mozok.click » Фізика » Атомная энергетика Украины. Экологические проблемы атомной энергетики
Інформація про новину
  • Переглядів: 2208
  • Автор: admin
  • Дата: 14-10-2017, 18:08
14-10-2017, 18:08

Атомная энергетика Украины. Экологические проблемы атомной энергетики

Категорія: Фізика

Большое преимущество ядерного топлива в сравнении с традиционным (газ, нефть, уголь) заключается в том, что его энергетическая эффективность в миллионы раз выше (в 2 млн раз выше, чем нефти, в 3 млн раз выше, чем угля). К тому же его сжигание не требует кислорода. Однако использование ядерного топлива связано с рядом сложностей.

Узнаём о ядерном цикле

Рис. 27.1. ТВЭЛ (тепловыделительный элемент) — часть реактора; устройство, в котором содержится ядерное топливо (таблетки диоксида Урана)

Чтобы получить килограмм топлива с низкой энергетической эффективностью, например килограмм дров, достаточно сходить в лес. А вот чтобы получить килограмм ядерного топлива, нужно создать целую технологическую цепочку. Кроме того, после сгорания дров пепел можно просто разбросать. А что делать с ТВЭЛами (рис. 27.1), отработавшими свой ресурс? Ведь именно в ТВЭЛах происходит цепная ядерная реакция, и потому они содержат огромное количество радиоактивных «осколков» с длительными периодами полураспада.

Последовательность операций, связанных с добычей ядерного топлива из руды, изготовлением ТВЭЛов, использованием ТВЭЛов на атомных электростанциях и дальнейшей переработкой радиоактивных отходов, называют ядерным циклом (рис. 27.2).

Рис. 27.2. Схема ядерного цикла

По запасам урановой руды Украина занимает 11-е место в мире. Этих запасов хватит на несколько столетий. Но чтобы переработать руду в ядерное топливо, изготовить ТВЭЛы, необходима специализированная промышленность (цепочка взаимосвязанных производств), которой Украина в полном объеме не имеет. Так, на украинских атомных электростанциях используются зарубежные ТВЭЛы.



После того как в ТВЭЛе распадается определенная часть ядерного топлива (физики говорят: «ТВЭЛ выгорел»), его заменяют новым. ТВЭЛы, отработавшие свой ресурс, очень радиоактивны, поэтому их в специальных контейнерах размещают глубоко под землей, где они должны храниться сотни лет.

На сегодня в Украине только Запорожская атомная электростанция (рис. 27.3) имеет

хранилище для отработанных ТВЭЛов. ТВЭЛы с других атомных электростанций вывозят на хранение в Россию, и это стоит достаточно дорого. Сейчас высказываются намерения построить хранилище для отработанных ТВЭЛов в Чернобыльской 30-километровой зоне, ведь эта территория еще долго не будет пригодна для жизни людей. К тому же места для хранения ТВЭЛов можно предоставлять и другим странам.

Подумайте над аргументами «за» строительство такого хранилища и «против».

Узнаём об атомной энергетике Украины

Украина относится к тем странам, в которых благодаря высоким технологиям, высококвалифицированным инженерам и ученым создана атомная энергетика. В стране работают четыре атомные электростанции: Запорожская, Ровенская, Южно-Украинская, Хмельницкая (рис. 27.3-27.6). На этих АЭС действуют 15 атомных энергоблоков общей мощностью 13 580 МВт. На АЭС приходится около половины производимой в стране электроэнергии.

АЭС обслуживаются многотысячными коллективами высококвалифицированных специалистов. Фактически вокруг каждой украинской АЭС вырос небольшой город.

Наличие в Украине источников электроэнергии, работающих на ядерном топливе, безусловно, смягчает все больший дефицит «обычных» энергоносителей: газа, нефти, каменного угля.

Когда речь идет об АЭС, опасения обычного гражданина связаны со словом «радиация». Однако исследования показывают, что наибольшее воздействие радиации на человека происходит за счет ее естественных источников, во время медицинских исследований и лечения. Радиация, связанная с «нормальным» развитием атомной энергетики, составляет лишь малую часть радиации, вызванной деятельностью человека. Но, к сожалению, история человечества уже знает несколько случаев аномального развития событий на ядерных реакторах, при этом последствия были катастрофичны.


Вспоминаем историю Чернобыльской трагедии

26 апреля 1986 г. — трагическая дата в истории Украины. Именно в этот день произошел взрыв на 4-м энергоблоке Чернобыльской атомной электростанции (рис. 27.7). Руководство станции дало согласие на работу ядерного реактора в режиме переменной мощности, что не было предусмотрено его конструкцией. В результате случилось неконтролируемое выделение ядерной энергии внутри реактора и произошел взрыв, вызвавший пожар на 4-м энергоблоке и катастрофический выброс радиоактивных веществ. Корпус реактора начал работать как огромная печь, выбрасывая радиоактивный дым в атмосферу. Ветер разнес этот дым на сотни и тысячи километров (повышение уровня радиации было зафиксировано даже в Швеции). В ликвидации аварии на ЧАЭС принимали участие специалисты всех республик Советского Союза.

