Применение ядерной энергии в современном мире оказывается настолько важным, что если бы мы завтра проснулись, а энергия ядерной реакции исчезла, мир, таким как мы его знаем, пожалуй, перестал бы существовать. Мирное составляет основу промышленного производства и жизни таких стран, как Франция и Япония, Германия и Великобритания, США и Россия. И если две последние страны еще в состоянии заместить ядерные источники энергии на тепловые станции , то для Франции, или Японии это попросту невозможно.
Использование атомной энергии создает много проблем. В основном все эти проблемы связаны с тем, что используя себе на благо энергию связи атомного ядра (которую мы и называем ядерной энергией), человек получает существенное зло в виде высокорадиоактивных отходов, которые нельзя просто выбросить. Отходы от атомных источников энергии требуется перерабатывать, перевозить, захоранивать, и хранить продолжительное время в безопасных условиях.
Плюсы и минусы, польза и вред от использования ядерной энергии
Рассмотрим плюсы и минусы применения атомной-ядерной энергии, их пользу, вред и значение в жизни Человечества. Очевидно, что атомная энергия сегодня нужна лишь промышленно развитым странам. То есть, основное применение мирная ядерная энергия находит в основном, на таких объектах, как заводы, перерабатывающие предприятия, и т.п. Именно энергоемкие производства, удаленные от источников дешевой электроэнергии (вроде гидроэлектростанций) задействуют ядерные станции для обеспечения и развития своих внутренних процессов.
Аграрные регионы и города не слишком нуждаются в атомной энергии. Ее вполне можно заместить тепловыми и другими станциями. Получается, что овладение, получение, развитие, производство и использование ядерной энергии по большей части направлено на удовлетворение наших потребностей в промышленной продукции. Посмотрим, что это за производства: автомобильная промышленность, военные производства, металлургия, химическая промышленность, нефтегазовый комплекс, и т.д.
Современный человек хочет ездить на новой машине? Хочет одеваться в модную синтетику, кушать синтетику и упаковывать все в синтетику? Хочет ярких товаров разных форм и размеров? Хочет все новых телефонов, телевизоров, компьютеров? Хочет много покупать, часто менять оборудование вокруг себя? Хочет вкусно питаться химической едой из цветных упаковок? Хочет жить спокойно? Хочет слышать сладкие речи с телеэкрана? Хочет, чтобы танков было много, а также ракет и крейсеров, а еще снарядов и пушек?
И он все это получает. Неважно, что в конце расхождение между словом и делом приводит к войне. Неважно, что для его утилизации также нужна энергия. Пока что человек спокоен. Он ест, пьет, ходит на работу, продает и покупает.
А для всего этого нужна энергия. А еще для этого нужно очень много нефти, газа, металла и т.п. И все эти промышленные процессы нуждаются в атомной энергии. Поэтому кто бы что ни говорил, до тех пор, пока не будет запущен в серию первый промышленный реактор термоядерного синтеза, атомная энергетика будет только развиваться.
В плюсы ядерной энергии мы можем смело записать все то, к чему мы привыкли. К минусам – печальную перспективу скорой смерти в коллапсе исчерпания ресурсов, проблемах ядерных отходов, росте численности населения и деградации пахотных площадей. Иначе говоря, атомная энергетика позволила человеку еще сильнее начать овладевать природой, насилуя ее сверх меры настолько, что он за несколько десятилетий преодолел порог воспроизводства основных ресурсов, запустив между 2000 и 2010 годами процесс схлопывания потребления. Этот процесс объективно уже не зависит от человека.
Всем придется меньше есть, меньше жить и меньше радоваться окружающей природе. Здесь кроется еще один плюс-минус атомной энергии, который заключается в том, что страны, овладевшие атомом, смогут эффективнее перераспределять под себя скудеющие ресурсы тех, кто атомом не овладел. Более того, только развитие программы термоядерного синтеза позволит человечеству элементарно выжить. Теперь поясним на пальцах, что же это за «зверь» — атомная (ядерная) энергия и с чем ее едят.
Масса, материя и атомная (ядерная) энергия
Часто приходится слышать утверждение, что «масса и энергия одно и то же», или же такие суждения, будто выражение Е=mс2 объясняет взрыв атомной (ядерной) бомбы. Сейчас, когда вы получили первое представление о ядерной энергии и ее применении, было бы поистине неразумно сбивать вас с толку такими утверждениями, как «масса равна энергии». Во всяком случае, такой способ трактовки великого открытия не из лучших. По-видимому, это всего лишь острословие молодых реформистов, «Галилеев нового времени». На деле же предсказание теории, которое проверено многими экспери-ментами, говорит лишь о том, что энергия имеет массу.
Сейчас мы разъясним современную точку зрения и дадим небольшой обзор истории ее развития.
Когда энергия любого материального тела возрастает, его масса увеличивается, и мы приписываем эту дополнительную массу приросту энергии. Например, при поглощении излучения поглотитель становится горячее и его масса возрастает. Однако возрастание настолько мало, что остается за пределами точности измерений в обычных опытах. Напротив, если вещество испускает излучение, то оно теряет капельку своей массы, которая уносится излучением. Возникает более широкий вопрос: не обусловлена ли вся масса вещества энергией, т. е. не заключен ли во всем веществе громадный запас энергии? Много лет назад радиоактивные превращения на это ответили положительно. При распаде радиоактивного атома выделяется огромное количество энергии (в основном в виде кинетической энергии), а малая часть массы атома исчезает. Об этом ясно говорят измерения. Таким образом, энергия уносит с собой массу, уменьшая тем самым массу вещества.
Следовательно, часть массы вещества взаимозаменяема массой излучения, кинетической энергией и т. п. Вот почему мы говорим: «энергия и вещество способны частично к взаимным превращениям». Более того, мы теперь можем создавать частицы вещества, которые обладают массой и способны полностью превращаться в излучение, также имеющее массу. Энергия этого излучения может перейти в другие формы, передав им свою массу. И наоборот, излучение способно превращаться в частицы вещества. Так что вместо «энергия обладает массой» мы можем сказать «частицы вещества и излучение — взаимопревращаемы, а потому способны к взаимным превращениям с другими формами энергии». В этом и состоит создание и уничтожение вещества. Такие разрушительные события не могут происходить в царстве обычной физики, химии и техники, их следует искать либо в микроскопических, но активных процессах, изучаемых ядерной физикой, либо в высокотемпературном горниле атомных бомб, на Солнце и звездах. Однако было бы неразумно утверждать, что «энергия - это масса». Мы говорим: «энергия, как и вещество, имеет массу».
