So gewinnen Sie Kernenergie. Bildungsprogramm: Wie man Kernenergie gewinnt

Ende des letzten Jahrhunderts stellten Wissenschaftler überraschend fest, dass Atome bzw. Atomkerne spontan in Teile zerfallen und dabei Strahlen und Wärme abgeben. Sie nannten dieses Phänomen. Und als sie es berechneten, waren sie noch überraschter: 1 g Radium kann, wenn es vollständig zersetzt ist, bei der Verbrennung die gleiche Wärmemenge liefern wie 500 kg Kohle. Diese Eigenschaft lässt sich jedoch nicht nutzen – Atome zerfallen so langsam, dass in 2000 Jahren nur die Hälfte der Wärme freigesetzt wird.

Es ist wie ein großer Damm. Der Damm ist geschlossen und das Wasser fließt in einem kleinen Bach, der keinen Nutzen bringt.

Wenn nun der Damm geöffnet würde, wenn die Menschen lernen würden, Atome zu zerstören!... Sie würden einen endlosen Ozean an Energie erhalten. Aber wie geht das?

Man sagt, dass man einen Spatz nicht mit einer Kanone abschießen kann, man braucht eine kleine Kugel. Woher bekommt man ein Pellet, um den Kern eines Atoms zu spalten?

Wissenschaftler auf der ganzen Erde arbeiten seit mehreren Jahrzehnten hart daran. In dieser Zeit lernten sie, wie es funktioniert, und fanden ein „Pellet“ dafür. Es stellte sich heraus, dass es sich um eines der Teilchen handelte, die Teil des Kerns sind – ein Neutron. Es dringt leicht in das Atom ein und bricht den Kern.

Und dann stellte sich heraus, dass die Atome des Metalls Uran nach der Spaltung neue Neutronen freisetzen, die benachbarte Atome zerstören. Wenn Sie ein Stück Uran nehmen, in dem viele Kerne gleichzeitig zerfallen und viele neue Neutronen freigesetzt werden, wird der Spaltungsprozess wie eine Lawine in den Bergen wachsen. Eine Atombombe wird explodieren.

Diagramm eines Kernreaktors. Dicke schwarze Stäbe sind Neutronenabsorber. Der Reaktor erhitzt das Wasser und bringt es dann im Wärmetauscher zum Sieden. Der entstehende Dampf dreht die Turbine des Kraftwerks.

Stellen Sie sich vor, ein großer Damm ist zusammengebrochen. Das dahinter gesammelte Wasser wird auf einmal heftig herabstürzen. Die Kraft des Flusses ist groß, aber er verursacht nur Schaden, weil er alles wegfegt, was ihm in den Weg kommt. Mit einem Atom ist es genauso: Die kolossale Energie einer Explosion kann nur zerstören. Aber die Menschen brauchen Kernenergie, um zu bauen. Nun, wenn das Atom seine Reserven in solchen Mengen abgeben würde, wie wir wollen! Keine Energie erforderlich – Klappe geschlossen. Ich brauchte – (Wie viel brauchen Sie?) öffnete zwei oder drei Türen: „Bekommen Sie, wonach Sie gefragt haben!“

Und der Mann dämmte die Explosion ein.

Wer ist der wichtigste „Arbeiter“ im „Atomkraftwerk“? Neutron. Er ist es, der die Urankerne bricht. Was wäre, wenn wir einige der Arbeiter aus der „Fabrik“ entfernen würden? Die Arbeit wird langsamer gehen.

Genau so funktioniert ein Kernkessel oder Kernreaktor. Dies ist ein großer Brunnen mit dicken Betonwänden (sie werden benötigt, um zu verhindern, dass für Menschen schädliche Strahlung nach draußen gelangt). Der Brunnen ist mit Graphit gefüllt, dem gleichen Material, aus dem auch Bleistiftminen hergestellt werden. In der Graphitfüllung befinden sich Löcher, in denen Uranstäbe platziert werden. Wenn genügend davon vorhanden sind, erscheint die erforderliche Anzahl „arbeitender“ Neutronen und die Atomreaktion beginnt.

Um dies zu kontrollieren, befinden sich in anderen Löchern Metallstäbe, die Neutronen einfangen und absorbieren. Dies sind die „Tore“ im Damm.

Es wird keine Energie benötigt oder es besteht Explosionsgefahr, die Dämpferstangen werden sofort abgesenkt, die von den Urankernen emittierten Neutronen werden absorbiert, funktionieren nicht mehr und die Reaktion stoppt.

Damit die Reaktion abläuft, werden die Verschlussstangen angehoben, es erscheinen wieder „arbeitende“ Neutronen im Reaktor und die Temperatur im Kessel steigt (Wie viel Energie benötigen Sie? Besorgen Sie sich!).

Kernreaktoren können in Kernkraftwerken, auf Atom-U-Booten oder auf einem nuklearen Eisbrecher installiert werden. Sie wandeln wie gewöhnliche Dampfkessel gehorsam Wasser in Dampf um, der die Turbinen in Rotation versetzt. Fünfhundert Kilogramm Kernbrennstoff – der Inhalt von nur zehn Koffern – reichen aus, damit der Lenin-Eisbrecher das ganze Jahr über segeln kann. Können Sie sich vorstellen, wie vorteilhaft es ist: Sie müssen nicht Hunderte Tonnen Kraftstoff mit sich herumtragen, sondern können stattdessen eine nützlichere Ladung mitnehmen; Sie können ein ganzes Jahr lang darauf verzichten, zum Tanken in den Hafen zu fahren, zumal dies im Norden nicht immer einfach ist. Ja, und stärkere Autos können eingebaut werden ...

In bestehenden Kernreaktoren wird Energie durch die Zerstörung von Kernen gewonnen, die aus einer großen Anzahl von Teilchen bestehen (bei Urankernen sind es beispielsweise mehr als zweihundert). Und obwohl es auf der Erde noch jede Menge solcher Brennstoffe gibt, wird er eines Tages zur Neige gehen... Gibt es eine Möglichkeit, Kernenergie aus anderen Stoffen zu gewinnen? Und Wissenschaftler haben es gefunden!

Es stellte sich heraus, dass Atome, die nur zwei Teilchen im Kern haben: ein Proton und ein Neutron, auch als Energiequelle dienen können. Aber sie geben es nicht bei der Spaltung ab, sondern bei der Verbindung oder, wie man sagt, bei der Fusion zweier Kerne.

Dazu müssen Wasserstoffatome auf viele Millionen Grad erhitzt werden. Bei dieser Temperatur beginnen sich ihre Kerne mit enormer Geschwindigkeit zu bewegen und können nach der Beschleunigung die zwischen ihnen bestehenden elektrischen Abstoßungskräfte überwinden. Wenn sie nahe genug kommen, beginnen nukleare Anziehungskräfte zu wirken und die Kerne verschmelzen. Es wird tausendmal mehr Wärme freigesetzt als bei der Kernspaltung.

Diese Methode der Energieerzeugung wird als thermonukleare Reaktion bezeichnet. Diese Reaktionen wüten in den Tiefen sowohl entfernter Sterne als auch der nahen Sonne, die uns Licht und Wärme spendet. Doch auf der Erde manifestierten sie sich bisher in Form einer zerstörerischen Explosion einer Wasserstoffbombe.

Jetzt arbeiten Wissenschaftler daran, die allmähliche Verbindung von Wasserstoffkernen zu erzwingen. Und wenn wir lernen, thermonukleare Reaktionen zu kontrollieren, können wir die unbegrenzten Energiereserven des Wassers nutzen, das aus Wasserstoff besteht und dessen Reserven unerschöpflich sind.

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Ein Atom besteht aus einem Kern, der von sogenannten Teilchenwolken umgeben ist Elektronen(siehe Bild). Die Atomkerne – die kleinsten Teilchen, aus denen alle Stoffe bestehen – enthalten einen erheblichen Vorrat. Diese Energie wird beim Zerfall radioaktiver Elemente in Form von Strahlung freigesetzt. Strahlung ist lebensgefährlich, aber Kernreaktionen können zur Produktion genutzt werden. Strahlung wird auch in der Medizin eingesetzt.

