1. Conocimientos básicos de la energía nuclear
Toda la materia del mundo está compuesta de átomos, y los átomos están compuestos por el núcleo y los electrones que lo rodean.
La fusión de núcleos atómicos ligeros y la división de núcleos atómicos pesados pueden liberar energía, que se denomina energía de fusión nuclear y energía de fisión nuclear respectivamente, o energía nuclear para abreviar. La energía nuclear mencionada aquí se refiere a la energía de fisión nuclear.
Como hemos comentado anteriormente, el combustible de las centrales nucleares es el uranio. El uranio es un elemento de metal pesado. El uranio natural está compuesto de tres isótopos: Contenido de uranio-235 0,71 Contenido de uranio-238 99,28 Contenido de uranio-234 0,0058 (el uranio-235 es el único nucleido propenso a la fisión en la naturaleza).
Cuando un neutrón bombardea el núcleo de uranio-235, el núcleo puede dividirse en dos núcleos más ligeros, produciendo de 2 a 3 neutrones y rayos al mismo tiempo, y liberando energía. Si el neutrón recién generado choca contra otro núcleo de uranio-235, puede provocar una nueva fisión.
En una reacción en cadena se libera energía continuamente. ¿Cuánta energía se libera durante la fisión del uranio-235? Recuerde un número, es decir, la energía liberada por la fisión completa de 1 kilogramo de uranio-235 equivale a la energía liberada por la combustión de 2.700 toneladas de carbón estándar.
El reactor es el diseño clave de la central nuclear, donde tiene lugar la reacción de fisión en cadena. Existen muchos tipos de reactores, y el más utilizado en las centrales nucleares es el reactor de agua a presión.
Un reactor de agua a presión debe disponer primero de combustible nuclear. El combustible nuclear se fabrica cargando bolitas de dióxido de uranio sinterizado del tamaño de un dedo meñique en tubos de aleación de circonio y ensamblando más de 300 tubos de aleación de circonio llenos de bolitas para formar un conjunto combustible.
En la mayoría de los componentes hay un haz de barras de control que controlan la fuerza de la reacción en cadena y el inicio y el final de la reacción. El reactor de agua a presión utiliza agua como refrigerante para fluir a través del conjunto combustible impulsado por la bomba principal. Después de absorber la energía térmica generada por la fisión nuclear, sale del reactor y ingresa al generador de vapor, donde transfiere calor al agua. en el lado secundario, convirtiéndolos en El vapor se envía para generar electricidad y se reduce la temperatura del propio refrigerante principal.
El refrigerante principal del generador de vapor es devuelto al reactor por la bomba principal para su calentamiento. Este canal de circulación de refrigerante se denomina circuito primario y el regulador de voltaje mantiene y regula la alta presión del circuito primario.
Las centrales térmicas utilizan carbón y petróleo para generar electricidad, las centrales hidroeléctricas utilizan agua para generar electricidad y las centrales nucleares son nuevas centrales que utilizan la energía contenida en el núcleo para generar electricidad. Se puede dividir aproximadamente en dos partes: una parte usa energía nuclear. La isla nuclear que produce vapor incluye la unidad del reactor y el sistema de circuito primario, la otra parte es la isla convencional que usa vapor para generar electricidad, incluido el sistema de turbina generadora. El combustible utilizado en las centrales nucleares es el uranio.
El uranio es un metal muy pesado. El combustible nuclear hecho de uranio se fisión en un dispositivo llamado "reactor" para producir una gran cantidad de energía térmica. Luego se utiliza agua a alta presión para extraer la energía térmica y generar vapor en el generador de vapor. El vapor impulsa la turbina. con El generador gira juntos y la electricidad se genera continuamente y se envía a todas las direcciones a través de la red eléctrica.
Así funciona la central nuclear con reactor de agua a presión más común. En los países desarrollados, la energía nuclear tiene una historia de desarrollo desde hace décadas y se ha convertido en una fuente de energía madura.
