Атомная энергетика

Прежде, чем исследовать непосредственно саму атомную энергию, мы решили узнать: что представляет собой энергия и атом!

Что такое энергия?

  Мы часто употребляем слово «энергия». Например, о сорте шоколада говорят, что он хорошо компенсирует затраты энергии, когда человек полон сил - «сгусток энергии», а учителей и воспитателей призывают энергичнее принимать меры. Учёные занимаются физикой высоких энергий, политики и экономисты обсуждают использование энергии солнца, ветра и атомного ядра. Но даже специалистам трудно сказать, что же это такое - энергия!
Прежде чем всё-таки выяснить, что такое энергия, мы решили провести опрос среди трёх возрастных категорий: - от 15 до 21 года, от 22 до 49 и от 50.

Что люди понимают под понятием энергия?

Из данного опроса мы видим, что у всех мнения разные. Большинство людей, относящиеся к 1 категории считают, энергия – это физическая величина (41 %), большинство людей 2 возрастной категории знают понятие энергия с точки зрения политики или экономики (40 %), 3 категория тоже всех больше голосов отдали за политическое и экономическое понятие энергии (30 %).

Всё-таки мы остановимся на физической величине!

Итак, энергия необходима для того, чтобы начать какое-либо движение, ускорить перемещение, что-то поднять, нагреть и осветить. Без энергетической подпитки невозможно любая жизнедеятельность, не двигаются автомобили, не работает отопление. Энергия не может ни возникнуть из ничего, не исчезнуть бесследно. Но она может быть получена из природных ресурсов, таких как уголь, природный газ или уран, и превращена в удобные для нас формы, например в тепло или свет. В окружающем нас мире мы находим различные формы накопления энергии: вода в водохранилище обладает потенциальной энергией, движущийся автомобиль - энергией движения, натянутый лук - энергией натяжения, грозовые облака - электрической энергией, солнечные лучи - световой, нефть - химической, а в уране накоплена ядерная энергия.

Мы остановимся на значении понятия энергия с физической точки зрения. Энергия — скалярная физическая величина, являющаяся единой мерой различных форм движения материи и мерой перехода движения материи из одних форм в другие. Существует довольно много форм энергии, большинство из которых так или иначе используются в энергетике и различных современных технологиях. Основным утверждением про энергию является: Закон сохранения энергии — это основной закон природы, заключающийся в том, что энергия замкнутой системы сохраняется во времени. Другими словами, энергия не может возникнуть из ничего и не может в никуда исчезнуть, она может только переходить из одной формы в другую.

Единицы измерения энергии.

Единицей измерения в системе СИ является один джоуль (1 Дж).

1 ватт в секунду (Вт/с) = 1 Дж

1 киловатт в час (кВт/ч) = 3 600 000 Вт/с

1 эВ = 1,6 ·10^-19

Источники энергии.

Для удовлетворения нашей потребности в энергии существуют три больших группы энергоносителей: Горючие ископаемые (уголь, нефть, природный газ).
Восстанавливаемые источники энергии (солнце, ветер, гидроэнергия, приливы, подземное тепло).
Ядерное топливо (уран, плутоний) открывает нам доступ к гигантским энергиям, скрытым в атомном ядре. Из 1 кг угля можно получить 8 кВт/ч, а из 1 кг урана – 23/23,5 млн кВт/ч тепла. Поскольку ядерное топливо в отличие от горючих ископаемых не  используется в химической промышленности, его можно без всяких угрызений совести использовать для выработки энергии. Однако неправильное обращение с ним может привести к катастрофам, масштаб которых даже трудно  представить. Кроме того, его можно использовать и для изготовления бомб, способных уничтожить жизнь на Земле.

Мировое потребление первичной энергии (каменный уголь, нефть, природный газ и урановая руда) за год составляет в настоящее время около 12 000 000 000 т УКТ (условного каменноугольного топлива), и оно неуклонно растёт. Запасы горючих ископаемых в ещё не разведанных месторождениях с учётом уже разведанных, хватило бы ещё на 3-4 столетия. Прогнозируемые объёмы запасов технологически доступного урана на планете - около 153 000 000 000 т УКТ. Однако с помощью современных технологий, например бридерных реакторов, из этого сырья можно выделить 9 180 000 000 000 т УКТ ядерного топлива. Таким образом, у нас есть ещё запас ядерной энергии на тысячу лет, но и этого маловато в масштабах Земли.
   Одна из важнейших формул теории относительности Эйнштейна имеет вид E=mc², где E - энергия, m - масса, c - скорость света. Смысл её в том, что при определённых условиях некоторая масса может превратиться в колоссальную энергию, материю при этом можно рассматривать как одну из форм энергии, которая может быть переведена в другие виды, например в тепло или свет.

Виды энергии:

- механическая; - химическая; - тепловая; - ядерная (атомная).

Механическая.

Механическая энергия - это энергия механического движения и взаимодействия тел системы или их частей; это физическая величина, являющаяся количественной характеристикой действия силы F на процесс у(t). Если действующая сила F и вектор скорости v процесса y за всё время наблюдения ?t постоянны, работа численно равна . Механическая энергия равна сумме кинетической и потенциальной энергии механической системы (Еп + Ек).

Химическая.

Химическая энергия - превращение одного или нескольких исходных веществ (реагентов) в отличающиеся от них по химическому составу или строению вещества (продукты реакции). Химические реакции происходят при смешивании или физическом контакте реагентов: самопроизвольно, при нагревании, участии катализаторов (катализ), действии света (фотохимические реакции), электрического тока (электродные процессы) и т. п.

Тепловая.