Масса обычного вещества
Мы говорим, что масса обычного вещества таит в себе огромный запас внутренней энергии, равной произведению массы на (скорость света)2. Но эта энергия заключена в массе и не может быть высвобождена без исчезновения хотя бы части ее. Как возникла столь удивительная идея и почему она не была открыта раньше? Ее предлагали и раньше - эксперимент и теория в разных видах,- но вплоть до двадцатого века изменение энергии не наблюдали, ибо в обычных экспериментах оно соответствует невероятно малому изменению массы. Однако сейчас мы уверены, что летящая пуля благодаря своей кинетической энергии имеет дополнительную массу. Даже при скорости 5000 м/сек пуля, которая в покое весила ровно 1 г, будет иметь полную массу 1,00000000001 г. Раскаленная добела платина массой 1 кг всего прибавит 0,000000000004 кг и практически ни одно взвешивание не сможет зарегистрировать эти изменения. Только когда из атомного ядра высвобождаются огромные запасы энергии или когда атомные «снаряды» разгоняются до скорости, близкой к скорости света, масса энергии становится заметной.
С другой стороны, даже едва уловимая разница масс знаменует возможность выделения огромного количества энергии. Так, атомы водорода и гелия имеют относительные массы 1,008 и 4,004. Если бы четыре ядра водорода смогли объединиться в одно ядро гелия, то масса 4,032 изменилась бы до 4,004. Разница невелика, всего 0,028, или 0,7%. Но она означала бы гигантское выделение энергии (преимущественно в виде излучения). 4,032 кг водорода дали бы 0,028 кг излучения, которое имело бы энергию около 600000000000 Кал.
Сравните это с 140 000 Кал, выделяющимися при соединении того же количества водорода с кислородом в химическом взрыве.
Обычная кинетическая энергия дает заметный вклад в массу очень быстрых протонов, получаемых на циклотронах, и это создает трудности при работе с такими машинами.
Почему мы все же верим, что Е=mс2
Сейчас мы воспринимаем это как прямое следствие теории относительности, но первые подозрения возникли уже ближе к концу 19 века, в связи со свойствами излучения. Тогда казалось вероятным, что излучение обладает массой. А поскольку излучение переносит, как на крыльях, со скоростью с энергию, точнее, само есть энергия, то появился пример массы, принадлежащей чему-то «невещественному». Экспериментальные законы электромагнетизма предсказывали, что электромагнитные волны должны обладать «массой». Но до создания теории относительности только необузданная фантазия могла распространить соотношение m=Е/с2 на другие формы энергии.
Всем сортам электромагнитного излучения (радиоволнам, инфракрасному, видимому и ультрафиолетовому свету и т. д.) свойственны некоторые общие черты: все они распространяются в пустоте с одинаковой скоростью и все переносят энергию и импульс. Мы представляем себе свет и другое излучение в виде волн, распространяющихся с большой, но определенной скоростью с=3*108 м/сек. Когда свет падает на поглощающую поверхность, возникает теплота, показывающая, что поток света несет энергию. Эта энергия должна распространяться вместе с потоком с той же скоростью света. На деле скорость света именно так и измеряется: по времени пролета порцией световой энергии большого расстояния.
Когда свет падает на поверхность некоторых металлов, он выбивает электроны, вылетающие точно так же, как если бы их ударил компактный шарик. , по всей видимости, распространяется концентрированными порциями, которые мы называем «квантами». В этом и заключается квантовый характер излучения, несмотря на то, что эти порции, по-видимому, создаются волнами. Каждая порция света с одной и той же длиной волны обладает единой и той же энергией, определенным «квантом» энергии. Такие порции мчатся со скоростью света (собственно, они-то и есть свет), перенося энергию и количество движения (импульс). Все это позволяет приписать излучению некую массу - каждой порции приписывается определенная масса.
При отражении света от зеркала теплота не выделяется, ибо отраженный луч уносит всю энергию, но на зеркало действует давление, подобное давлению упругих шариков или молекул. Если же вместо зеркала свет попадает на черную поглощающую поверхность, давление становится вдвое меньше. Это свидетельствует о том, что луч несет количество движения, поворачиваемое зеркалом. Следовательно, свет ведет себя так, как если бы у него была масса. Но можно ли откуда-то еще узнать, что нечто обладает массой? Существует ли масса по своему собственному праву, как, например, длина, зеленый цвет или вода? Или это искусственное понятие, определяемое поведением наподобие Скромности? Масса, на самом деле, известна нам в трех проявлениях:
- А. Туманное утверждение, характеризующее количество «вещества», (Масса с этой точки зрения присуща веществу - сущности, которую мы можем увидеть, потрогать, толкнуть).
- Б. Определенные утверждения, увязывающие ее с иными физическими величинами.
- В. Масса сохраняется.
Остается определить массу через количество движения и энергию. Тогда любая движущаяся вещь с количеством движения и энергией должна иметь «массу». Ее массой должно быть (количество движения)/(скорость).
Теория относительности
Стремление увязать воедино серию экспериментальных парадоксов, касающихся абсолютного пространства и времени, породило теорию относительности. Два сорта экспериментов со светом давали противоречивые результаты, а опыты с электричеством еще больше обострили этот конфликт. Тогда Эйнштейн предложил изменить простые геометрические правила сложения векторов. Это изменение и составляет сущность его «специальной теории относительности».
Для малых скоростей (от медлительной улитки до быстрейшей из ракет) новая теория согласуется со старой.
При высоких скоростях, сравнимых со скоростью света, наше измерение длин или времени модифицируется движением тела относительно наблюдателя, в частности масса тела становится тем больше, чем быстрее оно движется.
Затем теория относительности провозгласила, что это увеличение массы носит совершенно общий характер. При обычных скоростях никаких изменений нет, и только при скорости 100 000 000 км/час масса возрастает на 1%. Однако для электронов и протонов, вылетающих из радиоактивных атомов или современных ускорителей, оно достигает 10, 100, 1000%…. Опыты с такими высокоэнергетическими частицами великолепно подтверждают соотношение между массой и скоростью.
