Что такое ядерная энергия
В 1896 году французский физик Антуан Беккерель открыл явление радиоактивности. Оказалось, что атомы некоторых химических элементов умеют без каких-либо внешних причин распадаться и превращаться в атомы других химических элементов. Если вы посмотрите на таблицу Менделеева, вы увидите эти элементы после свинца (Pb). В процессе распада тяжелые атомы превращаются в более легкие, испуская элементарные частицы, из которых они состоят, а также выделяя энергию.
Более того, легкие атомы могут сливаться друг с другом, образуя более тяжелые атомы и также выделяя энергию. Этот процесс называется термоядерным синтезом, но для него нужна очень высокая температура (отсюда и название процесса). В природе ядерный синтез протекает в недрах звезд, которые являются настоящими фабриками химических элементов, из которых состоим мы и все, что нас окружает.
Откуда берется ядерная энергия
Чтобы в этом разобраться, необходимо вспомнить, как устроен атом. Он состоит из ядра, вокруг которого движутся очень легкие, отрицательно заряженные частицы – электроны. Ядро состоит из тяжелых частиц – положительно заряженных протонов и нейтральных нейтронов, которые тесно связаны друг с другом. Массовое число зависит от количества содержащихся в нем протонов и нейтронов. Ядра атомов одинаковых химических элементов могут иметь разное массовое число – это получается из-за разного количества нейтронов. Такие атомы называют изотопами.
Устойчивость ядра зависит от того, сколько частиц оно содержит. Чтобы удержать частицы в ядре и очень тяжелым, и очень легким ядрам требуется меньшее количество энергии, чем ядрам со средней массой. Тяжелые ядра, с большим количеством протонов и нейтронов, неустойчивы: связи между этими частицами относительно легко разорвать. При распаде атомного ядра эти связи разрываются и выделяется большое количество энергии, которая изначально требовалась, чтобы удерживать частицы вместе.
В 1938 году немецкие физики Отто Ган и Фриц Штрассман облучили ядра урана – одного из радиоактивных элементов – нейтронами и заметили, что он распадается. А в 1939 году советские физики Яков Зельдович и Юлий Харитон заметили, что реакция распада урана является цепной – то есть, она может поддерживать сама себя. При распаде от ядра урана отделяются нейтроны, которые попадают в другие ядра урана и вызывают их распад – и так далее по цепочке. Осколки деления и нейтроны обладают высокой кинетической энергией (энергией движения), и когда они сталкиваются с другими атомами, эта энергия превращается в тепло.
При цепной реакции выделяется колоссальное количество энергии. Неуправляемая цепная реакция деления использовалась в ядерном оружии, мощность которого вызывала последствия, настолько разрушительные для человечества и окружающей среды, что люди приняли решение отказаться от него и использовать энергию атома лишь в мирных целях и в строго контролируемых условиях. Такие условия создаются в ядерных реакторах – сложных установках, в которых протекает цепная реакция деления радиоактивных ядер. Ядерные реакторы используются как для проведения исследований, так и для получения энергии.
Еще больше энергии выделяется при слиянии легких атомных ядер в более тяжелые. Масса образовавшегося ядра оказывается меньше, чем сумма масс составляющих его частиц. Эта разница масс и высвобождается в виде энергии движения частиц, выделяющихся в ходе синтеза. Например, при слиянии изотопов водорода – дейтерия и трития – образуется ядро гелия-4, которое называют альфа-частицей, и нейтрон, который уносит 20% энергии.
Но соединить ядра – непростая задача. Дело в том, что ядра одинаково (положительно) заряжены, и при сближении они начинают отталкиваться друг от друга. Чтобы преодолеть это отталкивание, необходима высокая температура.
Люди научились создавать условия для термоядерного синтеза – в частности, было изобретено термоядерное оружие. Но реакция синтеза пока неуправляема и вызывает еще более разрушительные последствия, чем неуправляемая цепная реакция распада. Чтобы использовать энергию в мирных целях, люди стремятся научиться управлять термоядерным синтезом и учатся строить термоядерные реакторы.
