Primjeri nuklearne energije. Prvi nuklearni reaktor - tko ga je izumio? Nusprodukt atomske bombe

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

Fizički temelji

Energija veze

Iako se jezgra sastoji od nukleona, međutim, masa jezgre nije samo zbroj masa nukleona. Energija koja drži te nukleone zajedno promatra se kao razlika u masi jezgre i masa pojedinačnih nukleona koji je čine, do faktora c 2 , koji povezuje masu i energiju jednadžbom 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 grafa je vidljivo da vrlo lake jezgre imaju manju energiju vezanja po nukleonu od jezgri koje su malo teže (na lijevoj strani grafa). To je razlog zašto termonuklearne reakcije (odnosno fuzija lakih jezgri) oslobađaju energiju. Suprotno tome, vrlo teške jezgre na desnoj strani grafikona imaju nižu energiju vezanja po nukleonu od jezgri srednje mase. U tom smislu, fisija teških jezgri također je energetski povoljna (odnosno, događa se s oslobađanjem nuklearne energije). Također treba napomenuti da je tijekom fuzije (s lijeve strane) razlika u masi puno veća nego tijekom fisije (s desne strane).

Energija potrebna da se jezgra potpuno podijeli na pojedinačne nukleone naziva se energija vezanja E iz jezgre. Specifična energija vezanja (to jest, energija vezanja po nukleonu, ε = E sa / A, gdje A- broj nukleona u jezgri, odnosno maseni broj), nije isti za različite kemijske elemente pa čak ni za izotope istog kemijskog elementa. Specifična energija vezanja nukleona u jezgri u prosjeku varira od 1 MeV za lake jezgre (deuterij) do 8,6 MeV za jezgre srednje mase (s masenim br. ALI≈ 100 ). Za teške jezgre ( ALI≈ 200 ), specifična energija vezanja nukleona manja je od energije jezgri prosječne mase, za približno 1 MeV, tako da je njihova transformacija u jezgre prosječne težine (podjela na 2 dijela) popraćena oslobađanjem energije u iznos od oko 1 MeV po nukleonu, odnosno oko 200 MeV po jezgri. Transformacija lakih jezgri u teže jezgre daje još veći energetski dobitak po nukleonu. Tako je, na primjer, reakcija spoja jezgri deuterija i tricija

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

Nuklearna fizija

Pojava 2,5 neutrona po događaju fisije omogućuje lančanu reakciju ako barem jedan od tih 2,5 neutrona može proizvesti novu fisiju jezgre urana. Normalno, emitirani neutroni ne dijele odmah jezgre urana, već se prvo moraju usporiti na toplinske brzine (2200 m/s pri T=300 K). Usporavanje se najučinkovitije postiže uz pomoć okolnih atoma drugog elementa s malim A, poput vodika, ugljika itd. materijala koji se naziva moderator.

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

Elementarnu teoriju fisije stvorili su Niels Bohr i J. Wheeler koristeći kapljični model jezgre.

Nuklearna fisija se također može postići brzim alfa česticama, protonima ili deuteronima. Međutim, te čestice, za razliku od neutrona, moraju imati veliku energiju da bi prevladale Coulombovu barijeru jezgre.

Oslobađanje nuklearne energije

Poznato je da egzotermne nuklearne reakcije oslobađaju nuklearnu energiju.

Obično se za dobivanje nuklearne energije koristi lančana reakcija nuklearne fisije jezgri urana-235 ili plutonija, rjeđe drugih teških jezgri (uran-238, torij-232). Jezgre se dijele kada ih neutron pogodi, te se dobivaju novi neutroni i fisijski fragmenti. Fisijski neutroni i fisijski fragmenti imaju veliku kinetičku energiju. Kao rezultat sudara fragmenata s drugim atomima, ta se kinetička energija brzo pretvara u toplinu.

Drugi način oslobađanja nuklearne energije je termonuklearna fuzija. U ovom slučaju, dvije jezgre lakih elemenata spojene su u jednu tešku. U prirodi se takvi procesi odvijaju na Suncu i drugim zvijezdama, budući da su glavni izvor njihove energije.

Mnoge atomske jezgre su nestabilne. S vremenom se neke od tih jezgri spontano pretvaraju u druge jezgre, oslobađajući energiju. Taj se fenomen naziva radioaktivni raspad.

