Példák az atomenergiára. Az első atomreaktor – Ki találta fel? Az atombomba mellékterméke

A természetben az atomenergia a csillagokban szabadul fel, az ember pedig főként atomfegyverekben és atomenergiában, különösen atomerőművekben használja fel.

Fizikai alapok

Kötési energia

Bár az atommag nukleonokból áll, az atommag tömege azonban nem csupán a nukleonok tömegének összege. Az ezeket a nukleonokat összetartó energiát az atommag tömegének és az azt alkotó egyedi nukleonok tömegének különbségeként figyeljük meg, egy tényezőig c 2 , amely a tömeget és az energiát az egyenlettel viszonyítja E = m ⋅ c 2 . (\displaystyle E=m\cdot c^(2).)Így egy atom tömegének és összetevőinek tömegének meghatározásával meghatározható az egy nukleonra jutó átlagos energia, amely különböző atommagokat összetart.

A grafikonon látható, hogy a nagyon könnyű magoknak kisebb az egy nukleonra jutó kötési energiája, mint a valamivel nehezebb magoknak (a grafikon bal oldalán). Ez az oka annak, hogy a termonukleáris reakciók (vagyis a könnyű atommagok fúziója) energiát szabadítanak fel. Ezzel szemben a grafikon jobb oldalán lévő nagyon nehéz magoknak kisebb az egy nukleonra jutó kötési energiája, mint a közepes tömegű magoknak. Ebből a szempontból a nehéz atommagok hasadása energetikailag is kedvező (vagyis atomenergia felszabadulásával történik). Azt is meg kell jegyezni, hogy a fúzió során (a bal oldalon) a tömegkülönbség sokkal nagyobb, mint a hasadás során (a jobb oldalon).

Az atommag egyes nukleonokra való teljes felosztásához szükséges energiát ún kötési energia E a magból. Fajlagos kötési energia (vagyis az egy nukleonra jutó kötési energia, ε = E Val vel / A, ahol A- az atommagban lévő nukleonok száma vagy tömegszáma) nem azonos a különböző kémiai elemeknél, sőt ugyanazon kémiai elem izotópjainál sem. A magban lévő nukleon fajlagos kötési energiája átlagosan változik 1 MeV könnyű magokhoz (deutérium) 8,6 MeV-ig közepes tömegű (tömegszámmal rendelkező) atommagokhoz DE≈ 100). Nehéz magokhoz ( DE≈ 200 ), egy nukleon fajlagos kötési energiája körülbelül 1 MeV-tal kisebb, mint az átlagos tömegű magoké, így átlagos tömegű magokká való átalakulásuk (2 részre osztása) energia felszabadulásával jár. nukleononként körülbelül 1 MeV, vagy magonként körülbelül 200 MeV. A könnyű atommagok nehezebb magokká való átalakulása még nagyobb energianyereséget eredményez nukleononként. Tehát például a deutérium és trícium atommagok kombinációjának reakciója

17,6 MeV, azaz nukleononként 3,5 MeV energiafelszabadulás kíséri.

Nukleáris maghasadás

Ha hasadási eseményenként 2,5 neutron jelenik meg, akkor láncreakció léphet fel, ha a 2,5 neutron közül legalább az egyik képes az uránmag új hasadását előidézni. Normális esetben a kibocsátott neutronok nem hasadják fel azonnal az uránmagokat, hanem előbb le kell lassítani őket termikus sebességre (2200 m/s T=300 K). A lassulást leghatékonyabban egy másik elem körülvevő atomjainak segítségével érik el A hidrogén, szén stb. egy moderátornak nevezett anyagból.

Néhány más atommag is hasadhat lassú neutronok befogásával, például 233U vagy 239. Azonban az olyan atommagok, mint a 238 U (ez 140-szer nagyobb, mint 235 U) vagy a 232 (ez 400-szor több, mint 235 U a földkéregben) gyors neutronok (nagy energiájú) hasadása is lehetséges.

A maghasadás elemi elméletét Niels Bohr és J. Wheeler alkotta meg az atommag cseppmodelljének felhasználásával.

Az atommaghasadás gyors alfa-részecskékkel, protonokkal vagy deuteronokkal is megvalósítható. Ezeknek a részecskéknek azonban – a neutronokkal ellentétben – nagy energiával kell rendelkezniük ahhoz, hogy leküzdjék az atommag Coulomb-gátját.

Az atomenergia felszabadítása

Ismeretes, hogy az exoterm nukleáris reakciók nukleáris energiát szabadítanak fel.

A nukleáris energia előállításához általában urán-235 vagy plutónium atommagok, ritkábban más nehéz atommagok (urán-238, tórium-232) lánchasadási reakcióját alkalmazzák. Az atommagok felosztódnak, amikor egy neutron eltalálja őket, és új neutronok és hasadási töredékek keletkeznek. A hasadási neutronok és a hasadási töredékek nagy kinetikus energiával rendelkeznek. A töredékek más atomokkal való ütközésének eredményeként ez a mozgási energia gyorsan hővé alakul.

Az atomenergia felszabadításának másik módja a termonukleáris fúzió. Ebben az esetben két könnyű elem magja egyesül egy nehéz elemmé. A természetben az ilyen folyamatok a Napon és más csillagokban fordulnak elő, amelyek energiaforrásuk fő forrása.

Sok atommag instabil. Idővel ezeknek a magoknak egy része spontán átalakul más magokká, és energiát szabadít fel. Ezt a jelenséget radioaktív bomlásnak nevezik.