Radioaktivität

Radioaktivität ist die Eigenschaft der Kerne instabiler Atome, Energie abzugeben. Die meisten schweren Atome sind instabil, aber leichtere Atome haben Radioisotope, d. h. radioaktive Isotope. Der Grund für Radioaktivität liegt darin, dass Atome dazu neigen, stabil zu werden (siehe Artikel „“). Es gibt drei Arten radioaktiver Strahlung: Alphastrahlen, Betastrahlen Und gamma Strahlen. Sie sind nach den ersten drei Buchstaben des griechischen Alphabets benannt. Zunächst sendet der Kern Alpha- oder Betastrahlen aus, und wenn er noch instabil ist, sendet der Kern auch Gammastrahlen aus. Auf dem Bild sehen Sie drei Atomkerne. Sie sind instabil und jeder von ihnen sendet eine von drei Arten von Strahlen aus. Betateilchen sind Elektronen mit sehr hoher Energie. Sie entstehen durch den Zerfall eines Neutrons. Alphateilchen bestehen aus zwei Protonen und zwei Neutronen. Der Kern eines Heliumatoms hat genau die gleiche Zusammensetzung. Gammastrahlen sind hochenergetische elektromagnetische Strahlung, die sich mit Lichtgeschwindigkeit ausbreitet.

Alphateilchen bewegen sich langsam und werden von einer Materieschicht, die dicker als ein Blatt Papier ist, eingefangen. Sie unterscheiden sich nicht von den Kernen von Heliumatomen. Wissenschaftler glauben, dass Helium auf der Erde ein Produkt natürlicher Radioaktivität ist. Ein Alphateilchen fliegt weniger als 10 cm weit und ein Blatt dickes Papier kann es aufhalten. Ein Betateilchen fliegt etwa 1 Meter durch die Luft. Ein 1 Millimeter dickes Kupferblech kann es zurückhalten. Die Intensität der Gammastrahlung sinkt um die Hälfte, wenn sie eine Bleischicht von 13 Millimetern oder eine Schicht von 120 Metern durchdringt.

Radioaktive Stoffe werden in dickwandigen Bleibehältern transportiert, um ein Austreten von Strahlung zu verhindern. Strahlenbelastung führt beim Menschen zu Verbrennungen, grauem Star und Krebs. Die Strahlungswerte werden mit gemessen Geigerzähler. Dieses Gerät macht ein Klickgeräusch, wenn es radioaktive Strahlung erkennt. Durch die Emission von Teilchen erhält der Kern eine neue Ordnungszahl und verwandelt sich in den Kern eines anderen Elements. Dieser Vorgang wird aufgerufen radioaktiver Zerfall. Ist das neue Element zudem instabil, setzt sich der Zerfallsprozess fort, bis ein stabiler Kern entsteht. Wenn beispielsweise ein Plutonium-2-Atom (seine Masse beträgt 242) ein Alphateilchen mit einer relativen Atommasse von 4 (2 Protonen und 2 Neutronen) emittiert, verwandelt es sich in ein Uranatom – 238 (Atommasse 238). Halbwertszeit- Dies ist die Zeit, in der die Hälfte aller Atome einer Probe einer bestimmten Substanz zerfällt. Verschiedene haben unterschiedliche Halbwertszeiten. Die Halbwertszeit von Radium-221 beträgt 30 Sekunden, die von Uran 4,5 Milliarden Jahre.

Kernreaktionen

Es gibt zwei Arten von Kernreaktionen: Kernfusion Und Spaltung (Spaltung) des Kerns. „Synthese“ bedeutet „Kombination“; Bei der Kernfusion werden zwei Kerne kombiniert und einer ist groß. Kernfusion kann nur bei sehr hohen Temperaturen stattfinden. Bei der Fusion wird eine große Menge Energie freigesetzt. Bei der Kernfusion werden zwei Kerne zu einem großen vereint. 1992 entdeckte der Satellit COBE eine besondere Art von Strahlung im Weltraum, was die Theorie bestätigt, dass sie durch die sogenannte entstanden ist Urknall. Aus dem Begriff Spaltung geht klar hervor, dass Kerne sich spalten und dabei Kernenergie freisetzen. Dies ist möglich, wenn Kerne mit Neutronen beschossen werden und geschieht in radioaktiven Substanzen oder in einem speziellen Gerät namens Partikelbeschleuniger. Der Kern teilt sich, emittiert Neutronen und setzt enorme Energie frei.

Atomkraft

Die bei Kernreaktionen freigesetzte Energie kann zur Stromerzeugung und als Energiequelle in Atom-U-Booten und Flugzeugträgern genutzt werden. Der Betrieb eines Kernkraftwerks basiert auf der Kernspaltung in Kernreaktoren. Ein Stab aus einer radioaktiven Substanz wie Uran wird mit Neutronen beschossen. Urankerne spalten sich und geben Energie ab. Dadurch werden neue Neutronen freigesetzt. Dieser Vorgang wird aufgerufen Kettenreaktion. Das Kraftwerk produziert mehr Energie pro Masseneinheit Brennstoff als jedes andere Kraftwerk, allerdings sind Sicherheitsvorkehrungen und die Entsorgung radioaktiver Abfälle äußerst kostspielig.

Nuklearwaffe

Die Wirkung von Atomwaffen beruht auf der Tatsache, dass die unkontrollierte Freisetzung einer großen Menge Kernenergie zu einer schrecklichen Explosion führt. Am Ende des Zweiten Weltkriegs warfen die USA Atombomben auf die japanischen Städte Hiroshima und Nagasaki. Hunderttausende Menschen starben. Atombomben basieren auf Spaltungsreaktionen, Wasserstoff - an Synthesereaktionen. Das Bild zeigt die auf Hiroshima abgeworfene Atombombe.

Radiokarbon-Methode

Mit der Radiokarbonmethode wird die Zeit bestimmt, die seit dem Tod eines Organismus vergangen ist. Lebewesen enthalten geringe Mengen Kohlenstoff-14, ein radioaktives Kohlenstoffisotop. Seine Halbwertszeit beträgt 5.700 Jahre. Wenn ein Organismus stirbt, erschöpfen sich die Kohlenstoff-14-Reserven im Gewebe, das Isotop zerfällt und die verbleibende Menge kann verwendet werden, um zu bestimmen, wie lange der Tod des Organismus zurückliegt. Dank der Radiokarbondatierungsmethode können Sie herausfinden, wie lange der Ausbruch zurückliegt. Dazu nutzen sie in Lava eingefrorene Insekten und Pollen.

Wie wird Radioaktivität sonst noch genutzt?

In der Industrie wird Strahlung verwendet, um die Dicke eines Blattes Papier oder Kunststoff zu bestimmen (siehe Artikel „“). Anhand der Intensität der Betastrahlen, die die Schicht durchdringen, können sogar leichte Unterschiede in der Dicke festgestellt werden. Lebensmittel – Obst, Fleisch – werden mit Gammastrahlen bestrahlt, um sie frisch zu halten. Mithilfe von Radioaktivität verfolgen Ärzte den Weg eines Stoffes im Körper. Um beispielsweise zu bestimmen, wie Zucker im Körper eines Patienten verteilt ist, könnte ein Arzt etwas Kohlenstoff-14 in die Zuckermoleküle injizieren und die Freisetzung der Substanz beim Eintritt in den Körper überwachen. Die Strahlentherapie, also die Bestrahlung eines Patienten mit streng dosierten Strahlenanteilen, tötet Krebszellen – überwucherte Körperzellen – ab.

Die in Atomkernen enthaltene und bei Kernreaktionen und radioaktivem Zerfall freigesetzte Energie.

Prognosen zufolge werden organische Kraftstoffe ausreichen, um den Energiebedarf der Menschheit für 4-5 Jahrzehnte zu decken. In Zukunft könnte Solarenergie die wichtigste Energiequelle werden. Die Übergangszeit erfordert eine Energiequelle, die praktisch unerschöpflich, günstig und erneuerbar ist und die Umwelt nicht belastet. Und obwohl die Kernenergie nicht alle oben genannten Anforderungen vollständig erfüllt, entwickelt sie sich rasant und mit ihr sind unsere Hoffnungen auf eine Lösung der globalen Energiekrise verbunden.

