Т.е. в тех промышленно развитых странах, где недостаточно природных энергоресурсов. Эти страны производят от четверти до половины своей электроэнергии на АЭС. США производят на АЭС только восьмую часть своей электроэнергии, но это составляет около одной пятой ее мирового производства.
Атомная энергетика остается предметом острых дебатов. Сторонники и противники атомной энергетики резко расходятся в оценках ее безопасности, надежности и экономической эффективности. Кроме того, широко распространено мнение о возможной утечке ядерного топлива из сферы производства электроэнергии и его использовании для производства ядерного оружия.
Ядерный топливный цикл.
Атомная энергетика – это сложное производство, включающее множество промышленных процессов, которые вместе образуют топливный цикл. Существуют разные типы топливных циклов, зависящие от типа реактора и от того, как протекает конечная стадия цикла.
Обычно топливный цикл состоит из следующих процессов. В рудниках добывается урановая руда. Руда измельчается для отделения диоксида урана, а радиоактивные отходы идут в отвал. Полученный оксид урана (желтый кек) преобразуется в гексафторид урана – газообразное соединение. Для повышения концентрации урана-235 гексафторид урана обогащают на заводах по разделению изотопов. Затем обогащенный уран снова переводят в твердый диоксид урана, из которого изготавливают топливные таблетки. Из таблеток собирают тепловыделяющие элементы (твэлы), которые объединяют в сборки для ввода в активную зону ядерного реактора АЭС. Извлеченное из реактора отработанное топливо имеет высокий уровень радиации и после охлаждения на территории электростанции отправляется в специальное хранилище. Предусматривается также удаление отходов с низким уровнем радиации, накапливающихся в ходе эксплуатации и технического обслуживания станции. По истечении срока службы и сам реактор должен быть выведен из эксплуатации (с дезактивацией и удалением в отходы узлов реактора). Каждый этап топливного цикла регламентируется так, чтобы обеспечивались безопасность людей и защита окружающей среды.
Ядерные реакторы.
Промышленные ядерные реакторы первоначально разрабатывались лишь в странах, обладающих ядерным оружием. США, СССР, Великобритания и Франция активно исследовали разные варианты ядерных реакторов. Однако впоследствии в атомной энергетике стали доминировать три основных типа реакторов, различающиеся, главным образом, топливом, теплоносителем, применяемым для поддержания нужной температуры активной зоны, и замедлителем, используемым для снижения скорости нейтронов, выделяющихся в процессе распада и необходимых для поддержания цепной реакции.
Среди них первый (и наиболее распространенный) тип – это реактор на обогащенном уране, в котором и теплоносителем, и замедлителем является обычная, или «легкая», вода (легководный реактор). Существуют две основные разновидности легководного реактора: реактор, в котором пар, вращающий турбины, образуется непосредственно в активной зоне (кипящий реактор), и реактор, в котором пар образуется во внешнем, или втором, контуре, связанном с первым контуром теплообменниками и парогенераторами (водо-водяной энергетический реактор – ВВЭР). Разработка легководного реактора началась еще по программам вооруженных сил США. Так, в 1950-х годах компании «Дженерал электрик» и «Вестингауз» разрабатывали легководные реакторы для подводных лодок и авианосцев ВМФ США. Эти фирмы были также привлечены к реализации военных программ разработки технологий регенерации и обогащения ядерного топлива. В том же десятилетии в Советском Союзе был разработан кипящий реактор с графитовым замедлителем.
Второй тип реактора, который нашел практическое применение, – газоохлаждаемый реактор (с графитовым замедлителем). Его создание также было тесно связано с ранними программами разработки ядерного оружия. В конце 1940-х – начале 1950-х годов Великобритания и Франция, стремясь к созданию собственных атомных бомб, уделяли основное внимание разработке газоохлаждаемых реакторов, которые довольно эффективно вырабатывают оружейный плутоний и к тому же могут работать на природном уране.
Третий тип реактора, имевший коммерческий успех, – это реактор, в котором и теплоносителем, и замедлителем является тяжелая вода, а топливом тоже природный уран. В начале ядерного века потенциальные преимущества тяжеловодного реактора исследовались в ряде стран. Однако затем производство таких реакторов сосредоточилось главным образом в Канаде отчасти из-за ее обширных запасов урана.
Развитие атомной промышленности.
После Второй мировой войны в электроэнергетику во всем мире были инвестированы десятки миллиардов долларов. Этот строительный бум был вызван быстрым ростом спроса на электроэнергию, по темпам значительно превзошедшим рост населения и национального дохода. Основной упор делался на тепловые электростанции (ТЭС), работающие на угле и, в меньшей степени, на нефти и газе, а также на гидроэлектростанции. АЭС промышленного типа до 1969 не было. К 1973 практически во всех промышленно развитых странах оказались исчерпанными ресурсы крупномасштабной гидроэнергетики. Скачок цен на энергоносители после 1973, быстрый рост потребности в электроэнергии, а также растущая озабоченность возможностью утраты независимости национальной энергетики – все это способствовало утверждению взгляда на атомную энергетику как на единственный реальный альтернативный источник энергии в обозримом будущем. Эмбарго на арабскую нефть 1973–1974 породило дополнительную волну заказов и оптимистических прогнозов развития атомной энергетики.
Но каждый следующий год вносил свои коррективы в эти прогнозы. С одной стороны, атомная энергетика имела своих сторонников в правительствах, в урановой промышленности, исследовательских лабораториях и среди влиятельных энергетических компаний. С другой стороны, возникла сильная оппозиция, в которой объединились группы, защищающие интересы населения, чистоту окружающей среды и права потребителей. Споры, которые продолжаются и по сей день, сосредоточились главным образом вокруг вопросов вредного влияния различных этапов топливного цикла на окружающую среду, вероятности аварий реакторов и их возможных последствий, организации строительства и эксплуатации реакторов, приемлемых вариантов захоронения ядерных отходов, потенциальной возможности саботажа и нападения террористов на АЭС, а также вопросов умножения национальных и международных усилий в области нераспространения ядерного оружия.
