Эволюция авиационных материалов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого

Институт компьютерных наук и технологий

РАСЧЕТНО-ГРАФИЧЕСКАЯ РАБОТА

Эволюция авиационных материалов

по дисциплине «Технологии современных материалов»

Выполнил

студент гр.3002705/90001 Борончук Т.И

Руководитель

доцент, к.т.н.Итс Т.А.

Санкт-Петербург

2020



ЗАДАНИЕ

НА ВЫПолнение курсового проекта

(курсовой работы)

студенту группы: 3002705/90001Борончук Татьяна Игоревна

1. Тема проекта (работы):Эволюция авиационных материалов

2. Срок сдачи студентом законченного проекта (работы)24.01.2020

3. Исходные данные к проекту: интернет-ресурсы по темам «История авиации», «Свойства композитных материалов», печатные раздаточные материалы. производственная мощность планирование контроллинг

4. Содержание пояснительной записки: введение, основная часть, сравнительная таблица, заключение, список использованных источников.

Примерный объём пояснительной записки страницы машинописного текста.

5. Перечень графического материала (с указанием обязательных чертежей и плакатов): отсутствует

6. КонсультантыИтс Татьяна Александровна

7. Дата получения задания: «25» ноября 2019 год.

Руководитель_______________Итс Т.А.

Задание принял к исполнению_______________Борончук Т.И.



Введение

Материаловедение - это комплекс фундаментальных научных знаний и технологичных приёмов, направленных на создание материалов, удовлетворяющих потребности человека, который существовал с древних времен.

Под общим термином «материалы» в материаловедении обычно подразумевают простые или сложные вещества, их смеси, гетерогенные композиции, используемые или пригодные к использованию для решения практических задач, они же предопределяют развитие энергетики, электроники, информационных и нанотехнологий, химических, атомных и других отраслей промышленности, транспорта, медицины и здравоохранения.

Мне бы хотелось рассмотреть историю развития ядерных материалов, используемых в атомной промышленности. В современных условиях атомная промышленность -- один из важнейших секторов экономики России. Динамичное развитие отрасли является одним из основных условий обеспечения энергонезависимости государства и стабильного роста экономики страны, и поэтому, по моему мнению, эта тема является актуальной. Атомная отрасль России представляет собой мощный комплекс из около 400 предприятий и организаций, в которых занято свыше 250 тыс. человек. В структуре отрасли -- четыре крупных научно-производственных комплекса: предприятия ядерного топливного цикла, атомного машиностроения, ядерного оружейного комплекса и отраслевые научно-исследовательские институты. И, следовательно, промышленность нуждается в получении энергоёмких материалов и менее затратных для их добычи и эксплуатации. Получение новых материалов зависит напрямую от глубокого изучения истории их возникновения.

В данной курсовой работе я хотела бы проследить исторический процесс развития ядерных материалов, процесс эволюции и свойства. Так же проведу сравнительный анализ материалов.



1. Материаловедение

1.1 Общие сведения

Материаловедение изучает зависимость между составом, строением и свойствами металлов и сплавов, а также закономерность их изменения под действием внешних факторов: тепловых, химических, механических, электромагнитных и радиоактивных. Как всякая наука, материаловедение представляет собой совокупность знаний, включающих разделы химии, физики, кристаллографии, физической химии, а также знания, полученные экспериментальным путем.

Под общим термином «материалы» в материаловедении обычно подразумевают простые или сложные вещества, их смеси, гетерогенные композиции, используемые или пригодные к использованию для решения практических задач, они же предопределяют развитие энергетики, электроники, информационных и нанотехнологий, химических, атомных и других отраслей промышленности, транспорта, медицины и здравоохранения.

В основу общей классификации материалов положено разделение их по происхождению на природные и искусственные. К первым, как правило, относят как неорганические (напр., глины, минералы), так и органические (древесина, бумага, кожа, волокна природные и др.) материалы. По агрегатному состоянию материалы подразделяют на газообразные (напр., пароводяные или газовые теплоносители, топочные газы), жидкие (лакокрасочные материалы, смазочные материалы) и твёрдые. Твёрдые материалы - наиболее многочисленная группа - могут быть как кристаллическими (напр., нелинейные оптические материалы), так и аморфными (смолы синтетические); большинство твёрдых материалов многокомпонентны и многофазны.



