Näited tuumaenergiast. Esimene tuumareaktor – kes selle leiutas? Aatomipommi kõrvalsaadus

Looduses vabaneb tuumaenergia tähtedes ja inimene kasutab seda peamiselt tuumarelvades ja tuumaenergias, eriti tuumaelektrijaamades.

Füüsilised alused

Sideme energia

Kuigi tuum koosneb nukleonitest, ei ole tuuma mass siiski ainult nukleonide masside summa. Energiat, mis neid nukleone koos hoiab, vaadeldakse kui tuuma massi ja selle koostisosade üksikute nukleonide masside erinevust kuni tegurini. c 2 , mis seostab massi ja energia võrrandiga E = m ⋅ c 2 . (\displaystyle E=m\cdot c^(2).) Seega, määrates aatomi massi ja selle komponentide massi, saab määrata keskmist energiat nukleoni kohta, mis hoiab erinevaid tuumasid koos.

Graafikult on näha, et väga kergetel tuumadel on vähem sidumisenergiat nukleoni kohta kui veidi raskematel tuumadel (graafiku vasakus servas). See on põhjus, miks termotuumareaktsioonid (st kergete tuumade ühinemine) vabastavad energiat. Seevastu väga rasketel tuumadel graafiku paremal küljel on väiksem sidumisenergia nukleoni kohta kui keskmise massiga tuumadel. Sellega seoses on raskete tuumade lõhustumine ka energeetiliselt soodne (see tähendab, et see toimub tuumaenergia vabanemisega). Samuti tuleb märkida, et sulamise ajal (vasakul pool) on masside erinevus palju suurem kui lõhustumise ajal (paremal pool).

Energiat, mis on vajalik tuuma täielikuks jagamiseks üksikuteks nukleoniteks, nimetatakse siduv energia E tuumast. Spetsiifiline sidumisenergia (st sidumisenergia nukleoni kohta, ε = E Koos / A, kus A- nukleonite arv tuumas ehk massiarv) ei ole erinevate keemiliste elementide ja isegi sama keemilise elemendi isotoopide puhul sama. Nukleoni spetsiifiline sidumisenergia tuumas varieerub keskmiselt alates 1 MeV kergetele tuumadele (deuteerium) kuni 8,6 MeV keskmise massiga tuumadele (massinumbriga AGA≈ 100). Raskete tuumade jaoks ( AGA≈ 200), on nukleoni spetsiifiline sidumisenergia keskmise massiga tuumade omast ligikaudu 1 MeV võrra väiksem, nii et nende muutumisega keskmise massiga tuumadeks (jagamine kaheks osaks) kaasneb energia vabanemine umbes 1 MeV nukleoni kohta või umbes 200 MeV tuuma kohta. Kergete tuumade muundumine raskemateks tuumadeks annab veelgi suurema energiakasvu nukleoni kohta. Nii näiteks deuteeriumi ja triitiumi tuumade kombinatsiooni reaktsioon

millega kaasneb energia vabanemine 17,6 MeV, st 3,5 MeV nukleoni kohta.

Tuuma lõhustumine

2,5 neutroni ilmumine lõhustumissündmuse kohta võimaldab ahelreaktsiooni toimuda, kui vähemalt üks neist 2,5 neutronist suudab tekitada uue uraani tuuma lõhustumise. Tavaliselt ei lõhusta kiirgavad neutronid kohe uraani tuumasid, vaid neid tuleb kõigepealt aeglustada termilise kiiruseni (2200 m/s T=300 K). Aeglustumine saavutatakse kõige tõhusamalt väikese elemendiga ümbritsevate aatomite abil A, nagu vesinik, süsinik jne materjalist, mida nimetatakse moderaatoriks.

Mõned teised tuumad võivad samuti lõhustada, püüdes kinni aeglased neutronid, näiteks 233U või 239. Siiski on võimalik ka selliste tuumade nagu 238 U (see on 140 korda suurem kui 235 U) või 232 (see on 400 korda rohkem kui 235 U maakoores) lõhustumine kiirete neutronitega (kõrge energiaga).

Lõhustumise elementaarteooria lõid Niels Bohr ja J. Wheeler, kasutades tuuma tilkmudelit.

Tuuma lõhustumist saab saavutada ka kiirete alfaosakeste, prootonite või deuteronitega. Kuid erinevalt neutronitest peavad need osakesed olema suure energiaga, et ületada tuuma Coulombi barjääri.

Tuumaenergia vabastamine

Teadaolevalt vabastavad eksotermilised tuumareaktsioonid tuumaenergiat.

Tavaliselt kasutatakse tuumaenergia saamiseks uraan-235 või plutooniumi tuumade, harvem muude raskete tuumade (uraan-238, toorium-232) tuuma lõhustumise ahelreaktsiooni. Tuumad jagunevad, kui neutron neid tabab, ning saadakse uued neutronid ja lõhustumisfragmendid. Lõhustumisneutronitel ja lõhustumisfragmentidel on kõrge kineetiline energia. Fragmentide kokkupõrgete tulemusena teiste aatomitega muutub see kineetiline energia kiiresti soojuseks.

Teine viis tuumaenergia vabastamiseks on termotuumasüntees. Sel juhul ühendatakse kaks kergete elementide tuuma üheks raskeks. Looduses toimuvad sellised protsessid Päikesel ja teistel tähtedel, olles nende peamine energiaallikas.

Paljud aatomituumad on ebastabiilsed. Aja jooksul muutuvad mõned neist tuumadest spontaanselt teisteks tuumadeks, vabastades energiat. Seda nähtust nimetatakse radioaktiivseks lagunemiseks.

