Введение
В 1939 году впервые удалось расщепить атом урана. Прошло еще 3 года, и в США был создан реактор для осуществления управляемой ядерной реакции. Затем в 1945г. была изготовлена и испытана атомная бомба, а в 1954г. в нашей стране была пущена в эксплуатацию первая в мире атомная электростанция. Во всех этих случаях использовалась огромная энергия распада атомного ядра. Еще большее количество энергии выделяется в результате синтеза атомных ядер. В 1953 году в СССР впервые была испытана термоядерная бомба, и человек научился воспроизводить процессы, происходящие на солнце. Пока использовать для мирных целей ядерный синтез нельзя, но, если это станет возможным, то люди обеспечат себя дешевой энергией на миллиарды лет. Эта проблема - одно из важнейших направлений современной физики на протяжении последних 50 лет.
Ядерная энергия выделяется при распаде или синтезе атомных ядер. Любая энергия - физическая, химическая, или ядерная проявляется своей способностью выполнять работу, излучать высокую температуру или радиацию. Энергия в любой системе всегда сохраняется, но она может быть передана другой системе или изменена по форме.
Приблизительно до 1800 года основным топливом было дерево. Энергия древесины получена из солнечной энергии, запасенной в растениях в течение их жизни. Начиная с Индустриальной революции, люди зависели от полезных ископаемых - угля и нефти, энергия которых также происходила из запасенной солнечной энергии. Когда топливо типа угля сжигается, атомы водорода и углерода, содержащиеся в угле, объединяются с атомами кислорода воздуха. При возникновении водного или углеродистого диоксида происходит выделение высокой температуры, эквивалентной приблизительно 1.6 киловатт-час на килограмм или приблизительно 10 электрон-вольт на атом углерода. Это количество энергии типично для химических реакций, приводящих к изменению электронной структуры атомов. Части энергии, выделенной в виде высокой температуры, достаточно для поддержания продолжения реакции.
Атом состоит из маленького, массивного, положительно заряженного ядра, окруженного электронами. Ядро составляет основную часть массы атома. Оно состоит из нейтронов и протонов (общее название нуклоны), связанных между собой очень большими ядерными силами, намного превышающими электрические силы, которые связывают электроны с ядром. Энергия ядра определяется тем, насколько сильно его нейтроны и протоны удерживаются ядерными силами. Энергия нуклона - это энергия, требуемая, чтобы удалить один нейтрон или протон из ядра. Если два легких ядра соединяются, чтобы сформировать более тяжелое ядро или если тяжелое ядро распадается на два более легких, то в обоих случаях выделяется большое количество энергии.
Ядерная энергия, измеренная в миллионах электрон-вольт, образуется в результате синтеза двух легких ядер, когда, два изотопа водорода, (дейтерия) объединяются в результате следующей реакции:
При этом образуется атом гелия с массой 3 а.е.м. , свободный нейтрон, и 3.2 Мэв, или 5.1 * 10 6 Дж (1.2 * 10 3 кал).
Ядерная энергия также образуется, когда происходит расщепление тяжелого ядра (к примеру ядра изотопа урана-235) вследствие поглощения нейтрона:
В итоге распадаясь на цезий-140, рубидий-93, три нейтрона, и 200 Мэв, или 3.2 10 16 Дж (7.7 10 8 кал). Ядерная реакция распада выпускает в 10 миллионов раз больше энергии чем при аналогичной химической реакции.
Ядерный Синтез
Выделение ядерной энергии может происходить в нижнем конце кривой энергии при соединение двух легких ядер в одно более тяжелое. Энергия, излучаемая звездами подобно солнцу, является результатом таких же реакций синтеза в их недрах.
При огромном давлении и температуре 15 миллионов градусов C 0 . Существующие там водородные ядра объединяется согласно уравнению (1) и в результате их синтеза образуется энергия солнца.
Ядерный синтез был впервые достигнут на Земле в начале 30-ых годов. В циклотроне - ускорителе элементарных частиц - производили бомбардировку ядер дейтерия. При этом происходило выделение высокой температуры, однако, эту энергию не удавалось использовать. В 1950-ых годах первый крупномасштабный, но не контролируемый процесс выделения энергии синтеза был продемонстрирован в испытаниях термоядерного оружия Соединенными Штатами, СССР, Великобританией и Францией. Однако это была кратковременная и неуправляемая реакция, которая не могла быть использована для получения электроэнергии.
В реакциях распада нейтрон, который не имеет никакого электрического заряда, может легко приближаться и реагировать с расщепляемым ядром, например урана-235. В типичной реакции синтеза, однако, реагирующие ядра имеют положительный электрический заряд и поэтому по закону Кулона отталкиваются, таким образом силы, возникающие вследствие закона Кулона, должны быть преодолены до того, как ядра смогут соединиться. Это происходит, когда температура реагирующего газа - достаточно высока от 50 до 100 миллионов градусов C 0 . В газе тяжелых водородных изотопов дейтерия и трития при такой температуре происходит реакция синтеза:
выделяя приблизительно 17.6 Мэв. Энергия появляется сначала, как кинетическая энергия гелия-4 и нейтрона, но скоро проявляется в виде высокой температуры в окружающих материалах и газе.
Если при такой высокой температуре, плотность газа составляет 10 -1 атмосфер (т.е. почти вакуум), то активный гелий-4 может передавать свою энергию окружающему водороду. Таким образом, поддерживается высокая температура и создаются условия для протекания самопроизвольной реакции синтеза. При этих условиях происходит «ядерное воспламенение ».
Достижению условий управляемого термоядерного синтеза препятствуют несколько основных проблем. Во-первых, нужно нагреть газ до очень высокой температуры. Во-вторых, необходимо контролировать количество реагирующих ядер в течение достаточно долгого времени. В-третьих, количество выделяемой энергии должно быть больше, чем было затрачено для нагревания и ограничения плотности газа. Следующая проблема - накопление этой энергии и преобразование ее в электричество.