La industria nuclear de China tiene una historia de más de 40 años de desarrollo. Ha establecido un sistema de ciclo de combustible nuclear bastante completo, desde el estudio geológico y la minería hasta el procesamiento y posprocesamiento de componentes. reactores nucleares y cuenta con muchos años de experiencia en gestión y operación de seguridad, contamos con un equipo profesional y altamente calificado. La construcción y operación de centrales nucleares es una tecnología compleja.
China ha sido capaz de diseñar, construir y operar sus propias centrales nucleares. La central nuclear de Qinshan fue investigada, diseñada y construida por la propia China.
Japón tiene 55 centrales nucleares, con un ratio de potencia nuclear de 30. Planea aumentar el ratio de energía nuclear a 41 para 2030. India tiene 20.
Rusia tiene 31 centrales nucleares, y 16 países de la Unión Europea tienen centrales nucleares, con un total de 158 centrales nucleares. Francia tiene 59, el Reino Unido tiene más de 30 y Estados Unidos tiene la mayor cantidad, con 104.
En términos de ratio de generación de energía, actualmente hay más de 400 centrales nucleares en el mundo, y la generación de energía anual representa el 17% de la generación de energía total del mundo. Entre ellas, la capacidad instalada de energía nuclear de Francia. Representa el 78% de la capacidad instalada total, y la capacidad instalada de energía nuclear de Japón representa el 78% de la capacidad instalada total. De los 36, la capacidad instalada de energía nuclear de Estados Unidos representa 20 de la capacidad instalada total, la nuclear de Corea del Sur. La capacidad instalada de energía representa el 42 del total de la capacidad instalada, mientras que en China continental sólo representa el 1,6. China ha superado a Estados Unidos para convertirse en el mayor emisor de carbono del mundo.
Según el valor original, el mundo construiría 1.000 centrales nucleares y el 40% del mundo dependería de la energía nuclear. 2.500 centrales nucleares pueden cubrir el consumo eléctrico mundial actual. Sin embargo, debido al movimiento de personas antinucleares, la capacidad de generación de energía es sólo del 16%. Si China construye más de 100 centrales nucleares, puede llegar al 4% si China tiene más de 600 centrales nucleares. , no habrá problemas energéticos.
Hansen, excientífico de la NASA, participó en un estudio como coautor. El estudio estima que el uso de la energía nuclear probablemente evitó al menos 1,84 millones de muertes por los efectos nocivos de la quema de combustibles fósiles en todo el mundo entre 1971 y 2009.
Dijeron: "No hay sistema energético sin deficiencias. Esperamos que a la hora de formular políticas para el sistema energético se puedan basar en hechos, sin emociones ni prejuicios, porque estos no aplican la tecnología de la energía nuclear en el Siglo XXI. ”
El desarrollo de la energía nuclear es crucial para la atención médica, la protección del medio ambiente, el ejército, los portaaviones, la energía de los robots, los satélites de propulsión nuclear, los aviones aeroespaciales de propulsión nuclear y los suministros de energía de las estaciones aeroespaciales. A medida que las baterías nucleares maduren en la industria aeroespacial, la aviación, los robots de aguas profundas y otros campos, las baterías nucleares y las células solares seguramente se utilizarán en los automóviles, que son los principales consumidores de energía.
La tecnología de transmisión de fotones se está convirtiendo en una realidad en varios países poderosos. La gente fantasea con usar láseres para construir un puente arcoíris entre la Tierra y la Luna para extraer los minerales y la energía de la Luna. La Agencia Internacional de Energía afirma que si la proporción de energía nuclear disminuye significativamente en las próximas décadas, lograr el objetivo de controlar las concentraciones de gases de efecto invernadero a 450 ppm requerirá el despliegue estratégico de tecnologías emergentes bajas en carbono, que aún deben probarse.
Los actuales principales países con energía nuclear también se dan cuenta de que sin la participación de la energía nuclear, es extremadamente difícil y costoso alcanzar los objetivos de reducción de emisiones. Con base en los mismos objetivos, nuestro suministro de energía a corto plazo debe centrarse en la energía nuclear existente y la energía geotérmica con energía estabilizada.