На другом краю находится излучение, не имеющее массы покоя. Это не вещество и его нельзя удержать в покое; оно просто имеет массу, и движется со скоростью с, так что его энергия равна mс2. О квантах, мы говорим как о фотонах, когда хотим отметить поведение света как потока частиц. Каждый фотон имеет определенную массу m, определенную энергию Е=mс2 и количество движения (импульс).
Ядерные превращения
В некоторых экспериментах с ядрами массы атомов после бурных взрывов, складываясь, не дают ту же самую полную массу. Освобожденная энергия уносит с собой и какую-то часть массы; кажется, что недостающая часть атомного материала исчезла. Однако если мы припишем измеренной энергии массу Е/с2, то обнаружим, что масса сохраняется.
Аннигиляция вещества
Мы привыкли думать о массе как о неизбежном свойстве материи, поэтом переход массы из вещества в излучение - от лампы к улетающему лучу света выглядит почти как уничтожение вещества. Еще один шаг - и мы с удивлением обнаружим то, что происходит на самом деле: положительный и отрицательный электроны, частички вещества, соединившись вместе, полностью превращаются в излучение. Масса их вещества превращается в равную ей массу излучения. Это случай исчезновения вещества в самом буквальном смысле. Как в фокусе, во вспышке света.
Измерения показывают, что (энергия, излучения при аннигиляции)/ с2 равна полной массе обоих электронов - положительного и отрицательного. Антипротон, соединяясь с протоном, аннигилирует, обычно с выбросом более легких частиц с большой кинетической энергией.
Создание вещества
Сейчас, когда мы научились распоряжаться высокоэнергетическим излучением (сверхкоротковолновыми рентгеновскими лучами), мы можем приготовить из излучения частицы вещества. Если такими лучами бомбардировать мишень, они дают иногда пару частиц, например положительный и отрицательный электроны. И если снова воспользоваться формулой m=Е/с2 как для излучения, так и для кинетической энергии, то масса будет сохраняться.
Просто о сложном – Ядерная (Атомная) энергия
- Галерея изображений, картинки, фотографии.
- Ядерная энергия, энергия атома – основы, возможности, перспективы, развитие.
- Интересные факты, полезная информация.
- Зеленые новости – Ядерная энергия, энергия атома.
- Ссылки на материалы и источники – Ядерная (Атомная) энергия.
В конце прошлого века учёные с удивлением обнаружили, что атомы, точнее ядра атомов, сами собой распадаются на части, испуская лучи и тепло. Они назвали это явление . А когда подсчитали, удивились ещё больше: 1 г радия, если полностью распадётся, может дать столько же тепла, сколько дают, сгорая, 500 кг угля. Но использовать это свойство невозможно- атомы распадаются так медленно, что за 2000 лет выделяется лишь половина тепла.
Это вроде большой плотины. Плотина закрыта, и вода течёт маленьким ручейком, от которого нет никакой пользы.
Вот если бы открыть плотину, если бы люди научились разрушать атомы!.. Они получили бы бесконечный океан энергии. Но как это сделать?
Говорят, что из пушки по воробью не стреляют, нужна маленькая дробинка. А где взять дробинку, чтобы расколоть ядро атома?
Несколько десятков лет напряжённо работали учёные всей Земли. За это время они узнали, как устроен , и нашли для него «дробинку». Ею оказалась одна из частичек, которая входит в состав ядра,- нейтрон. Он легко проникает в атом и разбивает ядро.
А потом выяснилось, что атомы металла урана, расколовшись, выделяют новые нейтроны, которые разрушают соседние атомы. Если взять кусок урана, в котором одновременно будет распадаться много ядер и будет выделяться много новых нейтронов, процесс деления разрастётся, как лавина в горах. Произойдёт взрыв атомной бомбы.
Схеме устройства атомного реактора. Толстые черные стержни - поглотители нейтронов. В реакторе вода нагревается, а потом нагревает воду в теплообменнике до кипения. Образующийся пар вращает турбину электростанции.
Вообрази, что рухнула большая плотина. Собранная за нею вода вся сразу бурно устремится вниз. Сила потока велика, но от него только вред, ведь он сметает всё на своём пути. Так и с атомом: колоссальная энергия взрыва может только разрушать. А людям атомная энергия нужна, чтобы строить. Вот если бы атом отдавал свои запасы такими порциями, какими мы захотим! Не нужна энергия - закрыл заслонку. Понадобилась- (Сколько вам?) открыл две-три заслонки: «Получайте, сколько просили!»
И человек обуздал взрыв.
Кто главный «работник» на «атомном заводе»? Нейтрон. Это он разбивает ядра урана. А если мы уберём с «завода» часть рабочих? Работа пойдёт медленнее.
Именно так работает атомный котёл, или атомный реактор. Это большой колодец с толстыми бетонными стенками (они нужны, чтобы вредные для людей излучения не выходили наружу). Колодец заполнен графитом, тем самым, из которого делают грифели карандашей. В графитовой начинке есть отверстия, куда помещают стержни из урана. Когда их достаточно, появляется нужное количество «рабочих»-нейтронов и начинается атомная реакция.
Чтобы ею управлять, в других отверстиях находятся стержни металла, который захватывает, поглощает нейтроны. Это и есть «заслонки» в плотине.
Не нужна энергия или есть опасность взрыва, заслонки-стержни мгновенно опускаются, вылетающие из ядер урана нейтроны поглощаются, перестают работать, и реакция прекращается.
Нужно, чтобы реакция пошла, поднимают стержни-заслонки, снова в реакторе появляются «рабочие»-нейтроны, и температура в котле повышается (Сколько вам энергии? Получайте!).
Ядерные реакторы можно ставить на атомные электростанции, на атомные подводные лодки, на атомный ледокол. Они, как обычные паровые котлы, по слушно превратят воду в пар, который будет вращать турбины. Пятисот килограммов атомного горючего - содержимого всего десяти чемоданов - достаточно ледоколу «Ленин», чтобы плавать круглый год. Представляешь, как выгодно: не нужно возить с собой сотни тонн топлива, вместо него можно взять более полезный груз; можно целый год не заходить в порт для заправки горючим, тем более что на Севере это не всегда легко сделать. Да и машины можно поставить более сильные...
В существующих ядерных реакторах получают энергию, разрушая ядра, состоящие из большого числа частичек (в ядрах урана, например, их больше двухсот). И хотя такого топлива пока на Земле много, но ведь когда-нибудь оно кончится... Нет ли способа получить ядерную энергию из других веществ? И учёные нашли!