При температурах даже 100000 C 0 все атомы водорода полностью ионизируются. Газ состоит из электрически нейтральной структуры: положительно заряженных ядер и отрицательно заряженных свободных электронов. Это состояние называется плазмой.
Плазма, достаточно горяча для синтеза, но не может находиться в обычных материалах. Плазма охладилась бы очень быстро, и стенки сосуда были бы разрушены при перепаде температур. Однако, так как плазма состоит из заряженных ядер и электронов, которые двигаются по спирали вокруг силовых линий магнитного поля, плазма может содержаться в ограниченной магнитным полем области без того, чтобы реагировать со стенками сосуда.
В любом управляемом устройстве синтеза выделение энергии должно превышать энергию, требуемую, для ограничения и нагрева плазмы. Это условие может быть выполнено, когда время заключения плазмы t и ее плотность n превышает приблизительно 10 14 . Отношения tn > 10 14 называются критерием Лоусона.
Многочисленные схемы магнитного заключения плазмы были испытаны начиная с 1950 в Соединенных Штатах, СССР, Великобритании, Японии и в других местах. Термоядерные реакции наблюдали, но критерий Лоусона редко превышал 10 12 . Однако одно устройство “Токамак” (это название – сокращение русских слов: ТОроидальная КАмера с МАгнитными Катушками), первоначально предложенное в СССР Игорем Таммом и Андреем Сахаровым начало давать хорошие результаты в начале 1960-ых.
Токамак - это тороидальная вакуумная камера, на которую надеты катушки, создающие сильное тороидальное магнитное поле. Тороидальное магнитное поле равное приблизительно 50000 Гаусс поддерживается внутри этой камеры мощными электромагнитами. Продольный поток нескольких миллионов ампер создается в плазме катушками трансформатора. Замкнутые магнитные полевые линии устойчиво ограничивают плазму.
Основанные на успешном действии экспериментального маленького "Tокамака" в нескольких лабораториях в начале 1980-ых были построены два больших устройства, один в Принстонском Университете в Соединенных Штатах и один в СССР. В "Tокамаке" высокая плазменная температура возникает в результате выделения тепла при сопротивлении мощного тороидального потока, а также путем дополнительного нагревания при введении нейтрального луча, что в совокупности должно приводить к воспламенению.
Другой возможный путь получить энергию синтеза - также инерционного свойства. В этом случае топливо - тритий или дейтерий содержится в пределах крошечного шарика, бомбардируемого с нескольких сторон импульсным лазерным лучом. Это приводит к взрыву шарика, с образованием термоядерной реакции, которая зажигает топливо. Несколько лабораторий в Соединенных Штатах и в других местах в настоящее время исследуют эту возможность. Прогресс исследования синтеза был многообещающим, но задача создания практических систем для устойчивой реакции синтеза, которая производит большее количество энергии чем потребляет, пока остается не решенной и потребует еще много времени и сил.
Уже в конце 20 века проблема поиска альтернативных источников энергии стала весьма актуальной. Несмотря на то, что наша планета поистине богата природными ископаемыми, такими как нефть, уголь, древесина и т.д., все эти богатства, к сожалению, исчерпаемы. К тому же, потребности человечества растут с каждым днем и приходится искать все более новые и совершенные источники энергии.
На протяжении долгого времени человечество находило те или иные варианты решения вопроса альтернативных источников энергии, но настоящим прорывом в истории энергетики стало появление ядерной энергии. Ядерная теория прошла долгий путь развития, прежде чем люди научились применять ее в своих целях. Все началось еще в 1896 году, когда А.Беккерель зарегистрировал невидимые лучи, которые испускала урановая руда, и которые обладали большой проникающей способностью. В дальнейшем это явление получило название радиоактивности. История развития ядерной энергии содержит в себе несколько десятков выдающихся фамилий, в том числе и советских физиков. Завершающим этапом развития можно назвать 1939 год – когда Ю.Б.Харитон и Я.Б.Зельдович теоретически показали возможность осуществления цепной реакции деления ядер урана-235. Далее развитие ядерной энергетики шло семимильными шагами. По самым приблизительным подсчетам энергию, которая выделяется при расщеплении 1 килограмма урана, можно сравнить с энергией, которая получается при сжигании 2 500 000 кг каменного угля.
Но из-за начавшейся войны, все исследования были перенаправлены в военную область. Первым примером ядерной энергии, который человек смог продемонстрировать всему миру, стала атомная бомба… Потом водородная… Лишь спустя годы научное сообщество обратило свое внимание на более мирные области, где применение ядерной энергии могло бы стать действительно полезным.
Так начался рассвет самой молодой области энергетики. Стали появляться атомные электростанции (АЭС), причем первая в мире АЭС была построена в городе Обнинске Калужской области. На сегодняшний день насчитывается несколько сотен атомных электростанций по всему миру. Развитие ядерной энергетики происходило невероятно стремительно. Меньше чем за 100 лет она смогла достигнуть сверхвысокого уровня технологического развития. То количество энергии, которое выделяется при делении ядер урана или плутония, несравнимо велико – это сделало возможным создание крупных атомных электростанций промышленного типа.
Так как же получают эту энергию? Все дело в цепной реакции деления ядер некоторых радиоактивных элементов. Обычно используется уран-235 или плутоний. Деление ядра начинается, когда в него попадает нейтрон – элементарная частица, не имеющая заряда, но обладающая сравнительно большой массой (на 0,14 % больше, чем масса протона). В результате образуются осколки деления и новые нейтроны, обладающие высокой кинетической энергией, которая в свою очередь активно преобразуется в тепло.