Primjena nuklearne energije

Podjela

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

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

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

Nuklearne elektrane u 2012. proizvele su 13% svjetske električne energije i 5,7% ukupne svjetske proizvodnje energije. Prema izvješću Međunarodne agencije za atomsku energiju (IAEA), od 2013. postoji 436 aktivnih nuklearnih energije(odnosno proizvodnju električne i/ili toplinske energije koja se može reciklirati) reaktora u 31 zemlji svijeta. Osim toga, u različitim fazama izgradnje je još uvijek 73 energija nuklearnih reaktora u 15 zemalja. Trenutno je također u svijetu aktivno oko 140 površinskih brodova i podmornica, koje koriste ukupno oko 180 reaktora. U sovjetskim i američkim svemirskim letjelicama korišteno je nekoliko nuklearnih reaktora, od kojih su neki još uvijek u orbiti. Osim toga, brojne primjene koriste nuklearnu energiju proizvedenu u nereaktorskim izvorima (na primjer, u termoizotopnim generatorima). Istodobno ne prestaje rasprava o korištenju nuklearne energije. Protivnici nuklearne energije (osobito organizacije kao što je Greenpeace) smatraju da uporaba nuklearne energije ugrožava čovječanstvo i okoliš. Branitelji nuklearne energije (IAEA, Svjetska nuklearna udruga itd.) pak tvrde da ova vrsta energije smanjuje emisiju stakleničkih plinova u atmosferu te da tijekom normalnog rada nosi znatno manje rizika za okoliš od drugih vrsta proizvodnje energije. .

Termonuklearna fuzija

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

radioaktivni raspad

Energija oslobođena radioaktivnim raspadom koristi se u dugovječnim izvorima topline i beta-naponskim ćelijama. Tip automatske međuplanetarne postaje

Krajem prošlog stoljeća znanstvenici su s iznenađenjem otkrili da se atomi, odnosno jezgre atoma, same raspadaju emitirajući zrake i toplinu. Taj su fenomen nazvali . A kad su izračunali, iznenadili su se još više: 1 g radija, ako se potpuno raspadne, može dati topline koliko 500 kg ugljena daje izgaranjem. Ali nemoguće je iskoristiti ovo svojstvo - atomi se raspadaju tako sporo da se samo polovica topline oslobodi u 2000 godina.

To je kao velika brana. Brana je zatvorena, a voda teče potočićem koji nije ni za što.

Sada, kad bi se brana otvorila, kad bi ljudi naučili uništavati atome!.. Dobili bi beskrajni ocean energije. Ali kako to učiniti?

Kažu da se na vrapca ne puca iz topa, treba im sitno zrno. A gdje nabaviti kuglicu za cijepanje jezgre atoma?

Znanstvenici diljem Zemlje naporno rade već nekoliko desetljeća. Za to vrijeme naučili su kako to radi i pronašli "šut" za to. Ispostavilo se da je to jedna od čestica koja je dio jezgre - neutron. Lako prodire u atom i razbija jezgru.

A onda se pokazalo da atomi metala urana, nakon što su se podijelili, emitiraju nove neutrone koji uništavaju susjedne atome. Ako uzmete komad urana, u kojem će se mnoge jezgre istovremeno raspasti i osloboditi mnogo novih neutrona, proces fisije će rasti poput lavine u planinama. Eksplodirat će atomska bomba.

Shema uređaja nuklearnog reaktora. Debele crne šipke su apsorberi neutrona. U reaktoru se voda zagrijava, a zatim zagrijava vodu u izmjenjivaču topline do vrenja. Nastala para vrti turbinu elektrane.

Zamislite da se velika brana srušila. Voda koja se skupila iza svega odmah silovito jurne prema dolje. Snaga potoka je velika, ali samo šteta od njega, jer odnosi sve što mu se nađe na putu. Tako je i s atomom: kolosalna energija eksplozije može samo uništiti. A ljudima je za gradnju potrebna atomska energija. Sada, kad bi atom dao svoje rezerve u onim dijelovima koliko želimo! Nije potrebna energija - zatvorena zaklopka. Trebalo je - (Koliko ti treba?) otvoriti dvije-tri klapne: "Uzmi onoliko koliko si tražio!"

I čovjek je obuzdao eksploziju.

Tko je glavni "radnik" u "nuklearki"? Neutron. On je taj koji razbija jezgre urana. A ako maknemo dio radnika iz "tvornice"? Posao će ići sporije.

Tako radi atomski kotao, odnosno nuklearni reaktor. Ovo je veliki bunar s debelim betonskim zidovima (potrebni su da zračenje štetno za ljude ne izlazi van). Bunar je ispunjen grafitom, istim materijalom koji se koristi za izradu olovki. Postoje rupe u grafitnom punjenju gdje se postavljaju uranove šipke. Kada ih ima dovoljno, pojavljuje se potreban broj "radnih" neutrona i započinje atomska reakcija.

Da bi se to kontroliralo, u drugim rupama nalaze se metalne šipke koje hvataju i apsorbiraju neutrone. Ovo su "zalisci" u brani.

Nije potrebna energija ili postoji opasnost od eksplozije, zatvarači se trenutno spuštaju, neutroni emitirani iz jezgri urana se apsorbiraju, prestaju raditi i reakcija prestaje.