Тепловая энергия - форма энергии, связанная с движением атомов, молекул или других частиц из которых состоит тело. По сути, тепловая энергия — это энергия механических колебаний структурных элементов вещества (будь то атомы, молекулы или заряженные частицы). Тепловая энергия тела также называется внутренней энергией. Тепловая энергия может выделяться благодаря химическим реакциям (горение), ядерным реакциям (ядерный синтез), механическим взаимодействиям (трение). Тепло может передаваться между телами с помощью теплопроводности, конвекции или излучения.

Ядерная.

Ядерная энергия - это энергия, содержащаяся в атомных ядрах и выделяемая при ядерных реакциях. Более подробно мы разберём её дальше.

Что такое атом?

Насколько сегодня известно, мысль о том, что материя может состоять из отдельных частиц, впервые была высказана Левкиппом из Милета в 5 в. до н.э. Эту идею развил его ученик Демокрит, который и ввел слово атом (от греч, ?????? (атомос), что значит «неделимый») - наименьшая часть химического элемента, являющаяся носителем его свойств. В начале 19 века Джон Дальтон (1766- 1844) возродил это слово, подведя научную основу под умозрительные идеи древних греков. Согласно Дальтону, атом это крошечная неделимая частица материи, принимающая участие в химических реакциях. Простые представления об атоме, принадлежащие Дальтону, были поколеблены в 1897 г., когда Дж. Дж. Томсон (1856 - 1940) установил, что атому могут испускать еще меньшие отрицательно заряженные частицы (позднее названные электронами). Стало очевидным, что атом обладает внутренней структурой. Это открытие указывало, что атом, по-видимому, должен содержать и положительные заряды. Томсон предположил, что электроны рассеяны в положительно заряженном атоме, подобно «изюминкам в булке». Эта модель не позволяла объяснить некоторые свойства атомов, однако более совершенную модель удалось создать лишь после открытия радиоактивного излучения. Явление радиоактивности было открыто Беккерелем, который обнаружил, что атому урана самопроизвольно испускают излучение. Известны 3 формы этого излучения: бета частицы (отрицательно заряженные электроны), альфа частицы (положительно заряженные ядра гелия, состоящие из двух протонов и двух нейтронов) и гамма-излучение (коротковолновое электромагнитное излучение, не несущее заряда).

Модели атома.

Модель атома Резерфорда.

В 1911 г. Эрнест Резерфорд (1871 - 1937) предложил совершенно новую модель атома, основанную на результатах его собственных экспериментов и экспериментов Ханса Гейгера (1882 - 1945), в которых измерялось рассеяние альфа частиц при прохождении через золотую фольгу. Согласно модели Резерфорда, положительный заряд и основная масса атома сосредоточены в центральном ядре, вокруг которого движутся электроны. Сегодня мы знаем, что атом представляет собой почти пустое пространство с крошечным ядром, размеры которого в десятки тысяч раз меньше размеров атома в целом. Сами атомы тоже предельно малы: 10 млн. атомов, выстроенные в ряд, составят всего 1 мм.
        Позже Резерфорд установил, что положительный заряд ядра несут частицы в 1836 раз более тяжелые, чем электрон. Он назвал их протонами. Заряд протона равен по величине, но противоположен по знаку заряду электрона. Простейший атом водорода состоит из одного протона (ядра) и одного электрона, движущегося вокруг него. Более тяжелые ядра содержат большее число протонов (это число называют атомным номером), причем оно всегда равно числу окружающих ядро электронов. Позднее было установлено, что все ядра атомов, за исключением ядра водорода, содержат также частицы и другого типа незаряженные частицы (названные, поэтому нейтронами) с массой, почти равной массе протона.

Нильс Бор, Арнольд Зоммерфельд. Создание новой модели атома.

Датский физик Нильс Бор (1885 - 1962), сделавший следующий важный шаг на пути создания модели атома, опирался  при этом на две другие области исследований. Первая из них квантовая теория, вторая спектроскопия. Впервые идея квантования была высказана Максом Планком (1858 - 1947) в 1900 г. для объяснения механизма излучения тепла и света нагретым телом. Планк показал, что энергия может излучаться и поглощаться только определенными порциями, или квантами.
Основы спектроскопии были заложены еще Исааком Ньютоном (1642 - 1727): он пропустил луч солнечного света через стеклянную призму, разложив его на совокупность цветов видимого спектра. В 1814 г. Йозеф Фраунгофер (1787 - 1826) открыл, что спектр солнечного света содержит несколько темных линий, соответствующих, как было установлено позже, линиям в спектре испускания водорода, в котором произошел электрический разряд.
Бор доказал, что движущийся электрон в атоме водорода может существовать только на фиксированных орбитах, а спектральные линии водорода соответствуют поглощению (темные линии) или излучению (светлые линии) кванта энергии; эти процессы происходят, когда электрон «перепрыгивает» с одной фиксированной орбиты на другую. Модель Бора, позднее усовершенствованная Арнольдом Зоммерфельдом (1868 - 1951), позволила добиться успехов в объяснении спектра водорода.
Согласно современной квантовой теории, фиксированные орбиты Бора не следует представлять слишком буквально, в действительности электрон в атоме с некоторой вероятностью может быть обнаружен в любом месте, а не только вблизи орбиты. Это следствие квантовой механики, которая была в основном сформулирована Вернером Гейзенбергом (1901 - 1976) и Эрвином Шредингером (1887 - 1961). В ее основе лежит так называемый принцип неопределенности Гейзенберга. В результате орбиты Бора оказались не точными траекториями электрона, а местами его наиболее вероятного обнаружения в атоме. Согласно идее корпускулярно-волнового дуализма, впервые высказанной Луи де Бройлем, субатомные частицы можно описывать так же, как и свет, в том смысле, что в одних случаях для этого целесообразно пользоваться понятием «частица», а в других «волна». Так, «пучок» электронов ведет себя как совокупность частиц в катодных лучах, но как совокупность волн в электронном микроскопе. Однако,  с точки зрения химии, представление об атоме, как о мельчайшей частичке материи, принимающей участие в химических реакциях, по-прежнему остается наиболее удобным.