Данный вид энергии производят не только в АЭС. Он так же используется на атомных подводных лодках и атомных ледоколах.
Для нормального функционирования АЭС им все-таки необходимо топливо. Как правило, это уран. Этот элемент имеет широкое распространение в природе, но при этом труднодоступен. В природе не существует залежей урана (как например нефти), он как бы «размазан» по всей земной коре. Самые богатые урановые руды, которые встречаются очень редко, содержат до 10% чистого урана. Уран обычно содержится в урансодержащих минералах в качестве изоморфно замещающего элемента. Но при всем это общее количество урана на планете грандиозно велико. Возможно в ближайшем будущем новейшие технологии позволят увеличить процент добычи урана.
Но столь мощный источник энергии, а значит и силы, не может не вызывать опасений. Постоянно ведутся споры о его надежности и безопасности. Трудно оценить какой ущерб наносит атомная энергетика окружающей среде. Настолько ли она эффективна и выгодна, чтобы пренебрегать такими потерями? Насколько она безопасна? Причем, в отличие от любой другой энергетики, речь ведется не только об экологической безопасности. Все прекрасно помнят страшные последствия событий в Хиросиме и Нагасаки. Когда человечество обладает такой мощью, встает вопрос а достойно ли оно такого могущества? Сможем ли мы достойно распоряжаться тем, что имеем и не разрушать это?
Если бы завтра на нашей планете закончились все запасы источников традиционной энергии, то ядерная энергетика, пожалуй, стала бы единственной областью, которая реально смогла бы заменить ее. Нельзя отрицать ее преимущества, но и не стоит забывать о возможных последствиях.
Ядерная энергия деления атомов тяжелых металлов уже широко используется во многих странах. В некоторых странах доля этого вида энергии достигает 70 % (Франция, Япония). Вероятно в ближайшие 50–100 лет ядерная энергия деления будет составлять серьезную конкуренцию свеем другим видам энергии, используемой человечеством. Мировые запасы урана, основного носителя ядерной энергии деления, составляет более 5 млн. тонн. Это означает, что запаса ядерной энергии на порядок больше, чем запасов всех ископаемых невозобновляемых источников энергии.
Ядра атомов состоят из двух элементарных частиц, протонов и нейтронов. Совокупность протонов и нейтронов образуют массовое число, состоящее из количества протонов и количества нейтронов в ядре атома:
А = Z p + Z n ,
где Z p – количество протонов в ядре, Z n – количество нейтронов. Масса элементарных частиц измеряется в атомных единицах массы (аем) и в килограммах. Физикам известны с большой точностью массы основных элементарных частиц. В частности, масса протона:
m p = 1.007276 аем = 1.672623·10 -27 кг;
масса нейтрона:
m n = 1.008664 аем = 1.674928·10 -27 кг.
Разница между массой протона и нейтрона невелика, но заметна. Масса электрона, определенное количество которых образуют электронное облако вокруг ядра, примерно в 1823 раза меньше массы протона или нейтрона, поэтому их влиянием, как правило, пренебрегают, по крайней мере, в прикидочных расчетах.
Собранные в ядре атома протоны и нейтроны образуют энергию связи ядра:
E СВЯЗИ = (m p ∙ Z p + m n ∙ Z n – m ЯДРА)∙c 2 .
Эта формула дает энергию в Дж, если масса приведена в килограммах. Из формулы видно, что энергия связи образуется за счет разности между массой ядра и массой отдельных составляющих ядра (за счет так называемого дефекта массы). При делении ядра происходит выделение этой энергии.
Ядра всех элементов подразделяются на:
Стабильные или псевдостабильные, у которых время полураспада более миллиона лет;
Делящиеся спонтанно, нестабильные с периодом полураспада менее миллиона лет.
Однако, существуют элементы, ядра которых допускают искусственное деление, если их ядра подвергаются бомбардировке нейтронами, Эти нейтроны, проникая в ядро, превращают его в нестабильное и вызывают его искусственное деление. В настоящее время используют для целей энергетики три варианта такого искусственного деления:
1. Использование U 2 35 и медленных (тепловых) нейтронов. Тепловые нейтроны имеют скорость движения не более 2000 м/с.
2. Использование Pu 239 илиU 2 33 и медленных (тепловых) нейтронов. ПлутонийPu 239 и уранU 2 33 , в природе не встречаются и получаются искусственным путем при реализации третьего способа.
3. Использование U 2 38 и быстрых нейтронов со скоростью движения порядка 30 000 м/с. Возможно также использованиеTh 232 (ториевый цикл).
Для обеспечения непрерывного деления ядер необходима так называемая цепная реакция деления. Для возникновения цепной реакции необходимо, чтобы в каждом последующем акте деления участвовало больше нейтронов, чем в предыдущем. Делящиеся ядерные топлива являются однокомпонентными. Тепловые нейтроны поглощаются делящимися изотопами наиболее интенсивно. Поэтому в атомных реакторах нейтроны замедляются в специальных веществах-замедлителях - в воде, тяжелой воде, графите, бериллии и др.
Природный уран, добываемый из земной коры, содержит только 0,712% U 2 35 , делящегося при захвате тепловых нейтронов. Остальную массу составляетU 2 38 . Это приводит к необходимости обогащать природный уран добавлением в негоU 2 35 от 1 до 5% для реакторов атомных электростанций.
Рассмотрим процесс получения ядерной реакции деления по первому варианту. В общем случае формула расчета дефекта массы следующая:
где m U - масса ядра урана,m Д - масса всех продуктов деления,m n - масса нейтрона. При такой ядерной реакции выделяется энергия
W = ΔM ∙ c 2 .
