Плюсы и опасность ядерной энергии: перспективы, о которых следует знать
Дата публикации: 20 февраля 2020
В бесконечных поисках источников огромных запасов энергии человечество даже не подозревало, что они скрыты совсем рядом — в структуре атомных ядер. Эти мельчайшие частицы, заметные только при многократном увеличении, скрывают в себе огромные энергетические ресурсы. Их высвобождение способно решить проблему поставок энергии на промышленные предприятия и крупные населенные пункты, но одновременно скрывает в себе угрозу здоровью и жизни людей, которые могут стать жертвами неумелого преобразования ядерной энергии.
Кто открыл ядерную энергию
Мнение о ядерной структуре окружающих предметов высказывали еще античные авторы. Однако история ядерной энергии началась несколько позже: с момента их письменных откровений до первой искусственной ядерной реакции прошли тысячелетия. Ее осуществил Эрнест Резерфорд в 1919 году, физик из Новой Зеландии. Его работы можно считать стартом изучения ядерной энергетики. После открытия нейронов в 1932 году Джеймсом Чедвиком специалисты заговорили о протонно-нейтронной теории атомных ядер. Их идеи подхватили супруги Кюри, открывшие в 1934 году явление искусственной радиоактивности. Первый опыт по делению ядра был осуществлен в 1938 году. А уже в 1940 году было открыто явление самопроизвольного деления атомных ядер. Чуть позже ученым удалось осуществить первую цепную ядерную реакцию и описать их подвид — термоядерные реакции. Открытие нового источника энергии позволило решить проблему ее нехватки в густонаселенных областях мира путем постройки атомных электростанций.
Немного физических подробностей
Источником ядерной энергии является внутренняя энергия атомного ядра, которая образуется при движении и взаимодействии ядерных частиц: протонов и нейтронов. Объемы этой энергии в миллионы раз больше, чем результаты химической реакции, вследствие которой выделяется значительное количество энергетических ресурсов. Получить доступ к их запасам можно одним из трех способов: термоядерной реакцией синтеза легких ядер, реакцией деления тяжелых ядер с размножением ядерного горючего или без него. Второй способ находит применение на многочисленных атомных электростанциях, число которых на планете постоянно увеличивается. Однако некоторые развитые страны планируют отказаться от их строительства и эксплуатации, учитывая огромную опасность ядерной энергии для населения и последствия экологических катастроф на территории Чернобыля (Украина, 1986г.) и Фукусимы (Япония, 2011).
Структура ядер отличается высокой плотностью. Но в распоряжении науки есть способы разбить их и даже создать из их частиц принципиально новые химические элементы, не имеющие отношения к «официальной» химии и не встречающиеся в природе. Это трансурановые элементы, расположенные в периодической системе после урана. Один из них — плутоний, использование которого в ядерной энергетике позволяет получить огромное количество сравнительно недорогой энергии.
Важное преимущество урана — способность его отдельных изотопов к делению во время захвата нейтронов. В процессе этого явления выделяется огромное количество энергии. Ее можно направить в мирное русло, подключив к источнику энергоемкие производства и крупные города. Но есть и альтернативный способ ее применения — например, при создании ядерного оружия колоссальной разрушительной силы. Уран, обогащенный изотопом, и полученный из него изотоп плутония служит основным «топливом» на атомных станциях.
Популярные мифы об основах и безопасности ядерной энергии
Нехватка знаний по направлению ядерной энергетики привела к появлению многочисленных мифов и легенд. Большинство из них не имеют научного обоснования и легко развенчиваются.
- Мировые запасы урана подходят к концу. Так выражается скрытое опасение по поводу исчерпаемости ядерной энергии. На самом деле мировые запасы урана превышают объем золота более чем в 600 раз. Этого хватит на ближайшие 500 лет, даже если человечество не будет слишком экономным. А если они закончатся, в качестве энергоресурса можно использовать торий, которого в разы больше, чем урана.
- Ядерная энергия опасна. Причина такого мнения — якобы некие скрытые газы, которые выделяются в атмосферу и уничтожают все живое. Опыты подтвердили: количество углерода, выделяемого при реакции, не может причинить вреда экологии.
- Возле атомных электростанций возрастает число случаев онкологических заболеваний. Ученые утверждают: риска для населения нет. А опасное заболевание с одинаковой частотой встречается и на экологически чистых территориях.
- Ядерная энергетика загрязняет природу тоннами отходов. Это утверждение не соответствует истине. Даже способы получения ядерной энергии прошлого столетия давали минимум отходов, грамотное захоронение которых не причиняло природе никакого вреда.
