Проект по физике на тему: "Ядерная энергетика" 10 класс

Содержание

Введение…………………………………………………………………………. 3

Глава 1: теоретическая часть

1. Ядерная энергетика………….……..….……………………..................... 4

2. Начало пути ядерной энергии…………………………………………… 5

3. Основные элементы ядерного реактора……………………………….. 6

1.4 Принцип работы…………………………………………………………... 7

1. Виды ядерного реактора.,………………………………………………... 9

2. Влияние АЭС на природу и жизнь людей. Плюсы и минусы………. 10

3. Количество АЭС в мире и в России……………………………….......... 12

1.8 Идея………………………………………………………………………... 13

1.9 Ожидания моего проекта……………………………………………...... 14

Глава 2: практическая часть

2.1 Описание создания проекта…………………………………………….. 15

2.2 Этапы и календарный план…………………………………………….. 16

2.3 Продукт…………………………………………………………………… 17

Заключение……………………………………………………………….......... 18

Литература…………………………………………………………………….. 19

Приложения…………………………………………………………………… 20

Введение

Актуальность: сейчас многие люди пытаются решить проблемы экологии. В мире ядерная энергетика постоянно прогрессирует и находятся разные источники энергии. Из-за этого радиоактивных отходов стало больше, что не идёт на пользу планете. Но просто отказаться от источника энергии мы не можем!

Цель: найти источник энергии превосходящий нынешние.

Гипотеза: существует такой источник энергии, который будет намного экологичнее действующих атомных электростанций и будет производит количество энергии, не уступающее количеству выпускаемой энергии от атомных электростанций.

Объект: ядерная энергетика.

Предмет: новый источник энергии.

Проблема: в настоящее время не существует безвредных способов добычи большего количества энергии. А самые доступные атомные электростанции выбрасывают в окружающую среду много вредных веществ и оставляют радиоактивные отходы.

Задачи:

1. Поиск информации по заданной теме.

2. Основные проблемы атомных электростанций.

3. Изменение источника энергии.

4. Изучение принципа выделения энергии у солнца.

5. Получение и выделение энергии на основе жизнедеятельности звезды.

Глава I. Теоретическая часть

1.1 Ядерная энергетика

Ядерная энергетика (атомная энергетика) — отрасль энергетики, занимающаяся производством электрической и тепловой энергии путём преобразования ядерной энергии.

Обычно для получения ядерной энергии используют цепную ядерную реакцию деления ядер плутония-239 или урана-235. Ядра делятся при попадании в них нейтрона, при этом получаются новые нейтроны и осколки деления. Нейтроны деления и осколки деления обладают большой кинетической энергией. В результате столкновений осколков с другими атомами эта кинетическая энергия быстро преобразуется в тепло.

Ядерная энергия производится в атомных электрических станциях, используется на атомных ледоколах, атомных подводных лодках; Россия осуществляет программу создания и испытания ядерного ракетного двигателя, США прекратили программу по созданию ядерного двигателя для космических кораблей, кроме того, предпринимались попытки создать ядерный двигатель для самолётов и «атомных» танков.

Одним из главных инструментов добычи энергии в данной отрасли является ядерный реактор. Ядерный реактор — это устройство, в котором происходит постоянная контролируемая ядерная реакция с целью получения электроэнергии.

Другими словами, это устройство, внутри которого происходит превращение одного вещества (ядерное топливо) в другое (пар) с выделением огромной тепловой энергии. 

1.2 Начало пути ядерной энергии

Идея ядерной энергии возникла в 1930-х годах, когда физик Энрико Ферми впервые доказал, что нейтроны могут расщеплять атомы. Ферми возглавил команду, которая в 1942 году осуществила первую ядерную цепную реакцию на стадионе в Чикагском университете. В 1951 году произведено первое электричество из атомной энергии на экспериментальном реакторе-размножителе №1 (EBR-I) в Айдахо. В 1954 году, в СССР в г. Обнинске начала работать первая в мире атомная электростанция, а первая коммерческая АЭС открыта в 1957 году в Шиппингпорте (штат Пенсильвания, США).