Tuumaenergia rakendused

Jaoskond

Praegu on kõigist tuumaenergia allikatest raskete tuumade lõhustumisel vabanev energia suurim praktiline rakendus. Energiaressursside nappuse tingimustes peetakse tuumalõhustumisreaktorite tuumaenergiat lähikümnendite kõige perspektiivikamaks. Tuumaelektrijaamades kasutatakse tuumaenergiat soojuse tootmiseks, mida kasutatakse elektri ja kütte tootmiseks. Tuumaelektrijaamad lahendasid piiramatu navigatsioonialaga laevade probleemi (tuumajäämurdjad, tuumaallveelaevad, tuumalennukikandjad).

Uraani või plutooniumi tuuma lõhustumise energiat kasutatakse tuuma- ja termotuumarelvades (termotuumareaktsiooni käivitajana ja lisaenergia allikana tuumade lõhustumisel termotuumareaktsioonides tekkivate neutronitega).

Eksperimentaalseid tuumarakettmootoreid oli, kuid neid katsetati eranditult Maal ja kontrollitud tingimustes, kuna õnnetuse korral tekkis radioaktiivse saaste oht.

Tuumaelektrijaamad tootsid 2012. aastal 13% maailma elektrist ja 5,7% kogu maailma energiatoodangust. Rahvusvahelise Aatomienergiaagentuuri (IAEA) raporti kohaselt on 2013. aasta seisuga 436 aktiivset tuumaenergiat. energiat(st ringlussevõetavat elektri- ja/või soojusenergiat tootvad) reaktorid 31 maailma riigis. Lisaks on erinevates ehitusetappides veel 73 energiat tuumareaktorid 15 riigis. Praegu on maailmas ka umbes 140 aktiivset pinnalaeva ja allveelaeva, mis kasutavad kokku umbes 180 reaktorit. Nõukogude ja Ameerika kosmoseaparaatides on kasutatud mitmeid tuumareaktoreid, millest osa on siiani orbiidil. Lisaks kasutavad mitmed rakendused tuumaenergiat, mis on toodetud reaktorivälistes allikates (näiteks termoisotoopide generaatorites). Samas ei lõpe debatt tuumaenergia kasutamise üle. Tuumaenergia vastased (eelkõige organisatsioonid nagu Greenpeace) usuvad, et tuumaenergia kasutamine ohustab inimkonda ja keskkonda. Tuumaenergia kaitsjad (IAEA, Maailma Tuumaassotsiatsioon jt) väidavad omakorda, et seda tüüpi energia vähendab kasvuhoonegaaside heitkoguseid atmosfääri ja põhjustab tavapärasel töötamisel oluliselt vähem riske keskkonnale kui muud tüüpi energiatootmine. .

Termotuumasünteesi

Vesinikpommis kasutatakse termotuumasünteesi energiat. Kontrollitud termotuumasünteesi probleem pole veel lahendatud, kuid kui see probleem lahendatakse, saab sellest peaaegu piiramatu odava energia allikas.

radioaktiivne lagunemine

Radioaktiivse lagunemise käigus vabanevat energiat kasutatakse pikaealistes soojusallikates ja beeta-voltaelementides. Automaatne planeetidevahelise jaama tüüp

Möödunud sajandi lõpul avastasid teadlased üllatusega, et aatomid või õigemini aatomituumad lagunevad iseenesest, kiirgades kiiri ja soojust. Nad nimetasid seda nähtust. Ja kui nad arvutasid, olid nad veelgi üllatunud: 1 g raadiumi, kui see täielikult laguneb, võib anda sama palju soojust kui 500 kg kivisütt põletades. Kuid seda omadust on võimatu kasutada - aatomid lagunevad nii aeglaselt, et 2000 aasta jooksul vabaneb ainult pool soojusest.

See on nagu suur tamm. Tamm on suletud ja vesi voolab väikese ojana, millest pole kasu.

Nüüd, kui tamm avataks, kui inimesed õpiksid aatomeid hävitama!.. Nad saaksid lõputu energiaookeani. Aga kuidas seda teha?

Nad ütlevad, et nad ei lase varblast kahurist, vaid vajavad väikest graanulit. Ja kust saada pelletit aatomi tuuma lõhestamiseks?

Teadlased üle kogu Maa on mitukümmend aastat kõvasti tööd teinud. Selle aja jooksul õppisid nad selgeks, kuidas see töötab, ja leidsid selle jaoks "võtte". Selgus, et see on üks osakestest, mis on tuuma osa – neutron. See tungib kergesti aatomisse ja purustab tuuma.

Ja siis selgus, et uraani metalli aatomid eraldavad pärast lõhenemist uusi neutroneid, mis hävitavad naaberaatomeid. Kui võtta tükk uraani, milles laguneb korraga palju tuumasid ja vabaneb palju uusi neutroneid, kasvab lõhustumisprotsess mägedes laviinina. Aatomipomm plahvatab.

Tuumareaktori seadme skeem. Paksud mustad vardad on neutronite neelajad. Reaktoris soojendatakse vett ja seejärel kuumutatakse vesi soojusvahetis keemiseni. Tekkiv aur paneb elektrijaama turbiini pöörlema.

Kujutage ette, et suur tamm on kokku varisenud. Selle kõige taha kogunenud vesi tormab kohe ägedalt alla. Oja jõud on suur, kuid sellest on ainult kahju, sest see pühib minema kõik, mis tema teel on. Nii on ka aatomiga: plahvatuse kolossaalne energia võib ainult hävitada. Ja inimesed vajavad ehitamiseks aatomienergiat. Nüüd, kui aatom annaks oma varud ära selliste portsjonitena, nagu me tahame! Energiat pole vaja – siiber kinni. Kulus - (Kui palju vajate?) avas kaks või kolm siibrit: "Saa nii palju, kui küsisite!"

Ja mees pidurdas plahvatuse.

Kes on "tuumajaama" peamine "tööline"? Neutron. Tema on see, kes purustab uraani tuumad. Ja kui me osa töötajaid "tehasest" eemaldame? Töö läheb aeglasemalt.

