Примеры ядерной энергии. Первый Ядерный реактор — Кто придумал? Побочный продукт атомной бомбы

В природе ядерная энергия выделяется в звёздах , а человеком применяется, в основном, в ядерном оружии и ядерной энергетике , в частности, на атомных электростанциях .

Физические основы

Энергия связи

Хотя ядро состоит из нуклонов, однако масса ядра - это не просто сумма масс нуклонов. Энергия, которая удерживает вместе эти нуклоны, наблюдается как разница в массе ядра и массах составляющих его отдельных нуклонов, с точностью до коэффициента c 2 , связывающего массу и энергию уравнением E = m ⋅ c 2 . {\displaystyle E=m\cdot c^{2}.} Таким образом, определив массу атома и массу его компонент, можно определить среднюю энергию на нуклон, удерживающую вместе различные ядра.

Из графика можно видеть, что очень лёгкие ядра имеют меньшую энергию связи на нуклон, чем ядра, которые немного тяжелее (в левой части графика). Это является причиной того, что в термоядерных реакциях (то есть при слиянии лёгких ядер) выделяется энергия. И наоборот, очень тяжёлые ядра в правой части графика имеют более низкую энергию связи на нуклон, чем ядра средней массы. В связи с этим деление тяжёлых ядер также энергетически выгодно (то есть происходит с выделением ядерной энергии). Следует отметить также, что при слиянии (в левой части) разница масс гораздо больше, чем при делении (в правой части).

Энергия, которая требуется, чтобы разделить полностью ядро на отдельные нуклоны, называется энергией связи E с ядра. Удельная энергия связи (то есть энергия связи, приходящаяся на один нуклон , ε = E с /A , где A - число нуклонов в ядре, или массовое число), неодинакова для разных химических элементов и даже для изотопов одного и того же химического элемента. Удельная энергия связи нуклона в ядре меняется в среднем в пределах от 1 МэВ у лёгких ядер (дейтерий) до 8,6 МэВ у ядер средней массы (с массовым числом А ≈ 100 ). У тяжёлых ядер (А ≈ 200 ) удельная энергия связи нуклона меньше, чем у ядер средней массы, 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 ядер дейтерия и трития

сопровождается выделением энергии 17,6 МэВ , то есть 3,5 МэВ на нуклон .

Деление ядер

Появление 2,5 нейтронов на акт деления позволяет осуществить цепную реакцию , если из этих 2,5 нейтронов как минимум один сможет произвести новое деление ядра урана. Обычно испускаемые нейтроны не делят ядра урана сразу же, но сначала должны быть замедлены до тепловых скоростей (2200 м/с при T =300 K). Замедление достигается наиболее эффективно с помощью окружающих атомов другого элемента с малым A , например водорода , углерода и т. п. материала, называемого замедлителем.

Некоторые другие ядра также могут делиться при захвате медленных нейтронов, например 233 U или 239 . Однако возможно также деление быстрыми нейтронами (высокой энергии) таких ядер как 238 U (его в 140 раз больше, чем 235 U) или 232 (его в земной коре в 400 раз больше, чем 235 U).

Элементарная теория деления была создана Нильсом Бором и Дж. Уилером с использованием капельной модели ядра .

Деление ядер также может быть достигнуто с помощью быстрых альфа-частиц , протонов или дейтронов . Однако эти частицы, в отличие от нейтронов, должны иметь большую энергию для преодоления кулоновского барьера ядра.

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 , реже других тяжёлых ядер (уран-238 , торий-232). 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. В природе такие процессы происходят на Солнце и в других звёздах, являясь основным источником их энергии.

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

Деление

В настоящее время из всех источников ядерной энергии наибольшее практическое применение имеет энергия, выделяющаяся при делении тяжёлых ядер. В условиях дефицита энергетических ресурсов ядерная энергетика на реакторах деления считается наиболее перспективной в ближайшие десятилетия. На атомных электрических станциях ядерная энергия используется для получения тепла, используемого для выработки электроэнергии и отопления. Ядерные силовые установки решили проблему судов с неограниченным районом плавания (атомные ледоколы , атомные подводные лодки , атомные авианосцы).

Энергия деления ядер урана или плутония применяется в ядерном и термоядерном оружии (как пускатель термоядерной реакции и как источник дополнительной энергии при делении ядер нейтронами, возникающими в термоядерных реакциях).

Существовали экспериментальные ядерные ракетные двигатели, но испытывались они исключительно на Земле и в контролируемых условиях, по причине опасности радиоактивного загрязнения в случае аварии.

