Почему ядерную энергетику называют атомной. Ядерная энергия. Применение ядерной энергии в промышленности

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.

Атомная энергия - энергия, выделяющаяся в процессе превращения атомных ядер. Источником атомной энергии является внутренняя энергия атомного ядра.

Более точное название атомной энергии - ядерная энергия. Различают два получения ядерной энергии:
- осуществление ядерной цепной реакции деления тяжелых ядер;
- осуществление термоядерной реакции синтеза легких ядер.

Мифы об атомной энергии

Мировые запасы урана иссякают. Об истощении природных ресурсов в наше время знает даже ребёнок. И действительно, запасы многих полезных ископаемых стремительно иссякают. Запасы урана в настоящее время оцениваются как "относительно ограниченные", но это не так уж и мало. Для сравнения, урана столько же, сколько олова и в 600 раз больше, чем золота. По предварительной оценке учёных, запасов этого радиоактивного метала должно хватить человечеству на ближайшие 500 лет. К тому же современные реакторы могут использовать в качестве топлива торий, а его мировые запасы в свою очередь превышают запасы урана в 3 раза.

Атомная энергия крайне отрицательно воздействует на окружающую среду. Представители различных антиатомных кампаний часто заявляют, что атомная энергия содержит "скрытые эмиссии" газов, которые оказывают отрицательное воздействие на окружающую среду. Но по всем современным сведениям и подсчетам атомная энергия даже по сравнению с солнечной или гидроэнергией, которые считаются практически экологически безвредными, содержит достаточно низкий уровень углерода.

Ветровая и энергия волн гораздо менее вредны с точки зрения экологии. В действительности же ветряные станции строятся или уже построены на важнейших прибрежных участках, и само строительство уже определенно загрязняет окружающую среду. А строительство волновых станций еще является экспериментальным, и его влияние на окружающую среду точно не известно, поэтому их сложно назвать намного более экологически устойчивыми по сравнению с атомной энергией.

На территории нахождения атомных реакторов выше уровень заболевания лейкемией. Уровень заболевания лейкемией среди детей в близости от АЭС не выше чем, например, в районах около так называемых, органических ферм. Территория распространения этого заболевания может охватить как территорию вокруг атомной станции, так и национальный парк, степень опасности абсолютно одинакова.

Атомные реакторы производят слишком много отходов. На самом деле атомная энергия производит минимальное количество отходов, вопреки заявлениям защитников окружающей среды. Земля вовсе не заполнена радиоактивными отходами. Современные технологии производства атомной энергии позволят свести к минимуму долю от общего количества радиоактивных отходов в течение ближайших 20-40 лет.

Атомная энергия способствует распространению в мире оружия. Увеличение количества атомных станций приведет как раз к сокращению распространения оружия. Атомные боеголовки производят реакторное топливо очень хорошего качества, а реакторные боеголовки производят около 15% мирового ядерного топлива. Возрастающий спрос на реакторное топливо, как предполагается, "отвлечет" подобные боеголовки от потенциальных террористов.

Террористы выбирают атомные реакторы в качестве мишеней. После трагедии 11 сентября 2001 года был проведен ряд научных исследований с целью определения вероятности нападения на атомные объекты. Однако последние британские исследование доказали, что атомные станции вполне способны "выдержать" даже налет Боинга 767-400. Новое поколение атомных реакторов будет сконструировано с усиленным уровнем защиты от потенциальных атак всех существующих самолетов, а также планируется введение специальных функций систем безопасности, которые могут активизироваться без вмешательства человека или компьютерного контроля.

Атомная энергия является очень дорогостоящей. Спорное утверждение. По данным британского министерства торговли и промышленности, расходы на производство электричества атомными станциями, превышают лишь цены на газ, и в 10-20 раз меньше энергии, произведенной береговыми ветряными станциями. Кроме этого, 10% от общей стоимости атомной энергии приходится на уран, и атомная энергия не настолько подвержена постоянным колебаниям цен на такие виды топлива, как газ или нефть.

Вывод атомной станции из эксплуатации обходится очень дорого. Подобное высказывание распространяется только на атомные станции, построенные ранее. Многие из существующих ныне атомных реакторов были построены без расчета на последующий вывод их из эксплуатации. Но при строительстве новых атомных станций этот момент уже будет учитываться. Однако стоимость вывода АЭС из эксплуатации будет входить в стоимость электричества, за которое платят потребители. Современные реакторы рассчитаны на работу в течение 40 лет, и сумма за вывод их из эксплуатации будет выплачиваться в течение этого длительного срока, а потому будет незначительно сказываться на цене электричества.

