Primjeri nuklearne energije. Prvi nuklearni reaktor - Ko ga je izmislio? Nusproizvod atomske bombe

U prirodi se nuklearna energija oslobađa u zvijezdama, a čovjek se uglavnom koristi u nuklearnom oružju i nuklearnoj energiji, posebno u nuklearnim elektranama.

Fizičke osnove

Energija veze

Iako se jezgro sastoji od nukleona, međutim, masa jezgra nije samo zbir masa nukleona. Energija koja drži ove nukleone zajedno posmatra se kao razlika u masi jezgra i masa njegovih pojedinačnih nukleona, do faktora c 2, koji povezuje masu i energiju pomoću jednačine E = m ⋅ c 2 . (\displaystyle E=m\cdot c^(2).) Dakle, određivanjem mase atoma i mase njegovih komponenti, može se odrediti prosječna energija po nukleonu koji drži različite jezgre zajedno.

Iz grafikona se može vidjeti da vrlo laka jezgra imaju manju energiju vezivanja po nukleonu od jezgara koja su nešto teža (na lijevoj strani grafikona). To je razlog zašto termonuklearne reakcije (tj. fuzija lakih jezgri) oslobađaju energiju. Suprotno tome, vrlo teška jezgra na desnoj strani grafikona imaju nižu energiju vezivanja po nukleonu od jezgara srednje mase. U tom smislu, fisija teških jezgri je također energetski povoljna (odnosno, događa se oslobađanjem nuklearne energije). Takođe treba napomenuti da je tokom fuzije (na levoj strani) razlika u masi mnogo veća nego tokom fisije (na desnoj strani).

Energija potrebna da se jezgro potpuno podijeli na pojedinačne nukleone naziva se energija vezivanja E iz jezgra. Specifična energija vezivanja (tj. energija vezivanja po nukleonu, ε = E sa / A, gdje A- broj nukleona u jezgru, odnosno maseni broj), nije isti za različite hemijske elemente, pa čak ni za izotope istog hemijskog elementa. Specifična energija vezivanja nukleona u jezgru varira u prosjeku od 1 MeV za laka jezgra (deuterijum) do 8,6 MeV za jezgra srednje mase (sa masenim brojem ALI≈ 100 ). Za teška jezgra ( ALI≈ 200 ), specifična energija vezivanja nukleona manja je od one jezgara prosječne mase, za približno 1 MeV, tako da je njihova transformacija u jezgra prosječne težine (podjela na 2 dijela) praćena oslobađanjem energije u iznos od oko 1 MeV po nukleonu, ili oko 200 MeV po jezgru. Transformacija lakih jezgara u teža jezgra daje još veći energetski dobitak po nukleonu. Tako, na primjer, reakcija kombinacije jezgara deuterija i tricija

praćeno oslobađanjem energije od 17,6 MeV, odnosno 3,5 MeV po nukleonu.

Nuklearna fisija

Pojava 2,5 neutrona po događaju fisije omogućava lančanu reakciju ako barem jedan od ovih 2,5 neutrona može proizvesti novu fisiju jezgra uranijuma. Normalno, emitovani neutroni ne cijepaju jezgra uranijuma odmah, već se prvo moraju usporiti do toplinskih brzina (2200 m/s na T=300 K). Usporavanje se najefikasnije postiže uz pomoć okolnih atoma drugog elementa sa malim A, kao što su vodonik, ugljenik, itd. materijala koji se zove moderator.

Neke druge jezgre također se mogu fisirati hvatanjem sporih neutrona, kao što su 233U ili 239. Međutim, moguća je i fisija brzim neutronima (visoke energije) takvih jezgara kao što je 238 U (to je 140 puta više od 235 U) ili 232 (400 puta je više od 235 U u zemljinoj kori).

Elementarnu teoriju fisije kreirali su Niels Bohr i J. Wheeler koristeći model pada jezgra.

Nuklearna fisija se također može postići brzim alfa česticama, protonima ili deuteronima. Međutim, ove čestice, za razliku od neutrona, moraju imati visoku energiju da prevladaju Kulonovu barijeru jezgra.

Oslobađanje nuklearne energije

Poznato je da egzotermne nuklearne reakcije oslobađaju nuklearnu energiju.

Obično se za dobivanje nuklearne energije koristi lančana reakcija nuklearne fisije jezgri uranijuma-235 ili plutonijuma, rjeđe drugih teških jezgara (uran-238, torijum-232). Jezgra se dijele kada ih neutron udari, a dobijaju se novi neutroni i fisioni fragmenti. Fisijski neutroni i fisioni fragmenti imaju visoku kinetičku energiju. Kao rezultat sudara fragmenata s drugim atomima, ova kinetička energija se brzo pretvara u toplinu.

Drugi način oslobađanja nuklearne energije je termonuklearna fuzija. U ovom slučaju se dva jezgra lakih elemenata kombinuju u jedno teško. U prirodi se takvi procesi odvijaju na Suncu i drugim zvijezdama, koji su glavni izvor njihove energije.

Mnoga atomska jezgra su nestabilna. Vremenom se neka od ovih jezgara spontano transformišu u druga jezgra, oslobađajući energiju. Ovaj fenomen se naziva radioaktivni raspad.

Primjena nuklearne energije

Division

Trenutno, od svih izvora nuklearne energije, energija koja se oslobađa prilikom fisije teških jezgara ima najveću praktičnu primjenu. U uslovima nedostatka energetskih resursa, nuklearna energija na fisijskim reaktorima smatra se najperspektivnijom u narednim decenijama. U nuklearnim elektranama nuklearna energija se koristi za proizvodnju topline koja se koristi za proizvodnju električne energije i grijanja. Nuklearne elektrane su riješile problem brodova s ​​neograničenim područjem plovidbe (nuklearni ledolomci, nuklearne podmornice, nuklearni nosači aviona).