- Атомная станция может стать объектом атаки террористов, и произойдет еще одна глобальная катастрофа. Современные здания АЭС способны выдержать любой массивный удар благодаря усиленной конструкции и усовершенствованным системам безопасности. Активация последних осуществляется в автономном режиме без участия человека или компьютера.
Еще один популярный миф связан с дороговизной атомной энергии. Это мнение относится только к АЭС прошлого столетия. Сегодня один из плюсов ядерной энергии — ее доступность, обусловленная сорокалетним сроком эксплуатации станций и их постепенным выводом из строя. К этому следует добавить доказанную экологическую чистоту нового источника энергии и возможности его использования в любых сферах деятельности.
Источник
Ядерные реакции
Ядерная реакция – это процесс взаимодействия одного ядра с другим или элементарной частицей, сопровождающийся изменением состава и структуры ядра и выделением вторичных частиц или γ -квантов.
Результатом ядерных реакций является образование новых радиоактивных изотопов, которые не существуют на Земле в естественных условиях.
Осуществление первой ядерной реакции пришлось на 1919 год. Э. Резерфорд обнаружил протоны в продуктах распада ядер. Он бомбардировал атомы азота α -частицами. Во время соударений частиц шла ядерная реакция, для которой подразумевалась специальная схема:
N 7 14 + He 2 4 → O 8 17 + H 1 1 .
В ее процессе выполняются законы сохранения импульса, энергии, момента импульса и заряда. Ядерные реакции характеризуются законом сохранения барионного заряда (количества нуклонов). Применимы и другие законы, используемые в ядерной физике и физике элементарных частиц.
Протекание ядерной реакции идет с помощью бомбардирования атомов быстрыми заряженными частицами (протонами, нейтронами, α -частицами, ионами). Изначально она была проведена с помощью протонов, содержащих большую энергию, полученных на ускорителе, еще в 1932 году:
Li 3 7 + H 1 1 → He 2 4 + He 2 4 .
Больше всего ученых заинтересовали реакции, протекающие при взаимодействии ядер с нейтронами. Беспрепятственный их проход в атомные ядра связан с отсутствием заряда. Физик Э. Ферми занимался изучением реакций, вызываемых нейтронами. Он выявил, что такие превращения могут быть вызваны медленными и быстрыми нейтронами, движущимися с тепловыми скоростями.
Они сопровождаются энергетическими превращениями.
Энергетический выход – это величина Q = M A + M B — M C — M D c 2 = ∆ M c 2 ,
где M A и M B подразумевают массы исходных продуктов реакции, а M C и M D массы конечных. Значение ∆ M называют дефектом масс.
Любые ядерные реакции протекают с выделением Q > 0 или поглощением Q 0 энергии. Последняя из них говорит о том, что первоначальная кинетическая энергия исходных продуктов не должна превышать величину Q , которая получила название порога реакции.
Чтобы у ядерной реакции был положительный энергетический выход, удельная энергия связи нуклонов в ядрах исходных продуктов должна равняться меньшему значению удельной энергии нуклонов конечных. Это значит, что ∆ M должно быть положительное.
Существуют два различных способа освобождения ядерной реакции: деление тяжелых ядер и термоядерные.
Деление тяжелых ядер
Данный способ освобождения ядерной реакции отличаются от радиоактивного распада ядер тем, что сопровождаются испусканием α — или β — частиц. Сама реакция – процесс деления нестабильного ядра на две крупные части сравнимых масс.
Ученые О. Ган и Ф. Штрассман в 1939 году открыли деление ядер урана. Продолжив исследования Ферми, они выявили, что бомбардирование урана нейтронами провоцирует появление элементов средней части периодической системы – радиоактивных изотопов бария Z = 56 , криптона
Z = 36 и других.
Уран можно встретить в виде двух изотопов U 92 238 ( 99 , 3 % ) и U 92 235 ( 0 , 7 % ) . Бомбардировка нейтронами ядра обоих изотопов расщепляет их на два осколка. Реакция деления U 92 235 происходит интенсивней на медленных (тепловых) нейтронах, а ядра U 92 238 вступают в реакцию только с быстрыми при наличии энергии, равной 1 М э В .
Большой интерес для ученых представляла реакция деления ядра U 92 235 . На данный момент существует около 100 различных изотопов с массовыми числами от 90 до 145 , которые возникают при его делении. Это можно изобразить в виде двух типичных реакций:
При делении ядра, инициированного нейтроном, появляются новые, которые вызывают реакции деления других ядер. Продуктами деления ядер урана- 235 являются другие изотопы бария, ксенона, стронция, рубидия и др.