1.2 История развития материаловедения

Развитие любой науки определяется появлением новых идей и новых методов исследования. Это подтверждает и история развития металловедения. Начальник Златоустовских оружейных заводов горный инженер П. П. Аносов, работая над раскрытием тайны изготовления булатных клинков, в 1831 г. впервые в истории применил микроскоп для изучения строения стали, подвергнув для этого ее полированную поверхность химическому травлению и наблюдая ее в микроскоп в отраженном свете.

1.2.1 Крупнейшие достижения в теории и практике материаловедения

Великий русский металлург Д. К. Чернов, выясняя причины низкой прочности стальных орудий на Обуховском заводе в Петербурге, открыл в 1868 г. критические точки (температуры) превращений в стали и связал с ними выбор режима термообработки для получения необходимых свойств. Это открытие оказало определяющее влияние на последующее становление и развитие науки о металлах.

Последователь Д. К. Чернова инженер Ф. Осмонд, работавший на оружейном заводе Крезо (Франция), применил изобретенную Ле-Шательеплатинородий-платиновую термопару для установления критических точек в сталях методом термического анализа (по появлению тепловых эффектов превращений) и использовал изобретенный Ле-Шателье специализированный металл-микроскоп для выяв- 8 ления структурных составляющих в сталях после различной их обработки.

К началу 90-х гг. XIX в закончился подготовительный период в развитии металловедения. В 1892 г. Осмонд предложил называть новую науку, описывающую строение металлов, металлографией. Последние годы XIX в и первые два десятилетия XX в можно назвать периодом классической металлографии, основными методами которой являлись микроструктурный и термический анализы. С помощью этих методов экспериментально была построена диаграмма состояния системы железо-углерод, а затем диаграммы состояния множества других систем. Научной базой построения этих диаграмм являлась хорошо развитая к тому времени термодинамическая теория гетерогенных равновесий и, прежде всего правило фаз Дж. Гиббса (1876 г.).

К 20-м г. нашего столетия были накоплены экспериментальные данные о структуре и свойствах разнообразных металлов и сплавов, установлены важные для практики закономерности влияния химического состава и структуры на свойства сплавов, а также закономерности изменения структуры и свойств металлов и сплавов при тепловом и механическом воздействии. Содержание науки о металлах вышло за рамки классической металлографии. Получило распространение более емкое ее название ? металловедение.

В 1912 г. М. Лауэ открыл явление дифракции рентгеновских лучей на кристаллах, а профессор Петербургского университета Г. В. Вульф и английский физик У.Л. Брэгг вывели простую формулу, связывающую длину волны дифрагированных лучей и межплоскостное расстояние. Начиная с 20-х гг., рентгеноструктурный анализ становится основным методом исследования атомно-кристаллического строения металлов и сплавов. Исключительно важным было широкое применение, начиная с 50-х гг., электронной микроскопии, позволившей глубоко исследовать структуру металлических материалов.

1.2.3 Развитие атомной энергетики

Уже к середине 1939 года ученые мира располагали важными теоретическими и экспериментальными открытиями в области ядерной физики, что позволило выдвинуть обширную программу исследований в этом направлении. Оказалось, что атом урана можно расщепить на две части. При этом освобождается огромное количество энергии. Кроме того, в процессе расщепления выделяются нейтроны, которые в свою очередь могут расщепить другие атомы урана и вызвать цепную ядерную реакцию. Ядерная реакция деления урана весьма эффективна и далеко превосходит самые бурные химические реакции. Сравним атом урана и молекулу взрывчатого вещества - тринитротолуола (тротила). При распаде молекулы тротила выделяется 10 электронвольт энергии, а при распаде ядра урана - 200 млн. электрон-вольт, т. е. в 20 млн. раз больше.