Оказалось, что атомы , в ядре которого всего две частицы: один протон и один нейтрон, также могут служить источником энергии. Но они отдают её не при делении, а при соединении, или, как говорят, при синтезе, двух ядер.
Атомы водорода для этого нужно нагреть до многих миллионов градусов. При такой температуре их ядра начинают двигаться с огромной скоростью и, разогнавшись, могут преодолеть электрические силы отталкивания, которые между ними существуют. Когда они достаточно сблизятся, начинают действовать ядерные силы притяжения и ядра сливаются. Выделяется в тысячи раз больше тепла, чем при делении ядра.
Такой способ получения энергии называется термоядерной реакцией. Эти реакции бушуют в недрах и далёких звёзд, и близкого Солнца, дающего нам свет и тепло. Но на Земле они проявились пока в виде разрушительного взрыва водородной бомбы.
Сейчас учёные работают над тем, чтобы заставить ядра водорода соединяться постепенно. И когда мы научимся управлять термоядерными реакциями, мы сможем воспользоваться безграничными запасами энергии, заключённой в воде, которая состоит из водорода и и запасы которой неисчерпаемы.
| <-- | --> |
Зависимость энергии связи, приходящейся на один нуклон, от числа нуклонов в ядре приведена на графике.
Энергия, которая требуется, чтобы разделить ядро на отдельные нуклоны, называется энергией связи. Энергия связи, приходящаяся на один нуклон , неодинакова для разных химических элементов и, даже, изотопов одного и того же химического элемента. Удельная энергия связи нуклона в ядре колеблется, в среднем, в пределах от 1 МэВ у лёгких ядер (дейтерий) до 8,6 МэВ, у ядер среднего веса (А≈100). У тяжёлых ядер (А≈200) удельная энергия связи нуклона меньше, чем у ядер среднего веса, приблизительно на 1 МэВ, так что их превращение в ядра среднего веса (деление на 2 части) сопровождается выделением энергии в количестве около 1 МэВ на нуклон, или около 200 МэВ на ядро. Превращение лёгких ядер в более тяжёлые ядра даёт ещё больший энергетический выигрыш в расчёте на нуклон. Так, например, реакция соединения дейтерия и трития
1 D²+ 1 T³→ 2 He 4 + 0 n 1
сопровождается выделением энергии 17,6 МэВ, то есть 3,5 МэВ на нуклон .
Высвобождение ядерной энергии
Известны экзотермические ядерные реакции, высвобождающие ядерную энергию.
Обычно для получения ядерной энергии используют цепную ядерную реакцию деления ядер урана-235 или плутония . Ядра делятся при попадании в них нейтрона , при этом получаются новые нейтроны и осколки деления. Нейтроны деления и осколки деления обладают большой кинетической энергией . В результате столкновений осколков с другими атомами эта кинетическая энергия быстро преобразуется в тепло.
Другим способом высвобождения ядерной энергии является термоядерный синтез . При этом два ядра лёгких элементов соединяются в одно тяжёлое. Такие процессы происходят на Солнце.
Многие атомные ядра являются неустойчивыми. С течением времени часть таких ядер самопроизвольно превращаются в другие ядра, высвобождая энергию. Такое явление называют радиоактивным распадом .
Применение ядерной энергии
Энергия термоядерного синтеза применяется в водородной бомбе .
Примечания
См. также
Ссылки
Международные соглашения
- Конвенция об оперативном оповещении о ядерной аварии (Вена, 1986)
- Конвенция о физической защите ядерного материала (Вена, 1979)
- Венская конвенция о гражданской ответственности за ядерный ущерб
- Объединённая конвенция о безопасности обращения с отработавшим топливом и безопасности обращения с радиоактивными отходами
Литература
- Clarfield, Gerald H. and William M. Wiecek (1984). Nuclear America: Military and Civilian Nuclear Power in the United States 1940-1980 , Harper & Row.
- Cooke, Stephanie (2009). In Mortal Hands: A Cautionary History of the Nuclear Age , Black Inc.
- Cravens Gwyneth Power to Save the World: the Truth about Nuclear Energy. - New York: Knopf, 2007. - ISBN 0-307-26656-7
- Elliott, David (2007). Nuclear or Not? Does Nuclear Power Have a Place in a Sustainable Energy Future? , Palgrave.
- Falk, Jim (1982). Global Fission: The Battle Over Nuclear Power , Oxford University Press.
- Ferguson, Charles D., (2007). Nuclear Energy: Balancing Benefits and Risks Council on Foreign Relations .
- Herbst, Alan M. and George W. Hopley (2007). Nuclear Energy Now: Why the Time has come for the World’s Most Misunderstood Energy Source , Wiley.
- Schneider, Mycle, Steve Thomas, Antony Froggatt, Doug Koplow (August 2009). The World Nuclear Industry Status Report , German Federal Ministry of Environment, Nature Conservation and Reactor Safety.
- Walker, J. Samuel (1992). Containing the Atom: Nuclear Regulation in a Changing Environment, 1993-1971
- Walker, J. Samuel (2004). Three Mile Island: A Nuclear Crisis in Historical Perspective , Berkeley: University of California Press.
- Weart, Spencer R. The Rise of Nuclear Fear . Cambridge, MA: Harvard University Press, 2012. ISBN 0-674-05233-1
| Ядерные технологии | |
|---|---|
| Инженерия | |
| Материалы | |
| Ядерная энергия | |
| Ядерная медицина | |
| Ядерное оружие | |
Wikimedia Foundation . 2010 .
