Исследовательская работа "Мирный атом в море"
творческая работа учащихся (10 класс)

МУНИЦИПАЛЬНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ШАРАПОВСКАЯ СРЕДНЯЯ ОБЩЕОБРАЗОВАТЕЛЬНАЯ ШКОЛА

Районный конкурс технического творчества «Время, вперед!»

Номинация «Реферативное исследование»

ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКАЯ РАБОТА

Мирный атом в море.

Ядерная судовая энергетическая установка

Выполнила: ученица 9 класса

Каравашкина Надежда

Руководитель: учитель физики

Лаврова Анна Николаевна

Телефон: 8 (831 90) 49 7 11

Село Шарапово, 2015

ОГЛАВЛЕНИЕ

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

Глава 1. Судовые энергетические установки

1.1. Производство и конструкция судовых ядерных реакторов. ……….4

1.2. Принцип работы судового ядерного реактора………….…………...6

Глава 2. Применение атомных энергетических установок

2.1. Экономичность судов с атомными энергетическими установками..9

2.2. Безопасность…………………………………………………………...9

Заключение……………………………………………………………………….12

Литература…………………………………………………………...…………..13

ВВЕДЕНИЕ

В современных условиях социально-экономического развития общества все большую актуальность приобретает  проблема поиска экономичного использования природных ресурсов для получения энергии.

 Ветряная мельница, солнечный двигатель, двигатель, приводимый в движение теплом земли, имели свои ограничения по количеству получаемой энергии. Нужно было придумать какой-то новый способ, который позволил бы нам получать больше энергии. В окружающей среде достаточно тепловой энергии, и лишь малая ее доля оказалась доступной для работы двигателя, если пользоваться известными нам способами. Кроме того, скорость этой доступной энергии была очень низкой. Тогда стало ясно, что необходимо изобрести некоторый новый метод, позволяющий использовать больше тепловой энергии и одновременно увеличить скорость ее перемещения.

Прогресс не стоит на месте, и в  1956 г. в английском местечке Колдер-Холл начал свою работу первый крупный ядерный реактор. Достигаемый технический результат заключался в снижении мощности излучения и возможного загрязнения окружающей среды, сокращении времени извлечения ядерного топлива, сокращении количества необходимых для транспортировки ядерного топлива контейнеров. В настоящее время атомная энергия используется во многих отраслях хозяйственной деятельности человека.

Совсем недавно, среди интернет - источников, я обнаружила сюжет из программы «Новости» об атомоходе «Арктика». В сюжете рассказывается о том, как за три десятилетия ледокол прошёл более миллиона морских миль, первым из судов достиг Северного полюса и совершил ещё несколько уникальных достижений. Это подтолкнуло меня к исследовательской работе по теме: «Ядерная судовая энергетическая установка».

Данная работа посвящена изучению принципов и процессов эксплуатации судовых установок, с целью приобретения профессиональных знаний в данной научной области.

Задачи исследования:

• изучение научной литературы;
• изучение принципов работы, конструирование судовых ядерных реакторов;
• получение сведений об экономичности ядерных судовых установок;
• оценка безопасности использования судовых установок для окружающей среды и экипажа;
• анализ полученных результатов.

ГЛАВА 1. СУДОВЫЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ УСТАНОВКИ

1.1. ПРОИЗВОДСТВО И КОНСТРУКЦИЯ СУДОВЫХ ЯДЕРНЫХ РЕАКТОРОВ

В первую очередь нужно разобраться, что же такое ядерный реактор? С помощью энциклопедических словарей я узнала, что реактор - это установка для получения ядерных цепных реакций, во время которых возникает энергия, преобразуемая далее в механическую. В ядерном реакторе созданы такие условия, что число расщеплений ядра за единицу времени является величиной постоянной, т. е. цепная реакция происходит постоянно.

 Ядерная судовая энергетическая установка – совокупность устройств для получения тепловой, электрической или механической энергии в ходе  управляемой ядерной реакции, осуществляемой в ядерном реакторе.

В зависимости от принципов работы и типов главных двигателей и источников энергии судовые энергетические установки подразделяются на:

• низкооборотный дизель, непосредственно работающий на гребной винт;  
• дизель-редукторная установка;
• паротурбинная установка;
• газовая турбина;
• атомная установка;
• газотурбинная установка с электрической передачей на винт

Рис. 1.1. Судовые энергетические установки

В своей работе я  рассматриваю именно атомные судовые энергетические установки. Все современные судовые АЭУ используют тепло, выделяющееся при делении ядерного горючего для образования пара, или нагрева газа, поступающего затем в паровую или газовую турбины. В качестве ядерного горючего используют различные расщепляющиеся вещества, у которых процесс деления ядер сопровождается выделением большого количества энергии. К таким веществам относятся изотопы урана, плутония и тория. Итак, согласно рис. 1.1 можно разобраться в ходе работы реактора.