Теоретические расчеты и опыт показали, что при использовании U 2 35 и поглощении его атомом одного медленного нейтрона появляется два атома продуктов деления и три новый нейтрона. В частности, могут появиться барий и криптон. Реакция имеет следующий вид:
Дефект массы в относительных единицах равен
.
Массы всех участвующих в реакции элементов равны: М U = 235.043915,M Ba = 140.907596,M Kr = 91.905030,m n = 1.008664, все величины в аем. Дефект массы равен:
Таким образом, при расщеплении 1 кг U 2 35 дефект массы составит 0,000910 кг. Выделяемая при этом энергия равна
W = 0,000910∙(3∙10 8) 2 = 8190∙10 10 Дж = 8,19∙10 7 МДж.
Энергетический блок мощностью 1000 МВт за год вырабатывает электрической энергии W Е = 10 3 ∙10 6 ∙3600∙8760 = 3,154∙10 16 Дж или 3,154∙10 10 МДж.
При КПД блока η = 0,4 потребуется в год урана-235:
кг.
Для сравнения определим потребность в антраците
2,25 млн. тонн.
Расчеты произведены для чистого урана-235. Если природный уран обогащается до 3%, общая масса урана составит
M = 962,8/0,03 = 32 093 кг.
Кроме того, на практике используется не металлический уран, который имеет недостаточно высокую температуру плавления, а двуокись урана UO 2 . Рассчитаем общую потребность обогащенного ядерного топлива с использованием двуокиси урана для обеспечения работы энергетического блока мощностью 1000 МВт в течение года. С учетом массы кислорода, доля которого приблизительно равна отношению: 2∙16/238 = 0,134, общая масса ядерного топлива составит:
М ЯТ = 32093∙(1 + 0,314) = 36400 кг = 36,4 тонн.
Легко видеть, что разница в массах органического топлива и ядерного топлива, потребных для производства одного и того же количества энергии колоссальна.
Ранее отмечалось, что основную массу природного урана составляет уран-238, который практически не реагирует на медленные нейтроны, но хорошо взаимодействует с быстрыми нейтронами. При этом становится возможной следующая ядерная реакция:
и частично накапливается. Накопленный плутоний-239 может использоваться в качестве ядерного топлива в реакторе на медленных (тепловых) нейтронах. С помощью такой реакции многократно (почти в 100 раз) повышается эффективность использования природного урана.
В реакторах на быстрых нейтронах возможна организация ториевого цикла с использованием тория-232. Запасы тория в природе превышают запасы урана в 4–5 раз. В результате захвата теплового нейтрона природным торием-232 образуется делящийся изотоп уран-233, который может сжигаться на месте или накапливаться для последующего использования в реакторах на тепловых нейтронах:
Ториевая энергетика, в отличие от урановой, не нарабатывает плутоний и трансурановые элементы. Это важно как с экологической точки зрения, так и с точки зрения нераспространения ядерного оружия.
Ядерные реакторы на ториевом топливе более безопасны, чем на урановом, поскольку ториевые реакторы не обладают запасом реактивности. Поэтому никакие разрушения аппаратуры реактора не способны вызвать неконтролируемую цепную реакцию. Однако до промышленного применения реакторов с ториевым циклом пока еще далеко.
Энергия термоядерного синтеза . При слиянии легких ядер (водород и его изотопы, гелий, литий и некоторые другие) масса ядра после слияния получается меньше суммы масс отдельных ядер до слияния. В результате также получается дефект массы и, как следствие выделение энергии. Привлекательность использования этой энергии обусловлена практически неисчерпаемыми запасами сырья для ее осуществления.
Для осуществления термоядерного синтеза необходимы сверхвысокие температуры порядка 10 7 ºKи выше. Необходимость сверхвысоких температур обусловлена тем, что из-за сильного электростатического отталкивания ядра в процессе теплового движения могут сблизиться на малые расстояния и прореагировать только при достаточно большой кинетической энергии их относительного движения. В естественных условиях термоядерные реакции происходят в недрах звезд, являясь основным источником излучаемой ими энергии. Искусственная термоядерная реакция получена только в виде неуправляемого взрыва водородной бомбы. В то же время в течение многих лет ведутся работы по управляемому термоядерному синтезу.
Существуют два направления реализации проекта получения полезной энергии на основе управляемой реакции термоядерного синтеза.
Первое направление связано с использованием тороидальной камеры, в которой магнитное поле сжимает ядра сливающихся элементов, нагретых до нескольких миллионов градусов. В целом устройство называется ТОКАМАК (расшифровывается как тороидальная камера с магнитными катушками). По этому пути идут европейские страны и Россия.
Второе направление использует лазеры для нагрева и сжатия ядер. Так проект NIF-192, реализуемый в Ливерпульской национальной лаборатории в Калифорнии использует 192 лазера, которые расположены по окружности и своим одновременным излучением сжимает дейтерий и тритий.
Результаты обнадеживающие, но не позволяющие сделать выводы о конкретных сроках получения ядерной энергии синтеза в практических целях.
Когда стало ясно, что углеводородные источники сырья, такие как нефть, газ, уголь – исчерпываются. Это означает, что мы должны искать новые виды энергии. Сейчас очень серьёзно встал вопрос о возможности катастрофических изменений климата, связанных с тем, что обычные тепловые станции создают парниковый слой газа. И в результате, на Земле происходит глобальное потепление. Это абсолютно определённо. Надо искать новые виды энергии, которые не приводят к этому.
Кувшинов Вячеслав Иванович:
Строение атома и структура атома (то что он имеет внутри ядро) стало известно только в прошлом веке. Когда шла Вторая мировая война шла, стало ясно, что из ядра атома можно извлечь колоссальную энергию. Естественно, продумывался вариант, как это можно использовать с точки зрения оружия, с точки зрения атомной бомбы.