Potrebno je da reakcija započne, zasuni se podignu, u reaktoru se ponovno pojave "radni" neutroni, a temperatura u kotlu raste (Koliko energije vam je potrebno? Dobijte!).

Nuklearni reaktori mogu se postaviti na nuklearne elektrane, na nuklearne podmornice, na nuklearni ledolomac. Oni, poput običnih parnih kotlova, poslušno pretvaraju vodu u paru, koja će rotirati turbine. Pet stotina kilograma atomskog goriva - sadržaj samo deset kofera - dovoljno je da ledolomac Lenjin plovi tijekom 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 otići u luku za punjenje gorivom cijelu godinu, pogotovo jer na sjeveru to nije uvijek lako učiniti. Da, i strojevi se mogu staviti jači ...

U postojećim nuklearnim reaktorima energija se dobiva razaranjem jezgri koje se sastoje od velikog broja čestica (u jezgrama urana, primjerice, ima ih više od dvjesto). I iako na Zemlji još uvijek ima puno takvog goriva, ali jednog dana će ga nestati ... Postoji li način da se nuklearna energija dobije iz drugih tvari? I znanstvenici su otkrili!

Pokazalo se da atomi, u čijoj se jezgri nalaze samo dvije čestice: jedan proton i jedan neutron, također mogu poslužiti kao izvor energije. Ali ne odaju ga kada se dijele, već kada se spajaju, ili, kako kažu, tijekom sinteze, dvije jezgre.

Atome vodika za to je potrebno zagrijati na mnogo milijuna stupnjeva. Na toj se temperaturi njihove jezgre počinju kretati velikom brzinom i, nakon ubrzanja, mogu nadvladati električne odbojne sile koje postoje između njih. Kada se dovoljno približe, nuklearne sile privlačenja počinju djelovati i jezgre se spajaju. Oslobađa se tisuće puta više topline nego tijekom nuklearne fisije.

Ova metoda dobivanja energije naziva se termonuklearna reakcija. Te reakcije bjesne u dubinama i dalekih zvijezda i obližnjeg Sunca, koje nam daje svjetlost i toplinu. No, na Zemlji su se dosad očitovale u obliku razorne eksplozije hidrogenske bombe.

Sada znanstvenici rade na postupnom spajanju jezgri vodika. A kada naučimo kontrolirati termonuklearne reakcije, moći ćemo iskoristiti neograničene zalihe energije sadržane u vodi, koja se sastoji od vodika i čije su zalihe neiscrpne.

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

Prema predviđanjima, organska goriva će biti dovoljna za zadovoljenje energetskih potreba čovječanstva za 4-5 desetljeća. Solarna energija bi u budućnosti mogla postati glavni izvor energije. Prijelazno razdoblje zahtijeva izvor energije koji je praktički neiscrpan, jeftin, obnovljiv i ne zagađuje okoliš. I premda nuklearna energija ne ispunjava u potpunosti sve te zahtjeve, ona se razvija velikom brzinom i naša je nada za rješenje globalne energetske krize.

Oslobađanje unutarnje energije atomskih jezgri moguće je fisijom teških jezgri ili sintezom lakih jezgri.

Karakteristika atoma. Atom bilo kojeg kemijskog elementa sastoji se od jezgre i elektrona koji kruže oko nje. Jezgra atoma sastoji se od neutrona i protona. Zajednički naziv za proton i neutron je termin nukleon. Neutroni nemaju električni naboj protoni su pozitivno nabijeni, elektroni – negativni. Naboj protona jednak je po modulu naboju elektrona.

Broj protona jezgre Z podudara se s njezinim atomskim brojem u periodnom sustavu Mendeljejeva. Broj neutrona u jezgri, uz nekoliko izuzetaka, veći je ili jednak broju protona.

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

Kao dimenzija mase atoma koristi se 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.

Prisutnost neutrona omogućuje da dva atoma imaju različite mase za iste električne naboje jezgre. Kemijska svojstva ova dva atoma bit će ista; takvi se atomi nazivaju izotopi. U literaturi se lijevo od oznake elementa gore ispisuje maseni broj, a ispod broj protona.

Nuklearno gorivo koje se koristi u takvim reaktorima je izotop urana atomske mase 235. Prirodni uran je mješavina tri izotopa: uran-234 (0,006%), uran-235 (0,711%) i uran-238 (99,283%). Izotop urana-235 ima jedinstvena svojstva - kao rezultat apsorpcije niskoenergetskog neutrona dobiva se jezgra urana-236, koja se zatim dijeli - dijeli na dva približno jednaka dijela, koji se nazivaju produkti fisije (fragmenti). Nukleoni izvorne jezgre raspoređuju se među fisijskim fragmentima, ali ne svi - u prosjeku se oslobađaju 2-3 neutrona. Kao rezultat fisije, masa izvorne jezgre nije u potpunosti očuvana, dio se pretvara u energiju, uglavnom u kinetičku energiju produkata fisije i neutrona. Vrijednost te energije za jedan atom urana 235 je oko 200 MeV.