Эти открытия произвели в научном мире сенсацию: в истории человечества не было научного события, более значительного по своим последствиям, чем проникновение в мир атома и овладение его энергией. Ученые понимали, что главное ее предназначение - производство электроэнергии и применение в других мирных направлениях. С вводом в эксплуатацию в СССР в 1954 г. первой в мире промышленной атомной электростанции мощностью 5 МВт в г. Обнинске началась эра атомной энергетики. Источником производства электроэнергии стало расщепление ядер урана.



2. Ядерные материалы

Ядерные материалы - это материалы, содержащие или способные воспроизвести делящиеся (расщепляющиеся) ядерные вещества. Одним из наиболее распространенных общепринятых видов ядерных материалов является ядерное топливо: природное -- изотоп урана 235U, вторичное -- искусственно получаемое в реакторе -- 239Pu или 233U.

Ядерное топливо может быть использовано в ядерном реакторе для осуществления цепной реакции деления ядер. Ядерное топливо, как правило, содержит не только изотопы вещества, обеспечивающие поддержание цепной реакции (ядерное горючее), но и те изотопы (так называемые сырьевые вещества), взаимодействие ядер которых с нейтронами приводит к образованию вторичного ядерного горючего.

В настоящее время широко применяются в атомной промышленности.

2.1 Классификация ядерных материалов (ядерного топлива)

Ядерное топливо делится на два вида:

· Природное урановое, содержащее делящиеся ядра 235U, а также сырьё 238U, способное при захвате нейтрона образовывать плутоний 239Pu;

· Вторичное топливо, которое не встречается в природе, в том числе 239Pu, получаемый из топлива первого вида, а также изотопы 233U, образующиеся при захвате нейтронов ядрами тория 232Th.

По химическому составу, ядерное топливо может быть:

· Металлическим, включая сплавы;

· Оксидным (например, UO2);

· Карбидным (например, PuC1-x)

· Нитридным

· Смешанным (PuO2 + UO2)

Классификация ядерных материалов по степени физической защиты представлена в таблице номер 1, приложения.

2.2 Получение ядерных материалов

1) Урановое ядерное топливо

Урановое ядерное топливо получают переработкой руд. Процесс происходит в несколько этапов.

· Для бедных месторождений:

В современной промышленности в силу отсутствия богатых урановых руд (исключения составляют канадские и австралийские месторождения, в которых концентрация урана доходит до 3 %) используется способ подземного выщелачивания руд. Это исключает дорогостоящую добычу руды. Предварительная подготовка идёт непосредственно под землёй. Через закаченные скважины под землю над месторождением закачивается серная кислота, иногда с добавлением солей трёхвалентного железа (для окисления урана U (IV) до U (VI)), хотя руды часто содержат железо и пиролюзит, которые облегчают окисление. Через откачные скважины специальными насосами раствор серной кислоты с ураном поднимается на поверхность. Далее он непосредственно поступает на сорбционное, гидрометаллургическое извлечение и одновременное обогащение урана.

· Для рудных месторождений:

используют обогащение руды и радиометрическое обогащение руды.

· Гидрометаллургическая переработка

дробление, выщелачивание, сорбционное или экстракционное и

влечение урана с получением очищенной закиси-окиси урана (U3O8), диураната натрия (Na2U2O7) или диураната аммония ((NH4)2U2O7).

Перевод урана из оксида в тетрафторид UF4, или из оксидов непосредственно для получения гексафторида UF6, который используется для обогащения урана по изотопу 235.

Обогащение методами газовой термодиффузии или центрифугированием.

2) Ториевое топливо

Торий в настоящее время в качестве сырья для производства ядерного топлива не применяется в силу следующих причин:

Запасы урана достаточно велики;

Образование 232U, который, в свою очередь, образует г-активные ядра 212Bi, 208Tl, затрудняющие производство ТВЭЛов;

Переработка облучённых ториевых ТВЭЛов сложнее и дороже переработки урановых.