И только в 50-х годах, встал вопрос о мирном использовании атомной энергии, возникло понятие «мирный атом».
Первая Атомная электростанция в Советском Союзе была построена в Обнинске. Любопытно, что директором первой Атомной электростанции был академик Андрей Капитонович Красин, который, кстати, потом стал директором Института энергетических и ядерных исследований «Сосны».
Кувшинов Вячеслав Иванович:
Возьмёмпротоны и нейтроны, из которых состоит ядро. Если они сидят внутри ядра – они тесно связаны ядерными силами. Почему тесно? Потому что, например, два протона – имеют одинаковый электрический заряд, они должны колоссально отталкиваться, однако, они стянуты. Таким образом, внутри ядра есть ядерные силы. И, оказывается, что часть массы протонов и нейтронов переходит в энергию. И существует такая знаменитая формула, которую сейчас даже на майках пишут E = Mc2
. E - энергия, M - это масса частиц, С
в квадрате – это скорость света.
Оказывается, есть ещё специальная энергия, которая связана с массой тела. И если в ядре есть какая-то запасённая энергия, если ядро раскололи, то эта энергия в виде энергии осколков выделяется. И именно её количество (Е) равно (М) на (квадрат скорости света). Вот в результате деления одного ядра у вас появляется некая энергия в виде энергии осколков.
Тут интересно то, что когда происходит деление большого количества, например, уранового топлива, то происходит цепная ядерная реакция. Это означает, что ядра делятся практически одновременно. При этом выделяется колоссальное количество энергии. Например, 1,5 кг уранового топлива может заменить 1,5 вагона угля.
Какую роль играет скорость света в этой универсальной формуле?
Кувшинов Вячеслав Иванович:
Эйнштейн построил свои формулы изменения скорости света из одной системы координат в другую, из которой следует, что скорость света – постоянная, а все другие скорости других тел и предметов – меняются. Любопытно, что из формулы относительности Эйнштейна выходит, что путешествие во времени – возможно!Из неё следует так называемый «парадокс близнецов». Он заключается в том, что один из близнецов, находящийся в ракете, разогнанной до скорости, близкой к скорости света, состарится меньше своего брата, остающегося на Земле.
Кувшинов Вячеслав Иванович, профессор, генеральный директор «Объединённого института энергетических и ядерных исследований «Сосны»:
По данным МАГАТЭ, только включение атомной энергии дает наиболее низкую стоимость электроэнергии. Белорусы увидят это преимущество в своих «жировках».
По исследованиям МГАТЭ к 2020 в топливно- энергетическом балансе Беларуси возникнет, как говорят, дыра. Специалисты утверждают, что закрыть пробел в потреблении энергии возможно будет только с помощью действующей атомной электростанции.
По данным МАГАТЭ в мире действует 441 энергоблок. Вокруг Беларуси 5 атомных электростанций. В соседской Украине действует Ровенская АЭС, в России – Смоленская, Ленинградская и в процессе строительства Балтийская АЭС.
Николай Груша, директор Департамента ядерной энергетки Министерства энергетики РБ:
Основная задача строительства АЭС, и вообще, основная задача энергетической политики в РБ – это снижение зависимости от поставок природного газа.
В вводом в эксплуатацию АЭС мощностью более 2 млн киловатт, во-первых, будет вырабатываться порядка 27-29 % всей производимой электроэнергии на АЭС. Это позволит заместить примерно 5 млрд кубических метров природного газа. То есть почти четверть того, что мы сегодня потребляем.
Энергия, содержащаяся в атомных ядрах и выделяемая при ядерных реакциях и радиоактивном распаде.
По прогнозам, для обеспечения потребностей человечества в энергии органических топлив хватит на 4 - 5 десятилетий. В будущем основным энергоресурсом может стать солнечная энергия. На переходный период требуется источник энергии, практически неисчерпаемый, дешевый, возобновляемый и не загрязняющий окружающую среду. И хотя ядерная энергия не отвечает полностью всем перечисленным требованиям, она развивается быстрыми темпами и с нею связана наша надежда на решение глобального энергетического кризиса.
Освобождение внутренней энергии атомных ядер возможно делением тяжелых ядер или синтезом легких ядер.
Характеристика атома . Атом любого химического элемента состоит из ядра и вращающихся вокруг него электронов. Ядро атома состоит из нейтронов и протонов. В качестве общего названия протона и нейтрона используется термин нуклон. Нейтроны не имеют электрического заряда, протоны заряжены положительно , электроны - отрицательно . Заряд протона по модулю равен заряду электрона.
Число протонов ядра Z совпадает с его атомным номером в периодической системе Менделеева. Число нейтронов в ядре за небольшим исключением больше или равно числу протонов.
Масса атома сосредоточена в ядре и определяется массой нуклонов. Масса одного протона равна массе одного нейтрона. Масса электрона составляет 1/1836 массы протона.
В качестве размерности массы атомов используется атомная единица массы (а.е.м), равная 1,66·10 -27 кг. 1 а.е.м. приблизительно равна массе одного протона. Характеристикой атома является массовое число А, равное суммарному количеству протонов и нейтронов.
Наличие нейтронов позволяет двум атомам иметь различную массу при одинаковых электрических зарядах ядра. Химические свойства этих двух, атомов будут одинаковыми; такие атомы называются изотопами. В литературе слева от обозначения элемента вверху пишут массовое число, а снизу – число протонов.
