Ядерная энергия: объясняем
Человечеству нужна энергия и с каждым годом эта потребность растет и растет. За последние 30 лет потребление энергии на планете выросло почти в 2 раза до почти 200 тысяч тераватт час. Мало кто сейчас скажет, что нам надо поменьше электричества. Все наоборот хотят только больше и больше. И мы придумали много разных способов добывать это электричество. Уголь, газ, солнечная энергия, энергия воды, а кто-то даже приручил энергию волн для генерации электричества. И с углем, и с нефтью все примерно понятно, тут тенденция к уменьшению потребления, а вот солнечная и ветряная энергетика точно будут возрастать.
Но есть один тип добычи энергии стоит как бы в стороне, являясь чуть ли не самым завораживающим. Ведь человечество подчинило себе энергию расщепления атомов. Но при этом ядерная энергетика всегда вызывает ожесточенные споры. Нужна она или нет, насколько она безопасна, что там с экологией, можем ли мы себе позволить отказ от нее, что делать с отходами, как модернизировать реакторы? Вопросов действительно очень много и они сложные!
И сегодня мы расскажем вам о том, что такое ядерная реакция, почему радиоактивных элементов сильно больше, чем вы думаете и как вообще разрушаются атомы. Ну а также разберемся, как работают ядерные реакторы, и чем бедный уран отличается от обогащенного. Устраивайтесь поудобнее, нас ждет долгое путешествие в мир атомной энергетики.
Как выбрать пленочный фотоаппарат?
Не секрет, что все в команде Droider просто обожают пленочную фотографию и у каждого ведущего своя мини-коллекция легендарных фотоаппаратов.
Сегодня мы переживаем настоящее возрождение аналоговой фотографии: можно найти кучу фото- и кинопленок, проявить их и отсканировать и получить подлинное удовольствие от процесса.
Но как выбрать себе фотокамеру и не ошибиться? Об этом можно почитать в статье от наших друзей из Hi-Tech.Mail.ru, бонусом в которой – рассказ от Бори, Валеры и Мити об их пленочном опыте и их камерах.
Залетайте по ссылке и узнавайте все про фотоаппараты и не только, ведь на Hi-Tech.Mail.ru есть еще и свежие новости гаджетов и технологий, обзоры, а также новости науки и космоса. Ну и лайфхаки – без них никуда!
Ядерная реакция
Для начала нам надо разобраться с тем что такое ядерная реакция вообще. Это даст нам ключ к пониманию того, как работает большинство ядерных реакторов на Земле. Приготовьтесь сейчас будет немного теории, но очень интересной!
Для того чтобы понять что такое ядерная реакция надо посмотреть на таблицу Менделеева. Там много элементов, на данный момент их там аж целых 118 штук.
И идут они в порядке увеличения массы ядра атома, а ядро состоит из протонов и нейтронов. Как мы помним протоны — положительные частицы, а нейтроны — никак не заряжены. Вот чем дальше элемент в таблице Менделеева, тем тяжелее его ядро, то есть тем больше там протонов и нейтронов как бы слиплось вместе. Так вот ядерная реакция — это когда ядро любого атома может реагировать с ядрами других атомов. Но не только с ядрами, а и просто с нейтронами и протонами. Очень важно понять, что это именно взаимодействие ядра атома!
То есть представим что у нас есть водород, массой один, где всего в ядре 1 протон. Так вот, если попасть в него еще тремя атомами водорода, то из водорода можно уже сделать атом Гелия. Кстати, это и есть знаменитый термоядерный синтез, который происходит в звездах! Но вы можете заметить, что иногда мы говорим Водород с массой 1, а иногда он может быть с массой 2 или даже 3. Так вот массу ему добавляют нейтроны! И называют это все изотопами водорода. А именно дейтерий и тритий!
Изотоп — это когда элемент остается тем же самым, то есть количество протонов остается неизменным. Но при этом имеет у себя в ядре чуть больше или чуть меньше нейтронов.
Так вот путем прибавления или убавления от атома протонов и нейтронов, в теории, мы можем получать разные элементы. Казалось бы, так просто взял и из водорода начал делать золото, но процесс этот в реальности просто невероятно трудный и требует энергий целых звезд. Вообще ядерные реакции в звездах — это именно то, почему образовались все элементы во вселенной. То есть в принципе вообще все вокруг нас!
Радиоактивность
Итак, изотопы — это одни и те же элементы, но с разными массами. Изотопы бывают стабильные, а бывают нестабильные!
Тут мы подходим к важному понятию радиоактивности, без которого нам в нашем рассказе просто никуда. Нестабильные изотопы материалов — это и есть радиоактивные вещества. То есть вещества которые имеют период полураспада. Я уверен, что вы все помните такой термин из школьной программы.