Az atomenergia alkalmazásai

Osztály

Jelenleg az összes nukleáris energiaforrás közül a nehéz atommagok hasadása során felszabaduló energiának van a legnagyobb gyakorlati alkalmazása. Az energiaforrások szűkössége mellett a maghasadásos reaktorok nukleáris energiáját tartják a legígéretesebbnek a következő évtizedekben. Az atomerőművekben az atomenergiát villamosenergia- és fűtési hőtermelésre használják fel. Az atomerőművek megoldották a korlátlan navigációs területtel rendelkező hajók problémáját (atomjégtörők, atomtengeralattjárók, nukleáris repülőgép-hordozók).

Az urán vagy plutónium maghasadásának energiáját nukleáris és termonukleáris fegyverekben használják fel (termonukleáris reakció kiváltójaként és további energiaforrásként a termonukleáris reakciók során keletkező neutronok maghasadásánál).

Voltak kísérleti nukleáris rakétamotorok, de ezeket kizárólag a Földön és ellenőrzött körülmények között tesztelték, baleset esetén fennáll a radioaktív szennyeződés veszélye.

Az atomerőművek 2012-ben a világ villamosenergia-termelésének 13%-át és a világ teljes energiatermelésének 5,7%-át állították elő. A Nemzetközi Atomenergia Ügynökség (NAÜ) jelentése szerint 2013-ban 436 aktív nukleáris atom van. energia(vagyis újrahasznosítható elektromos és/vagy hőenergiát előállító) reaktorokat a világ 31 országában. Ezen túlmenően, az építés különböző szakaszaiban még mindig 73 energia atomreaktorok 15 országban. Jelenleg mintegy 140 aktív felszíni hajó és tengeralattjáró is van a világon, amelyek összesen mintegy 180 reaktort használnak. Számos atomreaktort használtak szovjet és amerikai űrhajókban, amelyek közül néhány még mindig pályán van. Ezenkívül számos alkalmazás nem reaktorban (például termoizotóp-generátorokban) előállított nukleáris energiát használ. Ugyanakkor az atomenergia felhasználásáról szóló vita nem szűnik meg. Az atomenergia ellenzői (különösen az olyan szervezetek, mint a Greenpeace) úgy vélik, hogy az atomenergia használata veszélyezteti az emberiséget és a környezetet. Az atomenergia védelmezői (NAÜ, Nukleáris Világszövetség stb.) viszont azzal érvelnek, hogy ez az energiafajta csökkenti az üvegházhatású gázok légkörbe történő kibocsátását, és normál működés közben lényegesen kevesebb kockázatot jelent a környezetre, mint más típusú energiatermelés .

Termonukleáris fúzió

A hidrogénbombában fúziós energiát használnak fel. A szabályozott termonukleáris fúzió problémája még nem megoldott, de ha ez a probléma megoldódik, akkor az olcsó energia szinte korlátlan forrásává válik.

radioaktív bomlás

A radioaktív bomlás során felszabaduló energiát a hosszú élettartamú hőforrások és a béta-voltaikus cellák hasznosítják. Automatikus bolygóközi állomás típusa

A múlt század végén a tudósok meglepődve fedezték fel, hogy az atomok, vagy inkább az atommagok maguktól szétesnek, sugarakat és hőt bocsátanak ki. Ezt a jelenséget nevezték el. És amikor kiszámolták, még jobban meglepődtek: 1 g rádium, ha teljesen elbomlik, annyi hőt tud adni, mint 500 kg szén elégetésével. De lehetetlen kihasználni ezt a tulajdonságot - az atomok olyan lassan bomlanak le, hogy 2000 év alatt csak a hő fele szabadul fel.

Olyan, mint egy nagy gát. A gát le van zárva, a víz kis patakban folyik, aminek semmi haszna nincs.

Ha most megnyílna a gát, ha az emberek megtanulnák az atomok elpusztítását!.. Végtelen energiaóceánt kapnának. De hogyan kell ezt csinálni?

Azt mondják, hogy nem ágyúból lőnek verébre, hanem egy kis golyóra van szükség. És hol lehet olyan pelletet szerezni, amely az atommagot kettéhasítja?

A tudósok világszerte több évtizede keményen dolgoznak. Ez idő alatt megtanulták, hogyan működik, és találtak rá egy "lövést". Kiderült, hogy az egyik részecskék, amelyek az atommag része - a neutron. Könnyen áthatol az atomon és széttöri az atommagot.

Aztán kiderült, hogy az uránfém atomjai felhasadva új neutronokat bocsátanak ki, amelyek elpusztítják a szomszédos atomokat. Ha veszünk egy darab uránt, amelyben egyszerre sok atommag bomlik le, és sok új neutron szabadul fel, a hasadási folyamat lavinaszerűen nő a hegyekben. Az atombomba fel fog robbanni.

Az atomreaktor berendezésének vázlata. A vastag fekete rudak neutronelnyelők. A reaktorban a vizet felmelegítik, majd a hőcserélőben felforralják. A keletkező gőz megforgatja az erőmű turbináját.

Képzeld el, hogy egy nagy gát leomlott. A mögötte összegyűlt víz azonnal hevesen zúdul lefelé. A patak ereje nagy, de csak árt belőle, mert mindent elsöpör, ami az útjába kerül. Így van ez az atommal is: a robbanás kolosszális energiája csak rombolhat. Az embereknek pedig atomenergiára van szükségük az építkezéshez. Nos, ha az atom olyan adagokban adná le tartalékait, amennyire mi akarjuk! Nincs szükség energiára – zárta a csappantyút. Kellett - (Mennyi kell?) kinyitott két-három csappantyút: „Vegyél annyit, amennyit kértél!”

A férfi pedig megfékezte a robbanást.

Ki a fő "munkás" az "atomerőműben"? Neutron. Ő az, aki széttöri az uránmagokat. És ha a dolgozók egy részét eltávolítjuk a "gyárból"? A munka lassabban fog menni.

