Примери за ядрена енергия. Първият ядрен реактор - Кой го е изобретил? Страничен продукт от атомната бомба

В природата ядрената енергия се освобождава в звездите, а от човека се използва главно в ядрените оръжия и ядрената енергия, по-специално в атомните електроцентрали.

Физически основи

Енергия на връзката

Въпреки че ядрото се състои от нуклони, обаче, масата на ядрото не е просто сбор от масите на нуклоните. Енергията, която държи тези нуклони заедно, се наблюдава като разликата в масата на ядрото и масите на съставните му отделни нуклони, до фактор ° С 2, която свързва масата и енергията чрез уравнението E = m ⋅ c 2 . (\displaystyle E=m\cdot c^(2).)По този начин, чрез определяне на масата на атома и масата на неговите компоненти, може да се определи средната енергия на нуклон, който държи различни ядра заедно.

От графиката може да се види, че много леките ядра имат по-малко енергия на свързване на нуклон от ядрата, които са малко по-тежки (от лявата страна на графиката). Това е причината, поради която термоядрените реакции (т.е. сливането на леки ядра) освобождават енергия. Обратно, много тежките ядра от дясната страна на графиката имат по-ниска енергия на свързване на нуклон от ядрата със средна маса. В това отношение деленето на тежки ядра също е енергийно благоприятно (т.е. възниква с освобождаването на ядрена енергия). Трябва също да се отбележи, че по време на синтез (от лявата страна) масовата разлика е много по-голяма, отколкото по време на делене (от дясната страна).

Енергията, необходима за пълното разделяне на ядрото на отделни нуклони, се нарича Свързваща енергия дот ядрото. Специфична енергия на свързване (т.е. енергия на свързване на нуклон, ε = дс / А, където А- броят на нуклоните в ядрото или масовото число) не е еднакъв за различните химични елементи и дори за изотопи на един и същ химичен елемент. Специфичната енергия на свързване на нуклон в ядрото варира средно от 1 MeVза леки ядра (деутерий) до 8,6 MeV за ядра със средна маса (с масово число НО≈ 100 ). За тежки ядра ( НО≈ 200), специфичната енергия на свързване на нуклон е по-малка от тази на ядра със средна маса, приблизително с 1 MeV, така че превръщането им в ядра със средно тегло (разделяне на 2 части) е придружено от освобождаване на енергия в количество от около 1 MeV на нуклон или около 200 MeV на ядро. Трансформацията на леките ядра в по-тежки ядра дава още по-голяма енергийна печалба на нуклон. Така например реакцията на комбинацията от ядра на деутерий и тритий

придружено от освобождаване на енергия от 17,6 MeV, т.е. 3,5 MeV на нуклон.

Ядрено делене

Появата на 2,5 неутрона на събитие на делене позволява възникването на верижна реакция, ако поне един от тези 2,5 неутрона може да произведе ново делене на урановото ядро. Обикновено излъчените неутрони не разпадат незабавно урановите ядра, а първо трябва да бъдат забавени до топлинни скорости (2200 m/s при T=300 K). Забавянето се постига най-ефективно с помощта на околните атоми на друг елемент с малък А, като водород, въглерод и др. от материал, наречен модератор.

Някои други ядра също могат да се делят чрез улавяне на бавни неутрони, като 233U или 239. Възможно е обаче и делене от бързи неутрони (висока енергия) на такива ядра като 238 U (това е 140 пъти повече от 235 U) или 232 (това е 400 пъти повече от 235 U в земната кора).

Елементарната теория на деленето е създадена от Нилс Бор и Дж. Уилър с помощта на капковия модел на ядрото.

Ядрено делене може да се постигне и с бързи алфа частици, протони или дейтрони. Тези частици обаче, за разлика от неутроните, трябва да имат висока енергия, за да преодолеят кулоновата бариера на ядрото.

Освобождаване на ядрена енергия

Известно е, че екзотермичните ядрени реакции освобождават ядрена енергия.

Обикновено за получаване на ядрена енергия се използва верижна реакция на ядрено делене на уран-235 или плутониеви ядра, по-рядко други тежки ядра (уран-238, торий-232). Ядрата се разделят, когато неутрон ги удари и се получават нови неутрони и фрагменти от делене. Неутроните на делене и фрагментите на делене имат висока кинетична енергия. В резултат на сблъсъци на фрагменти с други атоми тази кинетична енергия бързо се превръща в топлина.

Друг начин за освобождаване на ядрена енергия е чрез термоядрен синтез. В този случай две ядра от леки елементи се комбинират в едно тежко. В природата такива процеси протичат на Слънцето и в други звезди, които са основният източник на тяхната енергия.

Много атомни ядра са нестабилни. С течение на времето някои от тези ядра спонтанно се трансформират в други ядра, освобождавайки енергия. Това явление се нарича радиоактивен разпад.