3) Плутониевое топливо

Плутониевое ядерное топливо в настоящее время также не применяется, что связано с его крайне сложной химией. За многолетнюю историю атомной промышленности неоднократно предпринимались попытки использования плутония, как в виде чистых соединений, так и в смеси с соединениями урана, однако успехом они не увенчались. Топливо для АЭС, содержащее плутоний, называется MOX-топливо. Применение его в реакторах ВВЭР нецелесообразно из-за уменьшения примерно в 2 раза периода разгона, на что не рассчитаны штатные системы управления реактором.

2.4 Свойства ядерных материалов

Нейтроны играют важную роль в ядерном реакторе деления. К ядерным свойствам относятся главным образом характеристики поглощения нейтронов при делении и при захвате и характеристики их рассеяния или столкновения. Вероятность поглощения или рассеяния нейтронов описывается сечением поглощения и сечением рассеяния соответственно. К ядерным свойствам материалов различных элементов ядерных элементов ядерных реакторов деления, т.е. к материалам топлива, конструкционным материалам, материалам замедлителя, отражателя, зоны воспроизводства, теплоносителя, защиты и системы регулирования, предъявляются разные требования. Например, в целях экономики нейтронов конструкционные материалы должны иметь небольшое сечение поглощения нейтронов.

· Наведенная радиоактивность

Поглощение тепловых или быстрых нейтронов материалом ядерного реактора может привести к ядерным превращениям и привести к образованию новых (стабильных или радиоактивных) нуклидов. Излучение (б и в-частиц, г-квантов и т.д.), обусловленное ядерными превращениями и образованием нуклидов, определяется термином наведенная радиоактивность. Желательно, наведенная радиоактивность характеризовалась небольшим периодом полураспада и низкой энергией излучения. В случае образования радиоактивных долгоживущих нуклидов с высокой энергией г-излучения могут возникнуть проблемы при обслуживании, ремонте и проверке оборудования и выполнении экспериментальных исследований в условиях интенсивного излучения.

· Регенерация

При работе ядерного реактора топливо выгорает не полностью, имеет место процесс воспроизводства отдельных изотопов (Pu). В связи с этим отработанные ТВЭЛы направляют на переработку для регенерации топлива и повторного его использования.

В настоящее время для этих целей наиболее широко применяется пьюрекс-процесс, суть которого состоит в следующем: ТВЭЛы разрезают на части и растворяют в азотной кислоте, далее раствор очищают от продуктов деления и элементов оболочки, выделяют чистые соединения U и Pu. Затем полученный диоксид плутония PuO₂ направляют на изготовление новых сердечников, а уран либо на изготовление сердечников, либо на обогащение ²³⁵U.

Переработка и регенерация высокорадиоактивных веществ -- сложный и дорогостоящий процесс. ТВЭЛы после извлечения из реакторов проходят выдержку в течение нескольких лет (обычно 3--6) в специальных хранилищах. Трудности вызывает также переработка и захоронение отходов, непригодных к регенерации. Стоимость всех этих мер оказывает существенное влияние на экономическую эффективность атомных электростанций.

· Радиационная стабильность, химическое взаимодействие и взаимная диффузия

Осколки деления и нейтроны оказывают наибольшее влияние на изменение свойств материалов в процессе их облучения в ядерном реакторе. Осколки деления обладают очень высокой энергией, но малой длинной пробега, и поэтому физические изменения, обусловленные действием осколков деления, сосредоточены главным образом в материале ядерного топлива. В результате большинство радиационных эффектов или радиационных повреждений в реакторных материалах возникает вследствие бомбардировки материалов нейтронами и особенно быстрыми нейтронами.

К основным радиационным эффектам в топливных материалах относят радиационный рост, рост при термическомциклировании, радиационное распухание и радиационная ползучесть. Что касается конструкционных материалов, то влияние облучения на них в основном проявляется при растрескивании и усталости при термическом циклировании, радиационном распухании и радиационной ползучести. Радиационное распухание, радиационная ползучесть, а также растрескивание и усталость при термическомциклировании могут лимитировать радиационную стабильность топливных и конструкционных материалов.