Атомная энергетика стремительно вошла в жизнь человечества. Первая АЭС (СССР, г. Обнинск) имела мощность 5 МВт. В 1956 г. в мире работали две АЭС (СССР и Великобритания). В 1964 г. суммарная мощность АЭС составила уже 5000 МВт, то есть выросла за 10 лет в 1000 раз. К 1975 г. 19 стран мира имели АЭС суммарной мощностью 78 000 МВт. На 1982 г. 24 страны эксплуатируют АЭС суммарной мощностью 180 000 МВт, то есть за 7 лет мощность возросла почти в 2,5 раза. На 2011 г. 32 страны имели АЭС суммарной мощностью 370 000 МВт, то есть очередное удвоение мощности произошло почти за 30 лет [4].

Успех атомной энергетики в разных странах был омрачён авариями на АЭС (Уиндскейл, Три-Майл-Айленд, Чернобыль, Фукусима), ужасные последствия которых приостановили развитие мировой ядерной энергетики.

1.3 Основные элементы ядерного реактора

Строение реакторов, независимо от их типа, одинаковое:

1. Активная зона, в которой находятся ядерное топливо и замедлитель быстрых нейтронов. В этой зоне происходит управляемая реакция деления ядер. В качестве замедлителя может использоваться обычная вода, "тяжёлая" вода, жидкий графит и др. 

2. Отражатель нейтронов вокруг активной зоны. 

3. Теплоноситель, который выводит энергию, образующуюся при делении ядер в активной зоне. Теплоносителем может выступать вода, жидкий натрий и др. 

4. Система управления ядерной реакцией. Представляет собой стержни, содержащие кадмий и бор. Для регулирования скорости реакции их при необходимости вводят в активную зону для поглощения лишних нейтронов. 

5. Защитная система, которую делают из бетона с железным наполнителем. Она надежно удерживает нейтроны и радиационное излучение. 

6. Система дистанционного управления.

1.4 Принцип работы

У любого ядерного реактора есть несколько частей: активная зона с топливом и замедлителем, отражатель нейтронов, теплоноситель, система управления и защиты. В качестве топлива в реакторах чаще всего используются изотопы урана (235, 238, 233), плутония (239) и тория (232).  Активная зона представляет собой котел, через который протекает обычная вода (теплоноситель). Среди других теплоносителей реже используется «тяжелая вода» и жидкий графит. Если говорить про работу АЭС, то ядерный реактор используется для получения тепла. Само электричество вырабатывается тем же методом, что и на других типах электростанций - пар вращает турбину, а энергия движения преобразуется в электрическую энергию.

Приведем схему работы ядерного реактора приложении 1.

Как мы уже говорили, при распаде тяжелого ядра урана образуются более легкие элементы и несколько нейтронов. Образовавшиеся нейтроны сталкиваются с другими ядрами, также вызывая их деление. При этом количество нейтронов растет лавинообразно (цепная реакция приложение 2).

Здесь нужно упомянуть коэффициент размножения нейтронов. Так, если этот коэффициент превышает значение, равное единице, происходит ядерный взрыв. Если значение меньше единицы, нейтронов слишком мало и реакция угасает. А вот если поддерживать значение коэффициента равным единице, реакция будет протекать долго и стабильно.

Вопрос в том, как это сделать? В реакторе топливо находится в так называемых тепловыделяющих элементах (ТВЭЛах). Это стержни, в которых в виде небольших таблеток находится ядерное топливо. ТВЭЛы соединены в кассеты шестигранной формы, которых в реакторе могут быть сотни. Кассеты с ТВЭЛами располагаются вертикально, при этом каждый ТВЭЛ имеет систему, позволяющую регулировать глубину его погружения в активную зону. Помимо самих кассет среди них располагаются управляющие стержни и стержни аварийной защиты. Стержни изготовлены из материала, хорошо поглощающего нейтроны. Так, управляющие стержни могут быть опущены на различную глубину в активной зоне, тем самым регулируя коэффициент размножения нейтронов. Аварийные стержни призваны заглушить реактор в случае чрезвычайной ситуации.

1.5 Виды ядерного реактора

В настоящее время в мире существует пять типов ядерных реакторов. Это реактор ВВЭР (Водо-Водяной Энергетический реактор), РБМК (Реактор Большой Мощности Канальный), реактор на тяжелой воде, реактор с шаровой засыпкой и газовым контуром, реактор на быстрых нейтронах. У каждого типа реактора есть особенности конструкции, отличающие его от других, хотя, безусловно, отдельные элементы конструкции могут заимствоваться из других типов. ВВЭР строились в основном на территории бывшего СССР и в Восточной Европе, реакторов типа РБМК много в России, странах Западной Европы и Юго-Восточной Азии, реакторы на тяжелой воде в основном строились в Америке.

