- •Содержание
- •Г л а в а 6. Элементы и параметры электрических цепей переменного тока
- •Приложение
- •Введение
- •Электростатическое поле
- •1. Закон кулона
- •2. Напряженность электрического поля
- •3. Диэлектрическая проницаемость
- •Контрольные вопросы
- •Проводники в электрическом поле. Цепи постоянного тока. Токопроводящие материалы.
- •1. Электрический ток
- •2. Напряженность электрического поля, потенциал, напряжение и эдс
- •3. Электрическое сопротивление и проводимость
- •4. Закон ома
- •5. Законы кирхгофа
- •6. Соединение резисторов
- •7. Закон джоуля-ленца. Нагревание проводников.
- •8. Короткое замыкание и перегрузки. Тепловая защита.
- •9. Мощность
- •10. Электрические цепи с несколькими источниками энергии
- •11. Делитель напряжения
- •12. Потери напряжения и мощности в проводах
- •13. Передача электрической энергии по проводам
- •14. Токопроводящие материалы
- •Контрольные вопросы
- •Диэлектрики в электрическом поле. Изоляция электротехнических материалов. Диэлектрические материалы.
- •1. Строение диэлектрика.
- •2. Диэлектрик в электрическом поле. Поляризация диэлектрика
- •3. Электрическая емкость. Конденсаторы.
- •4. Соединение конденсаторов
- •5. Энергия электрического поля конденсатора
- •6. Электрический пробой диэлектрика
- •7. Диэлектрические материалы. Изоляция электротехнических материалов.
- •Контрольные вопросы
- •Магнитное поле. Электромагнетизм и электромагнитная индукция. Магнитные материалы.
- •1. Магнитное поле в неферромагнитной среде. Основные понятия
- •2. Напряженность и индукция магнитного поля
- •3. Магнитный поток.
- •4. Индуктивность.
- •5. Магнитные свойства веществ. Магнитная проницаемость
- •Магнитные свойства ферромагнитных материалов. Намагниченность.
- •7. Циклическое перемагничивание. Гистерезис.
- •8. Ферромагнитные материалы
- •9. Электромагнитные силы
- •10. Электромагнитная индукция
- •11. Вихревые токи
- •12. Эдс самоиндукции и взаимоиндукции
- •Контрольные вопросы
- •Линейные электрические цепи переменного тока
- •Основные определения
- •Сложение синусоидальных величин
- •Среднее значение синусоидальных величин
- •Контрольные вопросы
- •Элементы и параметры электрических цепей переменного тока
- •1. Цепь с активным сопротивлением
- •2. Электрическая цепь с индуктивностью
- •Резонанс напряжений
- •Параллельное соединение r, l, c – элементов
- •Контрольные вопросы
- •Трехфазные электрические цепи
- •Принципы построения трехфазных электрических цепей
- •Соединение звезда. Несимметричная нагрузка. Явление перекоса фаз
- •Нулевой провод
- •Мощность трехфазной системы
- •Контрольные вопросы
- •Нелинейные электрические цепи
- •Характеристики нелинейных электрических цепей и элементов
- •Электрическая цепь с нелинейным индуктивным элементом
- •Трансформаторы
- •Контрольные вопросы
- •Электрические машины переменного тока
- •Вращающееся магнитное поле
- •Устройство асинхронного двигателя
- •Принцип работы асинхронного двигателя
- •Регулирование числа оборотов асинхронного двигателя
- •Однофазные асинхронные двигатели
- •Синхронный генератор. Устройство и принцип работы
- •Синхронный двигатель. Принцип работы
- •Контрольные вопросы
- •Машины постоянного тока
- •Общие сведения
- •Устройство и работа генератора постоянного тока
- •Типы генераторов постоянного тока
- •Генератор с независимым возбуждением
- •Генератор с параллельным возбуждением
- •Генератор с последовательным возбуждением
- •Генератор со смешанным возбуждением
- •Двигатели постоянного тока
- •Контрольные вопросы
- •Переходные процессы в электрических цепях
- •Основные определения
- •2. Зарядка и разрядка конденсатора
- •3. Релаксационные колебания
- •4. Включение и выключение реальной индуктивной катушки при постоянном напряжении источника
- •5. Разрядка конденсатора на индуктивность
- •Контрольные вопросы
- •Современные способы получения электрической энергии. Виды силовых электростанций. Альтернативная электроэнергетика.