В процессе послереакторного исследования образцов твэлов, облученных при высоких температурах (температура наружной поверхности оболочки более 500 єС, температура оксидного топлива более 1500 єС), часто наблюдается химические взаимодействия и взаимная диффузия между топливом и оболочкой. При наличии высоких кислородных потенциалов, адсорбированных газовых примесей и газообразных продуктов деления оксидное топливо низкой плотности более чувствительно к химическому и взаимной диффузии между топливом и оболочкой, чем оксидное топливо высокой плотности при тех же или эквивалентных условиях эксплуатации. Этот факт может иметь существенное значение, когда дело касается коэффициентов теплопроводности или теплопередачи в зазоре между топливом и оболочкой. Такую зависимость можно объяснить тем, что межкристаллическое взаимодействие, по-видимому, связано с механизмом переноса в паровой фазе, скорость которого увеличивается с повышением температуры топлива и увеличением числа открытых пор. Продукты деления (Cs, Cd, Mo, Zr и т.д.) диффундируют из внешней зоны топливных таблеток в прилегающую оболочку, тогда как элементы материала оболочки (аустенитная нержавеющая сталь для твэлов быстрых реакторов - размножителей с жидкометллическим теплоносителем) диффундируют к поверхности топливных таблеток. Аналогичное химическое взаимодействие и взаимную диффузию можно обнаружить и в облученных твэлах исследовательских и легководных энергетических реакторов.

Химические взаимодействия и взаимная диффузия, как правило, приводят к ухудшению конструкционной прочности и радиационной стабильности твэлов, которые в течение всего срока службы облучаются при высоких температурах.

· Возможность переработки топлива.

Ядерное топливо, используемое в исследовательском или энергетическом реакторе, имеет ограниченный срок службы и требует химической переработки. Основная цель переработки заключается в извлечении ценных делящихся материалов - урана и плутония из отработавших твэлов. Отработавшие твэлы требуют переработки по следующим причинам.

1. Реактивность реактора падает и становится слишком низкой из-за сгорания делящегося материала и накопления продуктов деления, поглощающих нейтроны.

2. Твэл постепенно повреждается под действием коррозионных, термических, радиационных и механических эффектов (радиационное распухание и радиационная ползучесть). Переработка отработавшего топлива экстракционными методами используется в широких масштабах для ядерных реакторов деления, поскольку она позволяет легко извлекать такие ценные материалы, как уран и плутоний (уран-плутониевый топливный цикл). Поэтому к материалам топлива и оболочки предъявляются требования, касающиеся легкости переработки топлива.



3. Эволюция производства и развития атомной промышленности и ядерных материалов

3.1 Открытие

В 1895 году Вильгельм Рентген открывает рентгеновское излучение, полученное им на первом ускорителе электронов -- катодной трубке. Радиоактивность была открыта Анри Беккерелем в 1896 году при изучении фосфоресценции солей урана. Исследования радиоактивности продолжили Пьер Кюри и Мария Склодовская-Кюри с соединениями тория и солями урана. Ими были выделены высокоактивные элементы полоний и радий. Они обнаружили, что радиоактивные элементы испускают 3 вида проникающей радиации, б-, в- и г- лучи. атомная энергетика ядерный материаловедение

В начале XX века огромный вклад в изучение ионизирующих излучений и структуры атомов внес Резерфорд. В 1932 Эрнест Уолтон и Джон Кокрофт смогли впервые расщепить ядро атома.

3.1.1Оружейные ядерные программы

В конце 30-х годов XX века физики осознали возможность создания мощного оружия на основе цепной ядерной реакции. Это привело к высокому интересу государства к ядерным технологиям. Первая масштабная государственная атомная программа появилась в Германии в 1939 году (см. немецкая ядерная программа). Однако война осложнила снабжение программы и после разгрома Германии в 1945 году программа была закрыта без значимых результатов. В 1943 году в США началась масштабная программа под кодовым названием Манхэттенский проект. В 1945 году в рамках этой программы была создана и испытана первая в мире ядерная бомба. Ядерные исследования в СССР велись с 20-х годов. В 1940 году прорабатывается первая советская теоретическая конструкция ядерной бомбы. Ядерные разработки в СССР становятся секретными с 1941 года. Первая советская ядерная бомба испытана в 1949 году.