Energija nuklearne fisije uranijuma ili plutonija koristi se u nuklearnom i termonuklearnom oružju (kao okidač za termonuklearnu reakciju i kao izvor dodatne energije pri fisiji jezgara neutronima koji nastaju u termonuklearnim reakcijama).

Postojali su eksperimentalni nuklearni raketni motori, ali su testirani isključivo na Zemlji iu kontroliranim uvjetima, zbog opasnosti od radioaktivne kontaminacije u slučaju nesreće.

Nuklearne elektrane su 2012. godine proizvele 13% svjetske električne energije i 5,7% ukupne svjetske proizvodnje energije. Prema izvještaju Međunarodne agencije za atomsku energiju (IAEA), od 2013. godine, postoji 436 aktivnih nuklearnih energije(tj. proizvodnju električne i/ili toplotne energije koja se može reciklirati) u 31 zemlji svijeta. Osim toga, u različitim fazama izgradnje je još uvijek 73 energije nuklearnih reaktora u 15 zemalja. Trenutno u svijetu postoji i oko 140 aktivnih površinskih brodova i podmornica koje koriste ukupno oko 180 reaktora. Nekoliko nuklearnih reaktora korišteno je u sovjetskim i američkim svemirskim letjelicama, od kojih su neki još uvijek u orbiti. Osim toga, brojne primjene koriste nuklearnu energiju proizvedenu u nereaktorskim izvorima (na primjer, u termoizotopskim generatorima). Istovremeno, debata o korištenju nuklearne energije ne prestaje. Protivnici nuklearne energije (posebno organizacije kao što je Greenpeace) vjeruju da korištenje nuklearne energije prijeti čovječanstvu i okolišu. Branitelji nuklearne energije (IAEA, Svjetska nuklearna asocijacija, itd.), zauzvrat, tvrde da ova vrsta energije smanjuje emisije stakleničkih plinova u atmosferu i, tokom normalnog rada, nosi znatno manje rizika za okoliš od drugih vrsta proizvodnje energije. .

Termonuklearna fuzija

Energija fuzije se koristi u hidrogenskoj bombi. Problem kontrolirane termonuklearne fuzije još nije riješen, ali ako se ovaj problem riješi, postat će gotovo neograničen izvor jeftine energije.

radioaktivnog raspada

Energija oslobođena radioaktivnim raspadom koristi se u dugovječnim izvorima topline i beta-voltaičnim ćelijama. Automatski tip međuplanetarne stanice

Krajem prošlog stoljeća, naučnici su bili iznenađeni kada su otkrili da se atomi, odnosno jezgra atoma, sami raspadaju, emitujući zrake i toplinu. Nazvali su ovaj fenomen. A kada su izračunali, bili su još više iznenađeni: 1 g radijuma, ako se potpuno raspadne, može dati toplotu koliko 500 kg uglja daje sagorevanjem. Ali nemoguće je iskoristiti ovo svojstvo - atomi se raspadaju tako sporo da se samo polovina topline oslobađa u 2000 godina.

To je kao velika brana. Brana je zatvorena, a voda teče u malom potočiću koji nema nikakve koristi.

E sad, kad bi se brana otvorila, kad bi ljudi naučili kako da uništavaju atome!.. Dobili bi beskrajni okean energije. Ali kako to učiniti?

Kažu da se na vrapca ne puca iz topa, treba im mali metak. A gdje nabaviti kuglicu za razdvajanje jezgra atoma?

Naučnici širom Zemlje marljivo rade već nekoliko decenija. Za to vrijeme naučili su kako to funkcionira, i pronašli "šut" za to. Ispostavilo se da je to jedna od čestica koja je dio jezgra - neutron. Lako prodire u atom i razbija jezgro.

A onda se pokazalo da atomi metalnog uranijuma, nakon što se razdvoje, emituju nove neutrone koji uništavaju susjedne atome. Ako uzmete komad uranijuma, u kojem će se mnoga jezgra istovremeno raspasti i osloboditi mnogo novih neutrona, proces fisije će rasti poput lavine u planinama. Atomska bomba će eksplodirati.

Shema uređaja nuklearnog reaktora. Debeli crni štapovi su apsorberi neutrona. U reaktoru se voda zagrijava, a zatim zagrijava vodu u izmjenjivaču topline do ključanja. Nastala para rotira turbinu elektrane.

Zamislite da se srušila velika brana. Voda koja se skupila iza svega toga odmah silovito juri. Snaga potoka je velika, ali samo šteta od nje, jer briše sve na svom putu. Tako je i s atomom: kolosalna energija eksplozije može samo uništiti. A ljudima je potrebna atomska energija za izgradnju. E sad, kad bi atom dao svoje rezerve u porcijama koliko mi želimo! Nije potrebna energija - zatvorite klapnu. Trebalo je - (Koliko vam treba?) Otvorite dva ili tri zaklopke: "Dobijte koliko ste tražili!"

I čovjek je obuzdao eksploziju.

Ko je glavni "radnik" u "nuklearki"? Neutron. On je taj koji razbija jezgra uranijuma. A ako nekog od radnika maknemo iz "fabrike"? Rad će ići sporije.

Ovako radi atomski kotao, odnosno nuklearni reaktor. Ovo je veliki bunar sa debelim betonskim zidovima (potrebni su da zračenje štetno za ljude ne izlazi van). Bunar je ispunjen grafitom, istim materijalom koji se koristi za izradu olovke. U grafitnom punjenju postoje rupe u koje se postavljaju uranijumske šipke. Kada ih ima dovoljno, pojavljuje se potreban broj "radnih" neutrona i počinje atomska reakcija.

Da bi se to kontrolisalo, u drugim rupama postoje metalne šipke, koje hvataju i apsorbuju neutrone. Ovo su "klapne" u brani.

Nije potrebna energija ili postoji opasnost od eksplozije, zatvarači se momentalno spuštaju, neutroni emitovani iz jezgara uranijuma se apsorbuju, prestaju da rade i reakcija prestaje.

Potrebno je da reakcija krene, šipke zatvarača se podižu, u reaktoru se ponovo pojavljuju „radni“ neutroni, a temperatura u kotlu raste (Koliko vam energije treba? Uzmite!).

Nuklearni reaktori se mogu postaviti na nuklearne elektrane, na nuklearne podmornice, na nuklearni ledolomac. Oni, kao i obični parni kotlovi, poslušno pretvaraju vodu u paru, koja će okretati turbine. Pet stotina kilograma atomskog goriva - sadržaj samo deset kofera - dovoljno je da ledolomac Lenjin plovi tokom cijele godine. Možete li zamisliti koliko je to isplativo: ne morate sa sobom nositi stotine tona goriva, umjesto toga možete uzeti korisniji teret; ne možete ići u luku na punjenje gorivom cijelu godinu, pogotovo što na sjeveru to nije uvijek lako učiniti. Da, i mašine se mogu ojačati...

U postojećim nuklearnim reaktorima energija se dobiva uništavanjem jezgara koje se sastoje od velikog broja čestica (u jezgrima urana, na primjer, ima ih više od dvije stotine). I iako na Zemlji još uvijek ima puno takvog goriva, ali jednog dana će ga nestati ... Postoji li način da se dobije nuklearna energija iz drugih supstanci? I naučnici su otkrili!

Ispostavilo se da atomi, u čijem su jezgru postoje samo dvije čestice: jedan proton i jedan neutron, također mogu poslužiti kao izvor energije. Ali oni to ne odaju kada se podele, već kada se kombinuju, ili, kako kažu, tokom sinteze, dva jezgra.

Za to se atomi vodonika moraju zagrijati na milione stepeni. Na ovoj temperaturi, njihova jezgra počinju da se kreću velikom brzinom i, nakon ubrzanja, mogu savladati električne odbojne sile koje postoje između njih. Kada se dovoljno približe, nuklearne sile privlačenja počinju djelovati i jezgre se spajaju. Hiljade puta više toplote se oslobađa nego tokom nuklearne fisije.

Ova metoda dobivanja energije naziva se termonuklearna reakcija. Ove reakcije bjesne u dubinama i udaljenih zvijezda i obližnjeg Sunca, koje nam daje svjetlost i toplinu. Ali na Zemlji su se do sada manifestovali u obliku razorne eksplozije hidrogenske bombe.

Sada naučnici rade na tome da se jezgra vodonika postepeno kombinuju. A kada naučimo da kontrolišemo termonuklearne reakcije, moći ćemo da iskoristimo neograničene rezerve energije sadržane u vodi, koja se sastoji od vodonika i čije su rezerve neiscrpne.

Energija sadržana u atomskim jezgrama i oslobođena tijekom nuklearnih reakcija i radioaktivnog raspada.

Prema prognozama, organska goriva će biti dovoljna da podmire energetske potrebe čovječanstva za 4-5 decenija. Sunčeva energija bi mogla postati glavni izvor energije u budućnosti. Tranzicioni period zahteva izvor energije koji je praktično neiscrpan, jeftin, obnovljiv i ne zagađuje životnu sredinu. I iako nuklearna energija ne ispunjava u potpunosti sve ove zahtjeve, ona se razvija velikom brzinom i naša je nada za rješavanje globalne energetske krize.

Oslobađanje unutrašnje energije atomskih jezgara moguće je fisijom teških jezgara ili sintezom lakih jezgara.

Atomska karakteristika. Atom bilo kojeg hemijskog elementa sastoji se od jezgra i elektrona koji se okreću oko njega. Jezgro atoma se sastoji od neutrona i protona. Uobičajeni naziv za proton i neutron je termin nukleon. Neutroni nemaju električni naboj protoni su pozitivno nabijeni, elektroni - negativni. Naboj protona je po modulu jednak naboju elektrona.

Broj protona jezgra Z poklapa se sa njegovim atomskim brojem u periodičnom sistemu Mendeljejeva. Broj neutrona u jezgru, uz nekoliko izuzetaka, veći je ili jednak broju protona.

Masa atoma je koncentrisana u jezgru i određena je masom nukleona. Masa jednog protona jednaka je masi jednog neutrona. Masa elektrona je 1/1836 mase protona.

Kao dimenzija mase atoma se koristi jedinica atomske mase(a.m.u.) jednako 1,66 10 -27 kg. 1 amu približno jednaka masi jednog protona. Karakteristika atoma je maseni broj A, jednak ukupnom broju protona i neutrona.

Prisustvo neutrona omogućava da dva atoma imaju različite mase za isti električni naboj jezgra. Hemijska svojstva ova dva atoma će biti ista; takvi atomi se nazivaju izotopi. U literaturi, lijevo od oznake elementa, na vrhu je napisan maseni broj, a ispod broj protona.