Die Freisetzung der inneren Energie von Atomkernen ist durch die Spaltung schwerer Kerne oder die Fusion leichter Kerne möglich.

Eigenschaften des Atoms. Ein Atom eines beliebigen chemischen Elements besteht aus einem Kern und um ihn rotierenden Elektronen. Der Atomkern besteht aus Neutronen und Protonen. Der Begriff wird als gebräuchliche Bezeichnung für Proton und Neutron verwendet Nukleon. Neutronen haben keine elektrische Ladung, Protonen sind positiv geladen, Elektronen - negativ. Die Ladung eines Protons ist betragsmäßig gleich der Ladung eines Elektrons.

Die Anzahl der Protonen des Z-Kerns stimmt mit seiner Ordnungszahl im Periodensystem von Mendelejew überein. Die Anzahl der Neutronen in einem Kern ist bis auf wenige Ausnahmen größer oder gleich der Anzahl der Protonen.

Die Masse eines Atoms ist im Kern konzentriert und wird durch die Masse der Nukleonen bestimmt. Die Masse eines Protons ist gleich der Masse eines Neutrons. Die Masse eines Elektrons beträgt 1/1836 der Masse eines Protons.

Es wird die Dimension der Atommasse verwendet atomare Masseneinheit(a.u.m), entspricht 1,66·10 -27 kg. 1 Amu ungefähr gleich der Masse eines Protons. Das Merkmal eines Atoms ist die Massenzahl A, gleich der Gesamtzahl der Protonen und Neutronen.

Die Anwesenheit von Neutronen ermöglicht es zwei Atomen, unterschiedliche Massen bei gleicher elektrischer Ladung im Kern zu haben. Die chemischen Eigenschaften dieser beiden Atome werden gleich sein; solche Atome nennt man Isotope. In der Literatur steht links neben der Elementbezeichnung oben die Massenzahl und unten die Anzahl der Protonen.

Der in solchen Reaktoren verwendete Kernbrennstoff ist Isotop des Urans mit der Atommasse 235. Natürliches Uran ist eine Mischung aus drei Isotopen: Uran-234 (0,006 %), Uran-235 (0,711 %) und Uran-238 (99,283 %). Das Uran-235-Isotop hat einzigartige Eigenschaften – durch die Absorption eines niederenergetischen Neutrons entsteht ein Uran-236-Kern, der dann gespalten wird – aufgeteilt in zwei ungefähr gleiche Teile, sogenannte Spaltprodukte (Fragmente). Die Nukleonen des ursprünglichen Kerns verteilen sich auf die Spaltfragmente, jedoch nicht auf alle – im Durchschnitt werden 2-3 Neutronen freigesetzt. Durch die Spaltung bleibt die Masse des ursprünglichen Kerns nicht vollständig erhalten; ein Teil davon wird in Energie umgewandelt, hauptsächlich in die kinetische Energie von Spaltprodukten und Neutronen. Der Wert dieser Energie für ein Atom Uran 235 beträgt etwa 200 MeV.

Der Kern eines herkömmlichen 1000-MW-Reaktors enthält etwa 1.000 Tonnen Uran, wovon nur 3–4 % Uran-235 sind. Täglich werden 3 kg dieses Isotops im Reaktor verbraucht. Um den Reaktor mit Brennstoff zu versorgen, müssen also täglich 430 kg Urankonzentrat verarbeitet werden, das sind durchschnittlich 2150 Tonnen Uranerz

Durch die Spaltungsreaktion entstehen im Kernbrennstoff schnelle Neutronen. Wenn sie mit benachbarten Kernen eines spaltbaren Stoffes interagieren und in diesen wiederum eine Spaltungsreaktion auslösen, kommt es zu einem lawinenartigen Anstieg der Zahl der Spaltungsereignisse. Diese Spaltungsreaktion wird als Kettenreaktion der Kernspaltung bezeichnet.

Neutronen mit Energien unter 0,1 keV sind am effektivsten für die Entwicklung einer Spaltkettenreaktion. Sie werden thermisch genannt, weil ihre Energie mit der durchschnittlichen Energie der thermischen Bewegung von Molekülen vergleichbar ist. Zum Vergleich: Die Energie, die Neutronen besitzen, die beim Zerfall von Kernen entstehen, beträgt 5 MeV. Sie werden schnelle Neutronen genannt. Um solche Neutronen in einer Kettenreaktion nutzen zu können, muss ihre Energie reduziert (verlangsamt) werden. Diese Funktionen werden vom Moderator wahrgenommen. In Moderatorsubstanzen werden schnelle Neutronen an Kernen gestreut und ihre Energie in die Energie der thermischen Bewegung der Atome der Moderatorsubstanz umgewandelt. Die am weitesten verbreiteten Moderatoren sind Graphit und Flüssigmetalle (Primärkreislauf-Kühlmittel).

Die schnelle Entwicklung einer Kettenreaktion geht mit der Freisetzung großer Wärmemengen und einer Überhitzung des Reaktors einher. Um einen stationären Reaktorbetrieb aufrechtzuerhalten, werden Steuerstäbe aus Materialien, die thermische Neutronen stark absorbieren, beispielsweise Bor oder Cadmium, in den Reaktorkern eingeführt.

Die kinetische Energie der Zersetzungsprodukte wird in Wärme umgewandelt. Die Wärme wird vom im Kernreaktor zirkulierenden Kühlmittel aufgenommen und an den Wärmetauscher übertragen (1. geschlossener Kreislauf), wo Dampf erzeugt wird (2. Kreislauf), der die Turbine des Turbogenerators dreht. Das Kühlmittel im Reaktor ist flüssiges Natrium (1. Kreislauf) und Wasser (2. Kreislauf).

Uran-235 ist eine nicht erneuerbare Ressource und würde bei vollständiger Verwendung in Kernreaktoren für immer verschwinden. Daher ist es attraktiv, das Isotop Uran-238, das in viel größeren Mengen vorkommt, als Ausgangsbrennstoff zu verwenden. Dieses Isotop unterstützt keine Kettenreaktion unter dem Einfluss von Neutronen. Es kann aber schnelle Neutronen absorbieren und dabei Uran-239 bilden. In den Kernen von Uran-239 beginnt der Beta-Zerfall und es entsteht Neptunium-239 (das in der Natur nicht vorkommt). Auch dieses Isotop zerfällt und wird zu Plutonium-239 (das in der Natur nicht vorkommt). Plutonium-239 ist noch anfälliger für thermische Neutronenspaltungsreaktionen. Durch die Spaltungsreaktion im Kernbrennstoff Plutonium-239 entstehen schnelle Neutronen, die zusammen mit Uran neuen Brennstoff und Spaltprodukte bilden, die in Brennelementen (Brennelementen) Wärme freisetzen. Dadurch kann aus einem Kilogramm Natururan 20-30-mal mehr Energie gewonnen werden als in herkömmlichen Kernreaktoren mit Uran-235.

Moderne Designs verwenden flüssiges Natrium als Kühlmittel. In diesem Fall kann der Reaktor bei höheren Temperaturen betrieben werden, wodurch der thermische Wirkungsgrad des Kraftwerks erhöht wird bis 40% .

Allerdings erschweren die physikalischen Eigenschaften von Plutonium: Toxizität, niedrige kritische Masse für spontane Spaltungsreaktionen, Zündung in Sauerstoff, Sprödigkeit und Selbsterhitzung im metallischen Zustand die Herstellung, Verarbeitung und Handhabung. Daher sind Brutreaktoren immer noch seltener als thermische Neutronenreaktoren.

4. Kernkraftwerke

Zu friedlichen Zwecken wird Atomenergie in Kernkraftwerken genutzt. Der Anteil der Kernkraftwerke an der weltweiten Stromproduktion beträgt etwa 14 % .

