энергию
вращения турбины в электрическую
энергию, которая поступает в
энергосистему.
делении, и превращает его в пар для
приведения в действие турбин.
Паровая турбина
Пар под высоким давлением вращает
турбину, которая, в свою очередь, приводит
в движение электрогенератор.

6.

Топливный цикл ядерной энергетики
Ядерный топливный цикл включает в себя все стадии, начиная от добычи урановой руды до утилизации отработанного топлива,
обеспечивая непрерывную работу атомных электростанций.
01
02
03
Добыча и переработка урана
Обогащение урана
Производство топлива
Урановая руда извлекается из недр земли и
Природный уран содержит лишь малую
Обогащённый уран прессуется в небольшие
проходит первичную переработку для
долю изотопа урана-235, необходимого для
таблетки, которые затем помещаются в
получения уранового концентрата
цепной реакции. Процесс обогащения
длинные металлические трубки, образуя
("жёлтого кека").
увеличивает эту долю до 3-5%.
тепловыделяющие элементы (ТВЭЛы) и
сборки.
04
05
Использование в реакторе
Утилизация и хранение
Топливные сборки загружаются в активную зону реактора, где
Отработанное ядерное топливо, содержащее радиоактивные
происходит контролируемая цепная реакция и выработка энергии.
элементы, требует безопасного хранения и утилизации, что
является одним из ключевых вызовов отрасли.

7.

Типы ядерных реакторов
Разнообразие типов ядерных реакторов отражает эволюцию технологий и стремление к повышению безопасности и эффективности. Каждый тип имеет свои особенности в конструкции и используемом теплоносителе.
Легководные реакторы (PWR и BWR)
Газоохлаждаемые реакторы
Тяжеловодные реакторы
Реакторы на быстрых нейтронах
Наиболее распространённые реакторы в мире, использующие обычную
Вместо воды в качестве теплоносителя используется газ (например,
Используют тяжёлую воду (D₂O) как замедлитель нейтронов, что
Не используют замедлитель и способны "размножать" ядерное топливо,
воду как замедлитель нейтронов и теплоноситель. PWR (реактор с водой
гелий или углекислый газ). Они могут работать при более высоких
позволяет применять необогащённый уран в качестве топлива.
превращая уран-238 в плутоний-239, что значительно расширяет
под давлением) и BWR (кипящий реактор) отличаются схемой
температурах, что повышает КПД.
циркуляции теплоносителя.
ресурсную базу.

8.

Преимущества и вызовы ядерной энергетики
Ядерная энергетика представляет собой двойственный вызов: она предлагает мощные решения для мировых энергетических потребностей, но также
сопряжена со значительными рисками и сложностями.
1
Преимущества
Высокая плотность энергии: Небольшое количество ядерного
Вопросы безопасности: Потенциальные аварии (например,
электроэнергии, несравнимое с ископаемым топливом.
для окружающей среды и здоровья человека, вызывая
Низкие выбросы CO₂: Ядерные электростанции не выбрасывают
общественное беспокойство.
Утилизация отходов: Отработанное ядерное топливо остаётся
важным инструментом в борьбе с изменением климата.
радиоактивным в течение тысяч лет, требуя надёжного и
Экономическая эффективность: После первоначальных высоких
долгосрочного хранения.
Высокие капитальные затраты: Строительство ядерных реакторов
низки, а топливо доступно.
очень дорого и занимает много времени, что требует
Стабильность энергоснабжения: АЭС работают непрерывно, не
значительных инвестиций.
завися от погодных условий, в отличие от возобновляемых
Чернобыль, Фукусима) могут иметь катастрофические последствия
капиталовложений, эксплуатационные расходы АЭС относительно
Вызовы
топлива способно произвести огромное количество
парниковые газы в атмосферу во время работы, что делает их
2
Распространение ядерного оружия: Технологии и материалы,
источников, обеспечивая базовую нагрузку в энергосистеме.
используемые в ядерной энергетике, могут быть использованы для
Энергетическая независимость: Страны могут снизить
создания ядерного оружия, что требует строгого международного
зависимость от импорта ископаемого топлива, диверсифицируя
контроля.
свои энергетические источники.
Общественное мнение: Негативное отношение общественности,
часто вызванное опасениями по поводу безопасности и отходов,
может замедлять развитие ядерной энергетики.

9.

Современные тенденции и перспективы
Ядерная энергетика находится на пороге новой эры, где инновации обещают преодолеть многие исторические ограничения и вызовы.
Термоядерный синтез
Малые модульные реакторы
(SMR)
Международное
сотрудничество
(Международный экспериментальный
SMR — это компактные,
Роль МАГАТЭ (Международного
термоядерный реактор), а также
стандартизированные реакторы,
агентства по атомной энергии)
национальные программы, направлены
которые могут быть произведены на
становится всё более важной в
на создание управляемой реакции
заводе и доставлены на место
обеспечении безопасного и мирного
синтеза. Успех этих исследований
эксплуатации. Они предлагают гибкость
использования ядерных технологий.
обещает почти неисчерпаемый источник
в развёртывании, повышенную
Сотрудничество между странами
чистой энергии с минимальным
безопасность за счёт пассивных систем и
способствует обмену опытом, разработке
количеством долгоживущих отходов.
возможность применения в отдалённых
стандартов безопасности и
регионах, а также для теплоснабжения и
предотвращению распространения
опреснения воды.
ядерного оружия.
Масштабные проекты, такие как ITER

10.

Заключение: Ядерная энергетика —
энергия будущего?
Ядерная энергетика, безусловно, является одним из наиболее мощных и обсуждаемых
источников энергии в мире. Её потенциал для производства большого количества
электроэнергии без выбросов парниковых газов делает её ключевым элементом в борьбе с
изменением климата и обеспечении устойчивого развития.
Важный элемент глобального
баланса
Баланс инноваций и
безопасности
Ядерная энергия играет критически
Будущее ядерной энергетики зависит от
важную роль в энергетическом портфеле
способности обеспечить высокий уровень
многих стран, обеспечивая стабильное и
безопасности, внедрять инновационные
надёжное энергоснабжение.
технологии и эффективно управлять
ядерными отходами.
Вызов для науки и общества
Создание доступной, безопасной и экологически чистой ядерной энергии требует
совместных усилий учёных, инженеров, политиков и общества в целом.