Приложения на ядрената енергия

дивизия

В момента от всички източници на ядрена енергия най-голямо практическо приложение има енергията, която се отделя при деленето на тежки ядра. В условията на недостиг на енергийни ресурси ядрената енергия на реакторите на делене се счита за най-обещаващата през следващите десетилетия. В атомните електроцентрали ядрената енергия се използва за генериране на топлина, използвана за производство на електричество и отопление. Атомните електроцентрали решиха проблема с корабите с неограничен район на плаване (атомни ледоразбивачи, атомни подводници, атомни самолетоносачи).

Енергията на ядреното делене на уран или плутоний се използва в ядрени и термоядрени оръжия (като спусък за термоядрена реакция и като източник на допълнителна енергия при делене на ядра от неутрони, възникващи при термоядрени реакции).

Имаше експериментални ядрени ракетни двигатели, но те бяха тествани изключително на Земята и при контролирани условия, поради опасност от радиоактивно замърсяване в случай на авария.

Атомните електроцентрали през 2012 г. са произвели 13% от световното електричество и 5,7% от общото световно производство на енергия. Според доклад на Международната агенция за атомна енергия (МААЕ) към 2013 г. има 436 активни ядрени енергия(т.е. произвеждащи рециклируема електрическа и/или топлинна енергия) реактори в 31 страни по света. В допълнение, на различни етапи от строителството е все още 73 енергияядрени реактори в 15 страни. В момента в света има и около 140 активни надводни кораба и подводници, използващи общо около 180 реактора. Няколко ядрени реактора са използвани в съветски и американски космически кораби, някои от които все още са в орбита. В допълнение, редица приложения използват ядрена енергия, генерирана в нереакторни източници (например в термоизотопни генератори). В същото време дебатът за използването на ядрената енергия не спира. Противниците на ядрената енергия (по-специално организации като Грийнпийс) смятат, че използването на ядрена енергия застрашава човечеството и околната среда. Защитниците на ядрената енергия (МААЕ, Световната ядрена асоциация и др.) от своя страна твърдят, че този вид енергия намалява емисиите на парникови газове в атмосферата и при нормална работа носи значително по-малко рискове за околната среда в сравнение с други видове производство на енергия .

Термоядрен синтез

Енергията на термоядрения синтез се използва във водородната бомба. Проблемът с контролирания термоядрен синтез все още не е решен, но ако този проблем бъде решен, той ще се превърне в почти неограничен източник на евтина енергия.

радиоактивно разпадане

Енергията, освободена при радиоактивно разпадане, се използва в дълготрайни източници на топлина и бета-волтаични клетки. Тип автоматична междупланетна станция

В края на миналия век учените с изненада откриха, че атомите или по-скоро ядрата на атомите се разпадат сами, излъчвайки лъчи и топлина. Те нарекоха това явление. И когато изчислиха, бяха още по-изненадани: 1 g радий, ако се разпадне напълно, може да даде толкова топлина, колкото 500 kg въглища дават при изгаряне. Но е невъзможно да се използва това свойство - атомите се разпадат толкова бавно, че само половината от топлината се отделя за 2000 години.

Това е като голям язовир. Язовирът е затворен, а водата тече в малко поточе, което не става за нищо.

Сега, ако язовирът се отвори, ако хората се научат как да унищожават атоми!.. Те ще получат безкраен океан от енергия. Но как да стане това?

Казват, че не стрелят по врабче от оръдие, трябва им малка топка. И откъде да вземем топче, за да разцепим ядрото на атома?

Учените по цялата Земя работят усилено от няколко десетилетия. През това време те научиха как работи и намериха "изстрел" за него. Оказа се, че това е една от частиците, които са част от ядрото - неутронът. Той лесно прониква в атома и разбива ядрото.

И тогава се оказа, че атомите на металния уран, след като се разделят, излъчват нови неутрони, които унищожават съседните атоми. Ако вземете парче уран, в което едновременно ще се разпаднат много ядра и ще се освободят много нови неутрони, процесът на делене ще расте като лавина в планините. Ще избухне атомна бомба.

Схемата на устройството на ядрен реактор. Дебелите черни пръти са абсорбери на неутрони. В реактора водата се нагрява и след това загрява водата в топлообменника до кипене. Получената пара върти турбината на електроцентралата.

Представете си, че голям язовир се е срутил. Водата, събрана зад всичко това, веднага се втурва бурно надолу. Силата на потока е голяма, но само вреда от него, защото той помита всичко по пътя си. Така е и с атома: колосалната енергия на експлозията може само да унищожи. А хората се нуждаят от атомна енергия, за да строят. Сега, ако атомът раздаде запасите си в такива порции, каквито искаме! Не е необходима енергия - затворен амортисьор. Отне - (Колко ви трябва?) отвори два или три амортисьора: „Вземете толкова, колкото сте поискали!“

И човекът обузда експлозията.

Кой е основният "работник" в "Атомната"? Неутрон. Именно той разбива урановите ядра. А ако махнем част от работниците от "фабриката"? Работата ще върви по-бавно.

Ето как работи един атомен котел или ядрен реактор. Това е голям кладенец с дебели бетонни стени (те са необходими, така че радиацията, вредна за хората, да не излиза навън). Кладенецът е пълен с графит, същият материал, използван за направата на моливи. В графитния пълнеж има дупки, където са поставени уранови пръти. Когато има достатъчно от тях, се появява необходимия брой "работещи" неутрони и започва атомна реакция.