Betrachten Sie als Beispiel das Prinzip der Stromerzeugung im Kernkraftwerk Woronesch. Ein flüssiges Metallkühlmittel mit einer Einlasstemperatur von 571 K wird durch Kanäle unter einem Druck von 157 ATM (15,7 MPa) geleitet und im Reaktor auf 595 K erhitzt. Das Metallkühlmittel wird zu einem Dampferzeuger geleitet, der empfängt kaltes Wasser, das mit einem Druck von 65,3 ATM (6,53 MPa) in Dampf umgewandelt wird. Den Schaufeln einer Dampfturbine wird Dampf zugeführt, der einen Turbogenerator dreht.

In Kernreaktoren ist die Temperatur des erzeugten Dampfes deutlich niedriger als im Dampferzeuger von Wärmekraftwerken mit organischem Brennstoff. Dadurch beträgt der thermische Wirkungsgrad von Kernkraftwerken, die mit Wasser als Kühlmittel betrieben werden, nur 30 %. Zum Vergleich: Bei Kraftwerken, die mit Kohle, Öl oder Gas betrieben werden, sind es 40 %.

Kernkraftwerke dienen der Strom- und Wärmeversorgung der Bevölkerung, Mini-Atomkraftwerke auf Seeschiffen (Atomschiffe, Atom-U-Boote) zum elektrischen Antrieb von Propellern.

Für militärische Zwecke wird Kernenergie in Atombomben eingesetzt. Die Atombombe ist ein spezieller Reaktor für schnelle Neutronen , bei dem es zu einer schnellen unkontrollierten Kettenreaktion mit hohem Neutronenvervielfachungsfaktor kommt. Der Kernreaktor einer Atombombe enthält keine Moderatoren. Dadurch werden die Abmessungen und das Gewicht des Geräts gering.

Die Kernladung einer Uran-235-Bombe ist in zwei Teile geteilt, in denen jeweils eine Kettenreaktion unmöglich ist. Um eine Explosion zu erzeugen, wird eine Hälfte der Ladung in die andere geschossen, und wenn sie verbunden werden, kommt es fast augenblicklich zu einer explosiven Kettenreaktion. Bei einer explosiven Kernreaktion wird enorme Energie freigesetzt. Dabei wird eine Temperatur von etwa hundert Millionen Grad erreicht. Es kommt zu einem kolossalen Druckanstieg und es entsteht eine starke Druckwelle.

Der erste Kernreaktor wurde am 2. Dezember 1942 an der University of Chicago (USA) in Betrieb genommen. Die erste Atombombe wurde am 16. Juli 1945 in New Mexico (Alamogordo) gezündet. Es handelte sich um ein Gerät, das auf dem Prinzip der Plutoniumspaltung beruhte. Die Bombe bestand aus Plutonium, umgeben von zwei Schichten chemischem Sprengstoff mit Zündern.

Das erste Kernkraftwerk, das 1951 Strom produzierte, war das Kernkraftwerk EBR-1 (USA). In der ehemaligen UdSSR - Kernkraftwerk Obninsk (Region Kaluga, am 27. Juni 1954 mit Strom versorgt). Das erste Kernkraftwerk der UdSSR mit einem schnellen Neutronenreaktor mit einer Leistung von 12 MW wurde 1969 in der Stadt Dimitrowgrad in Betrieb genommen. Im Jahr 1984 waren weltweit 317 Kernkraftwerke mit einer Gesamtkapazität von 191.000 MW in Betrieb, was 12 % (1012 kWh) der damaligen weltweiten Stromproduktion entsprach. Das größte Kernkraftwerk der Welt war 1981 das Kernkraftwerk Biblis (Deutschland), die thermische Leistung seiner Reaktoren betrug 7800 MW.

Thermonukleare Reaktionen nennt man Kernreaktionen der Fusion leichter Kerne zu schwereren. Das bei der Kernfusion verwendete Element ist Wasserstoff. Der Hauptvorteil des thermonuklearen Synetzes sind die praktisch unbegrenzten Ressourcen an Rohstoffen, die aus Meerwasser gewonnen werden können. Wasserstoff macht in der einen oder anderen Form 90 % aller Materie aus. Der in den Weltmeeren enthaltene Treibstoff für die Kernfusion wird für mehr als eine Milliarde Jahre reichen (die Sonneneinstrahlung und die Menschheit im Sonnensystem werden nicht mehr lange überleben). Die in 33 km Meereswasser enthaltenen Rohstoffe für die Kernfusion entsprechen im Energiegehalt allen festen Brennstoffressourcen (es gibt 40 Millionen Mal mehr Wasser auf der Erde). Die in einem Glas Wasser enthaltene Energie des Deuteriums entspricht der Verbrennung von 300 Litern Benzin.

Es gibt 3 Wasserstoffisotope : Ihre Atommassen betragen -1,2 (Deuterium), 3 (Tritium). Diese Isotope können Kernreaktionen reproduzieren, bei denen die Gesamtmasse der Endreaktionsprodukte geringer ist als die Gesamtmasse der an der Reaktion beteiligten Stoffe. Der Massenunterschied ist wie bei einer Spaltreaktion für die kinetische Energie der Reaktionsprodukte verantwortlich. Im Durchschnitt beträgt die Abnahme der Masse der an der Kernfusionsreaktion beteiligten Substanz 1 amu. entspricht der Freisetzung von 931 MeV Energie:

H 2 + H 2 = H 3 + Neutron +3,2 MeV,

H 2 + H 2 = H 3 + Proton +4,0 MeV,

H 2 + H 3 = He 4 + Neutron +17,6 MeV.

In der Natur kommt Tritium praktisch nicht vor. Es kann durch die Wechselwirkung von Neutronen mit Lithiumisotopen gewonnen werden:

Li 6 + Neutron = He 4 + H 3 + 4,8 MeV.

Die Verschmelzung von Kernen leichter Elemente kommt auf natürliche Weise nicht vor (Vorgänge im Weltraum ausgenommen). Um Kerne zu einer Fusionsreaktion zu zwingen, sind hohe Temperaturen erforderlich (ca. 107–109 K). In diesem Fall handelt es sich bei dem Gas um ein ionisiertes Plasma. Das Problem der Eingrenzung dieses Plasmas stellt das Haupthindernis für den Einsatz dieser Methode der Energieerzeugung dar. Für den zentralen Teil der Sonne sind Temperaturen von etwa 10 Millionen Grad typisch. Es sind thermonukleare Reaktionen, die die Energiequelle darstellen, die die Strahlung der Sonne und der Sterne liefert.

Derzeit werden theoretische und experimentelle Arbeiten zur Untersuchung von Methoden des magnetischen und inertialen Plasmaeinschlusses durchgeführt.

Methode zur Nutzung magnetischer Felder. Es entsteht ein Magnetfeld, das den Kanal des bewegten Plasmas durchdringt. Die geladenen Teilchen, aus denen das Plasma besteht, sind während ihrer Bewegung in einem Magnetfeld Kräften ausgesetzt, die senkrecht zur Bewegung der Teilchen und den Magnetfeldlinien gerichtet sind. Durch die Wirkung dieser Kräfte bewegen sich die Teilchen spiralförmig entlang der Feldlinien. Je stärker das Magnetfeld ist, desto dichter wird der Plasmastrom und isoliert sich dadurch von den Wänden der Hülle.

Trägheitsplasma-Einschluss. Der Reaktor führt thermonukleare Explosionen mit einer Frequenz von 20 Explosionen pro Sekunde durch. Um diese Idee umzusetzen, wird ein Teilchen thermonuklearen Brennstoffs mit fokussierter Strahlung von 10 Lasern auf die Zündtemperatur der Fusionsreaktion erhitzt, und zwar in der Zeit, bevor es aufgrund der thermischen Bewegung der Atome Zeit hat, über eine merkliche Distanz zu streuen (10-9). S).

Die thermonukleare Fusion ist die Grundlage der Wasserstoffbombe (thermonukleare Bombe). In einer solchen Bombe kommt es zu einer selbsterhaltenden thermonuklearen Reaktion explosiver Natur. Der Sprengstoff ist eine Mischung aus Deuterium und Tritium. Die Energie einer Kernspaltungsbombe wird als Quelle der Aktivierungsenergie (Quelle hoher Temperaturen) genutzt. Die erste thermonukleare Bombe der Welt wurde 1953 in der UdSSR gebaut.