Современное представление об атоме.

Сегодня общепринятой является модель атома, являющаяся развитием планетарной модели. Считается, что ядро атома состоит из положительно заряженных протонов и не имеющих заряда нейтронов и окружено отрицательно заряженными электронами. Однако представления квантовой механики не позволяют считать, что электроны движутся вокруг ядра по сколько-нибудь определённым траекториям (неопределённость координаты электрона в атоме может быть сравнима с размерами самого атома). Химические свойства атомов определяются конфигурацией электронной оболочки и описываются квантовой механикой. Положение атома в таблице Менделеева определяется количеством протонов, в то время как количество нейтронов на химические свойства практически не влияет; при этом нейтронов в ядре, как правило, больше, чем протонов. Если атом находится в нейтральном состоянии, то количество электронов в нём равно количеству протонов. Основная масса атома сосредоточена в ядре, а массовая доля электронов в общей массе атома незначительна (несколько сотых процента массы ядра). Массу атома принято измерять в атомных единицах массы, равных ¹?₁₂ от массы атома стабильного изотопа углерода 12C.

Строение атома.

Субатомные частицы.

Хотя слово атом в первоначальном значении обозначало частицу, которая не делится на меньшие части, согласно научным представлениям он состоит из более мелких частиц, называемых субатомными частицами. Атом состоит из электронов, протонов, все атомы кроме водорода-1 содержат также нейтроны. Электрон является самой лёгкой из составляющих атом частиц с массой 9,11?10^?28 г, отрицательным зарядом и размером, слишком малым для измерения современными методами. Протоны обладают положительным зарядом и в 1836 раз тяжелее электрона (1,6726?10^?24 г). Нейтроны не обладают электрическим зарядом и в 1839 раз тяжелее электрона (1,6929?10^?24 г). При этом масса ядра меньше суммы масс составляющих её протонов и нейтронов из-за эффекта дефекта массы. Нейтроны и протоны имеют сравнимый размер, около 2,5?10^?15 м, хотя размеры этих частиц определены плохо. В стандартной модели элементарных частиц, как протоны, так и нейтроны состоят из элементарных частиц, называемых кварками. Наряду с лептонами, кварки являются одной из основных составляющих материи. И первые, и вторые являются фермионами. Существует шесть типов кварков, каждый из которых имеет дробный электрический заряд, равный +²?₃ или ?¹?₃ элементарного. Протоны состоят из двух u-кварков и одного d-кварка, а нейтрон — из одного u-кварка и двух d-кварков. Это различие объясняет разницу в массах и зарядах протона и нейтрона. Кварки связаны между собой сильными ядерными взаимодействиями, которые передаются глюонами.

Электронное облако.

Термин «электронное облако» не совсем корректен с точки зрения квантовой механики, поэтому вместо него физики чаще всего говорят об "облаке вероятности". Электроны в атоме притягиваются к протонам, находящимся в ядре, под действием электромагнитных сил. Эти силы удерживают электроны внутри потенциального барьера, окружающего ядро. Для того, чтобы электрон смог преодолеть притяжение ядра, ему необходимо передать энергию от внешнего источника. Чем ближе электрон находится к ядру, тем больше энергии для этого необходимо. Электронам, как и другим частицам, свойственен корпускулярно-волновой дуализм. Электронное облако представляют собой часть потенциального барьера, в которой электронам соответствуют трёхмерные стоячие волны, не изменяющие своей формы с течением времени относительно ядра. Говорят, что электрон движется по орбитали. На самом же деле это состояние описывают волновой функцией, квадрат которой характеризует плотность вероятности нахождения частицы в данной точке пространства в данный момент времени. Существует дискретный набор таких орбиталей, и электроны могут находиться длительное время только в этих состояниях, так как они являются наиболее устойчивыми. Каждой орбитали соответствует свой уровень энергии. Электрон может перейти на уровень с большей энергией, поглотив фотон. При этом он окажется в новом квантовом состоянии с большей энергией. Аналогично, он может перейти на уровень, с меньшей энергией излучив фотон. Энергия фотона при этом будет равна разности энергий электрона на этих уровнях.

Свойства.

По определению, любые два атома с одним и тем же числом протонов в их ядрах относятся к одному химическому элементу. Атомы с одним и тем же количеством протонов, но разным количеством нейтронов называют изотопами данного элемента. Например, атомы водорода всегда содержат один протон, но существуют изотопы без нейтронов (водород-1, иногда также называемый протием — наиболее распространённая форма), с одним нейтроном (дейтерий) и двумя нейтронами (тритий). Известные элементы составляют непрерывный натуральный ряд по числу протонов в ядре, начиная с атома водорода с одним протоном и заканчивая атомом унуноктия, в ядре которого 118 протонов. Все изотопы элементов периодической системы, начиная с номера 83 (висмут) радиоактивны.

Атомная масса. Поскольку наибольший вклад в массу атома вносят протоны и нейтроны, полное число этих частиц называют массовым числом. Массу покоя атома часто выражают в атомных единицах массы, которая также называется дальтоном (Да). Эта единица определяется как ¹?₁₂ часть массы покоя нейтрального атома углерода-12, которая приблизительно равна 1,66?10^?24 г. Водород-1 — наилегчайший изотоп водорода и атом с наименьшей массой, имеет атомный вес около 1,007825. Масса атома приблизительно равна произведению массового числа на атомную единицу массы. Самый тяжёлый стабильный изотоп — свинец-208 с массой 207,9766521. Так как массы даже самых тяжёлых атомов в обычных единицах (например, в граммах) очень малы, то в химии для измерения этих масс используют моли. В одном моле любого вещества по определению содержится одно и тоже число атомов (примерно 6,022?10²³). Это число (число Авогадро) выбрано таким образом, что если масса элемента равна 1 а. е. м., то моль атомов этого элемента будет иметь массу 1 г. Например, углерод имеет массу 12 а. е. м., поэтому 1 моль углерода весит 12 г.