За да се контролира, в други дупки има метални пръчки, които улавят и поглъщат неутрони. Това са "клапите" в язовира.

Не е необходима енергия или има опасност от експлозия, затворите моментално се спускат, неутроните, излъчени от урановите ядра, се абсорбират, спират да работят и реакцията спира.

Необходимо е реакцията да започне, затворите се вдигат, в реактора отново се появяват „работещи“ неутрони и температурата в котела се повишава (Колко енергия ви трябва? Вземете!).

Ядрените реактори могат да бъдат поставени на атомни електроцентрали, на атомни подводници, на ядрен ледоразбивач. Те, подобно на обикновените парни котли, послушно превръщат водата в пара, която ще върти турбините. Петстотин килограма атомно гориво - съдържанието само на десет куфара - е достатъчно, за да може ледоразбивачът "Ленин" да плава през цялата година. Можете ли да си представите колко е изгодно: не е нужно да носите със себе си стотици тонове гориво, вместо това можете да вземете по-полезен товар; не можете да отидете до пристанището за зареждане с гориво цяла година, особено след като на север това не винаги е лесно да се направи. Да, и машините могат да бъдат поставени по-силни ...

В съществуващите ядрени реактори енергията се получава чрез унищожаване на ядра, състоящи се от голям брой частици (в урановите ядра например има повече от двеста от тях). И въпреки че все още има много такова гориво на Земята, но някой ден то ще свърши ... Има ли начин да се получи ядрена енергия от други вещества? И учените откриха!

Оказа се, че атомите, в чието ядро ​​има само две частици: един протон и един неутрон, също могат да служат като източник на енергия. Но те не го дават, когато се разделят, а когато се комбинират или, както се казва, по време на синтеза, две ядра.

Водородните атоми за това трябва да бъдат нагрети до много милиони градуси. При тази температура техните ядра започват да се движат с голяма скорост и след като се ускорят, те могат да преодолеят електрическите сили на отблъскване, които съществуват между тях. Когато се приближат достатъчно, ядрените сили на привличане започват да действат и ядрата се сливат. Отделя се хиляди пъти повече топлина, отколкото при ядрено делене.

Този метод за получаване на енергия се нарича термоядрена реакция. Тези реакции бушуват в дълбините както на далечните звезди, така и на близкото Слънце, което ни дава светлина и топлина. Но на Земята те досега са се проявили под формата на опустошителна експлозия на водородна бомба.

Сега учените работят, за да накарат водородните ядра да се комбинират постепенно. И когато се научим как да контролираме термоядрените реакции, ще можем да се възползваме от неограничените запаси от енергия, съдържащи се във водата, която се състои от водород и чиито запаси са неизчерпаеми.

Енергията, която се съдържа в атомните ядра и се отделя по време на ядрени реакции и радиоактивен разпад.

Според прогнозите органичните горива ще са достатъчни, за да задоволят енергийните нужди на човечеството за 4-5 десетилетия. Слънчевата енергия може да се превърне в основен източник на енергия в бъдеще. Преходният период изисква източник на енергия, който е практически неизчерпаем, евтин, възобновяем и не замърсява околната среда. И въпреки че ядрената енергетика не отговаря напълно на всички тези изисквания, тя се развива бързо и надеждата ни за разрешаване на световната енергийна криза е свързана с нея.

Освобождаването на вътрешната енергия на атомните ядра е възможно чрез делене на тежки ядра или синтез на леки ядра.

Характеристика на атома. Атомът на всеки химичен елемент се състои от ядро ​​и електрони, въртящи се около него. Ядрото на атома се състои от неутрони и протони. Общото име за протона и неутрона е терминът нуклон.Неутроните нямат електрически заряд протоните са положително заредени, електрони – отрицателни. Зарядът на протона е равен по модул на заряда на електрона.

Броят на протоните на ядрото Z съвпада с неговия атомен номер в периодичната система на Менделеев. Броят на неутроните в ядрото, с малки изключения, е по-голям или равен на броя на протоните.

Масата на атома е концентрирана в ядрото и се определя от масата на нуклоните. Масата на един протон е равна на масата на един неутрон. Масата на електрона е 1/1836 от масата на протона.

Като измерение на масата на атомите се използва единица атомна маса(a.m.u.), равно на 1,66 10 -27 kg. 1 аму приблизително равна на масата на един протон. Характеристика на атома е масовото число А, равно на общия брой протони и неутрони.

Наличието на неутрони позволява на два атома да имат различни маси за еднакви електрически заряди на ядрото. Химичните свойства на тези два атома ще бъдат еднакви; такива атоми се наричат ​​изотопи. В литературата, вляво от обозначението на елемента, масовото число е написано отгоре, а броят на протоните е изписан отдолу.

