Ядерная (Атомная) энергия. Ядерная энергия и радиоактивность Что такое атомная энергия

Зависимость энергии связи, приходящейся на один нуклон, от числа нуклонов в ядре приведена на графике.

Энергия, которая требуется, чтобы разделить ядро на отдельные нуклоны, называется энергией связи. Энергия связи, приходящаяся на один нуклон , неодинакова для разных химических элементов и, даже, изотопов одного и того же химического элемента. Удельная энергия связи нуклона в ядре колеблется, в среднем, в пределах от 1 МэВ у лёгких ядер (дейтерий) до 8,6 МэВ, у ядер среднего веса (А≈100). У тяжёлых ядер (А≈200) удельная энергия связи нуклона меньше, чем у ядер среднего веса, приблизительно на 1 МэВ, так что их превращение в ядра среднего веса (деление на 2 части) сопровождается выделением энергии в количестве около 1 МэВ на нуклон, или около 200 МэВ на ядро. Превращение лёгких ядер в более тяжёлые ядра даёт ещё больший энергетический выигрыш в расчёте на нуклон. Так, например, реакция соединения дейтерия и трития

1 D²+ 1 T³→ 2 He 4 + 0 n 1

сопровождается выделением энергии 17,6 МэВ, то есть 3,5 МэВ на нуклон .

Высвобождение ядерной энергии

Известны экзотермические ядерные реакции, высвобождающие ядерную энергию.

Обычно для получения ядерной энергии используют цепную ядерную реакцию деления ядер урана-235 или плутония . Ядра делятся при попадании в них нейтрона , при этом получаются новые нейтроны и осколки деления. Нейтроны деления и осколки деления обладают большой кинетической энергией . В результате столкновений осколков с другими атомами эта кинетическая энергия быстро преобразуется в тепло.

Другим способом высвобождения ядерной энергии является термоядерный синтез . При этом два ядра лёгких элементов соединяются в одно тяжёлое. Такие процессы происходят на Солнце.

Многие атомные ядра являются неустойчивыми. С течением времени часть таких ядер самопроизвольно превращаются в другие ядра, высвобождая энергию. Такое явление называют радиоактивным распадом .

Применение ядерной энергии

Энергия термоядерного синтеза применяется в водородной бомбе .

Примечания

См. также

Ссылки

Международные соглашения

Конвенция об оперативном оповещении о ядерной аварии (Вена, 1986)
Конвенция о физической защите ядерного материала (Вена, 1979)
Венская конвенция о гражданской ответственности за ядерный ущерб
Объединённая конвенция о безопасности обращения с отработавшим топливом и безопасности обращения с радиоактивными отходами

Литература

Clarfield, Gerald H. and William M. Wiecek (1984). Nuclear America: Military and Civilian Nuclear Power in the United States 1940-1980 , Harper & Row.
Cooke, Stephanie (2009). In Mortal Hands: A Cautionary History of the Nuclear Age , Black Inc.
Cravens Gwyneth Power to Save the World: the Truth about Nuclear Energy. - New York: Knopf, 2007. - ISBN 0-307-26656-7
Elliott, David (2007). Nuclear or Not? Does Nuclear Power Have a Place in a Sustainable Energy Future? , Palgrave.
Falk, Jim (1982). Global Fission: The Battle Over Nuclear Power , Oxford University Press.
Ferguson, Charles D., (2007). Nuclear Energy: Balancing Benefits and Risks Council on Foreign Relations .
Herbst, Alan M. and George W. Hopley (2007). Nuclear Energy Now: Why the Time has come for the World’s Most Misunderstood Energy Source , Wiley.
Schneider, Mycle, Steve Thomas, Antony Froggatt, Doug Koplow (August 2009). The World Nuclear Industry Status Report , German Federal Ministry of Environment, Nature Conservation and Reactor Safety.
Walker, J. Samuel (1992). Containing the Atom: Nuclear Regulation in a Changing Environment, 1993-1971
Walker, J. Samuel (2004). Three Mile Island: A Nuclear Crisis in Historical Perspective , Berkeley: University of California Press.
Weart, Spencer R. The Rise of Nuclear Fear . Cambridge, MA: Harvard University Press, 2012. ISBN 0-674-05233-1

Ядерные технологии
Инженерия
Материалы
Ядерная энергия
Ядерная медицина
Ядерное оружие

Wikimedia Foundation . 2010 .