Nii töötab aatomikatel ehk tuumareaktor. See on suur paksude betoonseintega kaev (neid on vaja selleks, et inimestele kahjulik kiirgus välja ei satuks). Kaev on täidetud grafiidiga, samast materjalist pliiatsijuhtmete valmistamisel. Grafiittäidises on augud, kuhu asetatakse uraanivardad. Kui neid on piisavalt, ilmub vajalik arv “töötavaid” neutroneid ja algab aatomireaktsioon.

Selle juhtimiseks on teistes aukudes metallvardad, mis neutroneid kinni püüavad ja neelavad. See on "klapid" tammis.

Energiat pole vaja või on plahvatusoht, siibrivardad langevad hetkega alla, uraanituumadest eralduvad neutronid neelduvad, lakkavad töötamast ja reaktsioon peatub.

See on vajalik, et reaktsioon algaks, siibrivardad tõstetakse üles, reaktorisse ilmuvad uuesti “töötavad” neutronid ja temperatuur katlas tõuseb (Kui palju energiat vajate? Hankige!).

Tuumareaktoreid saab paigutada tuumaelektrijaamadele, tuumaallveelaevadele, tuumajäälõhkujale. Nad, nagu tavalised aurukatlad, muudavad vee kuulekalt auruks, mis paneb turbiine pöörlema. Viiesajast kilogrammist aatomikütust – kõigest kümne kohvri sisust – piisab, et Lenini jäämurdja saaks aasta ringi sõita. Kas kujutate ette, kui tulus see on: teil pole vaja sadu tonne kütust endaga kaasas kanda, selle asemel võite võtta kasulikuma kauba; te ei saa terve aasta sadamasse tankimiseks minna, eriti kuna põhjas pole seda alati lihtne teha. Jah, ja masinaid saab tugevamaks muuta ...

Olemasolevates tuumareaktorites saadakse energiat suurest hulgast osakestest koosnevate tuumade hävitamisel (näiteks uraani tuumades on neid üle kahesaja). Ja kuigi sellist kütust on Maal veel palju, aga kunagi saab see otsa ... Kas on võimalik saada tuumaenergiat teistest ainetest? Ja teadlased on leidnud!

Selgus, et energiaallikana võivad toimida ka aatomid, mille tuumas on ainult kaks osakest: üks prooton ja üks neutron. Kuid nad ei anna seda ära siis, kui nad jagunevad, vaid siis, kui nad ühendavad või, nagu öeldakse, sünteesi ajal, kaks tuuma.

Vesinikuaatomeid tuleb selleks kuumutada paljude miljonite kraadideni. Sellel temperatuuril hakkavad nende tuumad suurel kiirusel liikuma ja pärast kiirendamist saavad nad üle nende vahel eksisteerivatest elektrilistest tõukejõududest. Kui nad jõuavad piisavalt lähedale, hakkavad tuuma tõmbejõud tegutsema ja tuumad ühinevad. Tuuma lõhustumise käigus eraldub tuhandeid kordi rohkem soojust.

Seda energia saamise meetodit nimetatakse termotuumareaktsiooniks. Need reaktsioonid toimuvad nii kaugete tähtede kui ka lähedalasuva Päikese sügavuses, mis annab meile valgust ja soojust. Kuid Maal on need seni avaldunud vesinikupommi hävitava plahvatuse näol.

Nüüd töötavad teadlased selle nimel, et vesiniku tuumad järk-järgult ühineksid. Ja kui me õpime termotuumareaktsioone juhtima, saame ära kasutada piiramatuid energiavarusid, mis sisalduvad vees, mis koosneb vesinikust ja mille varud on ammendamatud.

Aatomituumades sisalduv energia, mis vabaneb tuumareaktsioonide ja radioaktiivse lagunemise käigus.

Orgaanilistest kütustest piisab prognooside kohaselt inimkonna energiavajaduse katmiseks 4-5 aastakümneks. Päikeseenergia võib tulevikus saada peamiseks energiaallikaks. Üleminekuperiood eeldab energiaallikat, mis on praktiliselt ammendamatu, odav, taastuv ja keskkonda mittereostav. Ja kuigi tuumaenergia ei vasta täielikult kõigile neile nõuetele, areneb see kiires tempos ja on meie lootus globaalse energiakriisi lahendamiseks.

Aatomituumade siseenergia vabanemine on võimalik raskete tuumade lõhustumisel või kergete tuumade sünteesil.

Aatomi karakteristikud. Mis tahes keemilise elemendi aatom koosneb tuumast ja selle ümber tiirlevatest elektronidest. Aatomi tuum koosneb neutronitest ja prootonitest. Prootoni ja neutroni üldnimetus on termin nukleon. Neutronitel puudub elektrilaeng prootonid on positiivselt laetud, elektronid - negatiivsed. Prootoni laengu moodul on võrdne elektroni laenguga.

Tuuma Z prootonite arv langeb kokku selle aatomnumbriga Mendelejevi perioodilises süsteemis. Neutronite arv tuumas on väheste eranditega suurem kui prootonite arv või sellega võrdne.

Aatomi mass on koondunud tuumas ja selle määrab nukleonide mass. Ühe prootoni mass on võrdne ühe neutroni massiga. Elektroni mass on 1/1836 prootoni massist.

Aatomite massi mõõtmena kasutatakse aatommassi ühik(a.m.u.) võrdne 1,66 10 -27 kg. 1 amu ligikaudu võrdne ühe prootoni massiga. Aatomi tunnuseks on massiarv A, mis võrdub prootonite ja neutronite koguarvuga.

Neutronite olemasolu võimaldab kahel aatomil olla erineva massiga tuuma samade elektrilaengute korral. Nende kahe aatomi keemilised omadused on samad; selliseid aatomeid nimetatakse isotoopideks. Kirjanduses kirjutatakse elemendi tähistusest vasakule massiarv ülaossa ja prootonite arv alla.