Строительство АЭС занимает слишком долгое время. Это, пожалуй, самое немотивированное из всех заявлений антиатомных кампаний. Строительство АЭС занимает от 4 до 6 лет, что сопоставимо со сроками возведения "традиционных" электростанций. Модульное строение новых АЭС может несколько ускорить процесс возведения атомных электростанций.

Когда стало ясно, что углеводородные источники сырья, такие как нефть, газ, уголь – исчерпываются. Это означает, что мы должны искать новые виды энергии. Сейчас очень серьёзно встал вопрос о возможности катастрофических изменений климата, связанных с тем, что обычные тепловые станции создают парниковый слой газа. И в результате, на Земле происходит глобальное потепление. Это абсолютно определённо. Надо искать новые виды энергии, которые не приводят к этому.

Кувшинов Вячеслав Иванович:
Строение атома и структура атома (то что он имеет внутри ядро) стало известно только в прошлом веке. Когда шла Вторая мировая война шла, стало ясно, что из ядра атома можно извлечь колоссальную энергию. Естественно, продумывался вариант, как это можно использовать с точки зрения оружия, с точки зрения атомной бомбы.
И только в 50-х годах, встал вопрос о мирном использовании атомной энергии, возникло понятие «мирный атом».

Первая Атомная электростанция в Советском Союзе была построена в Обнинске. Любопытно, что директором первой Атомной электростанции был академик Андрей Капитонович Красин, который, кстати, потом стал директором Института энергетических и ядерных исследований «Сосны».

Кувшинов Вячеслав Иванович:
Возьмёмпротоны и нейтроны, из которых состоит ядро. Если они сидят внутри ядра – они тесно связаны ядерными силами. Почему тесно? Потому что, например, два протона – имеют одинаковый электрический заряд, они должны колоссально отталкиваться, однако, они стянуты. Таким образом, внутри ядра есть ядерные силы. И, оказывается, что часть массы протонов и нейтронов переходит в энергию. И существует такая знаменитая формула, которую сейчас даже на майках пишут E = Mc2 . E - энергия, M - это масса частиц, С в квадрате – это скорость света.
Оказывается, есть ещё специальная энергия, которая связана с массой тела. И если в ядре есть какая-то запасённая энергия, если ядро раскололи, то эта энергия в виде энергии осколков выделяется. И именно её количество (Е) равно (М) на (квадрат скорости света). Вот в результате деления одного ядра у вас появляется некая энергия в виде энергии осколков.
Тут интересно то, что когда происходит деление большого количества, например, уранового топлива, то происходит цепная ядерная реакция. Это означает, что ядра делятся практически одновременно. При этом выделяется колоссальное количество энергии. Например, 1,5 кг уранового топлива может заменить 1,5 вагона угля.

Какую роль играет скорость света в этой универсальной формуле?

Кувшинов Вячеслав Иванович:
Эйнштейн построил свои формулы изменения скорости света из одной системы координат в другую, из которой следует, что скорость света – постоянная, а все другие скорости других тел и предметов – меняются. Любопытно, что из формулы относительности Эйнштейна выходит, что путешествие во времени – возможно!Из неё следует так называемый «парадокс близнецов». Он заключается в том, что один из близнецов, находящийся в ракете, разогнанной до скорости, близкой к скорости света, состарится меньше своего брата, остающегося на Земле.

Кувшинов Вячеслав Иванович, профессор, генеральный директор «Объединённого института энергетических и ядерных исследований «Сосны»:
По данным МАГАТЭ, только включение атомной энергии дает наиболее низкую стоимость электроэнергии. Белорусы увидят это преимущество в своих «жировках».

По исследованиям МГАТЭ к 2020 в топливно- энергетическом балансе Беларуси возникнет, как говорят, дыра. Специалисты утверждают, что закрыть пробел в потреблении энергии возможно будет только с помощью действующей атомной электростанции.

По данным МАГАТЭ в мире действует 441 энергоблок. Вокруг Беларуси 5 атомных электростанций. В соседской Украине действует Ровенская АЭС, в России – Смоленская, Ленинградская и в процессе строительства Балтийская АЭС.

Николай Груша, директор Департамента ядерной энергетки Министерства энергетики РБ:
Основная задача строительства АЭС, и вообще, основная задача энергетической политики в РБ – это снижение зависимости от поставок природного газа.
В вводом в эксплуатацию АЭС мощностью более 2 млн киловатт, во-первых, будет вырабатываться порядка 27-29 % всей производимой электроэнергии на АЭС. Это позволит заместить примерно 5 млрд кубических метров природного газа. То есть почти четверть того, что мы сегодня потребляем.

