Атомная энергетика

     Содержание: 
Феномен атома. Модель атома Резерфорда. 
Создание модели атома: квантовая теория и спектроскопия. 
Атомная энергетика 
Радиоактивность: ее открытие и природа. 
Получение ядерной энергии. 
Ядерные реакторы: классификация. 
Термоядерная энергия – основа энергетики будущего 
Атомное оружие 
Современные атомные бомбы и снаряды 
Современные термоядерные бомбы и снаряды 
«Чистая» водородная бомба 
Атом и экология.

     Дешевая энергия (точнее, искусственное занижение  цен на нее) сделала экономически невыгодными практически все  энергосберегающие технологии. Нужно  переходить на новые экономические технологии в промышленных масштабах, заменять изношенное оборудование более совершенным, применять высокоэффективные теплоизоляционные материалы и т.д. Другими словами, прежде чем сэкономить, необходимо крупно потратиться. Некоторые специалисты считают, что в рамках энергосберегающей политики необходимо решить в первую очередь следующие задачи: Прежде всего, прекратить сооружение и разработку проектов сверхмощных энергетических комплексов и сверхдальних электропередач, а также мощных ГЭС. Обязательно проводить независимую экологическую экспертизу проектов. Создать условия для здоровой конкуренции между производителями электроэнергии. Проанализировать экономическую обоснованность отечественных теплофикационных систем в сравнении с зарубежной практикой. Развернуть широким фронтом проектирование и строительство экологически чистых ТЭС, рассредоточенных по всей стране. Нацелить научно-исследовательские институты, на создание конкурентноспособного, эффективного энергетического оборудования малой средней мощности. Наряду с этим следует обратить внимание на разработку альтернативных источников энергии, с внедрением которых будет решен сразу целый комплекс проблем.

1. Атомная энергетика

     Ядерная энергия играет исключительную роль в современном мире: ядерное оружие оказывает влияние на политику, оно  нависло угрозой над всем, живущим  на Земле. А пока человечество стремится  утолить свои непрерывно растущие потребности  в энергии путем беспредельного развития ядерной энергетики, радиоактивные  отходы загрязняют нашу планету. В действительности жизнь на Земле всегда зависела от ядерной энергии: ядерный синтез питает энергией Солнце, радиоактивные процессы в недрах Земли нагревают ее жидкое ядро влияют на подвижность материковых плит. Ядерная энергия выделяется, во-первых, при радиоактивном распаде и делении атомного ядра, а во-вторых, с процессе синтеза – слияния легких ядер в более тяжелые. 

     1.1 Радиоактивность – ее открытие и природа.

     Радиоактивность была открыта Антуаном Беккерелем (1852 – 1908). После получения радия стало ясно, что радиоактивный процесс сопровождается выделением огромного количества энергии. Распад радия происходит в несколько стадий, при этом выделяется в 2*105 раз больше энергии, чем при сгорании такой же массы угля. Ядро атома имеет диаметр порядка 10-12 сантиметров и состоит из протонов (положительно заряженных частиц) и нейтронов (нейтральных частиц с массой, почти равной массе протона). Только ядро водорода состоит лишь из одного-единственного протона (и не содержит нейтронов). Большинство элементов представляет собой смесь изотопов, ядра которых различаются числом нейтронов.

     Получение ядерной энергии.  Получение ядерной  энергии в больших количествах  впервые было достигнуто в цепной реакции деления ядер урана. Когда  изотоп уран-235 поглощает нейтрон, ядро урана распадается на две части  и при этом вылетают два – три  нейтрона. Если из числа нейтронов, образующихся после каждого акта деления, в следующем участвует  в среднем более одного нейтрона, то процесс экспоненциально нарастает, приводя к неуправляемой цепной реакции. Для преобразования ядерной  энергии в электрическую этот процесс необходимо замедлить и сделать управляемым; тогда его можно использовать для получения тепла, которое затем превращается в электричество. Ядерный реактор – это своего рода «печка». Вероятность деления ядра урана-235 велика, если последний движется сравнительно медленно (со скоростью около 2 км/c). Для замедления нейтронов в ядерный реактор помещают специальные материалы, называемые замедлителями.

2. Ядерные реакторы: классификация.

     Ядерные реакторы можно классифицировать по типу применяемых в них замедлителей: реакторы на графите, на воде и на тяжелой  воде. Тяжелой называется вода, в  которой обычный водород заменен  его тяжелым изотопом – дейтерием. Тяжелая вода поглощает значительно  больше электронов, чем обычная. Для  поддержания цепной реакции необходимо определенное количество делящегося вещества. Если в реакторе теряется в результате поглощения или испускания больше нейтронов, чем возникает, то реакция не будет  самоподдерживающейся. Если же, наоборот, нейтронов возникает больше, чем  теряется, то реакция становится самоподдерживающейся и нарастающей. 
Минимальное количество вещества, обеспечивающее самоподдерживающееся протекание реакции, называется критической массой. Для нормальной работы ядерного реактора поток нейтронов должен поддерживаться постоянным на требуемом уровне. Режим работы реактора регулируют, вдвигая и выдвигая стержни из поглощающего материала. 

     3. Термоядерная энергия – основа энергетики будущего.

     Первая  половина 20 века завершилась крупнейшей победой науки – техническим  решением задачи использования громадных  запасов энергии тяжелых атомных  ядер – урана и тория. Этого  вида топлива, сжигаемого в атомных  котлах, не так уж много в земной коре. Если всю энергетику земного  шара перевести на него, то при современных  темпах роста потребления энергии  урана и тория хватит лишь на 100 – 200 лет. За этот же срок исчерпаются запасы угля и нефти.