Радиус атома. Атомы не имеют отчётливо выраженной внешней границы, поэтому их размеры определяются по расстоянию между ядрами соседних атомов. Радиус зависит от положения атома, его типа, вида химической связи, числа ближайших атомов (координационного числа) и квантово-механического свойства, известного как спин.

В периодической системе элементов размер атома увеличивается при движении сверху вниз по столбцу и уменьшается при движении по строке слева направо. Соответственно, самый маленький атом — это атом гелия, имеющий радиус 32 пм, а самый большой — атом цезия (225 пм). Эти размеры в тысячи раз меньше длины волны видимого света (400—700 нм), поэтому атомы нельзя увидеть в оптический микроскоп. Однако отдельные атомы можно наблюдать с помощью сканирующего туннельного микроскопа.

Малочисленность атомов демонстрируют следующие примеры: Человеческий волос по толщине в миллион раз больше атома углерода. Одна капля воды содержит 2 секстиллиона (2?10²¹) атомов кислорода, и в два раза больше атомов водорода. Один карат алмаза с массой 0,2 г состоит из 10 секстиллионов атомов углерода. Если бы яблоко можно было увеличить до размеров Земли, то атомы достигли бы исходных размеров яблока. У каждого химического элемента есть один или более изотопов с нестабильными ядрами, которые подвержены радиоактивному распаду, в результате чего атомы испускают частицы или электромагнитное излучение. Радиоактивность возникает, когда радиус ядра больше радиуса действия сильных взаимодействий - расстояний порядка 1 фм (1 фемтометр).

Существуют три основные формы радиоактивного распада:

• Альфа-распад происходит, когда ядро испускает альфа-частицу — ядро атома гелия, состоящее из двух протонов и двух нейтронов. В результате испускания этой частицы возникает элемент с меньшим на два атомным номером.

• Бета-распад происходит из-за слабых взаимодействий, и в результате нейтрон превращается в протон или наоборот. В первом случае происходит испускание электрона и антинейтрино, во втором — испускание позитрона и нейтрино. Электрон и позитрон называют бета-частицами. Бета-распад увеличивает или уменьшает атомный номер на единицу.

• Гамма-излучение происходит из-за перехода ядра в состояние с более низкой энергией с испусканием электромагнитного излучения. Гамма-излучение может происходить вслед за испусканием альфа - или бета-частицы после радиоактивного распада.

Каждый радиоактивный изотоп характеризуется периодом полураспада, то есть временем, за которое распадается половина ядер образца. Это экспоненциальный распад (англ.), который вдвое уменьшает количество оставшихся ядер за каждый период полураспада. Например, по прошествии двух периодов полураспада в образце останется только 25 % ядер исходного изотопа.

Теперь непосредственно перейдем к атомной энергии.

Атомная (ядерная) энергетика.

Ядерная энергия играет исключительную роль в современном мире: ядерное оружие оказывает влияние на политику, оно нависло угрозой над всем, живущим на Земле. А пока человечество стремится утолить свои непрерывно растущие потребности в энергии путем беспредельного развития ядерной энергетики, радиоактивные отходы загрязняют нашу планету. В действительности жизнь на Земле всегда зависела от ядерной энергии: ядерный синтез питает энергией Солнце, радиоактивные процессы в недрах Земли нагревают ее жидкое ядро, влияют на подвижность материковых плит. Ядерная энергия выделяется, во-первых, при радиоактивном распаде и делении атомного  ядра, а во-вторых, с процессе синтеза слияния легких ядер в более тяжелые.

Радиоактивность, её открытие и природа. Радиоактивность была открыта Антуаном Беккерелем (1852 - 1908). После получения радия стало ясно, что радиоактивный процесс сопровождается выделением огромного количества энергии. Распад радия происходит в несколько стадий, при этом выделяется в 2*10⁵ раз больше энергии, чем при сгорании такой же массы угля.  Ядро атома имеет диаметр порядка 10^-12 сантиметров и состоит из протонов (положительно заряженных частиц) и нейтронов (нейтральных частиц с массой, почти равной массе протона). Только ядро водорода состоит лишь из одного-единственного протона (и не содержит нейтронов). Большинство элементов представляет собой смесь изотопов, ядра которых различаются числом нейтронов.

Получение ядерной энергии. Получение ядерной энергии в больших количествах впервые было достигнуто в цепной реакции деления ядер урана. Когда изотоп уран-235 поглощает нейтрон, ядро урана распадается на две части и при этом вылетают два три нейтрона. Если из числа нейтронов, образующихся после каждого акта деления, в следующем участвует в среднем более одного нейтрона, то процесс экспоненциально нарастает, приводя к неуправляемой цепной реакции.
Для преобразования ядерной энергии в электрическую необходимо замедлить и сделать управляемым этот процесс; тогда его можно использовать для получения тепла, которое затем превращается  в электричество. Ядерный реактор это своего рода «печка».  Вероятность деления ядра урана-235 велика, если последний движется сравнительно медленно (со скоростью около 2 км/c). Для замедления нейтронов в ядерный реактор помещают специальные материалы, называемые замедлителями.