ВВЭР. Реакторы ВВЭР являются самым распространенным типом реакторов в России. Весьма привлекательны дешевизна используемого в них теплоносителя-замедлителя и относительная безопасность в эксплуатации, несмотря на необходимость использования в этих реакторах обогащенного урана. Из самого названия реактора ВВЭР следует, что у него и замедлителем, и теплоносителем является обычная легкая вода. В качестве топлива используется обогащенный до 4.5% уран. Принципиальная схема реактора ВВЭР представлена в приложении 4

1.6 Влияние АЭС на природу и жизнь людей. Плюсы и минусы

Положительные стороны:

• Первый, и самый важный — это объемы получения энергии. Благодаря такой технологии, возможно получать огромные электрические мощности, способные обеспечивать все сферы деятельности государства;

• Низкие выбросы в атмосферу, в сравнении с источниками на изчерпаемых ресурсах;

• Положительное влияние на экономику;

• Длительный срок эксплуатации;

• Возведение и передача такой технологии может быть выгодным политическим капиталом.

Негативные стороны:

• Возведение таких объектов требует серьёзного изменения территории, очень строгие требования к формированию и обустройству санитарных зон, изменение рельефа местности (включая вырубку лесов, осушение болот и т.д. и, как следствие, загрязняющие выбросы в процессе возведения);

• Вред или даже принудительное выселение местных зверей и птиц;

• Тепловое загрязнение в процесс работы;

• Ядерные отходы - их транспортировка и захоронение требует огромных усилий, технологий и средств;

• Ядерное излучение;

• Риск техногенных катастроф;

• Большое использование водных ресурсов.

Однако, хотим отметить, что эксплуатация АЭС с момента самой крупной катастрофы (Чернобыльская АЭС), кардинально изменилась. Произошла тщательная “работа над ошибками”, все объекты своевременно модернизируются, разрабатываются способы по снижению радиоактивного влияния и способах переработки отходов.

Таким образом, энергия “мирного атома” — это очень мощная технология, и полезная для всей цивилизации. Негативное воздействие не столь велико, как его малюют разного рода экоактивисты. Его потенциал огромен. Как нам кажется, развитие этой сферы со временем поможет разработать стопроцентную защиту от аварий, и со временем отказаться от изчерпаемых источников энергии.

1.7 Количество АЭС в мире и в России

В настоящее время тридцать одна страна мира получает энергию с помощью 192-х атомных электростанций. На этих станциях эксплуатируется 438 энергоблоков. В России десять действующих АЭС, на которых функционируют 33 энергоблока. 

Список лидеров возглавляют США, последующие места занимают Франция и Япония. По количеству вырабатываемой электроэнергии на атомных станциях Россия занимает 8-ое место, а Украина – 10-ое. Таким образом, на сегодняшний день в мире на атомных электростанциях вырабатывается суммарно 391 878 мегаватт, в частности

Диаграмма представлена в приложении 3

• в США на АЭС вырабатывается 102 709 МВт электроэнергии;

• в Франции на АЭС вырабатывается 65 880 МВт электроэнергии;

• в Японии на АЭС вырабатывается 46 292 МВт электроэнергии;

• в России на АЭС вырабатывается 25 242 МВт электроэнергии;

• в Южной Корее на АЭС вырабатывается 21 442 МВт электроэнергии;

• в Китае на АЭС вырабатывается 16 703 МВт электроэнергии;

• в Канаде на АЭС вырабатывается 14 398 МВт электроэнергии;

• в Украине на АЭС вырабатывается 13 835 МВт электроэнергии;

1.8 Идея проекта

При термоядерном синтезе два атома водорода сжимаются вместе, в результате чего образуется один атом гелия, свободные нейтроны и большое количество энергии. Этот процесс создает всю энергию, выделяемую Солнцем, включая тепло, видимый свет и ультрафиолетовые лучи, которые в конечном итоге достигают Земли. Водород — не единственный элемент, который можно синтезировать таким способом, но более тяжелые элементы требуют большего давления и тепла, поэтому водород будет являться отличным решением при термоядерном синтезе.

Как именно происходит термоядерный синтез? Вкратце термоядерный синтез — это процесс, в ходе которого два легких атомных ядра объединяются в одно более тяжелое ядро с высвобождением огромного количества энергии. Термоядерные реакции происходят в материи, находящейся в состоянии плазмы — горячего заряженного газа, состоящего из положительных ионов и свободно движущихся электронов и обладающего уникальными свойствами, отличными от твердых тел, жидкостей и газов.