Основной вклад в энерговыделение первых ядерных боеприпасов вносила реакция деления. Тем не менее реакция синтеза находила применение в качестве дополнительного источника нейтронов для увеличения количества прореагировавшего делящегося вещества. В 1952 году в США и 1953 в СССР были испытаны конструкции, в которых бомльшая часть энерговыделения создавалась реакцией синтеза. Такое оружие назвали термоядерным. В термоядерном боеприпасе реакция деления служит для «поджига» термоядерной реакции, не внося существенного вклада в общую энергетику оружия.

3.1.2 Ядерная энергетика

Первые ядерные реакторы были либо экспериментальными либо оружейными, то есть предназначенными для наработки оружейного плутония из урана. Создаваемое ими тепло сбрасывали в окружающую среду. Низкие рабочие мощности и малые разницы температур затрудняли эффективное использование такого низкопотенциального тепла для работы традиционных тепловых машин. В 1951 году было первое использование этого тепла для электрогенерации: в США в контур охлаждения экспериментального реактора установили паровую турбину с электрогенератором. В 1954 году в СССР построили первую атомную электростанцию, изначально спроектированную для целей электроэнергетики.

3.2Технологии

3.2.1 Ядерное оружие

Существует много способов нанести вред человеку с помощью ядерных технологий. Но на вооружение государств приняли только ядерное оружие взрывного действия на основе цепной реакции. Принцип работы такого оружия прост: нужно максимально увеличить коэффициент размножения нейтронов в цепной реакции, чтобы как можно больше ядер вступило в реакцию и выделило энергию до того как конструкция оружия будет разрушена выделяющимся теплом. Для этого надо либо увеличить массу делящегося вещества либо увеличить его плотность. Причем сделать это надо максимально быстро, иначе медленный рост энерговыделениярасплавит и испарит конструкцию без взрыва. Соответственно было разработано два подхода к построению ядерного взрывного устройства:

· Схема с увеличением массы, так называемая пушечная схема.

Два подкритических куска делящегося вещества устанавливались в стволе артиллерийского орудия. Один кусок закреплялся в конце ствола, другой выступал в роли снаряда. Выстрел сближал куски, начиналась цепная реакция и происходило взрывное энерговыделение. Достижимые скорости сближения в такой схеме ограничивались парой км/сек.

· Схема с увеличением плотности, так называемая имплозивная схема.

Основана на особенностях металлургии искусственного изотопа плутония. Плутоний способен образовывать стабильные аллотропные модификации, различающиеся плотностью. Ударная волна, проходя по объему металла, способна перевести плутоний из неустойчивой модификации низкой плотности в высокоплотную. Эта особенность позволила переводить плутоний из низкоплотного подкритичного состояния в сверхкритичное со скоростью распространения ударной волны в металле. Для создания ударной волны применили обычную химическую взрывчатку, расположив её вокруг плутониевой сборки так, чтобы взрыв обжимал шарообразную сборку со всех сторон.

3.2.2 Нейтроные источники

Другим ограничителем энерговыделения является скорость роста количества нейтронов в цепной реакции. В подкритическом делящемся материале идет самопроизвольный распад атомов. Нейтроны этих распадов становятся первыми в лавинообразной цепной реакции. Однако для максимального энерговыделения выгодно сначала убрать все нейтроны из вещества, потом перевести его в сверхкритическое состояние и только потом ввести в вещество запальные нейтроны в максимальном количестве. Чтобы добиться этого выбирают делящееся вещество с минимальным загрязнением свободными нейтронами от самопроизвольных распадов, а в момент перевода в сверхкритическое состояние добавляют нейтронов из внешних импульсных источников нейтронов.

Источники дополнительных нейтронов строятся на разных физических принципах. Первоначально распространение получили взрывные источники, основанные на перемешивании двух веществ. Радиоактивный изотоп, обычно полоний-210, перемешивался с изотопом бериллия. Альфа излучение полония вызывало ядерную реакцию бериллия с выходом нейтронов. Впоследствии их заменили на источники на базе миниатюрных ускорителей, на мишени которых осуществлялась реакция ядерного синтеза с нейтронным выходом.