Энергия, выделяемая при делении одного ядра урана, достигает 200 М э В . Оценка энергии производится с помощью удельной энергии связи нуклонов в ядре. Для ядер с массовым числом A ≈ 240 удельная энергия связи нуклонов в ядрах порядка 7 , 6 М э В / н у к л о н , а для ядер с массовыми числами А = 90 — 145 она составляет – 8 , 5 М э В / н у к л о н . Отсюда следует, что процесс деления способен освободить энергию около 0 , 9 М э В / н у к л о н , то есть 210 М э В на один атом урана. Энергия, выделяемая при полном делении всех ядер 1 г урана сравнима со сгоранием 3 т угля или 2 , 5 т нефти.
Нестабильность продуктов деления ядра выражается в содержании избыточного числа нейтронов. По отношению N Z наиболее тяжелые ядра составляют примерно 1 , 6 , при массовых числах от 90 до 145 отношение порядка 1 , 3 – 1 , 4 . Отсюда следует, что ядра-осколки испытывают последовательные β — распады, в результате которых число протонов возрастает, а число нейтронов уменьшается до тех пор, пока не образуется стабильное ядро.
Деление ядра урана- 235 вызвано столкновениями с нейтроном, после чего происходит освобождение еще двух или трех. При наличии благоприятных условий они попадают в другие ядра урана и вызывают их деления. Этот этап характеризуется нейронами в количестве 4 — 9 , которые далее вызывают его распад.
Лавинообразный процесс деления получил название цепной реакции.
На рисунке 6 . 8 . 1 представлена подробная схема такой реакции при делении ядер урана.
Рисунок 6 . 8 . 1 . Схема развития цепной реакции.
Чтобы такая реакция была осуществима, следует учитывать значение коэффициента размножения нейтронов, который должен быть больше 1 . Иначе говоря, каждое последующее поколение нейтронов должно быть больше, чем предыдущее. Коэффициент размножения определяется не только количеством образующихся нейтронов, но и условиями протекания самой реакции, так как их часть может поглощаться другими ядрами или выходить из зоны реакции.
Освободившиеся при делении ядер урана- 235 нейтроны могут вызывать дальнейшее деление, но только ядер данного урана, количество которого в природном уране всего 0 , 7 % .
Изотоп U 92 238 способен поглощать нейтроны, но цепной реакции это не вызовет. Ее возникновение возможно при повышенном содержании урана- 235 в самом уране, то есть при превышении критической массы. Небольшие куски урана имеют большинство нейтронов, которые при реакции не попали в ядра, в результате чего вылетают наружу.
Критическая масса для урана- 235 составляет 50 к г . Ее уменьшение производится с помощью замедлителей нейтронов. При распаде урана появляющиеся нейтроны обладают высокими скоростями, а вероятность захвата медленных нейтронов ядрами урана- 235 в сотни раз больше, чем быстрых. Лучшим замедлителем считается тяжелая вода D 2 O . Ее получают при взаимодействии чистой воды с нейтронами.
Графит также считается хорошим аналогом, но его ядра не поглощают нейтроны. При упругом взаимодействии с ядрами дейтерия или углерода они замедляются до значений тепловых скоростей.
Для снижения критической массы до 250 г актуально применение замедлителей нейтронов и специальной оболочки из бериллия, которая способна отражать их.
Атомные бомбы – это характерный пример цепной неуправляемой ядерной реакции, в результате которой происходит реактивное соединение двух кусков урана- 235 , каждый из которых обладает массой ниже критической.
Устройство, поддерживаемое управляемой реакцией деления ядер, называют ядерным (атомным) реактором.
На рисунке 6 . 8 . 2 изображена схема ядерного реактора на медленных нейтронах.
Рисунок 6 . 8 . 2 . Схема устройства ядерного реактора на медленных нейтронах.
Протекание ядерной реакции характерно для активной зоны реактора, которая заполнена замедлителем и пронизана стержнями с обогащенной смесью изотопов урана с повышенным содержанием урана- 235 (до 3 % ). Стрежни с кадмием или бором, поглощающие нейтроны, вводят в активную зону. Этот процесс позволяет контролировать скорость цепной реакции.
Охлаждение активной зоны производится с помощью прокачиваемого теплоносителя в качестве воды или металла с низкой температурой плавления (натрий). Передача тепловой энергии воде производится теплоносителем, находящимся в парогенераторе. Вода принимает состояние пара с высоким давлением, который направляется в турбину, соединенную с электрогенератором, после чего вода попадает в конденсатор. Отсутствие утечки радиации обусловлено работой теплоносителя I и парогенератора II по замкнутым циклам.