При слиянии на Солнце ядра сталкиваются друг с другом при очень высокой температуре, превышающей десять миллионов градусов Цельсия, что необходимо для преодоления взаимного электрического отталкивания. Как только ядра преодолевают это отталкивание и оказываются на очень близком расстоянии друг от друга, ядерная сила притяжения между ними перевешивает электрическое отталкивание и позволяет им слиться. Чтобы это произошло, ядра должны находиться в замкнутом пространстве, что увеличивает вероятность их столкновения. На Солнце условия для термоядерного синтеза создаются в результате колоссального давления, создаваемого его огромной гравитацией. На Земле такой результат можно получить вследствие разгона водорода до больших значений скорости.

1.9 Ожидания моего проекта

Участниками проекта будут являться учёные, рабочие и общество, которое борется за улучшение экологии мира.

Мой проект направлен на улучшение экологии, улучшение качества жизни людей, которые страдают от атомных электростанций находящиеся рядом с ними.

От своего проекта я ожидаю положительных результатов. Проект должен заменить пагубно влияющие атомные электростанции на чистый и не ухудшающий экологию источник энергии. Мою идею сможет потреблять обычный человек при этом экология нашей планеты не будет загрязнённой. Я верю, что мой проект сможет заменить все атомные электростанции, загрязняющие атмосферу своими выбросами и почву, в которой хранят ядерные отходы.

Глава II. Практическая часть

2.1 Описание создания проекта

Я узнал на экскурсии по комбинату, что комбинат ПАО ММК получает энергию от тепловой электростанции, которая для этого сжигает уголь. С помощью ТЭЦ ММК получает 300 МВт/час, которая работает около 5000 часов в год. В следствие чего в атмосферу выбрасываются несколько тысяч тонн сажи, золы, серы, диоксиды серы, оксида азота и газообразных продуктов неполного сгорания.

Исходя из вышеперечисленного я решил, что чтобы улучшить экологию в городе и увеличить количество получаемой энергии стоит перейти на другой тип электростанции. Именно поэтому я задумался над созданием своего источника энергии.

По моей идее новый источник энергии будет вырабатывать 1000 МВт/час и работать около 8000 часов в год. При этом будет выделяться избыток гелия, который в последствие пойдёт как топливо для дальнейшей обработки металла.

К сожалению, мой источник нельзя просто так проверить, мне это не под силу из-за этого выясняется риск того, что мой источник энергии не сможет работать так, как я его представляю. Мой источник энергии – это лишь гипотеза, которую смогут доказать либо опровергнуть только учёные или большие компании, если, конечно, они заинтересуются.

2.2 Этапы создания проекта

1. Я решил попробовать создать энергию на основе синтеза водорода (биосинтез на солнце) и загорелся этой идеей.

2. Начал со сбора официальной информации от специалистов в области ядерной энергетики.

3. Собрал всю информацию воедино и сформировал из этого основу проекта.

4. Просчитал все риски для экологии и составил список.

5. Предположил сколько будет выделяться энергии и его время работы.

6. Скорректировал все данные и собрал их в один проект.

7. Выдвинул гипотезу:” существует такой источник энергии, который будет намного экологичнее действующих атомных электростанций и будет производит количество энергии, не уступающее количеству выпускаемой энергии от атомных электростанций.”

Календарный план

2.3 Продукт

Продуктом моего проекта является новый источник энергии, который не будет загрязнять атмосферу в виде токсичных отходов и всяких выбросов плохих веществ в атмосферу. Этот источник будет более безопасным, а также он выделяет огромное количество энергии, в следствии чего человечество не будет беспокоиться о нехватке энергии.

Принцип работы моего продукта — это сталкивание двух атом водорода друг с другом. При сталкивании на огромной скорости два атома водорода будут преодолевать взаимное отталкивание и смогут слиться в одно более тяжелое ядро. Когда два атома сольются образуется более тяжёлый атом гелия и большое количество энергии. Эта энергия пойдёт на переработку из внутренней в электрическую, а атомы гелия будут накапливаться в хранилище да бы потом пойти на производство чего-нибудь.

Мой получившийся продукт сможет доказать гипотезу, выдвинутую мной, и будет использован на термоядерных электростанциях по всему миру. Люди будут пользоваться энергией полученной моим источником энергии.