Hace unos 100 años, los científicos descubrieron que ciertas sustancias pueden emitir tres tipos de rayos: rayos alfa (alfa), rayos beta (beta) y rayos gamma (gamma). Investigaciones posteriores demostraron que: los rayos α son un flujo de partículas α (núcleos de helio), los rayos β son un flujo de partículas β (electrones) y los rayos γ (gamma) son un flujo de fotones.
Las características comunes de estos rayos son: 1.
2. ¿Cuáles son las medidas de seguridad para las centrales nucleares?
Cuando el combustible nuclear "quema", se producirá una gran cantidad de material radiactivo.
Para evitar que se escapen materiales radiactivos, en la construcción de una central nuclear se suelen colocar cuatro barreras: pastillas de combustible, envolturas de combustible selladas, recipientes a presión resistentes y sistemas de circuito cerrado, así como una barrera de presión. contención. También existen múltiples protecciones en el control de las centrales nucleares, por ejemplo, cuando ocurre una situación que puede poner en peligro el equipo y la seguridad personal, el reactor se puede apagar normalmente, cuando el reactor no se apaga normalmente, las barras de control pueden apagarse automáticamente. caer en el reactor para implementar un apagado de emergencia automático. Si no se inserta la varilla de control, la solución de ácido bórico de alta concentración se rociará automáticamente en el reactor para lograr un apagado de emergencia automático.
La seguridad es siempre la primera consideración en el diseño de plantas de energía nuclear. Los diseñadores considerarán posibles desastres naturales locales como terremotos, tsunamis, tormentas tropicales e inundaciones, incluso si ocurre un desastre natural más grave. el reactor también debería poder apagarse de forma segura y la posibilidad de explosión es muy baja. Por tanto, la seguridad de las centrales nucleares suele estar garantizada.
3. Conocimiento de las centrales nucleares
La central nuclear es un sistema y equipo que convierte la energía nuclear liberada por la fisión nuclear en energía eléctrica. Se suele denominar central nuclear o central nuclear. una central de energía atómica.
La energía liberada durante el proceso de fisión del combustible nuclear es extraída por el refrigerante que circula en el reactor y transmitida a la caldera para generar vapor para accionar la turbina y accionar el generador para generar electricidad. Una central nuclear es una central eléctrica de alta energía y bajo consumo de materiales.
Tomando como ejemplo una central eléctrica con una capacidad de generación de energía de 1 millón de kilovatios, si quema carbón, consumirá entre 7.000 y 8.000 toneladas de carbón cada día, y consumirá más de 2 millones. toneladas al año. Si en su lugar se utiliza una central nuclear, consumirá sólo 1,5 toneladas de uranio o plutonio por fisión al año y podrá funcionar a plena potencia durante un año con un solo repostaje.
Los problemas de transporte y almacenamiento de combustible en las centrales eléctricas se pueden reducir considerablemente. Además, durante la combustión de combustible nuclear en el reactor también se puede producir nuevo combustible nuclear.
Las centrales nucleares requieren una alta inversión en infraestructura, pero tienen menores costos de combustible y menores costos de generación de energía, y pueden reducir la contaminación. A finales de 1986 se habían construido 397 centrales nucleares en 28 países y regiones del mundo.
Según estadísticas de la Agencia Internacional de Energía Atómica, se estima que a principios del siglo XXI, 58 países y regiones habrán construido centrales nucleares. El número total de centrales alcanzará las 1.000. la capacidad instalada alcanzará los 800 millones de kilovatios y la generación de energía nuclear representará la generación total de 35. Se puede ver que la energía nuclear se convertirá en la principal fuente de energía de la industria energética durante un largo período de tiempo en el futuro.
Energía nuclear (1) Propósitos didácticos 1. Comprensión con sentido común de la energía nuclear y las dos formas de liberarla: fisión y fusión. 2. Proporcionar educación esclarecedora sobre métodos de investigación en física.