Ядреното гориво, използвано в такива реактори, е изотоп на уран с атомна маса 235. Природният уран е смес от три изотопа: уран-234 (0,006%), уран-235 (0,711%) и уран-238 (99,283%). Изотопът на уран-235 има уникални свойства - в резултат на поглъщането на нискоенергиен неутрон се получава ядро ​​на уран-236, което след това се разделя - разделя се на две приблизително равни части, наречени продукти на делене (фрагменти). Нуклоните на първоначалното ядро ​​се разпределят между фрагментите на делене, но не всички - средно се освобождават 2-3 неутрона. В резултат на деленето масата на първоначалното ядро ​​не се запазва напълно, част от нея се превръща в енергия, главно в кинетичната енергия на продуктите на делене и неутроните. Стойността на тази енергия за един атом на уран 235 е около 200 MeV.

Активната зона на конвенционален реактор с мощност 1000 MW съдържа около 1 000 тона уран, от които само 3 - 4% е уран-235. 3 kg от този изотоп се изразходват дневно в реактора. Така за захранването на реактора с гориво трябва да се преработват 430 кг уранов концентрат дневно, което прави средно 2150 тона уранова руда.

В резултат на реакцията на делене в ядреното гориво се образуват бързи неутрони. Ако те взаимодействат със съседните ядра на делящия се материал и на свой ред предизвикат реакция на делене в тях, настъпва лавинообразно увеличаване на броя на събитията на делене. Тази реакция на делене се нарича верижна реакция на ядрено делене.

Най-ефективни за развитието на верижна реакция на делене са неутроните с енергия под 0,1 keV. Те се наричат ​​термични, тъй като тяхната енергия е сравнима със средната енергия на топлинното движение на молекулите. За сравнение, енергията, притежавана от неутроните, образувани при разпадането на ядрата, е 5 MeV. Те се наричат ​​бързи неутрони. За да се използват такива неутрони във верижна реакция, тяхната енергия трябва да бъде намалена (забавена). Тези функции се изпълняват от ретардера. В модераторните вещества бързите неутрони се разпръскват от ядрата и тяхната енергия се превръща в енергия на топлинно движение на атомите на модераторното вещество. Като модератор най-широко се използват графит, течни метали (охладител на 1-ва верига).

Бързото развитие на верижна реакция е съпроводено с отделяне на голямо количество топлина и прегряване на реактора. За да се поддържа стационарен режим на реактора, в активната зона на реактора се въвеждат управляващи пръти, изработени от материали, които силно абсорбират топлинни неутрони, например от бор или кадмий.

Кинетичната енергия на продуктите на гниене се превръща в топлина. Топлината се абсорбира от охлаждащата течност, циркулираща в ядрения реактор, и се предава на топлообменника (1-ви затворен контур), където се произвежда пара (2-ри контур), която върти турбината на турбогенератора. Охлаждащата течност в реактора е течен натрий (1-ви контур) и вода (2-ри контур).

Уран-235 е невъзобновяем ресурс и ако се използва изцяло в ядрени реактори, ще изчезне завинаги. Следователно изглежда привлекателно да се използва изотопа уран-238, който се среща в много по-големи количества, като първоначално гориво. Този изотоп не поддържа верижна реакция под въздействието на неутрони. Но може да абсорбира бързи неутрони, образувайки в процеса уран-239. В ядрата на уран-239 започва бета-разпад и се образува нептуний-239 (не се среща в природата). Този изотоп също се разпада и се превръща в плутоний-239 (не се среща в природата). Плутоний-239 е още по-податлив на реакцията на делене на термични неутрони. В резултат на реакцията на делене в ядреното гориво плутоний-239 се образуват бързи неутрони, които заедно с урана образуват ново гориво и продукти на делене, които отделят топлина в горивните елементи (TVEL). В резултат на това от килограм естествен уран може да се получи 20-30 пъти повече енергия, отколкото в конвенционалните ядрени реактори, използващи уран-235.

В съвременните конструкции течният натрий се използва като охлаждаща течност. В този случай реакторът може да работи при по-високи температури, като по този начин повишава топлинната ефективност на електроцентралата. до 40% .

Физичните свойства на плутония обаче: токсичност, ниска критична маса за спонтанна реакция на делене, възпламеняване в кислородна среда, крехкост и самонагряване в метално състояние го правят труден за производство, обработка и манипулиране. Поради това размножителните реактори са все още по-рядко срещани от реакторите с топлинни неутрони.

4. Атомни електроцентрали

За мирни цели атомната енергия се използва в атомни електроцентрали. Делът на атомните електроцентрали в световното производство на електроенергия е около 14% .

Като пример, разгледайте принципа на получаване на електроенергия в АЕЦ Воронеж. Течен метален охладител с входна температура 571 K се подава през канали към активната зона на реактора през канали при налягане 157 ATM (15,7 MPa), който се нагрява в реактора до 595 K. Металният охлаждащ агент се изпраща към парата генератор, в който влиза студена вода, превръщайки се в пара с налягане 65,3 ATM (6,53 MPa). Парата се подава към лопатките на парна турбина, която върти турбогенератор.