Рис. 1.2. Схема ядерного реактора

Наиболее важными элементами судовых реакторов являются:

1 – активная зона;

2 – урановые стержни;

3 – замедлитель;

4 – отражатель;

5 – теплоноситель;

6 – биологическая защита;

7 – тепловой экран;

8 – система регулирования.

Активная зона, где размещены урановые стержни и замедлитель^[1], необходимый для поглощения энергии выделяющихся при распаде ядер частиц нейтронов; отражатель нейтронов, возвращающий в активную зону часть вылетевших за ее пределы нейтронов; теплоноситель для отбора из активной зоны тепла, выделяющегося при делении урана, и передачи этого тепла другому рабочему телу в теплообменнике; экран биологической защиты, препятствующий распространению вредных излучений реактора; система управления и защиты, регулирующая течение реакции в реакторе и прекращающая ее в случае аварийного роста мощности.

1.2. ПРИНЦИП РАБОТЫ СУДОВОГО ЯДЕРНОГО РЕАКТОРА

В зависимости от способа передачи тепловой энергии от реактора исполнительному механизму (турбине) различают:

- одноконтурную,

- двухконтурную,

- трехконтурную схемы АЭУ.

Рис. 1.3. Тепловые схемы ядерных энергетических установок

1) реактор

2) турбина

3) конденсатор  

4) циркуляционный насос

5) парогенератор

6) конденсатный насос

7) система подогрева фильтрации и подпитки

8) питательный насос

9) теплообменник

10) биологическая защита

По одноконтурной схеме, представленной на рис. 1.3 (а), рабочее вещество парообразуется в реакторе откуда поступает непосредственно в турбину и из нее через конденсатор с помощью циркуляционного насоса возвращается в реактор.

По двухконтурной схеме (рис. 1.3, б) циркулирующий в реакторе теплоноситель отдает свое тепло в теплообменнике – парогенераторе – воде, образующей пар, который поступает в турбину. При этом теплоноситель пропускают через реактор и парогенератор циркуляционным насосом или воздуходувкой, а образующийся в конденсаторе турбины конденсат прокачивают конденсатным насосом через систему подогрева, фильтрации и подпитки и питательным насосом снова подают в парогенератор.

Трехконтурная система, изображенная на рис. 1.3 (в), представляет собой двухконтурную схему включенным между первым и вторым контурами дополнительным промежуточным контуром.

Из рисунка 1.4 следует, что установка имеет два контура циркуляции.

Рис. 1.4. Схема атомной энергетической установки с реактором,

охлаждаемым водой под давлением.

1. Реактор;

2. первичная биологическая защита;

3. вторичная биологическая защита;

4. парогенератор;

5. нагревательный змеевик первого контура;

6.циркуляционный насос первого контура;

7. турбина высокого давления;

8. турбина низкого давления;

9. редуктор;

10. конденсатор;

11. насос вторичного контура;

12. вход морской воды;

13. выход морской воды.

   Первый контур – циркуляция воды под высоким давлением. Вода первого контура служит одновременно теплоносителем ядерного реактора и имеет давление приблизительно от 5,8 до 9,8 МПа. Она протекает через реактор и нагревается. При этом давление воды противодействует испарению. Горячая вода первого контура, протекая через нагревательный змеевик, отдает свое тепло парогенератору, затем она снова возвращается к реактору. К парогенератору из второго контура низкого давления подается конденсат. Нагреваемая в парогенераторе вода испаряется. Этот пар с относительно низким давлением служит для питания турбин, которые через редуктор приводятся в движение во время случайных аварий судна или  атомной энергетической установки. 

Рис. 1.5. Атомная энергетическая установка на морском судне

1. машинное отделение;

2. контейнер с реактором;

3. отсек вспомогательных механизмов;  

4.хранилище отработавших ТВЭЛ.

ГЛАВА 2. ПРИМЕНЕНИЕ АТОМНЫХ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ

УСТАНОВОК

2.1. ЭКОНОМИЧНОСТЬ СУДОВ С АТОМНЫМИ

ЭНЕРГЕТИЧЕСКИМИ УСТАНОВКАМИ

Основным преимуществом судов с АЭУ является практически неограниченная дальность плавания, что очень важно для ледоколов, судов арктического плавания. Суточный расход ядерного горючего не превышает нескольких десятков граммов, а тепловыделяющие элементы в реакторе можно менять один раз в два – четыре года. АЭУ на транспортных судах, особенно на тех, которые совершают дальние рейсы с большой скоростью, позволяет значительно повысить грузоподъемность судна за счет практически полного отсутствия запаса топлива (это дает больший выигрыш, чем потери из-за значительной массы АЭУ). Кроме того, АЭУ может работать без доступа воздуха, что очень важно для подводных судов. Однако пока потребляемое АЭУ топливо еще очень дорого.

Надо полагать, что успехи в развитии атомной техники и в создании новых конструкций и материалов позволят постепенно устранить эти недостатки судовых АЭУ.В судовых АЭУ получили распространение реакторы, у которых и замедлителем и теплоносителем является дистиллированная вода, откуда и произошло их название водо-водяные реакторы. Эти реакторы проще по устройству, компактнее, надежнее в работе, чем другие типы, и дешевле.

Опыт эксплуатации первых судов с АЭУ подтвердил их высокие эксплуатационно-технические качества, а постепенное снижение стоимости этих установок и ядерного горючего позволит сделать атомные суда вполне конкурентоспособными с обычными судами. Кроме того, по мере роста скорости морских транспортных судов и связанного с этим значительного увеличения мощности главного двигателя и массы запасов топлива (особенно при большой дальности плавания) эксплуатационно-экономические преимущества судов с АЭУ будут возрастать. Расчеты показывают, что при мощности судовой энергетической установки более 45 000 – 75 000 кВт суда с АЭУ становятся более выгодными, чем суда с обычными СЭУ. Именно поэтому в последнее время в ряде стран разработаны проекты новых крупных транспортных судов (контейнеровозов, танкеров и т. п.) и мощных ледоколов с АЭУ.

2.2. БЕЗОПАСНОСТЬ

Применение АЭУ на судах потребовало решения проблем, не возникающих ранее перед судостроителями. Главной проблемой являлось радиоактивное излучение реакторов и неконтролируемой утечки радиоактивности, которая могла привести к облучению экипажа и радиоактивному заражению окружающей среды. Различные аварии на атомоходах могут иметь опасные последствия. Поэтому Международная конференция по защите человеческой жизни на море уже в 1960 году разработала основные рекомендации по обеспечению безопасности судов с АЭУ.

Правило 53. Расписание по тревогам и инструкции на случай аварии

1. В расписании по тревогам должны содержаться подробное описание общесудового сигнала тревоги, предписанного правилом III/50, а также действия членов экипажа и пассажиров по этому сигналу. В расписании по тревогам должно быть также указано, каким образом будет дана команда об оставлении судна.

2. В расписании по тревогам должны быть указаны обязанности различных членов экипажа, включая:

.1 закрытие водонепроницаемых и противопожарных дверей, клапанов, шпигатов, иллюминаторов, световых люков и других подобных отверстий на судне;

.2 пополнение снабжения в спасательных шлюпках, спасательных плотах и других спасательных средствах;

.3 подготовку и спуск на воду спасательных шлюпок и плотов;

.4 общую подготовку других спасательных средств;

.5 сбор пассажиров;

.6 использование средств связи;

.7 комплектование аварийных партий по борьбе с пожаром;

.8 специальные обязанности, связанные с использование противопожарного оборудования и систем.

3. В расписании по тревогам должны быть указаны лица командного состава, ответственные за обеспечение того, чтобы спасательные и противопожарные средства содержались в хорошем состоянии и готовности к немедленному использованию.

4. В расписании по тревогам должны быть указаны заместители лиц, занятых на наиболее ответственных участках, которые могут оказаться выведенными из строя, учитывая при этом, что различные аварийные ситуации могут потребовать действий различного характера.

5. В расписании по тревогам указываются обязанности членов экипажа по отношению к пассажирам в случае аварии. Эти обязанности должны включать:

.1 предупреждение пассажиров;

.2 наблюдение за тем, чтобы пассажиры были надлежащим образом одеты и чтобы на них были правильно надеты спасательные жилеты;

.3 вывод пассажиров к местам сбора;

.4 обеспечение порядка в коридорах и на трапах, а также общее регулирование движения пассажиров;

.5 обеспечение подачи в спасательные шлюпки и плоты запаса одеял.

6. Расписание по тревогам должно быть составлено до выхода судна в море. Если после составления расписания происходят какие-либо изменения в составе экипажа, требующие внесения в расписание по тревогам изменений, капитан должен либо внести в него исправления, либо составить новое расписание.