Jezgra konvencionalnog reaktora kapaciteta 1000 MW sadrži oko 1 tisuću tona urana, od čega je samo 3 - 4% urana-235. Dnevno se u reaktoru potroši 3 kg ovog izotopa. Dakle, za opskrbu reaktora gorivom potrebno je dnevno preraditi 430 kg uranovog koncentrata, što u prosjeku iznosi 2150 tona uranove rude.

Kao rezultat reakcije fisije nastaju brzi neutroni u nuklearnom gorivu. Ako stupaju u interakciju sa susjednim jezgrama fisijskog materijala i, zauzvrat, uzrokuju fisijsku reakciju u njima, dolazi do lavinovitog povećanja broja fisijskih događaja. Ova reakcija fisije naziva se lančana reakcija nuklearne fisije.

Najučinkovitiji za odvijanje lančane reakcije fisije su neutroni s energijom manjom od 0,1 keV. Nazivaju se toplinskim jer je njihova energija usporediva s prosječnom energijom toplinskog gibanja molekula. Usporedbe radi, energija koju posjeduju neutroni nastali tijekom raspada jezgri je 5 MeV. Zovu se brzi neutroni. Da bi se takvi neutroni upotrijebili u lančanoj reakciji, njihova se energija mora smanjiti (usporiti). Ove funkcije obavlja usporivač. U tvarima moderatorima brzi neutroni se raspršuju jezgrama, a njihova se energija pretvara u energiju toplinskog gibanja atoma tvari moderatora. Grafit, tekući metali (rashladna tekućina 1. kruga) najčešće se koriste kao moderator.

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

Kinetička energija produkata raspada pretvara se u toplinu. Toplinu apsorbira rashladna tekućina koja cirkulira u nuklearnom reaktoru i prenosi je na izmjenjivač topline (1. zatvoreni krug), gdje se proizvodi para (2. krug), koja okreće turbinu turbogeneratora. Rashladno sredstvo u reaktoru je tekući natrij (1. krug) i voda (2. krug).

Uran-235 je neobnovljiv izvor i ako se u potpunosti koristi u nuklearnim reaktorima, zauvijek će nestati. Stoga izgleda atraktivno koristiti izotop urana-238, koji se pojavljuje u znatno većim količinama, kao početno gorivo. Ovaj izotop ne podržava lančanu reakciju pod utjecajem neutrona. Ali može apsorbirati brze neutrone, stvarajući pritom uran-239. U jezgrama urana-239 počinje beta raspad i nastaje neptunij-239 (ne nalazi se u prirodi). Ovaj se izotop također raspada i pretvara u plutonij-239 (koji se ne pojavljuje u prirodi). Plutonij-239 još je osjetljiviji na reakciju fisije toplinskog neutrona. Kao rezultat reakcije fisije u nuklearnom gorivu plutoniju-239 nastaju brzi neutroni koji zajedno s uranom tvore novo gorivo i produkte fisije koji oslobađaju toplinu u gorivim elementima (TVEL). Kao rezultat toga, iz kilograma prirodnog urana može se dobiti 20-30 puta više energije nego u konvencionalnim nuklearnim reaktorima koji koriste uran-235.

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

Međutim, fizikalna svojstva plutonija: toksičnost, niska kritična masa za reakciju spontane fisije, paljenje u okruženju s kisikom, krtost i samozagrijavanje u metalnom stanju otežavaju njegovu proizvodnju, obradu i rukovanje. Stoga su oplodni reaktori još uvijek rjeđi od reaktora s toplinskim neutronima.

4. Nuklearne elektrane

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

Kao primjer, razmotrite princip dobivanja električne energije u nuklearnoj elektrani Voronjež. Rashladno sredstvo od tekućeg metala s ulaznom temperaturom od 571 K šalje se kroz kanale u jezgru reaktora kroz kanale pod tlakom od 157 ATM (15,7 MPa), koje se u reaktoru zagrijava na 595 K. Metalno rashladno sredstvo šalje se u generator pare, u koji ulazi hladna voda, pretvarajući se u paru s tlakom od 65,3 ATM (6,53 MPa). Para se dovodi do lopatica parne turbine, koja rotira turbogenerator.

U nuklearnim reaktorima temperatura proizvedene pare znatno je niža nego u generatoru pare termoelektrana na organsko gorivo. Kao rezultat toga, toplinska učinkovitost nuklearnih elektrana koje rade s vodom kao rashladnim sredstvom iznosi samo 30%. Za usporedbu, u elektranama koje rade na ugljen, naftu ili plin, doseže 40%.