В ядрените реактори температурата на произведената пара е значително по-ниска, отколкото в парогенератора на ТЕЦ, работещи с органично гориво. В резултат на това топлинната ефективност на атомните електроцентрали, работещи с вода като охлаждаща течност, е само 30%. За сравнение, в електроцентралите, работещи на въглища, нефт или газ, той достига 40%.

Атомните електроцентрали се използват в системите за електроснабдяване и топлоснабдяване на населението, а миниатомните електроцентрали на морските кораби (атомни кораби, атомни подводници) се използват за задвижване на витла).

За военни цели ядрената енергия се използва в атомни бомби. Атомната бомба е специален реактор на бързи неутрони , при което протича бърза неконтролирана верижна реакция с висок коефициент на размножаване на неутрони. В ядрения реактор на атомната бомба няма модератори. Следователно размерите и теглото на устройството са малки.

Ядреният заряд на бомба с уран-235 е разделен на две части, във всяка от които е невъзможна верижна реакция. За да се извърши експлозията, една от половините на заряда се изстрелва към другата и когато се свържат, почти мигновено възниква експлозивна верижна реакция. Експлозивна ядрена реакция освобождава огромна енергия. В този случай се достига температура от около сто милиона градуса. Има колосално повишаване на налягането и се образува мощна взривна вълна.

Първият ядрен реактор е пуснат в Чикагския университет (САЩ) на 2 декември 1942 г. Първата атомна бомба е взривена на 16 юли 1945 г. в Ню Мексико (Аламогордо). Това беше устройство, създадено на принципа на делене на плутоний. Бомбата се състоеше от плутоний, заобиколен от два слоя химически експлозив с фитили.

Първата атомна електроцентрала, която дава ток през 1951 г., е атомната електроцентрала EBR-1 (САЩ). В бившия СССР - Обнинска атомна електроцентрала (Калужска област, пусната на 27 юни 1954 г.). Първата атомна електроцентрала в СССР с реактор на бързи неутрони с мощност 12 MW е пусната през 1969 г. в град Димитровград. През 1984 г. в света работят 317 атомни електроцентрали с обща мощност от 191 хиляди MW, което по това време възлиза на 12% (1012 kWh) от световното производство на електроенергия. Към 1981 г. най-голямата атомна електроцентрала в света е атомната електроцентрала Biblis (Германия), чиято топлинна мощност на реакторите е 7800 MW.

термоядрени реакциисе наричат ​​ядрени реакции на синтез на леки ядра в по-тежки. Елементът, използван в ядрения синтез, е водородът. Основното предимство на термоядрения синтез е практически неограниченият ресурс от суровини, които могат да бъдат извлечени от морската вода. Водородът под една или друга форма съставлява 90% от цялата материя. Горивото за термоядрен синтез, съдържащо се в световните океани, ще продължи повече от 1 милиард години (слънчевата радиация и човечеството в слънчевата система няма да просъществуват още дълго). Суровината за термоядрен синтез, съдържаща се в 33 km океанска вода, е еквивалентна по енергийно съдържание на всички ресурси от твърди горива (има 40 милиона пъти повече вода на Земята). Енергията на деутерия, съдържаща се в чаша вода, е еквивалентна на изгарянето на 300 литра бензин.

Има 3 изотопа на водорода : техните атомни маси са -1,2 (деутерий), 3 (тритий). Тези изотопи могат да възпроизвеждат такива ядрени реакции, при които общата маса на крайните продукти на реакцията е по-малка от общата маса на веществата, които са влезли в реакцията. Разликата в масите, както в случая на реакция на делене, е кинетичната енергия на продуктите на реакцията. Средно намаляване на масата на вещество, участващо в реакция на термоядрен синтез, с 1 a.m.u. съответства на освобождаването на енергия от 931 MeV:

H 2 + H 2 \u003d H 3 + неутрон + 3,2 MeV,

H 2 + H 2 \u003d H 3 + протон + 4,0 MeV,

H 2 + H 3 \u003d He 4 + неутрон + 17,6 MeV.

Тритий практически липсва в природата. Може да се получи чрез взаимодействие на неутрони с литиеви изотопи:

Li 6 + неутрон \u003d He 4 + H 3 + 4,8 MeV.

Сливането на ядрата на леките елементи не се случва естествено (с изключение на процесите в космоса). За да се принудят ядрата да влязат в реакцията на синтез, са необходими високи температури (от порядъка на 107 -109K). В този случай газът е йонизирана плазма. Проблемът с ограничаването на тази плазма е основната пречка за използването на този метод за получаване на енергия. За централната част на Слънцето е характерна температура от порядъка на 10 милиона градуса. Термоядрените реакции са източникът на енергия, която осигурява радиация от Слънцето и звездите.

В момента тече теоретична и експериментална работа за изследване на методите за магнитно и инерционно задържане на плазмата.

Методът за използване на магнитни полета. Създава се магнитно поле, което прониква в канала на движещата се плазма. Заредените частици, които изграждат плазмата, докато се движат в магнитно поле, са подложени на сили, насочени перпендикулярно на движението на частиците и линиите на магнитното поле. Поради действието на тези сили частиците ще се движат спираловидно по силовите линии. Колкото по-силно е магнитното поле, толкова по-плътен става плазменият поток, като по този начин се изолира от стените на корпуса.

