Ядерный источник энергии.

В самом первом приближении процессы, происходящие в ядерном реакторе, можно описать как непрерывное деление ядер. При этом масса целого ядра до деления больше массы получившихся осколков. Разница составляет примерно 0.1 % массы разделившегося ядра. Разумеется, до полного превращения массы в энергию еще очень далеко, но уже такое, не обнаруживаемое обычными весами, изменение массы топлива в реакторе позволяет получать гигантское количество энергии. Изменение массы топлива за год непрерывной работы в реакторе РБМК-1000 составляет приблизительно 0.3 г, но выделившаяся при этом энергия такая же, как при сжигании 3000000 (три миллиона) тон угля.

Преобразование энергии.

Возможности по преобразованию и использованию энергии являются показателем технического развития человечества. Первым, используемым человеком, преобразователем энергии можно считать парус - использование энергии ветра для перемещения по воде, дальнейшие развитее, это использование ветра и воды в ветряных и водяных мельницах. Изобретение и внедрение паровой машины произвело настоящую революцию в технике. Паровые машины на фабриках и заводах резко увеличили производительность труда. Паровозы и теплоходы сделали перевозки по суше и морю более быстрыми и дешевыми. На начальном этапе паровая машина служила для превращения тепловой энергии в механическую энергию вращающегося колеса, от которого с помощью различного рода передач (валы, шкивы, ремни, цепи), энергия передавалась на машины и механизмы.

Широкое внедрение электрических машин, двигателей превращающих электрическую энергию в механическую и генераторов для производства электроэнергии из механической энергии, ознаменовало собой новый скачёк в развитии техники. Появилась возможность передавать энергию на большие расстояния в виде электроэнергии, родилась целая отрасль промышленности энергетика.

В настоящее время создано большое количество приборов предназначенных, как для преобразования электроэнергии в любой вид энергии необходимый для жизнедеятельности человека: электромоторы, электронагреватели, лампы освещения, так и использующие непосредственно электроэнергию: телевизоры, приемники и т.п.

Преобразование энергии в промышленной энергетике.

Как было сказано выше, производство электроэнергии является отдельной отраслью промышленности. В настоящее время наибольшую долю электроэнергии производят на трех видах электростанций:

• ГЭС (гидроэлектростанция);
• ТЭС (теплоэлектростанция);
• AЭС (атомная электростанция).

Рассмотрим преобразование энергии на атомных электростанциях

АЭС (с одноконтурным реактором).

Тепловой контур.

Основные понятия:

Остановимся подробнее на тепловой энергии, поскольку она играет очень важную роль в процессах происходящих на АЭС.

Тепловая энергия, это энергия хаотического движения молекул или атомов в жидкостях и газах и колебательного движения молекул или атомов в твердом теле. Чем выше скорость этого движения, тем большей тепловой энергией обладает тело.

Все мы сталкиваемся в нашей повседневной жизни с процессами передачи тепловой энергии от одного тела к другому, (горячий чай нагревает стакан, радиатор отопления в квартире нагревает воздух и т.д.). Исходя из определения тепловой энергии, можно дать определение теплообмену.

Процесс передачи энергии в результате обмена хаотическим движением молекул, атомов или микрочастиц называется теплообменом.

Известно, что тепловая энергия или тепло передается от более горячего тела к более холодному, и кажется, вполне логичным принять за меру тепловой энергии температуру, однако это грубейшая ошибка. Температура тела является мерой способности к теплообмену с окружающими телами. Зная температуры двух тел, мы можем сказать только о направлении теплообмена. Тело с большей температурой будет отдавать тепло и остывать, а тело с меньшей температурой принимать тепло и нагреваться, однако количество передаваемой энергии определить, исходя только из температуры, невозможно. Для нагрева на одинаковую температуры различных веществ необходимо различное количество тепловой энергии, каждое вещество обладает своей теплоемкостью.

Способы теплообмена.

Как правило в промышленных энергоустановках процесс преобразования энергии источника в тепловую происходит в одном месте (реактор для АЭС), а процесс преобразования тепловой энергии в механическую и далее в электрическую в другом

Конвективный теплообмен.

Рассмотрим, что происходит в объеме холодной воды, когда горячие камни нагревают ее часть вокруг себя. Из физики известно, что тела нагреваясь - расширяются, другими словам увеличивают свой объем, а поскольку масса остается постоянной, плотность снижается. Как гласит закон Архимеда тело с плотностью большей, чем плотность жидкости погружается, а с меньшей всплывает. Тоже самое можно сказать о нагретой жидкости, обладая меньшей плотностью, она начнет подниматься, перемешиваясь с холодными слоями в верхней части сосуда, которые, в свою очередь, начнут опускаться, через некоторое время температура по всему объему станет одинаковой.

Конвективный теплообмен - перенос теплоты при перемещении и перемешивании более нагретых частиц среды с менее нагретыми.

В примере, приведенном выше, движения было вызвано разностью плотностей горячих и холодных частей жидкости такая конвекция называется естественной или свободной. Если движение вызвано работой насоса или вентилятора, то конвекция называется вынужденной.

Конвективный теплообмен происходит в газах так же, как и в жидкостях.

Во многих современных АЭС отвод теплоты из реактора происходит путем принудительной прокачки воды, газа или жидкого металла через активную зону. Вещество, которое, нагреваясь, забирает теплоту от источника, называется теплоносителем.

Тепловой контур.

Вернемся к вопросу о передаче тепловой энергии в условиях АЭС . Как известно, на работающих станциях процесс преобразования энергии источника в тепловую происходит непрерывно и в случае прекращения теплоотвода произойдет неизбежный перегрев установки. Следовательно, наряду с источником, необходим потребитель тепловой энергии, который будет забирать тепло и либо преобразовывать его в другие формы энергии либо передавать его в другие системы. Передачу тепла от источника к потребителю осуществляется с помощью теплоносителя. На основании выше сказанного можно изобразить простейший тепловой контур, содержащий источник энергии, потребитель энергии, и тракты теплоносителя.

Простейшая схема теплового контура

Рассмотрим работу теплового контура для случая, когда теплоноситель не меняет своего фазового состояния (не испаряется).

Холодный теплоноситель поступает в устройство, являющиеся источником тепловой энергии для контура (реактор АЭС), в нем он нагревается, забирая тепловую энергию. Горячий теплоноситель подается в потребитель тепловой энергии, на выходе из которого, мы вновь имеем холодный теплоноситель.

В некоторых случаях температура теплоносителя на входе в источник и выходе из источника может быть одинакова. Например, в случае если в источнике тепловой энергии происходит кипение теплоносителя, как известно температура кипящей воды остается постоянной. Теплота отводится за счет изменения фазового состояния теплоносителя.