     Вторая  половина 20 века будет веком термоядерной энергии. В термоядерных реакциях происходит выделение энергии в процессе превращения водорода в гелий. Быстро протекающие термоядерные реакции  осуществляются, как говорилось выше, в водородных бомбах. Сейчас перед наукой стоит задача осуществления термоядерной реакции не в виде взрыва, а в форме управляемого, спокойно протекающего процесса. Решение этой задачи даст возможность использовать громадные запасы водорода на Земле в качестве ядерного топлива.

     В термоядерных реакторах, безусловно, будет  использоваться не обычный, а тяжелый  водород. В результате использования водорода с атомным весом, отличным от наиболее часто встречающегося в природе, удастся получить ситуацию, при которой литр обычной воды по энергии окажется равноценен примерно 400 литрам нефти. Элементарные расчеты показывают, что дейтерия (разновидность водорода, которая будет использоваться в подобных реакциях) хватит на земле на сотни лет при самом бурном развитии энергетики, в результате чего проблема заботы о топливе отпадет практически навсегда.

4. Атомное оружие.

     Атомное оружие – самое мощное оружие на сегодняшний день, находящееся на вооружении пяти стран-сверхдежав: России, США, Великобритании, Франции и Китая. Существует также ряд государств, которые ведут более-менее успешные разработки атомного оружия, однако их исследования или не закончены, или эти страны не обладают необходимыми средствами доставки оружия к цели, что делает его бессмысленным. Индия, Пакистан, Северная Корея, Ирак, Иран имеют разработки ядерного оружия на разных уровнях, ФРГ, Израиль, ЮАР и Япония теоретически обладают необходимыми мощностями для создания ядерного оружия в сравнительно короткие сроки. Трудно переоценить роль ядерного оружия. С одной стороны, это мощное средство устрашения, с другой – самый эффективный инструмент укрепления мира и предотвращения военного конфликтами между державами, которые обладают этим оружием. С момента первого применения атомной бомбы в Хиросиме прошло 52 года. Мировое сообщество близко подошло к осознанию того, что ядерная война неминуемо приведет к глобальной экологической катастрофе, которая сделает дальнейшее существование человечества невозможным. В течение многих лет создавались правовые механизмы, призванные разрядить напряженность и ослабить противостояние между ядерными державами. Так, например, было подписано множество договоров о сокращении ядерного потенциала держав, была подписана Конвенция о Нераспространении Ядерного Оружия, по которой страны-обладатели обязались не передавать технологии производства этого оружия другим странам, а страны, не имеющие ядерного оружия, обязались не предпринимать шагов для его разработки; наконец, совсем недавно сверхдержавы договорились о полном запрещении ядерных испытаний. Очевидно, что ядерное оружие является важнейшим инструментом, который стал регулирующим символом целой эпохи в истории международных отношений и в истории человечества.

     4.1 Современные атомные бомбы и снаряды.

     Ядерное оружие подразделяется на 2 основных типа: атомное и водородное (термоядерное). В атомном оружии выделение энергии происходит за счет реакции деления ядер атомов тяжелых элементов урана или плутония. В водородном оружии энергия выделяется в результате образования (или синтеза) ядер атомов гелия из атомов водорода. Виды термоядерного оружия будут рассмотрены ниже.

      
5. Атом и экология.

     Долгое  время существовала угроза нанесения  большого вреда экологии нашей планеты  за счет выброса радиоактивных веществ при ядерных испытаниях 
(главным образом при атмосферных) испытаниях. Необходимо учитывать, что количество веществ, образующихся при взрыве, зависит от калибра бомбы.

     Установлено, что радиоактивное заражение  в основном определяется 
«осколками» деления ядер вещества, составляющего заряд бомб – урана или плутония. У современных водородных бомб, работающих по схеме: расщепление – ядерное соединение – расщепление, образуется огромное количество т.н. «осколков» деления. Часть из них возникает при взрыве атомного детонатора и большая часть – при расщеплении урановой оболочки. В результате некоторое количество радиоактивных веществ образуется в земле, воде и окружающих предметах. Количество радиоактивных веществ, выпадающих на землю, зависит и от вида взрыва – воздушный, наземный, подводный, подземный (в двух последних случаях загрязнение земли минимально). Само собой разумеется, что ни о каком влиянии на выпадение радиоактивных элементов на землю при космических взрывах говорить не приходится. Наибольшее количество радиоактивных веществ выпадает при наземном взрыве, особенно в районе взрыва. Метеоусловия играют также важную роль: Китай в свое время проводил наземные и атмосферные ядерные испытания в непосредственной близости от границы с СССР (Киргизией) в те моменты, когда ветер имел направление в сторону СССР. Таким образом, облака радиоактивной пыли относились ветром вглубь нашей территории, и выпадавшая из них пыль рассеивалась уже на ней. Из всех радиоактивных веществ, выпадавших на землю, наиболее опасным являлся стронций-90, период полураспада которого равен 25 годам. Попадая внутрь организма человека или животных в виде пыли, стронций, подобно кальцию, отлагается в костных тканях, что в последствие приводит к появлению опухолей различных типов и тяжести.

     В этой связи трудно переоценить роль договора о запрещении ядерных испытаний  в трех сферах (на земле, под водой  и в космосе), подписанного держававами-обладателями ядерного оружия.

     Совсем  недавно, после того как Франция закончила свои испытания на атолле Морророа в Тихом океане, все 5 сверх держав, обладающие ядерным оружием, заявили о полном прекращении ядерных испытаний. Это было достигнуто в значительной степени благодаря осознанию той страшной угрозы, которую несет в себе продолжение испытаний ядерного оружия, а также благодаря созданию технологий компьютерного моделирования ядерных взрывов.