Коссман, Бернхард
Циммерман, Альберт Карл Генрих

Смотреть что такое "Ядерная энергия" в других словарях:

ЯДЕРНАЯ ЭНЕРГИЯ - (атомная энергия) внутренняя энергия атомных ядер, выделяющаяся при ядерных превращениях (ядерных реакциях). энергия связи ядра. дефект массыНуклоны (протоны и нейтроны) в ядре прочно удерживаются ядерными силами. Чтобы удалить нуклон из ядра,… … Большой Энциклопедический словарь

ЯДЕРНАЯ ЭНЕРГИЯ - (атомная энергия), внутр. энергия ат. ядра, выделяющаяся при ядерных превращениях. Энергия, к рую необходимо затратить для расщепления ядра на составляющие его нуклоны, наз. энергией связи ядра?св. Это макс. энергия, к рая может выделиться.… … Физическая энциклопедия

ЯДЕРНАЯ ЭНЕРГИЯ - ЯДЕРНАЯ ЭНЕРГИЯ, ЭНЕРГИЯ, выделяемая в процессе ядерной реакции как результат перехода МАССЫ в энергию так, как описано в уравнении: Е=mс2 (где Е энергия, m масса, с скорость света); оно было выведено А. ЭЙНШТЕЙНОМ в его ТЕОРИИ ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ.… … Научно-технический энциклопедический словарь

ЯДЕРНАЯ ЭНЕРГИЯ - (атомная энергия) см. () () … Большая политехническая энциклопедия

ЯДЕРНАЯ ЭНЕРГИЯ - (атомная энергия), внутренняя энергия атомных ядер, выделяющаяся при некоторых ядерных реакциях. Использование ядерной энергии основано на осуществлении цепных реакций деления тяжелых ядер и реакций термоядерного синтеза легких ядер (смотри… … Современная энциклопедия

Хотя ядро состоит из нуклонов, однако масса ядра - это не просто сумма масс нуклонов. Энергия, которая удерживает вместе эти нуклоны, наблюдается как разница в массе ядра и массах составляющих его отдельных нуклонов, с точностью до коэффициента c 2 , связывающего массу и энергию уравнением E = m ⋅ c 2 . {\displaystyle E=m\cdot c^{2}.} Таким образом, определив массу атома и массу его компонент, можно определить среднюю энергию на нуклон, удерживающую вместе различные ядра.

Из графика можно видеть, что очень лёгкие ядра имеют меньшую энергию связи на нуклон, чем ядра, которые немного тяжелее (в левой части графика). Это является причиной того, что в термоядерных реакциях (то есть при слиянии лёгких ядер) выделяется энергия. И наоборот, очень тяжёлые ядра в правой части графика имеют более низкую энергию связи на нуклон, чем ядра средней массы. В связи с этим деление тяжёлых ядер также энергетически выгодно (то есть происходит с выделением ядерной энергии). Следует отметить также, что при слиянии (в левой части) разница масс гораздо больше, чем при делении (в правой части).

Энергия, которая требуется, чтобы разделить полностью ядро на отдельные нуклоны, называется энергией связи E с ядра. Удельная энергия связи (то есть энергия связи, приходящаяся на один нуклон , ε = E с /A , где A - число нуклонов в ядре, или массовое число), неодинакова для разных химических элементов и даже для изотопов одного и того же химического элемента. Удельная энергия связи нуклона в ядре меняется в среднем в пределах от 1 МэВ у лёгких ядер (дейтерий) до 8,6 МэВ у ядер средней массы (с массовым числом А ≈ 100 ). У тяжёлых ядер (А ≈ 200 ) удельная энергия связи нуклона меньше, чем у ядер средней массы, приблизительно на 1 МэВ , так что их превращение в ядра среднего веса (деление на 2 части ) сопровождается выделением энергии в количестве около 1 МэВ на нуклон, или около 200 МэВ на ядро. Превращение лёгких ядер в более тяжёлые ядра даёт ещё больший энергетический выигрыш в расчёте на нуклон. Так, например, реакция соединения ядер дейтерия и трития

1 D 2 + 1 T 3 → 2 He 4 + 0 n 1

сопровождается выделением энергии 17,6 МэВ , то есть 3,5 МэВ на нуклон .