Nuklearne elektrane koriste se u sustavima opskrbe električnom i toplinskom energijom stanovništva, a mini-nuklearne elektrane na morskim plovilima (brodovi na nuklearni pogon, nuklearne podmornice) koriste se za pogon propelera).

U vojne svrhe nuklearna energija se koristi u atomskim bombama. Atomska bomba je poseban brzi neutronski reaktor , u kojoj dolazi do brze nekontrolirane lančane reakcije s visokim faktorom množenja neutrona. U nuklearnom reaktoru atomske bombe nema moderatora. Dimenzije i težina uređaja su stoga male.

Nuklearno punjenje bombe s uranom-235 podijeljeno je na dva dijela, u svakom od njih nije moguća lančana reakcija. Da bi se izvršila eksplozija, jedna od polovica punjenja se ispaljuje u drugu, a kada se spoje, gotovo trenutno dolazi do lančane reakcije eksploziva. Eksplozivna nuklearna reakcija oslobađa ogromnu energiju. U tom slučaju postiže se temperatura od oko sto milijuna stupnjeva. Dolazi do kolosalnog povećanja tlaka i formiranja snažnog udarnog vala.

Prvi nuklearni reaktor pušten je u rad na Sveučilištu u Chicagu (SAD) 2. prosinca 1942. godine. Prva atomska bomba detonirana je 16. srpnja 1945. u Novom Meksiku (Alamogordo). Bio je to uređaj stvoren na principu fisije plutonija. Bomba se sastojala od plutonija okruženog s dva sloja kemijskog eksploziva s fitiljima.

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. lipnja 1954.). Prva nuklearna elektrana u SSSR-u s reaktorom na brze neutrone snage 12 MW puštena je u rad 1969. godine u gradu Dimitrovgradu. Godine 1984. u svijetu je radilo 317 nuklearnih elektrana ukupne snage 191 tisuću MW, što je tada iznosilo 12% (1012 kWh) svjetske proizvodnje električne energije. Od 1981. najveća nuklearna elektrana na svijetu bila je nuklearna elektrana Biblis (Njemačka), čija je toplinska snaga reaktora bila 7800 MW.

termonuklearne reakcije nazivaju se nuklearne reakcije spajanja lakih jezgri u teže. Element koji se koristi u nuklearnoj fuziji je vodik. Glavna prednost termonuklearne sinteze su praktički neograničeni izvori sirovina koje se mogu ekstrahirati iz morske vode. Vodik u ovom ili onom obliku čini 90% sve tvari. Gorivo za termonuklearnu fuziju sadržano u svjetskim oceanima trajat će više od 1 milijarde godina (sunčevo zračenje i čovječanstvo u Sunčevom sustavu neće dugo trajati). Sirovine za termonuklearnu fuziju sadržane u 33 km oceanske vode ekvivalentne su energetskog sadržaja svim izvorima krutih goriva (vode na Zemlji ima 40 milijuna puta više). Energija deuterija sadržana u čaši vode jednaka je izgaranju 300 litara benzina.

Postoje 3 izotopa vodika : njihove atomske mase su -1,2 (deuterij), 3 (tricij). Ovi izotopi mogu reproducirati takve nuklearne reakcije u kojima je ukupna masa konačnih produkata reakcije manja od ukupne mase tvari koje su ušle u reakciju. Razlika u masama, kao i u slučaju reakcije fisije, je kinetička energija produkata reakcije. U prosjeku, smanjenje mase tvari koja sudjeluje 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.

Tricija praktički nema u prirodi. Može se dobiti interakcijom neutrona s izotopima litija:

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

Fuzija jezgri lakih elemenata ne događa se prirodno (isključujući procese u svemiru). Kako bi se jezgre prisilile da uđu u reakciju fuzije, potrebne su visoke temperature (reda 107 -109 K). U ovom slučaju plin je ionizirana plazma. Problem zadržavanja te plazme glavna je prepreka korištenju ove metode dobivanja energije. Temperatura reda veličine 10 milijuna stupnjeva tipična je za središnji dio Sunca. Upravo su termonuklearne reakcije izvor energije koja osigurava zračenje Sunca i zvijezda.

Trenutno je u tijeku teorijski i eksperimentalni rad na proučavanju metoda magnetskog i inercijalnog zadržavanja plazme.

Metoda korištenja magnetskih polja. Stvara se magnetsko polje koje prožima kanal pokretne plazme. Nabijene čestice koje čine plazmu, dok se gibaju u magnetskom polju, podvrgnute su silama usmjerenim okomito na kretanje čestica i magnetskih silnica. Zbog djelovanja tih sila čestice će se gibati spiralno duž linija polja. Što je jače magnetsko polje, protok plazme postaje gušći, čime se izolira od stijenki ljuske.