- •1. Тепловые электростанции (тэс)
- •Экологические проблемы тэс
- •2. Гидравлические электрические станции (гэс).
- •3. Гидроаккумулирующие электрические станции (гаэс)
- •4. Приливные электрические станции
- •5. Атомные электрические станции (аэс)
- •55Cs140→56Ba140→57La140→58Ge140→стабильное ядро;
- •37Rb94→38Sr94→39y94→40Zr90→ стабильное ядро.
- •Магнитогидродинамическое преобразование энергии (мгд-генераторы).
- •7. Термоэмиссионные генераторы
- •8. Солнечные электростанции
- •9. Электрохимические генераторы
- •10. Термоэлектрические генераторы
- •11. Геотермальные электростанции
- •12. Термоядерная энергетика
- •13. Водородная энергетика
- •14. Понятие о единой энергетической системе.
- •Контрольные вопросы
- •Атомно-молекулярная теория строения вещества
- •Структура и строение атома
- •Линейчатый спектр. Постулаты бора и квантование орбит
- •Корпускулярно - волновой дуализм нанообъектов. Волны де-бройля
- •Туннелирование
- •Классификация наноматериалов
- •8. Трехмерные наноматериалы
- •Размерные эффекты и свойства нанообъектов
- •Химические свойства наноматериалов
- •Тепловые свойства нанообъектов
- •Магнитные свойства нанообъектов
- •Функциональные и конструкционные углеродные наноматериалы.
- •Получение углеродных наноструктур
- •Применение и использование наноматериалов в практической деятельности
- •Контрольные вопросы
- •Приложение
- •Сложение векторов.
- •Метод комплексных чисел
- •Расчет цепей методом узлового напряжения
5. Атомные электрические станции (аэс)
Ядра урана (92U235), захватывающие тепловые нейтроны (0n1) с энергией порядка 0,03эв делятся, выделяя при этом большую энергию. Схема деления имеет вид:
0n1+92U235→92U236→X+Y+ 2-30n1+Q, (12-3)
где Q= 200-250Мэв,XиY– фрагменты или осколки деления,92U236– нестабильное ядро урана.
0n1+92U235→92U236→56Ba144+35K89+30n1 +Q1;
0n1+92U235→92U236→55Cs140+37Rb94+20n1 +Q2.
Осколки деления в дальнейшем самопроизвольно распадаются до образования стабильных ядер:
55Cs140→56Ba140→57La140→58Ge140→стабильное ядро;
37Rb94→38Sr94→39y94→40Zr90→ стабильное ядро.
Дефект массы исходного ядра урана и масс продуктов реакции положителен (Δm>0) и деление сопровождается выделением тепла. ПричемQ=200-250Мэв (для сравнения при химической реакции горения (взрыва) тротила на один атом выделяется энергия порядка 10эв).
Ядро U-235 захватывает медленный нейтрон. Ядро приобретает при этом избыточную энергию. Эта энергия перераспределяется между всеми нуклонами ядра. Ядро подобно капле жидкости деформируется. Ядерные силы ослабевают. За счет кулоновского отталкивания ядро разрывается на части (осколки) с выделением энергии и 2-3 нейтронов.
В 1г урана-235 содержится 2,6 1021ядер. При делении этих ядер можно получить 23,2Мвт час энергии. В то же время при сжигании 1г угля выделяется энергия 7-8вт час энергии. (1кг урана -235 по выделяемой энергии эквивалентен 670цистернам нефти. В 1-ой цистерне - 60тонн нефти)
Особенностью реакции деления ядер урана является выделение при распаде свободных нейтронов, что делает возможным осуществление цепной реакции.
Количество порождаемых нейтронов изменяется в геометрической прогрессии, т.е.
1 → 2 → 4 →8 →16 → 32 и т.д.
Условия цепной реакции:
m>mкрит, т.е. масса урана должна быть больше критической. Если масса урана - 235 меньше критической, то порождаемые при делении ядер нейтроны выводятся из реакции, не прореагировав с ядрами урана и реакция самопроизвольно затухает.
Урановая руда состоит из изотопов урана: U238-99,27%,U235– 0,72%,U234– 0,01% и не годится для цепной реакции на медленных нейтронах.U238– тепловые нейтроны захватывает и выводит их из реакции. Это ядро может делиться, но для этого необходимы быстрые (высокоэнергетические нейтроны). Т.е. для проведения реакции на медленных нейтронах урановую руду необходимо обогатить ураном -235.