Проблемы безопасности.
Чернобыльская катастрофа и другие аварии ядерных реакторов в 1970-е и 1980-е годы, помимо прочего, ясно показали, что такие аварии часто непредсказуемы. Например, в Чернобыле реактор 4-го энергоблока был серьезно поврежден в результате резкого скачка мощности, возникшего во время планового его выключения. Реактор находился в бетонной оболочке и был оборудован системой аварийного расхолаживания и другими современными системами безопасности. Но никому и в голову не приходило, что при выключении реактора может произойти резкий скачок мощности и газообразный водород, образовавшийся в реакторе после такого скачка, смешавшись с воздухом, взорвется так, что разрушит здание реактора. В результате аварии погибло более 30 человек, более 200 000 человек в Киевской и соседних областях получили большие дозы радиации, был заражен источник водоснабжения Киева. На севере от места катастрофы – прямо на пути облака радиации – находятся обширные Припятские болота, имеющие жизненно важное значение для экологии Беларуси, Украины и западной части России.
В Соединенных Штатах предприятия, строящие и эксплуатирующие ядерные реакторы, тоже столкнулись с множеством проблем безопасности, что замедляло строительство, заставляя вносить многочисленные изменения в проектные показатели и эксплуатационные нормативы, и приводило к увеличению затрат и себестоимости электроэнергии. По-видимому, было два основных источника этих трудностей. Один из них – недостаток знаний и опыта в этой новой отрасли энергетики. Другой – развитие технологии ядерных реакторов, в ходе которого возникают новые проблемы. Но остаются и старые, такие, как коррозия труб парогенераторов и растрескивание трубопроводов кипящих реакторов. Не решены до конца и другие проблемы безопасности, например повреждения, вызываемые резкими изменениями расхода теплоносителя.
Экономика атомной энергетики.
Инвестиции в атомную энергетику, подобно инвестициям в другие области производства электроэнергии, экономически оправданы, если выполняются два условия: стоимость киловатт-часа не больше, чем при самом дешевом альтернативном способе производства, и ожидаемая потребность в электроэнергии, достаточно высокая, чтобы произведенная энергия могла продаваться по цене, превышающей ее себестоимость. В начале 1970-х годов мировые экономические перспективы выглядели очень благоприятными для атомной энергетики: быстро росли как потребность в электроэнергии, так и цены на основные виды топлива – уголь и нефть. Что же касается стоимости строительства АЭС, то почти все специалисты были убеждены, что она будет стабильной или даже станет снижаться. Однако в начале 1980-х годов стало ясно, что эти оценки ошибочны: рост спроса на электроэнергию прекратился, цены на природное топливо не только больше не росли, но даже начали снижаться, а строительство АЭС обходилось значительно дороже, чем предполагалось в самом пессимистическом прогнозе. В результате атомная энергетика повсюду вступила в полосу серьезных экономических трудностей, причем наиболее серьезными они оказались в стране, где она возникла и развивалась наиболее интенсивно, – в США.
Если провести сравнительный анализ экономики атомной энергетики в США, то становится понятным, почему эта отрасль промышленности потеряла конкурентоспособность. С начала 1970-х годов резко выросли затраты на АЭС. Затраты на обычную ТЭС складываются из прямых и косвенных капиталовложений, затрат на топливо, эксплуатационных расходов и расходов на техническое обслуживание. За срок службы ТЭС, работающей на угле, затраты на топливо составляют в среднем 50–60% всех затрат. В случае же АЭС доминируют капиталовложения, составляя около 70% всех затрат. Капитальные затраты на новые ядерные реакторы в среднем значительно превышают расходы на топливо угольных ТЭС за весь срок их службы, чем сводится на нет преимущество экономии на топливе в случае АЭС.
Перспективы атомной энергетики.
Среди тех, кто настаивает на необходимости продолжать поиск безопасных и экономичных путей развития атомной энергетики, можно выделить два основных направления. Сторонники первого полагают, что все усилия должны быть сосредоточены на устранении недоверия общества к безопасности ядерных технологий. Для этого необходимо разрабатывать новые реакторы, более безопасные, чем существующие легководные. Здесь представляют интерес два типа реакторов: «технологически предельно безопасный» реактор и «модульный» высокотемпературный газоохлаждаемый реактор.
Прототип модульного газоохлаждаемого реактора разрабатывался в Германии, а также в США и Японии. В отличие от легководного реактора, конструкция модульного газоохлаждаемого реактора такова, что безопасность его работы обеспечивается пассивно – без прямых действий операторов или электрической либо механической системы защиты. В технологически предельно безопасных реакторах тоже применяется система пассивной защиты. Такой реактор, идея которого была предложена в Швеции, по-видимому, не продвинулся далее стадии проектирования. Но он получил серьезную поддержку в США среди тех, кто видит у него потенциальные преимущества перед модульным газоохлаждаемым реактором. Но будущее обоих вариантов туманно из-за их неопределенной стоимости, трудностей разработки, а также спорного будущего самой атомной энергетики.
Сторонники другого направления полагают, что до того момента, когда развитым странам потребуются новые электростанции, осталось мало времени для разработки новых реакторных технологий. По их мнению, первоочередная задача состоит в том, чтобы стимулировать вложение средств в атомную энергетику.
Но помимо этих двух перспектив развития атомной энергетики сформировалась и совсем иная точка зрения. Она возлагает надежды на более полную утилизацию подведенной энергии, возобновляемые энергоресурсы (солнечные батареи и т.д.) и на энергосбережение. По мнению сторонников этой точки зрения, если передовые страны переключатся на разработку более экономичных источников света, бытовых электроприборов, отопительного оборудования и кондиционеров, то сэкономленной электроэнергии будет достаточно, чтобы обойтись безо всех существующих АЭС. Наблюдающееся значительное уменьшение потребления электроэнергии показывает, что экономичность может быть важным фактором ограничения спроса на электроэнергию.