Атомные электростанции в 2012 году производили 13 % мировой электроэнергии и 5,7 % общего мирового производства энергии . Согласно отчёту Международного агентства по атомной энергии (МАГАТЭ), на 2013 год насчитывается 436 действующих ядерных энергетических (то есть производящих утилизируемую электрическую и/или тепловую энергию) реакторов в 31 стране мира . Кроме того, на разных стадиях сооружения находится ещё 73 энергетических ядерных реакторов в 15 странах . В настоящее время в мире имеется также около 140 действующих надводных кораблей и подводных лодок, использующих в общей сложности около 180 реакторов . Несколько ядерных реакторов были использованы в советских и американских космических аппаратах, часть из них всё ещё находится на орбите. Кроме того, в ряде приложений используется ядерная энергия, генерируемая в нереакторных источниках (например, в термоизотопных генераторах). При этом не прекращаются дебаты об использовании ядерной энергии . Противники ядерной энергетики (в частности, такие организации, как «Гринпис ») считают, что использование ядерной энергии угрожает человечеству и окружающей среде . Защитники ядерной энергетики (МАГАТЭ, Всемирная ядерная ассоциация и т. д.), в свою очередь, утверждают , что этот тип энергетики позволяет снизить выбросы парниковых газов в атмосферу и при нормальной эксплуатации несёт значительно меньше рисков для окружающей среды, чем другие типы энергогенерации.

Термоядерный синтез

Энергия термоядерного синтеза применяется в водородной бомбе . Проблема управляемого термоядерного синтеза пока не решена, однако в случае решения этой проблемы он станет практически неограниченным источником дешёвой энергии.

Радиоактивный распад

Энергия, выделяемая при радиоактивном распаде, используется в долгоживущих источниках тепла и бета-гальванических элементах. Автоматические межпланетные станции типа

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.

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.

4. Атомные электростанции

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.

Ядерная энергия - страшная и одновременно с этим прекрасная сила. При радиоактивном распаде и ядерных реакциях, протекающих в атомах, выделяется колоссальное количество энергии, которую люди пытаются использовать. Пытаются, потому что с развитием ядерной энергетики не только было сопряжено много жертв, но и катастроф (например, Чернобыльская АЭС). Тем не менее атомные электростанции по всему миру функционируют и производят порядка 15 процентов от мировой электроэнергии. Ядерные реакторы имеются в 31 стране мира. Также ядерными реакторами оснащаются корабли и подводные лодки. В любом случае отношение к ядерной энергии и вообще всему, что связано с ядерным распадом (в отличие от синтеза), ухудшается каждый год. Наступит день, когда энергия атома будет исключительно мирной.

В последних сериях сериала «Чернобыль» телекомпании HBO российские ученые открывают правду на причину произошедшего взрыва реактора 4-го энергоблока Чернобыльской АЭС, «опылившим» впоследствии радиоактивным цезием территории 17 стран Европы общей площадью 207,5 тысяч квадратных километров. Катастрофа на Чернобыльской АЭС выявила фундаментальные недостатки в реакторе РБМК-1000. Несмотря на это, сегодня 10 реакторов типа РБМК-1000 все еще работают в России. Безопасны ли они? По словам западных экспертов в ядерной физике, которые поделились своим мнением с порталом Live Science, этот вопрос остается открытым.

Атом состоит из ядра, вокруг которого вращаются частицы, называемые электронами.

Ядра атомов это мельчайшие частицы. Они - основа для всего вещества и материи.

В них заложен большой запас энергии.

Эта энергия высвобождается в виде радиации, когда распадаются некоторые радиоактивные элементы. Радиация опасна для всего живого на земле, но вместе с тем её используют для производства электричества и в медицине.

Радиоактивность — это свойство ядер не-стабильных атомов излучать энергию. Большая часть тяжелых атомов нестабильна, а у атомов, что полегче имеются радиоизотопы, т.е. радиоактивные изотопы. Причиной появления радиоактивности служит то, что атомы стремятся получить стабильность. На сегодня известно три типа радиоактивного излучения: альфа, бета и гамма. Назвали их так по первым буквам греческого алфавита. Первыми ядро излучает альфа или бета-лучи. Но если оно все еще остается нестабильным, тогда исходят гамма-лучи. Нестабильными могут быть три атомных ядра и каждое из них может излучать какой-либо из типов лучей.

На рисунке изображены три атомных ядра.

Они нестабильны и каждый из них излучает один из трех типов лучей.