Инерционно задържане на плазмата. В реактора се извършват термоядрени експлозии с честота 20 експлозии в секунда. За да се осъществи тази идея, частица термоядрено гориво се нагрява с помощта на фокусирано лъчение от 10 лазера до температурата на запалване на реакцията на термоядрен синтез за време, преди да има време да отлети на забележимо разстояние поради топлинното движение на атомите (10-9 с).

Термоядреният синтез е в основата на водородната (термоядрена) бомба. В такава бомба протича самоподдържаща се термоядрена реакция с експлозивен характер. Експлозивът е смес от деутерий и тритий. Като източник на енергия за активиране (източник на високи температури) се използва енергията на ядрена ядрена бомба. Първата в света термоядрена бомба е създадена в СССР през 1953 г.

В края на 50-те години СССР започва да работи върху идеята за термоядрен синтез в реактори тип ТОКАМАК (тороидална камера в магнитно поле на намотка). Принципът на действие е следният: тороидалната камера се вакуумира и запълва с газова смес от деутерий и тритий. През сместа преминава ток от няколко милиона ампера. За 1-2 секунди температурата на сместа се повишава до стотици хиляди градуси. В камерата се образува плазма. По-нататъшното нагряване се извършва чрез инжектиране на неутрални атоми на деутерий и тритий с енергия от 100 - 200 keV. Температурата на плазмата се повишава до десетки милиони градуси и започва самоподдържаща се реакция на синтез. След 10-20 минути тежки елементи от частично изпаряващия се материал на стените на камерата ще се натрупат в плазмата. Плазмата се охлажда, термоядреното горене спира. Камерата трябва да се изключи отново и да се почисти от натрупаните замърсявания. Размерите на тора при топлинна мощност на реактора 5000 MW са както следва: Външен радиус -10m; вътрешен радиус - 2,5м.

Изследване за намиране на начин за контролиране на термоядрените реакции, т.е. използването на термоядрена енергия за мирни цели се развива с голяма интензивност.

През 1991 г. съвместно европейско съоръжение в Обединеното кралство постигна първото значително освобождаване на енергия от контролиран термоядрен синтез. Оптималният режим се поддържа в продължение на 2 секунди и е съпроводен с освобождаване на енергия от порядъка на 1,7 MW. Максималната температура беше 400 милиона градуса.

Термоядрен генератор на енергия. Когато деутерият се използва като термоядрено гориво, две трети от енергията трябва да се освободи под формата на кинетична енергия на заредени частици. Чрез електромагнитни методи тази енергия може да се преобразува в електрическа.

Електричеството може да се получава в стационарен режим на работа на инсталацията и импулсно. В първия случай йоните и електроните в резултат на самоподдържащата се реакция на синтез се забавят от магнитното поле. Йонният ток се отделя от електронния ток с помощта на напречно магнитно поле. Ефективността на такава система при директно спиране ще бъде около 50%, а останалата част от енергията ще се преобразува в топлина.

Фюжън двигатели (не е реализиран). Обхват: космически превозни средства. Напълно йонизирана деутериева плазма при 1 милиард градуса по Целзий се задържа във нишка от линейното магнитно поле на свръхпроводникови намотки. Работната течност се подава в камерата през стените, охлажда ги и се загрява, обикаляйки плазмената колона. Аксиалната скорост на изтичане на йони на изхода на магнитната дюза е 10 000 km/s.

През 1972 г. на среща на Римския клуб - организация, която изучава причините и търси решения на проблеми в планетарен мащаб - беше направен доклад, изготвен от учените E. von Weinzsacker, A. H. Lovins и предизвика ефекта на експлодираща бомба . Според данните, дадени в доклада, източниците на енергия на планетата - въглища, газ, петрол и уран - ще стигнат до 2030 г. За извличането на въглища, от които ще може да се получава енергия за 1 долар, ще е необходимо да се харчи енергия, струваща 99 цента.

Уран-235, който служи като гориво за атомни електроцентрали, в природата не е толкова ме: само 5% от общото количество уран в света, 2% от които са в Русия. Следователно атомните електроцентрали могат да се използват само за спомагателни цели. Изследванията на учени, които се опитаха да получат енергия от плазма на "ТОКАМАК", остават и до днес скъпо занимание. През 2000 г. имаше съобщения, че Европейската атомна общност (CERN) и Япония изграждат първия сегмент от ТОКАМАК.

Спасението може да не е "мирният атом" на ядрена централа, а "военният" - енергията на термоядрена бомба.

Руски учени нарекоха изобретението си котел с експлозивно горене (КВГ). Принципът на действие на PIC се основава на взривяване на свръхмалка термоядрена бомба в специален саркофаг - котел. Експлозиите се случват редовно. Интересно е, че налягането върху стените на котела по време на експлозията в PBC е по-малко, отколкото в цилиндрите на обикновен автомобил.