Ende der 50er Jahre begann die UdSSR mit der Idee der Kernfusion in Reaktoren vom Typ TOKAMAK (Ringkernkammer im Magnetfeld einer Spule). Das Funktionsprinzip ist wie folgt: Die Ringkammer wird evakuiert und mit einem Gasgemisch aus Deuterium und Tritium gefüllt. Durch das Gemisch wird ein Strom von mehreren Millionen Ampere geleitet. In 1-2 Sekunden steigt die Temperatur der Mischung auf Hunderttausende Grad. In der Kammer entsteht Plasma. Die weitere Erwärmung erfolgt durch Injektion neutraler Deuterium- und Tritiumatome mit einer Energie von 100 – 200 keV. Die Plasmatemperatur steigt auf mehrere zehn Millionen Grad und eine selbsterhaltende Fusionsreaktion beginnt. Nach 10–20 Minuten sammeln sich schwere Elemente aus dem teilweise verdampfenden Material der Kammerwände im Plasma an. Das Plasma kühlt ab und die thermonukleare Verbrennung stoppt. Die Kammer muss wieder ausgeschaltet und von angesammelten Verunreinigungen gereinigt werden. Die Torusabmessungen für eine Reaktorwärmeleistung von 5000 MW sind wie folgt: Außenradius -10 m; Innenradius - 2,5 m.

Forschung, um einen Weg zu finden, thermonukleare Reaktionen zu kontrollieren, d. h. Die Nutzung thermonuklearer Energie für friedliche Zwecke entwickelt sich mit großer Intensität.

Im Jahr 1991 wurde in einer gemeinsamen europäischen Anlage im Vereinigten Königreich erstmals eine signifikante Energiefreisetzung bei der kontrollierten thermonuklearen Fusion erreicht. Der optimale Modus wurde 2 Sekunden lang aufrechterhalten und ging mit der Freisetzung von Energie von etwa 1,7 MW einher. Die Höchsttemperatur betrug 400 Millionen Grad.

Thermonuklearer elektrischer Generator. Bei der Verwendung von Deuterium als Fusionsbrennstoff müssen zwei Drittel der Energie in Form von kinetischer Energie geladener Teilchen freigesetzt werden. Mithilfe elektromagnetischer Methoden kann diese Energie in elektrische Energie umgewandelt werden.

Die Stromgewinnung kann im stationären und gepulsten Betrieb der Anlage erfolgen. Im ersten Fall werden die bei einer selbsterhaltenden Fusionsreaktion entstehenden Ionen und Elektronen durch ein Magnetfeld gehemmt. Der Ionenstrom wird durch ein transversales Magnetfeld vom Elektronenstrom getrennt. Der Wirkungsgrad eines solchen Systems beträgt beim Direktbremsen etwa 50 %, der Rest der Energie wird in Wärme umgewandelt.

Fusionsmotoren (nicht implementiert). Anwendungsbereich: Raumschiff. Das vollständig ionisierte Deuteriumplasma mit einer Temperatur von 1 Milliarde Grad Celsius wird durch das lineare Magnetfeld von Spulen aus Supraleitern in Form einer Schnur gehalten. Das Arbeitsmedium wird durch die Wände in die Kammer geleitet, kühlt diese und wird durch Umströmen des Plasmakabels erhitzt. Die axiale Geschwindigkeit des Ionenausflusses am Ausgang der Magnetdüse beträgt 10.000 km/s.

Im Jahr 1972 verfassten die Wissenschaftler E. von Weinzsäcker und A. H. Lovins bei einem Treffen des Club of Rome – einer Organisation, die die Ursachen erforscht und nach Lösungen für Probleme auf globaler Ebene sucht – einen Bericht über die Wirkung einer explodierenden Bombe. Den im Bericht enthaltenen Daten zufolge werden die Energiequellen des Planeten – Kohle, Gas, Öl und Uran – bis 2030 ausreichen. Um Kohle abzubauen, mit der man Energie im Wert von 1 US-Dollar gewinnen kann, muss man Energie im Wert von 99 Cent aufwenden.

Uran-235, das als Brennstoff für Kernkraftwerke dient, kommt in der Natur nicht so häufig vor: nur 5 % der gesamten Uranmenge auf der Welt, davon 2 % in Russland. Daher können Kernkraftwerke nur für Hilfszwecke genutzt werden. Die Forschung von Wissenschaftlern, die versuchten, auf TOKAMAKs Energie aus Plasma zu gewinnen, ist bis heute eine kostspielige Angelegenheit. Im Jahr 2000 tauchten Berichte auf, dass die Europäische Atomgemeinschaft (CERN) und Japan das erste Segment von TOKAMAK bauten.

Die Rettung ist möglicherweise nicht das „friedliche Atom“ eines Atomkraftwerks, sondern das „militärische“ – die Energie einer thermonuklearen Bombe.

Russische Wissenschaftler nannten ihre Erfindung einen explosiven Verbrennungskessel (ECC). Das Funktionsprinzip des PIC basiert auf der Explosion einer ultrakleinen thermonuklearen Bombe in einem speziellen Sarkophag – einem Kessel. Es kommt regelmäßig zu Explosionen. Interessant ist, dass bei einem VBC der Druck auf die Kesselwände während einer Explosion geringer ist als in den Zylindern eines gewöhnlichen Autos.

Für einen sicheren Betrieb des Kessels muss der Innendurchmesser des Kessels mindestens 100 Meter betragen. Doppelte Stahlwände und eine 30 Meter dicke Stahlbetonschale sollen Vibrationen dämpfen. Für den Bau wird ausschließlich hochwertiger Stahl verwendet, wie bei zwei modernen militärischen Schlachtschiffen. Der Bau des KVS ist für 5 Jahre geplant. Im Jahr 2000 wurde in einer der geschlossenen Städte Russlands ein Projekt zum Bau einer Versuchsanlage für eine „Bombe“ mit 2 bis 4 Kilotonnen Kernäquivalent vorbereitet. Die Kosten für dieses FAC betragen 500 Millionen US-Dollar. Wissenschaftler haben berechnet, dass es sich in einem Jahr amortisiert und weitere 50 Jahre praktisch kostenlos Strom und Wärme liefert. Nach Angaben des Projektmanagers werden die Energiekosten, die der Verbrennung einer Tonne Öl entsprechen, weniger als 10 US-Dollar betragen.

40 KVGs sind in der Lage, den Bedarf des gesamten nationalen Energiesektors zu decken. Einhundert – alle Länder des eurasischen Kontinents.

Im Jahr 1932 wurde experimentell ein Positron entdeckt – ein Teilchen mit der Masse eines Elektrons, aber mit einer positiven Ladung. Bald wurde vermutet, dass es in der Natur Ladungssymmetrie gibt: a) jedes Teilchen muss ein Antiteilchen haben; b) Die Naturgesetze ändern sich nicht, wenn alle Teilchen durch entsprechende Antiteilchen ersetzt werden und umgekehrt. Das Antiproton und das Antineutron wurden Mitte der 50er Jahre entdeckt. Im Prinzip kann es Antimaterie geben, die aus Atomen besteht, deren Kerne Antiprotonen und Antineutronen umfassen und deren Hülle aus Positronen besteht.

Antimaterieklumpen von kosmologischer Größe würden Antiwelten darstellen, kommen aber in der Natur nicht vor. Antimaterie wird nur im Labormaßstab synthetisiert. So entdeckten sowjetische Physiker 1969 am Serpuchow-Beschleuniger Antiheliumkerne, die aus zwei Antiprotonen und einem Antineutron bestanden.

Hinsichtlich der Möglichkeiten der Energieumwandlung zeichnet sich Antimaterie dadurch aus, dass es bei Kontakt mit Materie zu einer Vernichtung (Zerstörung) unter Freisetzung enormer Energie kommt (beide Materiearten verschwinden und werden zu Strahlung). So erzeugen ein Elektron und ein Positron bei der Vernichtung zwei Photonen. Eine Art von Materie – geladene massive Teilchen – verwandelt sich in eine andere Art von Materie – neutrale masselose Teilchen. Verwendung der Einsteinschen Beziehung über die Äquivalenz von Energie und Masse (E=mc 2), Es ist nicht schwer zu berechnen, dass die Vernichtung eines Gramms Materie die gleiche Energie erzeugt, die durch die Verbrennung von 10.000 Tonnen Kohle gewonnen werden kann, und dass eine Tonne Antimaterie ausreichen würde, um den gesamten Planeten ein Jahr lang mit Energie zu versorgen.