Деление ядер

Появление 2,5 нейтронов на акт деления позволяет осуществить цепную реакцию , если из этих 2,5 нейтронов как минимум один сможет произвести новое деление ядра урана. Обычно испускаемые нейтроны не делят ядра урана сразу же, но сначала должны быть замедлены до тепловых скоростей (2200 м/с при T =300 K). Замедление достигается наиболее эффективно с помощью окружающих атомов другого элемента с малым A , например водорода , углерода и т. п. материала, называемого замедлителем.

Некоторые другие ядра также могут делиться при захвате медленных нейтронов, например 233 U или 239 . Однако возможно также деление быстрыми нейтронами (высокой энергии) таких ядер как 238 U (его в 140 раз больше, чем 235 U) или 232 (его в земной коре в 400 раз больше, чем 235 U).

Элементарная теория деления была создана Нильсом Бором и Дж. Уилером с использованием капельной модели ядра .

Деление ядер также может быть достигнуто с помощью быстрых альфа-частиц , протонов или дейтронов . Однако эти частицы, в отличие от нейтронов, должны иметь большую энергию для преодоления кулоновского барьера ядра.

Высвобождение ядерной энергии

Известны экзотермические ядерные реакции, высвобождающие ядерную энергию.

Обычно для получения ядерной энергии используют цепную ядерную реакцию деления ядер урана-235 или плутония , реже других тяжёлых ядер (уран-238 , торий-232). Ядра делятся при попадании в них нейтрона , при этом получаются новые нейтроны и осколки деления. Нейтроны деления и осколки деления обладают большой кинетической энергией . В результате столкновений осколков с другими атомами эта кинетическая энергия быстро преобразуется в тепло.

Другим способом высвобождения ядерной энергии является термоядерный синтез . При этом два ядра лёгких элементов соединяются в одно тяжёлое. В природе такие процессы происходят на Солнце и в других звёздах, являясь основным источником их энергии.

Применение ядерной энергии

Деление

В настоящее время из всех источников ядерной энергии наибольшее практическое применение имеет энергия, выделяющаяся при делении тяжёлых ядер. В условиях дефицита энергетических ресурсов ядерная энергетика на реакторах деления считается наиболее перспективной в ближайшие десятилетия. На атомных электрических станциях ядерная энергия используется для получения тепла, используемого для выработки электроэнергии и отопления. Ядерные силовые установки решили проблему судов с неограниченным районом плавания (

Введение

В 1939 году впервые удалось расщепить атом урана. Прошло еще 3 года, и в США был создан реактор для осуществления управляемой ядерной реакции. Затем в 1945г. была изготовлена и испытана атомная бомба, а в 1954г. в нашей стране была пущена в эксплуатацию первая в мире атомная электростанция. Во всех этих случаях использовалась огромная энергия распада атомного ядра. Еще большее количество энергии выделяется в результате синтеза атомных ядер. В 1953 году в СССР впервые была испытана термоядерная бомба, и человек научился воспроизводить процессы, происходящие на солнце. Пока использовать для мирных целей ядерный синтез нельзя, но, если это станет возможным, то люди обеспечат себя дешевой энергией на миллиарды лет. Эта проблема - одно из важнейших направлений современной физики на протяжении последних 50 лет.

Ядерная энергия выделяется при распаде или синтезе атомных ядер. Любая энергия - физическая, химическая, или ядерная проявляется своей способностью выполнять работу, излучать высокую температуру или радиацию. Энергия в любой системе всегда сохраняется, но она может быть передана другой системе или изменена по форме.

Приблизительно до 1800 года основным топливом было дерево. Энергия древесины получена из солнечной энергии, запасенной в растениях в течение их жизни. Начиная с Индустриальной революции, люди зависели от полезных ископаемых - угля и нефти, энергия которых также происходила из запасенной солнечной энергии. Когда топливо типа угля сжигается, атомы водорода и углерода, содержащиеся в угле, объединяются с атомами кислорода воздуха. При возникновении водного или углеродистого диоксида происходит выделение высокой температуры, эквивалентной приблизительно 1.6 киловатт-час на килограмм или приблизительно 10 электрон-вольт на атом углерода. Это количество энергии типично для химических реакций, приводящих к изменению электронной структуры атомов. Части энергии, выделенной в виде высокой температуры, достаточно для поддержания продолжения реакции.