3. Presentar los logros de los científicos de nuestro país y llevar a cabo educación sobre el patriotismo. (2) Material didáctico Gráficos murales de la fisión nuclear del uranio, la reacción en cadena y las nubes en forma de hongo producidas después de la explosión de las bombas atómicas y de hidrógeno, materiales de vídeo y equipos de reproducción de la primera explosión de prueba de la bomba atómica y de la bomba de hidrógeno en mi país.
(3) Proceso de enseñanza 1. Introducción de nuevas lecciones Maestro: En el estudio de los fenómenos radiactivos naturales, los científicos han descubierto que los núcleos atómicos extremadamente pequeños tienen estructuras internas y los núcleos atómicos también pueden cambiar. Para estudiar la estructura interna del núcleo atómico, los físicos intentaron "bombardear" el núcleo atómico con partículas, inicialmente con partículas alfa y luego con protones y neutrones, y descubrieron que todas ellas podían provocar cambios en el núcleo atómico: nuclear. reacciones, y se descubrió que se pueden liberar grandes cantidades de energía durante ciertas reacciones nucleares.
La enorme energía liberada debido a los cambios en los núcleos atómicos se llama energía nuclear. 2. Realice una nueva lección y escriba en la pizarra: "Sección 3 Energía Nuclear" (1) ¿Qué es la energía nuclear? Escribiendo en la pizarra: “La enorme energía liberada debido al cambio de los núcleos atómicos se llama energía nuclear, también llamada energía atómica.
〉 (2) Dos formas de liberar energía nuclear Profesor: Después de mucha investigación experimental y análisis teórico por parte de científicos, se descubrió que hay dos formas de liberar energía nuclear: la fisión de núcleos pesados y la fusión. de núcleos ligeros. ① La fisión de los núcleos pesados la explica el profesor basándose en la imagen 14-6 del libro de texto o en el gráfico mural: Los científicos han descubierto que al bombardear con neutrones uranio con un número másico de 235, el núcleo de uranio se divide en dos partes. de tamaño similar. Este fenómeno se llama fisión.
Los productos de fisión salen volando en dirección opuesta a una velocidad muy alta, chocando con las moléculas de los objetos circundantes, aumentando la energía cinética de las moléculas y convirtiendo la energía nuclear en energía interna de los objetos circundantes. . Los experimentos han demostrado que la energía nuclear liberada durante la fisión es muy grande. Si todos los núcleos de uranio en 1 kilogramo de uranio-235 se fisionan, la energía nuclear liberada es equivalente a la energía liberada cuando se queman por completo 2.500 toneladas de carbón estándar. es la energía liberada cuando la misma masa de carbón se alimenta 2,5*106 veces.
Como se puede ver en la imagen, el uranio-235 solo puede fisionarse y liberar energía nuclear cuando es bombardeado por neutrones. Por lo tanto, necesita proporcionar neutrones continuamente desde el exterior para mantener la fisión continua del uranio. núcleo? Los científicos han descubierto mediante experimentos que (señalando el gráfico mural de la reacción en cadena para explicarlo), después de ser bombardeado por neutrones, el núcleo de uranio-235 se divide en dos nuevas partículas de aproximadamente el mismo tamaño y también libera de 2 a 3 nuevas partículas. , estos 2 ~ 3 neutrones bombardean otros núcleos de uranio-235, lo que provoca la fisión de 2 ~ 3 nuevos núcleos de uranio, y cada uno libera 2 ~ 3 neutrones. Estos neutrones bombardean más núcleos axiales para producir fisión... A medida que la fisión ocurre en un núcleo axial. , provoca que cada vez más núcleos de uranio se fisionen. De esta manera, la fisión continúa por sí sola, fenómeno llamado reacción en cadena.
Si no se controla la reacción en cadena de fisión, un gran número de núcleos de uranio se fisionarán en muy poco tiempo, y se liberará una enorme cantidad de energía nuclear en muy poco tiempo, provocando una violenta explosión. . de explosión. La bomba atómica se fabricó basándose en este principio.