В качестве ядерного топлива в таких реакторах используется изотоп урана с атомной массой 235 . Природный уран представляет собой смесь трех изотопов: уран-234 (0,006%), уран-235 (0,711%) и уран-238 (99,283%). Изотоп уран-235 обладает уникальными свойствами - в результате поглощения нейтрона малой энергии получается ядро урана-236, которое затем расщепляется - делится на две приблизительно равные части, называемые продуктами деления (осколками). Нуклоны исходного ядра распределяются между осколками деления, однако не все - в среднем 2-3 нейтрона при этом высвобождается. В результате деления масса исходного ядра полностью не сохраняется, часть ее превращается в энергию, главным образом в кинетическую энергию продуктов деления и нейтронов. Величина этой энергии для одного атома урана 235 равна около 200 МэВ.
В активной зоне обычного реактора мощностью 1000 МВт содержится около 1 тыс.т урана, из которого только 3 - 4 % составляет уран-235. Ежесуточно в реакторе расходуется 3 кг этого изотопа. Таким образом, для снабжения реактора топливом ежесуточно должно перерабатываться 430 кг уранового концентрата, а это в среднем составляет 2150 т урановой руды
В результате реакции деления в ядерном горючем образуются быстрые нейтроны. Если они взаимодействуют с соседними ядрами делящегося вещества и, в свою очередь, вызывают в них реакцию деления, происходит лавинообразное нарастание числа актов деления. Такая реакция деления называется цепной ядерной реакцией деления.
Наиболее эффективны для развития цепной реакции деления нейтроны с энергией менее 0,1 кэВ. Их называют тепловыми, так как их энергия сопоставима со средней энергией теплового движения молекул. Для сравнения-энергия, которой обладают нейтроны, образующиеся при распаде ядер составляет 5 МэВ. Их называют быстрыми нейтронами. Для использования таких нейтронов в цепной реакции необходимо их энергию уменьшить (замедлить). Эти функции выполняет замедлитель. В веществах-замедлителях быстрые нейтроны рассеиваются на ядрах, и их энергия переходит в энергию теплового движения атомов вещества-замедлителя. В качестве замедлителя наиболее широко используется графит, жидкие металлы (теплоноситель 1-го контура).
Быстрое развитие цепной реакции сопровождается выделением большого количества тепла и перегревом реактора. Для поддержания стационарного режима реактора в активную зону реактора вводятся регулирующие стержниизматериалов, сильно поглощающих тепловые нейтроны, например, из бора или кадмия.
Кинетическая энергия продуктов распада преобразуется в теплоту. Теплота поглощается теплоносителем, циркулирующим в ядерном реакторе, и передается к теплообменнику (1-й замкнутый контур), где производится пар (2-й контур), который вращает турбину турбогенератора. Теплоносителем в реакторе служит жидкий натрий (1-й контур) и вода (2-й контур).
Уран-235 относится к невозобновляемым ресурсам и при использовании его полностью в ядерных реакторах он исчезнет навсегда. Поэтому привлекательным выглядит использование в качестве исходного топлива изотопа уран-238, встречающегося в гораздо больших количествах. Этот изотоп не поддерживает цепную реакцию под воздействием нейтронов. Но он может поглощать быстрые нейтроны, образуя при этом уран-239. В ядрах урана-239 начинается бета-распад и образуется нептуний-239 (не встречающийся в природе). Этот изотоп также распадается и превращается в плутоний-239 (не встречающийся в природе). Плутоний-239 даже в большей степени подвержен тепловой нейтронной реакции деления. В результате реакции деления в ядерном горючем плутоний-239 образуются быстрые нейтроны, которые вместе с ураном образуют новое горючее и продукты деления, выделяющие в тепловыделяющих элементах (ТВЭЛах) теплоту. В результате из килограмма природного урана можно получить в 20-30 раз больше энергии, чем в обычных ядерных реакторах на уране-235.
В современных конструкциях в качестве теплоносителя используют жидкий натрий. В этом случае реактор может работать при более высоких температурах, увеличивая тем самым термический КПД электростанции до 40% .
Однако физические свойства плутония: токсичность, малая критическая масса для самопроизвольной реакции деления, воспламенение в кислородной среде, хрупкость и самонагрев в металлическом состоянии делают его трудным в производстве, обработке и обращении. Поэтому реакторы-размножители пока менее распространены, чем реакторы на тепловых нейтронах.
В мирных целях атомная энергия используется в атомных электростанциях. Доля АЭС в мировом производстве электроэнергии составляет около 14% .
В качестве примера рассмотрим принцип получения электроэнергии на Воронежской АЭС. В активную зону реактора по каналам направляют под давлением 157 ATM (15,7 МПа) жидкий металлический теплоноситель с температурой на входе 571 К, который нагревается в реакторе до 595 К. Металлический теплоноситель направляется в парогенератор, в который поступает холодная вода, превращающаяся в пар с давлением 65,3 ATM (6,53 МПа). Пар подается на лопатки паровой турбины, которая вращает турбогенератор.
В ядерных реакторах температура производимого пара существенно ниже, чем в парогенераторе ТЭС на органическом топливе. В результате термический КПД АЭС, работающих с водой в качестве теплоносителя, только 30%. Для сравнения, у электростанций, работающих на угле, нефти или газе он достигает 40%.
Атомные электростанции используются в системах электро- и тепло-снабжения населения, а мини-АЭС на морских судах (атомоходы, атомные подводные лодки) для электропривода гребных винтов).
В военных целях ядерную энергию используют в атомных бомбах. Атомная бомба является особым реактором на быстрых нейтронах , в котором происходит быстрая неуправляемая цепная реакция с большим коэффициентом размножения нейтронов. В ядерном реакторе атомной бомбы не предусматриваются замедлители. Размеры и масса устройства вследствие этого становятся небольшими.
Ядерный заряд бомбы на уране-235 делится на две части, в каждой из которых цепная реакция невозможна. Для осуществления взрыва одна из половин заряда выстреливается в другую, а при их соединении почти мгновенно происходит взрывная цепная реакция. Взрывная ядерная реакция приводит к выделению огромной энергии. При этом достигается температура около ста миллионов градусов. Происходит колоссальный рост давления и образуется мощная взрывная волна.
Первый ядерный реактор был пущен в Чикагском университете (США) 2 декабря 1942 года. Первая атомная бомба была взорвана 16 июля 1945 года в Нью-Мехико (г.Аламогордо). Она представляла собой устройство, созданноенапринципе деления плутония. Бомба состояла из плутония, окруженного двумя слоями химического взрывчатого вещества с взрывателями.
Первой атомной электростанцией, давшей ток в 1951 году, была АЭС EBR -1 (США). В бывшем СССР - Обнинская АЭС (Калужская обл, дала ток 27 июня 1954). Первая в СССР АЭС с реактором на быстрых нейтронах мощностью 12 МВт была пущена в 1969 году в городе Димитровграде. В 1984 году в мире работало 317 атомных электростанций суммарной мощностью 191 тысяча МВт, что составило на тот период 12% (1012 кВт-ч) мирового производства электроэнергии. Крупнейшей в мире АЭС по состоянию на 1981 год была АЭС "Библис"(ФРГ), тепловая мощность реакторов которой составляла 7800 МВт.
Термоядерными реакциями называются ядерные реакции синтеза легких ядер в более тяжелые. Элементом, используемым при термоядерном синтезе, является водород. Главное преимущество термоядерного синетза - практически неограниченные ресурсы исходного сырья, которое может быть добыто из морской воды. Водород в том или ином виде составляет 90 % всего вещества. Топлива для термоядерного синтеза, содержащегося в мировом океане, хватит более чем на 1 млрд лет (солнечное излучение и человечество в солнечной системе просуществует ненамного дольше). Сырье для термоядерного синтеза, содержащееся в 33 км океанской воды эквивалентно по своему энергосодержанию всем ресурсам твердых топлив (на Земле воды в 40 миллионов раз больше). Энергия дейтерия, заключенного в стакане воды, эквивалентна сжиганию 300 литров бензина.
Существует 3 изотопа водорода : их атомные массы -1,2 (дейтерий), 3 (тритий). Эти изотопы могут воспроизводить такие ядерные реакции, при которых суммарная масса конечных продуктов реакции меньше, чем суммарная масса веществ, вступивших в реакцию. Разница в массах, как и в случае реакции деления, составляет кинетическую энергию продуктов реакции. В среднем уменьшение массы вещества, участвующего в реакции термоядерного синтеза, на 1 а.е.м. соответствует выделению 931 МэВ энергии:
H 2 +H 2 = H 3 + нейтрон +3,2 МэВ,
H 2 +H 2 = H 3 + пpoтон +4,0 МэВ,
H 2 +H 3 = Не 4 + нейтрон +17,б МэВ.
Трития в природе практически нет. Его можно получить при взаимодействии нейтронов с изотопами лития:
Li 6 +нейтрон = Не 4 +H 3 + 4,8 МэВ.
Слияние ядер легких элементов не происходит естественно (исключая процессы в космосе). Для того, чтобы заставить вступить ядра в реакцию синтеза требуются высокие температуры (порядка 107 -109К). При этом газ представляет собой ионизированную плазму. Проблема удержания этой плазмы представляет собой главное препятствие на пути использования этого метода получения энергии. Температура порядка 10 миллионов градусов характерна для центральной части Солнца. Именно термоядерные реакции являются источником энергии, обеспечивающим излучение Солнца и звезд.
В настоящее время ведутся теоретические и экспериментальные работыпоисследованию способов магнитного и инерционного удержания плазмы.
Метод использования магнитных полей. Создается магнитное поле, которое пронизывает канал движущейся плазмы. Заряженные частицы,из которых состоит плазма, во время движения в магнитном поле подвергаются воздействию сил, направленных перпендикулярно движению частиц и линиям магнитного поля. Вследствие действия этих сил частицы будут двигаться по спирали вдоль линий поля. Чем сильнее магнитное поле, тем плотнее становится поток плазмы, изолируясь тем самым от стенок оболочки.
Инерционное удержание плазмы . В реакторе осуществляются термоядерные взрывы с частотой 20 взрывов в секунду. Для реализации этой идеи частицу термоядерного топлива нагревают с помощью сфокусированного излучения 10 лазеров до температуры зажигания реакции синтеза за время, прежде- чем она успеет разлететься на заметное расстояние вследствие теплового движения атомов (10-9 с).
Термоядерный синтез лежит в основе водородной (термоядерной) бомбы. В такой бомбе происходит самоподдерживающаяся термоядерная реакция взрывного характера. Взрывчатым веществом является смесь дейтерия и трития. В качестве источника энергии активации (источник высоких температур) используется энергия ядерной бомбы деления. Первая в мире термоядерная бомба была создана в СССР в 1953 году.
В конце 50-х годов в СССР начались проработки идеи термоядерного синтеза в реакторах типа ТОКАМАК (тороидальная камера в магнитном поле катушки). Принцип работы заключается в следующем: тороидальная камера вакуумируется и заполняется газовой смесью дейтерия и трития. По смеси пропускается ток в несколько миллионов ампер. За 1-2 секунды температура смеси поднимается до сотен тысяч градусов. В камере образуется плазма. Дальнейший разогревее осуществляется инжекцией нейтральных атомов дейтерия и трития с энергией 100 - 200 кэВ. Температура плазмы поднимается до десятков миллионов градусов и начинается самоподдерживающаяся реакция синтеза. Через 10-20 минут в плазме накопятся тяжелые элементы из частично испаряющегося материала стенок камеры. Плазма остывает, термоядерное горение прекращается. Камеру нужно снова отключать и очистить от накопившихся примесей. Размеры тора при тепловой мощности реактора 5000 МВт следующие: Внешний радиус -10м; внутренний радиус - 2,5 м.