Атом состоит из маленького, массивного, положительно заряженного ядра, окруженного электронами. Ядро составляет основную часть массы атома. Оно состоит из нейтронов и протонов (общее название нуклоны), связанных между собой очень большими ядерными силами, намного превышающими электрические силы, которые связывают электроны с ядром. Энергия ядра определяется тем, насколько сильно его нейтроны и протоны удерживаются ядерными силами. Энергия нуклона - это энергия, требуемая, чтобы удалить один нейтрон или протон из ядра. Если два легких ядра соединяются, чтобы сформировать более тяжелое ядро или если тяжелое ядро распадается на два более легких, то в обоих случаях выделяется большое количество энергии.

Ядерная энергия, измеренная в миллионах электрон-вольт, образуется в результате синтеза двух легких ядер, когда, два изотопа водорода, (дейтерия) объединяются в результате следующей реакции:

При этом образуется атом гелия с массой 3 а.е.м. , свободный нейтрон, и 3.2 Мэв, или 5.1 * 10 6 Дж (1.2 * 10 3 кал).

Ядерная энергия также образуется, когда происходит расщепление тяжелого ядра (к примеру ядра изотопа урана-235) вследствие поглощения нейтрона:

В итоге распадаясь на цезий-140, рубидий-93, три нейтрона, и 200 Мэв, или 3.2 10 16 Дж (7.7 10 8 кал). Ядерная реакция распада выпускает в 10 миллионов раз больше энергии чем при аналогичной химической реакции.

Ядерный Синтез

Выделение ядерной энергии может происходить в нижнем конце кривой энергии при соединение двух легких ядер в одно более тяжелое. Энергия, излучаемая звездами подобно солнцу, является результатом таких же реакций синтеза в их недрах.

При огромном давлении и температуре 15 миллионов градусов C 0 . Существующие там водородные ядра объединяется согласно уравнению (1) и в результате их синтеза образуется энергия солнца.

Ядерный синтез был впервые достигнут на Земле в начале 30-ых годов. В циклотроне - ускорителе элементарных частиц - производили бомбардировку ядер дейтерия. При этом происходило выделение высокой температуры, однако, эту энергию не удавалось использовать. В 1950-ых годах первый крупномасштабный, но не контролируемый процесс выделения энергии синтеза был продемонстрирован в испытаниях термоядерного оружия Соединенными Штатами, СССР, Великобританией и Францией. Однако это была кратковременная и неуправляемая реакция, которая не могла быть использована для получения электроэнергии.

В реакциях распада нейтрон, который не имеет никакого электрического заряда, может легко приближаться и реагировать с расщепляемым ядром, например урана-235. В типичной реакции синтеза, однако, реагирующие ядра имеют положительный электрический заряд и поэтому по закону Кулона отталкиваются, таким образом силы, возникающие вследствие закона Кулона, должны быть преодолены до того, как ядра смогут соединиться. Это происходит, когда температура реагирующего газа - достаточно высока от 50 до 100 миллионов градусов C 0 . В газе тяжелых водородных изотопов дейтерия и трития при такой температуре происходит реакция синтеза:

выделяя приблизительно 17.6 Мэв. Энергия появляется сначала, как кинетическая энергия гелия-4 и нейтрона, но скоро проявляется в виде высокой температуры в окружающих материалах и газе.

Если при такой высокой температуре, плотность газа составляет 10 -1 атмосфер (т.е. почти вакуум), то активный гелий-4 может передавать свою энергию окружающему водороду. Таким образом, поддерживается высокая температура и создаются условия для протекания самопроизвольной реакции синтеза. При этих условиях происходит «ядерное воспламенение ».

Достижению условий управляемого термоядерного синтеза препятствуют несколько основных проблем. Во-первых, нужно нагреть газ до очень высокой температуры. Во-вторых, необходимо контролировать количество реагирующих ядер в течение достаточно долгого времени. В-третьих, количество выделяемой энергии должно быть больше, чем было затрачено для нагревания и ограничения плотности газа. Следующая проблема - накопление этой энергии и преобразование ее в электричество.