- Коссман, Бернхард
- Циммерман, Альберт Карл Генрих
Смотреть что такое "Ядерная энергия" в других словарях:
ЯДЕРНАЯ ЭНЕРГИЯ - (атомная энергия) внутренняя энергия атомных ядер, выделяющаяся при ядерных превращениях (ядерных реакциях). энергия связи ядра. дефект массыНуклоны (протоны и нейтроны) в ядре прочно удерживаются ядерными силами. Чтобы удалить нуклон из ядра,… …
ЯДЕРНАЯ ЭНЕРГИЯ - (атомная энергия), внутр. энергия ат. ядра, выделяющаяся при ядерных превращениях. Энергия, к рую необходимо затратить для расщепления ядра на составляющие его нуклоны, наз. энергией связи ядра?св. Это макс. энергия, к рая может выделиться.… … Физическая энциклопедия
ЯДЕРНАЯ ЭНЕРГИЯ - ЯДЕРНАЯ ЭНЕРГИЯ, ЭНЕРГИЯ, выделяемая в процессе ядерной реакции как результат перехода МАССЫ в энергию так, как описано в уравнении: Е=mс2 (где Е энергия, m масса, с скорость света); оно было выведено А. ЭЙНШТЕЙНОМ в его ТЕОРИИ ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ.… … Научно-технический энциклопедический словарь
ЯДЕРНАЯ ЭНЕРГИЯ - (атомная энергия) см. () () … Большая политехническая энциклопедия
ЯДЕРНАЯ ЭНЕРГИЯ Современная энциклопедия
ЯДЕРНАЯ ЭНЕРГИЯ - (атмная энергия) внутренняя энергия атомных ядер, выделяющаяся при некоторых ядерных превращениях. Использование ядерной энергии основано на осуществлении цепных реакций деления тяжелых ядер и реакций термоядерного синтеза легких ядер … Большой Энциклопедический словарь
Ядерная энергия - (атомная энергия), внутренняя энергия атомных ядер, выделяющаяся при некоторых ядерных реакциях. Использование ядерной энергии основано на осуществлении цепных реакций деления тяжелых ядер и реакций термоядерного синтеза легких ядер (смотри… … Иллюстрированный энциклопедический словарь
Ядерная энергия - внутренняя энергия атомного ядра, связанная с движением и взаимодействием образующих ядро нуклонов (нейтронов и протонов). Выделяется в процессе радиоактивного распада или ядерных реакций деления и синтеза. Быстрое освобождение ядерной энергии… … Морской словарь
Уже в конце 20 века проблема поиска альтернативных источников энергии стала весьма актуальной. Несмотря на то, что наша планета поистине богата природными ископаемыми, такими как нефть, уголь, древесина и т.д., все эти богатства, к сожалению, исчерпаемы. К тому же, потребности человечества растут с каждым днем и приходится искать все более новые и совершенные источники энергии.
На протяжении долгого времени человечество находило те или иные варианты решения вопроса альтернативных источников энергии, но настоящим прорывом в истории энергетики стало появление ядерной энергии. Ядерная теория прошла долгий путь развития, прежде чем люди научились применять ее в своих целях. Все началось еще в 1896 году, когда А.Беккерель зарегистрировал невидимые лучи, которые испускала урановая руда, и которые обладали большой проникающей способностью. В дальнейшем это явление получило название радиоактивности. История развития ядерной энергии содержит в себе несколько десятков выдающихся фамилий, в том числе и советских физиков. Завершающим этапом развития можно назвать 1939 год – когда Ю.Б.Харитон и Я.Б.Зельдович теоретически показали возможность осуществления цепной реакции деления ядер урана-235. Далее развитие ядерной энергетики шло семимильными шагами. По самым приблизительным подсчетам энергию, которая выделяется при расщеплении 1 килограмма урана, можно сравнить с энергией, которая получается при сжигании 2 500 000 кг каменного угля.
Но из-за начавшейся войны, все исследования были перенаправлены в военную область. Первым примером ядерной энергии, который человек смог продемонстрировать всему миру, стала атомная бомба… Потом водородная… Лишь спустя годы научное сообщество обратило свое внимание на более мирные области, где применение ядерной энергии могло бы стать действительно полезным.
Так начался рассвет самой молодой области энергетики. Стали появляться атомные электростанции (АЭС), причем первая в мире АЭС была построена в городе Обнинске Калужской области. На сегодняшний день насчитывается несколько сотен атомных электростанций по всему миру. Развитие ядерной энергетики происходило невероятно стремительно. Меньше чем за 100 лет она смогла достигнуть сверхвысокого уровня технологического развития. То количество энергии, которое выделяется при делении ядер урана или плутония, несравнимо велико – это сделало возможным создание крупных атомных электростанций промышленного типа.
Так как же получают эту энергию? Все дело в цепной реакции деления ядер некоторых радиоактивных элементов. Обычно используется уран-235 или плутоний. Деление ядра начинается, когда в него попадает нейтрон – элементарная частица, не имеющая заряда, но обладающая сравнительно большой массой (на 0,14 % больше, чем масса протона). В результате образуются осколки деления и новые нейтроны, обладающие высокой кинетической энергией, которая в свою очередь активно преобразуется в тепло.
Данный вид энергии производят не только в АЭС. Он так же используется на атомных подводных лодках и атомных ледоколах.
Для нормального функционирования АЭС им все-таки необходимо топливо. Как правило, это уран. Этот элемент имеет широкое распространение в природе, но при этом труднодоступен. В природе не существует залежей урана (как например нефти), он как бы «размазан» по всей земной коре. Самые богатые урановые руды, которые встречаются очень редко, содержат до 10% чистого урана. Уран обычно содержится в урансодержащих минералах в качестве изоморфно замещающего элемента. Но при всем это общее количество урана на планете грандиозно велико. Возможно в ближайшем будущем новейшие технологии позволят увеличить процент добычи урана.
Но столь мощный источник энергии, а значит и силы, не может не вызывать опасений. Постоянно ведутся споры о его надежности и безопасности. Трудно оценить какой ущерб наносит атомная энергетика окружающей среде. Настолько ли она эффективна и выгодна, чтобы пренебрегать такими потерями? Насколько она безопасна? Причем, в отличие от любой другой энергетики, речь ведется не только об экологической безопасности. Все прекрасно помнят страшные последствия событий в Хиросиме и Нагасаки. Когда человечество обладает такой мощью, встает вопрос а достойно ли оно такого могущества? Сможем ли мы достойно распоряжаться тем, что имеем и не разрушать это?
Если бы завтра на нашей планете закончились все запасы источников традиционной энергии, то ядерная энергетика, пожалуй, стала бы единственной областью, которая реально смогла бы заменить ее. Нельзя отрицать ее преимущества, но и не стоит забывать о возможных последствиях.
Энергия, содержащаяся в атомных ядрах и выделяемая при ядерных реакциях и радиоактивном распаде.
По прогнозам, для обеспечения потребностей человечества в энергии органических топлив хватит на 4 - 5 десятилетий. В будущем основным энергоресурсом может стать солнечная энергия. На переходный период требуется источник энергии, практически неисчерпаемый, дешевый, возобновляемый и не загрязняющий окружающую среду. И хотя ядерная энергия не отвечает полностью всем перечисленным требованиям, она развивается быстрыми темпами и с нею связана наша надежда на решение глобального энергетического кризиса.