Sellistes reaktorites kasutatav tuumkütus on uraani isotoop aatommassiga 235. Looduslik uraan on kolme isotoobi segu: uraan-234 (0,006%), uraan-235 (0,711%) ja uraan-238 (99,283%). Uraan-235 isotoobil on ainulaadsed omadused - madala energiaga neutroni neeldumise tulemusena saadakse uraan-236 tuum, mis seejärel jaguneb - jaguneb kaheks ligikaudu võrdseks osaks, mida nimetatakse lõhustumisproduktideks (fragmentideks). Algtuuma nukleonid jagunevad lõhustumisfragmentide vahel, kuid mitte kõik - keskmiselt vabaneb 2-3 neutronit. Lõhustumise tulemusena ei säili algtuuma mass täielikult, osa sellest muundub energiaks, peamiselt lõhustumisproduktide ja neutronite kineetiliseks energiaks. Selle energia väärtus ühe uraani 235 aatomi kohta on umbes 200 MeV.

Tavalise 1000 MW võimsusega reaktori südamik sisaldab umbes 1 tuhat tonni uraani, millest vaid 3 - 4% on uraan-235. Iga päev kulub reaktoris seda isotoopi 3 kg. Seega tuleb reaktori kütusega varustamiseks päevas töödelda 430 kg uraanikontsentraati ja see teeb keskmiselt 2150 tonni uraanimaaki.

Lõhustumisreaktsiooni tulemusena tekivad tuumakütuses kiired neutronid. Kui need interakteeruvad lõhustuva materjali naabertuumadega ja põhjustavad neis omakorda lõhustumisreaktsiooni, toimub lõhustumissündmuste arvu laviinilaadne kasv. Seda lõhustumisreaktsiooni nimetatakse tuuma lõhustumise ahelreaktsiooniks.

Lõhustumisahelreaktsiooni arendamiseks on kõige tõhusamad neutronid, mille energia on alla 0,1 keV. Neid nimetatakse termilisteks, kuna nende energia on võrreldav molekulide soojusliikumise keskmise energiaga. Võrdluseks, tuumade lagunemisel tekkinud neutronite energia on 5 MeV. Neid nimetatakse kiireteks neutroniteks. Selliste neutronite ahelreaktsioonis kasutamiseks tuleb nende energiat vähendada (aeglustada). Neid funktsioone täidab aeglusti. Moderaatorainetes hajuvad kiired neutronid tuumade kaudu ja nende energia muundatakse moderaatoraine aatomite soojusliikumise energiaks. Moderaatorina kasutatakse enim grafiiti, vedelaid metalle (1. ahela jahutusvedelik).

Ahelreaktsiooni kiire arenguga kaasneb suure hulga soojuse eraldumine ja reaktori ülekuumenemine. Reaktori statsionaarse režiimi säilitamiseks sisestatakse reaktori südamikusse juhtvardad, mis on valmistatud materjalidest, mis neelavad tugevalt termilisi neutroneid, näiteks boorist või kaadmiumist.

Laguproduktide kineetiline energia muundatakse soojuseks. Soojus neelab tuumareaktoris ringlevas jahutusvedelikus ja kantakse üle soojusvahetisse (1. suletud ringkond), kus tekib aur (2. ahel), mis pöörab turbogeneraatori turbiini. Reaktoris on jahutusvedelik vedel naatrium (1. ahel) ja vesi (2. ahel).

Uraan-235 on taastumatu ressurss ja kui seda kasutatakse täielikult tuumareaktorites, kaob see igaveseks. Seetõttu tundub ahvatlev kasutada algkütusena uraan-238 isotoopi, mida esineb palju suuremates kogustes. See isotoop ei toeta ahelreaktsiooni neutronite mõjul. Kuid see võib absorbeerida kiireid neutroneid, moodustades protsessi käigus uraan-239. Uraan-239 tuumades algab beeta-lagunemine ja tekib neptuunium-239 (looduses ei leidu). See isotoop ka laguneb ja muutub plutoonium-239-ks (looduslikult ei esine). Plutoonium-239 on termilisele neutronite lõhustumise reaktsioonile veelgi vastuvõtlikum. Tuumkütuses plutoonium-239 toimuva lõhustumisreaktsiooni tulemusena tekivad kiired neutronid, mis koos uraaniga moodustavad uue kütuse ja lõhustumisproduktid, mis eraldavad soojust kütuseelementides (TVEL). Selle tulemusena saab kilogrammi loodusliku uraani abil saada 20-30 korda rohkem energiat kui tavalistes uraan-235 kasutavates tuumareaktorites.

Kaasaegses disainis kasutatakse jahutusvedelikuna vedelat naatriumi. Sel juhul saab reaktor töötada kõrgematel temperatuuridel, suurendades seeläbi elektrijaama soojuslikku efektiivsust. kuni 40% .

Plutooniumi füüsikalised omadused: mürgisus, spontaanse lõhustumisreaktsiooni madal kriitiline mass, süttimine hapnikukeskkonnas, rabedus ja isekuumenemine metallilises olekus muudavad selle valmistamise, töötlemise ja käsitsemise aga keeruliseks. Seetõttu on aretusreaktorid endiselt vähem levinud kui termilised neutronreaktorid.

4. Tuumaelektrijaamad

Rahulikel eesmärkidel kasutatakse tuumaelektrijaamades aatomienergiat. Tuumaelektrijaamade osakaal maailma elektritootmises on umbes 14%. .

Vaatleme näiteks Voroneži TEJ elektrienergia saamise põhimõtet. Vedel metallist jahutusvedelik, mille sisselasketemperatuur on 571 K, suunatakse kanalite kaudu reaktori südamikusse rõhul 157 ATM (15,7 MPa), mis kuumutatakse reaktoris temperatuurini 595 K. Metallist jahutusvedelik suunatakse aurugeneraator, millesse siseneb külm vesi, muutudes auruks rõhuga 65,3 ATM (6,53 MPa). Auru juhitakse turbogeneraatorit pöörleva auruturbiini labadele.