Nuklearno gorivo koje se koristi u takvim reaktorima je izotop uranijuma sa atomskom masom 235. Prirodni uranijum je mešavina tri izotopa: uranijum-234 (0,006%), uranijum-235 (0,711%) i uranijum-238 (99,283%). Izotop uranijuma-235 ima jedinstvena svojstva - kao rezultat apsorpcije niskoenergetskog neutrona, dobiva se jezgro uranijuma-236, koje se zatim dijeli - dijeli se na dva približno jednaka dijela, koji se nazivaju produkti fisije (fragmenti). Nukleoni originalnog jezgra raspoređeni su među fisijskim fragmentima, ali ne svi - u prosjeku se oslobađaju 2-3 neutrona. Kao rezultat fisije, masa izvornog jezgra nije u potpunosti očuvana, dio se pretvara u energiju, uglavnom u kinetičku energiju proizvoda fisije i neutrona. Vrijednost ove energije za jedan atom uranijuma 235 je oko 200 MeV.

Jezgra konvencionalnog reaktora snage 1000 MW sadrži oko 1.000 tona uranijuma, od čega samo 3-4% čini uranijum-235. 3 kg ovog izotopa se dnevno potroši u reaktoru. Dakle, da bi se reaktor opskrbio gorivom, dnevno se mora preraditi 430 kg koncentrata uranijuma, a to je u prosjeku 2150 tona uranijumske rude.

Kao rezultat reakcije fisije, u nuklearnom gorivu nastaju brzi neutroni. Ako stupe u interakciju sa susjednim jezgrama fisionog materijala i, zauzvrat, izazovu reakciju fisije u njima, dolazi do lavinskog povećanja broja događaja fisije. Ova reakcija fisije naziva se lančana reakcija nuklearne fisije.

Najefikasniji za razvoj lančane reakcije fisije su neutroni sa energijom manjom od 0,1 keV. Nazivaju se toplotnim, jer je njihova energija uporediva sa prosečnom energijom toplotnog kretanja molekula. Poređenja radi, energija koju posjeduju neutroni nastali tokom raspada jezgara je 5 MeV. Zovu se brzi neutroni. Da bi se takvi neutroni koristili u lančanoj reakciji, njihova energija mora biti smanjena (usporena). Ove funkcije obavlja retarder. U moderatorskim supstancama brzi neutroni se raspršuju jezgrama, a njihova energija se pretvara u energiju toplinskog kretanja atoma tvari moderatora. Kao moderator najčešće se koriste grafit, tečni metali (rashladno sredstvo 1. kola).

Brzi razvoj lančane reakcije praćen je oslobađanjem velike količine topline i pregrijavanjem reaktora. Za održavanje stacionarnog načina rada reaktora, kontrolne šipke se uvode u jezgro reaktora od materijala koji snažno apsorbiraju toplinske neutrone, na primjer, iz bora ili kadmija.

Kinetička energija produkata raspadanja pretvara se u toplinu. Toplinu apsorbira rashladno sredstvo koje cirkulira u nuklearnom reaktoru i prenosi se na izmjenjivač topline (1. zatvoreni krug), gdje se proizvodi para (2. krug), koji rotira turbinu turbogeneratora. Rashladno sredstvo u reaktoru je tečni natrijum (1. krug) i voda (2. krug).

Uran-235 je neobnovljiv resurs i ako se u potpunosti koristi u nuklearnim reaktorima, zauvijek će nestati. Stoga je atraktivno koristiti izotop uranijuma-238, koji se javlja u mnogo većim količinama, kao početno gorivo. Ovaj izotop ne podržava lančanu reakciju pod uticajem neutrona. Ali može apsorbirati brze neutrone, formirajući uranijum-239 u procesu. U jezgrima uranijuma-239 počinje beta raspad i nastaje neptunijum-239 (ne nalazi se u prirodi). Ovaj izotop se takođe raspada i pretvara u plutonijum-239 (koji se ne pojavljuje u prirodi). Plutonijum-239 je još podložniji reakciji fisije termalnih neutrona. Kao rezultat reakcije fisije u nuklearnom gorivu plutonijum-239 nastaju brzi neutroni, koji zajedno s uranijumom tvore novo gorivo i produkte fisije koji oslobađaju toplinu u gorivnim elementima (TVEL). Kao rezultat toga, iz kilograma prirodnog uranijuma može se dobiti 20-30 puta više energije nego u konvencionalnim nuklearnim reaktorima koji koriste uranijum-235.

U modernim dizajnima, tečni natrijum se koristi kao rashladno sredstvo. U tom slučaju reaktor može raditi na višim temperaturama, čime se povećava toplinska efikasnost elektrane. do 40% .

Međutim, fizička svojstva plutonijuma: toksičnost, niska kritična masa za spontanu reakciju fisije, paljenje u okruženju kiseonika, krhkost i samozagrevanje u metalnom stanju otežavaju njegovu proizvodnju, obradu i rukovanje. Stoga su reaktori za razmnožavanje još uvijek rjeđi od reaktora na termalnim neutronima.

4. Nuklearne elektrane

U miroljubive svrhe, atomska energija se koristi u nuklearnim elektranama. Udio nuklearnih elektrana u svjetskoj proizvodnji električne energije je oko 14% .

Kao primjer, razmotrite princip dobijanja električne energije u nuklearki Voronjež. Tečno metalno rashladno sredstvo sa ulaznom temperaturom od 571 K šalje se kroz kanale u jezgro reaktora kroz kanale pod pritiskom od 157 ATM (15,7 MPa), koje se u reaktoru zagreva do 595 K. Metalno rashladno sredstvo se šalje u generator pare, u koji ulazi hladna voda, pretvarajući se u paru sa pritiskom od 65,3 ATM (6,53 MPa). Para se dovodi do lopatica parne turbine, koja rotira turbogenerator.

