Ядерная энергия

Материал из «Знание.Вики»
Виды энергии:
Atwood machine.svg Механическая  Потенциальная
 Кинетическая
Внутренняя
Sun corner.svg Электромагнитная  Электрическая
 Магнитная
Oil&gas portal logo.PNG Химическая
Radiation symbol alternate.svg Ядерная
Гравитационная
Вакуума
Гипотетические:
Тёмная
См. также: Закон сохранения энергии

Я́дерная эне́ргия (атомная энергия) — энергия, которая содержится в атомном ядре, состоящем из нейтронов[1] и протонов, и выделяется при ядерной реакции. В природе ядерная энергия выделяется в звездах, человек применяет ядерную энергию в ядерной энергетике, ядерном оружии, на атомных электростанциях[2].

История

В 1932 году английский физик Джеймс Чедвик совершил фундаментальное открытие в области физики. Он обнаружил неизвестное до того времени в ядре атома, которое стало известно миру как нейтрон. Из-за отсутствия какого-либо заряда частица получила название нейтрон, открытие считается началом современной ядерной физики. В 1935 году Джеймсу Чедвику за это открытие была присуждена Нобелевская премия.

В январе 1939 года весь мир потрясло известие о возможности деления ядер урана (при бомбардировке их нейтронами) на две почти равные части, причем вследствие процесса деления образуются 2-3 нейтрона (Лиза Мейтнер, Отто Фриш, Отто Хан, Фриц Штрассман). Уже первая информация о теории процесса деления позволила сделать фантастические выводы: новая форма ядерной реакции высвобождает огромное количество энергии и появляется возможность произвести цепную ядерную реакцию.

Для названия изотопа обычно используется буквенное обозначение химического элемента с верхним индексом — атомной массой и (иногда) нижним индексом — атомным номером, например, изотоп уран-238

Следующим выдающимся открытием, совершенным после подтверждения существования нейтрона Чедвиком, стало открытие искусственной радиоактивности Ирен и Фредерико Жолио-Кюри в 1934 году. Их эксперимент заключался в облучении ядер алюминия-27 альфа-частицами. В результате этой бомбардировки происходила ядерная реакция: ядро алюминия поглощало альфа-частицу (ядро гелия-4), превращаясь в ядро кремния-31. Однако этот кремний-31 был неустойчив и мгновенно распадался, испуская позитрон (античастицу электрона) и превращаясь в стабильный изотоп фосфора-30.Этот фосфор-30 был искусственным радиоактивным изотопом, поскольку он не встречается в природе. Природный фосфор на 100 % состоит из фосфора-31. Открытие искусственной радиоактивности Жолио-Кюри продемонстрировало, что радиоактивность является не только свойством естественных элементов, но и индуцирована с помощью ядерных реакций. Это открытие имело огромные последствия для развития ядерной физики и химии, позволив ученым синтезировать новые радиоактивные изотопы и использовать их в различных областях науки и техники.

Активное развитие атомной энергии пришлось на 1970-е годы. В этот период мировое потребление электроэнергии начало бурно расти и существующие гидроэнергетические ресурсы большинства развитых стран уже не могли удовлетворить спрос. В результате начали резко расти цены на основные виды топлива[3].

Деление ядер

Типичное распределение масс осколков деления. Схема представлена для урана-235

Ядерное деление — реакция, в ходе которой ядро атома расщепляется на два и более меньших ядер при этом происходит высвобождение энергии . Открытие нейтрона Джеймсом Чедвиком в 1932 году открыло новые горизонты в исследовании ядерной физики. Почти сразу же начались исследования взаимодействия нейтронов с ядрами. Одновременно, в Англии, Джон Кокрофт и Эрнест Уолтон разработали первый ускоритель протонов, способный расщеплять ядра. Эти достижения позволили ученым изучать ядерные реакции с использованием ускоренных частиц, что впоследствии привело к революционным открытиям.

В течение следующих нескольких лет, несколько выдающихся ученых — Нильс Бор, Яков Френкель и Джон Уилер — разработали важнейшие теоретические модели, которые позволили понять механизмы взаимодействия нейтронов с ядрами.

При делении урана тепловым нейтроном возникает не только два более лёгких ядра (осколка деления), но также излучаются 2 или 3 (в среднем 2,5 для 235U) нейтрона, имеющие высокую кинетическую энергию.

В рамках капельной модели ядра атомное ядро рассматривается как капелька жидкости, где частицы внутри притягиваются друг к другу, а протоны (частицы с положительным зарядом) отталкиваются. На нуклоны действуют уравновешивающие друг друга ядерные силы притяжения и электростатические силы отталкивания (между протонами), стремящиеся разорвать ядро. В процессе деления ядро изменяет форму: из сферического оно деформируется в вытянутый эллипсоид, затем на экваторе эллипсоида образуется перетяжка. Возникает фигура, которая напоминает гантелью, и когда перетяжка рвётся, образуются осколки деления. Деформация ядра похожа на растягивание капли жидкости, что затрудняется силами поверхностного натяжения.

Чтобы расколоть ядро, можно использовать не только нейтроны, но и другие заряженные частицы, например, альфа-частицы, протоны или дейтроны. Однако им нужно больше энергии, чтобы преодолеть силы отталкивания между заряженными частицами ядра[4].

Применение ядерной энергии

Медицина

В медицине ядерная энергия используется в рентгенодиагностике, заключающейся в регистрации излучения, производимого рентгеновской лампой, ослабленного за счет частичного поглощения пациентом. Используемые рентгеновские аппараты позволяют делать снимки грудной клетки или черепа и т. д. Также ядерная энергия используется для изготовления лекарств. Радиоактивное излучение применяется для стерилизации медицинских инструментов и лекарственных препаратов.

Ядерная энергетика

Балаковская АЭС

Ядерные электростанции (АЭС) являются основным источником безуглеродной энергии. АЭС работают на принципе ядерного деления, превращая тепловую энергию, выделяемую при делении ядер урана, в электрическую. Ядерные реакторы могут использоваться для опреснения морской воды. Ядерная энергия также используется для теплоснабжения городов и промышленных предприятий. В некоторых странах ядерная энергия используется для создания централизованных систем теплоснабжения (ТЭЦ).

Военное дело

Энергия деления ядер урана или плутония применяется в ядерном и термоядерном оружии (как пускатель термоядерной реакции и как источник дополнительной энергии при делении ядер нейтронами, возникающими в термоядерных реакциях.

Промышленность

Радиоактивные изотопы используются для контроля качества продукции в различных отраслях промышленности, например, в металлургии, нефтехимии, пищевой промышленности и т. д. Радиоактивное излучение применяется для модификации свойств материалов, например, для увеличения их прочности, стойкости к коррозии[2].

Примечания

  1. Откуда берется ядерная энергия? Научные основы ядерной энергетики. Международное агентство по атомной энергии. Дата обращения: 18 мая 2024.
  2. 2,0 2,1 Ядерная энергетика. Атомэнергомаш. Атомное и энергетическое машиностроение.. Дата обращения: 18 мая 2024.
  3. А. Мотляев. Уран: факты и фактики. Элементы. Дата обращения: 28 мая 2024.
  4. Болоздыня А.И. Деление ядер. Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ». Дата обращения: 19 мая 2024.
WLW Checked Off icon.svg Данная статья имеет статус «готовой». Это не говорит о качестве статьи, однако в ней уже в достаточной степени раскрыта основная тема. Если вы хотите улучшить статью — правьте смело!