Исследования по изысканию способа управления термоядерными реакциями, т.е. применению термоядерной энергии в мирных целях, развиваются с большой интенсивностью.
В 1991 году на совместной европейской установке в Великобритании впервые было достигнуто значительное энерговыделение в ходе управляемого термоядерного синтеза. Оптимальный режим поддерживался в течение 2 секунд и сопровождался высвобождением энергии порядка 1,7 МВт. Максимальная температура составила 400 млн градусов.
Термоядерный электрогенератор. При использовании дейтерия в качестве термоядерного топлива две трети энергии должно освобождаться в виде кинетической энергии заряженных частиц. Электромагнитными методами эта энергия может быть превращена в электрическую энергию.
Электроэнергия может быть получена при стационарном режиме работы установки и импульсном. В первом случае получающиеся в результате самоподдерживающейся реакции синтеза ионы и электроны тормозятся магнитным полем. Ионный ток от электронного отделяется при помощи поперечного магнитного поля. КПД такой системы при прямом торможении будет около 50%, а остальная энергия перейдет в тепло.
Термоядерные двигатели (не реализованы). Область применения: космические аппараты. Полностью ионизированная дейтериевая плазма при температуре 1 миллиард градусов Цельсия удерживается в виде шнура линейным магнитным полем катушек из сверхпроводников. Рабочее тело подается в камеру через стенки, охлаждая их, и нагревается, обтекая плазменный шнур. Осевая скорость истечения ионов на выходе из магнитного сопла 10000 км/с.
В 1972 году на одном заседаний Римского клуба - организации, изучающей причины и занимающейся поиском решений проблем планетарного масштаба - прозвучал доклад, подготовленный учеными Э. фон Вайнцзеккером, А. Х.Ловинсом и произведший эффект разорвавшейся бомбы. Согласно данным, приведенным в докладе находящихся на планете источников энергии - угля, газа, нефти и урана - хватит до 2030 года. Для добычи угля, с которого можно будет получить энергии на 1 доллар, потребуется затратить энергию, стоимостью 99 центов.
Урана-235, служащего топливом для атомных электростанций, в природе не так уж и мною: всего в мире 5% от общего количества урана, 2% из них приходится на Россию. Поэтому АЭС могут использоваться только во вспомогательных целях. Исследования ученых, пытавшихся получать энергию из плазмы на "ТОКАМАКах", остались по сей день дорогостоящими упражнениями. В 2000 году появились сообщения, что Европейское атомное сообщество (ЦЕРН) и Япония строят первый сегмент ТОКАМАКа.
Спасением может оказаться не "мирный атом" АЭС, а "военный" – энергия термоядерной бомбы.
Свое изобретение российские ученые назвали котел взрывного сгорания (КВС). В основе принципа действия КВС лежит взрыв сверхмалой термоядерной бомбы в специальном саркофаге - котле. Взрывы происходят регулярно. Интересно, что в КВС давление на стенки котла во время взрыва оказывается меньше, чем в цилиндрах обыкновенного автомобиля.
Для безопасной работы КВС внутренний диаметр котла должен быть не менее 100 метров. Двойные стальные стенки и железнобетонная оболочка 30 метровой толщины будут гасить колебания. На сооружение его только высококачественной стали пойдет как на два современных военных линкора. Возводить КВС планируется 5 лет. В 2000 году в одном из закрытых городов России был подготовлен проект по строительству экспериментальной установки под "бомбу" в 2-4 килотонны ядерного эквивалента. Стоимость этого КВС - 500 миллионов долларов. Ученые подсчитали, что он окупится через год, и еще 50 лет будет давать практически бесплатные электроэнергию и тепло. По словам руководителя проекта, стоимость энергии, эквивалентной выделяемой при сжигании тонны нефти, будет менее 10 долларов.
40 КВГ способны удовлетворить потребности всей национальной энергетики. Сотня - всех стран Евразийского континента.
В 1932 году был экспериментально обнаружен позитрон - частица с массой электрона, но с положительным зарядом. Вскоре было высказано предположение о существовании в природе зарядовой симметрии: а) у каждой частицы должна быть античастица; б) законы природы не изменяются при замене всех частиц соответствующими античастицами и наоборот. Антипротон и антинейтрон были открыты в середине 50-х годов. В принципе может существовать антивещество, состоящее из атомов, в ядра которых входят антипротоны и антинейтроны, а их оболочку образуют позитроны.
Сгустки антивеществ космологических размеров составляли бы антимиры, но они не обнаружены в природе. Антивещество синтезировано лишь в лабораторных масштабах. Так, в 1969 году на Серпуховском ускорителе советские физики зарегистрировали ядра антигелия, состоящие из двух антипротонов и одного антинейтрона.
Применительно к возможностям преобразования энергии антивещество примечательно тем, что при соприкосновении его с веществом происходит аннигиляция (уничтожение) с высвобождением колоссальной энергии (оба типа вещества исчезают, превращаясь в излучение). Так, электрон и позитрон, аннигилируя, порождают два фотона. Один вид материи – заряженные массивные частицы - переходит в другой вид материи - в нейтральные безмассовые частицы. Пользуясь соотношением Эйнштейна об зквивалентности энергии и массы (E=mc 2), нетрудно рассчитать, что при аннигиляции одного грамма вещества возникает такая же энергия, какую можно получить при сжигании 10000 тонн каменного угля, а одной тонны антивещества было бы достаточно, чтобы обеспечить на год энергией всю планету.
Астрофизики полагают, что именно аннигиляция обеспечивает гигантскую энергию квазизвездных объектов - квазаров.
В 1979 году группе американских физиков удалось зарегистрировать наличие природных антипротонов. Их принесли космические лучи.