Astrophysiker glauben, dass es die Vernichtung ist, die die gigantische Energie quasi-stellarer Objekte – Quasare – liefert.

1979 gelang es einer Gruppe amerikanischer Physiker, das Vorhandensein natürlicher Antiprotonen zu registrieren. Sie wurden durch kosmische Strahlung gebracht.

Die Nutzung der Kernenergie erweist sich in der modernen Welt als so wichtig, dass die Welt, wie wir sie kennen, wahrscheinlich nicht mehr existieren würde, wenn wir morgen aufwachen und die Energie aus der Kernreaktion verschwunden wäre. Frieden bildet die Grundlage der industriellen Produktion und des Lebens in Ländern wie Frankreich und Japan, Deutschland und Großbritannien, den USA und Russland. Und wenn die letzten beiden Länder noch in der Lage sind, Kernenergiequellen durch Wärmekraftwerke zu ersetzen, dann ist dies für Frankreich oder Japan schlichtweg unmöglich.

Die Nutzung der Kernenergie bringt viele Probleme mit sich. Im Grunde hängen alle diese Probleme mit der Tatsache zusammen, dass der Mensch durch die Nutzung der Bindungsenergie des Atomkerns (die wir Kernenergie nennen) zu seinem Vorteil ein erhebliches Übel in Form von hochradioaktivem Abfall erleidet, der nicht einfach weggeworfen werden kann. Abfälle aus Kernenergiequellen müssen unter sicheren Bedingungen verarbeitet, transportiert, vergraben und lange gelagert werden.

Vor- und Nachteile, Nutzen und Schaden der Nutzung der Kernenergie

Betrachten wir die Vor- und Nachteile der Nutzung atomarer Energie, ihren Nutzen, Schaden und ihre Bedeutung im Leben der Menschheit. Es ist offensichtlich, dass Kernenergie heute nur noch von Industrieländern benötigt wird. Das heißt, friedliche Kernenergie wird hauptsächlich in Anlagen wie Fabriken, Verarbeitungsbetrieben usw. genutzt. Es sind energieintensive Industrien, die weit von billigen Stromquellen entfernt sind (z. B. Wasserkraftwerke), die Kernkraftwerke nutzen, um ihre internen Prozesse sicherzustellen und weiterzuentwickeln.

Agrarregionen und Städte haben keinen großen Bedarf an Kernenergie. Es ist durchaus möglich, es durch thermische und andere Stationen zu ersetzen. Es zeigt sich, dass die Beherrschung, der Erwerb, die Entwicklung, die Produktion und die Nutzung der Kernenergie größtenteils darauf abzielen, unseren Bedarf an Industrieprodukten zu decken. Mal sehen, um welche Branchen es sich handelt: Automobilindustrie, Militärproduktion, Metallurgie, chemische Industrie, Öl- und Gaskomplex usw.

Möchte ein moderner Mensch ein neues Auto fahren? Möchten Sie modische Synthetikkleidung tragen, Synthetik essen und alles in Synthetik packen? Möchten Sie farbenfrohe Produkte in verschiedenen Formen und Größen? Willst du alle neuen Telefone, Fernseher, Computer? Möchten Sie viel kaufen und die Ausrüstung um Sie herum oft wechseln? Möchten Sie köstliche chemische Lebensmittel aus farbigen Verpackungen essen? Möchten Sie in Frieden leben? Möchten Sie süße Reden vom Fernsehbildschirm hören? Möchte er, dass es viele Panzer, Raketen und Kreuzer sowie Granaten und Kanonen gibt?

Und er bekommt alles. Es spielt keine Rolle, dass die Diskrepanz zwischen Wort und Tat am Ende zum Krieg führt. Es spielt keine Rolle, dass das Recycling auch Energie erfordert. Im Moment ist der Mann ruhig. Er isst, trinkt, geht zur Arbeit, verkauft und kauft.

Und das alles erfordert Energie. Und dafür wird auch viel Öl, Gas, Metall usw. benötigt. Und all diese industriellen Prozesse erfordern Kernenergie. Daher wird sich die Kernenergie, egal was irgendjemand sagt, nur entwickeln, bis der erste industrielle Kernfusionsreaktor in Betrieb genommen wird.

Als Vorteile der Kernenergie können wir getrost alles aufzählen, was wir gewohnt sind. Die Kehrseite ist die traurige Aussicht auf einen drohenden Tod aufgrund des Zusammenbruchs der Ressourcenverknappung, der Probleme mit Atommüll, des Bevölkerungswachstums und der Verschlechterung des Ackerlandes. Mit anderen Worten, die Kernenergie ermöglichte es dem Menschen, die Natur noch stärker zu kontrollieren und sie so unermesslich zu vergewaltigen, dass er innerhalb weniger Jahrzehnte die Schwelle der Reproduktion grundlegender Ressourcen überschritt und ab dem Jahr 2000 den Prozess des Zusammenbruchs des Verbrauchs einleitete und 2010. Dieser Prozess ist objektiv nicht mehr von der Person abhängig.

Jeder wird weniger essen, weniger leben und die Natur weniger genießen müssen. Hier liegt ein weiteres Plus oder Minus der Kernenergie: Länder, die die Atomenergie beherrschen, werden in der Lage sein, die knappen Ressourcen derjenigen, die die Atomenergie nicht beherrschen, effektiver umzuverteilen. Darüber hinaus wird nur die Entwicklung des Kernfusionsprogramms der Menschheit das einfache Überleben ermöglichen. Lassen Sie uns nun im Detail erklären, was für ein „Biest“ das ist – atomare (nukleare) Energie und womit sie gegessen wird.

Masse, Materie und atomare (nukleare) Energie

Wir hören oft die Aussage, dass „Masse und Energie dasselbe sind“ oder solche Urteile, dass der Ausdruck E = mc2 die Explosion einer Atombombe erklärt. Da Sie nun ein erstes Verständnis der Kernenergie und ihrer Anwendungen haben, wäre es wirklich unklug, Sie mit Aussagen wie „Masse gleich Energie“ zu verwirren. Auf jeden Fall ist diese Art, die große Entdeckung zu interpretieren, nicht die beste. Anscheinend ist dies nur der Witz junger Reformisten, „Galiläer der neuen Zeit“. Tatsächlich besagt die durch viele Experimente bestätigte Vorhersage der Theorie nur, dass Energie Masse hat.

Wir werden nun den modernen Standpunkt erläutern und einen kurzen Überblick über die Geschichte seiner Entwicklung geben.
Wenn die Energie eines materiellen Körpers zunimmt, nimmt auch seine Masse zu, und wir führen diese zusätzliche Masse auf die Zunahme der Energie zurück. Wenn beispielsweise Strahlung absorbiert wird, wird der Absorber heißer und seine Masse nimmt zu. Der Anstieg ist jedoch so gering, dass er die Genauigkeit von Messungen in gewöhnlichen Experimenten übersteigt. Sendet ein Stoff hingegen Strahlung aus, dann verliert er einen Tropfen seiner Masse, der von der Strahlung mitgerissen wird. Es stellt sich eine umfassendere Frage: Wird nicht die gesamte Masse der Materie durch Energie bestimmt, d. h. ist nicht in jeder Materie eine riesige Energiereserve enthalten? Vor vielen Jahren reagierten radioaktive Umwandlungen positiv darauf. Wenn ein radioaktives Atom zerfällt, wird eine große Menge Energie freigesetzt (hauptsächlich in Form von kinetischer Energie) und ein kleiner Teil der Atommasse verschwindet. Die Messungen zeigen dies deutlich. Energie trägt also Masse mit sich und verringert dadurch die Masse der Materie.