Tuumareaktorites on toodetava auru temperatuur oluliselt madalam kui orgaanilisel kütusel töötavate soojuselektrijaamade aurugeneraatoris. Selle tulemusena on vett jahutusvedelikuna töötavate tuumaelektrijaamade soojuslik kasutegur vaid 30%. Võrdluseks, kivisöel, naftal või gaasil töötavates elektrijaamades ulatub see 40% -ni.

Tuumaelektrijaamu kasutatakse elanikkonna elektri- ja soojusvarustussüsteemides ning merelaevadel (tuumajõul töötavad laevad, tuumaallveelaevad) minituumajaamu kasutatakse propellerite juhtimiseks.

Sõjalistel eesmärkidel kasutatakse tuumaenergiat aatomipommides. Aatomipomm on spetsiaalne kiirneutronreaktor , milles toimub kiire kontrollimatu ahelreaktsioon kõrge neutronite korrutusteguriga. Aatomipommi tuumareaktoris pole moderaatoreid. Seadme mõõtmed ja kaal on seetõttu väikesed.

Uraan-235 pommi tuumalaeng jaguneb kaheks osaks, millest kummaski on ahelreaktsioon võimatu. Plahvatuse läbiviimiseks tulistatakse laengu üks pooltest teise pihta ja kui need on omavahel ühendatud, tekib peaaegu silmapilkselt plahvatuslik ahelreaktsioon. Plahvatusohtlik tuumareaktsioon vabastab tohutult energiat. Sel juhul saavutatakse temperatuur umbes saja miljoni kraadini. Toimub kolossaalne rõhu tõus ja tekib võimas lööklaine.

Esimene tuumareaktor käivitati Chicago ülikoolis (USA) 2. detsembril 1942. aastal. Esimene aatomipomm plahvatas 16. juulil 1945 New Mexicos (Alamogordos). See oli plutooniumi lõhustumise põhimõttel loodud seade. Pomm koosnes plutooniumist, mida ümbritses kaks kihti keemilist lõhkeainet koos süütenööridega.

Esimene tuumajaam, mis andis voolu 1951. aastal, oli EBR-1 tuumajaam (USA). Endises NSV Liidus - Obninski tuumaelektrijaam (Kaluga oblast, andis voolu 27.06.1954). NSV Liidu esimene 12 MW võimsusega kiirneutronreaktoriga tuumaelektrijaam käivitati 1969. aastal Dimitrovgradi linnas. 1984. aastal töötas maailmas 317 tuumaelektrijaama koguvõimsusega 191 tuhat MW, mis moodustas sel ajal 12% (1012 kWh) maailma elektritoodangust. 1981. aasta seisuga oli maailma suurim tuumajaam Biblise tuumajaam (Saksamaa), mille reaktorite soojusvõimsus oli 7800 MW.

termotuumareaktsioonid nimetatakse tuumareaktsioonideks kergete tuumade ühinemisel raskemateks tuumadeks. Tuumasünteesis kasutatav element on vesinik. Termotuumasünteesi peamiseks eeliseks on mereveest ammutatava tooraine praktiliselt piiramatud ressursid. Vesinik ühel või teisel kujul moodustab 90% kogu ainest. Maailmameres sisalduvat termotuumasünteesi kütust jätkub enam kui 1 miljardiks aastaks (päikesekiirgus ja inimkond päikesesüsteemis enam kaua vastu ei pea). 33 km pikkuses ookeanivees sisalduv termotuumasünteesi tooraine on energiasisalduselt samaväärne kõigi tahkekütuste ressurssidega (Maal on vett 40 miljonit korda rohkem). Klaasis vees sisalduv deuteeriumi energia võrdub 300 liitri bensiini põletamisega.

Vesinikul on 3 isotoopi : nende aatommassid on -1,2 (deuteerium), 3 (triitium). Need isotoobid suudavad reprodutseerida selliseid tuumareaktsioone, mille puhul reaktsiooni lõppsaaduste kogumass on väiksem kui reaktsioonis osalenud ainete kogumass. Masside erinevus, nagu ka lõhustumisreaktsiooni puhul, on reaktsioonisaaduste kineetiline energia. Termotuumasünteesi reaktsioonis osaleva aine massi vähenemine keskmiselt 1 a.m.u. vastab 931 MeV energia vabanemisele:

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

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

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

Triitium looduses praktiliselt puudub. Seda saab saada neutronite interaktsioonil liitiumi isotoopidega:

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

Kergete elementide tuumade ühinemine ei toimu looduslikult (v.a ruumis toimuvad protsessid). Tuumade sulandumiseks termotuumareaktsiooni on vaja kõrget temperatuuri (suurusjärgus 107–109 K). Sel juhul on gaasiks ioniseeritud plasma. Selle energia saamise meetodi kasutamise peamine takistus on selle plasma piiramise probleem. Päikese keskosale on tüüpiline temperatuur suurusjärgus 10 miljonit kraadi. Just termotuumareaktsioonid on energiaallikaks, mis annab Päikeselt ja tähtedelt kiirgust.

Praegu on käimas teoreetiline ja eksperimentaalne töö magnetilise ja inertsiaalse plasmasulgumise meetodite uurimiseks.

Magnetvälja kasutamise meetod. Tekib magnetväli, mis läbib liikuva plasma kanalit. Plasma moodustavad laetud osakesed mõjuvad magnetväljas liikudes jõududele, mis on suunatud osakeste liikumisele ja magnetvälja joontele. Nende jõudude toimel liiguvad osakesed spiraalselt piki väljajooni. Mida tugevam on magnetväli, seda tihedamaks muutub plasmavool, isoleerides end seeläbi kesta seintest.