Атом состоит из ядра, окруженного облаками частиц, называемых электронами (см. рис.). В ядрах атомов — мельчайших частиц, из которых состоят все вещества, - содержится значительный запас . Именно эта энергия высвобождается в виде радиации при распаде радиоактивных элементов. Радиация опасна для жизни, однако ядерные реакции могут использоваться для производства . Радиация также используется в медицине.

Радиоактивность

Радиоактивность - это свойство ядер не­стабильных атомов излучать энергию. Большинство тяжелых атомов нестабильны, а у более легких атомов бывают радиоизотопы, т.е. радиоактивные изотопы. Причина радиоактивности в том, что атомы стремятся стать стабильными (см. статью « «). Существуют три вида радиоактивного излучения: альфа-лучи , бета-лучи и гамма-лучи . Они называются так по трем первым буквам греческого алфавита. Вначале ядро испускает альфа или бета-лучи, а если оно все еще остается нестабильным, ядро испускает и гамма-лучи. На рисунке вы видите три атомных ядра. Они нестабильны, и каждый из них испускает один из трех видов лучей. Бета-частицы – это электроны с очень большой энергией. Они возникают при распаде нейтрона. Альфа-частицы состоят из двух протонов и двух нейтронов. Точно такой же состав имеет ядро атома гелия. Гамма-лучи – это электромагнитное излучение большой энергии, распространяющееся со скоростью света.

Альфа-частицы движутся медленно, и слой вещества бо­лее толстый, чем лист бумаги, задерживает их. Они ничем не отличаются от ядер атомов гелия. Ученые полагают, что гелий на Земле есть продукт естественной радиоактивности. Альфа-частица пролетает менее 10 см, и лист плотной бумаги задержит её. Бета-частица пролетает в воздухе около 1 метра. Задержать её может лист меди толщиной 1 миллиметр. Интенсивность гамма-лучей спадает наполовину при проходе через слой свинца в 13 миллиметров или слой в 120 метров.

Радиоактивные вещества транспортируются в свинцовых контейнерах с толстыми стенками, чтобы предотвратить утечку радиации. Воз­действие радиации вызывает у человека ожоги, катаракту, рак. Уровень радиации измеряется при помощи счетчика Гейгера . Этот прибор издаёт щелчки при обнаружении радиоактивного излучения. Испустив части­цы, ядро приобретает новый атомный номер и превращается в ядро другого элемента. Этот процесс называют радиоактивным распадом . Если новый элемент также нестабилен, процесс распада продолжается до тех пор, пока не образуется стабильное ядро. К примеру, когда атом плутония-2 (его масса 242) испускает альфа-частицу относительная атомная масса которой 4 (2 протона и 2 нейтрона), он превращается в атом урана — 238 (атомная масса 238). Период полураспада - это время, за которое распадается половина всех атомов в образце данного вещества. Разные имеют разные периоды полураспада. Период полураспада радия-221 равен 30 секунд, тогда как у урана он составляет 4,5 млрд. лет.

Ядерные реакции

Существуют два вида ядерных реакций: ядерный синтез и деление (расщепление) ядра . «Синтез» означает «соединение»; при ядерном синтезе два ядра соединяют­ся и одно большое. Ядерный синтез может происходить только при очень высоких . При синтезе выделяется огромное количество энергии. При ядерном синтезе два ядра соединяются в одно большое. В 1992 году спутник КОБЕ обнаружил в космосе особый вид радиации, что подтверждает теорию о том, что образовалась в результате так называемого Большого взрыва . Из термина «расщепление» ясно, что ядра раскалываются, высвобождая ядерную энергию. Такое возможно при бомбардировке ядер нейтронами и происходит в радиоактивных веществах либо в особом устройстве, называемом ускорителем частиц . Ядро делит­ся, излучая ней­троны и выделяя колоссальную энергию.

Ядерная энергия

Энергию, высвобождаемую при ядерных реакциях, можно использовать для производства электричества и как источник энергии на атомных подводных лодках и на авианосцах. Действие атомной электростанции основано делении ядер в ядерных реакторах. Стержень, сделан из радиоактивного вещества, например урана, бомбардируют нейтронами. Ядра урана расщепляются, излучая энергию. При этом освобождаются новые нейтроны. Такой процесс называют цепной реакцией . Из единицы массы топлива электростанции производит больше энергии, чем любые другие электростанции, однако меры безопасности и захоронение радиоактивных отходов стоит чрезвычайно дорого.

