Materiales de recursos industriales
Utilización de la energía nuclear
La energía nuclear, comúnmente conocida como energía atómica, se refiere a la energía liberada cuando los nucleones (neutrones o protones) en el núcleo se redistribuyen y combinan. La energía nuclear se divide en dos grandes categorías. Una se llama energía de fisión nuclear, que se refiere a la energía liberada cuando explotan los núcleos atómicos de elementos pesados (uranio o plutonio, etc.). ) fisión. El otro tipo se llama energía de fusión, que se refiere a la energía liberada por los núcleos de elementos ligeros (deuterio y tritio) en la reacción de fusión.
La energía nuclear tiene un poder tremendo. La energía liberada por la fisión nuclear de 1 kilogramo de uranio es aproximadamente igual a la energía química liberada por la combustión de 2.700 toneladas de carbón estándar. Una central nuclear de 10.000 kilovatios sólo requiere de 25 a 30 toneladas de combustible nuclear de uranio de baja concentración cada año, mientras que una central eléctrica alimentada con carbón de la misma potencia requiere más de 3 millones de toneladas de carbón bruto cada año. El combustible nuclear sólo requiere 10 camiones para ser transportado hasta el lugar, mientras que para transportar más de 3 millones de toneladas de carbón se necesitarían 1.000 trenes. La energía liberada por las reacciones de fusión nuclear es más valiosa. Alguien hizo una vez una vívida metáfora: 1 kilogramo de carbón sólo puede hacer que un tren recorra 8 metros, 1 kilogramo de uranio puede hacer que un tren recorra 40.000 kilómetros y 1 kilogramo de una mezcla de litio, tritio y litio deuterio puede hacer que el tren recorra 8; metros Un tren recorre 400.000 kilómetros desde la tierra hasta la luna. La Tierra contiene cantidades considerables de uranio, torio y otros recursos de fisión nuclear. Si su energía de fisión se utiliza por completo, puede satisfacer las necesidades energéticas humanas durante miles de años. Hay 2 billones de toneladas de deuterio en el vasto océano y su energía de fusión puede equivaler a billones de toneladas de carbón, que pueden satisfacer las necesidades energéticas humanas durante miles de millones de años.
La energía nuclear es la esperanza de la humanidad para resolver finalmente el problema energético. El desarrollo de la tecnología de la energía nuclear tendrá un profundo impacto en la sociedad moderna.
Energía de fisión nuclear
Aunque los logros de la energía nuclear se aplicaron primero con fines militares, el uso pacífico de la energía nuclear se realizó más tarde, y el más importante e importante es a través de la energía nuclear. Las centrales eléctricas generan electricidad.
Las centrales nucleares se han sumado a las filas de la industria de la energía eléctrica, son dispositivos que utilizan la energía nuclear liberada por las reacciones de fisión nuclear para generar electricidad y lograr la conversión entre energía nuclear y energía térmica a través de reactores nucleares. Los tipos de reactores nucleares se dividen en reactores de neutrones térmicos y reactores de neutrones rápidos en función de la energía de los neutrones que provocan la fisión. Debido a que es más probable que los neutrones térmicos causen la fisión del uranio-235, los reactores de neutrones térmicos son más fáciles de controlar, del tipo que opera en grandes cantidades. Este tipo de reactor requiere un moderador, y los neutrones rápidos se desaceleran hasta convertirse en neutrones térmicos mediante colisiones elásticas de sus núcleos con neutrones rápidos. Ya a principios de la década de 1950, los seres humanos comenzaron a desarrollar y utilizar la energía nuclear y nacieron las centrales nucleares. Después de más de 30 años de desarrollo, la energía nuclear ha sido reconocida por el mundo como una fuente de energía económica, segura y fiable.
Al 31 de febrero de 1993, había 422 centrales nucleares en funcionamiento en 34 países o regiones del mundo, con una capacidad instalada total de 356.235 millones de kilovatios; 61 centrales nucleares estaban en construcción; una capacidad instalada total de 55.866 millones de kilovatios. En 1993, la generación total de energía nuclear en el mundo fue de 21.817.679 GWh, lo que representa más del 17% de la generación total de energía mundial. La lista de centrales nucleares en el mundo se muestra en la siguiente tabla.