При температурах даже 100000 C 0 все атомы водорода полностью ионизируются. Газ состоит из электрически нейтральной структуры: положительно заряженных ядер и отрицательно заряженных свободных электронов. Это состояние называется плазмой.

Плазма, достаточно горяча для синтеза, но не может находиться в обычных материалах. Плазма охладилась бы очень быстро, и стенки сосуда были бы разрушены при перепаде температур. Однако, так как плазма состоит из заряженных ядер и электронов, которые двигаются по спирали вокруг силовых линий магнитного поля, плазма может содержаться в ограниченной магнитным полем области без того, чтобы реагировать со стенками сосуда.

В любом управляемом устройстве синтеза выделение энергии должно превышать энергию, требуемую, для ограничения и нагрева плазмы. Это условие может быть выполнено, когда время заключения плазмы t и ее плотность n превышает приблизительно 10 14 . Отношения tn > 10 14 называются критерием Лоусона.

Многочисленные схемы магнитного заключения плазмы были испытаны начиная с 1950 в Соединенных Штатах, СССР, Великобритании, Японии и в других местах. Термоядерные реакции наблюдали, но критерий Лоусона редко превышал 10 12 . Однако одно устройство “Токамак” (это название – сокращение русских слов: ТОроидальная КАмера с МАгнитными Катушками), первоначально предложенное в СССР Игорем Таммом и Андреем Сахаровым начало давать хорошие результаты в начале 1960-ых.

Токамак - это тороидальная вакуумная камера, на которую надеты катушки, создающие сильное тороидальное магнитное поле. Тороидальное магнитное поле равное приблизительно 50000 Гаусс поддерживается внутри этой камеры мощными электромагнитами. Продольный поток нескольких миллионов ампер создается в плазме катушками трансформатора. Замкнутые магнитные полевые линии устойчиво ограничивают плазму.

Основанные на успешном действии экспериментального маленького "Tокамака" в нескольких лабораториях в начале 1980-ых были построены два больших устройства, один в Принстонском Университете в Соединенных Штатах и один в СССР. В "Tокамаке" высокая плазменная температура возникает в результате выделения тепла при сопротивлении мощного тороидального потока, а также путем дополнительного нагревания при введении нейтрального луча, что в совокупности должно приводить к воспламенению.

Другой возможный путь получить энергию синтеза - также инерционного свойства. В этом случае топливо - тритий или дейтерий содержится в пределах крошечного шарика, бомбардируемого с нескольких сторон импульсным лазерным лучом. Это приводит к взрыву шарика, с образованием термоядерной реакции, которая зажигает топливо. Несколько лабораторий в Соединенных Штатах и в других местах в настоящее время исследуют эту возможность. Прогресс исследования синтеза был многообещающим, но задача создания практических систем для устойчивой реакции синтеза, которая производит большее количество энергии чем потребляет, пока остается не решенной и потребует еще много времени и сил.

Атом состоит из ядра, вокруг которого вращаются частицы, называемые электронами.

Ядра атомов это мельчайшие частицы. Они - основа для всего вещества и материи.

В них заложен большой запас энергии.

Эта энергия высвобождается в виде радиации, когда распадаются некоторые радиоактивные элементы. Радиация опасна для всего живого на земле, но вместе с тем её используют для производства электричества и в медицине.

Радиоактивность — это свойство ядер не-стабильных атомов излучать энергию. Большая часть тяжелых атомов нестабильна, а у атомов, что полегче имеются радиоизотопы, т.е. радиоактивные изотопы. Причиной появления радиоактивности служит то, что атомы стремятся получить стабильность. На сегодня известно три типа радиоактивного излучения: альфа, бета и гамма. Назвали их так по первым буквам греческого алфавита. Первыми ядро излучает альфа или бета-лучи. Но если оно все еще остается нестабильным, тогда исходят гамма-лучи. Нестабильными могут быть три атомных ядра и каждое из них может излучать какой-либо из типов лучей.

На рисунке изображены три атомных ядра.

Они нестабильны и каждый из них излучает один из трех типов лучей.