Inertsiaalne plasma piiramine. Reaktoris tehakse termotuumaplahvatusi sagedusega 20 plahvatust sekundis. Selle idee elluviimiseks kuumutatakse termotuumakütuse osake 10 laseri fokuseeritud kiirgusega termotuumasünteesi reaktsiooni süttimistemperatuurini aja jooksul, enne kui see jõuab aatomite soojusliikumise tõttu märgatavale kaugusele (10-9 s) hajuda. ).

Termotuumasüntees on vesiniku (termotuuma) pommi alus. Sellises pommis toimub plahvatusohtliku iseloomuga isemajandav termotuumareaktsioon. Lõhkeaine on deuteeriumi ja triitiumi segu. Aktiveerimisenergia allikana (kõrgete temperatuuride allikana) kasutatakse tuumalõhustumispommi energiat. Maailma esimene termotuumapomm loodi NSV Liidus 1953. aastal.

50. aastate lõpus hakkas NSV Liit töötama termotuumasünteesi idee kallal TOKAMAK-tüüpi reaktorites (toroidaalne kamber mähise magnetväljas). Tööpõhimõte on järgmine: toroidkamber evakueeritakse ja täidetakse deuteeriumi ja triitiumi gaasiseguga. Segu läbib mitme miljoni amprine vool. 1-2 sekundiga tõuseb segu temperatuur sadade tuhandete kraadideni. Kambris moodustub plasma. Edasine kuumutamine viiakse läbi neutraalsete deuteeriumi ja triitiumi aatomite süstimisega energiaga 100–200 keV. Plasma temperatuur tõuseb kümnete miljonite kraadideni ja algab isemajandav termotuumasünteesi reaktsioon. 10–20 minuti pärast kogunevad plasmasse kambri seinte osaliselt aurustuva materjali rasked elemendid. Plasma jahtub, termotuumapõlemine peatub. Kamber tuleb uuesti välja lülitada ja puhastada kogunenud lisanditest. Toruse mõõtmed reaktori soojusvõimsusel 5000 MW on järgmised: Välisraadius -10m; sisemine raadius - 2,5 m.

Teadusuuringud, et leida viis termotuumareaktsioonide kontrollimiseks, s.t. termotuumaenergia kasutamine rahumeelsetel eesmärkidel areneb suure intensiivsusega.

1991. aastal saavutas Ühendkuningriigis asuv Euroopa ühisrajatis esimest korda kontrollitud termotuumasünteesi käigus märkimisväärse energia vabanemise. Optimaalset režiimi hoiti 2 sekundit ja sellega kaasnes energia vabanemine suurusjärgus 1,7 MW. Maksimaalne temperatuur oli 400 miljonit kraadi.

Termotuumaenergia generaator. Kui deuteeriumi kasutatakse termotuumakütusena, peab kaks kolmandikku energiast vabanema laetud osakeste kineetilise energia kujul. Elektromagnetiliste meetoditega saab selle energia muundada elektrienergiaks.

Elektrit on võimalik saada paigaldise statsionaarses töörežiimis ja impulss-. Esimesel juhul pidurdab magnetväli isemajandavast termotuumasünteesi reaktsioonist tekkivaid ioone ja elektrone. Ioonvool eraldatakse elektroonilisest voolust ristsuunalise magnetvälja abil. Sellise süsteemi kasutegur otsesel pidurdamisel on umbes 50% ja ülejäänud energia muundatakse soojuseks.

Termotuumamootorid (pole rakendatud). Reguleerimisala: kosmosesõidukid. Täielikult ioniseeritud deuteeriumi plasmat temperatuuril 1 miljard kraadi Celsiuse järgi hoiab ülijuhtide poolide lineaarne magnetväli hõõgniidis. Töövedelik juhitakse kambrisse läbi seinte, jahutades neid ja soojeneb, voolates ümber plasmakolonni. Ioonide väljavoolu aksiaalkiirus magnetdüüsi väljalaskeava juures on 10 000 km/s.

1972. aastal koostati Rooma Klubi – organisatsiooni, mis uurib põhjuseid ja otsib lahendusi planeedi mastaabis probleemidele – koosolekul teadlaste E. von Weinzsackeri ja A. H. Lovinsi koostatud aruanne, mis tekitas plahvatava pommi efekti. . Raportis toodud andmetel jätkub planeedi energiaallikatest – kivisüsi, gaas, nafta ja uraan – kuni 2030. aastani. Söe kaevandamiseks, millest on võimalik saada energiat 1 dollari eest, on vaja kulutada energiat, mis maksab 99 senti.

Tuumaelektrijaamade kütusena kasutatav uraan-235 ei ole looduses minu jaoks nii: ainult 5% maailma uraani koguhulgast, millest 2% on Venemaal. Seetõttu saab tuumaelektrijaamu kasutada ainult abiotstarbel. Teadlaste uuringud, kes üritasid plasmast energiat saada "TOKAMAKidel", on jäänud tänapäevani kulukaks harjutuseks. 2000. aastal teatati, et Euroopa Aatomiühendus (CERN) ja Jaapan ehitavad TOKAMAKi esimest segmenti.

Pääste ei pruugi olla tuumajaama "rahulik aatom", vaid "sõjaline" - termotuumapommi energia.

Vene teadlased nimetasid oma leiutist plahvatusohtlikuks põlemiskatlaks (FAC). PIC-i tööpõhimõte põhineb üliväikese termotuumapommi plahvatamisel spetsiaalses sarkofaagis - pajas. Plahvatused toimuvad regulaarselt. Huvitav on see, et rõhk katla seintele plahvatuse ajal PBC-s on väiksem kui tavalise auto silindrites.