При делении урана -235 нейтроны обладают достаточно высокой энергией и для ее снижения используются замедлители реакции деления. В качестве замедлителей используются – парафин, графит. Для прекращения реакции деления , вводятся вещества называемые поглотителями нейтронов (бор, кадмий).
Итак, при делении ядер урана -235 выделяется большая энергия. Этот факт привел к созданию атомной бомбы (см. рис.152)
Рис.152 Макет атомной бомбы
В бомбе имеются два куска почти чистого урана -235 (1). Это ядерный заряд, заключенный в металлической оболочке (2). В каждом куску происходит деление ядер при случайном попадании в ядро теплового нейтрона. Однако цепная реакция не развивается, т.к. каждый кусок имеет массу, меньше критической. В этом случае большое число нейтронов, выводится из реакции не прореагировав с ядрами. При объединении двух кусков в один масса урана становится больше критической. Объединение кусков должно быть быстрым, чтобы в реакцию включилось большое число ядер урана. С этой целью применяют обычное взрывчатое вещество (3) , с помощью которого выстреливают одним куском урана в другой. Таким образом, в атомной бомбе осуществляется неуправляемая цепная реакция.
Управляемая реакция происходит в ядерных реакторах. В реакторе создаются условия, при которых число нейтронов с течением времени практически не меняется, Следовательно, в единицу времени делится одно и то же количество ядер, т. В единицу времени выделяется определенная энергия.
Основными частями ядерного реактора являются активная зона – 1, система регулирований цепной реакции – регулирующие стержни -2, отражатель нейтронов -3, радиационная защита -4. В активной зоне протекает цепная реакция и выделяется энергия.
Рис. 153 Схема основных функциональных узлов АЭС.
Схематично активная зона показа на рис. 153 В активной зоне располагаются замедлители нейтронов -1, урановые стержни -2, которые являются тепловыделяющими элементами (ТВЭЛами). Для замедления нейтронов используется графит. При взаимодействии с ядрами графита нейтроны замедляются до тепловых скоростей. В этом случае нейтроны легко захватываются ядрами урана.
Регулирующие стержни -3 ( кадмий или бор) интенсивно поглощают нейтроны, поэтому введение стержней в активную зону позволяет управлять числом нейтронов в реакторе (либо автоматически поддерживать одно и то же значение выделяющейся энергии, либо прекратить цепную реакцию).
Через активную зону проходит трубопровод с теплоносителем 5. В качестве теплоносителя используется вода или металл с низкой температурой плавления ( например натрий с температурой плавления 980С). Теплоноситель перемещается с помощью насоса 6. В теплообменнике 7 теплоноситель отдает энергию воде, превращая ее в пар. Пар направляется в турбину 8, соединенную с электрогенератором 9. Из турбины пар поступает в конденсатор 10, где превращается в воду, а затем вода превращается в пар и далее по многократому циклу.
В настоящее время в мире работают сотни АЭС. Первая АЭС в России введена в эксплуатацию в 1954г.
Основные технические данные реактора РБМК-1000.
РБМК (реактор Большой Мощности Канальный, цифра 1000 это 1000МВт электрической энергии).
Загрузка урана 235 – 192тонны.
Температура пара перед турбиной - 2800С.
Реактор размещается в бетонной шахте 21,6 х21,6 м2, высотой 25,5м.
Масса графитовой кладки (замедлитель) -1700тонн.
Число топливных каналов – 1693. Масса агрегата – 107тонн.
В настоящее время в атомной энергетике начинается постепенный переход на реакторы с быстрыми нейтронами (реакторы – размножители). При этом используется не уран-235, а уран- 238 (основной изотоп).
92U238+0n1→92U239+γ→93Np239+-1e0→94Pu239+-1e0+Q. (12-4)
Экологические проблемы ядерной энергетики.Наряду с преимуществами (компактность топлива, отсутствие выбросов углекислого газа и других оксидов и т.д.) ядерная энергетика оказывает вредное влияние на биосферу Земли.
АЭС представляют только один элемент ядерной энергетики. Ядерный топливный цикл включает добычу руды, извлечение из нее урана, переработку уранового сырья в ядерное топливо, выгорание топлива в ядерном реакторе, транспортировка и регенерацию топлива, безопасное и вечное хранение отходов ядерной энергетики.
Наиболее энергоемкий и затратный процесс в топливном цикле – захоронение
отходов.