Введение. Курс называется " Физическая теория реакторов"

Курс называется " Физическая теория реакторов". Ядерный реактор - это установка для производства энергии. Что значит произвести энергию? Это значит создать запас потенциальной энергии взаимодействия в таком виде, который был бы удобен для превращения этого запаса в кинетическую энергию работающих машин и кинетическую энергию движения атомов и молекул, иначе говоря – в тепло. Какой запас энергии взаимодействия имеют окружающие нас тела, и каковы способы его высвобождения, превращения в кинетическую энергию?

(1) Любое количество вещества массой m связано с энергией покоя E = mc ². Полное превращение этой энергии в кинетическую энергию излучения возможно только путем аннигиляции вещества и антивещества. Но антивещество мы не научились производить в необходимых количествах.

(2) За счет сил гравитации при образовании нейтронной звезды в энергию излучения переходит до 10% массы звезды. Это превращение люди тоже не умеют использовать.

(3) Поступательная энергия ядерного взаимодействия (энергия связи двух нуклонов) составляет 1% от полной энергии E = mc ².

(4) Потенциальная энергия химического взаимодействия двух атомов, имеющая электромагнитное происхождение, составляет 10^-6 % от E.

Последние два вида потенциальной энергии человечество научилось использовать и превращать в кинетическую энергию машин и в тепло. В настоящее время 16% производимой энергии в мире вырабатывается ядерной энергетикой, а 80% вырабатывается на обычных тепловых электростанциях, использующих сжигание органического топлива. С физической точки зрения преимущество ядерного способа получения энергии очевидно. Энергоотдача 1 г. вещества в миллион раз больше. Ядерная энергия может быть высвобождена при синтезе лёгких ядер или при делении тяжёлых. Дело в том, что ядра средней массы наиболее плотно упакованы, в них энергия связи на 1 нуклон достигает максимального значения. Синтез лёгких ядер, разделение тяжёлых приводит к образованию наиболее плотно упакованных ядер средней массы. Технически освоен только способ, связанный с делением тяжёлых ядер.

Перспективы развития ядерной энергетики

Потребление энергии во всем мире в 1975 г. составило почти 0,3 Q (Q = 10²¹Дж). За всю историю существования человечества израсходовано 10 Q, причем 4 Q за последнее столетие. С учетом роста народонаселения предполагается, что потребление энергии в мире в середине XXI стабилизируется (около 8¸10 Q в год).

Какими же ресурсами располагает Земля?

Возобновляемый источник энергии	Ежегодное поступление энергии, Q (Q =1021 Дж.)
Солнце
Температурный градиент морей
Гидроэнергия	0.2
Фотосинтез	0.1
Геотермический	0.02
Приливы	0.002
Ветер	0.0002
Не возобновляемый источник энергии	Запас энергии (с учетом стоимости добычи), Q (1021 Дж.)
Химическое топливо
Уголь
Нефть
Газ
Ядерное топливо (не дороже 250 $/кг.)
Уран (с учетом размножения)	5*106
Торий	6*106
Дейтерий	109
Литий (тритий)	13*106

Как следует из таблицы, солнце выдает на Землю достаточное количество энергии, однако ее рассеянность не позволяет эффективно ее использовать. Ресурсы гидроэнергии ограничены по количеству и в пространстве.

Запасы химического топлива, как источника энергии последних столетий, ограничены. Кроме того, сжигание топлива требует большого количества кислорода, а продукты сжигания химического топлива в виде золы, сажи и токсичных веществ к настоящему времени приближаются к вулканической деятельности на Земле, которая оценивается 1¸2 млрд. тонн/год. Сами по себе такие выбросы уже влияют на климат (например, "Шатл" за время одного полета рассеивает в атмосфере в виде аэрозоли 300 тонн Al₂O₃; решение комиссии конгресса: не более 20 вылетов в год). Наиболее распространенный источник энергии в настоящее время сжигание органического топлива. Но его запасы 150 Q. Его хватит на 300 лет. Очевидно, нужны другие источники энергии. Таким источником может служить уран, на котором возможно осуществление цепной незатухающей ядерной реакции. Его запасы составляют 1500 Q, что в 10 раз превышает запасы органического топлива.

Уран интересен также своей огромной теплотворной способностью, которая в 10000000 раз больше теплотворной способностью угля. С потока энергии в 10¹⁵ раз больше чем при взрыве тротила. Еще более значительными являются запасы лития, необходимые для проведения термоядерных реакций 15000 Q.

Ядерную энергию можно высвобождать при делении тяжелых изотопов урана, тория, плутония под воздействием нейтронов и при слиянии (синтезе) легких D (дейтерия), Т (трития).

Сравнение источников энергии по запасам и степени возможной локализации потоков энергии по стоимости преобразования в электрическую энергию показывает неоспоримые преимущества ядерного топлива. В результате время удвоения мощностей АЭС в течение последних десятилетий держатся на уровне 5 - 7 лет. Такие невиданные для других отраслей темпы развития ядерной энергетики связаны со следующими преимуществами АЭС:

· независимость от источников сырья, благодаря компактности ядерного горючего. Отпадает необходимость подвоза огромных количеств топлива. Вместо состава вагонов с углем, потребляемым за сутки ТЭС, необходим 1 кг U²³⁵ для блока на 10³ МВт.