7. Форма расписания по тревогам для пассажирских судов должна быть одобренного типа.

 Главная функция защиты заключается в обеспечении защиты экипажа и оборудования от излучения, испускаемого реактором и другими элементами, имеющими контакт с радиоактивными веществами.

Это излучение делится на две категории:

• нейтроны, выделяющиеся при делении ядер,
• гамма-излучение, возникающее в активной зоне и в активированных материалах.

В общем случае на судах имеются две защитные оболочки.

Первая расположена непосредственно вокруг корпуса реактора. Вторичная (биологическая) защита охватывает парогенераторное оборудование, систему очистки и емкости для отходов.

Первичная защита поглощает большую часть нейтронов и гамма-излучение реактора. Это снижает радиоактивность вспомогательного оборудования реактора.

 Первичная защита может представлять собой двухоболочечный герметичный резервуар с пространством между оболочками, заполненным водой, и наружным свинцовым экраном толщиной от 2 до 10 см. Вода поглощает большую часть нейтронов, а гамма-излучение частично поглощается стенками корпуса, водой и свинцом.

Основная функция вторичной защиты - снизить излучение радиоактивного изотопа  азота 16N, который образуется в теплоносителе, прошедшем через реактор. Для вторичной защиты используются емкости с водой, бетон, свинец и полиэтилен.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате проведенных исследований были изучены принципы работы атомного реактора и его роль в развитии современного судостроения. Рассмотрен процесс конструирования атомных энергетических установок, получены сведения об экономичности и безопасности использования ядерных установок для окружающей среды и экипажа. Анализируя полученные сведения можно убедиться в важности современных разработок корабельных атомных энергетических установок.

Изобретение ядерного реактора, а впоследствии ядерной силовой установки способствовало созданию и развитию атомного флота, с помощью которого стало возможным изучение Арктики, передвижение на более большие дистанции без дозаправки при больших скоростях. К тому же топливо, использующееся в ядерных реакторах, имеет относительно низкую стоимость.

В целом, изобретение ядерной силовой установки позволило создать на его основе мощный и экономичный атомный флот, который во всем стал лучше, использовавшихся ранее судов, и занял особую роль в истории мирового судостроения.

Россия же на данный момент обладает самым мощным ледокольным флотом в мире и уникальным опытом конструирования, постройки и эксплуатации таких судов. Задача ледокольного флота - обеспечивать стабильное функционирование Северного морского пути, а также доступ к районам Крайнего Севера и арктическому шельфу.

Необходимо отметить, что наша отечественная наука и техника во многом опередила уровень зарубежных разработок. Это послужило созданию более усовершенствованных корабельных атомных энергетических установок, соответствующих предъявленным им высоким требованиям.

За создание корабельной атомной энергетики многие выдающиеся ученые, конструкторы и производственники были удостоены самых высоких государственных наград, в том числе Ленинских и Государственных премий. В их числе А.П. Александров, Н.А. Доллежаль, Н.С. Хлопкин, Ф.М. Митенков, Б.М. Шолкович, Г.А. Гасанов, М.А. Козак, Л.П. Седаков, В.И. Кирюхин и многие другие. От ВМФ Ленинской премии был удостоен И.Д. Дорофеев, Государственные премии были присуждены Я.Д. Арефьеву, Л.И. Башкирову, В.Г. Бенеманскому, В.Ф. Дерюгину, Х.А. Гуревичу, А.В. Кожевникову, Ю.А. Убранцеву, Е.Т. Янушковскому, В.М. Соловьеву и М.М. Будаеву. 

Выполнив исследовательскую работу, были приобретены умения критически работать с полученной информацией, анализировать и сопоставлять имеющие факты, находить пути решения возникающих проблем. Данные навыки необходимы для успешного продолжения образования.

ЛИТЕРАТУРА

1. Левин В.Е. Ядерная физика и ядерные реакторы. 4-е изд. – М.: Атомиздат, 1979.

2. Шуколюков А.Ю. «Уран. Природный ядерный реактор». «Химия и Жизнь» № 6, 1980 г., с. 20-24.

3. Ядерные энергетические установки – Под Общей Редакцией академика Н.А. Доллежаля; Б.Г. Ганчеев Л.Л. Калишевский Р.С. Демишев Е.Б. Копосов Л.А. Кузнецов Н.Ф. Рекшня С.В. Селиховкин.

4. http://kazakhstan.news-city.info/docs/sistemsp/dok_peytzz/index.htm

5. https://ru.wikipedia.org/. – Википедия – свободная энциклопедия