Így működik egy atomkazán vagy egy atomreaktor. Ez egy nagy kút vastag betonfalakkal (azokra azért van szükség, hogy az emberre káros sugárzás ne menjen ki). A kút grafittal van megtöltve, amely ugyanabból az anyagból készül, mint a ceruzahegyek készítéséhez. A grafittöltésben lyukak vannak, ahol uránrudakat helyeznek el. Ha van belőlük elég, megjelenik a szükséges számú „működő” neutron, és megindul az atomi reakció.

Ennek szabályozására más lyukakban fémrudak vannak, amelyek felfogják és elnyelik a neutronokat. Ezek a „lebenyek” a gátban.

Nincs szükség energiára, vagy robbanásveszély áll fenn, a redőnyrudak azonnal leereszkednek, az uránmagokból kibocsátott neutronok elnyelődnek, leállnak, és a reakció leáll.

A reakció megindulásához szükséges, a redőnyrudak felemelkednek, a reaktorban ismét „működő” neutronok jelennek meg, a kazánban pedig emelkedik a hőmérséklet (Mennyi energia kell? Szerezd meg!).

Az atomreaktorokat el lehet helyezni atomerőművekre, atomtengeralattjárókra, atomjégtörőre. A közönséges gőzkazánokhoz hasonlóan a vizet engedelmesen gőzzé alakítják, ami forgatja a turbinákat. Ötszáz kilogramm atomüzemanyag - mindössze tíz bőrönd tartalma - elegendő ahhoz, hogy a Lenin jégtörő egész évben vitorlázzon. El tudod képzelni, milyen jövedelmező: nem kell több száz tonnányi üzemanyagot magaddal vinned, vigyél helyette egy hasznosabb rakományt; egy egész évig nem mehet a kikötőbe tankolni, főleg mivel északon ezt nem mindig könnyű megtenni. Igen, és a gépeket erősebbre lehet tenni ...

A meglévő atomreaktorokban nagyszámú részecskéből álló atommagok elpusztításával nyernek energiát (az uránatommagokban például több mint kétszázan vannak). És bár még mindig sok ilyen üzemanyag van a Földön, de egyszer elfogy... Van mód más anyagokból atomenergiát nyerni? És a tudósok megtalálták!

Kiderült, hogy az atomok, amelyek magjában csak két részecske van: egy proton és egy neutron, energiaforrásként is szolgálhatnak. De nem osztásakor adják ki, hanem amikor egyesítenek, vagy ahogy mondani szokás, szintézis során két magot.

A hidrogénatomokat ehhez sok millió fokra kell felmelegíteni. Ezen a hőmérsékleten magjaik nagy sebességgel kezdenek mozogni, és felgyorsulva le tudják győzni a köztük lévő elektromos taszító erőket. Amikor elég közel érnek, a magvonzási erők hatni kezdenek, és az atommagok egyesülnek. Több ezerszer több hő szabadul fel, mint az atommaghasadás során.

Ezt az energiaszerzési módszert termonukleáris reakciónak nevezik. Ezek a reakciók mind a távoli csillagok, mind a közeli Nap mélyén tombolnak, amely fényt és hőt ad nekünk. De a Földön eddig egy hidrogénbomba pusztító robbanásában nyilvánultak meg.

A tudósok most azon dolgoznak, hogy a hidrogénatommagokat fokozatosan egyesítsék. És ha megtanuljuk, hogyan irányítsuk a termonukleáris reakciókat, képesek leszünk kihasználni a hidrogénből álló vízben rejlő korlátlan energiatartalékokat, amelyek tartalékai kimeríthetetlenek.

Az atommagokban található energia, amely a nukleáris reakciók és a radioaktív bomlás során szabadul fel.

Az előrejelzések szerint a szerves tüzelőanyagok 4-5 évtizedre elegendőek lesznek az emberiség energiaszükségletének kielégítésére. A napenergia a jövőben a fő energiaforrássá válhat. Az átmeneti időszak gyakorlatilag kimeríthetetlen, olcsó, megújuló, környezetet nem szennyező energiaforrást igényel. És bár az atomenergia nem felel meg teljes mértékben ezeknek a követelményeknek, de rohamosan fejlődik, és a globális energiaválság megoldásának reménye is ehhez kapcsolódik.

Az atommagok belső energiájának felszabadítása nehéz atommagok hasadásával vagy könnyű atommagok szintézisével lehetséges.

Atom jellemző. Bármely kémiai elem atomja egy magból és a körülötte keringő elektronokból áll. Az atommag neutronokból és protonokból áll. A proton és a neutron közös neve a kifejezés nukleon. A neutronoknak nincs elektromos töltésük a protonok pozitív töltésűek, elektronok - negatív. A proton töltése modulusában egyenlő az elektron töltésével.

A Z mag protonjainak száma egybeesik a Mengyelejev-féle periódusos rendszer rendszámával. Az atommagban lévő neutronok száma néhány kivételtől eltekintve nagyobb vagy egyenlő, mint a protonok száma.

Az atom tömege az atommagban koncentrálódik, és a nukleonok tömege határozza meg. Egy proton tömege egyenlő egy neutron tömegével. Az elektron tömege a proton tömegének 1/1836-a.

Mivel az atomok tömegének dimenzióját használjuk atomtömeg egység(a.m.u.) egyenlő 1,66 10 -27 kg. 1 amu körülbelül egyenlő egy proton tömegével. Egy atom jellemzője az A tömegszám, amely megegyezik a protonok és neutronok teljes számával.

A neutronok jelenléte lehetővé teszi, hogy két atom különböző tömegű legyen az atommag azonos elektromos töltése esetén. Ennek a két atomnak a kémiai tulajdonságai azonosak lesznek; az ilyen atomokat izotópoknak nevezzük. A szakirodalomban az elem jelölésétől balra felül a tömegszámot, alább a protonok számát írják.