Таким образом, атомная энергетика пока не выдержала испытаний на экономичность, безопасность и расположение общественности. Ее будущее теперь зависит от того, насколько эффективно и надежно будет осуществляться контроль за строительством и эксплуатацией АЭС, а также насколько успешно будет решен ряд других проблем, таких, как проблема удаления радиоактивных отходов. Будущее атомной энергетики зависит также от жизнеспособности и экспансии ее сильных конкурентов – ТЭС, работающих на угле, новых энергосберегающих технологий и возобновляемых энергоресурсов.
Применение ядерной энергии в современном мире оказывается настолько важным, что если бы мы завтра проснулись, а энергия ядерной реакции исчезла, мир, таким как мы его знаем, пожалуй, перестал бы существовать. Мирное составляет основу промышленного производства и жизни таких стран, как Франция и Япония, Германия и Великобритания, США и Россия. И если две последние страны еще в состоянии заместить ядерные источники энергии на тепловые станции , то для Франции, или Японии это попросту невозможно.
Использование атомной энергии создает много проблем. В основном все эти проблемы связаны с тем, что используя себе на благо энергию связи атомного ядра (которую мы и называем ядерной энергией), человек получает существенное зло в виде высокорадиоактивных отходов, которые нельзя просто выбросить. Отходы от атомных источников энергии требуется перерабатывать, перевозить, захоранивать, и хранить продолжительное время в безопасных условиях.
Плюсы и минусы, польза и вред от использования ядерной энергии
Рассмотрим плюсы и минусы применения атомной-ядерной энергии, их пользу, вред и значение в жизни Человечества. Очевидно, что атомная энергия сегодня нужна лишь промышленно развитым странам. То есть, основное применение мирная ядерная энергия находит в основном, на таких объектах, как заводы, перерабатывающие предприятия, и т.п. Именно энергоемкие производства, удаленные от источников дешевой электроэнергии (вроде гидроэлектростанций) задействуют ядерные станции для обеспечения и развития своих внутренних процессов.
Аграрные регионы и города не слишком нуждаются в атомной энергии. Ее вполне можно заместить тепловыми и другими станциями. Получается, что овладение, получение, развитие, производство и использование ядерной энергии по большей части направлено на удовлетворение наших потребностей в промышленной продукции. Посмотрим, что это за производства: автомобильная промышленность, военные производства, металлургия, химическая промышленность, нефтегазовый комплекс, и т.д.
Современный человек хочет ездить на новой машине? Хочет одеваться в модную синтетику, кушать синтетику и упаковывать все в синтетику? Хочет ярких товаров разных форм и размеров? Хочет все новых телефонов, телевизоров, компьютеров? Хочет много покупать, часто менять оборудование вокруг себя? Хочет вкусно питаться химической едой из цветных упаковок? Хочет жить спокойно? Хочет слышать сладкие речи с телеэкрана? Хочет, чтобы танков было много, а также ракет и крейсеров, а еще снарядов и пушек?
И он все это получает. Неважно, что в конце расхождение между словом и делом приводит к войне. Неважно, что для его утилизации также нужна энергия. Пока что человек спокоен. Он ест, пьет, ходит на работу, продает и покупает.
А для всего этого нужна энергия. А еще для этого нужно очень много нефти, газа, металла и т.п. И все эти промышленные процессы нуждаются в атомной энергии. Поэтому кто бы что ни говорил, до тех пор, пока не будет запущен в серию первый промышленный реактор термоядерного синтеза, атомная энергетика будет только развиваться.
В плюсы ядерной энергии мы можем смело записать все то, к чему мы привыкли. К минусам – печальную перспективу скорой смерти в коллапсе исчерпания ресурсов, проблемах ядерных отходов, росте численности населения и деградации пахотных площадей. Иначе говоря, атомная энергетика позволила человеку еще сильнее начать овладевать природой, насилуя ее сверх меры настолько, что он за несколько десятилетий преодолел порог воспроизводства основных ресурсов, запустив между 2000 и 2010 годами процесс схлопывания потребления. Этот процесс объективно уже не зависит от человека.
Всем придется меньше есть, меньше жить и меньше радоваться окружающей природе. Здесь кроется еще один плюс-минус атомной энергии, который заключается в том, что страны, овладевшие атомом, смогут эффективнее перераспределять под себя скудеющие ресурсы тех, кто атомом не овладел. Более того, только развитие программы термоядерного синтеза позволит человечеству элементарно выжить. Теперь поясним на пальцах, что же это за «зверь» — атомная (ядерная) энергия и с чем ее едят.
Масса, материя и атомная (ядерная) энергия
Часто приходится слышать утверждение, что «масса и энергия одно и то же», или же такие суждения, будто выражение Е=mс2 объясняет взрыв атомной (ядерной) бомбы. Сейчас, когда вы получили первое представление о ядерной энергии и ее применении, было бы поистине неразумно сбивать вас с толку такими утверждениями, как «масса равна энергии». Во всяком случае, такой способ трактовки великого открытия не из лучших. По-видимому, это всего лишь острословие молодых реформистов, «Галилеев нового времени». На деле же предсказание теории, которое проверено многими экспери-ментами, говорит лишь о том, что энергия имеет массу.
Сейчас мы разъясним современную точку зрения и дадим небольшой обзор истории ее развития.
Когда энергия любого материального тела возрастает, его масса увеличивается, и мы приписываем эту дополнительную массу приросту энергии. Например, при поглощении излучения поглотитель становится горячее и его масса возрастает. Однако возрастание настолько мало, что остается за пределами точности измерений в обычных опытах. Напротив, если вещество испускает излучение, то оно теряет капельку своей массы, которая уносится излучением. Возникает более широкий вопрос: не обусловлена ли вся масса вещества энергией, т. е. не заключен ли во всем веществе громадный запас энергии? Много лет назад радиоактивные превращения на это ответили положительно. При распаде радиоактивного атома выделяется огромное количество энергии (в основном в виде кинетической энергии), а малая часть массы атома исчезает. Об этом ясно говорят измерения. Таким образом, энергия уносит с собой массу, уменьшая тем самым массу вещества.