Альфа-частицы имеют в составе два протона и два нейтрона. Абсолютно таким же составом обладает и ядро атома гелия. Двигаются альфа-частицы медленно и поэтому их может задержать любой материал толще, чем бумажный лист. Они мало чем отличаются от ядер атомов гелия. Большинство учёных выдвигают версию о том, что гелий на Земле имеет естественное радиоактивное происхождение.

Бета-частицы - это электроны, обладающие огромной энергией. Их образование происходит при распаде нейтронов. Бета-частицы также не особо быстры, могут пролетать по воздуху до одного метра. Поэтому препятствием на их пути может стать медный лист миллиметровой толщины. А если выставить заслон из свинца в 13 мм или из слоя воздуха в 120 метров, то можно уменьшить гамма-излучение вдвое.

Гамма-лучи - это электромагнитное излучение обладающее огромной энергией. Его скорость движения равна скорости света.

Транспортировку радиоактивных веществ производят в специальных свинцовых контейнерах с толстыми стенами для предотвращения утечки радиации.

Воздействие радиации крайне опасно на человека.

Она вызывает ожоги, катаракту, провоцирует развитие рака.

Измерить уровень радиации помогает специальный прибор - счётчик Гейгера, который издаёт щёлкающие звуки при появлении источника радиации.

Когда ядро испускает частицы, то оно превращается в ядро другого элемента, изменив при этом свой атомный номер. Это называется периодом распада элемента. Но если вновь образовавшийся элемент по-прежнему нестабилен, то процесс распада продолжается. И так до тех пор, пока элемент не станет стабилен. У многих радиоактивных элементов этот период занимает десятки, сотни и даже тысячи лет, поэтому принято измерять период полураспада. Взять, к примеру, атом плутония-2 с массой 242. После излучения им альфа-частиц с относительной атомной массой 4, он становится атомом урана-238 с такой же атомной массой.

Ядерные реакции.

Ядерные реакции делятся на два вида: ядерный синтез и деление(расщепление) ядра.

Синтез или иначе "соединение" подразумевает под собой соединение двух ядер в одно большое под воздействием очень высокой температуры. В этот момент выделяется большое количество энергии.

При делении и расщеплении происходит процесс деления ядра, освобождая при этом ядерную энергию.

Происходит это тогда, когда ядро бомбардируется нейтронами в специальном устройстве по д названием "ускоритель частиц".

При делении ядра и излучения нейтронов, выделяется просто колоссальное количество энергии.

Известно, что для получения большого количества электроэнергии необходима лишь единица массы радио топлива. Ни одна другая электростанция ничем подобным похвастаться не может.

Ядерная энергия.

Таким образом, энергию, что высвобождается при ядерной реакции, используют для получения электричества или как источник энергии в подводных и надводных судах. Процесс получения электричества на атомной станции основан на делении ядер в ядерных реакторах. В огромном резервуаре находятся стержни из радиоактивного вещества (например, урана).

Они атакуются нейтронами и расщепляются, выделяя энергию. Новые нейтроны расщепляются дальше и дальше. Это называется цепной реакцией. Эффективность подобного метода получения электричества невероятно высока, но меры безопасности и условия захоронения чересчур дорогостоящие.

Однако человечество использует ядерную энергию не только в мирных целях. В середине 20-го века было испытано и опробовано ядерное оружие.

Его действие заключается в выбросе огромного потока энергии, который приводит к взрыву. Когда заканчивалась Вторая мировая война, США, применили против Японии ядерное оружие. Они сбросили на города Хиросиму и Нагасаки атомные бомбы.

Последствия были просто катастрофическими.

Одних человеческих жертв было несколько сотен тысяч.

Но на этом учёные не остановились и разработали водородное оружие.

Их отличи в том, что ядерные бомбы основаны на реакциях деления ядер, а водородные на реакции синтеза.

Радиоуглеродный метод.

Для получения информации о времени смерти организма, применяют метод радиоуглеродного анализа. Известно, что в живой ткани содержится некоторое количество углерода-14, который является радиоактивным изотопом углерода. Период полураспада, которого равен 5700 лет. После смерти организма запасы углерода-14 в тканях уменьшаются, изотоп распадается, и по оставшемуся его количеству определяют время смерти организма. Так, например, можно узнать, как давно случилось извержение вулкана. Это можно узнать по застывшим в лаве насекомым и пыльце.