Особую роль в уменьшении масштабов трагедии сыграли пожарные. Ценой своих жизней они предотвратили распространение пожара на другие реакторы Чернобыльской АЭС.

С катастрофой таких масштабов человечество раньше не сталкивалось, поэтому выбросы радиоактивных веществ не удалось остановить быстро — они продолжались десять дней. В результате целые регионы Украины, Беларуси, России оказались радиационно загрязненными, а из 30-километровой зоны вокруг станции было эвакуировано все население.

Позднее над разрушенным реактором был построен саркофаг — бетонная конструкция, защищающая от дальнейшего распространения радиационного загрязнения (рис. 27.8). Сегодня все энергоблоки Чернобыльской АЭС выведены из эксплуатации; совместно с международными организациями Украина построила еще один саркофаг, более совершенный. После трагедии прошло более 30 лет, но последствия радиационного загрязнения, особенно в зоне Чернобыльской АЭС, ощутимы до сих пор.

Подобная по масштабам катастрофа случилась в 2011 г. в Японии, на атомной электростанции «Фукусима-1». Вследствие землетрясения и цунами прекратили работать насосы, перекачивающие теплоноситель. Произошли

перегрев и повреждение атомного реактора, и радиационное вещество загрязнило окружающую среду.

Таким образом, сейчас человечество оказалось перед дилеммой: постепенное исчерпание традиционных энергоносителей вроде бы подталкивает к развитию атомной энергетики, но в то же время от ужасных аварий не застрахованы даже такие технологически развитые страны, как Япония. Правительство Германии сделало свой выбор и запретило развитие атомной энергетики в стране.

А каково ваше мнение по этому вопросу? Подумайте над аргументами «за» и «против».

Подводим итоги

Последовательность операций, связанных с добычей ядерного топлива из руды, изготовлением ТВЭЛов, использованием ТВЭЛов на атомных электростанциях и дальнейшей переработкой радиоактивных отходов, называют ядерным циклом.

Сейчас в Украине работают четыре атомные электростанции общей мощностью 13 580 МВт. На АЭС приходится около половины электроэнергии, производимой в стране. Если АЭС работают «нормально» (отработанные ТВЭЛы надежно хранятся в хранилищах, не происходит сбоев в работе реактора, предприняты все меры, предусмотренные нормативными документами), то они почти не оказывают радиационного воздействия на окружающую среду.

26 апреля 1986 г. произошла Чернобыльская катастрофа — взрыв на 4-м энергоблоке Чернобыльской АЭС. Взрыв вызвал крупнейшее в мире радиационное заражение местности, в частности больших территорий в Украине, Беларуси и России. Последствия этого заражения ощутимы до сих пор. Подобная по масштабам катастрофа случилась в 2011 г. на атомной электростанции «Фукусима-1» (Япония).

Контрольные вопросы

1. Перечислите преимущества и недостатки использования ядерного топлива.

2. Какова последовательность операций ядерного цикла? 3. Назовите атомные электростанции Украины. Какова их общая мощность? 4. Что вы знаете о Чернобыльской трагедии?

Упражнение № 27

1. На Хмельницкой АЭС установлены реакторы типа ВВЭР-440 (электрическая мощность — 440 МВт), тепловая мощность которых равна 1375 МВт. Определите КПД реакторов этого типа.

2. На двух блоках Ровенской АЭС установлены реакторы типа ВВЭР-440 (электрическая мощность — 440 МВт), а еще на двух блоках — реакторы типа ВВЭР-1000 (электрическая мощность — 1000 МВт). Сколько энергии (в квт · ч) может выработать Ровенская АЭС за сутки, работая на полную мощность?

3. Сколько энергии за сутки вырабатывает Запорожская АЭС, если один из ее блоков находится на плановом ремонте, а остальные работают на полную мощность? Тепловая мощность каждого реактора на АЭС равна 3000 МВт, КПД — 33,3 %.

4. Сколько килограммов Урана-235 ежесуточно сжигают реакторы ЮжноУкраинской АЭС, если тепловая мощность каждого реактора равна 3000 МВт? При делении одного ядра Урана-235 выделяется 3,2 · 1011 Дж энергии, которая полностью передается теплоносителю (воде).

5. Воспользуйтесь дополнительными источниками информации и узнайте о перспективах развития атомной энергетики Украины.

ПОДВОДИМ ИТОГИ РАЗДЕЛА IV

«физика атома и атомного ядра. физические основы

атомной энергетики»

1. Изучая раздел IV, вы вспомнили строение атома и атомного ядра, узнали о ядерных силах.