U nuklearnim reaktorima temperatura proizvedene pare je znatno niža nego u parogeneratoru termoelektrana na organsko gorivo. Kao rezultat, termička efikasnost nuklearnih elektrana koje rade s vodom kao rashladnim sredstvom iznosi samo 30%. Poređenja radi, u elektranama koje rade na ugalj, naftu ili plin dostiže 40%.

Nuklearne elektrane se koriste u elektroenergetskim i toplotnim sistemima stanovništva, a za pogon propelera koriste se mini-nuklearne elektrane na morskim plovilima (brodovi na nuklearni pogon, nuklearne podmornice).

U vojne svrhe, nuklearna energija se koristi u atomskim bombama. Atomska bomba je poseban reaktor na brzim neutronima , u kojem dolazi do brze nekontrolirane lančane reakcije s visokim faktorom umnožavanja neutrona. U nuklearnom reaktoru atomske bombe nema moderatora. Zbog toga su dimenzije i težina uređaja male.

Nuklearni naboj uranijum-235 bombe podijeljen je na dva dijela, u svakom od kojih je lančana reakcija nemoguća. Da bi se izvršila eksplozija, jedna od polovica punjenja se ispaljuje na drugu, a kada se spoje, dolazi do eksplozivne lančane reakcije gotovo trenutno. Eksplozivna nuklearna reakcija oslobađa ogromnu energiju. U ovom slučaju se postiže temperatura od oko sto miliona stepeni. Dolazi do kolosalnog povećanja pritiska i formira se snažan udarni talas.

Prvi nuklearni reaktor lansiran je na Univerzitetu u Čikagu (SAD) 2. decembra 1942. godine. Prva atomska bomba detonirana je 16. jula 1945. u Novom Meksiku (Alamogordo). Bio je to uređaj stvoren na principu fisije plutonijuma. Bomba se sastojala od plutonijuma okruženog sa dva sloja hemijskog eksploziva sa upaljačima.

Prva nuklearna elektrana, koja je dala struju 1951. godine, bila je nuklearna elektrana EBR-1 (SAD). U bivšem SSSR-u - nuklearna elektrana Obninsk (regija Kaluga, dala struju 27. juna 1954.). Prva nuklearna elektrana u SSSR-u sa reaktorom na brzim neutronima snage 12 MW pokrenuta je 1969. godine u gradu Dimitrovgradu. Godine 1984. u svijetu je radilo 317 nuklearnih elektrana ukupne snage 191 hiljadu MW, što je u to vrijeme iznosilo 12% (1012 kWh) svjetske proizvodnje električne energije. Od 1981. godine najveća nuklearna elektrana na svijetu bila je nuklearna elektrana Biblis (Njemačka), čija je toplinska snaga reaktora iznosila 7800 MW.

termonuklearne reakcije nazivaju se nuklearne reakcije fuzije lakih jezgara u teže. Element koji se koristi u nuklearnoj fuziji je vodonik. Glavna prednost termonuklearne sinteze su praktički neograničeni resursi sirovina koje se mogu izvući iz morske vode. Vodonik u ovom ili onom obliku čini 90% sve materije. Gorivo za termonuklearnu fuziju sadržano u svjetskim okeanima trajat će više od milijardu godina (sunčevo zračenje i čovječanstvo u Sunčevom sistemu neće dugo trajati). Sirovina za termonuklearnu fuziju sadržana u 33 km okeanske vode je po energetskom sadržaju ekvivalentna svim resursima čvrstih goriva (na Zemlji ima 40 miliona puta više vode). Energija deuterijuma sadržana u čaši vode je ekvivalentna sagorevanju 300 litara benzina.

Postoje 3 izotopa vodonika : njihove atomske mase su -1,2 (deuterijum), 3 (tricijum). Ovi izotopi mogu reproducirati takve nuklearne reakcije u kojima je ukupna masa konačnih proizvoda reakcije manja od ukupne mase tvari koje su ušle u reakciju. Razlika u masama, kao u slučaju reakcije fisije, je kinetička energija produkta reakcije. U prosjeku, smanjenje mase supstance koja učestvuje u reakciji termonuklearne fuzije za 1 a.m.u. odgovara oslobađanju energije od 931 MeV:

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

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

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

Tricijum je praktički odsutan u prirodi. Može se dobiti interakcijom neutrona sa izotopima litijuma:

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

Fuzija jezgara lakih elemenata se ne odvija prirodno (isključujući procese u svemiru). Da bi se jezgra natjerala da uđu u reakciju fuzije, potrebne su visoke temperature (reda 107 -109K). U ovom slučaju, plin je jonizirana plazma. Problem ograničavanja ove plazme glavna je prepreka korištenju ovog načina dobivanja energije. Temperatura od 10 miliona stepeni je tipična za centralni deo Sunca. Termonuklearne reakcije su izvor energije koja osigurava zračenje Sunca i zvijezda.

Trenutno je u toku teorijski i eksperimentalni rad na proučavanju metoda magnetnog i inercijalnog zatvaranja plazme.

Metoda upotrebe magnetnih polja. Stvara se magnetsko polje koje prožima kanal pokretne plazme. Nabijene čestice koje čine plazmu, dok se kreću u magnetskom polju, podliježu silama usmjerenim okomito na kretanje čestica i linija magnetskog polja. Zbog djelovanja ovih sila, čestice će se kretati spiralno duž linija polja. Što je magnetsko polje jače, to je tok plazme gušći, čime se izoluje od zidova školjke.