Помимо запальных источников нейтронов оказалось выгодно вводить в схему дополнительные источники, срабатывающие от начавшейся цепной реакции. Такие источники строились на основе реакций синтеза легких элементов. Ампулы с веществами типа дейтерида лития-6 устанавливались в полость в центре плутониевой ядерной сборки. Потоки нейтронов и гамма-лучей от развивающейся цепной реакции разогревали ампулу до температур термоядерного синтеза, а плазма взрыва обжимала ампулу, помогая температуре давлением. Начиналась реакция синтеза, поставлявшая дополнительные нейтроны для цепной реакции деления.



3.2.3Термоядерное оружие

Источники нейтронов на основе реакции синтеза сами были значительным источником тепла. Однако размеры полости в центре плутониевой сборки не могли вместить много вещества для синтеза, а при размещении вне плутониевого делящегося ядра не удалось бы получить требуемых для синтеза условий по температуре и давлению. Необходимо было окружить вещество для синтеза дополнительной оболочкой, которая, воспринимая энергию ядерного взрыва, обеспечило бы ударное обжатие. Сделали большую ампулу из урана-235 и установили ее рядом с ядерным зарядом. Мощные потоки нейтронов от цепной реакции вызовут лавину делений атомов урана ампулы. Несмотря на подкритичность конструкции урановой ампулы суммарное действие гамма лучей и нейтронов от цепной реакции запального ядерного взрыва и собственных делений ядер ампулы позволит создать внутри ампулы условия для синтеза. Теперь размеры ампулы с веществом для синтеза оказались практически неограничены и вклад энерговыделения от ядерного синтеза многократно превысилэнерговыделение запального ядерного взрыва. Такое оружие стали называть термоядерным.

3.3 Ядерная энергетика

Человечество освоило три метода получения атомной энергии:

На основе спонтанного деления радиоактивных искусственных изотопов. Поскольку искусственные изотопы относительно дороги, то радиоизотопные источники энергии это маломощные установки для автономного применения в особых случаях. Могут использоваться как для обогрева аппаратуры так и электрогенерации.

На основе управляемой цепной реакции деления тяжелых ядер. В настоящее время это единственная ядерная технология, обеспечивающая экономически оправданную промышленную генерацию электроэнергии на атомных электростанциях.

На основе реакции синтеза легких ядер. Несмотря на хорошо известную физику процесса построить экономически оправданную электростанцию пока не удалось.

3.3.1 Атомная электростанция

Сердцем атомной электростанции является ядерный реактор - устройство, в котором осуществляется управляемая цепная реакция деления тяжелых ядер. Энергия ядерных реакций выделяется в виде кинетической энергии осколков деления и превращается в тепло за счет упругих соударений этих осколков с другими атомами.

3.3.2 Топливный цикл

Известен лишь один природный изотоп, способный к цепной реакции - уран-235. Его промышленные запасы невелики. Поэтому уже сегодня инженеры ищут пути наработки дешевых искусственных изотопов, поддерживающих цепную реакцию. Наиболее перспективен плутоний, нарабатывающийся из распространенного изотопа уран-238 путём захвата нейтрона без деления. Его несложно нарабатывать в тех же энергетических реакторах как побочный продукт. При определенных условиях возможна ситуация, когда наработка искусственного делящегося материала полностью покрывает потребности имеющихся АЭС. В этом случае говорят о замкнутом топливном цикле, не требующем поступления делящегося материала из природного источника.

3.3.4 Ядерные отходы

Отработанное ядерное топливо (ОЯТ) и конструкционные материалы реактора с наведенной радиоактивностью являются мощными источниками опасных ионизирующих излучений. Технологии работы с ними интенсивно совершенствуются в направлении минимизации количества захораниваемых отходов и уменьшения срока их опасности. ОЯТ также является источником ценных радиоактивных изотопов для промышленности и медицины. Переработка ОЯТ необходимый этап замыкания топливного цикла.