Folglich ist ein Teil der Masse der Materie austauschbar mit der Masse der Strahlung, der kinetischen Energie usw. Deshalb sagen wir: „Energie und Materie sind teilweise zu gegenseitigen Umwandlungen fähig.“ Darüber hinaus können wir jetzt Materieteilchen erzeugen, die Masse haben und vollständig in Strahlung umgewandelt werden können, die ebenfalls Masse hat. Die Energie dieser Strahlung kann sich in andere Formen umwandeln und dabei ihre Masse auf diese übertragen. Umgekehrt kann sich Strahlung in Materieteilchen verwandeln. Anstelle von „Energie hat Masse“ können wir also sagen: „Teilchen aus Materie und Strahlung sind ineinander umwandelbar und daher in der Lage, sich in andere Energieformen umzuwandeln.“ Dies ist die Erschaffung und Zerstörung von Materie. Derartige zerstörerische Ereignisse können im Bereich der gewöhnlichen Physik, Chemie und Technik nicht vorkommen, sie müssen entweder in den mikroskopischen, aber aktiven Prozessen gesucht werden, die von der Kernphysik untersucht werden, oder im Hochtemperaturtiegel von Atombomben, in der Sonne und in den Sternen. Es wäre jedoch unvernünftig zu sagen, dass „Energie Masse ist“. Wir sagen: „Energie hat wie Materie Masse.“

Masse gewöhnlicher Materie

Wir sagen, dass die Masse gewöhnlicher Materie einen riesigen Vorrat an innerer Energie enthält, der dem Produkt aus Masse und (Lichtgeschwindigkeit)2 entspricht. Aber diese Energie ist in der Masse enthalten und kann nicht freigesetzt werden, ohne dass zumindest ein Teil davon verschwindet. Wie kam es zu dieser erstaunlichen Idee und warum wurde sie nicht früher entdeckt? Es wurde schon früher vorgeschlagen – Experiment und Theorie in verschiedenen Formen – aber bis zum 20. Jahrhundert wurde die Energieänderung nicht beobachtet, da sie in gewöhnlichen Experimenten einer unglaublich kleinen Massenänderung entspricht. Allerdings sind wir mittlerweile davon überzeugt, dass ein fliegendes Geschoss aufgrund seiner kinetischen Energie über zusätzliche Masse verfügt. Selbst bei einer Geschwindigkeit von 5000 m/sec hat ein Geschoss, das im Ruhezustand genau 1 g wog, eine Gesamtmasse von 1,00000000001 g. Weißglühendes Platin mit einem Gewicht von 1 kg addiert nur 0,000000000004 kg und wird praktisch von keinem Wäger erfasst werden können Änderungen. Erst wenn enorme Energiereserven aus dem Atomkern freigesetzt werden oder wenn atomare „Projektile“ auf Geschwindigkeiten nahe der Lichtgeschwindigkeit beschleunigt werden, macht sich die Energiemasse bemerkbar.

Andererseits deutet bereits ein geringfügiger Massenunterschied auf die Möglichkeit hin, eine große Energiemenge freizusetzen. Somit haben Wasserstoff- und Heliumatome relative Massen von 1,008 und 4,004. Wenn sich vier Wasserstoffkerne zu einem Heliumkern verbinden könnten, würde sich die Masse von 4,032 auf 4,004 ändern. Der Unterschied ist gering, nur 0,028 oder 0,7 %. Aber es würde eine gigantische Energiefreisetzung (hauptsächlich in Form von Strahlung) bedeuten. 4,032 kg Wasserstoff würden 0,028 kg Strahlung erzeugen, die eine Energie von etwa 600000000000 Cal hätte.

Vergleichen Sie dies mit den 140.000 Kalorien, die freigesetzt werden, wenn sich die gleiche Menge Wasserstoff bei einer chemischen Explosion mit Sauerstoff verbindet.
Gewöhnliche kinetische Energie trägt erheblich zur Masse der in Zyklotronen erzeugten sehr schnellen Protonen bei, was bei der Arbeit mit solchen Maschinen zu Schwierigkeiten führt.

Warum glauben wir immer noch, dass E=mc2

Nun sehen wir dies als direkte Folge der Relativitätstheorie, doch die ersten Verdachtsmomente entstanden gegen Ende des 19. Jahrhunderts im Zusammenhang mit den Eigenschaften der Strahlung. Damals schien es wahrscheinlich, dass die Strahlung Masse hatte. Und da Strahlung wie auf Flügeln mit einer Geschwindigkeit Energie mit sich trägt, oder besser gesagt, sie selbst Energie ist, ist ein Beispiel für Masse aufgetaucht, die zu etwas „Immateriellem“ gehört. Die experimentellen Gesetze des Elektromagnetismus sagten voraus, dass elektromagnetische Wellen „Masse“ haben sollten. Doch vor der Entstehung der Relativitätstheorie war es nur ungezügelter Fantasie möglich, das Verhältnis m=E/c2 auf andere Energieformen auszudehnen.

Alle Arten elektromagnetischer Strahlung (Radiowellen, Infrarot-, sichtbares und ultraviolettes Licht usw.) haben einige gemeinsame Merkmale: Sie breiten sich im Vakuum alle mit der gleichen Geschwindigkeit aus und übertragen Energie und Impuls. Wir stellen uns Licht und andere Strahlung in Form von Wellen vor, die sich mit einer hohen, aber bestimmten Geschwindigkeit c = 3*108 m/s ausbreiten. Wenn Licht auf eine absorbierende Oberfläche trifft, entsteht Wärme, was darauf hinweist, dass der Lichtstrom Energie transportiert. Diese Energie muss sich zusammen mit der Strömung mit der gleichen Lichtgeschwindigkeit ausbreiten. Tatsächlich wird die Lichtgeschwindigkeit genau so gemessen: Anhand der Zeit, die ein Teil der Lichtenergie benötigt, um eine lange Strecke zurückzulegen.

Wenn Licht auf die Oberfläche einiger Metalle trifft, werden Elektronen herausgeschleudert, die herausfliegen, als wären sie von einer kompakten Kugel getroffen worden. ist offenbar in konzentrierten Portionen verteilt, die wir „Quanten“ nennen. Dies ist die Quantennatur der Strahlung, obwohl diese Anteile offenbar durch Wellen erzeugt werden. Jedes Lichtstück mit der gleichen Wellenlänge hat die gleiche Energie, ein bestimmtes „Energiequantum“. Solche Teile rasen mit Lichtgeschwindigkeit (tatsächlich sind sie Licht) und übertragen Energie und Impuls (Impuls). All dies ermöglicht es, der Strahlung eine bestimmte Masse zuzuordnen – jeder Portion wird eine bestimmte Masse zugeordnet.

Wenn Licht von einem Spiegel reflektiert wird, wird keine Wärme freigesetzt, da der reflektierte Strahl die gesamte Energie mitnimmt. Der Spiegel unterliegt jedoch einem Druck, der dem Druck elastischer Kugeln oder Moleküle ähnelt. Trifft das Licht statt auf einen Spiegel auf eine schwarze absorbierende Oberfläche, halbiert sich der Druck. Dies zeigt an, dass der Strahl den vom Spiegel gedrehten Bewegungsbetrag trägt. Daher verhält sich Licht so, als ob es Masse hätte. Aber gibt es eine andere Möglichkeit zu wissen, dass etwas Masse hat? Gibt es eine eigenständige Masse, etwa Länge, grüne Farbe oder Wasser? Oder ist es ein künstliches Konzept, das durch Verhalten wie Modesty definiert wird? Tatsächlich ist uns die Masse in drei Erscheinungsformen bekannt:

A. Eine vage Aussage, die die Menge der „Substanz“ charakterisiert (Masse ist aus dieser Sicht der Materie innewohnend – einer Einheit, die wir sehen, berühren und schieben können).
B. Bestimmte Aussagen, die es mit anderen physikalischen Größen verknüpfen.
B. Die Masse bleibt erhalten.

Es bleibt die Masse in Bezug auf Impuls und Energie zu bestimmen. Dann muss jedes sich bewegende Ding mit Impuls und Energie „Masse“ haben. Seine Masse sollte (Impuls)/(Geschwindigkeit) sein.