KVS-i ohutuks tööks peab katla siseläbimõõt olema vähemalt 100 meetrit. Kahekordsed terasseinad ja 30 meetri paksune raudbetoonkest summutavad vibratsiooni. Selle ehitamiseks kasutatakse ainult kvaliteetset terast nagu kahe kaasaegse sõjalise lahingulaeva puhul. KVS on plaanis ehitada 5 aastaks. 2000. aastal koostati ühes Venemaa suletud linnas 2-4 kilotonnise tuumaekvivalendi "pommi" katserajatise ehitamise projekt. Selle FAC-i maksumus on 500 miljonit dollarit. Teadlased on välja arvutanud, et see tasub end ära aastaga ning veel 50 aastat annab see praktiliselt tasuta elektri ja soojuse. Projektijuhi sõnul jääb tonni nafta põletamisel toodetud energiaga samaväärne energiakulu alla 10 dollari.

40 KVG-d suudavad rahuldada kogu riigi energiasektori vajadusi. Sada - kõik Euraasia mandri riigid.

1932. aastal avastati katseliselt positron – elektroni massiga, kuid positiivse laenguga osake. Peagi tehti ettepanek, et looduses eksisteerib laengusümmeetria: a) igal osakesel peab olema antiosake; b) loodusseadused ei muutu, kui kõik osakesed asendatakse vastavate antiosakestega ja vastupidi. Antiprooton ja antineutron avastati 1950. aastate keskel. Põhimõtteliselt võib eksisteerida antiaine, mis koosneb aatomitest, mille tuumad sisaldavad antiprootoneid ja antineutroneid ning nende kesta moodustavad positronid.

Kosmoloogiliste mõõtmetega antiaine klastrid moodustaksid antimaailmu, kuid looduses neid ei leidu. Antiainet on sünteesitud ainult laboris. Nii registreerisid Nõukogude füüsikud 1969. aastal Serpukhovi kiirendis antiheeliumi tuumad, mis koosnesid kahest antiprootonist ja ühest antineutronist.

Seoses energia muundamise võimalustega on antiaine tähelepanuväärne selle poolest, et ainega kokku puutudes toimub annihilatsioon (hävimine) koos kolossaalse energia vabanemisega (mõlemad aineliigid kaovad, muutudes kiirguseks). Seega annihileerudes tekitavad elektron ja positron kaks footoni. Üks ainetüüp – laetud massiivsed osakesed – läheb üle teist tüüpi aineteks – neutraalseteks massituteks osakesteks. Kasutades Einsteini seost energia ja massi ekvivalentsuse kohta (E = mc 2), on lihtne välja arvutada, et ühe grammi aine hävitamisel tekib sama energia, mida on võimalik saada 10 000 tonni kivisöe põletamisel ja ühest tonnist antiainest piisaks, et kogu planeet aastaks energiaga varustada.

Astrofüüsikud usuvad, et just hävitamine annab kvaasitäheobjektide – kvasarite – hiiglasliku energia.

1979. aastal õnnestus Ameerika füüsikute rühmal registreerida looduslike antiprootonite olemasolu. Neid tõid kosmilised kiired.

Tuumaenergia on kohutav ja samal ajal imeline jõud. Aatomites toimuvad radioaktiivsed lagunemised ja tuumareaktsioonid vabastavad tohutul hulgal energiat, mida inimesed püüavad kasutada. Nad püüavad, sest tuumaenergeetika arendamisega ei kaasnenud mitte ainult palju ohvreid, vaid ka katastroofe (näiteks Tšernobõli tuumaelektrijaam). Sellest hoolimata töötavad tuumajaamad üle maailma ja toodavad umbes 15 protsenti maailma elektrist. Tuumareaktorid on saadaval 31 riigis üle maailma. Tuumareaktoritega on varustatud ka laevad ja allveelaevad. Igatahes suhtumine tuumaenergiasse ja üldse kõigesse tuumalagunemisega seonduvasse (erinevalt termotuumasünteesist) halveneb iga aastaga. Saabub päev, mil aatomi energia on eranditult rahulik.

Telekompanii HBO Tšernobõli sarja viimastes osades paljastavad Venemaa teadlased tõe Tšernobõli tuumaelektrijaama 4. jõuploki reaktori plahvatuse põhjuste kohta, mis hiljem "tolmeldas" 17 Euroopa territooriumi. riigid, mille kogupindala on 207,5 tuhat ruutkilomeetrit radioaktiivse tseesiumiga. Tšernobõli tuumaelektrijaama katastroof paljastas RBMK-1000 reaktoris fundamentaalsed vead. Sellest hoolimata töötab Venemaal täna veel 10 RBMK-1000 reaktorit. Kas need on ohutud? Portaaliga Live Science oma arvamust jaganud lääne tuumafüüsika ekspertide sõnul jääb see küsimus lahtiseks.

Atom See koosneb tuumast, mille ümber tiirlevad osakesed, mida nimetatakse elektronideks.

Aatomite tuumad on väikseimad osakesed. Need on kogu substantsi ja mateeria aluseks.

Need sisaldavad suures koguses energiat.

See energia vabaneb kiirgusena teatud radioaktiivsete elementide lagunemisel. Kiirgus on ohtlik kogu elule maa peal, kuid samas kasutatakse seda elektri tootmiseks ja meditsiinis.

Radioaktiivsus on ebastabiilsete aatomite tuumade omadus kiirata energiat. Enamik raskeid aatomeid on ebastabiilsed ja kergematel aatomitel on radioisotoobid, s.t. radioaktiivsed isotoobid. Radioaktiivsuse ilmnemise põhjus on see, et aatomid püüavad saavutada stabiilsust. Tänapäeval tuntakse kolme tüüpi radioaktiivset kiirgust: alfa-, beeta- ja gammakiirgust. Need said nime kreeka tähestiku esimeste tähtede järgi. Esmalt kiirgab tuum alfa- või beetakiirgust. Aga kui see jääb endiselt ebastabiilseks, siis tulevad välja gammakiired. Kolm aatomituuma võivad olla ebastabiilsed ja igaüks neist võib kiirata mis tahes tüüpi kiiri.