Az ilyen reaktorokban használt nukleáris üzemanyag az 235 atomtömegű uránizotóp. A természetes urán három izotóp keveréke: urán-234 (0,006%), urán-235 (0,711%) és urán-238 (99,283%). Az urán-235 izotóp egyedülálló tulajdonságokkal rendelkezik - egy kis energiájú neutron abszorpciója eredményeként egy urán-236 atommag keletkezik, amely azután felbomlik - két körülbelül egyenlő részre osztódik, úgynevezett hasadási termékekre (fragmensekre). Az eredeti mag nukleonjai eloszlanak a hasadási fragmentumok között, de nem mindegyik - átlagosan 2-3 neutron szabadul fel. A hasadás következtében az eredeti mag tömege nem marad meg teljesen, egy része energiává alakul, főként a hasadási termékek és neutronok mozgási energiájává. Ennek az energiának az értéke egy urán-235 atomra körülbelül 200 MeV.

Egy 1000 MW teljesítményű hagyományos reaktor zónájában körülbelül 1 ezer tonna urán található, aminek mindössze 3-4%-a urán-235. Ebből az izotópból naponta 3 kg-ot fogyasztanak el a reaktorban. Így a reaktor üzemanyaggal való ellátásához naponta 430 kg uránkoncentrátumot kell feldolgozni, ez pedig átlagosan 2150 tonna uránércet.

A hasadási reakció eredményeként a nukleáris üzemanyagban gyors neutronok keletkeznek. Ha kölcsönhatásba lépnek a hasadóanyag szomszédos magjaival, és viszont hasadási reakciót váltanak ki bennük, akkor a hasadási események számának lavinaszerű növekedése következik be. Ezt a hasadási reakciót maghasadási láncreakciónak nevezik.

A hasadási láncreakció kifejlesztésére a leghatékonyabbak a 0,1 keV-nál kisebb energiájú neutronok. Ezeket termikusnak nevezik, mivel energiájuk a molekulák hőmozgásának átlagos energiájához hasonlítható. Összehasonlításképpen: az atommagok bomlása során keletkező neutronok energiája 5 MeV. Ezeket gyors neutronoknak nevezik. Az ilyen neutronok láncreakcióban való felhasználásához csökkenteni (lassítani) kell az energiájukat. Ezeket a funkciókat a retarder végzi. A moderátor anyagokban a gyors neutronokat az atommagok szétszórják, és energiájuk a moderátor anyag atomjainak hőmozgási energiájává alakul át. A grafit, folyékony fémek (az 1. kör hűtőfolyadéka) a legszélesebb körben használatosak moderátorként.

A láncreakció gyors fejlődése nagy mennyiségű hő felszabadulásával és a reaktor túlmelegedésével jár. A reaktor stacioner üzemmódjának fenntartása érdekében a reaktormagba olyan szabályozó rudakat vezetnek be, amelyek erősen elnyelik a termikus neutronokat, például bórból vagy kadmiumból.

A bomlástermékek mozgási energiája hővé alakul. A hőt az atomreaktorban keringő hűtőközeg veszi fel és továbbítja a hőcserélőbe (1. zárt kör), ahol gőz keletkezik (2. kör), amely forgatja a turbógenerátor turbináját. A reaktor hűtőközege folyékony nátrium (1. kör) és víz (2. kör).

Az urán-235 nem megújuló erőforrás, és ha teljes egészében atomreaktorokban használják fel, akkor örökre eltűnik. Ezért vonzónak tűnik a jóval nagyobb mennyiségben előforduló urán-238 izotóp kezdeti tüzelőanyagként való alkalmazása. Ez az izotóp nem támogatja a neutronok hatására létrejövő láncreakciót. De képes elnyelni a gyors neutronokat, és közben urán-239-et képez. Az urán-239 magjaiban megindul a béta-bomlás, és (a természetben nem található) neptúnium-239 keletkezik. Ez az izotóp is lebomlik, és plutónium-239-vé alakul (a természetben nem fordul elő). A plutónium-239 még érzékenyebb a termikus neutronhasadási reakcióra. A plutónium-239 nukleáris üzemanyagban lezajló hasadási reakció eredményeként gyors neutronok képződnek, amelyek az uránnal együtt új fűtőanyagot és hasadási termékeket képeznek, amelyek hőt bocsátanak ki a fűtőelemekben (TVEL-ek). Ennek eredményeként egy kilogramm természetes uránból 20-30-szor több energia nyerhető ki, mint a hagyományos, urán-235-öt használó atomreaktorokban.

A modern kivitelben folyékony nátriumot használnak hűtőfolyadékként. Ebben az esetben a reaktor magasabb hőmérsékleten tud működni, ezzel növelve az erőmű termikus hatásfokát. akár 40% .

Azonban a plutónium fizikai tulajdonságai: toxicitás, alacsony kritikus tömeg a spontán hasadási reakcióhoz, gyulladás oxigén környezetben, ridegség és önmelegedés fémes állapotban megnehezítik a gyártását, feldolgozását és kezelését. Ezért a nemesítő reaktorok még mindig kevésbé elterjedtek, mint a termikus neutronreaktorok.

4. Atomerőművek

Békés célokra az atomenergiát atomerőművekben használják fel. Az atomerőművek részesedése a világ villamosenergia-termelésében körülbelül 14%. .