Следовательно, часть массы вещества взаимозаменяема массой излучения, кинетической энергией и т. п. Вот почему мы говорим: «энергия и вещество способны частично к взаимным превращениям». Более того, мы теперь можем создавать частицы вещества, которые обладают массой и способны полностью превращаться в излучение, также имеющее массу. Энергия этого излучения может перейти в другие формы, передав им свою массу. И наоборот, излучение способно превращаться в частицы вещества. Так что вместо «энергия обладает массой» мы можем сказать «частицы вещества и излучение — взаимопревращаемы, а потому способны к взаимным превращениям с другими формами энергии». В этом и состоит создание и уничтожение вещества. Такие разрушительные события не могут происходить в царстве обычной физики, химии и техники, их следует искать либо в микроскопических, но активных процессах, изучаемых ядерной физикой, либо в высокотемпературном горниле атомных бомб, на Солнце и звездах. Однако было бы неразумно утверждать, что «энергия - это масса». Мы говорим: «энергия, как и вещество, имеет массу».
Масса обычного вещества
Мы говорим, что масса обычного вещества таит в себе огромный запас внутренней энергии, равной произведению массы на (скорость света)2. Но эта энергия заключена в массе и не может быть высвобождена без исчезновения хотя бы части ее. Как возникла столь удивительная идея и почему она не была открыта раньше? Ее предлагали и раньше - эксперимент и теория в разных видах,- но вплоть до двадцатого века изменение энергии не наблюдали, ибо в обычных экспериментах оно соответствует невероятно малому изменению массы. Однако сейчас мы уверены, что летящая пуля благодаря своей кинетической энергии имеет дополнительную массу. Даже при скорости 5000 м/сек пуля, которая в покое весила ровно 1 г, будет иметь полную массу 1,00000000001 г. Раскаленная добела платина массой 1 кг всего прибавит 0,000000000004 кг и практически ни одно взвешивание не сможет зарегистрировать эти изменения. Только когда из атомного ядра высвобождаются огромные запасы энергии или когда атомные «снаряды» разгоняются до скорости, близкой к скорости света, масса энергии становится заметной.
С другой стороны, даже едва уловимая разница масс знаменует возможность выделения огромного количества энергии. Так, атомы водорода и гелия имеют относительные массы 1,008 и 4,004. Если бы четыре ядра водорода смогли объединиться в одно ядро гелия, то масса 4,032 изменилась бы до 4,004. Разница невелика, всего 0,028, или 0,7%. Но она означала бы гигантское выделение энергии (преимущественно в виде излучения). 4,032 кг водорода дали бы 0,028 кг излучения, которое имело бы энергию около 600000000000 Кал.
Сравните это с 140 000 Кал, выделяющимися при соединении того же количества водорода с кислородом в химическом взрыве.
Обычная кинетическая энергия дает заметный вклад в массу очень быстрых протонов, получаемых на циклотронах, и это создает трудности при работе с такими машинами.
Почему мы все же верим, что Е=mс2
Сейчас мы воспринимаем это как прямое следствие теории относительности, но первые подозрения возникли уже ближе к концу 19 века, в связи со свойствами излучения. Тогда казалось вероятным, что излучение обладает массой. А поскольку излучение переносит, как на крыльях, со скоростью с энергию, точнее, само есть энергия, то появился пример массы, принадлежащей чему-то «невещественному». Экспериментальные законы электромагнетизма предсказывали, что электромагнитные волны должны обладать «массой». Но до создания теории относительности только необузданная фантазия могла распространить соотношение m=Е/с2 на другие формы энергии.
Всем сортам электромагнитного излучения (радиоволнам, инфракрасному, видимому и ультрафиолетовому свету и т. д.) свойственны некоторые общие черты: все они распространяются в пустоте с одинаковой скоростью и все переносят энергию и импульс. Мы представляем себе свет и другое излучение в виде волн, распространяющихся с большой, но определенной скоростью с=3*108 м/сек. Когда свет падает на поглощающую поверхность, возникает теплота, показывающая, что поток света несет энергию. Эта энергия должна распространяться вместе с потоком с той же скоростью света. На деле скорость света именно так и измеряется: по времени пролета порцией световой энергии большого расстояния.
Когда свет падает на поверхность некоторых металлов, он выбивает электроны, вылетающие точно так же, как если бы их ударил компактный шарик. , по всей видимости, распространяется концентрированными порциями, которые мы называем «квантами». В этом и заключается квантовый характер излучения, несмотря на то, что эти порции, по-видимому, создаются волнами. Каждая порция света с одной и той же длиной волны обладает единой и той же энергией, определенным «квантом» энергии. Такие порции мчатся со скоростью света (собственно, они-то и есть свет), перенося энергию и количество движения (импульс). Все это позволяет приписать излучению некую массу - каждой порции приписывается определенная масса.
При отражении света от зеркала теплота не выделяется, ибо отраженный луч уносит всю энергию, но на зеркало действует давление, подобное давлению упругих шариков или молекул. Если же вместо зеркала свет попадает на черную поглощающую поверхность, давление становится вдвое меньше. Это свидетельствует о том, что луч несет количество движения, поворачиваемое зеркалом. Следовательно, свет ведет себя так, как если бы у него была масса. Но можно ли откуда-то еще узнать, что нечто обладает массой? Существует ли масса по своему собственному праву, как, например, длина, зеленый цвет или вода? Или это искусственное понятие, определяемое поведением наподобие Скромности? Масса, на самом деле, известна нам в трех проявлениях:
- А. Туманное утверждение, характеризующее количество «вещества», (Масса с этой точки зрения присуща веществу - сущности, которую мы можем увидеть, потрогать, толкнуть).
- Б. Определенные утверждения, увязывающие ее с иными физическими величинами.
- В. Масса сохраняется.
