Ядерная, или атомная, энергия представляет собой колоссальную внутреннюю энергию, заключенную в ядре атома. Она высвобождается в процессе ядерных превращений, таких как деление тяжелых ядер или синтез легких. Именно на этих фундаментальных физических принципах основано практическое использование атомной энергии человеком.
Сущность и источники ядерной энергии
Эта форма энергии возникает из-за ядерных сил, связывающих протоны и нейтроны (нуклоны) внутри атомного ядра. Её природа двойственна: с одной стороны, действуют мощные силы притяжения между нуклонами, а с другой — силы электростатического отталкивания между положительно заряженными протонами. Выделение энергии происходит при любом изменении структуры ядра, будь то самопроизвольный радиоактивный распад или искусственно вызванная ядерная реакция. Важно понимать, что энергетический выход ядерных процессов в миллионы раз превышает энергию, получаемую от обычных химических реакций, например, от сжигания топлива.
График, иллюстрирующий зависимость энергии связи нуклона от массового числа ядра.
Ключевые понятия: энергия связи и цепные реакции
Количество энергии, удерживающей ядро в целостности, неодинаково для разных элементов. Наибольшая энергия связи на один нуклон наблюдается у ядер средней массы (около 8.6 МэВ), что делает их наиболее стабильными. При превращении менее стабильного ядра (с меньшей энергией связи) в более стабильное (с большей энергией связи) происходит выделение огромного количества энергии. Например, при делении тяжелого ядра урана на два осколка средней массы высвобождается около 220 МэВ.
Для практического использования критически важны цепные реакции. При делении ядра, помимо осколков, испускаются несколько свободных нейтронов. Эти нейтроны, в свою очередь, могут вызвать деление соседних ядер, порождая новые нейтроны. Таким образом, реакция становится самоподдерживающейся. Скорость этой реакции можно контролировать (как в ядерных реакторах) или позволить ей развиться мгновенно (как в атомной бомбе).
Два пути: деление и синтез
Человечество научилось использовать два типа ядерных реакций для получения энергии:
1. Деление тяжелых ядер (например, урана-235 или плутония). Это основа современной атомной энергетики. Управляемая цепная реакция поддерживается в ядерном реакторе, где выделяемое тепло через теплоноситель (воду, пар, газ) преобразуется в электричество на АЭС или используется для движения, как на атомных ледоколах и подводных лодках.
2. Термоядерный синтез легких ядер (например, дейтерия и трития). Это процесс, питающий Солнце и другие звезды. Для его запуска необходимо преодолеть электростатическое отталкивание ядер, для чего требуется разогреть вещество до состояния плазмы с температурой в десятки миллионов градусов. Управляемый термоядерный синтез — это энергия будущего, так как запасы топлива для него (дейтерий в воде океанов) практически неисчерпаемы, а реакция экологически чище. Пока что она реализована только в неуправляемом виде — в водородной бомбе.
Обратите внимание: MIT: ядерная энергия является неотъемлемой частью будущего энергетики с низким содержанием углерода.
Применение и перспективы ядерной энергии
Сфера применения атомной энергии обширна и неоднозначна:
- Военная: создание ядерного оружия (атомные и водородные бомбы), которое стало глобальным стратегическим фактором.
- Энергетическая: производство электроэнергии на атомных электростанциях. На сегодняшний день АЭС обеспечивают около 13-14% мировой электроэнергии. Первая в мире промышленная АЭС была запущена в СССР в 1954 году.
- Транспортная: силовые установки для атомных ледоколов (первый — «Ленин», 1959 г.), подводных лодок и некоторых космических аппаратов.
Экономическая целесообразность атомной энергетики растет по мере истощения запасов органического топлива (угля, нефти, газа). Реакции деления урана и тория могут продлить период доступной энергии на сотни лет, а освоение управляемого термоядерного синтеза открывает принципиально новую эру — эру практически неограниченной и чистой энергии для человечества.
Таким образом, ядерная энергия — это мощнейший инструмент, который, в зависимости от целей его применения, может служить как источником прогресса и развития, так и нести колоссальные риски.
Больше интересных статей здесь: Новости науки и техники.
Источник статьи: Ядерная энергия - что это такое?.