За безопасна работа на KVS вътрешният диаметър на котела трябва да бъде най-малко 100 метра. Двойни стоманени стени и стоманобетонна обвивка с дебелина 30 метра ще гасят вибрациите. За изграждането му ще бъде използвана само висококачествена стомана, както при двата съвременни военни бойни кораба. Предвижда се КВС да се изгради за 5 години. През 2000 г. в един от затворените градове на Русия е изготвен проект за изграждане на експериментална инсталация за "бомба" от 2-4 килотона ядрен еквивалент. Цената на този FAC е 500 милиона долара. Учените са изчислили, че ще се изплати за една година, а за още 50 години ще осигурява практически безплатно електричество и топлина. Според ръководителя на проекта цената на енергията, еквивалентна на тази, произведена от изгарянето на един тон петрол, ще бъде под 10 долара.

40 KVG са в състояние да задоволят нуждите на целия национален енергиен сектор. Сто - всички държави от евразийския континент.

През 1932 г. експериментално е открит позитронът – частица с масата на електрон, но с положителен заряд. Скоро се предполага, че в природата съществува зарядова симетрия: а) всяка частица трябва да има античастица; б) законите на природата не се променят, когато всички частици се заменят със съответните античастици и обратно. Антипротонът и антинеутронът са открити в средата на 50-те години. По принцип може да съществува антиматерия, състояща се от атоми, чиито ядра включват антипротони и антинеутрони, а обвивката им е образувана от позитрони.

Клъстери от антиматерия с космологични измерения биха представлявали антисветове, но те не се срещат в природата. Антиматерията е била синтезирана само в лабораторен мащаб. И така, през 1969 г. в ускорителя Серпухов съветските физици регистрират антихелиеви ядра, състоящи се от два антипротона и един антинеутрон.

Във връзка с възможностите за преобразуване на енергия, антиматерията е забележителна с това, че когато влезе в контакт с материята, настъпва анихилация (унищожаване) с освобождаване на колосална енергия (и двата вида материя изчезват, превръщайки се в радиация). Така един електрон и един позитрон, анихилирайки се, пораждат два фотона. Един вид материя – заредени масивни частици – преминава в друга материя – в неутрални безмасови частици. Използване на съотношението на Айнщайн за еквивалентността на енергия и маса (E=mc 2),лесно е да се изчисли, че унищожаването на един грам материя произвежда същата енергия, която може да се получи чрез изгаряне на 10 000 тона въглища, а един тон антиматерия би бил достатъчен, за да осигури на цялата планета енергия за една година.

Астрофизиците смятат, че именно анихилацията осигурява гигантската енергия на квазизвездните обекти – квазарите.

През 1979 г. група американски физици успяват да регистрират наличието на естествени антипротони. Те са донесени от космически лъчи.

Ядрената енергия е страшна и в същото време чудесна сила. Радиоактивният разпад и ядрените реакции, протичащи в атомите, освобождават огромно количество енергия, което хората се опитват да използват. Те се опитват, защото развитието на ядрената енергетика не само доведе до много жертви, но и до катастрофи (например атомната електроцентрала в Чернобил). Въпреки това атомните електроцентрали по света работят и произвеждат около 15 процента от световната електроенергия. Ядрени реактори има в 31 страни по света. Корабите и подводниците също са оборудвани с ядрени реактори. Във всеки случай отношението към ядрената енергетика и изобщо към всичко свързано с ядрения разпад (за разлика от термоядрения синтез) се влошава всяка година. Ще дойде ден, когато енергията на атома ще бъде изключително мирна.

В последните епизоди на сериала „Чернобил“ на телевизионната компания HBO руски учени разкриват истината за причината за експлозията на реактора на 4-ти енергоблок на Чернобилската атомна електроцентрала, който впоследствие „опраши“ териториите на 17 европейски държави. страни с обща площ от 207,5 хиляди квадратни километра с радиоактивен цезий. Катастрофата в атомната електроцентрала в Чернобил разкри фундаментални дефекти в реактора РБМК-1000. Въпреки това днес в Русия все още работят 10 реактора РБМК-1000. Безопасни ли са? Според западни експерти по ядрена физика, които споделиха мнението си с портала Live Science, този въпрос остава открит.

атомСъстои се от ядро, около което се въртят частици, наречени електрони.

Ядрата на атомите са най-малките частици. Те са основата на всяка субстанция и материя.

Те съдържат голямо количество енергия.

Тази енергия се освобождава като радиация, когато някои радиоактивни елементи се разпадат. Радиацията е опасна за целия живот на земята, но в същото време се използва за производство на електричество и в медицината.

Радиоактивността е свойството на ядрата на нестабилните атоми да излъчват енергия. Повечето тежки атоми са нестабилни, а по-леките атоми имат радиоизотопи, т.е. радиоактивни изотопи. Причината за появата на радиоактивност е, че атомите се стремят да получат стабилност. Днес са известни три вида радиоактивно излъчване: алфа, бета и гама. Те са кръстени на първите букви от гръцката азбука. Ядрото първо излъчва алфа или бета лъчи. Но ако все пак остане нестабилно, тогава излизат гама лъчи. Три атомни ядра могат да бъдат нестабилни и всяко от тях може да излъчва всеки от видовете лъчи.