Número de chimeneas en operación (MW) Número de chimeneas en construcción (MW) Número total de chimeneas Potencia total (MW) a 1993 Generación eléctrica total (GWh)
Argentina 2 1015 1 745 3 1760 86924
Bélgica 7 5756-7 5756 515760
Brasil 165722618327515146.
Bulgaria 6 3760 2000 8 5760-
China 2 1250 1 950 3 2200-
Provincia china de Taiwán 6 565 438+044-6 565 438+ 044 373 600
Alemania 20 22529-20 22529 1762 961
Finlandia 258318
Francia 56 60357 4 6064 60 66421 3395965438
Estados Unidos Reino 29(35)14090 1 1200 30(36)15290 1305690
India 9 2035 5 1175 14 3210 87892
Irán
Japón 48 39641 6 5887 54 45528 2500910
Canadá 22 16713-22 16713 118343
Kazajstán 1 150-1 150-
Corea del Sur 9 7616 5 4600 14 12216 432156.
Cuba
Lituania 23000-23000-
México 1 675 1 675 2 1350 15217.
Países Bajos
Pakistán 1 137-1 137 6992
Rumania
Rusia 29 21242 6 5600 35 26842-
Suecia 12 10386-12 10386 889258
Suiza 5 3141-5 3141 351484
Eslovaquia 4 1760 4 1760 8 3520-
Eslovenia 1 664-1 664 50050
España
Sudáfrica 2 1930-2 1930 85467
Checa 4 1782 2 1962 6 3744-
Ucrania 15 13818 6 6000 21 19818-
Hungría 4 1840
Estados Unidos 109 104809 6 7650 151512459 7938413.
Total 422(428)356235 61 55866 483 421101 21817679.
Fuente: Economía Atómica Alemana, marzo de 1994.
La energía nuclear es una importante dirección de desarrollo de la energía, especialmente en el período en que la estructura energética mundial se está transformando de energía petrolera a energía no petrolera. La energía nuclear, el carbón y la conservación de la energía se consideran la principal esperanza. para solucionar la crisis energética. Por esta razón, todos los países están desarrollando vigorosamente la energía nuclear. Sin embargo, lo que es particularmente preocupante es que, basándose en las reservas probadas de uranio con valor minero económico, si se continúan construyendo centrales nucleares con reactores de neutrones térmicos al ritmo actual, se utilizará menos del 1% al 2% de los recursos de uranio. Dentro de 50 años se agotará el uranio económicamente explotable. Si para entonces no podemos salir de la etapa primaria de utilización de la energía de fisión nuclear, la humanidad podría enfrentarse a una nueva crisis energética.
Ante los nuevos desafíos energéticos, los científicos nucleares llevan mucho tiempo buscando armas para hacerles frente. Se trata de la central nuclear de reactor reproductor rápido (fast reactor) que se ha desarrollado durante más de 40 años. Con ello, equivale a aumentar entre 50 y 60 veces la tasa de utilización de los recursos de uranio, de modo que aparecerán nuevos milagros en el suministro de energía. En los próximos mil años, los humanos podrán depender completamente de reactores rápidos para generar electricidad, asegurando así que haya suficiente energía disponible.
La característica más importante de los reactores rápidos es que dependen directamente de los neutrones de vuelo rápido producidos por la fisión nuclear para mantener la reacción en cadena de la fisión nuclear. Utiliza plutonio-239 como combustible y no hay moderador en el "horno", sólo refrigerante (sodio o helio). En un reactor rápido, cada vez que se "quema" un átomo de plutonio-239, el uranio-238 puede absorber neutrones y producir 1,4 átomos de plutonio-239, por lo que ocurre un milagro mítico en el reactor rápido: cuanto más se "quema" el combustible nuclear, cuantos más. Este es el llamado proceso de proliferación del combustible nuclear.
Una vez que se ponga en marcha el reactor rápido, el uranio-238 seguirá absorbiendo neutrones y se convertirá en plutonio-239.
Después de un período de tiempo (por ejemplo, de 15 a 20 años), la gente puede extraer suficiente combustible de plutonio de las "cenizas" del combustible nuclear "quemado" para equipar un nuevo reactor con la misma potencia que el suyo. Mientras tanto, la central de reactor rápido sólo necesitará seguir añadiendo uranio que no puede utilizarse como combustible en el reactor térmico. La gente piensa que los reactores rápidos son "plantas de producción de combustible nuclear" que pueden generar electricidad.