Inercijalno ograničenje plazme. U reaktoru se izvode termonuklearne eksplozije s frekvencijom od 20 eksplozija u sekundi. Da bi se provela ova ideja, čestica termonuklearnog goriva zagrijava se fokusiranim zračenjem iz 10 lasera do temperature paljenja fuzijske reakcije u vremenu prije nego što se stigne raspršiti na primjetnu udaljenost zbog toplinskog gibanja atoma (10-9 s ).

Termonuklearna fuzija osnova je vodikove (termonuklearne) bombe. U takvoj bombi odvija se samoodrživa termonuklearna reakcija eksplozivne prirode. Eksploziv je mješavina deuterija i tricija. Kao izvor aktivacijske energije (izvor visokih temperatura) koristi se energija nuklearne fisijske bombe. Prva svjetska termonuklearna bomba 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 prazni i puni plinskom smjesom deuterija i tricija. Kroz smjesu prolazi struja od nekoliko milijuna ampera. Za 1-2 sekunde temperatura smjese se podigne na stotine tisuća stupnjeva. U komori se stvara plazma. Daljnje zagrijavanje provodi se ubrizgavanjem neutralnih atoma deuterija i tricija s energijom od 100 - 200 keV. Temperatura plazme raste na desetke milijuna stupnjeva i počinje samoodrživa reakcija fuzije. Nakon 10-20 minuta teški elementi iz materijala stijenki komore koji djelomično isparava nakupit će se u plazmi. Plazma se hladi, termonuklearno izgaranje prestaje. Komora se mora ponovno isključiti i očistiti od nakupljene nečistoće. Dimenzije torusa pri toplinskoj snazi ​​reaktora od 5000 MW su sljedeće: Vanjski radijus -10m; unutarnji polumjer - 2,5 m.

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

Godine 1991. zajedničko europsko postrojenje u Velikoj Britaniji prvi je put postiglo značajno oslobađanje energije tijekom kontrolirane termonuklearne fuzije. Optimalni način rada održavao se 2 sekunde i bio je popraćen oslobađanjem energije reda veličine 1,7 MW. Maksimalna temperatura bila je 400 milijuna stupnjeva.

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

Električna energija se može dobiti u stacionarnom načinu rada instalacije i impulsno. U prvom slučaju, ioni i elektroni koji proizlaze iz samoodržive reakcije fuzije usporavaju se magnetskim poljem. Ionska struja je odvojena od elektronske struje pomoću transverzalnog magnetskog polja. Učinkovitost takvog sustava tijekom izravnog kočenja bit će oko 50%, a ostatak energije pretvorit će se u toplinu.

Fuzijski motori (nije implementirano). Područje primjene: svemirska vozila. Potpuno ionizirana plazma deuterija na 1 milijardu Celzijevih stupnjeva drži se u filamentu pomoću linearnog magnetskog polja supravodičkih zavojnica. Radna tekućina se dovodi u komoru kroz zidove, hladi ih i zagrijava, teče oko kolone plazme. Aksijalna brzina istjecanja iona na izlazu iz magnetske mlaznice je 10 000 km/s.

Godine 1972. na sastanku Rimskog kluba - organizacije koja proučava uzroke i traži rješenja problema na planetarnoj razini - napravljen je izvještaj koji su pripremili znanstvenici E. von Weinzsacker, A. H. Lovins i proizveli efekt eksplodirajuće bombe. . Prema podacima iznesenim u izvješću, izvori energije na planeti - ugljen, plin, nafta i uran - trajat će do 2030. godine. Za vađenje ugljena, iz kojeg će biti moguće dobiti energiju za 1 dolar, bit će potrebno potrošiti energiju koja košta 99 centi.

Uran-235, koji služi kao gorivo za nuklearne elektrane, u prirodi nije toliko ja: samo 5% ukupne količine urana u svijetu, od čega je 2% u Rusiji. Stoga se nuklearne elektrane mogu koristiti samo u pomoćne svrhe. Studije znanstvenika koji su pokušali dobiti energiju iz plazme na "TOKAMAK-ovima" ostale su do danas skupa vježba. Godine 2000. pojavila su se izvješća da Europska atomska zajednica (CERN) i Japan grade prvi segment TOKAMAKA.

Spas možda nije „mirni atom“ nuklearne elektrane, već onaj „vojni“ – energija termonuklearne bombe.

Ruski su znanstvenici svoj izum nazvali kotao s eksplozivnim izgaranjem (FAC). Princip rada PIC-a temelji se na eksploziji ultramale termonuklearne bombe u posebnom sarkofagu – kotlu. Eksplozije se događaju redovito. Zanimljivo je da je pritisak na stijenke kotla tijekom eksplozije u PBC manji nego u cilindrima običnog automobila.