Освобождение внутренней энергии атомных ядер возможно делением тяжелых ядер или синтезом легких ядер.
Характеристика атома . Атом любого химического элемента состоит из ядра и вращающихся вокруг него электронов. Ядро атома состоит из нейтронов и протонов. В качестве общего названия протона и нейтрона используется термин нуклон. Нейтроны не имеют электрического заряда, протоны заряжены положительно , электроны - отрицательно . Заряд протона по модулю равен заряду электрона.
Число протонов ядра Z совпадает с его атомным номером в периодической системе Менделеева. Число нейтронов в ядре за небольшим исключением больше или равно числу протонов.
Масса атома сосредоточена в ядре и определяется массой нуклонов. Масса одного протона равна массе одного нейтрона. Масса электрона составляет 1/1836 массы протона.
В качестве размерности массы атомов используется атомная единица массы (а.е.м), равная 1,66·10 -27 кг. 1 а.е.м. приблизительно равна массе одного протона. Характеристикой атома является массовое число А, равное суммарному количеству протонов и нейтронов.
Наличие нейтронов позволяет двум атомам иметь различную массу при одинаковых электрических зарядах ядра. Химические свойства этих двух, атомов будут одинаковыми; такие атомы называются изотопами. В литературе слева от обозначения элемента вверху пишут массовое число, а снизу – число протонов.
В качестве ядерного топлива в таких реакторах используется изотоп урана с атомной массой 235 . Природный уран представляет собой смесь трех изотопов: уран-234 (0,006%), уран-235 (0,711%) и уран-238 (99,283%). Изотоп уран-235 обладает уникальными свойствами - в результате поглощения нейтрона малой энергии получается ядро урана-236, которое затем расщепляется - делится на две приблизительно равные части, называемые продуктами деления (осколками). Нуклоны исходного ядра распределяются между осколками деления, однако не все - в среднем 2-3 нейтрона при этом высвобождается. В результате деления масса исходного ядра полностью не сохраняется, часть ее превращается в энергию, главным образом в кинетическую энергию продуктов деления и нейтронов. Величина этой энергии для одного атома урана 235 равна около 200 МэВ.
В активной зоне обычного реактора мощностью 1000 МВт содержится около 1 тыс.т урана, из которого только 3 - 4 % составляет уран-235. Ежесуточно в реакторе расходуется 3 кг этого изотопа. Таким образом, для снабжения реактора топливом ежесуточно должно перерабатываться 430 кг уранового концентрата, а это в среднем составляет 2150 т урановой руды
В результате реакции деления в ядерном горючем образуются быстрые нейтроны. Если они взаимодействуют с соседними ядрами делящегося вещества и, в свою очередь, вызывают в них реакцию деления, происходит лавинообразное нарастание числа актов деления. Такая реакция деления называется цепной ядерной реакцией деления.
Наиболее эффективны для развития цепной реакции деления нейтроны с энергией менее 0,1 кэВ. Их называют тепловыми, так как их энергия сопоставима со средней энергией теплового движения молекул. Для сравнения-энергия, которой обладают нейтроны, образующиеся при распаде ядер составляет 5 МэВ. Их называют быстрыми нейтронами. Для использования таких нейтронов в цепной реакции необходимо их энергию уменьшить (замедлить). Эти функции выполняет замедлитель. В веществах-замедлителях быстрые нейтроны рассеиваются на ядрах, и их энергия переходит в энергию теплового движения атомов вещества-замедлителя. В качестве замедлителя наиболее широко используется графит, жидкие металлы (теплоноситель 1-го контура).
Быстрое развитие цепной реакции сопровождается выделением большого количества тепла и перегревом реактора. Для поддержания стационарного режима реактора в активную зону реактора вводятся регулирующие стержниизматериалов, сильно поглощающих тепловые нейтроны, например, из бора или кадмия.
Кинетическая энергия продуктов распада преобразуется в теплоту. Теплота поглощается теплоносителем, циркулирующим в ядерном реакторе, и передается к теплообменнику (1-й замкнутый контур), где производится пар (2-й контур), который вращает турбину турбогенератора. Теплоносителем в реакторе служит жидкий натрий (1-й контур) и вода (2-й контур).
Уран-235 относится к невозобновляемым ресурсам и при использовании его полностью в ядерных реакторах он исчезнет навсегда. Поэтому привлекательным выглядит использование в качестве исходного топлива изотопа уран-238, встречающегося в гораздо больших количествах. Этот изотоп не поддерживает цепную реакцию под воздействием нейтронов. Но он может поглощать быстрые нейтроны, образуя при этом уран-239. В ядрах урана-239 начинается бета-распад и образуется нептуний-239 (не встречающийся в природе). Этот изотоп также распадается и превращается в плутоний-239 (не встречающийся в природе). Плутоний-239 даже в большей степени подвержен тепловой нейтронной реакции деления. В результате реакции деления в ядерном горючем плутоний-239 образуются быстрые нейтроны, которые вместе с ураном образуют новое горючее и продукты деления, выделяющие в тепловыделяющих элементах (ТВЭЛах) теплоту. В результате из килограмма природного урана можно получить в 20-30 раз больше энергии, чем в обычных ядерных реакторах на уране-235.
В современных конструкциях в качестве теплоносителя используют жидкий натрий. В этом случае реактор может работать при более высоких температурах, увеличивая тем самым термический КПД электростанции до 40% .
Однако физические свойства плутония: токсичность, малая критическая масса для самопроизвольной реакции деления, воспламенение в кислородной среде, хрупкость и самонагрев в металлическом состоянии делают его трудным в производстве, обработке и обращении. Поэтому реакторы-размножители пока менее распространены, чем реакторы на тепловых нейтронах.
В мирных целях атомная энергия используется в атомных электростанциях. Доля АЭС в мировом производстве электроэнергии составляет около 14% .
В качестве примера рассмотрим принцип получения электроэнергии на Воронежской АЭС. В активную зону реактора по каналам направляют под давлением 157 ATM (15,7 МПа) жидкий металлический теплоноситель с температурой на входе 571 К, который нагревается в реакторе до 595 К. Металлический теплоноситель направляется в парогенератор, в который поступает холодная вода, превращающаяся в пар с давлением 65,3 ATM (6,53 МПа). Пар подается на лопатки паровой турбины, которая вращает турбогенератор.