(Señalando el gráfico mural de la nube en forma de hongo que se eleva después de la explosión de la bomba atómica) Esta es la nube de humo en forma de hongo que se eleva cuando el gas de alta temperatura y alta presión generado por la enorme energía nuclear Liberado durante la explosión de la bomba atómica y se extiende hacia afuera. La altura de su ascenso puede ser de hasta varios cientos de metros, su poder destructivo y su letalidad son muy grandes. Pero si podemos controlar la velocidad de las reacciones de fisión y liberar energía nuclear de manera lenta y constante, podremos reemplazar los combustibles fósiles y utilizarlos pacíficamente.
Un dispositivo que puede liberar lenta y suavemente la fisión nuclear producida por la fisión se llama reactor nuclear. Se han producido con éxito reactores nucleares de diversas especificaciones, que son componentes centrales de submarinos nucleares, rompehielos de propulsión nuclear, centrales nucleares y otras instalaciones.
② El profesor explica la fusión de núcleos ligeros basándose en la imagen 14-9 del libro de texto (el profesor puede hacer este dibujo en la pizarra mientras enseña): Los científicos también descubrieron en el estudio de las reacciones nucleares que dos núcleos más ligeros La energía nuclear también puede liberarse cuando los núcleos atómicos se combinan para formar un núcleo más pesado, un fenómeno llamado fusión. Debido a que la fusión debe ocurrir a temperaturas y presiones extremadamente altas, también se le llama reacción termonuclear.
Por ejemplo, cuando un deuterón (un núcleo de hidrógeno con un número másico de 2) y un núcleo de tritio (un núcleo de hidrógeno con un número másico de 3) se combinan en un núcleo de helio en una atmósfera de alta temperatura. En un ambiente de alta presión, liberará energía nuclear. Las bombas de hidrógeno se fabrican siguiendo este principio.
La bomba de hidrógeno es mucho más poderosa que la bomba atómica (Señalando el gráfico mural de la nube en forma de hongo que se eleva después de que explotó la bomba de hidrógeno). Esta es la nube en forma de hongo que se eleva después de que explotó la bomba de hidrógeno. Es decenas de veces más poderosa que la bomba atómica. El Sol que conocemos experimenta constantemente en su interior reacciones de fusión nuclear a gran escala. La enorme energía nuclear liberada irradia desde el Sol en forma de ondas electromagnéticas. Los seres humanos en la Tierra disfrutan cada día de esta fusión. de la energía nuclear.
Los físicos chinos también han logrado importantes logros en la investigación de la física nuclear. Ya en la década de 1940, mientras estudiaban y trabajaban en Francia, los físicos Qian Sanqiang y He Zehui, junto con dos estudiantes de posgrado franceses, descubrieron por primera vez los fenómenos de tres y cuatro fisiones de la fisión nuclear del uranio.
A partir de 1960 después de la liberación, Wang Gan.
4. Se pueden intercambiar conocimientos sobre centrales nucleares (online, etc.).
R: Un reactor nuclear es un dispositivo que libera una gran cantidad de energía nuclear en muy poco tiempo. momento en el que se fisionan los núcleos atómicos.
----Incorrecto. En la actualidad, la reacción nuclear en los reactores nucleares es una reacción de fisión controlada, mientras que la fusión nuclear controlada se encuentra todavía en fase experimental.
B: La fusión nuclear controlada se produce en el reactor de una central nuclear. ----Equivocado.
Se trata de "fisión nuclear controlada". C: Una central nuclear es un dispositivo que convierte la energía nuclear en energía interna y luego en energía eléctrica a través de un generador de turbina.
----Correcto. D: Se libera una enorme energía cuando se producen cambios dentro del núcleo. La fisión nuclear y la fusión nuclear son dos formas de obtener energía nuclear.
----Error básico. "Cuando se producen cambios dentro del núcleo (dos núcleos ligeros se fusionan en un núcleo pesado o un núcleo pesado se fisiona en dos núcleos ligeros) se libera una enorme energía".
Sin embargo, actualmente no existen reactores de fusión controlados.