Остается определить массу через количество движения и энергию. Тогда любая движущаяся вещь с количеством движения и энергией должна иметь «массу». Ее массой должно быть (количество движения)/(скорость).
Теория относительности
Стремление увязать воедино серию экспериментальных парадоксов, касающихся абсолютного пространства и времени, породило теорию относительности. Два сорта экспериментов со светом давали противоречивые результаты, а опыты с электричеством еще больше обострили этот конфликт. Тогда Эйнштейн предложил изменить простые геометрические правила сложения векторов. Это изменение и составляет сущность его «специальной теории относительности».
Для малых скоростей (от медлительной улитки до быстрейшей из ракет) новая теория согласуется со старой.
При высоких скоростях, сравнимых со скоростью света, наше измерение длин или времени модифицируется движением тела относительно наблюдателя, в частности масса тела становится тем больше, чем быстрее оно движется.
Затем теория относительности провозгласила, что это увеличение массы носит совершенно общий характер. При обычных скоростях никаких изменений нет, и только при скорости 100 000 000 км/час масса возрастает на 1%. Однако для электронов и протонов, вылетающих из радиоактивных атомов или современных ускорителей, оно достигает 10, 100, 1000%…. Опыты с такими высокоэнергетическими частицами великолепно подтверждают соотношение между массой и скоростью.
На другом краю находится излучение, не имеющее массы покоя. Это не вещество и его нельзя удержать в покое; оно просто имеет массу, и движется со скоростью с, так что его энергия равна mс2. О квантах, мы говорим как о фотонах, когда хотим отметить поведение света как потока частиц. Каждый фотон имеет определенную массу m, определенную энергию Е=mс2 и количество движения (импульс).
Ядерные превращения
В некоторых экспериментах с ядрами массы атомов после бурных взрывов, складываясь, не дают ту же самую полную массу. Освобожденная энергия уносит с собой и какую-то часть массы; кажется, что недостающая часть атомного материала исчезла. Однако если мы припишем измеренной энергии массу Е/с2, то обнаружим, что масса сохраняется.
Аннигиляция вещества
Мы привыкли думать о массе как о неизбежном свойстве материи, поэтом переход массы из вещества в излучение - от лампы к улетающему лучу света выглядит почти как уничтожение вещества. Еще один шаг - и мы с удивлением обнаружим то, что происходит на самом деле: положительный и отрицательный электроны, частички вещества, соединившись вместе, полностью превращаются в излучение. Масса их вещества превращается в равную ей массу излучения. Это случай исчезновения вещества в самом буквальном смысле. Как в фокусе, во вспышке света.
Измерения показывают, что (энергия, излучения при аннигиляции)/ с2 равна полной массе обоих электронов - положительного и отрицательного. Антипротон, соединяясь с протоном, аннигилирует, обычно с выбросом более легких частиц с большой кинетической энергией.
Создание вещества
Сейчас, когда мы научились распоряжаться высокоэнергетическим излучением (сверхкоротковолновыми рентгеновскими лучами), мы можем приготовить из излучения частицы вещества. Если такими лучами бомбардировать мишень, они дают иногда пару частиц, например положительный и отрицательный электроны. И если снова воспользоваться формулой m=Е/с2 как для излучения, так и для кинетической энергии, то масса будет сохраняться.
Просто о сложном – Ядерная (Атомная) энергия
- Галерея изображений, картинки, фотографии.
- Ядерная энергия, энергия атома – основы, возможности, перспективы, развитие.
- Интересные факты, полезная информация.
- Зеленые новости – Ядерная энергия, энергия атома.
- Ссылки на материалы и источники – Ядерная (Атомная) энергия.
В настоящее время уже не только физики-ядерщики поняли, что ядерная энергия - источник энергии, который открывает принципиально новые возможности и новые проблемы развития человечества. Более 60 лет назад в своем докладе Конгрессу США Энрико Ферми писал, что ядерная энергетика (nuclear energy ) - это новый источник, который, если использовать его правильно, на основе реакторов-бридеров на быстрых нейтронах (БР), то есть реакторов, которые производят топлива больше, чем сжигают (неслучайно французы называют их «Фениксами»), позволит создать практически чистый и неограниченный по масштабам развития источник энергии. Например, одна 1000-мегаваттная угольная станция требует в день 7 эшелонов угля, такой же 1000-мегаваттный реактор требует в год один вагон. Вагон и эти эшелоны, миллионы тонн - это и есть отходы. Все отходы атомной станции, которые сейчас есть в мире, можно собрать на одном стадионе, это будет куб 50×50×50 м.
1
Природные запасы урана и тория - сырье для ядерного топлива бридеров - достаточны для энергетического развития нашей планеты на сотни лет.
Но оказывается, это плюсы, которые сопровождают минусы. Ядерная энергетика позволяет собрать все радиоактивные отходы в одном месте, но никто не хочет предоставлять территорию для захоронения. Единственные две страны, которые определились, что они под морским дном в гранитном поясе делают вечное хранилище, - это Швеция и Финляндия. Эти страны выбрали путь вечного хранилища, хотя с самого начала атомщики открыли, что можно перерабатывать топливо, выделять вторичный элемент, который и является смыслом развития атомной энергетики. Дело в том, что в природном уране только 0,7% урана-235, делящегося элемента, который может служить и для бомб, и запалом для реактора. Остальные 99,3% - это сырьевой уран-238. На нем нельзя создать критический реактор или сделать бомбу, но, если в нем поглощается нейтрон, образуется плутоний - еще более перспективный изотоп и для бомбы, и для энергетики. Реакторы, которые задумывались как будущее энергетики, - это реакторы-размножители (бридеры, разновидность реакторов на быстрых нейтронах).
Единственный реактор на быстрых нейтронах на сегодняшний день в России работает на Белоярской станции (строится еще один), но, к сожалению, они работают на урановом топливе. В 90-е годы работа по их разработке и строительству была приостановлена. Сейчас мы возвращаемся к реализации этой программы, как, например, и Индия, которая в конце 2013 года должна пустить быстрый реактор - бридер на плутонии - и начинает строить серию таких же реакторов.