Za siguran rad KVS-a, unutarnji promjer kotla mora biti najmanje 100 metara. Dvostruki čelični zidovi i armiranobetonska ljuska debljine 30 metara ublažit će vibracije. Za njegovu izradu koristit će se isključivo čelik visoke kvalitete kao i za dva moderna vojna bojna broda. Planirano je da se KVS gradi 5 godina. Godine 2000. u jednom od zatvorenih gradova Rusije pripremljen je projekt za izgradnju eksperimentalnog postrojenja za "bombu" od 2-4 kilotona nuklearnog ekvivalenta. Cijena ovog FAC-a je 500 milijuna dolara. Znanstvenici su izračunali da će se isplatiti za godinu dana, a još 50 godina davat će praktički besplatnu struju i toplinu. Prema voditelju projekta, cijena energije koja je ekvivalentna onoj proizvedenoj izgaranjem tone nafte bit će manja od 10 dolara.

40 KVG-ova sposobno je zadovoljiti potrebe cjelokupnog nacionalnog energetskog sektora. Sto - sve zemlje euroazijskog kontinenta.

Godine 1932. eksperimentalno je otkriven pozitron - čestica mase elektrona, ali s pozitivnim nabojem. Ubrzo je sugerirano da u prirodi postoji simetrija naboja: 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, čije jezgre uključuju antiprotone i antineutrone, a njihovu ljusku čine pozitroni.

Klasteri antimaterije kozmoloških dimenzija činili bi antisvjetove, ali ih nema u prirodi. Antimaterija je sintetizirana samo u laboratorijskim razmjerima. Tako su 1969. godine u akceleratoru Serpukhov sovjetski fizičari registrirali jezgre antihelija, koje se sastoje od dva antiprotona i jednog antineutrona.

U odnosu na mogućnosti pretvorbe energije, antimaterija je izuzetna po tome što u kontaktu s materijom dolazi do anihilacije (uništenja) uz oslobađanje kolosalne energije (obje vrste materije nestaju, pretvarajući se u zračenje). Dakle, elektron i pozitron, anihilirajući, daju dva fotona. Jedna vrsta materije - nabijene masivne čestice - prelazi u drugu vrstu materije - u neutralne čestice bez mase. Korištenje Einsteinove relacije o ekvivalentnosti energije i mase (E=mc 2), lako je izračunati da se anihilacijom jednog grama materije dobije ista energija koja se može dobiti spaljivanjem 10.000 tona ugljena, a jedna tona antimaterije bila bi dovoljna da opskrbi cijeli planet energijom godinu dana.

Astrofizičari vjeruju da upravo anihilacija daje gigantsku energiju kvazizvjezdanih objekata – kvazara.

Godine 1979. skupina američkih fizičara uspjela je registrirati prisutnost prirodnih antiprotona. Donijele su ih kozmičke zrake.

Nuklearna energija je strašna, au isto vrijeme prekrasna sila. Radioaktivni raspad i nuklearne reakcije koje se odvijaju u atomima oslobađaju ogromnu količinu energije koju ljudi pokušavaju iskoristiti. Trude se, jer razvoj nuklearne energije ne samo da je uključivao mnoge žrtve, već i katastrofe (primjerice, nuklearna elektrana u Černobilu). Unatoč tome, nuklearne elektrane diljem svijeta rade i proizvode oko 15 posto svjetske električne energije. Nuklearni reaktori dostupni su u 31 zemlji svijeta. Brodovi i podmornice također su opremljeni nuklearnim reaktorima. U svakom slučaju, odnos prema nuklearnoj energiji i općenito svemu vezanom uz nuklearni raspad (za razliku od fuzije) svake godine je sve lošiji. Doći će dan kada će energija atoma biti isključivo miroljubiva.

U posljednjim epizodama serije Černobil televizijske kuće HBO, ruski znanstvenici otkrivaju istinu o uzroku eksplozije reaktora 4. bloka nuklearne elektrane Černobil, koji je naknadno “oprašio” područja 17 europskih zemalja. zemlje s ukupnom površinom od 207,5 tisuća četvornih kilometara s radioaktivnim cezijem. Katastrofa u nuklearnoj elektrani Černobil otkrila je temeljne nedostatke u reaktoru RBMK-1000. Unatoč tome, danas u Rusiji još radi 10 reaktora RBMK-1000. Jesu li sigurni? Prema zapadnim stručnjacima za nuklearnu fiziku, koji su svoje mišljenje podijelili s portalom Live Science, ovo pitanje ostaje otvoreno.

Atom Sastoji se od jezgre oko koje kruže čestice koje se nazivaju elektroni.

Jezgre atoma su najmanje čestice. Oni su osnova za svu tvar i materiju.

Sadrže veliku količinu energije.

Ta se energija oslobađa kao zračenje kada se određeni radioaktivni elementi raspadnu. Zračenje je opasno za sav život na zemlji, ali se istovremeno koristi za proizvodnju električne energije iu medicini.