Проект готов и его ждёт многое от первого запуска до запуска во всём мире. Начнётся всё с показа моего проекта. Я думаю, этим проектом многие заинтересуются и попробуют его реализовать, а когда мир увидит, как он работает то мир поверит в него и это будет не зря. Мой проект будет эксплуатироваться всем миром.

Заключение

Мы выяснили что ядерная энергетика — это отрасль энергетики, занимающаяся производством электрической и тепловой энергии путём преобразования ядерной энергии.

Принцип работы заключается в цепную ядерную реакцию деления ядер плутония-239 или урана-235 в следствии чего образуется энергия которая перерабатывается в электрическую энергию.

В настоящее время тридцать одна страна мира получает энергию с помощью 192-х атомных электростанций. На этих станциях эксплуатируется 438 энергоблоков.

Атомные электростанции дают нам много энергии и их так просто не заменить так как они очень удобные, но, к сожалению, от атомных электростанций идёт серьёзный вред экологии. Самые основные проблемы это: загрязнение почвы ядерными отходами и загрязнением атмосферы.

Целью моей работы стало найти источник энергии превосходящий нынешние и я выдвинул гипотезу. Исходя из моей работы добился цели и доказал свою гипотезу о существовании такого источника энергии, который более экологичный и не уступающий по вырабатыванию количества энергии. Синтез водорода – это новый источник энергии.

При больших скоростях сталкиваются два атома водорода, преодолевают ядерные силы и взаимооталкивание с выделением огромного количества энергии, ядра сливаются и образуется атом гелия с высвобождением энергии.

Найденный источник энергии не будет вредить экологии нашей планеты и плюсом будет производить гелий, который пойдёт на производство чего-нибудь.

Данный проект имеет четкие перспективы развития: он может стать привлекательным стартапом для промышленных компаний и металлургических предприятий. И в будущем, возможно, моим проектом может заинтересоваться какая-либо организация.

Литература

https://wika.tutoronline.ru/fizika/class/11/ponyatie-yadernoj-energetiki-i-eyo-osobennosti

https://solncesvet.ru/opublikovannyie-materialyi/atomnaya-energiya-istoriya-i-perspektivy.11166466788/

https://zaochnik.ru/blog/kak-rabotaet-yadernyj-reaktor/

https://student-servis.ru/spravochnik/ustrojstvo-razlichnyh-tipov-yadernyh-reaktorov/#:~:text=%D0%92%20%D0%BD%D0%B0%D1%81%D1%82%D0%BE%D1%8F%D1%89%D0%B5%D0%B5%20%D0%B2%D1%80%D0%B5%D0%BC%D1%8F%20%D0%B2%20%D0%BC%D0%B8%D1%80%D0%B5,%D0%BC%D0%BE%D0%B3%D1%83%D1%82%20%D0%B7%D0%B0%D0%B8%D0%BC%D1%81%D1%82%D0%B2%D0%BE%D0%B2%D0%B0%D1%82%D1%8C%D1%81%D1%8F%20%D0%B8%D0%B7%20%D0%B4%D1%80%D1%83%D0%B3%D0%B8%D1%85%20%D1%82%D0%B8%D0%BF%D0%BE%D0%B2

https://tass.ru/spec/aserussia_atom

https://aem-group.ru/mediacenter/informatoriy/atom.html

https://energobelarus.by/articles/traditsionnaya_energetika/vozdeystvie_aes_na_okruzhayushchuyu_sredu/

https://trends.rbc.ru/trends/green/5e8f620e9a7947520f5bfd0d

https://aem-group.ru/mediacenter/informatoriy/kak-atomnyie-stanczii-vliyayut-na-okruzhayushhuyu-sredu.html

https://habr.com/ru/companies/leader-id/articles/520580/

https://magazine.neftegaz.ru/articles/oborudovanie/747864-atomnye-reaktory-istoriya-i-napravleniya-razvitiya/?clear_cache=Y

https://begemot.ai/projects/26767-istocniki-energii-zvezd

https://sfiz.ru/uchebnik/uch_atom/uch_yadernenerg/226-yadernaya-energiya-istochnik-energii-zvezd

https://naked-science.ru/article/nakedscience/kak-ustroeny-atomnye

https://habr.com/ru/articles/568546/

Приложения

Приложение 1

Схема ядерного реактора на АЭС

Приложение 2

Цепная реакция

Приложение 3

Приложение 4

Расчет бюджета проекта