Ядерная энергия (атомная энергия) – это внутренняя энергия атомного ядра, выделяющаяся при определенной ядерной трансмутации.
Использование ядерной энергии основано на проведении цепной реакции разделения тяжелых атомных ядер и реакций термоядерного синтеза более легких атомных ядер.
Природа и как ее получить
Атомная энергия — это энергия, выделяющаяся при изменениях в ядре атома. Эти превращения могут происходить самопроизвольно (см. Радиоактивность) или при столкновениях нейтронов или ускоренных заряженных частиц с ядрами (см. Ядерные реакции). Эта энергия в миллионы раз превышает химическую энергию, выделяющуюся, например, при горении.
Атомная энергия создается ядерной силой между нуклонами или нейтронами и протонами. В формировании ядерной энергии участвуют силы двух типов: притяжение между всеми нуклонами вследствие сильных остаточных взаимодействий и кулоновское отталкивание между положительно заряженными протонами.
Общая энергия связи изотопа на нуклон
Энергия связи на нуклон
Энергия связи, приходящаяся на нуклон, неодинакова для разных ядер. Наибольшее значение оно имеет для ядер средней массы (8,6 МэВ). Для тяжелых ядер — около 7,5 МэВ, для легких — от 1,1 МэВ (дейтерий) до 7,0 МэВ (4Не). Преобразование ядра с более низкой энергией связи на нуклон в ядро с более высокой энергией связи приводит к высвобождению энергии. Например, при расщеплении ядра с атомной массой А = 200 и средней энергией связи нуклона 7,5 МэВ на два ядра со средней энергией 8,6 МэВ выделяется энергия Е = 200 Х (8,6-7,5).= 220 МэВ. При образовании ядра гелия из двух ядер дейтерия выделяется энергия E = 4 x (7-2・1,1) = 23,6 МэВ.
Термоядерная реакция
Реакции ядерного деления и синтеза могут быть использованы для производства ядерной энергии. Реакции синтеза происходят только тогда, когда ядра подходят ближе, чем на 10^-13 см друг от друга, и в этот момент начинает действовать ядерная сила. Сближению атомных ядер препятствует кулоновское отталкивание. Следовательно, чтобы преодолеть эти силы, атомное ядро должно обладать достаточной энергией. Энергия необходима для создания свободных нейтронов и ускорения заряженных частиц. Вероятность того, что такая частица попадет в ядро атома, крайне мала. Поэтому потребляемая энергия превышает энергию, выделяемую при ядерной реакции. Увеличение энергии получается только тогда, когда превращение происходит в результате цепной реакции. Реакции ядерного синтеза могут привести к цепным реакциям при очень высоких температурах в десятки и даже сотни миллионов градусов (см.
Обратите внимание: MIT: ядерная энергия является неотъемлемой частью будущего энергетики с низким содержанием углерода.
Термоядерные реакции). В этих условиях вещество существует в виде плазмы, а энергия отдельных частиц плазмы (ε = 3/2 кТл) достаточна для преодоления кулоновского отталкивания. Такие высокие температуры существуют внутри звезд, одной из которых является Солнце. Выделение солнечной энергии является результатом реакций термоядерного синтеза.В области освоения реакций управляемого термоядерного синтеза уже решена одна из основных проблем: адиабатическая плазма, осуществляемая с использованием магнитных полей. Что особенно важно в реакциях ядерного синтеза, так это то, что дейтерий можно использовать в качестве «топлива» практически без ограничений. Дейтерий присутствует в тяжелой воде, смеси вод морей и океанов.
раскол ядра
Могут возникать цепные реакции деления, поскольку деление каждого ядра включает высвобождение нескольких нейтронов, которые при захвате другими ядрами могут высвободить новые нейтроны и снова вызвать деление. В среднем на каждое деление приходится несколько нейтронов, поэтому цепная реакция происходит автономно. Когда цепная реакция происходит очень быстро, она приобретает характеристики взрыва, например атомной бомбы. После взрыва атомной бомбы возникают чрезвычайно высокие температуры. Это необходимое условие возникновения термоядерных реакций. В настоящее время он используется только в водородных бомбах. Скорость цепных реакций ядерного деления в настоящее время регулируется только внутри ядерных реакторов. Энергия, выделяющаяся в результате этих реакций, отводится из реактора в виде тепла с помощью теплоносителя, такого как вода, пар, жидкий металл или газ. Эта тепловая энергия используется в атомных электростанциях и ядерных двигателях.
как использовать
Ядерная энергия используется человечеством в военных целях, для производства электроэнергии и атомных электростанций (двигателей).
Середина 20 века. Были созданы атомная и водородная бомбы. К концу этого столетия пять ядерных держав накопили достаточно ядерного оружия, чтобы уничтожить все человечество.
Использование атомной энергии облегчается, прежде всего, тем, что на первом этапе ее использования стоимость электроэнергии, получаемой на атомных и угольных электростанциях, примерно одинакова.
Экономическое преимущество атомных электростанций перед тепловыми будет продолжать расти, как за счет их усовершенствований, так и за счет роста цен на уголь, торф, нефть и природный газ, запасы которых в недрах Земли быстро сокращаются. При нынешних темпах роста энергопотребления запасов этого топлива может хватить на 100–150 лет, но использование ядерных реакций для разделения урана, тория и плутония продлит этот период еще на 200–300 лет.
Только овладев реакциями термоядерного синтеза, мы сможем обеспечить человечество энергией в неограниченных количествах и на неограниченный период времени.
Использовать как энергию
Основой атомной энергетики являются атомные электростанции, которые обеспечивают примерно 6% мирового производства энергии и 13-14% электроэнергии. Первая в мире атомная электростанция была построена в Советском Союзе и вступила в строй 27 июня 1954 года. По данным МАГАТЭ, в 2007 году в 31 стране мира работало 439 промышленных ядерных реакторов.
Использование в технике
В 1959 году Советский Союз построил первый в мире ледокол «Ленин», оснащенный атомной энергетической установкой, а по состоянию на 2012 год по всему миру построено более 150 судов, оснащенных атомной энергетической установкой.
Больше интересных статей здесь: Новости науки и техники.
Источник статьи: Ядерная энергия - что это такое?.