2
Есть и другая сторона этой проблемы: если ядерная страна захочет сказать «я больше не использую ядерную энергетику», то это принципиально невозможно. Нельзя подойти к атомной станции, закрыть ее на ключ и сказать, что ее больше нет. У нее есть, во-первых, остаточное тепловыделение, которое надо снимать, есть ОЯТ - отработанное ядерное топливо, содержащее продукты деления, это радиоактивные отходы, есть плутоний, который надо хранить миллионы лет, если у вас нет реактора, или сжигать как самое привлекательное топливо в реакторе на быстрых нейтронах. Ядерная технология - единственно реальная возможность избавиться в будущем от долгоживущего радиоактивного наследства ее развития, в том числе наследства оборонного.
Если мы остаемся в развитии ядерной энергетики на реакторах существующего поколения, то у нас запасов урана-235 меньше, чем нефти, в 2–3 раза. Если мы строим реакторы на быстрых нейтронах, то это неограниченный источник энергии. Но кроме быстрого реактора нужно еще замкнуть топливный цикл, топливо, выгружаемое из реактора, надо перерабатывать и повторно использовать. Такие технологии применяются во Франции. (Сейчас, после вывода из эксплуатации своих первых реакторов на быстрых нейтронах PHENIX и SUPER-PHENIX, они продолжают использовать плутоний только в виде уран-плутониевого топлива в реакторах на тепловых нейтронах. Это малоэффективно.)
3
Соединенные Штаты были пионерами в этой области, уже в 1946 году у них работал первый быстрый реактор, в 1951 году они получили первое «ядерное» электричество на быстром реакторе EBR-1 и продемонстрировали возможность накопить плутония больше, чем сжечь.
На реакторе EBR-2 в 1968 году они продемонстрировали замкнутый ядерный топливный цикл. Но потом администрация США решила, что БР - это слишком опасный источник плутония «оружейного» качества для распространения, и программа БР в США была закрыта. Сейчас, через 30 лет, когда мы столкнулись с проблемой ресурсов в ядерной энергетике, международное сообщество организовало международный проект GIF (Generation IV International Forum ) для выработки типов реакторов, которые спасут ядерную энергетику, вернутся к ее истокам и воплотят идеи пионеров. Международным сообществом были отобраны шесть лучших типов реакторов, четыре из них - реакторы на быстрых нейтронах, в том числе тот, который работает у нас, типа БН.
4
Сегодня Соединенные Штаты понимают, что без быстрых реакторов нет будущего у ядерной энергетики, но эта страна утратила научную школу БР. В России это направление исследований сохранилось, и строительство реактора БН-800 - это лучший способ сохранить школу БР. Китай покупает реакторы у нас, Индия самостоятельно развивается, Франция, после того как они остановили свой реактор SUPER-PHENIX под давлением «зеленого» правительства, закрыли разработки, а сейчас пытаются возобновить. Появляются альтернативные направления. Но, так или иначе, остается проблема: быстрый реактор - лучший наработчик оружейного плутония. Замкнутый топливный цикл предусматривает переработку отработанного топлива, чтобы извлечь и то, что является наиболее полезным (плутоний и другие актиноиды), и то, что является наиболее вредным (продукты деления), то есть при существующей сейчас технологии переработки это может создать риск распространения. С увеличением масштабов энергетики увеличивается оборот топливного цикла, перевозки, персонал, распространение знаний. Все ли страны имеют право развивать у себя такую ядерную промышленность, развивать такую технологию?
5
Во время последних событий в Японии - аварии на АЭС Фукусима-1 - произошла тяжелая авария на четырех реакторах и на трех хранилищах - семь тяжелых аварий одновременно. А мы считали, что после Чернобыля наша ядерная энергетика станет практически безопасна. Более безопасны новые реакторы, которые разрабатываются, но из 440 реакторов, которые работают, 60% построены до Чернобыля. Они усовершенствованы, они улучшены, но это реакторы старого типа.
Например, реакторы типа РБМК не защищены от последствий аварии, на любом реакторе возможна авария, и заявления о сверхбезопасных реакторах - это блеф. Безопасным является тот реактор, на котором, если произойдет авария, отрицательных последствий для населения не будет, и такие реакторы сейчас разрабатываются. Для Китая и Индии, где есть только уголь, нет нефти и газа, ядерная энергетика - единственный способ спасения. И Китай делает прорыв: до сих пор в Китае строили только проверенные реакторы, например ВВЭР-1000, теперь они строят реакторы, которые нигде еще не работают, инновационные (АР-1000 Вестингауз и EPR, французской «Аревы» - это новые реакторы, III+ поколения, подготовка к IV поколению).
К шести реакторам будущего (GIF-4) кроме быстрых реакторов относятся и сверхвысокотемпературные реакторы, которые позволят нарабатывать искусственное топливо. И водо-водяные реакторы с «закритическими» параметрами (то есть с КПД на уровне современной энергетики на органическом топливе - до 45%).
В сочетании с быстрыми реакторами такая многокомпонентная ядерная энергетика может стать основой нашей энергетической безопасности. Вопрос о том, как реализовать БР и замкнутый ЯТЦ, сохранив режим нераспространения.
6
Решение этой проблемы ищется на различных путях, для этого в том числе в 1957 году было создано МАГАТЭ (Международное агентство по атомной энергии). Инспекторы МАГАТЭ сейчас с введением Дополнительного протокола (после 1993 года) могут поехать и проверить, что происходит в той или иной стране, взять пробы. Это введение более строгого режима контроля. Развивается институционный режим, новые организационные меры.
Необходимо технологически и технически разрабатывать методы, не допускающие «утечку чувствительных» материалов (если не будет чистого плутония, а будет плутоний в смеси с изотопами актиноидами, его нельзя использовать для бомбы). Если избавиться от обогащения - а быстрый реактор не требует обогащения, - тогда человечество сможет выступить с идеей безопасности с точки зрения распространения ядерной энергетики. На Саммите Тысячелетия ООН в 2000 году наша страна выступила с инициативой: ядерная энергетика без обогащения, без свободного плутония как основа стабильного энергетического развития мира.