Этот период — это время за которое радиоактивный, то есть нестабильный изотоп, грубо говоря развалился с вероятностью в 50%. Ну или если сказать иначе, то за это время ровно половина нестабильных изотопов разваливается. И вот тут интересный факт — как уже говорили в таблице менделеева всего 118 элементов, при этом комбинаций в которых могут существовать ядра атомов около трех тысяч вариантов! И самое интересное, что большинство из них радиоактивные! Всего триста типов ядер из этих трех тысяч являются стабильными! Вообще радиоактивными элементами являются все элементы, идущие в таблице Менделеева после свинца, который под 82 номером.
И период полураспада у всех радиоактивных элементов может быть кардинально разный. Например у изотопа Водорода с массой равной Семи, период полураспада всего 10 в — 24 степени секунды или 0.000 000 000 000 000 000 000 001 секунды.
А например у изотопа Теллура — с массой 124, этот период уже 10 в 24 степени лет! При этом он все еще нестабилен! А разброс в 48 порядков! Ну а вообще только посмотрите сколько изотопов может быть даже у азота и при этом всего 2 стабильных!
Уран и его расщепление
Хорошо. Мы наконец-то поняли что такое ядерные реакции и как они работают. Это взаимодействие ядра атома с разными частицами, но в данном случае нам интересно именно взаимодействие ядра с нейтронами! И вы можете спросить, а почему?
Да и вообще при чем тут уран? И как он вообще помогает нам получать энергию? Смотрите!
Суть в том, что атом Урана тяжелый. Он идет под номером 92 в таблице менделеева. А точнее Уран 238 — это самый тяжелый из встречающихся на земле веществ. В ядре такого урана 92 протона и 146 нейтронов, то есть в сумме 238! А при неоптимальном соотношении числа протонов и нейтронов в ядре оно становится нестабильным. И Уран, благодаря своей массе и потенциальной нестабильности, стал просто идеальным кандидатом для проведения ядерных реакций. Осталось только понять как.
Но проблема в том, что самый распространенный уран 238 довольно стабильный изотоп, и его развалить очень трудно!
Чего не скажешь об Уране 235. И вот тут все становится интересно. Оказывается в Урановых рудах встречаются в основном 2 изотопа Урана. 99% это именно стабильный 238-ой уран, а всего 1% во всех рудах — именно 235-ый.
И он интересен именно тем, что при попадании в него случайного нейтрона, он образует Изотоп Урана 236, а вот он уже жутко нестабилен и почти мгновенно разрушается на два элемента — Барий и Криптон. Ну и кроме того образуется пару дополнительных нейтронов и выделением просто колоссальной энергии! Насколько много?
Из 1 грамма урана 235 можно получить 23 Мега Вт·ч энергии! Для сравнения целая тонна угля выделяет всего 2 Мега Вт·ч энергии! В 10 раз меньше из целой тонны! Этого достаточно чтобы питать энергией целый дом, примерно 2 года! Или просто зарядить теслу раз двести! Всего из одного грамма вещества.
Но нам очень повезло, если можно так сказать, что Урана в земной коре достаточно много. Его, например, сильно больше, чем даже серебра! Он в целом считается 35 элементом по распространенности на Земле! Таких распространенных элементов всего два, которые могут относительно легко распадаться и производить энергию. Это Уран и Торий! Осталось всего ничего. Научиться контролировать и запускать этот распад урана 235!
И тут надо немного окунуться в историю.
История
В 1939 году великий ученый Энрико Ферми предсказал, что при делении атомных ядер Урана 235 могут испускаться нейтроны, которые попадая в соседние атомные ядра такого же урана, могут вызвать их деление.
Изначально проблема была в том, чтобы обеспечить самоподдерживающуюся, то есть цепную реакцию. Для этого надо было, чтобы выделялось больше нейтронов, чем поглощается атомами, то есть чтобы коэффициент размножения нейтронов был больше единицы!
И вот уже в 1941 году Ферми, совместно со своей группой, смог получить этот коэффициент больше единицы. А потом в 1942 году уже в чикагском университете построил первый в истории ядерный реактор!
Фактически, его исследования положили начало созданию всей ядерной индустрии США. И понятное дело, что исследования, которые позволяли получать из очень малого количества вещества просто колоссальные энергии просто не могли не заинтересовать военных.
Ну а поскольку в период с 1939 по 1945 происходили всем нам хорошо известные события, то и деньги в эти разработки вкладывались просто невероятные! Именно так известный Манхэттенский проект по созданию атомного оружия и получился. Ну а параллельно с этим, естественно Германия и СССР также занимались своими разработками в этой перспективной области. Немцы относительно успешно закончили разработк и в феврале 45-ого, однако совсем вскоре, по понятным причинам, немецкая ядерная программа того времени была свернута. Чего не скажешь о Советской. Под руководством Курчатова первый реактор на территории СССР и Европы был запущен уже в конце 1946 года.