3.3.5 Использование в медицине

В медицине обычно используются различные нестабильные элементы для проведения исследований или терапии.



Заключение

Итак, подводя итоги своей работы, я могу сказать, что достигла поставленной цели. Рассмотрев эволюцию материалов, используемых в ядерной промышленности, я убедилась, что со временем открытие новых материалов привело к более удобным и безопасным методам их использования.

Изучение ядерных материалов зародилось в 19 веке, когда еще не существовало промышленности, требующей такого вида топлива. Со временем свойства материалов изучались глубже, и, в дальнейшем, их применяли в различных отраслях промышленности.

После Второй мировой войны в электроэнергетику во всем мире были инвестированы десятки миллиардов долларов. Этот строительный бум был вызван быстрым ростом спроса на электроэнергию, по темпам значительно превзошедшим рост населения и национального дохода. Основной упор делался на тепловые электростанции (ТЭС), работающие на угле и, в меньшей степени, на нефти и газе, а также на гидроэлектростанции. АЭС промышленного типа до 1969 не было.

К 1973 практически во всех промышленно развитых странах оказались исчерпанными ресурсы крупномасштабной гидроэнергетики. Скачок цен на энергоносители после 1973, быстрый рост потребности в электроэнергии, а также растущая озабоченность возможностью утраты независимости национальной энергетики - все это способствовало утверждению взгляда на атомную энергетику как на единственный реальный альтернативный источник энергии в обозримом будущем. Эмбарго на арабскую нефть 1973-1974 породило дополнительную волну заказов и оптимистических прогнозов развития атомной энергетики.

Различные виды ядерных материалов обладают разными свойствами и по-своему в различных отраслях могут быть полезны. Так, например Уран-235 является природным топливом, а Уран-233 переработанным топливом, называющимся «ядерными отходами», которые в свою очередь так же используется.

Динамичное развитие атомной отрасли является одним из основных условий обеспечения энергонезависимости России и стабильного роста экономики страны. Освоение и развитие ядерных энергетических технологий нового поколения, включая реакторы на быстрых нейтронах и технологии замкнутого ядерного топливного цикла, а также с увеличение экспортного потенциала российских ядерных технологий (строительство атомных электростанций, услуг по обогащению урана, ядерного топлива и др.). Атомная отрасль выступает локомотивом для развития других отраслей. Она обеспечивает заказ, а значит -- и ресурс развития машиностроению, металлургии, материаловедению, геологии, строительной индустрии и т.д.

Материал	Тип распада	Период полураспада
Плутоний-239	альфа-распад	24 110 лет
Уран-235	альфа-распад	704 000 000 лет
Торий-231	бета-распад	25,2 ч
Протактиний-231	альфа-распад	32 700 лет
Актиний-227	бета-распад	21,8 года
Торий-227	альфа-распад	18,72 дня
Радий-223	альфа-распад	11,43 дня
Радон-219	альфа-распад	3,96 с
Полоний-215	альфа-распад	1,78 миллисекунды
Свинец-211	бета-распад	36,1 мин
Висмут-211	альфа-распад	2,15 мин
Таллий-207	бета-распад	4,77 мин
Свинец-207	-	стабильный элемент



Сравнительная таблица строительных материалов

График эволюции строительных материалов

Для построения этого графика я использовала эмпирически выведенную формулу:

,

где Г - показатель эволюции материала, д - предел прочности материала, е - период полураспада,µ - коэффициент теплопроводности.



Список использованных источников

1. https://www.rosatom.ru/about-nuclear-industry/history/

2. https://www.krugosvet.ru/enc/nauka_i_tehnika/tehnologiya_i_promyshlennost/ATOMNAYA_ENERGETIKA.html

3. https://fireman.club/inseklodepia/yadernye-materialy/

4. http://www.consultant.ru/document/cons_doc_LAW_52645/e170aa0a24bfb4a50deb0045017067082139f791/

5. http://docs.cntd.ru/document/9036776

6. https://www.yabloko.ru/Publ/Atom/atom00011.html

Размещено на Allbest.ru

...