Példaként vegye figyelembe a voronyezsi atomerőműben történő villamosenergia-beszerzés elvét. Az 571 K bemeneti hőmérsékletű folyékony fém hűtőközeget csatornákon keresztül a reaktormagba juttatják 157 ATM (15,7 MPa) nyomású csatornákon keresztül, amelyet a reaktorban 595 K-re melegítenek. A fém hűtőközeget a gőzbe juttatják. generátor, amelybe hideg víz lép be, gőzzé alakulva 65,3 ATM (6,53 MPa) nyomással. A gőzt egy gőzturbina lapátjaihoz szállítják, amely egy turbógenerátort forgat.

Az atomreaktorokban az előállított gőz hőmérséklete lényegesen alacsonyabb, mint a szerves tüzelőanyaggal működő hőerőművek gőzfejlesztőjében. Ennek eredményeként a vízzel, mint hűtőközeggel működő atomerőművek hőhatásfoka mindössze 30%. Összehasonlításképpen a szénnel, olajjal vagy gázzal üzemelő erőművekben ez eléri a 40%-ot.

Az atomerőműveket a lakosság energia- és hőellátó rendszereiben használják, a tengeri hajókon (nukleáris meghajtású hajók, nukleáris tengeralattjárók) pedig mini atomerőműveket propellerek hajtására.

Katonai célokra az atomenergiát atombombákban használják fel. Az atombomba egy speciális gyorsneutronreaktor , amelyben gyors, ellenőrizetlen láncreakció megy végbe, magas neutronsokszorozó tényezővel. Az atombomba atomreaktorában nincsenek moderátorok. A készülék méretei és súlya ezért kicsi.

Az urán-235 bomba nukleáris töltete két részre oszlik, amelyek mindegyikében lehetetlen a láncreakció. A robbanás végrehajtásához a töltet egyik felét a másik felé lövik, és amikor összekapcsolódnak, szinte azonnal robbanásveszélyes láncreakció lép fel. A robbanásveszélyes nukleáris reakció hatalmas energiát szabadít fel. Ebben az esetben körülbelül százmillió fokos hőmérsékletet érünk el. Kolosszális nyomásnövekedés következik be, és erőteljes robbanáshullám képződik.

Az első atomreaktort a Chicagói Egyetemen (USA) indították 1942. december 2-án. Az első atombombát 1945. július 16-án robbantották fel Új-Mexikóban (Alamogordo). Ez egy plutóniumhasadás elvén készült eszköz volt. A bomba plutóniumból állt, amelyet két réteg vegyi robbanóanyag vett körül, gyújtózsinórral.

Az első atomerőmű, amely 1951-ben áramot adott, az EBR-1 atomerőmű (USA). Az egykori Szovjetunióban - Obninsk atomerőműben (Kaluga régió, 1954. június 27-én adott áramot). A Szovjetunió első, 12 MW-os gyorsneutronreaktorral rendelkező atomerőművét 1969-ben indították el Dimitrovgrad városában. 1984-ben 317 atomerőmű működött a világon, összesen 191 ezer MW teljesítménnyel, ami akkoriban a világ villamosenergia-termelésének 12%-át (1012 kWh) tette ki. 1981-ben a világ legnagyobb atomerőműve a Biblis atomerőmű (Németország) volt, melynek reaktorainak hőteljesítménye 7800 MW volt.

termonukleáris reakciók A könnyű atommagok nehezebb atommagokká való fúziójának magreakcióinak nevezzük. A magfúzió során használt elem a hidrogén. A termonukleáris szintézis fő előnye a tengervízből kinyerhető nyersanyag gyakorlatilag korlátlan készlete. A hidrogén ilyen vagy olyan formában az összes anyag 90%-át teszi ki. A termonukleáris fúzióhoz a világ óceánjaiban található üzemanyag több mint 1 milliárd évig fog kitartani (a napsugárzás és az emberiség a Naprendszerben nem tart sokáig). A termonukleáris fúziós nyersanyag 33 km-nyi óceánvízben található, energiatartalmában a szilárd tüzelőanyag összes erőforrásával egyenértékű (40 milliószor több víz van a Földön). Egy pohár vízben lévő deutérium energiája 300 liter benzin elégetésének felel meg.

A hidrogénnek 3 izotópja van : atomtömegük -1,2 (deutérium), 3 (trícium). Ezek az izotópok olyan magreakciókat képesek reprodukálni, amelyekben a reakció végtermékeinek össztömege kisebb, mint a reakcióba belépett anyagok össztömege. A tömegkülönbség, akárcsak a hasadási reakciónál, a reakciótermékek mozgási energiája. A termonukleáris fúziós reakcióban részt vevő anyag tömegének átlagosan 1 órával történő csökkenése. 931 MeV energia felszabadulásának felel meg:

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.

A trícium gyakorlatilag hiányzik a természetben. A neutronok lítium izotópokkal való kölcsönhatásával nyerhető:

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

A könnyű elemek magjainak fúziója a természetben nem megy végbe (kivéve a térben zajló folyamatokat). Ahhoz, hogy az atommagokat a fúziós reakcióba kényszerítsék, magas hőmérsékletre van szükség (107-109 K nagyságrendű). Ebben az esetben a gáz ionizált plazma. A plazma bezárásának problémája a fő akadálya ennek az energiaszerzési módszernek. A 10 millió fokos nagyságrendű hőmérséklet jellemző a Nap középső részére. A termonukleáris reakciók azok az energiaforrások, amelyek a Nap és a csillagok sugárzását biztosítják.

Jelenleg elméleti és kísérleti munka folyik a mágneses és inerciális plazmazárás módszereinek tanulmányozására.

A mágneses mezők használatának módja. Mágneses mező jön létre, amely átjárja a mozgó plazma csatornáját. A plazmát alkotó töltött részecskék, miközben mágneses térben mozognak, a részecskék mozgására és a mágneses térvonalak mozgására merőleges erőknek vannak kitéve. Ezen erők hatására a részecskék spirálisan mozognak a térvonalak mentén. Minél erősebb a mágneses tér, annál sűrűbbé válik a plazmaáramlás, ezáltal elszigetelődik a héj falaitól.