Radioaktivnost je svojstvo jezgri nestabilnih atoma da zrače energiju. Većina teških atoma je nestabilna, a lakši atomi imaju radioizotope, tj. radioaktivni izotopi. Razlog za pojavu radioaktivnosti je što atomi teže postizanju stabilnosti. Danas su poznate tri vrste radioaktivnog zračenja: alfa, beta i gama. Ime su dobili po prvim slovima grčkog alfabeta. Jezgra prvo emitira alfa ili beta zrake. Ali ako i dalje ostane nestabilno, tada izlaze gama zrake. Tri atomske jezgre mogu biti nestabilne, a svaka od njih može emitirati bilo koju vrstu zraka.

Slika prikazuje tri atomske jezgre.

Nestabilni su i svaki od njih emitira jednu od tri vrste zraka.

Alfa čestice imaju dva protona i dva neutrona. Jezgra atoma helija 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 jezgri atoma helija. Većina znanstvenika iznijela je verziju da je helij na Zemlji prirodnog radioaktivnog podrijetla.

Beta čestice su elektroni ogromne energije. Njihov nastanak događa se tijekom raspada neutrona. Beta čestice također nisu jako brze, mogu letjeti kroz zrak do jednog metra. Stoga im milimetarski bakreni lim može postati prepreka na putu. A ako postavite olovnu barijeru od 13 mm ili 120 metara zraka, možete prepoloviti gama zračenje.

Gama zrake su elektromagnetsko zračenje velike energije. Njegova brzina kretanja jednaka je brzini svjetlosti.

Prijevoz radioaktivnih tvari obavlja se u posebnim olovnim spremnicima s debelim stijenkama kako bi se spriječilo curenje zračenja.

Izloženost zračenju izuzetno je opasna za ljude.

Uzrokuje opekline, katarakte, izaziva razvoj raka.

Poseban uređaj, Geigerov brojač, pomaže u mjerenju razine zračenja, koji pri pojavi izvora zračenja proizvodi zvukove klikanja.

Kada jezgra emitira čestice, ona se pretvara u jezgru drugog elementa, mijenjajući tako svoj atomski broj. To se zove period raspada elementa. Ali ako je novoformirani element još uvijek nestabilan, tada se proces raspada nastavlja. I tako sve dok element ne postane stabilan. Za mnoge radioaktivne elemente to razdoblje traje desecima, stotinama pa čak i tisućama godina, pa je uobičajeno mjeriti vrijeme poluraspada. Uzmimo, na primjer, atom plutonija-2 mase 242. Nakon emitiranja alfa čestica relativne atomske mase 4, on postaje atom urana-238 iste atomske mase.

Nuklearne reakcije.

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

Sinteza ili na drugi način "spajanje" znači spajanje dviju jezgri u jednu veliku pod utjecajem vrlo visoke temperature. U ovom trenutku se oslobađa velika količina energije.

Tijekom fisije i fisije dolazi do procesa fisije jezgre, pri čemu se oslobađa nuklearna energija.

To se događa kada se jezgra bombardira neutronima u posebnom uređaju koji se zove "akcelerator čestica".

Tijekom fisije jezgre i zračenja neutrona oslobađa se upravo golema količina energije.

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

Nuklearna elektrana.

Dakle, energija koja se oslobađa tijekom nuklearne reakcije koristi se za proizvodnju električne energije ili kao izvor energije u podvodnim i površinskim brodovima. Proces proizvodnje električne energije u nuklearnoj elektrani temelji 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 cijepaju sve dalje i dalje. To se zove lančana reakcija. Učinkovitost ove metode proizvodnje električne energije je nevjerojatno visoka, ali sigurnosne mjere i uvjeti ukopa su preskupi.

Međutim, čovječanstvo ne koristi nuklearnu energiju 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 upotrijebile su 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 tisuća.

Ali znanstvenici nisu tu stali i razvili su vodikovo oružje.

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

radiokarbonska metoda.

Za dobivanje podataka o vremenu smrti organizma koristi se metoda radiokarbonske analize. Poznato je da živo tkivo sadrži određenu količinu ugljika-14, koji je radioaktivni izotop ugljika. Poluvrijeme raspada je 5700 godina. Nakon smrti organizma zalihe ugljika-14 u tkivima se smanjuju, izotop se raspada, a po njegovoj preostaloj količini određuje se vrijeme smrti organizma. Tako, na primjer, možete saznati prije koliko je vremena došlo do erupcije vulkana. To se može prepoznati po kukcima i polenu zaleđenom u lavi.

Kako se još koristi radioaktivnost?

Zračenje se također koristi u industriji.

Gama zrake se koriste za zračenje hrane kako bi ostala svježa.

U medicini se zračenje koristi u proučavanju unutarnjih organa.

Postoji i tehnika koja se zove radioterapija. Tada se pacijent zrači malim dozama, uništavajući stanice raka u njegovom tijelu.