атом

2. Вы узнали, как было открыто явление радиоактивности, выяснили природу радиоактивного излучения.

РАДИОАКТИВНОСТЬ

способность ядер радионуклидов самопроизвольно превращаться в ядра других элементов с излучением микрочастиц

3. Вы ознакомились с физическими величинами, характеризующими радиоактивное излучение, радионуклиды и радиоактивные образцы.

4. Вы выяснили, что вследствие поглощения нейтрона тяжелым ядром может произойти самопроизвольное деление ядра, сопровождающееся выделением энергии, и что реакция синтеза легких ядер тоже сопровождается выделением энергии.

ЗАДАНИЯ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ К РАЗДЕЛУ IV «физика атома и атомного ядра. физические основы атомной энергетики»

Задания 1-8, 10 содержат только один правильный ответ.

1. (1 балл) В ядре атома Бериллия 4 протона и 5 нейтронов. Сколько электронов в атоме Бериллия?

а) 1 электрон; в) 5 электронов;

б) 4 электрона; г) 9 электронов.

2. (1 балл) В ядре химического элемента 33 протона и 43 нейтрона. Что это за элемент?

а) Технеций; б) Арсен; в) Уран; г) Аурум.

3. (1 балл) В результате опытов с α-частицами Э. Резерфорд:

а) предложил нейтронно-протонную модель атомного ядра;

б) объяснил явление радиоактивности;

в) объяснил механизм цепной ядерной реакции;

г) предложил ядерную модель строения атома.

4. (1 балл) При α-распаде ядра атома некоторого элемента образуется ядро атома элемента, который в Периодической системе химических элементов Д. И. Менделеева расположен от исходного элемента:

а) на две клетки влево; в) на одну клетку вправо;

б) на две клетки вправо; г) на одну клетку влево.

5. (2 балла) Заряд ядра атома некоторого химического элемента составляет 3,2 · 10 19 Кл. Какой это элемент?

а) Калий; б) Гелий; в) Литий; г) Германий.

6. (2 балла) Пучок радиоактивного излучения разделяется, проходя между заряженными пластинами (см. рисунок). Каков знак заряда каждой пластины?

а) пластина 1 «+», пластина 2 «-»;

б) пластина 1 «-», пластина 2 «+»;

в) пластина 1 «+», пластина 2 «+»;

г) пластина 1 «-», пластина 2 «-».

7. (2 балла)Какова активность радиоактивного образца, если каждый час в нем распадается 7,2 · 1010 ядер?

Активность образца считайте неизменной. а) 7,2 · 1010 Бк; б) 1,2 · 109 Бк; в) 3,6 · 101 Бк; г) 2 · 107 Бк.

9. (3 балла) Установите соответствие между количеством частиц и нуклидом.

1 70 электронов

2 57 протонов

3 57 нейтронов

4 70 нуклонов

10. (3 балла) Какая из приведенных ядерных реакций является реакцией β-распада?

11. (3 балла) Радон

последовательно испытал два α- и два β-распада. Ядро какого элемента стало результатом этих распадов?

12. (3 балла) В образце содержится 1,6 · 1010 ядер изотопа Бисмута период полураспада которого 20 мин. Сколько ядер Бисмута останется в образце через час?

13. (3 балла) На данный момент времени в радиоактивном образце содержится 2 · 1010 моль радия. Сколько ядер Радия распадется за следующую секунду? Постоянная радиоактивного распада Радия λ = 1,37 · 1011 с1.

14. (4 балла) Средняя доза излучения, поглощаемая человеком, работающим с рентгеновской установкой, равна 7 мкГр за 1 ч. Безопасно ли работать с этой установкой в течение 200 дней в год по 6 ч ежедневно, если предельно допустимая доза облучения равна 50 мГр в год? Известно, что естественный радиационный фон составляет 2 мГр в год.

Определите материнское ядро.

16. (4 балла) Определите, какую массу Урана-235 расходует за сутки атомная электростанция мощностью 2 ГВт, если ее КПД составляет 25 %, а при каждом делении ядра

15. (4 балла) В результате трех α- и двух β-распадов материнского ядра образовалось ядро Полония

выделяется 3,2 · 10 11 Дж энергии.


Сверьте ваши ответы с приведенными в конце учебника. Отметьте задания, которые вы выполнили правильно, и подсчитайте сумму баллов. Затем эту сумму разделите на три. Полученный результат будет соответствовать уровню ваших учебных достижений.

Тренировочные тестовые задания с компьютерной проверкой вы найдете на электронном образовательном ресурсе «Интерактивное обучение».