В ядерных реакторах температура производимого пара существенно ниже, чем в парогенераторе ТЭС на органическом топливе. В результате термический КПД АЭС, работающих с водой в качестве теплоносителя, только 30%. Для сравнения, у электростанций, работающих на угле, нефти или газе он достигает 40%.
Атомные электростанции используются в системах электро- и тепло-снабжения населения, а мини-АЭС на морских судах (атомоходы, атомные подводные лодки) для электропривода гребных винтов).
В военных целях ядерную энергию используют в атомных бомбах. Атомная бомба является особым реактором на быстрых нейтронах , в котором происходит быстрая неуправляемая цепная реакция с большим коэффициентом размножения нейтронов. В ядерном реакторе атомной бомбы не предусматриваются замедлители. Размеры и масса устройства вследствие этого становятся небольшими.
Ядерный заряд бомбы на уране-235 делится на две части, в каждой из которых цепная реакция невозможна. Для осуществления взрыва одна из половин заряда выстреливается в другую, а при их соединении почти мгновенно происходит взрывная цепная реакция. Взрывная ядерная реакция приводит к выделению огромной энергии. При этом достигается температура около ста миллионов градусов. Происходит колоссальный рост давления и образуется мощная взрывная волна.
Первый ядерный реактор был пущен в Чикагском университете (США) 2 декабря 1942 года. Первая атомная бомба была взорвана 16 июля 1945 года в Нью-Мехико (г.Аламогордо). Она представляла собой устройство, созданноенапринципе деления плутония. Бомба состояла из плутония, окруженного двумя слоями химического взрывчатого вещества с взрывателями.
Первой атомной электростанцией, давшей ток в 1951 году, была АЭС EBR -1 (США). В бывшем СССР - Обнинская АЭС (Калужская обл, дала ток 27 июня 1954). Первая в СССР АЭС с реактором на быстрых нейтронах мощностью 12 МВт была пущена в 1969 году в городе Димитровграде. В 1984 году в мире работало 317 атомных электростанций суммарной мощностью 191 тысяча МВт, что составило на тот период 12% (1012 кВт-ч) мирового производства электроэнергии. Крупнейшей в мире АЭС по состоянию на 1981 год была АЭС "Библис"(ФРГ), тепловая мощность реакторов которой составляла 7800 МВт.
Термоядерными реакциями называются ядерные реакции синтеза легких ядер в более тяжелые. Элементом, используемым при термоядерном синтезе, является водород. Главное преимущество термоядерного синетза - практически неограниченные ресурсы исходного сырья, которое может быть добыто из морской воды. Водород в том или ином виде составляет 90 % всего вещества. Топлива для термоядерного синтеза, содержащегося в мировом океане, хватит более чем на 1 млрд лет (солнечное излучение и человечество в солнечной системе просуществует ненамного дольше). Сырье для термоядерного синтеза, содержащееся в 33 км океанской воды эквивалентно по своему энергосодержанию всем ресурсам твердых топлив (на Земле воды в 40 миллионов раз больше). Энергия дейтерия, заключенного в стакане воды, эквивалентна сжиганию 300 литров бензина.
Существует 3 изотопа водорода : их атомные массы -1,2 (дейтерий), 3 (тритий). Эти изотопы могут воспроизводить такие ядерные реакции, при которых суммарная масса конечных продуктов реакции меньше, чем суммарная масса веществ, вступивших в реакцию. Разница в массах, как и в случае реакции деления, составляет кинетическую энергию продуктов реакции. В среднем уменьшение массы вещества, участвующего в реакции термоядерного синтеза, на 1 а.е.м. соответствует выделению 931 МэВ энергии:
H 2 +H 2 = H 3 + нейтрон +3,2 МэВ,
H 2 +H 2 = H 3 + пpoтон +4,0 МэВ,
H 2 +H 3 = Не 4 + нейтрон +17,б МэВ.
Трития в природе практически нет. Его можно получить при взаимодействии нейтронов с изотопами лития:
Li 6 +нейтрон = Не 4 +H 3 + 4,8 МэВ.
Слияние ядер легких элементов не происходит естественно (исключая процессы в космосе). Для того, чтобы заставить вступить ядра в реакцию синтеза требуются высокие температуры (порядка 107 -109К). При этом газ представляет собой ионизированную плазму. Проблема удержания этой плазмы представляет собой главное препятствие на пути использования этого метода получения энергии. Температура порядка 10 миллионов градусов характерна для центральной части Солнца. Именно термоядерные реакции являются источником энергии, обеспечивающим излучение Солнца и звезд.
В настоящее время ведутся теоретические и экспериментальные работыпоисследованию способов магнитного и инерционного удержания плазмы.
Метод использования магнитных полей. Создается магнитное поле, которое пронизывает канал движущейся плазмы. Заряженные частицы,из которых состоит плазма, во время движения в магнитном поле подвергаются воздействию сил, направленных перпендикулярно движению частиц и линиям магнитного поля. Вследствие действия этих сил частицы будут двигаться по спирали вдоль линий поля. Чем сильнее магнитное поле, тем плотнее становится поток плазмы, изолируясь тем самым от стенок оболочки.
Инерционное удержание плазмы . В реакторе осуществляются термоядерные взрывы с частотой 20 взрывов в секунду. Для реализации этой идеи частицу термоядерного топлива нагревают с помощью сфокусированного излучения 10 лазеров до температуры зажигания реакции синтеза за время, прежде- чем она успеет разлететься на заметное расстояние вследствие теплового движения атомов (10-9 с).
Термоядерный синтез лежит в основе водородной (термоядерной) бомбы. В такой бомбе происходит самоподдерживающаяся термоядерная реакция взрывного характера. Взрывчатым веществом является смесь дейтерия и трития. В качестве источника энергии активации (источник высоких температур) используется энергия ядерной бомбы деления. Первая в мире термоядерная бомба была создана в СССР в 1953 году.