Пример решения проблемы есть и в нашей истории: Советский Союз организовал региональный ядерный топливный цикл - разрабатывал реакторы, производил топливо, перерабатывал его. Страны Восточной Европы получали атомные станции, но топливным циклом не занимались, все опасные отходы и все плутониевое топливо возвращалось в СССР. Страны получили новый эффективный источник энергии, но все «чувствительные» материалы, технологии и знания оставались в пределах и под контролем «ядерной» державы - СССР.
7
Таким образом, создание международного режима требует создания региональных (международных) центров ядерного топливного цикла. Например, международные Центры ядерного обогащения, как и Центры переработки ОЯТ и Центры БР, должны быть созданы и работать под международным контролем. В одиночку ни одна страна, даже из «великих» держав, не сумела до сих пор создать коммерческую АЭС с быстрым реактором - бридером, работающим в замкнутом ЯТЦ.
Но необходимо пройти этот длинный и трудный путь развития международного сотрудничества в области мирного использования ядерных технологий - слишком большое значение имеет ядерная технология для экономики и безопасности стран, ее освоивших.
Первые шаги уже делаются - эта идея развивается в МАГАТЭ в рамках нового международного проекта ИНПРО, созданного по инициативе нашей страны. Начата реализация идеи создания Международного центра ядерного обогащения на базе Ангарского комбината.
Применение ядерной энергии для преобразования ее в электрическую впервые было осуществлено в нашей стране в 1954 г. В г. Обнинске была введена в действие первая атомная электростанция (АЭС) мощностью 5000 кВт. Энергия, выделяющаяся в ядерном реакторе, использовалась для превращения воды в пар, который вращал затем связанную с генератором турбину. Развитие ядерной энергетики. По такому же принципу действуют введенные в эксплуатацию Нововоронежская, Ленинградская, Курская, Кольская и другие АЭС. Реакторы этих станций имеют мощность 500-1000 МВт. Атомные электростанции строятся прежде всего в европейской части страны. Это связано с преимуществами АЭС по сравнению с тепловыми электростанциями, работающими на органическом топливе. Ядерные реакторы не потребляют дефицитного органического топлива и не загружают перевозками угля железнодорожный транспорт. Атомные электростанции не потребляют атмосферный кислород и не засоряют среду золой и продуктами сгорания. Однако размещение АЭС в густонаселенных областях таит в себе потенциальную угрозу. В реакторах на тепловых (т. е. медленных) нейтронах уран используется лишь на 1 -2%. Полное использование урана достигается в реакторах на быстрых нейтронах, в которых обеспечивается также воспроизводство нового ядерного горючего в виде плутония. В 1980 г. на Белоярской АЭС состоялся пуск первого в мире реактора на быстрых нейтронах мощностью 600 МВт. Ядерной энергетике, как и многим другим отраслям промышленности, присущи вредные или опасные факторы воздействия на окружающую среду. Наибольшую потенциальную опасность представляет радиоактивное загрязнение. Сложные проблемы возникают с захоронением радиоактивных отходов и демонтажем отслуживших свой срок атомных электростанций. Срок их службы около 20 лет, после чего восстановление станций из-за многолетнего воздействия радиации на материалы конструкций невозможно. АЭС проектируется с расчетом на максимальную безопасность персонала станции и населения. Опыт эксплуатации АЭС во всем мире показывает, что биосфера надежно защищена от радиационного воздействия предприятий ядерной энергетики в нормальном режиме эксплуатации. Однако взрыв четвертого реактора на Чернобыльской АЭС показал, что риск разрушения активной зоны реактора из-за ошибок персонала и просчетов в конструкции реакторов остается реальностью, поэтому принимаются строжайшие меры для снижения этого риска. Ядерные реакторы устанавливаются на атомных подводных лодках и ледоколах. Ядерное оружие. Неуправляемая цепная реакция с большим коэффициентом увеличения нейтронов осуществляется в атомной бомбе. Для того чтобы происходило почти мгновенное выделение энергии (взрыв), реакция должна идти на быстрых нейтронах (без применения 235 замедлителей). Взрывчатым веществом служит чистый уран g2U или 239 плутоний 94Ри. Чтобы мог произойти взрыв, размеры делящегося материала должны превышать критические. Это достигается либо путем быстрого соединения двух кусков делящегося материала с докритическими размерами, либо же за счет резкого сжатия одного куска до размеров, при которых утечка нейтронов через поверхность падает настолько, что размеры куска оказываются надкритическими. То и другое осуществляется с помощью обычных взрывчатых веществ. При взрыве бомбы температура достигает десятков миллионов кельвин. При такой температуре резко повышается давление и образуется мощная взрывная волна. Одновременно возникает мощное излучение. Продукты цепной реакции при взрыве бомбы сильно радиоактивны и опасны для живых организмов. Атомные бомбы применили США в конце Второй мировой войны против Японии. В 1945 г. были сброшены атомные бомбы на японские города Хиросима и Нагасаки. В термоядерной (водородной) бомбе для инициирования реакции синтеза используется взрыв атомной бомбы, помещенной внутри термоядерной. Нетривиальным решением оказалось то, что взрыв атомной бомбы используется не для повышения температуры, а для сильнейшего сжатия термоядерного топлива излучением, образующимся при взрыве атомной бомбы. В нашей стране основные идеи создания термоядерного взрыва были выдвинуты А. Д. Сахаровым. С созданием ядерного оружия победа в войне стала невозможной. Ядерная война способна привести человечество к гибели, поэтому народы всего мира настойчиво борются за запрещение ядерного оружия.
Зависимость энергии связи, приходящейся на один нуклон, от числа нуклонов в ядре приведена на графике.