Inerciális plazmazárás. A termonukleáris robbanásokat a reaktorban másodpercenként 20 robbanás gyakorisággal hajtják végre. Ennek az ötletnek a megvalósításához egy termonukleáris tüzelőanyag-részecskét 10 lézer fókuszált sugárzásával felmelegítenek a fúziós reakció gyulladási hőmérsékletére, még azelőtt, hogy ideje lenne az atomok hőmozgása miatt észrevehető távolságra szétrepülni (10-9 s).

A termonukleáris fúzió a hidrogén (termonukleáris) bomba alapja. Egy ilyen bombában önfenntartó, robbanásveszélyes termonukleáris reakció megy végbe. A robbanóanyag deutérium és trícium keveréke. Aktiválási energiaforrásként (magas hőmérséklet forrásaként) egy maghasadásos bomba energiáját használják fel. A világ első termonukleáris bombáját a Szovjetunióban hozták létre 1953-ban.

Az 50-es évek végén a Szovjetunió elkezdett dolgozni a termonukleáris fúzió ötletén a TOKAMAK típusú reaktorokban (toroid kamra egy tekercs mágneses mezőjében). A működés elve a következő: a toroid kamrát kiürítjük, és megtöltjük deutérium és trícium gázkeverékkel. A keveréken több millió amper áram folyik át. 1-2 másodperc alatt a keverék hőmérséklete több százezer fokra emelkedik. A kamrában plazma képződik. A további melegítést semleges deutérium és trícium atomok befecskendezésével végezzük 100-200 keV energiával. A plazma hőmérséklete több tízmillió fokra emelkedik, és megindul az önfenntartó fúziós reakció. 10-20 perc elteltével a kamrafalak részben elpárolgó anyagából nehéz elemek halmozódnak fel a plazmában. A plazma lehűl, a termonukleáris égés leáll. A kamrát ismét ki kell kapcsolni, és meg kell tisztítani a felgyülemlett szennyeződésektől. A tórusz méretei a reaktor 5000 MW hőteljesítményénél a következők: Külső sugár -10m; belső sugár - 2,5 m.

Kutatások a termonukleáris reakciók szabályozására, pl. A termonukleáris energia békés célú felhasználása nagy intenzitással fejlődik.

1991-ben egy közös európai létesítmény az Egyesült Királyságban először ért el jelentős energiafelszabadulást szabályozott termonukleáris fúzió során. Az optimális üzemmódot 2 másodpercig tartottuk, és 1,7 MW nagyságrendű energiafelszabadulás kísérte. A maximális hőmérséklet 400 millió fok volt.

Termonukleáris áramfejlesztő. Ha a deutériumot termonukleáris üzemanyagként használják, az energia kétharmadának fel kell szabadulnia a töltött részecskék mozgási energiája formájában. Elektromágneses módszerekkel ez az energia elektromos energiává alakítható.

A villamos energia a berendezés álló üzemmódjában és impulzusos üzemmódban nyerhető. Az első esetben az önfenntartó fúziós reakcióból származó ionokat és elektronokat a mágneses tér késlelteti. Az ionáramot keresztirányú mágneses tér választja el az elektronikus áramtól. Egy ilyen rendszer hatásfoka a közvetlen fékezés során körülbelül 50%, a fennmaradó energia pedig hővé alakul.

Fúziós motorok (nincs implementálva). Hatály: űrjárművek. Az 1 milliárd Celsius fokos teljesen ionizált deutériumplazmát a szupravezető tekercsek lineáris mágneses tere tartja egy izzószálban. A munkafolyadékot a falakon keresztül táplálják be a kamrába, lehűtik azokat, majd felmelegszik, körbefolyva a plazmaoszlopot. Az ionok kiáramlásának axiális sebessége a mágneses fúvóka kimeneténél 10 000 km/s.

1972-ben a Római Klub – egy bolygószintű problémák okát tanulmányozó és megoldásokat kereső szervezet – ülésén E. von Weinzsacker, A. H. Lovins tudósok által készített jelentés készült, amely egy felrobbanó bomba hatását produkálta. . A jelentésben közölt adatok szerint a bolygó energiaforrásai - szén, gáz, olaj és urán - 2030-ig kitartanak. A szén kitermeléséhez, amelyből 1 dollárért lehet energiát nyerni, energiát kell költeni, ami 99 centbe kerül.

Az atomerőművek üzemanyagaként szolgáló urán-235 a természetben nem így van: a világ teljes uránmennyiségének mindössze 5% -a, ennek 2% -a Oroszországban. Ezért az atomerőműveket csak segédcélokra lehet használni. A tudósok tanulmányai, akik megpróbáltak energiát nyerni a plazmából a "TOKAMAK-okon", a mai napig drága gyakorlatok maradtak. 2000-ben arról számoltak be, hogy az Európai Atomközösség (CERN) és Japán a TOKAMAK első szegmensét építik.

Lehet, hogy az üdvösség nem az atomerőmű „békés atomja”, hanem a „katonai” – egy termonukleáris bomba energiája.

Orosz tudósok robbanékony égésű kazánnak (FAC) nevezték találmányukat. A PIC működési elve egy ultra-kis termonukleáris bomba robbanásán alapul egy speciális szarkofágban - egy üstben. Rendszeresen történnek robbanások. Érdekes, hogy a PBC robbanása során a kazán falaira gyakorolt ​​nyomás kisebb, mint egy közönséges autó hengereiben.