Inercijalno zatvaranje plazme. Termonuklearne eksplozije se izvode u reaktoru sa frekvencijom od 20 eksplozija u sekundi. Da bi se realizovala ova ideja, čestica termonuklearnog goriva se zagreva fokusiranim zračenjem iz 10 lasera do temperature paljenja reakcije fuzije u vremenu pre nego što stigne da se rasprši na primetnu udaljenost usled toplotnog kretanja atoma (10-9 s ).

Termonuklearna fuzija je osnova hidrogenske (termonuklearne) bombe. U takvoj bombi se odvija samoodrživa termonuklearna reakcija eksplozivne prirode. Eksploziv je mješavina deuterija i tricijuma. Kao izvor aktivacijske energije (izvor visokih temperatura) koristi se energija nuklearne fisijske bombe. Prva termonuklearna bomba na svijetu stvorena je u SSSR-u 1953. godine.

Krajem 50-ih godina SSSR je počeo raditi na ideji termonuklearne fuzije u reaktorima tipa TOKAMAK (toroidalna komora u magnetskom polju zavojnice). Princip rada je sljedeći: toroidna komora se evakuira i puni plinskom mješavinom deuterijuma i tritijuma. Kroz smjesu se propušta struja od nekoliko miliona ampera. Za 1-2 sekunde temperatura smjese raste na stotine hiljada stepeni. U komori se formira plazma. Dalje zagrijavanje se vrši ubrizgavanjem neutralnih atoma deuterija i tritijuma sa energijom od 100 - 200 keV. Temperatura plazme raste na desetine miliona stepeni i počinje samoodrživa reakcija fuzije. Nakon 10-20 minuta u plazmi će se akumulirati teški elementi iz materijala koji djelomično isparava sa zidova komore. Plazma se hladi, termonuklearno sagorevanje prestaje. Komora se mora ponovo isključiti i očistiti od nakupljenih nečistoća. Dimenzije torusa pri toplotnoj snazi ​​reaktora od 5000 MW su sljedeće: Spoljni radijus -10m; unutrašnji radijus - 2,5 m.

Istraživanja kako bi se pronašao način kontrole termonuklearnih reakcija, tj. upotreba termonuklearne energije u miroljubive svrhe se razvija velikim intenzitetom.

1991. zajedničko evropsko postrojenje u Velikoj Britaniji po prvi put je postiglo značajno oslobađanje energije u toku kontrolirane termonuklearne fuzije. Optimalni režim je održavan 2 sekunde i bio je praćen oslobađanjem energije reda veličine 1,7 MW. Maksimalna temperatura bila je 400 miliona stepeni.

Termonuklearni generator energije. Kada se deuterijum koristi kao termonuklearno gorivo, dvije trećine energije mora se osloboditi u obliku kinetičke energije nabijenih čestica. Elektromagnetnim metodama ova energija se može pretvoriti u električnu energiju.

Električna energija se može dobiti u stacionarnom načinu rada instalacije i pulsnom. U prvom slučaju, ioni i elektroni koji nastaju kao rezultat samoodržive fuzijske reakcije usporavaju magnetsko polje. Jonska struja se odvaja od elektronske struje pomoću poprečnog magnetnog polja. Efikasnost takvog sistema pri direktnom kočenju će biti oko 50%, a ostatak energije će se pretvoriti u toplotu.

Fuzijski motori (nije implementirano). Obim: svemirska vozila. Potpuno jonizovana deuterijumska plazma na 1 milijardu stepeni Celzijusa drži se u filamentu linearnim magnetskim poljem supravodičnih zavojnica. Radni fluid se dovodi u komoru kroz zidove, hladeći ih i zagrijava, teče oko plazma stupca. Aksijalna brzina oticanja jona na izlazu iz magnetne mlaznice je 10.000 km/s.

Godine 1972., na sastanku Rimskog kluba - organizacije koja proučava uzroke i traži rješenja za probleme na planetarnim razmjerima - napravljen je izvještaj naučnika E. von Weinzsackera, A. H. Lovins koji je proizveo efekat bombe koja je eksplodirala. . Prema podacima navedenim u izvještaju, energetski izvori na planeti - ugalj, gas, nafta i uranijum - trajaće do 2030. godine. Za vađenje uglja, iz kojeg će se moći dobiti energija za 1 dolar, bit će potrebno potrošiti energiju koja košta 99 centi.

Uran-235, koji služi kao gorivo za nuklearne elektrane, u prirodi mi nije takav: samo 5% ukupne količine uranijuma u svijetu, od čega je 2% u Rusiji. Stoga se nuklearne elektrane mogu koristiti samo u pomoćne svrhe. Studije naučnika koji su pokušavali da dobiju energiju iz plazme na "TOKAMAK-ima" do danas su ostala skupa vežba. Godine 2000. pojavili su se izvještaji da Evropska atomska zajednica (CERN) i Japan grade prvi segment TOKAMAKA.

Spas možda nije "mirni atom" nuklearne elektrane, već onaj "vojni" - energija termonuklearne bombe.

Ruski naučnici su svoj izum nazvali kotao sa eksplozivnim sagorevanjem (FAC). Princip rada PIC-a zasniva se na eksploziji ultra-male termonuklearne bombe u posebnom sarkofagu - kotlu. Eksplozije se dešavaju redovno. Zanimljivo je da je pritisak na zidove kotla tokom eksplozije u PBC manji nego u cilindrima običnog automobila.

Za siguran rad KVS-a, unutrašnji prečnik kotla mora biti najmanje 100 metara. Dvostruki čelični zidovi i armirano-betonska školjka debljine 30 metara ublažit će vibracije. Za njegovu konstrukciju koristit će se samo visokokvalitetni čelik kao i za dva moderna vojna broda. Planirano je da se KVS gradi 5 godina. Godine 2000. u jednom od zatvorenih gradova Rusije pripremljen je projekat izgradnje eksperimentalnog postrojenja za "bombu" od 2-4 kilotona nuklearnog ekvivalenta. Cijena ovog FAC-a je 500 miliona dolara. Naučnici su izračunali da će se to isplatiti za godinu dana, a još 50 godina će davati praktično besplatnu struju i toplotu. Prema riječima vođe projekta, cijena energije koja je ekvivalentna onoj proizvedenoj spaljivanjem tone nafte bit će manja od 10 dolara.

40 KVG-a su u mogućnosti da zadovolje potrebe cjelokupnog nacionalnog energetskog sektora. Sto - sve zemlje evroazijskog kontinenta.

Godine 1932. eksperimentalno je otkriven pozitron - čestica mase elektrona, ali s pozitivnim nabojem. Ubrzo je sugerisano da simetrija naelektrisanja postoji u prirodi: a) svaka čestica mora imati antičesticu; b) zakoni prirode se ne mijenjaju kada se sve čestice zamijene odgovarajućim antičesticama i obrnuto. Antiproton i antineutron otkriveni su sredinom 1950-ih. U principu, može postojati antimaterija koja se sastoji od atoma, čija jezgra uključuju antiprotone i antineutrone, a njihovu ljusku čine pozitroni.

Klasteri antimaterije kosmoloških dimenzija bi činili antisvjetove, ali ih nema u prirodi. Antimaterija je sintetizovana samo u laboratorijskim razmerama. Tako su 1969. godine na akceleratoru Serpukhov sovjetski fizičari registrovali jezgra antihelijuma, koja se sastoje od dva antiprotona i jednog antineutrona.

U odnosu na mogućnosti pretvorbe energije, antimaterija je izuzetna po tome što kada dođe u dodir sa materijom dolazi do anihilacije (destrukcije) uz oslobađanje kolosalne energije (obe vrste materije nestaju, pretvarajući se u zračenje). Dakle, elektron i pozitron, anihilirajući, stvaraju dva fotona. Jedna vrsta materije - nabijene masivne čestice - prelazi u drugu vrstu materije - u neutralne čestice bez mase. Korištenje Einsteinove relacije o ekvivalenciji energije i mase (E=mc 2), lako je izračunati da se anihilacijom jednog grama materije proizvodi ista energija koja se može dobiti sagorevanjem 10.000 tona uglja, a jedna tona antimaterije bila bi dovoljna da čitavu planetu obezbedi energijom za godinu dana.

Astrofizičari vjeruju da je anihilacija ta koja daje gigantsku energiju kvazizvjezdanih objekata - kvazara.

Godine 1979. grupa američkih fizičara uspjela je registrirati prisustvo prirodnih antiprotona. Donijeli su ih kosmički zraci.

Nuklearna energija je užasna i u isto vrijeme divna sila. Radioaktivni raspad i nuklearne reakcije koje se odvijaju u atomima oslobađaju ogromnu količinu energije koju ljudi pokušavaju iskoristiti. Pokušavaju, jer razvoj nuklearne energije nije uključivao samo mnoge žrtve, već i katastrofe (na primjer, nuklearna elektrana u Černobilu). Ipak, nuklearne elektrane širom svijeta rade i proizvode oko 15 posto svjetske električne energije. Nuklearni reaktori su dostupni u 31 zemlji svijeta. Brodovi i podmornice također su opremljeni nuklearnim reaktorima. U svakom slučaju, odnos prema nuklearnoj energiji i općenito prema svemu što je vezano za nuklearni raspad (za razliku od fuzije) se svake godine pogoršava. Doći će dan kada će energija atoma biti isključivo mirna.

U najnovijim epizodama serije Černobil televizijske kuće HBO, ruski naučnici otkrivaju istinu o uzroku eksplozije reaktora 4. bloka nuklearne elektrane Černobil, koja je naknadno "oprašila" teritorije 17 evropskih zemalja. zemlje ukupne površine 207,5 hiljada kvadratnih kilometara sa radioaktivnim cezijem. Katastrofa u nuklearnoj elektrani Černobil otkrila je fundamentalne nedostatke u reaktoru RBMK-1000. Uprkos tome, danas u Rusiji radi 10 reaktora RBMK-1000. Da li su bezbedni? Prema riječima zapadnih stručnjaka za nuklearnu fiziku, koji su svoje mišljenje podijelili s portalom Live Science, ovo pitanje ostaje otvoreno.

Atom Sastoji se od jezgra oko kojeg se vrte čestice koje se nazivaju elektroni.

Jezgra atoma su najmanje čestice. Oni su osnova za sve supstance i materije.

Sadrže veliku količinu energije.

Ova energija se oslobađa kao zračenje kada se određeni radioaktivni elementi raspadnu. Radijacija je opasna za sav život na zemlji, ali se istovremeno koristi za proizvodnju struje i u medicini.

Radioaktivnost je svojstvo jezgara nestabilnih atoma da zrače energiju. Većina teških atoma je nestabilna, a lakši atomi imaju radioizotope, tj. radioaktivnih izotopa. Razlog za pojavu radioaktivnosti je taj što atomi teže stabilnosti. Danas su poznate tri vrste radioaktivnog zračenja: alfa, beta i gama. Ime su dobili po prvim slovima grčkog alfabeta. Jezgro prvo emituje alfa ili beta zrake. Ali ako i dalje ostane nestabilan, tada izlaze gama zraci. Tri atomska jezgra mogu biti nestabilna, a svako od njih može emitovati bilo koju vrstu zraka.