Энергия, которая требуется, чтобы разделить ядро на отдельные нуклоны, называется энергией связи. Энергия связи, приходящаяся на один нуклон , неодинакова для разных химических элементов и, даже, изотопов одного и того же химического элемента. Удельная энергия связи нуклона в ядре колеблется, в среднем, в пределах от 1 МэВ у лёгких ядер (дейтерий) до 8,6 МэВ, у ядер среднего веса (А≈100). У тяжёлых ядер (А≈200) удельная энергия связи нуклона меньше, чем у ядер среднего веса, приблизительно на 1 МэВ, так что их превращение в ядра среднего веса (деление на 2 части) сопровождается выделением энергии в количестве около 1 МэВ на нуклон, или около 200 МэВ на ядро. Превращение лёгких ядер в более тяжёлые ядра даёт ещё больший энергетический выигрыш в расчёте на нуклон. Так, например, реакция соединения дейтерия и трития
1 D²+ 1 T³→ 2 He 4 + 0 n 1
сопровождается выделением энергии 17,6 МэВ, то есть 3,5 МэВ на нуклон .
Высвобождение ядерной энергии
Известны экзотермические ядерные реакции, высвобождающие ядерную энергию.
Обычно для получения ядерной энергии используют цепную ядерную реакцию деления ядер урана-235 или плутония . Ядра делятся при попадании в них нейтрона , при этом получаются новые нейтроны и осколки деления. Нейтроны деления и осколки деления обладают большой кинетической энергией . В результате столкновений осколков с другими атомами эта кинетическая энергия быстро преобразуется в тепло.
Другим способом высвобождения ядерной энергии является термоядерный синтез . При этом два ядра лёгких элементов соединяются в одно тяжёлое. Такие процессы происходят на Солнце.
Многие атомные ядра являются неустойчивыми. С течением времени часть таких ядер самопроизвольно превращаются в другие ядра, высвобождая энергию. Такое явление называют радиоактивным распадом .
Применение ядерной энергии
Энергия термоядерного синтеза применяется в водородной бомбе .
Примечания
См. также
Ссылки
Международные соглашения
- Конвенция об оперативном оповещении о ядерной аварии (Вена, 1986)
- Конвенция о физической защите ядерного материала (Вена, 1979)
- Венская конвенция о гражданской ответственности за ядерный ущерб
- Объединённая конвенция о безопасности обращения с отработавшим топливом и безопасности обращения с радиоактивными отходами
Литература
- Clarfield, Gerald H. and William M. Wiecek (1984). Nuclear America: Military and Civilian Nuclear Power in the United States 1940-1980 , Harper & Row.
- Cooke, Stephanie (2009). In Mortal Hands: A Cautionary History of the Nuclear Age , Black Inc.
- Cravens Gwyneth Power to Save the World: the Truth about Nuclear Energy. - New York: Knopf, 2007. - ISBN 0-307-26656-7
- Elliott, David (2007). Nuclear or Not? Does Nuclear Power Have a Place in a Sustainable Energy Future? , Palgrave.
- Falk, Jim (1982). Global Fission: The Battle Over Nuclear Power , Oxford University Press.
- Ferguson, Charles D., (2007). Nuclear Energy: Balancing Benefits and Risks Council on Foreign Relations .
- Herbst, Alan M. and George W. Hopley (2007). Nuclear Energy Now: Why the Time has come for the World’s Most Misunderstood Energy Source , Wiley.
- Schneider, Mycle, Steve Thomas, Antony Froggatt, Doug Koplow (August 2009). The World Nuclear Industry Status Report , German Federal Ministry of Environment, Nature Conservation and Reactor Safety.
- Walker, J. Samuel (1992). Containing the Atom: Nuclear Regulation in a Changing Environment, 1993-1971
- Walker, J. Samuel (2004). Three Mile Island: A Nuclear Crisis in Historical Perspective , Berkeley: University of California Press.
- Weart, Spencer R. The Rise of Nuclear Fear . Cambridge, MA: Harvard University Press, 2012. ISBN 0-674-05233-1
| Ядерные технологии | |
|---|---|
| Инженерия | |
| Материалы | |
| Ядерная энергия | |
| Ядерная медицина | |
| Ядерное оружие | |
Wikimedia Foundation . 2010 .
- Коссман, Бернхард
- Циммерман, Альберт Карл Генрих
Смотреть что такое "Ядерная энергия" в других словарях:
ЯДЕРНАЯ ЭНЕРГИЯ - (атомная энергия) внутренняя энергия атомных ядер, выделяющаяся при ядерных превращениях (ядерных реакциях). энергия связи ядра. дефект массыНуклоны (протоны и нейтроны) в ядре прочно удерживаются ядерными силами. Чтобы удалить нуклон из ядра,… … Большой Энциклопедический словарь
ЯДЕРНАЯ ЭНЕРГИЯ - (атомная энергия), внутр. энергия ат. ядра, выделяющаяся при ядерных превращениях. Энергия, к рую необходимо затратить для расщепления ядра на составляющие его нуклоны, наз. энергией связи ядра?св. Это макс. энергия, к рая может выделиться.… … Физическая энциклопедия
ЯДЕРНАЯ ЭНЕРГИЯ - ЯДЕРНАЯ ЭНЕРГИЯ, ЭНЕРГИЯ, выделяемая в процессе ядерной реакции как результат перехода МАССЫ в энергию так, как описано в уравнении: Е=mс2 (где Е энергия, m масса, с скорость света); оно было выведено А. ЭЙНШТЕЙНОМ в его ТЕОРИИ ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ.… … Научно-технический энциклопедический словарь
ЯДЕРНАЯ ЭНЕРГИЯ - (атомная энергия) см. () () … Большая политехническая энциклопедия
ЯДЕРНАЯ ЭНЕРГИЯ - (атомная энергия), внутренняя энергия атомных ядер, выделяющаяся при некоторых ядерных реакциях. Использование ядерной энергии основано на осуществлении цепных реакций деления тяжелых ядер и реакций термоядерного синтеза легких ядер (смотри… … Современная энциклопедия
Загрузка...