A KVS biztonságos működéséhez a kazán belső átmérőjének legalább 100 méternek kell lennie. A dupla acélfalak és a 30 méter vastag vasbeton héj csillapítja a rezgéseket. Építéséhez csak kiváló minőségű acélt használnak majd, mint két modern katonai csatahajó esetében. A KVS megépítését 5 évre tervezik. 2000-ben Oroszország egyik bezárt városában egy projektet készítettek egy 2-4 kilotonna nukleáris egyenértékű "bomba" kísérleti létesítményének építésére. Ennek az FAC-nak a költsége 500 millió dollár. A tudósok számításai szerint egy év alatt megtérül, és további 50 évig gyakorlatilag ingyenes áramot és hőt biztosít. A projekt vezetője szerint egy tonna olaj elégetésével előállított energia költsége kevesebb lesz, mint 10 dollár.

40 KVG képes a teljes országos energiaszektor igényeit kielégíteni. Száz - az eurázsiai kontinens összes országa.

1932-ben kísérletileg felfedezték a pozitront - egy elektron tömegű, de pozitív töltésű részecskét. Hamarosan felmerült, hogy a természetben létezik töltésszimmetria: a) minden részecskének kell lennie egy antirészecskéjének; b) a természet törvényei nem változnak, ha minden részecskét a megfelelő antirészecskékre cserélünk, és fordítva. Az antiprotont és az antineutront az 1950-es évek közepén fedezték fel. Elvileg létezhet antianyag, amely atomokból áll, amelyek magjában antiprotonok és antineutronok találhatók, héjukat pedig pozitronok alkotják.

A kozmológiai dimenziójú antianyag-halmazok antivilágokat alkotnának, de a természetben nem találhatók meg. Az antianyagot csak laboratóriumi méretekben szintetizálták. Tehát 1969-ben a Serpukhov-gyorsítónál a szovjet fizikusok két antiprotonból és egy antineutronból álló antihéliummagokat regisztráltak.

Az energiaátalakítás lehetőségeihez képest az antianyag figyelemre méltó, hogy az anyaggal érintkezve megsemmisülés (pusztulás) történik kolosszális energia felszabadulásával (mindkét anyagtípus eltűnik, sugárzássá alakul). Így egy elektron és egy pozitron megsemmisülve két fotont hoz létre. Az anyag egyik fajtája - a töltött masszív részecskék - átmegy egy másik típusú anyaggá - semleges tömeg nélküli részecskévé. Az Einstein-reláció használata az energia és a tömeg egyenértékűségére (E=mc 2), könnyen kiszámolható, hogy egy gramm anyag megsemmisülése ugyanazt az energiát termeli, mint 10 000 tonna szén elégetésével, és egy tonna antianyag elegendő lenne ahhoz, hogy egy évre az egész bolygót energiával láthassa el.

Az asztrofizikusok úgy vélik, hogy a megsemmisülés biztosítja a kvázi-csillag objektumok - kvazárok - gigantikus energiáját.

1979-ben amerikai fizikusok egy csoportjának sikerült regisztrálnia a természetes antiprotonok jelenlétét. Kozmikus sugarak hozták őket.

Az atomenergia egy szörnyű és egyben csodálatos erő. Az atomokban végbemenő radioaktív bomlás és nukleáris reakciók hatalmas mennyiségű energiát szabadítanak fel, amelyet az emberek megpróbálnak felhasználni. Igyekeznek, mert az atomenergia fejlesztésének nemcsak sok áldozata volt, hanem katasztrófák is (például a csernobili atomerőmű). Ennek ellenére az atomerőművek világszerte működnek, és a világ villamosenergia-termelésének mintegy 15 százalékát állítják elő. Atomreaktorok a világ 31 országában állnak rendelkezésre. A hajókat és tengeralattjárókat is felszerelik atomreaktorokkal. Mindenesetre évről évre romlik az atomenergiához és általában mindenhez, ami a nukleáris bomlással kapcsolatos (szemben a fúzióval). Eljön a nap, amikor az atom energiája kizárólag békés lesz.

Az HBO televíziós társaság Csernobil sorozatának utolsó epizódjaiban orosz tudósok feltárják az igazságot a csernobili atomerőmű 4. erőművi blokkja reaktorának felrobbanásának okáról, amely ezt követően 17 európai területet „beporzott be” 207,5 ezer négyzetkilométer összterületű országok radioaktív céziummal. A csernobili atomerőműben történt katasztrófa alapvető hibáit tárta fel az RBMK-1000-es reaktorban. Ennek ellenére ma is 10 RBMK-1000 reaktor működik Oroszországban. Biztonságban vannak? A Live Science portállal véleményüket megosztó nyugati atomfizikai szakértők szerint ez a kérdés nyitott marad.

Atom Egy magból áll, amely körül elektronnak nevezett részecskék keringenek.

Az atommagok a legkisebb részecskék. Ezek az alapjai minden anyagnak és anyagnak.

Nagy mennyiségű energiát tartalmaznak.

Ez az energia sugárzás formájában szabadul fel bizonyos radioaktív elemek bomlásakor. A sugárzás veszélyes minden földi életre, ugyanakkor villamosenergia-termelésre és a gyógyászatban is használják.

A radioaktivitás az instabil atommagok azon tulajdonsága, hogy energiát sugároznak. A legtöbb nehéz atom instabil, a könnyebb atomok pedig radioizotópokkal rendelkeznek, pl. radioaktív izotópok. A radioaktivitás megjelenésének oka, hogy az atomok a stabilitás elérésére törekszenek. Ma a radioaktív sugárzás három fajtája ismert: alfa, béta és gamma. Nevüket a görög ábécé első betűiről kapták. A mag először alfa vagy béta sugarakat bocsát ki. De ha továbbra is instabil marad, akkor gamma sugarak jönnek ki. Három atommag lehet instabil, és mindegyikük bármilyen típusú sugarat bocsáthat ki.