Естественно, в это же время и этими же самыми людьми разрабатывались и первые ядерные бомбы, но о них мы расскажем в другой раз. К сожалению, именно поэтому, прекрасная ядерная энергетика всегда будет неотделима от самого страшного оружия в истории человечества.
Ядерные реакторы
Для создания реакторов необходимо было обеспечить цепную реакцию. То есть такую реакцию, когда нейтроны из разделившегося атома Урана 235, попадают в другой атом Урана 235, который также разделяется. И так далее…
Начинается фактически лавина из нейтронов, которые начинают разбивать все попадающиеся на пути атомы Урана 235, с выделением огромной энергии! Но как вы помните в руде которую добывают из земли этого Урана 235 совсем немного. В основном там 238, который особой пользы нам не несет. Для ядерных реакторов обычно нужно топливо, где содержится от 2 до 10% Урана 235. Это именно и нужно для того чтобы поддерживать цепную реакцию в реакторе, чтобы нейтроны чаще попадали именно в ядра Урана 235!
Так вот процесс когда в ядерном топливе повышают концентрацию именно 235-ого урана называется обогащением топлива. И это очень интересный процесс!
Так вот после обогащения формируется маленькие урановые таблеточки толщиной всего в пару сантиметров. Потом они загружаются в специальные тепловыделяющие элементы, или ТВЕЛы. Это и есть эти длинные штыри, которые видно на всех фотографиях в видео из ядерных реакторов.
Они уже собираются в специальные сборки которые погружаются в активную зону реактора! Далее куча таких сборок погружается фактически в бассейн с водой, и реактор запускается!
Кстати, никогда не задумывались как запускают ядерный реактор? Откуда там первичный пучок нейтронов берется, который запускает цепную реакцию? Так вот одновременно с ТВЕЛами опускаются и источники нейтронов на основе Плутония-238 или Калифорния-252, которые и являются начальными источниками нейтронов. Ну а далее начинается цепная реакция и выделение тепла, которое как-то надо собрать и превратить в электроэнергию. К счастью, человечество давно научилось это делать с помощью электрогенераторов и потока теплой воды или пара! И именно поэтому ядерные реакторы всегда в воде — это именно та вода, которая греется и передает энергию на специальные турбины генераторов Безусловно есть разные типы реакторов, какие-то испаряют воду в перегретый пар, какие-то наоборот используют жидкую воду под давлением, но суть именно такая.
Реакция разрушения ядер Урана 235 выделяет огромное количество тепла, которое греет теплоноситель вокруг топлива. И этот теплоноситель уже помогает генерировать электроэнергию! Но при этом саму цепную реакцию тоже надо контролировать, иначе все просто расплавится и закипит!
Для этого как раз и используются графитовые стержни, которые то опускаются, то поднимаются из активной зоны реактора. Видите ли — графит оказался отличным замедлителем нейтронов.
И путем правильного баланса погружения углеродных стержней можно поддерживать определенную скорость ядерной реакции, то есть количество нейтронов которые попадают в Уран 235!
Выводы
Ядерные реакторы — это очередное доказательство того, как наука служит человеку! Ядерные реакторы напрямую доказали, что мы как вид научились расщеплять атомы и получать из них энергию! Это просто невероятная технология, поражающая своей красотой и сложностью, однако сейчас она переживает не самые лучшие времена.
После аварии на Чернобыльской АЭС, и в особенности после аварии в Фукусиме, мы все больше склоняемся к тому, что риски, которые рождает атомная энергетика, не стоят того, чтобы дальше развивать это направление. Да и финансовая сторона вопроса тоже очень сложна!
Но с негативными факторами, кстати, очень многие не согласны. Защитники атомной энергетики говорят о невероятной безопасности современных реакторов и высокой экологичности. Однако, факты говорят за себя. Ядерная энергетика, к сожалению, почти не развивается. Технологии реакторов не сильно продвинулись за последние лет двадцать, а по всему миру массово закрывают реакторы и переходят на более безопасный газ и возобновляемые источники энергии. Например, в Германии закрыли все шесть АЭС за год.
Но на самом деле все не так грустно. Ядерная энергетика может довольно скоро пережить ренессанс, все-таки наука не стоит на месте и какое-то развитие все же идет, хоть и сильно медленнее, чем планировалось изначально.
Например, в России сейчас активно исследуется возможность создания реактора на быстрый нейтронах, который позволит использовать именно Уран 238. И все еще есть планы по развитию, так называемых Ториевых реакторов, которые в перспективе должны были свести потенциал жутких катастроф на нет. Кроме того у Тория получаются чище отходы. Ну а еще ториевые реакторы практически сводят на нет возможность производства топлива для ядерного оружия! Хотя, как обычно, есть и другое мнение про них.
В 2011 году в MIT было сказано, что перспектив у ториевых реакторов для реального коммерческого применения мало из-за более низкой производительности.
* Реклама. ООО «ВК», ИНН 7743001840, erid: 2VtzqwNguh7
Post Views: 1 579