Ядерные реакторы. Ядерный реактор — устройство, в котором осуществляется управляемая цепная ядерная реакция, сопровождающаяся выделением энергии. Конструкция. Любой ядерный реактор состоит из следующих частей:

• Активная зона с ядерным топливом и замедлителем;

• Отражатель нейтронов, окружающий активную зону;

• Теплоноситель;

• Система регулирования цепной реакции, в том числе аварийная защита;

• Радиационная защита;

• Система дистанционного управления.

Схематическое устройство гетерогенного реактора на тепловых нейтронах:
1 — управляющий стержень;
2 — биологическая защита;
3 — тепловая защита;
4 — замедлитель;
5 — ядерное топливо;
6 — теплоноситель.

Основная характеристика реактора — его выходная мощность. Мощность в 1 МВт соответствует цепной реакции, при которой происходит 3·10¹⁶ делений в 1 сек.

Ядерные реакторы можно классифицировать: по типу применяемых в них замедлителей:

• реакторы на графите

• ректоры на воде

• реакторы на тяжелой воде

Тяжелой называется вода, в которой обычный водород заменен его тяжелым изотопом дейтерием. Тяжелая вода поглощает значительно больше электронов, чем обычная.
Для поддержания цепной реакции необходимо определенное количество делящегося вещества. Если в реакторе теряется в результате поглощения или испускания больше нейтронов, чем возникает, то реакция не будет самоподдерживающейся. Если же, наоборот, нейтронов возникает больше, чем теряется, то реакция становится самоподдерживающейся и нарастающей. Минимальное количество вещества, обеспечивающее самоподдерживающееся протекание реакции, называется критической массой. Для нормальной работы ядерного реактора  поток нейтронов должен поддерживаться постоянным на требуемом уровне. Режим работы реактора регулируют, вдвигая и выдвигая стержни из поглощающего материала.

По характеру использования:

• Экспериментальные реакторы, предназначенные для изучения различных физических величин, значение которых необходимо для проектирования и эксплуатации ядерных реакторов; мощность таких реакторов не превышает несколько кВт.

• Исследовательские реакторы, в которых потоки нейтронов и гамма-квантов, создаваемые в активной зоне, используются для исследований в области ядерной физики, физики твёрдого тела, радиационной химии, биологии, для испытания материалов, предназначенных для работы в интенсивных нейтронных потоках (в т. ч. деталей ядерных реакторов), для производства изотопов. Мощность исследовательских реакторов не превосходит 100 МВт. Выделяющаяся энергия, как правило, не используется.

• Изотопные (оружейные, промышленные) реакторы, используемые для наработки изотопов, используемых в ядерных вооружениях, например ²³⁹Pu.

• Энергетические реакторы, предназначенные для получения электрической и тепловой энергии, используемой в энергетике, при опреснении воды, для привода силовых установок кораблей, самолётов и космических аппаратов, в производстве водорода и металлургии и т. д. Тепловая мощность современных энергетических реакторов достигает 5 ГВт.

По спектру нейтронов:

• Реактор на тепловых нейтронах («тепловой реактор»)

• Реактор на быстрых нейтронах («быстрый реактор»)

• Реактор на промежуточных нейтронах

• Реактор со смешанным спектром

Материалы реакторов. Материалы, из которых строят реакторы, работают при высокой температуре в поле нейтронов, ?-квантов и осколков деления. Поэтому для реакторостроения пригодны не все материалы, применяемые в других отраслях техники. При выборе реакторных материалов учитывают их радиационную стойкость, химическую инертность, сечение поглощения и другие свойства.

Оболочки ТВЭЛов, каналы, замедлители (отражатели) изготовляют из материалов с небольшими сечениями поглощения. Применение материалов, слабо поглощающих нейтроны, снижает непроизводительный расход нейтронов, уменьшает загрузку ядерного топлива и увеличивает коэффициент воспроизводства КВ. Для поглощающих стержней, наоборот, пригодны материалы с большим сечением поглощения. Это значительно сокращает количество стержней, необходимых для управления реактором.

Термоядерная энергия – основа энергетики будущего. Первая половина 20 века завершилась крупнейшей победой науки техническим решением задачи использования громадных запасов энергии тяжелых атомных ядер урана и тория. Этого вида топлива, сжигаемого в атомных котлах, не так уж много в земной коре. Если всю энергетику земного шара перевести на него, то при современных темпах роста потребления энергии урана и тория хватит лишь на 100 200 лет. За этот же срок исчерпаются запасы угля и нефти. Вторая половина 20 века является веком термоядерной энергии. В термоядерных реакциях происходит выделение энергии в процессе превращения водорода в гелий. Быстро протекающие термоядерные реакции осуществляются, как говорилось выше, в водородных бомбах. Сейчас перед наукой стоит задача осуществления термоядерной реакции не в виде взрыва, а в форме управляемого, спокойно протекающего процесса. Решение этой задачи даст возможность использовать громадные запасы водорода на Земле в качестве ядерного топлива. В термоядерных реакторах, безусловно, будет использоваться не обычный, а тяжелый водород.  В результате использования водорода с атомным весом, отличным от  наиболее часто встречающегося в природе, удастся получить ситуацию, при которой литр обычной воды по энергии окажется равноценен, примерно, 400 литрам нефти. Элементарные расчеты показывают, что дейтерия (разновидность водорода, которая будет использоваться в подобных реакциях) хватит на земле на сотни лет при самом бурном развитии энергетики, в результате чего проблема заботы о топливе отпадет практически навсегда.

Выработка электроэнергии атомными электростанциями в странах Европы и Азии:

По данным МАГАТЭ, ядерная энергетика сейчас дает 5,8% потребляемой в мире электроэнергии. В России эта доля составляет 16%. Несомненные достоинства атомных установок — то, что они почти не образуют парниковых газов и выбрасывают в атмосферу минимальное количество углерода. Но в то же время на всех стадиях их производственного цикла происходит поступление радионуклидов в окружающую среду.