Na slici su prikazana tri atomska jezgra.

Oni su nestabilni i svaki od njih emituje jednu od tri vrste zraka.

Alfa čestice imaju dva protona i dva neutrona. Jezgro atoma helijuma ima potpuno isti sastav. Alfa čestice se kreću sporo i stoga ih može zadržati bilo koji materijal deblji od lista papira. Ne razlikuju se mnogo od jezgara atoma helijuma. Većina naučnika iznosi verziju da je helijum na Zemlji prirodnog radioaktivnog porijekla.

Beta čestice su elektroni sa ogromnom energijom. Njihovo formiranje nastaje tokom raspada neutrona. Beta čestice takođe nisu veoma brze, mogu da lete kroz vazduh do jednog metra. Stoga im bakreni lim debljine milimetara može postati prepreka na putu. A ako postavite olovnu barijeru od 13 mm ili 120 metara zraka, možete prepoloviti gama zračenje.

Gama zraci su elektromagnetno zračenje velike energije. Njegova brzina kretanja jednaka je brzini svjetlosti.

Transport radioaktivnih supstanci obavlja se u posebnim olovnim kontejnerima debelih zidova kako bi se spriječilo curenje radijacije.

Izlaganje radijaciji je izuzetno opasno za ljude.

Izaziva opekotine, katarakte, provocira razvoj raka.

Poseban uređaj, Geigerov brojač, pomaže u mjerenju nivoa zračenja, koji proizvodi zvukove kliktanja kada se pojavi izvor zračenja.

Kada jezgro emitira čestice, ono se pretvara u jezgro drugog elementa, mijenjajući tako svoj atomski broj. To se zove period raspada elementa. Ali ako je novoformirani element još uvijek nestabilan, tada se proces propadanja nastavlja. I tako sve dok element ne postane stabilan. Za mnoge radioaktivne elemente ovaj period traje desetinama, stotinama, pa čak i hiljadama godina, pa je uobičajeno mjeriti vrijeme poluraspada. Uzmimo, na primjer, atom plutonijuma-2 sa masom 242. Nakon emitovanja alfa čestica sa relativnom atomskom masom 4, on postaje atom uranijuma-238 sa istom atomskom masom.

Nuklearne reakcije.

Nuklearne reakcije se dijele na dvije vrste: nuklearna fuzija i fisija (cijepanje) jezgra.

Sinteza ili na drugi način "povezivanje" znači spajanje dva jezgra u jedno veliko pod utjecajem vrlo visoke temperature. U ovom trenutku se oslobađa velika količina energije.

Prilikom fisije i fisije dolazi do procesa fisije jezgra, pri čemu se oslobađa nuklearna energija.

To se događa kada se jezgro bombardira neutronima u posebnom uređaju zvanom "akcelerator čestica".

Prilikom fisije jezgra i zračenja neutrona oslobađa se samo kolosalna količina energije.

Poznato je da je za dobijanje velike količine električne energije potrebna samo jedinica mase radio goriva.Nijedna druga elektrana ne može se pohvaliti nečim sličnim.

Nuklearne energije.

Tako se energija koja se oslobađa tijekom nuklearne reakcije koristi za proizvodnju električne energije ili kao izvor energije u podvodnim i površinskim brodovima. Proces proizvodnje električne energije u nuklearnoj elektrani zasniva se na nuklearnoj fisiji u nuklearnim reaktorima. U ogromnom spremniku nalaze se šipke radioaktivne tvari (na primjer, uran).

Napadaju ih neutroni i cijepaju se, oslobađajući energiju. Novi neutroni se sve više cijepaju. To se zove lančana reakcija. Efikasnost ovog načina proizvodnje električne energije je nevjerovatno visoka, ali su mjere sigurnosti i uslovi sahranjivanja preskupi.

Međutim, čovječanstvo koristi nuklearnu energiju ne samo u miroljubive svrhe. Sredinom 20. stoljeća testirano je i testirano nuklearno oružje.

Njegovo djelovanje je oslobađanje ogromnog protoka energije, što dovodi do eksplozije. Na kraju Drugog svjetskog rata, Sjedinjene Države su koristile nuklearno oružje protiv Japana. Bacili su atomske bombe na gradove Hirošimu i Nagasaki.

Posljedice su bile jednostavno katastrofalne.

Neke ljudske žrtve bile su nekoliko stotina hiljada.

Ali naučnici se nisu tu zaustavili i razvili su vodonično oružje.

Njihova razlika je u tome što su nuklearne bombe zasnovane na reakcijama nuklearne fisije, a hidrogenske bombe na reakcijama fuzije.

radiokarbonska metoda.

Za dobivanje informacija o vremenu smrti organizma koristi se metoda radiokarbonske analize. Poznato je da živo tkivo sadrži određenu količinu ugljika-14, koji je radioaktivni izotop ugljika. Poluživot koji iznosi 5700 godina. Nakon smrti organizma, rezerve ugljika-14 u tkivima se smanjuju, izotop se raspada, a vrijeme smrti organizma određuje se iz njegove preostale količine. Tako, na primjer, možete saznati prije koliko je vremena vulkan eruptirao. To se može prepoznati po insektima i polenu smrznutom u lavi.

Kako se još koristi radioaktivnost?

Zračenje se takođe koristi u industriji.

Gama zraci se koriste za zračenje hrane kako bi bila svježa.

U medicini se zračenje koristi u proučavanju unutrašnjih organa.

Postoji i tehnika koja se zove radioterapija. To je kada se pacijent ozrači malim dozama, uništavajući ćelije raka u njegovom tijelu.