Los reactores rápidos son en realidad los miembros más antiguos de la familia de las centrales nucleares. Ya en agosto de 1951, Estados Unidos construyó el primer reactor rápido experimental del mundo y realizó con éxito pruebas de generación de energía. Aunque su potencia en ese momento era de sólo 200 kilovatios. Pero es la primera central nuclear de reactor rápido del mundo.
En los últimos 30 años, algunos países industrializados (como Estados Unidos, Reino Unido, Francia, la antigua Unión Soviética, Japón y Alemania) han invertido una gran cantidad de mano de obra y recursos materiales, gastando miles de millones de dólares para desarrollar reactores rápidos. Actualmente hay 21 reactores rápidos en el mundo. De ellos, 13 están en operación, 4 en construcción y 7 en planificación. El prototipo de reactor rápido ha estado funcionando con éxito durante más de diez años y ha demostrado que es técnicamente viable y que es posible enriquecer combustible nuclear (la proporción de reproducción del reactor rápido Phoenix es de 1:15). Actualmente, Francia opera un reactor rápido de verificación comercial a gran escala con una potencia eléctrica de 654,38+0,2 millones de kilovatios. La tecnología de reactores rápidos ha salido del laboratorio y se dirige hacia aplicaciones industriales.
En general, se cree que los reactores rápidos son el destino final de los reactores de generación de energía, especialmente cuando la fusión nuclear controlable será difícil de popularizar en la industria durante mucho tiempo. Sin embargo, cabe señalar que la tecnología de los reactores rápidos aún no está madura. La razón importante es que la tecnología de los reactores rápidos en sí es mucho más compleja que los reactores térmicos y todavía quedan muchos problemas técnicos clave que deben superarse. Además, el coste de construcción de los reactores rápidos es mucho mayor que el de los reactores térmicos. El coste de los reactores rápidos es ahora de 2 a 3 veces más caro que el de los reactores térmicos del mismo tamaño. Se estima que cuando la potencia de un solo reactor rápido supera los 2 millones de kilovatios, puede ser económicamente equivalente a un reactor térmico. Se prevé que a principios del próximo siglo la gente podrá construir reactores rápidos de gran escala y, para entonces, se promoverán y utilizarán en todo el mundo centrales eléctricas de reactores rápidos. Francia, que ha logrado los avances más rápidos en el desarrollo de reactores rápidos, planea promover la industria de centrales eléctricas de reactores rápidos a partir de principios del próximo siglo. Por lo tanto, la demanda de uranio natural disminuirá gradualmente, reduciendo así la presión causada por la energía importada. Los reactores rápidos seguramente se convertirán en un puente para la transición de las centrales nucleares con reactores térmicos a las centrales de fusión nuclear.
Energía de fusión nuclear
La esperanza de la humanidad de resolver finalmente sus necesidades energéticas se basa en la realización y popularización de la fusión nuclear controlable. La energía de fusión nuclear es la enorme energía liberada por la polimerización de núcleos ligeros (como el deuterio-deuterio o el deuterio-tritio) en núcleos más pesados (como el helio) a temperaturas extremadamente altas (decenas o cientos de millones de grados). El principal combustible para la fusión nuclear es el deuterio, que se extrae fácilmente del agua de mar. Se estima que si se "quema" completamente el deuterio contenido en cada litro de agua de mar, se puede producir la energía equivalente a 300 litros de gasolina. El agua de mar contiene al menos 3,5 billones de toneladas de deuterio, que el mundo podrá disfrutar durante más de 10 mil millones de años. Lo que es más valioso es que casi no hay contaminación radiactiva en la reacción de fusión nuclear. Sólo una pequeña cantidad de deuterio se fusiona en cualquier momento en el reactor de fusión nuclear, por lo que no hay peligro de pérdida de control. La energía de fusión es verdaderamente una fuente de energía limpia ideal. Sin embargo, es muy difícil hacer que la fusión nuclear sirva a la humanidad bajo control humano. Para controlar la energía de fusión nuclear, los científicos han estado interesados en la investigación de la fusión nuclear controlable desde principios de los años cincuenta.