Альфа-частицы имеют в составе два протона и два нейтрона. Абсолютно таким же составом обладает и ядро атома гелия. Двигаются альфа-частицы медленно и поэтому их может задержать любой материал толще, чем бумажный лист. Они мало чем отличаются от ядер атомов гелия. Большинство учёных выдвигают версию о том, что гелий на Земле имеет естественное радиоактивное происхождение.

Бета-частицы - это электроны, обладающие огромной энергией. Их образование происходит при распаде нейтронов. Бета-частицы также не особо быстры, могут пролетать по воздуху до одного метра. Поэтому препятствием на их пути может стать медный лист миллиметровой толщины. А если выставить заслон из свинца в 13 мм или из слоя воздуха в 120 метров, то можно уменьшить гамма-излучение вдвое.

Гамма-лучи - это электромагнитное излучение обладающее огромной энергией. Его скорость движения равна скорости света.

Транспортировку радиоактивных веществ производят в специальных свинцовых контейнерах с толстыми стенами для предотвращения утечки радиации.

Воздействие радиации крайне опасно на человека.

Она вызывает ожоги, катаракту, провоцирует развитие рака.

Измерить уровень радиации помогает специальный прибор - счётчик Гейгера, который издаёт щёлкающие звуки при появлении источника радиации.

Когда ядро испускает частицы, то оно превращается в ядро другого элемента, изменив при этом свой атомный номер. Это называется периодом распада элемента. Но если вновь образовавшийся элемент по-прежнему нестабилен, то процесс распада продолжается. И так до тех пор, пока элемент не станет стабилен. У многих радиоактивных элементов этот период занимает десятки, сотни и даже тысячи лет, поэтому принято измерять период полураспада. Взять, к примеру, атом плутония-2 с массой 242. После излучения им альфа-частиц с относительной атомной массой 4, он становится атомом урана-238 с такой же атомной массой.

Ядерные реакции.

Ядерные реакции делятся на два вида: ядерный синтез и деление(расщепление) ядра.

Синтез или иначе "соединение" подразумевает под собой соединение двух ядер в одно большое под воздействием очень высокой температуры. В этот момент выделяется большое количество энергии.

При делении и расщеплении происходит процесс деления ядра, освобождая при этом ядерную энергию.

Происходит это тогда, когда ядро бомбардируется нейтронами в специальном устройстве по д названием "ускоритель частиц".

При делении ядра и излучения нейтронов, выделяется просто колоссальное количество энергии.

Известно, что для получения большого количества электроэнергии необходима лишь единица массы радио топлива. Ни одна другая электростанция ничем подобным похвастаться не может.

Ядерная энергия.

Таким образом, энергию, что высвобождается при ядерной реакции, используют для получения электричества или как источник энергии в подводных и надводных судах. Процесс получения электричества на атомной станции основан на делении ядер в ядерных реакторах. В огромном резервуаре находятся стержни из радиоактивного вещества (например, урана).

Они атакуются нейтронами и расщепляются, выделяя энергию. Новые нейтроны расщепляются дальше и дальше. Это называется цепной реакцией. Эффективность подобного метода получения электричества невероятно высока, но меры безопасности и условия захоронения чересчур дорогостоящие.

Однако человечество использует ядерную энергию не только в мирных целях. В середине 20-го века было испытано и опробовано ядерное оружие.

Его действие заключается в выбросе огромного потока энергии, который приводит к взрыву. Когда заканчивалась Вторая мировая война, США, применили против Японии ядерное оружие. Они сбросили на города Хиросиму и Нагасаки атомные бомбы.

Последствия были просто катастрофическими.

Одних человеческих жертв было несколько сотен тысяч.

Но на этом учёные не остановились и разработали водородное оружие.

Их отличи в том, что ядерные бомбы основаны на реакциях деления ядер, а водородные на реакции синтеза.

Радиоуглеродный метод.

Для получения информации о времени смерти организма, применяют метод радиоуглеродного анализа. Известно, что в живой ткани содержится некоторое количество углерода-14, который является радиоактивным изотопом углерода. Период полураспада, которого равен 5700 лет. После смерти организма запасы углерода-14 в тканях уменьшаются, изотоп распадается, и по оставшемуся его количеству определяют время смерти организма. Так, например, можно узнать, как давно случилось извержение вулкана. Это можно узнать по застывшим в лаве насекомым и пыльце.

Каким образом ещё используется радиоактивность.

Радиацию используют и в промышленной сфере.

Гамма-лучами облучают продукты питания, чтобы сохранить их свежесть.

В медицине применяют радиацию при исследовании внутренних органов.

Также есть методика под названием радиотерапия. Это когда больного облучают малыми дозами, уничтожая раковые клетки в его организме.