Турбина атомной электростанции используется в качестве тепловой машины, которая определяет по второму закону термодинамики общую эффективность станций. Современные атомные электростанции имеют КПД= 1 3 . Чтобы произвести 1000 М В т электрической мощности, необходимо достичь значения 3000 М В т тепловой мощности в реакторе. Около 2000 М В т уносятся с водой, которая охлаждает конденсатор. Это может привести к локальному перегреву естественных водоемов, то есть появлению экологических проблем.
Основной трудностью работы таких станций является обеспечение полной радиационной безопасности находящихся на ней людей и предотвращения случайных выбросов радиоактивных веществ, которые накапливаются в активной зоне реактора. Данной проблеме уделяется особое внимание. После произошедших аварий на АЭС в Пенсильвании в 1979 году и в Чернобыле в 1986 году вопрос безопасности становится особенно необходимым.
Практический интерес вызывают реакторы, которые способны работать без замедлителя на быстрых нейтронах. Они содержат ядерное горючее, содержащее не менее 15 % изотопа υ 92 235 . Преимущество таких реакторов состоит в том, что, работая, ядра урана- 238 способны поглощать нейтроны при помощи двух последовательных β -распадов, которые превращаются в ядра плутония, используемые как ядерное топливо:
Коэффициент воспроизводства таких реакторов достигает значений 1 , 5 , то есть на получение 1 , 5 к г плутония приходится 1 к г урана- 235 . Обычные реакторы также образуют плутоний, но в меньших количествах.
В США первый ядерный реактор был построен в 1942 году под руководством Э. Ферми, а в нашей стране в 1946 году с И.В. Курчатовым.
Термоядерные реакции
Еще один путь для освобождения ядерной энергии связан с реакциями синтеза. Слияние легких ядер и образование нового сопровождаются выделением большого количества энергии. На рисунке 6 . 6 . 1 показана зависимость удельной энергии от массового числа А в виде кривой. Даже ядра с массовым числом 60 характеризуются увеличением энергии нуклонов с ростом А . Отсюда получаем, что синтез любого ядра с A 60 из более легких ядер идет с выделением энергии. Общая масса продуктов реакции синтеза меньше массы первоначальных частиц.
Реакция слияния ядер получила название термоядерных, так как их протекание возможно только при высоких температурах.
Для вступления двух ядер в реакцию синтеза необходимо сблизить их на расстояние ядерных сил порядка 2 · 10 — 15 м , преодолев электрическое отталкивание их положительных зарядов. Для выполнения этого условия нужно, чтобы средняя кинетическая энергия теплового движения молекул превосходила потенциальную энергию кулоновского взаимодействия. Получение необходимой температуры Т дает величину 10 8 — 10 9 К . Она слишком высокая.
Температура 10 8 — 10 9 К указывает на нахождение вещества в ионизированном состоянии, то есть плазмы.
Энергия, выделяемая при термоядерных реакциях, в расчете на 1 н у к л о н в несколько раз превышает удельную энергию, которая выходит при цепной реакции деления ядер, показанная на примере формулы. То есть при реакции слияния ядер дейтерия и трития
H 1 2 + H 1 3 → H e 2 4 + n 0 1 + 17 , 6 выдает 3 , 5 М э в / к у л о н . Полное выделение энергии составляет 17 , 6 М э В . Ее считают наиболее перспективной термоядерной реакцией.
Возможность осуществления управляемых термоядерных реакций дает человеку новый и экологически чистый источник практически неисчерпаемой энергии. Но для получения сверхвысоких температур и удержания плазмы, нагретой до миллиарда градусов, требуется решение труднейшей научно-технической задачи для осуществления термоядерного синтеза.
Данный этап развития науки характеризуется наличием неуправляемой реакции синтеза в водородной бомбе. Достижение высокой температуры, необходимой для ядерного синтеза, производится путем взрыва урановой или плутониевой бомбы.
Роль термоядерных реакций важна в эволюции Вселенной. Энергия изучения Солнца и звезд характеризуется термоядерным происхождением. Примером служит ядерная реакция горения гелия, изображенная ниже.
Рисунок 6 . 8 . 3 . Возраст 10 7 лет.
Внутреннее строение звезды с массой 5 M ⊙ как функция возраста. Заштрихованы области протекания ядерных реакций. Конвективные зоны отмечены точками.
Рисунок 6 . 8 . 4 . Модель ядерного реактора.
Рисунок 6 . 8 . 5 . Модель синтеза гелия.
Рисунок 6 . 8 . 6 . Модель ядерных превращений.
Источник