Атомное оружие. Атомное оружие самое мощное оружие на сегодняшний день, находящееся на вооружении пяти стран-сверхдежав: России, США, Великобритании, Франции и Китая. Существует также ряд государств, которые ведут более-менее успешные разработки атомного оружия, однако их исследования или не закончены, или эти страны не обладают необходимыми средствами доставки оружия к цели, что делает его бессмысленным. Индия, Пакистан, Северная Корея, Ирак, Иран имеют разработки ядерного оружия на разных уровнях, ФРГ, Израиль, ЮАР и Япония теоретически обладают необходимыми мощностями для создания ядерного оружия в сравнительно короткие сроки. Трудно переоценить роль ядерного оружия. С одной стороны, это мощное средство устрашения, с другой самый эффективный инструмент укрепления мира и предотвращения военного конфликтами между державами, которые обладают этим оружием. Самый мощный в мире боеприпас, основанный только на делении ядер, был испытан в США 15 ноября 1952 года, мощность взрыва составила 500 кт. Мировое сообщество близко подошло к осознанию того, что ядерная война неминуемо приведет к глобальной экологической катастрофе, которая сделает дальнейшее существование человечества невозможным. В течение многих лет создавались правовые механизмы, призванные разрядить напряженность и ослабить противостояние между ядерными державами. Так, например, было подписано множество договоров о сокращении ядерного потенциала держав, была подписана Конвенция о Нераспространении Ядерного Оружия, по которой страны-обладателя обязались не передавать технологии производства этого оружия другим странам, а страны, не имеющие ядерного оружия, обязались не предпринимать шагов для его разработки; наконец, совсем недавно сверхдержавы договорились о полном запрещении ядерных испытаний. Очевидно, что ядерное оружие является важнейшим инструментом, который стал регулирующим символом целой эпохи в истории международных отношений и в истории человечества.

Существуют такие бомбы, как урановые и плутониевые.

Урановая бомба

Для того чтобы реакция могла поддерживать сама себя, необходимо соответствующее «топливо», в качестве которого на первых этапах использовался изотоп урана. Уран в природе встречается в виде двух изотопов — уран-235 и уран-238. При поглощении ураном-235 нейтрона в процессе распада выделяется от одного до трёх нейтронов:



Уран-238, напротив, при поглощении нейтронов умеренных энергией не выделяет новые, препятствуя ядерной реакции. Он превращается в уран-239, затем в нептуний-239, и наконец, в относительно стабильный плутоний-239. Для обеспечения работоспособности ядерной бомбы содержание урана-235 в ядерном топливе должно быть не ниже 80 %, иначе уран-238 быстро погасит цепную ядерную реакцию. Природный же уран почти весь (около 99,3 %) состоит из урана-238. Поэтому при производстве ядерного топлива применяют сложный и многоступенчатый процесс обогащения урана, в результате которого доля урана-235 повышается. Бомба на основе урана стала первым ядерным оружием, использованным человеком в боевых условиях (бомба «Малыш», сброшенная на Хиросиму). Из-за ряда недостатков (трудности получения, разработки и доставки) на данный момент не распространены, уступая более совершенным бомбам на основе других радиоактивных элементов с более низкой критической массой.

Плутониевая бомба

Первым ядерным зарядом, взорванным в испытательных целях, было ядерное устройство «Gadget», «Штуковина» (англ. gadget — приспособление, безделушка) — прототип плутониевой бомбы «Толстяк». Испытания проводились на полигоне неподалеку от г. Аламогордо в штате Нью-Мексико.

Конструктивно эта бомба представляла собой несколько сфер, вложенных друг в друга:

1. Импульсный нейтронный инициатор (ИНИ, «ёжик», «урчин» (англ. urchin)) — шар диаметром порядка 2 см из бериллия, покрытый тонким слоем сплава иттрий-полоний или металлического полония-210 — первичный источник нейтронов для резкого снижения критической массы и ускорения начала реакции. Срабатывает в момент перевода боевого ядра в закритическое состояние (при сжатии происходит смешение полония и бериллия с выбросом большого количества нейтронов). В настоящее время короткоживущий полоний-210 заменён долгоживущим плутонием-238, также способным при смешении с бериллием к мощному нейтронному импульсу.

2. Плутоний. Желателен максимально чистый изотоп плутоний-239, хотя для увеличения стабильности физических свойств (плотности) и улучшения сжимаемости заряда плутоний легируется небольшим количеством галлия.

3. Оболочка (англ. tamper), служащая отражателем нейтронов (из урана).

4. Обжимающая оболочка (англ. pusher) из алюминия. Обеспечивает большую равномерность обжима ударной волной, в то же время предохраняя внутренние части заряда от непосредственного контакта со взрывчаткой и раскалёнными продуктами её разложения.

5. Взрывчатое вещество со сложной системой подрыва, обеспечивающей синхронность подрыва всего взрывчатого вещества. Синхронность необходима для создания строго сферической сжимающей (направленной внутрь шара) ударной волны. Несферическая волна приводит к выбросу материала шара через неоднородность и невозможность создания критической массы. Создание подобной системы расположения взрывчатки и подрыва являлось в своё время одной из наиболее трудных задач. Используется комбинированная схема (система линз) из «быстрой» и «медленной» взрывчаток — боратола и ТАТВ.

6. Корпус, изготовленный из дюралевых штампованных элементов - две сферических крышки и пояс, соединяемых болтами.