· меньшее загрязнение окружающей среды. В номинальном режиме выбросы радиоактивности практически невозможно измерить, ввиду того, что фоновое излучение увеличивается при этом не более чем на 5%. Отсутствие химического загрязнения, свойственного ТЭС.

· стоимость одного киловатт - часа электроэнергии стала дешевле, чем на ТЭС на 20¸30%. запасы урана, при правильном их использовании могут обеспечить человечество электроэнергией на несколько тысячелетий.

· уран достаточно рассеян, и его производство можно наладить почти в каждой стране (уран можно добывать, например, из морской воды). Благодаря этому, ликвидируются некоторые причины возможных военных конфликтов между странами.

Однако авария на Чернобыльской АЭС по-новому осветила проблемы перспективы развития ядерной энергетики. Масштабы аварии оказались огромными. Работы по локализации аварии потребовали затрат на сумму 10 млрд. рублей при стоимости взорвавшегося 4-го энергоблока 2 млрд. рублей. Рассеяно 10000000 кюри активности, из-за этого пришлось переселить сотни тысяч человек, тысячи квадратных километров земель выведены из пользования, ожидается порядка 150000 дополнительных смертей, обусловленных облучением населения. Затраты на восстановление оцениваются в сотни миллиардов рублей.

Главный вывод по результатам этого события - необходимость поставить вопросы безопасности АЭС на совершенно новый уровень, качественно отличающийся от уровня безопасности другой техники. Изменяется идеология подхода к вопросам безопасности. Ядерные реакторы теперь конструируют так, чтобы сами конструкции приводили к локализации последствий отказов различных узлов и единиц оборудования, чтобы локализация не требовала вмешательства обслуживающего персонала. Это так называемая внутренняя безопасность. Конструкции АЭС, системы управления реактором стараются делать так, чтобы аварии стали невозможными даже в случае преступных намерений у операторов. Только после решения проблем безопасности в этом новом ключе развитие атомной энергетики должно пойти на значительное расширение ее доли в общем энергетическом балансе. Такое расширение неизбежно, так как альтернатив ядерной энергетики в настоящее время нет.

Об истории создания ядерных реакторов

Теория ядерных реакторов является наукой, которая достигла полного расцвета практически мгновенно. Всего четыре года разделяют дату открытия деления ядер урана под действием нейтронов и дату запуска первого реактора. В декабре 1942 года физики Чикагского университета, возглавляемые Э.Ферми, построили первый в мире ядерный реактор мощностью 200 Вт. А в 1943 г. работали уже действительно мощные реакторы в Хэнфорде. Созданию ядерных реакторов предшествовала огромная работа физиков по изучению ядра. В течение десятилетия физики штурмовали атомное ядро без особых надежд, практического применения своих исследований. Эта работа лучшая демонстрация поразительной рентабельности затрат на развитие науки.

История развития теории и техники ядерных реакторов тесно связана с историей создания атомной бомбы. В ядерном реакторе можно получать горючее для этой бомбы. Работы в этой области велись сначала в США в обстановке строжайшей секретности и с максимально возможными темпами. Президент Рузвельт выделял все необходимые средства. Стояла задача сделать атомную бомбу быстрее Германии и спасти мир от фашизма. В 1945 году необходимое количество плутония 239 было получено. Ввиду очень напряженного темпа работ физики определяли критическую массу путем сближения вручную двух кусков Pu²³⁹. Это была игра со смертью. В том же темпе вынуждены были работать и советские физики под руководством И.В. Курчатова. В 1949 году была готова первая атомная бомба в СССР. Для сооружения первой установки потребовалось менее 24 часов. Чтобы построить реактор в наше время требуется 24 месяца и годы предварительных разработок. Только в 1955 году были рассекречены основные работы по теории ядерных реакторов. Большой вклад в теорию внесли советские физики под руководством Марчука Г. И., они разработали методику машинного расчёта ядерных реакторов.

Глава 1 Основные понятия теории реакторов

В 1938 году была открыта реакция деления урана с выделением энергии. Но практически применение этой энергии стало возможным лишь путем осуществления цепной ядерной реакции в широких масштабах.

Ядерным реактором называется установка, в которой в большом масштабе осуществляется реакция деления ядер под воздействием нейтронов. В результате этой реакции выделяется энергия.

Теория ядерных реакторов распадается на две части:

1. Теория ядерных процессов, которые происходят в реакторе. Эта теория связана с расчетом сечения ядерных реакций, иначе говоря, с расчетом вероятности взаимодействия нейтронов с ядрами среды реактора. Эта теория широко использует квантовую механику.

2. Теория распространения и размножения нейтронов в среде. Эта теория носит классический характер и может быть изложена без ссылок на существо ядерных реакций.

Необходимо знать только сечения взаимодействия, которые определяются экспериментально и содержатся в справочниках. Движение нейтрона от ядра к ядру можно представить классическим, а что происходит при взаимодействии нейтрона и ядра пока не важно, надо только знать вероятности различных временных реакций нейтрона с ядром и вероятности приобрести после столкновения некоторую скорость V.