Az ábrán három atommag látható.

Instabilok, és mindegyikük három típusú nyaláb egyikét bocsát ki.

Az alfa részecskéknek két protonja és két neutronja van. A hélium atom magja pontosan ugyanolyan összetételű. Az alfa-részecskék lassan mozognak, ezért minden papírlapnál vastagabb anyag képes megtartani őket. Nem sokban különböznek a hélium atommagjaitól. A legtöbb tudós azt a verziót terjesztette elő, hogy a földi hélium természetes radioaktív eredetű.

A béta részecskék hatalmas energiájú elektronok. Képződésük a neutronok bomlása során megy végbe. A béta részecskék sem túl gyorsak, akár egy méterig is átrepülhetnek a levegőben. Ezért egy milliméter vastag rézlap akadály lehet az útjukban. Ha pedig 13 mm-es ólomkorlátot vagy 120 méter levegőt állítasz fel, akkor felére csökkentheted a gammasugárzást.

A gamma-sugárzás nagy energiájú elektromágneses sugárzás. Mozgási sebessége megegyezik a fény sebességével.

A radioaktív anyagok szállítása speciális, vastag falú ólomtartályokban történik, hogy megakadályozzák a sugárzás szivárgását.

A sugárzásnak való kitettség rendkívül veszélyes az emberre.

Égési sérüléseket, szürkehályogot okoz, provokálja a rák kialakulását.

A sugárzás szintjének mérését egy speciális eszköz, a Geiger-számláló segíti, amely sugárforrás megjelenésekor kattanó hangokat ad ki.

Amikor egy atommag részecskéket bocsát ki, egy másik elem magjává alakul, így megváltozik a rendszáma. Ezt nevezzük az elem bomlási periódusának. De ha az újonnan képződött elem továbbra is instabil, akkor a bomlási folyamat folytatódik. És így tovább, amíg az elem stabillá nem válik. Sok radioaktív elemnél ez az időszak több tíz, száz, sőt több ezer évig tart, ezért szokás a felezési időt mérni. Vegyünk például egy 242 tömegű plutónium-2 atomot. A 4-es relatív atomtömegű alfa-részecskék kibocsátása után azonos atomtömegű urán-238-atommá válik.

Nukleáris reakciók.

A nukleáris reakciókat két típusra osztják: magfúzióra és maghasadásra (hasadásra).

A szintézis vagy más módon "összekapcsolás" két magnak egy nagy magba kapcsolását jelenti nagyon magas hőmérséklet hatására. Ezen a ponton nagy mennyiségű energia szabadul fel.

A hasadás és a hasadás során az atommag hasadási folyamata megy végbe, miközben nukleáris energia szabadul fel.

Ez akkor történik, amikor az atommagot neutronokkal bombázzák egy speciális eszközben, amelyet "részecskegyorsítónak" neveznek.

Az atommag hasadása és a neutronok kisugárzása során csak óriási mennyiségű energia szabadul fel.

Ismeretes, hogy nagy mennyiségű villamos energia előállításához csak egységnyi tömegű rádióüzemanyagra van szükség.Egyetlen más erőmű sem dicsekedhet hasonlóval.

Atomenergia.

Így a nukleáris reakció során felszabaduló energiát elektromos áram előállítására, vagy víz alatti és felszíni hajókban energiaforrásként használják fel. Az atomerőműben az áramtermelés folyamata az atomreaktorokban történő maghasadáson alapul. Egy hatalmas tartályban radioaktív anyag (például urán) rudak vannak.

A neutronok megtámadják őket, és felhasadnak, energiát szabadítanak fel. Az új neutronok egyre tovább hasadnak. Ezt láncreakciónak nevezik. Ennek a villamosenergia-termelési módszernek a hatásfoka hihetetlenül magas, de a biztonsági intézkedések és a temetési feltételek túl drágák.

Az emberiség azonban nem csak békés célokra használja az atomenergiát. A 20. század közepén az atomfegyvereket tesztelték és tesztelték.

Működése hatalmas energiaáramlás felszabadítása, ami robbanáshoz vezet. A második világháború végén az Egyesült Államok nukleáris fegyvereket vetett be Japán ellen. Atombombákat dobtak Hirosima és Nagaszaki városára.

A következmények egyszerűen katasztrofálisak voltak.

Néhány emberáldozat több százezer volt.

A tudósok azonban nem álltak meg itt, és hidrogénfegyvereket fejlesztettek ki.

A különbség az, hogy az atombombák maghasadási reakciókon, a hidrogénbombák pedig fúziós reakciókon alapulnak.

radiokarbon módszer.

Egy szervezet halálának idejére vonatkozó információk megszerzéséhez a radiokarbon elemzés módszerét használják. Ismeretes, hogy az élő szövetek bizonyos mennyiségű szén-14-et tartalmaznak, amely a szén radioaktív izotópja. Felezési ideje 5700 év. A szervezet elpusztulását követően a szövetekben a szén-14 tartalékai csökkennek, az izotóp lebomlik, a maradék mennyiségéből határozzák meg a szervezet halálának idejét. Így például megtudhatja, milyen régen tört ki egy vulkán. Ezt a lávába fagyott rovarokról és pollenről lehet felismerni.

Hogyan használják még a radioaktivitást?

A sugárzást az iparban is használják.

A gamma sugarakat az élelmiszerek besugárzására használják, hogy frissen tartsák.

Az orvostudományban a sugárzást a belső szervek tanulmányozására használják.

Létezik egy sugárterápia nevű technika is. Ilyenkor a beteget kis dózisokkal besugározzák, elpusztítva a rákos sejteket a szervezetében.