Современные атомные бомбы и снаряды. В зависимости от мощности атомного заряда атомные бомбы, снаряды делят на калибры: малый, средний и крупный. Чтобы получить энергию, равную энергии взрыва атомной бомбы малого калибра, нужно взорвать несколько тысяч тонн тротила. Тротиловый эквивалент атомной бомбы среднего калибра составляет десятки тысяч, а бомбы крупного калибра сотни тысяч тонн тротила. Еще большей мощностью может обладать термоядерное (водородное) оружие, его тротиловый эквивалент может достигать миллионов и даже десятков миллионов тонн. Атомные бомбы, тротиловый эквивалент которых равен 1- 50 тыс. т, относят к классу тактических атомных бомб и предназначают для решения оперативно-тактических задач. К тактическому оружию относят также артиллерийские снаряды с атомным зарядом мощность 10 15 тыс. т. и атомные заряды (мощностью около 5 20 тыс. т) для зенитных управляемых снарядов и снарядов, используемых для вооружения истребителей. Атомные и водородные бомбы мощностью свыше 50 тыс. т относят к классу стратегического оружия. Нужно отметить, что подобная классификация атомного оружия является лишь условной, поскольку в действительности последствие применения тактического атомного оружия могут быть не меньшими, чем те, которые испытало на себе население Хиросимы и Нагасаки, а даже большими.
        Сейчас очевидно, что взрыв только одной водородной бомбы способен вызвать такие тяжелые последствия на огромных территориях, каких не несли с собой десятки тысяч снарядов и бомб, применявшихся в прошлых мировых войнах. А нескольких водородных бомб вполне достаточно, чтобы превратить в зону пустыни огромные территории.
        Ядерное оружие подразделяется на два основных типа: атомное и водородное (термоядерное). В атомном оружии выделение энергии происходит за счет реакции деления ядер атомов тяжелых элементов урана или плутония. В водородном оружии энергия выделяется в результате образования (или синтеза) ядер атомов гелия из атомов водорода.

Мы бы хотели привести пример использования атомной энергии и рассмотреть аварию в Чернобыле.

Чернобыльская трагедия на АЭС.

В нынешнем году исполнится 23 года с момента аварии на Чернобыльской АЭС. С тех пор преодоление разрушительных последствий катастрофы на ЧАЭС стало важнейшей задачей, которая решается в рамках национальных целевых программ. А с 1998 года к совместной борьбе с последствиями "черного выброса" подключилось Союзное государство. Власти СССР две недели замалчивали масштабы аварии, которая стала крупнейшей техногенно-экологической катастрофой современности. 19 сентября 1986 г. на пресс-конференции для советских и иностранных журналистов об аварии на ЧАЭС было заявлено: 2 человека погибли в момент аварии, 29 умерли позднее, на стационарном лечении - 11 человек. Население предупредили об опасности заражения с большим опозданием. Первое официальное сообщение по телевидению сделали лишь 28 апреля. К этому времени повышение радиационного фона уже зарегистрировали в Швеции - по изотопному составу радиоактивного облака специалисты определили, что произошла авария на атомной станции.
25 апреля 1990 г. Верховный Совет СССР официально признал, что предыдущая информация о масштабах катастрофы является, есть результатом лжи и неправильной оценки масштабов аварии. По информации СБУ Украины, к 1991 г. Чернобыль стоил жизни 12 тысячам граждан СССР, в основном - военнослужащим. Советские органы власти предоставили в МАГАТЭ ложные сведения о выбросе в атмосферу 3% радиоактивных веществ, в то время как реальный выброс составил 60-80%. В 1986-1987 годах в работах по ликвидации последствий катастрофы приняли участие около 600 тысяч человек. 200 тыс. из них получили повышенные дозы облучения.
Причиной случившейся трагедии явилось непредсказуемое сочетание нарушений регламента и режима эксплуатации энергоблока,
допущенных обслуживавшим его персоналом. В результате этих нарушений возникла ситуация, в которой проявились некоторые существовавшие до аварии и устранённые в настоящее время
недостатки РБМК. Конструкторы и руководители атомной энергетики, осуществлявшие проектирование и эксплуатацию РБМК-1000, не допускали, а, следовательно, и не учитывали возможность такого количества различных отступлений от установленных и обязательных для
исполнения правил, особенно со стороны тех лиц, которым непосредственно поручалось следить за безопасностью ядерного реактора. Днём 25 апреля 1986 года на 4-ом энергоблоке Чернобыльской атомной электростанции предполагалось остановить реактор на планово- предупредительный ремонт. Но перед заглушением ядерной установки необходимо было провести ещё и некоторые эксперименты, которые наметило руководство ЧАЭС. Но качество программы испытаний, которая не была должным образом подготовлена и согласована, оказалось низким. В ней был нарушен ряд важнейших положений регламента
эксплуатации. Помимо того, что в программе, по существу, не были предусмотрены дополнительные меры безопасности, ею предписывалось отключение системы аварийного охлаждения реактора (САОР). Подобное вообще делать нельзя! Но тут сделали. В ходе эксперимента могло произойти автоматическое срабатывание САОР, что помешало бы завершению испытаний в режиме выбега. В результате много часов 4-й реактор эксплуатировался без этого очень важного элемента системы безопасности. А уже ночью это привело к трагедии. А вот утром, когда все предписания требовали срочно остановить реактор, руководство станции разрешило продолжать его эксплуатацию. После аварии специалисты тщательно проанализировали всю предыдущую работу коллектива Чернобыльской АЭС. К сожалению, картина оказалась не столь радужной, как её представляли. Здесь и прежде допускались грубые нарушения требований ядерной безопасности. Выяснилось, что с 1980 по 1986 годы
27 случаев отказа в работе оборудования вообще не расследовались и остались без соответствующих оценок. На ЧАЭС не было учебно-методического центра, не существовало эффективной системы
профессионально-технического обучения, что и подтвердилось событиями ночи с 25 на 26 апреля.