Más de 40 países de todo el mundo han estado realizando investigaciones sobre la fusión nuclear controlable. Han invertido una gran cantidad de mano de obra y recursos materiales, han construido cientos de dispositivos experimentales y cuentan con más de 12.000 investigadores científicos dedicados a la investigación. Actualmente, el gasto anual mundial en investigación sobre fusión nuclear supera los 2.000 millones de dólares.
Después de décadas de arduo trabajo, ¿por qué la fusión nuclear controlable avanza tan lentamente? Principalmente porque las condiciones para lograr una fusión nuclear controlable son muy exigentes. En primer lugar, no podemos crear simultáneamente una alta densidad de plasma y una temperatura extremadamente alta en el centro del sol, por lo que tenemos que buscar una temperatura más alta que el centro del sol para resolver el problema. La investigación teórica muestra que la temperatura de ignición por fusión del deuterio alcanza los 400 millones de grados Celsius, y la reacción termonuclear del gas mixto deuterio y tritio sólo puede tener lugar a 50 millones de grados Celsius. Crear un entorno así es técnicamente difícil. Con el desarrollo y la utilización de nuevas tecnologías, la gente está intentando utilizar corriente eléctrica y láser para calentar gases. En segundo lugar, es necesario mantener temperaturas tan altas durante un período de tiempo. Cuanto menor es la temperatura del plasma, menor es la cantidad y la densidad, y más tiempo se mantiene la temperatura ultraalta. Además, el plasma de temperatura ultraalta tiene las características de una fuerte expansión hacia afuera y debe estar restringido por un fuerte campo magnético. No se debe permitir que entre en contacto con las paredes del contenedor circundante, de lo contrario, ninguna materia puede soportar una temperatura tan alta. y se evapora instantáneamente, convirtiéndose en Nada.
Para resolver estas dificultades, se requiere el rápido desarrollo de nuevas tecnologías como la tecnología láser, la tecnología superconductora y la tecnología de nuevos materiales.
El avance de la ciencia y la tecnología ha traído buenas noticias a la investigación sobre la fusión nuclear controlable. Después de una larga carrera de relevos, la investigación sobre la fusión nuclear controlable ha llegado a un momento crítico. 1982. El 24 de febrero de 1982, Estados Unidos construyó un reactor experimental de fusión nuclear (TFTR) "Tokamak" de tres pisos. Se necesitaron siete años desde el diseño hasta su finalización y costó más de 300 millones de dólares. El propósito del diseño de este reactor es lograr una energía de salida igual a la energía de entrada, demostrando así la posibilidad de una fusión nuclear controlada.
La fusión nuclear controlable se ha estudiado en China durante muchos años y se han logrado algunos avances. Hay casi diez dispositivos de prueba de fusión nuclear controlados a pequeña escala en el tokamak de China, el más grande de los cuales es el "Circulador de China No. 1", que fue construido en septiembre de 1984 y comenzó con éxito. Después de más de un año de depuración, pasó la aceptación nacional entre junio de 1985 y 16 de octubre, proporcionando un medio eficaz para la investigación de la energía de fusión nuclear y el desarrollo de la tecnología del plasma en China.
Ahora, Estados Unidos, Gran Bretaña, Rusia y otros países están cooperando para construir un reactor de fusión nuclear internacional, que utilizará los resultados de la investigación sobre fusión nuclear en todo el mundo durante los últimos 30 años. Su potencia térmica de salida de diseño es de 620.000 kilovatios, el radio de la cámara de vacío es de 520 cm y el radio del anillo de confinamiento magnético de plasma es de 1,30 cm, que es dos veces más grande que el reactor experimental de fusión nuclear recién construido en los Estados Unidos. Los científicos de todo el mundo esperan que este reactor de fusión nuclear logre un salto cualitativo en la investigación de la fusión nuclear controlable. Lo más importante es que se requiere que la energía obtenida en la reacción de fusión supere la energía de entrada, lo que demuestra que es técnica e ingenieríamente factible lograr una generación controlada de energía de fusión nuclear.
Por supuesto, si los humanos realmente quieren utilizar energía de fusión barata, todavía necesitan pasar por una ardua lucha y resistir la prueba del tiempo. Se espera que se pueda construir un reactor de demostración para 2020, y luego se pueda poner gradualmente en uso comercial después de la verificación tecnológica y económica de ingeniería. En resumen, el amanecer del desarrollo y utilización de la energía de fusión nuclear, que desempeña un papel importante en la revolución energética, está por llegar.