Ядерное оружие

Действие ядерного оружия основано на том, что неконтролируемый выброс огромного количества ядерной энергии приводит к страшному взрыву. В конце второй мировой войны США сбросили атомные бомбы на японские города Хиросиму и На­гасаки. Сотни тысяч людей погибли. Атомные бомбы основаны на реакциях деления , водородные — на реакциях синтеза . На рисунке изображена атомная бомба, сброшенная на Хиросиму.

Радиоуглеродный метод

Радиоуглеродным методом определяют время, прошедшее после смерти организма. В живой содержится небольшое количество углерода-14, радиоактивного изо­топа углерода. Его период полураспада составляет 5700 лет. Когда организм умирает, запасы уг­лерода-14 в тканях, истощаются, изо­топ распадается, и по оставшемуся его количеству можно определить, как давно организм умер. Благодари радиоуглеродному методу можно узнать, как давно произошло извержение . Для этого используют застывших в лаве насекомых и пыльцу.

Как ещё используется радиоактивность

В промышленности при помощи радиации определяют толщину листа бумаги или пластика (см. статью « «). По интенсивности бета-лучей, проходящих сквозь лист, можно обнаружить даже небольшую неоднородность его толщины. Продукты питания - фрукты, мясо - облучают гам­ма-лучами, чтобы они остались свежими. Используя радиоактивность, медики прослеживают путь вещества в организме. Например, чтобы определить, как сахар распределяет­ся в теле пациента, врач может ввести немного углерода-14 в молекулы сахара и следить за излучением этого вещества, попавшего в организм. Радиотерапия, то есть облучение больного строго дозированными порциями излучения, убивает раковые клетки – чрезмерно разросшиеся клетки организма.

Когда немецким химикам Отто Гану и Фрицу Штрассману впервые удалось в 1938 г. расщепить ядро урана посредством нейтронного облучения, они не спешили сообщать публике о масштабах своего открытия. Эти эксперименты заложили основу использования атомной энергии — как в мирных, так и в военных целях.

Побочный продукт атомной бомбы

Отто Ган, сотрудничавший до своей эмшрации в 1938 г. с австрийским физиком Лизой Мейтнер, прекрасно сознавал, что расщепление ядра урана — неостановимая цепная реакция — означает атомную бомбу. США, сгремясь опередить Германию в создании ядерного оружия, начали Манхэттенский проект, предприятие невиданного размаха. В невадской пустыне выросли три города. Здесь работали в глубокой тайне 40 000 человек Под руководством Робсрга Оппенгеймера, «отца атомной бомбы», в рекордные сроки возникли около 40 исследовательских учреждений, лабораторий и заводов. Для добычи плутония был создан первый атомный реактор под трибуной футбольного стадиона Чикагского университета. Здесь под руководством Энрико Ферми была в 1942 г. запущена первая контролируемая самоподдерживающаяся цепная реакция. Для выделявшегося в результате тепла тогда еще не нашли полезного применения.

Электрическая энергия из ядерной реакции

В1954 г., в СССР была запущена первая в мире атомная электростанция. Она располагалась в Обнинске, примерно в 100 км от Москвы, и имела мощность 5 МВт. В1956 г. в английском местечке Колдер-Холл начал работу первый крупный ядерный реактор. Эта АЭС имела газовое охлаждение, обеспечивавшее относителыгую безопасность эксплуатации. Но на мировом рынке большее распространение получили разработанные в США в 1957 г. водо-водяные атомные реакторы, охлаждаемые водой под давлением. Такие станции можно строить со сравнительно низкими затратами, однако их надежность оставляет желать лучшего. На украинской атомной станции Чернобыль расплавление активной зоны реактора привело к взрыву с выбросом радиоактивных веществ в окружающую среду. Катастрофа, приведшая к гибели и тяжелым заболеваниям тысяч людей, повлекла за собой, особенно в Европе, многочиеленные протесты против использования атомной энергии.

• 1896 г.: Анри Бекерель открыл радиоактивное излучение урана.
• 1919 гл Эрнесту Резерфорду впервые удалось искусствешю вызвать ядерную реакцию, бомбардируя альфа-частицами атомы азота, превращавшегося при этом в кислород.
• 1932 г.: Джемс Чедвик обстреливая альфа-частицами атомы бериллия, открыл нейтроны.
• 19.38 г.: Отто Ган впервые добивается в лаборатории цепной реакции, расщепив нейтронами ядро урана.