Relativitätstheorie

Der Wunsch, eine Reihe experimenteller Paradoxien bezüglich des absoluten Raums und der absoluten Zeit miteinander zu verbinden, führte zur Relativitätstheorie. Zwei Arten von Experimenten mit Licht lieferten widersprüchliche Ergebnisse, und Experimente mit Elektrizität verschärften diesen Konflikt noch. Dann schlug Einstein vor, die einfachen geometrischen Regeln für die Addition von Vektoren zu ändern. Diese Änderung ist die Essenz seiner „speziellen Relativitätstheorie“.

Bei niedrigen Geschwindigkeiten (von der langsamsten Schnecke bis zur schnellsten Rakete) stimmt die neue Theorie mit der alten überein.
Bei hohen Geschwindigkeiten, vergleichbar mit der Lichtgeschwindigkeit, wird unsere Längen- oder Zeitmessung durch die Bewegung des Körpers relativ zum Beobachter verändert, insbesondere wird die Masse des Körpers umso größer, je schneller er sich bewegt.

Dann erklärte die Relativitätstheorie, dass diese Massenzunahme völlig allgemein sei. Bei normalen Geschwindigkeiten gibt es keine Veränderung und erst bei einer Geschwindigkeit von 100.000.000 km/h erhöht sich die Masse um 1 %. Bei Elektronen und Protonen, die von radioaktiven Atomen oder modernen Beschleunigern emittiert werden, erreicht sie jedoch 10, 100, 1000 % …. Experimente mit solchen hochenergetischen Teilchen liefern eine hervorragende Bestätigung des Zusammenhangs zwischen Masse und Geschwindigkeit.

Am anderen Rand befindet sich Strahlung, die keine Ruhemasse hat. Es ist keine Substanz und kann nicht in Ruhe gehalten werden; Es hat einfach Masse und bewegt sich mit der Geschwindigkeit c, also ist seine Energie gleich mc2. Wir sprechen von Quanten als Photonen, wenn wir das Verhalten von Licht als Teilchenstrom betrachten wollen. Jedes Photon hat eine bestimmte Masse m, eine bestimmte Energie E=mс2 und einen bestimmten Impuls (Impuls).

Nukleare Transformationen

Bei einigen Experimenten mit Kernen addieren sich die Massen der Atome nach heftigen Explosionen nicht zur gleichen Gesamtmasse. Die freigesetzte Energie trägt einen Teil der Masse mit sich; Das fehlende Stück Atommaterial scheint verschwunden zu sein. Wenn wir der gemessenen Energie jedoch die Masse E/c2 zuordnen, stellen wir fest, dass die Masse erhalten bleibt.

Vernichtung der Materie

Wir sind es gewohnt, Masse als eine unvermeidliche Eigenschaft der Materie zu betrachten, sodass der Übergang der Masse von Materie zu Strahlung – von einer Lampe zu einem austretenden Lichtstrahl – fast wie die Zerstörung von Materie aussieht. Noch ein Schritt – und wir werden überrascht sein, was tatsächlich passiert: Positive und negative Elektronen, Materieteilchen, werden zusammengefügt und vollständig in Strahlung umgewandelt. Die Masse ihrer Materie verwandelt sich in eine gleiche Strahlungsmasse. Es handelt sich hier um ein Verschwinden der Materie im wahrsten Sinne des Wortes. Wie im Fokus, in einem Lichtblitz.

Messungen zeigen, dass (Energie, Strahlung bei der Vernichtung)/ c2 gleich der Gesamtmasse beider Elektronen – positiv und negativ – ist. Ein Antiproton verbindet sich mit einem Proton und vernichtet sich, wobei normalerweise leichtere Teilchen mit hoher kinetischer Energie freigesetzt werden.

Entstehung von Materie

Nachdem wir nun gelernt haben, mit energiereicher Strahlung (ultrakurzwelliger Röntgenstrahlung) umzugehen, können wir aus der Strahlung Materieteilchen präparieren. Wenn ein Ziel mit solchen Strahlen beschossen wird, erzeugen sie manchmal ein Teilchenpaar, zum Beispiel positive und negative Elektronen. Und wenn wir erneut die Formel m=E/c2 sowohl für Strahlung als auch für kinetische Energie verwenden, bleibt die Masse erhalten.

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Die Abhängigkeit der Bindungsenergie pro Nukleon von der Anzahl der Nukleonen im Kern ist in der Grafik dargestellt.

Die Energie, die benötigt wird, um einen Kern in einzelne Nukleonen zu spalten, nennt man Bindungsenergie. Die Bindungsenergie pro Nukleon ist für verschiedene chemische Elemente und sogar für Isotope desselben chemischen Elements nicht gleich. Die spezifische Bindungsenergie eines Nukleons in einem Kern variiert im Durchschnitt von 1 MeV für leichte Kerne (Deuterium) bis 8,6 MeV für mittelschwere Kerne (A≈100). Bei schweren Kernen (A≈200) ist die spezifische Bindungsenergie eines Nukleons um etwa 1 MeV geringer als bei Kernen mit durchschnittlichem Gewicht, sodass ihre Umwandlung in Kerne mit durchschnittlichem Gewicht (Teilung in 2 Teile) mit der Freisetzung von einhergeht Energie in einer Menge von etwa 1 MeV pro Nukleon oder etwa 200 MeV pro Kern. Die Umwandlung leichter Kerne in schwerere Kerne führt zu einem noch größeren Energiegewinn pro Nukleon. Zum Beispiel die Reaktion zwischen Deuterium und Tritium

1 D²+ 1 T³→ 2 He 4 + 0 N 1

geht mit der Freisetzung von Energie von 17,6 MeV einher, also 3,5 MeV pro Nukleon.

Freisetzung von Kernenergie

Es sind exotherme Kernreaktionen bekannt, die Kernenergie freisetzen.

Typischerweise wird zur Erzeugung von Kernenergie eine Kernspaltungskettenreaktion von Uran-235- oder Plutoniumkernen genutzt. Kerne spalten sich, wenn ein Neutron auf sie trifft, wodurch neue Neutronen und Spaltfragmente entstehen. Spaltneutronen und Spaltfragmente haben eine hohe kinetische Energie. Durch Kollisionen von Fragmenten mit anderen Atomen wird diese kinetische Energie schnell in Wärme umgewandelt.

Eine weitere Möglichkeit, Kernenergie freizusetzen, ist die Kernfusion. In diesem Fall verbinden sich zwei Kerne leichter Elemente zu einem schweren. Solche Prozesse finden auf der Sonne statt.

Viele Atomkerne sind instabil. Mit der Zeit verwandeln sich einige dieser Kerne spontan in andere Kerne und setzen dabei Energie frei. Dieses Phänomen wird radioaktiver Zerfall genannt.

Anwendungen der Kernenergie

In einer Wasserstoffbombe wird Fusionsenergie genutzt.

Anmerkungen

siehe auch

Literatur

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Nukleartechnik
Maschinenbau
Material
Atomkraft
Nuklearmedizin
Nuklearwaffe

Wikimedia-Stiftung. 2010.

Kossmann, Bernhard
Zimmermann, Albert Karl Heinrich

Sehen Sie in anderen Wörterbüchern, was „Kernenergie“ ist:

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ATOMKRAFT- (Kernenergie), intern Energie bei. Kern, der bei Kernumwandlungen freigesetzt wird. Die Energie, die aufgewendet werden muss, um einen Kern in seine Nukleonen zu spalten, nennt man. nukleare Bindungsenergie?st. Das sind max. Energie in Richtung Himmel kann freigesetzt werden.… … Physische Enzyklopädie

ATOMKRAFT- KERNENERGIE, ENERGIE, die während einer Kernreaktion als Ergebnis des Übergangs von MASSE in Energie freigesetzt wird, wie in der Gleichung beschrieben: E=mс2 (wobei E die Energie, m die Masse und c die Lichtgeschwindigkeit ist); es wurde von A. EINSTEIN in seiner RELATIVITÄTSTHEORIE abgeleitet.... ... Wissenschaftliches und technisches Enzyklopädisches Wörterbuch

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