Joonisel on kolm aatomituuma.

Need on ebastabiilsed ja igaüks neist kiirgab ühte kolmest tüüpi kiirtest.

Alfaosakestel on kaks prootonit ja kaks neutronit. Heeliumi aatomi tuum on täpselt sama koostisega. Alfaosakesed liiguvad aeglaselt ja seetõttu suudab iga paberilehest paksem materjal neid hoida. Need ei erine palju heeliumi aatomite tuumadest. Enamik teadlasi esitas versiooni, et heelium Maal on looduslikku radioaktiivset päritolu.

Beetaosakesed on tohutu energiaga elektronid. Nende moodustumine toimub neutronite lagunemise ajal. Beetaosakesed ei ole ka väga kiired, nad võivad lennata läbi õhu kuni ühe meetrini. Seetõttu võib nende teel takistuseks saada millimeetri paksune vaskplekk. Ja kui püstitate 13 mm pliitõkke või 120 meetrit õhku, saate gammakiirgust poole võrra vähendada.

Gammakiired on suure energiaga elektromagnetkiirgus. Selle liikumiskiirus on võrdne valguse kiirusega.

Radioaktiivsete ainete transport toimub spetsiaalsetes paksude seintega pliimahutites, et vältida kiirguse leket.

Kokkupuude kiirgusega on inimestele äärmiselt ohtlik.

See põhjustab põletusi, katarakti, provotseerib vähi arengut.

Kiirguse taset aitab mõõta spetsiaalne seade Geigeri loendur, mis kiirgusallika ilmnemisel kostab klõpsu.

Kui tuum kiirgab osakesi, muutub see teise elemendi tuumaks, muutes seega selle aatomnumbrit. Seda nimetatakse elemendi lagunemisperioodiks. Kuid kui äsja moodustunud element on endiselt ebastabiilne, jätkub lagunemisprotsess. Ja nii edasi, kuni element muutub stabiilseks. Paljude radioaktiivsete elementide puhul kestab see periood kümneid, sadu ja isegi tuhandeid aastaid, mistõttu on tavaks mõõta poolestusaega. Võtame näiteks plutoonium-2 aatomi massiga 242. Pärast alfaosakeste emiteerimist suhtelise aatommassiga 4 muutub see sama aatommassiga uraan-238 aatomiks.

Tuumareaktsioonid.

Tuumareaktsioonid jagunevad kahte tüüpi: tuumasüntees ja tuuma lõhustumine (lõhustumine).

Süntees või muul viisil "ühendus" tähendab kahe tuuma ühendamist üheks suureks tuumaks väga kõrge temperatuuri mõjul. Sel hetkel vabaneb suur hulk energiat.

Lõhustumise ja lõhustumise ajal toimub tuuma lõhustumise protsess, vabastades samal ajal tuumaenergia.

See juhtub siis, kui tuuma pommitatakse neutronitega spetsiaalses seadmes, mida nimetatakse "osakeste kiirendiks".

Tuuma lõhustumise ja neutronite kiirguse käigus eraldub lihtsalt kolossaalne kogus energiat.

Teatavasti on suure koguse elektri saamiseks vaja vaid massiühikut raadiokütust.Ükski teine ​​elektrijaam ei saa millegi sellisega kiidelda.

Tuumaenergia.

Seega kasutatakse tuumareaktsiooni käigus vabanevat energiat elektri tootmiseks või energiaallikana allvee- ja pinnalaevadel. Tuumaelektrijaama elektritootmise protsess põhineb tuumareaktorites tuuma lõhustumisel. Hiiglaslikus mahutis on radioaktiivse aine (näiteks uraani) vardad.

Neid ründavad neutronid ja need jagunevad, vabastades energiat. Uusi neutroneid jaotatakse üha kaugemale. Seda nimetatakse ahelreaktsiooniks. Selle elektritootmise meetodi efektiivsus on uskumatult kõrge, kuid turvameetmed ja matmistingimused on liiga kallid.

Kuid inimkond ei kasuta tuumaenergiat ainult rahumeelsel eesmärgil. 20. sajandi keskel katsetati ja katsetati tuumarelvi.

Selle eesmärk on vabastada tohutu energiavoog, mis viib plahvatuseni. Teise maailmasõja lõpus kasutas USA Jaapani vastu tuumarelvi. Nad heitsid aatomipomme Hiroshima ja Nagasaki linnadele.

Tagajärjed olid lihtsalt hukatuslikud.

Mõned inimohvrid olid mitusada tuhat.

Kuid teadlased ei piirdunud sellega ja töötasid välja vesinikrelvad.

Nende erinevus seisneb selles, et tuumapommid põhinevad tuuma lõhustumise reaktsioonidel ja vesinikupommid termotuumasünteesi reaktsioonidel.

radiosüsiniku meetod.

Teabe saamiseks organismi surmaaja kohta kasutatakse radiosüsiniku analüüsi meetodit. On teada, et eluskude sisaldab teatud koguses süsinik-14, mis on süsiniku radioaktiivne isotoop. Mille poolestusaeg on 5700 aastat. Pärast organismi surma süsinik-14 varud kudedes vähenevad, isotoop laguneb ja selle järelejäänud koguse järgi määratakse organismi surmaaeg. Nii saate näiteks teada, kui kaua aega tagasi vulkaan purskas. Selle tunneb ära laavas külmunud putukate ja õietolmu järgi.

Kuidas muidu radioaktiivsust kasutatakse?

Kiirgust kasutatakse ka tööstuses.

Gammakiirgust kasutatakse toidu kiiritamiseks, et hoida seda värskena.

Meditsiinis kasutatakse kiirgust siseorganite uurimisel.

On olemas ka meetod, mida nimetatakse kiiritusraviks. See on siis, kui patsienti kiiritatakse väikeste annustega, hävitades tema kehas vähirakke.