Сразу после аварии. Взрывы в 4-м реакторе ЧАЭС сдвинули со своего места металлоконструкции верха реактора, разрушили все трубы высокого давления, выбросили некоторые регулирующие стержни
и горящие блоки графита, разрушили разгрузочную сторону реактора, подпиточный отсек и часть здания. Осколки активной зоны и испарительных каналов упали на крышу реакторного и
турбинного зданий. Была пробита и частично разрушена крыша машинного зала второй очереди станции. Несмотря на взрывы, все три оставшихся блока продолжали действовать. Не был повреждён даже 3-й реактор, который технически тесно связан с аварийной ядерной установкой. Вместе с тем возникла ситуация, при которой следовало остановить все реакторы: 3-й блок остановили в 5 часов 26 апреля; 1-й и 2-й блоки заглушили соответственно в 1 час 13 минут и 2 часа 13 минут 27 апреля 1986 года. Все аппараты затем были подготовлены к длительной стоянке в холодном состоянии, а оборудование станции после аварии перевели в положение холодного резерва.

Последствия. После аварии на Чернобыльской АЭС из пострадавших районов эвакуировали 116 тысяч человек. Еще 230 тысяч были переселены из зараженной зоны. Образовался выброс радионуклидов (- это вид неустойчивых атомов, которые при самопроизвольном превращении в другой нуклид испускают ионизирующее излучение — это и есть радиоактивность) за пределы аварийного блока ЧАЭС. Представлял собой растянутый во времени процесс, состоявший из нескольких стадий. 27 апреля 1986 года высота загрязнённой радионуклидами воздушной струи, выходящей из повреждённого энергоблока, превышала 1200м, уровни радиации в ней на удалении 5-10 км от места аварии составляли 1000 мР/ч. Специалисты рассчитали суммарный выброс продуктов деления (без радиоактивных
благородных газов). Он составил 50 МКи, что примерно соответствует 3,5 % общего количества радионуклидов в реакторе на момент аварии.
К 6 мая 1986 года выброс радиоактивности в основном завершился. Загрязнённые воздушные массы распространились на значительные расстояния по территориям Советского Союза, а также за его пределами. Всего же в той или иной степени оказались
загрязнёнными радионуклидами 11 областей СССР, в которых проживает 17 миллионов человек. Учёные выделили в выбросах из аварийного реактора 23 основных радионуклида. Большая часть из них распалась в течение нескольких месяцев после аварии и опасности уже не представляет.

Предпринятые меры. Меры безопасности основывались на "Критериях для принятия решения по защите населения в случае аварии
атомного реактора", разработанных и опубликованных учёными ещё в 1963 году. Их два. Первый критерий для принятия мер безопасности (критерий "А") определяется уровнем внешнего облучения до 25 бэр и общим облучением щитовидной железы в 30-250 бэр. Второй критерий (критерий "Б") определяется при уровне внешнего облучения от 25 до 75 бэр, и проводятся мероприятия, связанные с профилактикой, укрытием населения в зависимости от местных условий. Крайним решением может быть эвакуация. В настоящее время в зоне жёсткого контроля продолжается дезактивация наиболее загрязнённых участков, и осуществляются мероприятия по защите населения от внешнего и
внутреннего радиоактивного облучения. Приняты меры, обеспечивающие регламентацию облучения жителей зоны на длительную перспективу в соответствии с нормами радиационной безопасности, действующими в районах размещения атомных станций. Население зоны информируется о конкретной радиационной обстановке в районах его проживания.
Первые оперативные меры Политбюро ЦК КПСС и Правительство приняли буквально через несколько часов после аварии на ЧАЭС. С тех пор вопросы ликвидации последствий аварии находились под контролем партийных и государственных органов. Предусматривались серьёзные меры материальной помощи населению, пострадавшему в результате аварии. В частности, выделялись средства на единовременные пособия, приобретение одежды и других предметов первой необходимости для переселяемых граждан, на оплату их питания и проезда.
В октябре 1986 года вновь заработал 1-й энергоблок, а в ноябре того же года — 2-й. И оба вышли на проектную нагрузку 1 миллион кВт. 4 декабря 1987 года в 14 часов 28 минут был включён в сеть 3-й энергоблок. 4-й реактор в октябре 1986 года был запечатан в "Укрытие", так
называемый "Саркофаг". Чернобыльскую АЭС закрыли 15 декабря 2000 года. Вместе с тем саркофаг, возведенный над четвертым, взорвавшимся, энергоблоком, постепенно разрушается. Украина работает над сооружением нового саркофага над объектом "Укрытие".

Уроки на будущее. Были составлены и реализованы планы по повышению безопасности АЭС с реакторами РБМК и сводные мероприятия по повышению надёжности и безопасности действующих и
сооружаемых атомных станций с реакторами РБМК и ВВЭР. С учётом анализа причин аварии пересмотрена нормативно-техническая документация по АЭС, внесены определённые изменения в
общие положения обеспечения безопасности атомных станций и правила ядерной безопасности, уточнены действующие и разрабатываются новые стандарты и технические условия на оборудование, изделия, материалы, приборы и средства автоматизации, поставляемые на атомные
станции. Разработаны и осуществляются меры по повышению технического уровня, надёжности и качества изготавливаемого оборудования для АЭС, совершенствованию его конструкций и
технологии производства. Проведена переподготовка и аттестация эксплуатационного персонала всех действующих атомных станций. Тематика обучения разработана с учётом анализа причин
аварии на Чернобыльской АЭС и необходимости повышения уровня знаний оперативным персоналом требований по ядерной, радиационной и пожарной безопасности. Внесены изменения и дополнения в технологические регламенты и инструкции по эксплуатации АЭС.
Атомная энергетика, испытав тяжёлый урок Чернобыля, продолжает развиваться, максимально обеспечивая безопасность и надёжность!