Фигурата показва три атомни ядра.

Те са нестабилни и всеки от тях излъчва един от трите вида лъчи.

Алфа частиците имат два протона и два неутрона. Ядрото на атома на хелия има абсолютно същия състав. Алфа частиците се движат бавно и следователно всеки материал, по-дебел от лист хартия, може да ги задържи. Те не се различават много от ядрата на хелиевите атоми. Повечето учени представят версията, че хелият на Земята има естествен радиоактивен произход.

Бета частиците са електрони с огромна енергия. Образуването им става по време на разпадането на неутроните. Бета частиците също не са много бързи, те могат да летят във въздуха до един метър. Следователно меден лист с дебелина милиметър може да се превърне в пречка по пътя им. И ако поставите 13 мм оловна бариера или 120 метра въздух, можете да намалите наполовина гама радиацията.

Гама лъчите са електромагнитно излъчване с голяма енергия. Скоростта му на движение е равна на скоростта на светлината.

Транспортирането на радиоактивни вещества се извършва в специални оловни контейнери с дебели стени, за да се предотврати изтичане на радиация.

Излагането на радиация е изключително опасно за хората.

Той причинява изгаряния, катаракта, провокира развитието на рак.

Специално устройство, броячът на Гайгер, помага да се измери нивото на радиация, което издава щракащи звуци, когато се появи източник на радиация.

Когато едно ядро ​​излъчва частици, то се превръща в ядро ​​на друг елемент, като по този начин променя своя атомен номер. Това се нарича период на разпад на елемента. Но ако новообразуваният елемент е все още нестабилен, тогава процесът на разпадане продължава. И така докато елементът стане стабилен. За много радиоактивни елементи този период отнема десетки, стотици и дори хиляди години, така че е обичайно да се измерва времето на полуразпад. Вземете например атом на плутоний-2 с маса 242. След като излъчи алфа частици с относителна атомна маса 4, той се превръща в атом на уран-238 със същата атомна маса.

Ядрени реакции.

Ядрените реакции се разделят на два вида: ядрен синтез и делене (разделяне) на ядрото.

Синтез или по друг начин "свързване" означава свързването на две ядра в едно голямо под въздействието на много висока температура. В този момент се освобождава голямо количество енергия.

По време на делене и делене протича процесът на делене на ядрото, като същевременно се освобождава ядрена енергия.

Това се случва, когато ядрото се бомбардира с неутрони в специално устройство, наречено "ускорител на частици".

При деленето на ядрото и излъчването на неутрони се освобождава просто колосално количество енергия.

Известно е, че за получаване на голямо количество електроенергия е необходима само единица маса радиогориво.Никоя друга електроцентрала не може да се похвали с нещо подобно.

Ядрената енергия.

Така енергията, която се отделя по време на ядрена реакция, се използва за генериране на електричество или като източник на енергия в подводни и надводни кораби. Процесът на производство на електроенергия в атомна електроцентрала се основава на ядрено делене в ядрени реактори. В огромен резервоар има пръчки от радиоактивно вещество (например уран).

Те се атакуват от неутрони и се разделят, освобождавайки енергия. Новите неутрони се разделят все повече и повече. Това се нарича верижна реакция. Ефективността на този метод за генериране на електричество е невероятно висока, но мерките за сигурност и условията за погребение са твърде скъпи.

Но човечеството използва ядрената енергия не само за мирни цели. В средата на 20-ти век ядрените оръжия бяха тествани и тествани.

Неговото действие е да освободи огромен поток от енергия, което води до експлозия. В края на Втората световна война Съединените щати използваха ядрени оръжия срещу Япония. Те хвърлиха атомни бомби върху градовете Хирошима и Нагасаки.

Последствията бяха просто катастрофални.

Някои човешки жертви бяха няколкостотин хиляди.

Но учените не спират дотук и разработват водородни оръжия.

Тяхната разлика е, че ядрените бомби се основават на реакции на ядрено делене, а водородните бомби - на реакции на синтез.

радиовъглероден метод.

За да се получи информация за времето на смъртта на даден организъм, се използва методът на радиовъглероден анализ. Известно е, че живата тъкан съдържа известно количество въглерод-14, който е радиоактивен изотоп на въглерода. Периодът на полуразпад е 5700 години. След смъртта на организма запасите от въглерод-14 в тъканите намаляват, изотопът се разпада и от оставащото му количество се определя времето на смъртта на организма. Така например можете да разберете преди колко време е изригнал вулкан. Това може да се разпознае по насекоми и прашец, замръзнал в лава.

Как иначе се използва радиоактивността?

Радиацията се използва и в промишлеността.

Гама лъчите се използват за облъчване на храната, за да я запази свежа.

В медицината радиацията се използва при изследване на вътрешните органи.

Съществува и техника, наречена лъчетерапия. Това е, когато пациентът се облъчва с малки дози, унищожаващи раковите клетки в тялото му.