В конце 50-х годов в СССР начались проработки идеи термоядерного синтеза в реакторах типа ТОКАМАК (тороидальная камера в магнитном поле катушки). Принцип работы заключается в следующем: тороидальная камера вакуумируется и заполняется газовой смесью дейтерия и трития. По смеси пропускается ток в несколько миллионов ампер. За 1-2 секунды температура смеси поднимается до сотен тысяч градусов. В камере образуется плазма. Дальнейший разогревее осуществляется инжекцией нейтральных атомов дейтерия и трития с энергией 100 - 200 кэВ. Температура плазмы поднимается до десятков миллионов градусов и начинается самоподдерживающаяся реакция синтеза. Через 10-20 минут в плазме накопятся тяжелые элементы из частично испаряющегося материала стенок камеры. Плазма остывает, термоядерное горение прекращается. Камеру нужно снова отключать и очистить от накопившихся примесей. Размеры тора при тепловой мощности реактора 5000 МВт следующие: Внешний радиус -10м; внутренний радиус - 2,5 м.
Исследования по изысканию способа управления термоядерными реакциями, т.е. применению термоядерной энергии в мирных целях, развиваются с большой интенсивностью.
В 1991 году на совместной европейской установке в Великобритании впервые было достигнуто значительное энерговыделение в ходе управляемого термоядерного синтеза. Оптимальный режим поддерживался в течение 2 секунд и сопровождался высвобождением энергии порядка 1,7 МВт. Максимальная температура составила 400 млн градусов.
Термоядерный электрогенератор. При использовании дейтерия в качестве термоядерного топлива две трети энергии должно освобождаться в виде кинетической энергии заряженных частиц. Электромагнитными методами эта энергия может быть превращена в электрическую энергию.
Электроэнергия может быть получена при стационарном режиме работы установки и импульсном. В первом случае получающиеся в результате самоподдерживающейся реакции синтеза ионы и электроны тормозятся магнитным полем. Ионный ток от электронного отделяется при помощи поперечного магнитного поля. КПД такой системы при прямом торможении будет около 50%, а остальная энергия перейдет в тепло.
Термоядерные двигатели (не реализованы). Область применения: космические аппараты. Полностью ионизированная дейтериевая плазма при температуре 1 миллиард градусов Цельсия удерживается в виде шнура линейным магнитным полем катушек из сверхпроводников. Рабочее тело подается в камеру через стенки, охлаждая их, и нагревается, обтекая плазменный шнур. Осевая скорость истечения ионов на выходе из магнитного сопла 10000 км/с.
В 1972 году на одном заседаний Римского клуба - организации, изучающей причины и занимающейся поиском решений проблем планетарного масштаба - прозвучал доклад, подготовленный учеными Э. фон Вайнцзеккером, А. Х.Ловинсом и произведший эффект разорвавшейся бомбы. Согласно данным, приведенным в докладе находящихся на планете источников энергии - угля, газа, нефти и урана - хватит до 2030 года. Для добычи угля, с которого можно будет получить энергии на 1 доллар, потребуется затратить энергию, стоимостью 99 центов.
Урана-235, служащего топливом для атомных электростанций, в природе не так уж и мною: всего в мире 5% от общего количества урана, 2% из них приходится на Россию. Поэтому АЭС могут использоваться только во вспомогательных целях. Исследования ученых, пытавшихся получать энергию из плазмы на "ТОКАМАКах", остались по сей день дорогостоящими упражнениями. В 2000 году появились сообщения, что Европейское атомное сообщество (ЦЕРН) и Япония строят первый сегмент ТОКАМАКа.
Спасением может оказаться не "мирный атом" АЭС, а "военный" – энергия термоядерной бомбы.
Свое изобретение российские ученые назвали котел взрывного сгорания (КВС). В основе принципа действия КВС лежит взрыв сверхмалой термоядерной бомбы в специальном саркофаге - котле. Взрывы происходят регулярно. Интересно, что в КВС давление на стенки котла во время взрыва оказывается меньше, чем в цилиндрах обыкновенного автомобиля.
Для безопасной работы КВС внутренний диаметр котла должен быть не менее 100 метров. Двойные стальные стенки и железнобетонная оболочка 30 метровой толщины будут гасить колебания. На сооружение его только высококачественной стали пойдет как на два современных военных линкора. Возводить КВС планируется 5 лет. В 2000 году в одном из закрытых городов России был подготовлен проект по строительству экспериментальной установки под "бомбу" в 2-4 килотонны ядерного эквивалента. Стоимость этого КВС - 500 миллионов долларов. Ученые подсчитали, что он окупится через год, и еще 50 лет будет давать практически бесплатные электроэнергию и тепло. По словам руководителя проекта, стоимость энергии, эквивалентной выделяемой при сжигании тонны нефти, будет менее 10 долларов.
40 КВГ способны удовлетворить потребности всей национальной энергетики. Сотня - всех стран Евразийского континента.
В 1932 году был экспериментально обнаружен позитрон - частица с массой электрона, но с положительным зарядом. Вскоре было высказано предположение о существовании в природе зарядовой симметрии: а) у каждой частицы должна быть античастица; б) законы природы не изменяются при замене всех частиц соответствующими античастицами и наоборот. Антипротон и антинейтрон были открыты в середине 50-х годов. В принципе может существовать антивещество, состоящее из атомов, в ядра которых входят антипротоны и антинейтроны, а их оболочку образуют позитроны.
Сгустки антивеществ космологических размеров составляли бы антимиры, но они не обнаружены в природе. Антивещество синтезировано лишь в лабораторных масштабах. Так, в 1969 году на Серпуховском ускорителе советские физики зарегистрировали ядра антигелия, состоящие из двух антипротонов и одного антинейтрона.
Применительно к возможностям преобразования энергии антивещество примечательно тем, что при соприкосновении его с веществом происходит аннигиляция (уничтожение) с высвобождением колоссальной энергии (оба типа вещества исчезают, превращаясь в излучение). Так, электрон и позитрон, аннигилируя, порождают два фотона. Один вид материи – заряженные массивные частицы - переходит в другой вид материи - в нейтральные безмассовые частицы. Пользуясь соотношением Эйнштейна об зквивалентности энергии и массы (E=mc 2), нетрудно рассчитать, что при аннигиляции одного грамма вещества возникает такая же энергия, какую можно получить при сжигании 10000 тонн каменного угля, а одной тонны антивещества было бы достаточно, чтобы обеспечить на год энергией всю планету.
Астрофизики полагают, что именно аннигиляция обеспечивает гигантскую энергию квазизвездных объектов - квазаров.
В 1979 году группе американских физиков удалось зарегистрировать наличие природных антипротонов. Их принесли космические лучи.