От экспериментов Резерфорда до лечения заболеваний

Большинство жителей Украины, помня об аварии на Чернобыльской АЭС, с настороженностью относятся к слову «радиация». Закончив изучение раздела IV, вы узнали, что радиационное излучение — это, конечно, опасно. Но если соблюдать правила безопасности, контролировать уровень радиационного фона, своевременно принимать необходимые меры, то опасность можно уменьшить.

А может ли радиация быть полезной для организма? Оказывается, при некоторых заболеваниях, чтобы сохранить пациенту жизнь, медики вынуждены фактически наносить ему вред. Так, самой распространенной формой радиационной терапии является облучение пациента γ-лучами, проникающая способность которых достаточно высока (рис. 1, 2). Но при облучении больного внутреннего органа облучаются и здоровые части тела.

Естественным было стремление физиков решить эту проблему. Первое решение — применение другого типа излучения. Оказалось, что ускоренные до больших скоростей протоны имеют определенные преимущества перед γ-излучением. Известно, что протоны максимально повреждают места вблизи своей остановки, а на других участках траектории уровень повреждений значительно ниже (рис. 3). Изменяя энергию протонов, можно изменять места их остановки так, чтобы эти места приходились на больные клетки. Тогда, как видно из рис. 3, уровень повреждения здоровых тканей будет значительно ниже, чем больных. Причем доза облучения

участка «до пика» в десятки раз ниже, а «после пика» и вовсе равна нулю. К сожалению, высокая стоимость использования ускорителя протонов не позволяет сделать данный метод массовым.

Еще один способ облучения больных тканей — бор-нейтрон-захватывающая терапия (БНЗТ) — был предложен сравнительно недавно. Большое преимущество БНЗТ — в ее точности. Эту терапию можно сравнить с «агентом 007», безошибочно и точно выполняющим свое задание.

Идея БНЗТ заключается в следующем. Ключевым в терапии является ядро атома Бора. Именно оно, как гениальный вратарь, умеет «ловить» нейтроны намного лучше, чем любые другие ядра. Поэтому при облучении тканей нейтронами ядро Бора сумеет «поймать» нейтрон, даже если их будет пролетать очень мало. Ядра же других элементов практически не заметят этого облучения, то есть вред будет сведен к минимуму.

После того как ядро Бора «поймает» нейтрон, оно претерпевает радиоактивные превращения и распадается на ядро Лития и а-частицу (рис. 4), обладающие кинетической энергией, которая способна разрушить только одну клетку. Следовательно, если доставить ядро Бора непосредственно в больную клетку, то после «взрыва» только она и будет разрушена (рис. 5). Доставку ядер Бора осуществляют специальные типы лекарственных препаратов.

Ориентировочные темы проектов

1. Работа бытового дозиметра.

2. Составление радиационной карты региона.

3. Радиологический анализ местных пищевых продуктов.

4. Экологические проблемы атомной энергетики.

5. Расщепление атома: ящик Пандоры или огонь Прометея?

6. Будущее Солнца и других звезд.

Темы рефератов и сообщений

1. Большой адронный коллайдер — путь к изучению строения Вселенной.

2. История атома: от Демокрита до Резерфорда.

3. Кирпичики материи, или Что такое кварки.

4. Научный подвиг Пьера и Марии Кюри (история открытия Радия).

5. Как Э. Резерфорд установил природу α-частиц.

6. История создания ядерного реактора.

7. Первые атомные электростанции.

8. Организация безопасности атомных реакторов.

9. Чернобыль и «Фукусима» — две крупнейшие ядерные катастрофы: что у них общее, в чем отличие.

10. Термоядерный реактор — реактор будущего.

11. Драма идей: история атомной бомбы.

12. История получения искусственных радиоактивных изотопов.

13. Где и как применяют искусственные радиоактивные изотопы

14. Ядерно-физические методы изучения возраста археологичес находок.

15. Что такое радоновые ванны.

16. Естественная радиоактивность: безопасная или опасная.

17. Хронология атомной эры.

18. Атомные электростанции Украины.

19. Мировая атомная энергетика.

РАЗДЕЛ V

ДВИЖЕНИЕ И ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ. ЗАКОНЫ СОХРАНЕНИЯ

Вы можете вычислить пройденный телом путь, если оно движется с неизменной скоростью, а теперь узнаете, как определить путь, если тело замедляет или, наоборот, ускоряет свое движение

Вы наверняка слышали пословицу «Как аукнется, так и откликнется», а теперь узнаете, какой закон Ньютона можно сформулировать именно так

Вы знаете, что при ходьбе отталкиваетесь от поверхности дороги, а теперь узнаете, от чего отталкивается ракета, двигаясь в космическом пространстве

Вы знаете, что скорость движения автомобиля измеряется спидометром, а теперь узнаете, как изготовить устройство для измерения скорости движения стрелы

Вы знаете о законе сохранения энергии, а теперь узнаете о законе сохранения импульса

 

Это материал учебника Физика 9 класс Барьяхтар, Довгий

 






^