Как делают ядерное топливо
Чтобы получить энергию в ядерном реакторе, необходимо топливо. Топливом будут служить радиоактивные элементы. Как мы уже сказали, чтобы топливо дало энергию, необходимо взять атомные ядра и разделить их на части или соединить их друг с другом. Но так как термоядерный синтез пока не взяли под контроль, далее мы будем говорить только о распаде.
Наиболее подходящий материал для ядерного топлива – уран. В соединениях урана, которые встречаются в природе, содержится несколько изотопов разной массы – уран-235, уран-238 и уран-234 (концентрация последнего составляет сотые доли процента от общей массы, поэтому мы о нем пока забудем). Медленнее всего происходит распад изотопа уран-238: половина содержащихся в нем ядер распадается за 4,5 млрд лет. Его доля в природном уране составляет более 99%. И наконец, менее 1% природного урана составляет уран-235. Он распадается гораздо быстрее, чем уран-238, и вызвать в нем цепную реакцию гораздо проще. Поэтому он гораздо больше подходит для ядерных реакторов.
Конечно, мы не можем взять свежедобытый кусок урановой руды и поместить его в реактор. Для этого руду нужно особым образом обработать, а получившееся в результате газообразное вещество (UF6 или гексафторид урана) обогатить, то есть увеличить соотношение содержания урана-235 к урану-238 в заданном объеме вещества, чтобы как можно больше радиоактивных изотопов могло вступить в цепную реакцию.
Обогащенный уран переводится в твердую форму. Из него делают твердые топливные таблетки, которые складываются в длинные стержни – твэлы (тепловыделяющие элементы). Пучки этих стержней собираются в топливную сборку, и загружаются в ядерный реактор – осталось лишь добыть из них энергию.
Как работает ядерный реактор
Как мы уже говорили, в ядерном реакторе протекает цепная реакция деления урана, в результате которой тяжелые ядра распадаются на более легкие осколки с высокой энергией. Эти осколки тормозятся в оставшемся объеме ядерного топлива и разогревают его, в результате чего выделяется тепловая энергия. При каждом делении выделяются нейтроны, которые ударяют в другие ядра и вызывают их распад, что делает реакцию самоподдерживающейся.
Чтобы реактор работал, нужно топливо в достаточном количестве и теплоноситель (например, вода), который будет отводить вырабатывающееся тепло для дальнейшего превращения тепловой энергии в электрическую. Кроме того, некоторые нейтроны движутся слишком быстро и не могут вызвать деление ядер урана, поэтому их необходимо замедлить, чтобы они тоже участвовали в реакции. Это делается с помощью специального вещества-замедлителя (в качестве него может служить, например, графит или вода). Также для нормальной работы реактора требуется отражатель, который возвращает улетающие нейтроны в активную зону, то есть пространство в реакторе, где делятся ядра урана.
Наконец, чтобы контролировать ядерный реактор, нужен поглотитель – например, стержни из веществ, способных поглощать лишние нейтроны и замедлять цепную реакцию. Эти стержни погружаются в активную зону реактора: чем глубже, тем медленнее протекает цепная реакция. Это позволяет избежать аварийных ситуаций.
Как работает атомная электростанция
Как же энергия атома попадает в наши дома? Для этого нужно тепловую энергию превратить в электрическую. Это происходит на атомных электростанциях (АЭС). Сердце АЭС – реактор, в который загружено ядерное топливо. Как мы уже говорили, в ядерном топливе протекает самоподдерживающаяся ядерная реакция, во время которой выделяется тепловая энергия. Через реактор протекает вода, которая нагревается до высоких температур и попадает в парогенератор, где превращается в пар. По сути, ядерный реактор выступает в роли гигантского кипятильника. В свою очередь, горячий пар вращает турбину электрогенератора, и в ходе этого процесса механическая энергия пара превращается в электрическую, которая идет в наши дома по проводам.
В процессе работы атомной электростанции образуются ядерные отходы. С ними поступают по-разному: то, что невозможно использовать повторно, изолируется от окружающей среды в специальных хранилищах. А то, что можно использовать - перерабатывается. Например, отработавшее ядерное топливо может стать сырьем для топлива, на котором будут работать новые типы реакторов, а также послужить источником изотопов для ядерной медицины, сельского хозяйства, промышленности, космонавтики и других областей.
Может быть интересно:
