Kā iegūt kodolenerģiju. Izglītības programma: Kā iegūt kodolenerģiju

Pagājušā gadsimta beigās zinātnieki bija pārsteigti, atklājot, ka atomi, pareizāk sakot, atomu kodoli spontāni sadalās daļās, izdalot starus un siltumu. Viņi sauca šo fenomenu. Un, kad viņi to aprēķināja, viņi bija vēl vairāk pārsteigti: 1 g rādija, ja tas pilnībā sadalās, var nodrošināt tādu pašu siltuma daudzumu kā 500 kg ogļu, kad to sadedzina. Taču izmantot šo īpašību nav iespējams – atomi sadalās tik lēni, ka 2000 gadu laikā izdalās tikai puse siltuma.

Tas ir kā liels dambis. Dambis ir ciet, un ūdens tek mazā straumē, no kā nekāda labuma.

Tagad, ja aizsprosts tiktu atvērts, ja cilvēki iemācītos iznīcināt atomus!.. Viņi saņemtu bezgalīgu enerģijas okeānu. Bet kā to izdarīt?

Saka, ka no lielgabala zvirbuli nevar nošaut, vajag mazu granulu. Kur var dabūt granulu atoma kodola sadalīšanai?

Zinātnieki visā pasaulē ir smagi strādājuši vairākus gadu desmitus. Šajā laikā viņi uzzināja, kā tas darbojas, un atrada tam “granulu”. Izrādījās, ka tā ir viena no daļiņām, kas ir daļa no kodola – neitrons. Tas viegli iekļūst atomā un sadala kodolu.

Un tad izrādījās, ka metāla urāna atomi, sadaloties, atbrīvo jaunus neitronus, kas iznīcina blakus esošos atomus. Ja jūs paņemat urāna gabalu, kurā vienlaikus sadalīsies daudzi kodoli un tiks atbrīvoti daudzi jauni neitroni, dalīšanās process augs kā lavīna kalnos. Atombumba uzsprāgs.

Kodolreaktora diagramma. Biezi melni stieņi ir neitronu absorbētāji. Reaktors uzsilda ūdeni un pēc tam silda ūdeni siltummainī līdz vārīšanās temperatūrai. Iegūtais tvaiks rotē spēkstacijas turbīnu.

Iedomājieties, ka ir sabrucis liels dambis. Ūdens, kas savākts aiz tā, uzreiz strauji plūdīs lejā. Plūsmas spēks ir liels, bet tas nodara tikai ļaunumu, jo aizslauka visu, kas ir savā ceļā. Tas pats ir ar atomu: sprādziena kolosālā enerģija var tikai iznīcināt. Bet cilvēkiem ir vajadzīga kodolenerģija, lai būvētu. Tagad, ja atoms atdotu savas rezerves tādās porcijās, kā mēs vēlamies! Enerģija nav nepieciešama - aizvēra aizbīdni. Man vajadzēja - (Cik daudz jums vajag?) atvēra divas vai trīs durvis: "Saņemiet to, ko prasījāt!"

Un vīrietis savaldīja sprādzienu.

Kurš ir galvenais “strādnieks” “atomelektrostacijā”? Neitrons. Tas ir tas, kurš salauž urāna kodolus. Ko darīt, ja mēs izņemtu dažus strādniekus no “rūpnīcas”? Darbs ritēs lēnāk.

Tieši tā darbojas kodolkatls jeb kodolreaktors. Šī ir liela aka ar biezām betona sienām (tās nepieciešamas, lai cilvēkiem kaitīgais starojums neizkļūtu ārā). Aka ir piepildīta ar grafītu, to pašu materiālu, no kura tiek izgatavoti zīmuļu vadi. Grafīta pildījumā ir caurumi, kur ievietoti urāna stieņi. Kad to ir pietiekami daudz, parādās nepieciešamais "strādājošo" neitronu skaits un sākas atomu reakcija.

Lai to kontrolētu, citos caurumos ir metāla stieņi, kas uztver un absorbē neitronus. Tie ir "vārti" dambī.

Enerģija nav nepieciešama vai pastāv sprādziena briesmas, amortizatora stieņi tiek uzreiz nolaisti, neitroni, kas izdalās no urāna kodoliem, tiek absorbēti, pārstāj darboties, un reakcija apstājas.

Nepieciešams, lai reakcija noritētu, slēģu stieņi tiek pacelti, reaktorā atkal parādās “strādājoši” neitroni, un katlā paaugstinās temperatūra (Cik daudz enerģijas vajag? Saņem!).

Kodolreaktorus var uzstādīt uz atomelektrostacijām, uz kodolzemūdenēm, uz kodolledlauža. Tie, tāpat kā parastie tvaika katli, paklausīgi pārvērtīs ūdeni tvaikā, kas griezīs turbīnas. Pieci simti kilogramu kodoldegvielas — tikai desmit čemodānu satura — pietiek, lai ledlauzis Ļeņins kuģotu visu gadu. Vai varat iedomāties, cik tas ir izdevīgi: jums nav jānēsā līdzi simtiem tonnu degvielas, tā vietā varat paņemt kādu noderīgāku kravu; jūs varat izvairīties no došanās uz ostu uzpildīt degvielu veselu gadu, jo īpaši tāpēc, ka ziemeļos tas ne vienmēr ir viegli izdarāms. Jā, un var uzstādīt arī stiprākas mašīnas...

Esošajos kodolreaktoros enerģiju iegūst, iznīcinot kodolus, kas sastāv no liela skaita daļiņu (piemēram, urāna kodolos to ir vairāk nekā divi simti). Un, lai gan šādas degvielas uz Zemes joprojām ir daudz, kādreiz tā beigsies... Vai ir kāds veids, kā iegūt kodolenerģiju no citām vielām? Un zinātnieki to atrada!

Izrādījās, ka atomi, kuru kodolā ir tikai divas daļiņas: viens protons un viens neitrons, var kalpot arī par enerģijas avotu. Bet viņi to atdod nevis dalīšanās laikā, bet savienojuma laikā vai, kā saka, saplūšanas laikā no diviem kodoliem.

Lai to izdarītu, ūdeņraža atomi ir jāuzsilda līdz daudziem miljoniem grādu. Šajā temperatūrā to serdeņi sāk kustēties milzīgā ātrumā un, paātrinoties, var pārvarēt elektriskos atgrūšanas spēkus, kas pastāv starp tiem. Kad tie nonāk pietiekami tuvu, sāk darboties kodola pievilcības spēki un kodoli saplūst. Tūkstošiem reižu vairāk siltuma izdalās nekā kodola skaldīšanas laikā.

Šo enerģijas ražošanas metodi sauc par kodoltermisko reakciju. Šīs reakcijas plosās gan tālu zvaigžņu, gan tuvējās Saules dzīlēs, kas dod mums gaismu un siltumu. Bet uz Zemes tie līdz šim ir izpaudušies ūdeņraža bumbas destruktīva sprādziena veidā.

Tagad zinātnieki strādā, lai piespiestu ūdeņraža kodolus pakāpeniski apvienoties. Un, kad mēs iemācīsimies kontrolēt kodoltermiskās reakcijas, mēs varēsim izmantot neierobežotās enerģijas rezerves, ko satur ūdens, kas sastāv no ūdeņraža un kura rezerves ir neizsmeļamas.

Atoms sastāv no kodola, ko ieskauj daļiņu mākoņi, ko sauc elektroni(skat. attēlu). Atomu kodoli - mazākās daļiņas, no kurām sastāv visas vielas - satur ievērojamu daudzumu. Tieši šī enerģija izdalās starojuma veidā radioaktīvo elementu sabrukšanas laikā. Radiācija ir bīstama dzīvībai, bet kodolreakcijas var izmantot, lai ražotu. Radiāciju izmanto arī medicīnā.

Radioaktivitāte

Radioaktivitāte ir nestabilu atomu kodolu īpašība izstarot enerģiju. Lielākā daļa smago atomu ir nestabili, bet vieglākiem atomiem ir radioizotopi, t.i. radioaktīvie izotopi. Radioaktivitātes iemesls ir tas, ka atomi mēdz kļūt stabili (skatiet rakstu " "). Ir trīs radioaktīvā starojuma veidi: alfa stari, beta stari Un gamma stari. Tie ir nosaukti pēc pirmajiem trim grieķu alfabēta burtiem. Sākotnēji kodols izstaro alfa vai beta starus, un, ja tas joprojām ir nestabils, kodols izstaro arī gamma starus. Attēlā redzami trīs atomu kodoli. Tie ir nestabili, un katrs no tiem izstaro vienu no trīs veidu stariem. Beta daļiņas ir elektroni ar ļoti lielu enerģiju. Tie rodas neitrona sabrukšanas rezultātā. Alfa daļiņas sastāv no diviem protoniem un diviem neitroniem. Hēlija atoma kodolam ir tieši tāds pats sastāvs. Gamma stari ir augstas enerģijas elektromagnētiskais starojums, kas pārvietojas ar gaismas ātrumu.

Alfa daļiņas pārvietojas lēni, un vielas slānis, kas ir biezāks par papīra loksni, tās aiztur. Tie neatšķiras no hēlija atomu kodoliem. Zinātnieki uzskata, ka hēlijs uz Zemes ir dabiskās radioaktivitātes produkts. Alfa daļiņa lido mazāk nekā 10 cm, un bieza papīra loksne to apturēs. Beta daļiņa lido apmēram 1 metru gaisā. 1 milimetru bieza vara loksne to var aizturēt. Gamma staru intensitāte samazinās uz pusi, izejot cauri svina slānim 13 milimetru vai 120 metru slānim.

Radioaktīvās vielas tiek transportētas svina konteineros ar biezām sienām, lai novērstu radiācijas noplūdi. Radiācijas iedarbība cilvēkiem izraisa apdegumus, kataraktu un vēzi. Radiācijas līmeni mēra, izmantojot Ģēģera skaitītājs. Nosakot radioaktīvo starojumu, šī ierīce rada klikšķi. Izstarot daļiņas, kodols iegūst jaunu atomskaitli un pārvēršas par cita elementa kodolu. Šo procesu sauc radioaktīvā sabrukšana. Ja arī jaunais elements ir nestabils, sabrukšanas process turpinās, līdz veidojas stabils kodols. Piemēram, kad plutonija-2 atoms (tā masa ir 242) izstaro alfa daļiņu, kuras relatīvā atommasa ir 4 (2 protoni un 2 neitroni), tas pārvēršas par urāna atomu - 238 (atommasa 238). Pus dzīve- tas ir laiks, kurā puse no visiem attiecīgās vielas paraugā esošajiem atomiem sadalās. Dažādiem ir atšķirīgs pussabrukšanas periods. Rādija-221 pussabrukšanas periods ir 30 sekundes, bet urāna - 4,5 miljardi gadu.

Kodolreakcijas

Ir divu veidu kodolreakcijas: kodolsintēze Un kodola skaldīšana (šķelšanās).. "Sintēze" nozīmē "kombinācija"; Kodolsintēšanā divi kodoli ir apvienoti un viens ir liels. Kodolsintēze var notikt tikai ļoti augstā temperatūrā. Kodolsintēze atbrīvo milzīgu enerģijas daudzumu. Kodolsintēzē divi kodoli tiek apvienoti vienā lielā. 1992. gadā satelīts COBE kosmosā atklāja īpašu starojuma veidu, kas apstiprina teoriju, ka tas veidojies t.s. lielais sprādziens. No termina skaldīšana ir skaidrs, ka kodoli sadalās, atbrīvojot kodolenerģiju. Tas ir iespējams, kad kodoli tiek bombardēti ar neitroniem un notiek radioaktīvās vielās vai īpašā ierīcē, ko sauc daļiņu paātrinātājs. Kodols sadalās, izstaro neitronus un atbrīvojot kolosālu enerģiju.

Kodolenerģija

Kodolreakcijās atbrīvoto enerģiju var izmantot elektrības ražošanai un kā enerģijas avotu kodolzemūdenēs un gaisa kuģu pārvadājumos. Atomelektrostacijas darbības pamatā ir kodola skaldīšana kodolreaktoros. Stienis, kas izgatavots no radioaktīvas vielas, piemēram, urāna, tiek bombardēts ar neitroniem. Urāna kodoli sadalās, izstaro enerģiju. Tas atbrīvo jaunus neitronus. Šo procesu sauc ķēdes reakcija. Elektrostacija saražo vairāk enerģijas uz degvielas masas vienību nekā jebkura cita spēkstacija, taču drošības pasākumi un radioaktīvo atkritumu apglabāšana ir ārkārtīgi dārgi.

Atomierocis

Kodolieroču darbība ir balstīta uz faktu, ka milzīga daudzuma kodolenerģijas nekontrolēta izlaišana izraisa briesmīgu sprādzienu. Otrā pasaules kara beigās ASV nometa atombumbas uz Japānas pilsētām Hirosimu un Nagasaki. Simtiem tūkstošu cilvēku gāja bojā. Atombumbu pamatā ir skaldīšanas reakcijas, ūdeņradis - ieslēgts sintēzes reakcijas. Attēlā redzama uz Hirosimas nomesta atombumba.

Radiooglekļa metode

Radiooglekļa metode nosaka laiku, kas pagājis kopš organisma nāves. Dzīvās būtnes satur nelielu daudzumu oglekļa-14, kas ir radioaktīvs oglekļa izotops. Tā pussabrukšanas periods ir 5700 gadi. Kad organisms nomirst, oglekļa-14 rezerves audos ir izsmeltas, izotops sadalās, un atlikušo daudzumu var izmantot, lai noteiktu, cik sen organisms miris. Pateicoties radiooglekļa datēšanas metodei, jūs varat uzzināt, cik sen ir noticis izvirdums. Lai to izdarītu, viņi izmanto lavā sasaldētus kukaiņus un ziedputekšņus.

Kā vēl tiek izmantota radioaktivitāte?

Rūpniecībā starojumu izmanto, lai noteiktu papīra vai plastmasas loksnes biezumu (skatīt rakstu ““). Pēc beta staru intensitātes, kas iet caur loksni, var noteikt pat nelielu tās biezuma neviendabīgumu. Pārtikas produkti – augļi, gaļa – tiek apstaroti ar gamma stariem, lai tie būtu svaigi. Izmantojot radioaktivitāti, ārsti izseko vielas ceļu organismā. Piemēram, lai noteiktu, kā cukurs tiek izplatīts pacienta ķermenī, ārsts var injicēt oglekli-14 cukura molekulās un uzraudzīt vielas emisiju, kad tā nonāk organismā. Staru terapija, tas ir, pacienta apstarošana ar stingri dozētām starojuma porcijām, nogalina vēža šūnas - aizaugušas ķermeņa šūnas.

Enerģija, kas atrodas atomu kodolos un izdalās kodolreakciju un radioaktīvās sabrukšanas laikā.

Saskaņā ar prognozēm ar organisko degvielu pietiks, lai apmierinātu cilvēces enerģijas vajadzības 4-5 gadu desmitus. Nākotnē saules enerģija var kļūt par galveno enerģijas avotu. Pārejas periodam nepieciešams enerģijas avots, kas ir praktiski neizsmeļams, lēts, atjaunojams un nepiesārņo vidi. Un, lai gan kodolenerģija pilnībā neatbilst visām augstāk minētajām prasībām, tā strauji attīstās un ar to ir saistīta mūsu cerība atrisināt globālo enerģētikas krīzi.

Atomu kodolu iekšējās enerģijas atbrīvošanās iespējama smago kodolu sadalīšanās vai vieglo kodolu saplūšanas rezultātā.

Atomu raksturojums. Jebkura ķīmiskā elementa atoms sastāv no kodola un elektroniem, kas rotē ap to. Atoma kodols sastāv no neitroniem un protoniem. Termins, ko izmanto kā protonu un neitronu vispārēju nosaukumu nukleons. Neitroniem nav elektriskā lādiņa, protoni ir pozitīvi uzlādēti, elektroni - negatīvi. Protona lādiņš pēc absolūtās vērtības ir vienāds ar elektrona lādiņu.

Z kodola protonu skaits sakrīt ar tā atomskaitli Mendeļejeva periodiskajā tabulā. Neitronu skaits kodolā, ar dažiem izņēmumiem, ir lielāks vai vienāds ar protonu skaitu.

Atoma masa ir koncentrēta kodolā, un to nosaka nukleonu masa. Viena protona masa ir vienāda ar viena neitrona masu. Elektrona masa ir 1/1836 no protona masas.

Tiek izmantots atomu masas izmērs atomu masas vienība(a.m.), vienāds ar 1,66·10 -27 kg. 1 amu aptuveni vienāda ar viena protona masu. Atoma raksturlielums ir masas skaitlis A, kas vienāds ar kopējo protonu un neitronu skaitu.

Neitronu klātbūtne ļauj diviem atomiem iegūt dažādas masas ar vienādu elektrisko lādiņu kodolā. Šo divu atomu ķīmiskās īpašības būs vienādas; šādus atomus sauc par izotopiem. Literatūrā pa kreisi no elementa apzīmējuma masas skaitlis ir rakstīts augšpusē, bet protonu skaits - apakšā.

Šādos reaktoros izmantotā kodoldegviela ir urāna izotops ar atommasu 235. Dabiskais urāns ir trīs izotopu maisījums: urāns-234 (0,006%), urāns-235 (0,711%) un urāns-238 (99,283%). Urāna-235 izotopam ir unikālas īpašības - zemas enerģijas neitrona absorbcijas rezultātā tiek iegūts urāna-236 kodols, kas pēc tam tiek sadalīts - sadalīts divās aptuveni vienādās daļās, ko sauc par skaldīšanas produktiem (fragmentiem). Sākotnējā kodola nukleoni ir sadalīti starp skaldīšanas fragmentiem, bet ne visi - vidēji tiek atbrīvoti 2-3 neitroni. Dalīšanās rezultātā sākotnējā kodola masa netiek pilnībā saglabāta, daļa no tās tiek pārvērsta enerģijā, galvenokārt dalīšanās produktu un neitronu kinētiskajā enerģijā. Šīs enerģijas vērtība vienam urāna 235 atomam ir aptuveni 200 MeV.

Parastā 1000 MW reaktora kodolā ir aptuveni 1 tūkstotis tonnu urāna, no kuriem tikai 3 - 4% ir urāns-235. Katru dienu reaktorā tiek patērēti 3 kg šī izotopa. Tādējādi, lai apgādātu reaktoru ar degvielu, ik dienu jāpārstrādā 430 kg urāna koncentrāta, un tas ir vidēji 2150 tonnas urāna rūdas

Sadalīšanās reakcijas rezultātā kodoldegvielā rodas ātri neitroni. Ja tie mijiedarbojas ar blakus esošajiem skaldāmās vielas kodoliem un, savukārt, izraisa tajos skaldīšanas reakciju, notiek lavīnai līdzīgs skaldīšanas notikumu skaita pieaugums. Šo skaldīšanas reakciju sauc par kodola skaldīšanas ķēdes reakciju.

Neitroni, kuru enerģija ir mazāka par 0,1 keV, ir visefektīvākie skaldīšanas ķēdes reakcijas attīstībai. Tos sauc par termiskiem, jo ​​to enerģija ir salīdzināma ar molekulu termiskās kustības vidējo enerģiju. Salīdzinājumam, kodolu sabrukšanas laikā radušos neitronu enerģija ir 5 MeV. Tos sauc par ātrajiem neitroniem. Lai šādus neitronus izmantotu ķēdes reakcijā, to enerģija ir jāsamazina (palēnināta). Šīs funkcijas veic moderators. Moderatorvielās ātrie neitroni ir izkliedēti uz kodoliem, un to enerģija tiek pārvērsta moderatorvielas atomu termiskās kustības enerģijā. Visplašāk izmantotie moderatori ir grafīts un šķidrie metāli (primārā kontūra dzesēšanas šķidrums).

Ķēdes reakcijas straujo attīstību pavada liela siltuma daudzuma izdalīšanās un reaktora pārkaršana. Lai uzturētu reaktora līdzsvara režīmu, reaktora aktīvās zonas daļā tiek ievietoti vadības stieņi, kas izgatavoti no materiāliem, kas spēcīgi absorbē termiskos neitronus, piemēram, bora vai kadmija.

Sadalīšanās produktu kinētiskā enerģija tiek pārvērsta siltumā. Siltumu absorbē kodolreaktorā cirkulējošais dzesēšanas šķidrums un pārnes uz siltummaini (1. slēgtā ķēde), kur tiek ražots tvaiks (2. kontūrs), kas rotē turboģeneratora turbīnu. Dzesēšanas šķidrums reaktorā ir šķidrais nātrijs (1. ķēde) un ūdens (2. kontūra).

Urāns-235 ir neatjaunojams resurss, un, ja to pilnībā izmantos kodolreaktoros, tas pazudīs uz visiem laikiem. Tāpēc ir pievilcīgi kā sākotnējo degvielu izmantot urāna-238 izotopu, kas atrodams daudz lielākos daudzumos. Šis izotops neatbalsta ķēdes reakciju neitronu ietekmē. Bet tas var absorbēt ātrus neitronus, tādējādi veidojot urānu-239. Urāna-239 kodolos sākas beta sabrukšana un veidojas neptūnijs-239 (dabā nav sastopams). Šis izotops arī sadalās un kļūst par plutoniju-239 (dabā nav sastopams). Plutonijs-239 ir vēl jutīgāks pret termiskām neitronu dalīšanās reakcijām. Kodoldegvielā plutonijā-239 notiekošās skaldīšanas reakcijas rezultātā veidojas ātri neitroni, kas kopā ar urānu veido jaunu degvielu un skaldīšanas produktus, kas izdala siltumu degvielas elementos (degvielas elementos). Rezultātā no kilograma dabiskā urāna var iegūt 20-30 reizes vairāk enerģijas nekā parastajos kodolreaktoros, kuros izmanto urānu-235.

Mūsdienu dizainā kā dzesēšanas šķidrums tiek izmantots šķidrais nātrijs. Šajā gadījumā reaktors var darboties augstākā temperatūrā, tādējādi palielinot spēkstacijas siltuma efektivitāti līdz 40% .

Tomēr plutonija fizikālās īpašības: toksicitāte, zema kritiskā masa spontānām skaldīšanas reakcijām, aizdegšanās skābeklī, trauslums un pašizsilšana metāliskā stāvoklī apgrūtina tā ražošanu, apstrādi un apstrādi. Tāpēc selekcijas reaktori joprojām ir retāk sastopami nekā termiski neitronu reaktori.

4. Atomelektrostacijas

Mierīgiem nolūkiem atomenerģiju izmanto atomelektrostacijās. Atomelektrostaciju īpatsvars pasaules elektroenerģijas ražošanā ir aptuveni 14% .

Kā piemēru apsveriet elektroenerģijas ražošanas principu Voroņežas AES. Šķidrais metāla dzesēšanas šķidrums ar ieplūdes temperatūru 571 K tiek nosūtīts pa kanāliem pa kanāliem zem spiediena 157 ATM (15,7 MPa), kas tiek uzkarsēts reaktorā līdz 595 K. Metāla dzesēšanas šķidrums tiek nosūtīts uz tvaika ģeneratoru, kas saņem auksts ūdens, kas pārvēršas tvaikā ar spiedienu 65,3 ATM (6,53 MPa). Tvaiks tiek piegādāts tvaika turbīnas lāpstiņām, kas rotē turboģeneratoru.

Kodolreaktoros saražotā tvaika temperatūra ir ievērojami zemāka nekā termoelektrostaciju tvaika ģeneratorā, kurā izmanto organisko kurināmo. Rezultātā atomelektrostaciju, kas darbojas ar ūdeni kā dzesēšanas šķidrumu, termiskā efektivitāte ir tikai 30%. Salīdzinājumam, spēkstacijām, kas darbojas ar oglēm, naftu vai gāzi, tas sasniedz 40%.

Atomelektrostacijas tiek izmantotas iedzīvotāju elektroenerģijas un siltumapgādes sistēmās, bet mini atomelektrostacijas uz jūras kuģiem (kodolkuģi, kodolzemūdenes) dzenskrūvju elektropiedziņai).

Militārām vajadzībām kodolenerģiju izmanto atombumbās. Atombumba ir īpašs ātro neitronu reaktors , kurā notiek ātra nekontrolēta ķēdes reakcija ar augstu neitronu reizināšanas koeficientu. Atombumbas kodolreaktorā nav moderatoru. Tā rezultātā ierīces izmēri un svars kļūst mazi.

Urāna-235 bumbas kodollādiņš ir sadalīts divās daļās, katrā no kurām ķēdes reakcija nav iespējama. Lai radītu sprādzienu, puse no lādiņa tiek iešauta otrā, un, kad tie ir savienoti, gandrīz acumirklī notiek sprādzienbīstama ķēdes reakcija. Sprādzienbīstamas kodolreakcijas rezultātā izdalās milzīga enerģija. Šajā gadījumā tiek sasniegta aptuveni simts miljonu grādu temperatūra. Notiek kolosāls spiediena pieaugums un veidojas spēcīgs sprādziena vilnis.

Pirmais kodolreaktors tika palaists Čikāgas Universitātē (ASV) 1942. gada 2. decembrī. Pirmā atombumba tika uzspridzināta 1945. gada 16. jūlijā Ņūmeksikā (Alamogordo). Tā bija ierīce, kas izveidota pēc plutonija skaldīšanas principa. Bumba sastāvēja no plutonija, ko ieskauj divi ķīmiskas sprāgstvielas slāņi ar drošinātājiem.

Pirmā atomelektrostacija, kas ražoja strāvu 1951. gadā, bija EBR-1 atomelektrostacija (ASV). Bijušajā PSRS - Obninskas atomelektrostacija (Kalugas apgabals, piešķīra varu 1954. gada 27. jūnijā). Pirmā PSRS atomelektrostacija ar ātro neitronu reaktoru ar jaudu 12 MW tika uzsākta 1969. gadā Dimitrovgradas pilsētā. 1984.gadā pasaulē darbojās 317 atomelektrostacijas ar kopējo jaudu 191 tūkstotis MW, kas sastādīja 12% (1012 kWh) no tā laika globālās elektroenerģijas ražošanas. Pasaulē lielākā atomelektrostacija 1981. gadā bija Biblis AES (Vācija), tās reaktoru siltuma jauda bija 7800 MW.

Termonukleārās reakcijas sauc par kodolreakcijām, kas notiek, vieglo kodolu saplūšanai smagākos. Kodolsintēšanā izmantotais elements ir ūdeņradis. Kodoltermiskā sinetza galvenā priekšrocība ir praktiski neierobežotie izejvielu resursi, ko var iegūt no jūras ūdens. Ūdeņradis vienā vai otrā veidā veido 90% no visas vielas. Pasaules okeānos esošā kodolsintēzes degviela pietiks vairāk nekā 1 miljardam gadu (saules starojums un cilvēce Saules sistēmā neizturēs daudz ilgāk). Kodolsintēzes izejvielas, ko satur 33 km okeāna ūdens, pēc enerģijas satura ir līdzvērtīgas visiem cietā kurināmā resursiem (uz Zemes ir 40 miljonus reižu vairāk ūdens). Deitērija enerģija, kas atrodas glāzē ūdens, ir līdzvērtīga 300 litru benzīna sadedzināšanai.

Ir 3 ūdeņraža izotopi : to atomu masas ir -1,2 (deitērijs), 3 (tritijs). Šie izotopi var reproducēt kodolreakcijas, kurās galareakcijas produktu kopējā masa ir mazāka par reakcijā iesaistīto vielu kopējo masu. Masas atšķirība, tāpat kā skaldīšanas reakcijas gadījumā, nosaka reakcijas produktu kinētisko enerģiju. Vidēji termokodolsintēzes reakcijā iesaistītās vielas masas samazināšanās ir 1 amu. atbilst 931 MeV enerģijas atbrīvošanai:

H 2 + H 2 = H 3 + neitroni +3,2 MeV,

H2 + H2 = H3 + protons +4,0 MeV,

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

Dabā tritija praktiski nav. To var iegūt, neitronu mijiedarbībā ar litija izotopiem:

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

Gaismas elementu kodolu saplūšana nenotiek dabiski (izņemot procesus telpā). Lai piespiestu kodolus iesaistīties saplūšanas reakcijā, ir nepieciešama augsta temperatūra (apmēram 107–109 K). Šajā gadījumā gāze ir jonizēta plazma. Šīs plazmas ierobežošanas problēma ir galvenais šķērslis šīs enerģijas ražošanas metodes izmantošanai. Saules centrālajai daļai raksturīga aptuveni 10 miljonu grādu temperatūra. Tieši kodoltermiskās reakcijas ir enerģijas avots, kas nodrošina Saules un zvaigžņu starojumu.

Šobrīd notiek teorētiskais un eksperimentālais darbs, lai pētītu magnētiskās un inerces plazmas ierobežošanas metodes.

Magnētiskā lauka izmantošanas metode. Tiek izveidots magnētiskais lauks, kas iekļūst kustīgās plazmas kanālā. Uzlādētās daļiņas, kas veido plazmu, pārvietojoties magnētiskajā laukā, tiek pakļautas spēkiem, kas vērsti perpendikulāri daļiņu kustībai un magnētiskā lauka līnijām. Šo spēku darbības dēļ daļiņas pārvietosies spirālē pa lauka līnijām. Jo spēcīgāks ir magnētiskais lauks, jo blīvāka kļūst plazmas plūsma, tādējādi izolējot sevi no korpusa sienām.

Inerces plazmas norobežojums. Reaktors veic kodoltermiskos sprādzienus ar frekvenci 20 sprādzieni sekundē. Lai īstenotu šo ideju, kodoltermiskās degvielas daļiņa tiek uzkarsēta, izmantojot fokusētu starojumu no 10 lāzeriem līdz kodolsintēzes reakcijas aizdegšanās temperatūrai laikā, pirms tai atomu termiskās kustības dēļ paspēj izkliedēties ievērojamā attālumā (10-9 s).

Kodoltermiskā kodolsintēze ir ūdeņraža (termonukleārās) bumbas pamatā. Šādā bumbā notiek pašpietiekama sprādzienbīstama kodoltermiskā reakcija. Sprāgstviela ir deitērija un tritija maisījums. Kodolskaldīšanas bumbas enerģija tiek izmantota kā aktivācijas enerģijas avots (augstas temperatūras avots). Pasaulē pirmā kodoltermiskā bumba tika izveidota PSRS 1953. gadā.

50. gadu beigās PSRS sāka strādāt pie idejas par kodolsintēzi TOKAMAK tipa reaktoros (toroidālā kamera spoles magnētiskajā laukā). Darbības princips ir šāds: toroidālā kamera tiek evakuēta un piepildīta ar deitērija un tritija gāzu maisījumu. Caur maisījumu tiek izvadīta vairāku miljonu ampēru strāva. 1-2 sekundēs maisījuma temperatūra paaugstinās līdz simtiem tūkstošu grādu. Kamerā veidojas plazma. Turpmāka karsēšana tiek veikta, iesmidzinot neitrālus deitērija un tritija atomus ar enerģiju 100 - 200 keV. Plazmas temperatūra paaugstinās līdz desmitiem miljonu grādu un sākas pašpietiekama saplūšanas reakcija. Pēc 10-20 minūtēm plazmā uzkrāsies smagie elementi no daļēji iztvaikojošā kameras sienu materiāla. Plazma atdziest un kodoltermiskā sadegšana apstājas. Kamera vēlreiz jāizslēdz un jāiztīra no uzkrātajiem piemaisījumiem. Torusa izmēri reaktora siltuma jaudai 5000 MW ir šādi: Ārējais rādiuss -10m; iekšējais rādiuss - 2,5 m.

Pētījumi, lai atrastu veidu, kā kontrolēt kodoltermiskās reakcijas, t.i. Ar lielu intensitāti attīstās kodoltermiskās enerģijas izmantošana miermīlīgiem mērķiem.

1991. gadā apvienotajā Eiropas iekārtā Apvienotajā Karalistē pirmo reizi tika panākta ievērojama enerģijas izdalīšanās kontrolētas kodolsintēzes laikā. Optimālais režīms tika uzturēts 2 sekundes, un tam sekoja aptuveni 1,7 MW enerģijas atbrīvošana. Maksimālā temperatūra bija 400 miljoni grādu.

Kodoltermiskais elektriskais ģenerators. Ja deitēriju izmanto kā kodolsintēzes degvielu, divas trešdaļas enerģijas jāatbrīvo lādētu daļiņu kinētiskās enerģijas veidā. Izmantojot elektromagnētiskās metodes, šo enerģiju var pārvērst elektriskajā enerģijā.

Elektroenerģiju var iegūt iekārtas stacionārajos un impulsa darbības režīmos. Pirmajā gadījumā jonus un elektronus, kas rodas pašpietiekamas saplūšanas reakcijas rezultātā, kavē magnētiskais lauks. Jonu strāva tiek atdalīta no elektronu strāvas, izmantojot šķērsvirziena magnētisko lauku. Šādas sistēmas efektivitāte tiešās bremzēšanas laikā būs aptuveni 50%, un pārējā enerģija pārvērtīsies siltumā.

Kodolsintēzes dzinēji (nav implementēts). Pielietojuma joma: kosmosa kuģis. Pilnībā jonizētā deitērija plazma 1 miljarda grādu pēc Celsija temperatūrā tiek turēta auklas formā ar supravadītāju spoļu lineāro magnētisko lauku. Darba šķidrums tiek ievadīts kamerā caur sienām, tās atdzesējot, un silda, plūstot ap plazmas vadu. Jonu aizplūšanas aksiālais ātrums pie izejas no magnētiskās sprauslas ir 10 000 km/s.

1972. gadā vienā Romas kluba – organizācijas, kas pēta cēloņus un meklē risinājumus problēmām planētas mērogā – sanāksmē zinātnieki E. fon Vainzsekers, A. H. Lovins sagatavoja ziņojumu un radīja sprāgstošas ​​bumbas efektu. Saskaņā ar ziņojumā sniegtajiem datiem planētas enerģijas avoti - ogles, gāze, nafta un urāns - būs pietiekami līdz 2030. gadam. Lai iegūtu ogles, no kurām jūs varat iegūt enerģiju 1 USD vērtībā, jums būs jāiztērē enerģija, kas maksā 99 centus.

Urāns-235, kas kalpo kā degviela atomelektrostacijām, dabā nav tik bagātīgs: tikai 5% no kopējā urāna daudzuma pasaulē, no kuriem 2% atrodas Krievijā. Tāpēc atomelektrostacijas var izmantot tikai palīgnolūkos. Zinātnieku pētījumi, kuri mēģināja iegūt enerģiju no plazmas uz TOKAMAK, joprojām ir dārgs uzdevums līdz mūsdienām. 2000. gadā parādījās ziņojumi, ka Eiropas Atomkopiena (CERN) un Japāna veido pirmo TOKAMAK segmentu.

Glābējs var būt nevis atomelektrostacijas “mierīgais atoms”, bet gan “militārais” – kodoltermiskās bumbas enerģija.

Krievu zinātnieki savu izgudrojumu nosauca par sprādzienbīstamu degšanas katlu (ECC). PIC darbības princips ir balstīts uz īpaši mazas kodoltermiskās bumbas sprādzienu īpašā sarkofāgā - katlā. Sprādzieni notiek regulāri. Interesanti, ka VBC sprādziena laikā spiediens uz katla sienām ir mazāks nekā parastas automašīnas cilindros.

Lai katls darbotos droši, katla iekšējam diametram jābūt vismaz 100 metriem. Dubultās tērauda sienas un 30 metrus biezs dzelzsbetona apvalks slāpēs vibrācijas. Tā izgatavošanai tiks izmantots tikai augstas kvalitātes tērauds, piemēram, divi moderni militārie kaujas kuģi. KVS plānots būvēt uz 5 gadiem. 2000. gadā vienā no slēgtajām Krievijas pilsētām tika sagatavots projekts eksperimentālas iekārtas būvniecībai 2-4 kilotonnu kodolekvivalenta “bumbai”. Šī FAC izmaksas ir 500 miljoni USD. Zinātnieki ir aprēķinājuši, ka tas atmaksāsies pēc gada, un vēl 50 gadus tas nodrošinās praktiski bez maksas elektrību un siltumu. Pēc projekta vadītāja domām, enerģijas izmaksas, kas līdzvērtīgas tonnas naftas sadedzināšanai, būs mazākas par 10 USD.

40 KVG spēj apmierināt visas valsts enerģētikas nozares vajadzības. Simts - visas Eirāzijas kontinenta valstis.

1932. gadā eksperimentāli tika atklāts pozitrons - daļiņa ar elektrona masu, bet ar pozitīvu lādiņu. Drīz vien tika ierosināts, ka dabā pastāv lādiņu simetrija: a) katrai daļiņai ir jābūt antidaļiņai; b) dabas likumi nemainās, kad visas daļiņas tiek aizstātas ar atbilstošām antidaļiņām un otrādi. Antiprotons un antineutrons tika atklāti 50. gadu vidū. Principā var būt antimateriāls, kas sastāv no atomiem, kuru kodolos ir antiprotoni un antineitroni, un to apvalku veido pozitroni.

Kosmoloģiska izmēra antimatērijas recekļi būtu antipasaules, taču dabā tie nav sastopami. Antimateriālu sintezē tikai laboratorijas mērogā. Tā 1969. gadā Serpuhovas akseleratorā padomju fiziķi atklāja antihēlija kodolus, kas sastāv no diviem antiprotoniem un viena antineitrona.

Runājot par enerģijas konversijas iespējām, antimateriāls ir ievērojams ar to, ka, nonākot saskarē ar matēriju, notiek anihilācija (iznīcināšana), izdaloties kolosālai enerģijai (abi matērijas veidi pazūd, pārvēršoties starojumā). Tādējādi elektrons un pozitrons, iznīcinot, ģenerē divus fotonus. Viena veida matērija — uzlādētas masīvas daļiņas — pārvēršas par cita veida matēriju — neitrālām bezmasas daļiņām. Izmantojot Einšteina sakarību par enerģijas un masas ekvivalenci (E = mc 2), nav grūti izrēķināt, ka, iznīcinot vienu gramu matērijas, rodas tāda pati enerģija, kādu var iegūt, sadedzinot 10 000 tonnu ogļu, un ar vienu tonnu antimatērijas pietiktu, lai nodrošinātu enerģiju visai planētai uz gadu.

Astrofiziķi uzskata, ka tieši iznīcināšana nodrošina kvazizvaigžņu objektu – kvazāru – gigantisko enerģiju.

1979. gadā amerikāņu fiziķu grupai izdevās reģistrēt dabisko antiprotonu klātbūtni. Tos atnesa kosmiskie stari.

Kodolenerģijas izmantošana mūsdienu pasaulē izrādās tik svarīga, ka, ja mēs rīt pamostos un kodolreakcijas enerģija būtu pazudusi, pasaule, kā mēs to pazīstam, visticamāk, beigtu pastāvēt. Miers veido rūpnieciskās ražošanas un dzīves pamatu tādās valstīs kā Francija un Japāna, Vācija un Lielbritānija, ASV un Krievija. Un, ja pēdējās divas valstis joprojām spēj aizstāt kodolenerģijas avotus ar termostacijām, tad Francijai vai Japānai tas ir vienkārši neiespējami.

Kodolenerģijas izmantošana rada daudzas problēmas. Būtībā visas šīs problēmas ir saistītas ar to, ka izmantojot atoma kodola saistīšanas enerģiju (ko mēs saucam par kodolenerģiju) savā labā, cilvēks saņem būtisku ļaunumu ļoti radioaktīvu atkritumu veidā, ko nevar vienkārši izmest. Kodolenerģijas avotu atkritumi ir jāapstrādā, jāpārvadā, jāapglabā un ilgstoši jāuzglabā drošos apstākļos.

Plusi un mīnusi, ieguvumi un kaitējums no kodolenerģijas izmantošanas

Apsvērsim atomenerģijas izmantošanas plusus un mīnusus, to ieguvumus, kaitējumu un nozīmi cilvēces dzīvē. Ir skaidrs, ka kodolenerģija mūsdienās ir nepieciešama tikai rūpnieciski attīstītajām valstīm. Tas ir, miermīlīgo kodolenerģiju galvenokārt izmanto tādās iekārtās kā rūpnīcas, pārstrādes rūpnīcas utt. Tieši energoietilpīgās nozares, kas atrodas tālu no lētas elektroenerģijas avotiem (piemēram, hidroelektrostacijām), izmanto atomelektrostacijas savu iekšējo procesu nodrošināšanai un attīstībai.

Agrārajiem reģioniem un pilsētām kodolenerģija nav īpaši vajadzīga. Pilnīgi iespējams to aizstāt ar siltuma un citām stacijām. Izrādās, ka kodolenerģijas apguve, iegūšana, izstrāde, ražošana un izmantošana lielākoties ir vērsta uz mūsu vajadzību apmierināšanu pēc rūpnieciskiem produktiem. Apskatīsim, kādas nozares tās ir: automobiļu rūpniecība, militārā ražošana, metalurģija, ķīmiskā rūpniecība, naftas un gāzes komplekss utt.

Vai mūsdienu cilvēks vēlas braukt ar jaunu automašīnu? Vēlaties ģērbties modernā sintētika, ēst sintētiku un iepakot visu ar sintētiku? Vēlaties krāsainus produktus dažādās formās un izmēros? Vai vēlaties visus jaunus tālruņus, televizorus, datorus? Vai vēlaties daudz pirkt un bieži mainīt aprīkojumu sev apkārt? Vai vēlaties ēst garšīgu ķīmisko pārtiku no krāsainiem iepakojumiem? Vai vēlaties dzīvot mierā? Vai vēlaties dzirdēt jaukas runas no TV ekrāna? Vai viņš vēlas, lai tur būtu daudz tanku, kā arī raķešu un kreiseru, kā arī šāviņu un ieroču?

Un viņš to visu saņem. Tas nekas, ka galu galā nesakritība starp vārdiem un darbiem noved pie kara. Tas nekas, ka tā pārstrāde prasa arī enerģiju. Pagaidām vīrietis ir mierīgs. Viņš ēd, dzer, iet uz darbu, pārdod un pērk.

Un tas viss prasa enerģiju. Un tas arī prasa daudz naftas, gāzes, metāla utt. Un visiem šiem rūpnieciskajiem procesiem ir nepieciešama kodolenerģija. Tāpēc, lai ko arī kāds teiktu, kamēr pirmais rūpnieciskais kodolsintēzes reaktors netiks nodots ražošanā, kodolenerģija tikai attīstīsies.

Kā kodolenerģijas priekšrocības varam droši uzskaitīt visu, pie kā esam pieraduši. Negatīvā puse ir bēdīgās nenovēršamas nāves izredzes resursu izsīkuma, kodolatkritumu problēmu, iedzīvotāju skaita pieauguma un aramzemes degradācijas dēļ. Citiem vārdiem sakot, kodolenerģija ļāva cilvēkam vēl vairāk sākt kontrolēt dabu, izvarojot to tiktāl, ka dažu gadu desmitu laikā viņš pārvarēja pamatresursu atražošanas slieksni, uzsākot patēriņa sabrukuma procesu laikā no 2000. un 2010. gads. Šis process objektīvi vairs nav atkarīgs no cilvēka.

Visiem būs mazāk jāēd, mazāk jādzīvo un mazāk jābauda dabiskā vide. Šeit slēpjas vēl viens atomenerģijas pluss vai mīnuss, proti, valstis, kuras ir apguvušas atomu, varēs efektīvāk pārdalīt trūcīgos resursus tiem, kuri nav apguvuši atomu. Turklāt tikai kodolsintēzes programmas attīstība ļaus cilvēcei vienkārši izdzīvot. Tagad sīki paskaidrosim, kāda veida “zvērs” tas ir - atomu (kodolenerģija) un ar ko to ēd.

Masa, matērija un atomu (kodolenerģija).

Mēs bieži dzirdam apgalvojumu, ka "masa un enerģija ir viens un tas pats", vai tādus spriedumus, ka izteiksme E = mc2 izskaidro atombumbas (kodolbumbas) sprādzienu. Tagad, kad jums ir pirmā izpratne par kodolenerģiju un tās pielietojumu, būtu patiesi neprātīgi jūs sajaukt ar tādiem apgalvojumiem kā "masa ir vienāda ar enerģiju". Katrā ziņā šāds lielā atklājuma interpretācijas veids nav tas labākais. Acīmredzot tā ir tikai jauno reformistu, “jaunā laika galiliešu” asprātība. Faktiski teorijas prognoze, kas ir pārbaudīta ar daudziem eksperimentiem, saka tikai to, ka enerģijai ir masa.

Tagad mēs izskaidrosim mūsdienu skatījumu un sniegsim īsu pārskatu par tā attīstības vēsturi.
Palielinoties jebkura materiālā ķermeņa enerģijai, palielinās tā masa, un mēs šo papildu masu attiecinām uz enerģijas pieaugumu. Piemēram, kad starojums tiek absorbēts, absorbētājs kļūst karstāks un tā masa palielinās. Tomēr pieaugums ir tik mazs, ka tas joprojām pārsniedz mērījumu precizitāti parastajos eksperimentos. Gluži pretēji, ja viela izstaro starojumu, tad tā zaudē pilienu no savas masas, ko starojums aiznes. Rodas plašāks jautājums: vai visu matērijas masu nenosaka enerģija, t.i., vai visā matērijā nav milzīgas enerģijas rezerves? Pirms daudziem gadiem radioaktīvās pārvērtības uz to reaģēja pozitīvi. Radioaktīvajam atomam sadaloties, izdalās milzīgs enerģijas daudzums (galvenokārt kinētiskās enerģijas veidā), un neliela daļa no atoma masas pazūd. Mērījumi to skaidri parāda. Tādējādi enerģija nes sev līdzi masu, tādējādi samazinot matērijas masu.

Līdz ar to daļa matērijas masas ir aizstājama ar starojuma masu, kinētisko enerģiju utt. Tāpēc mēs sakām: "enerģija un matērija daļēji spēj savstarpēji pārveidoties." Turklāt tagad mēs varam radīt matērijas daļiņas, kurām ir masa un kuras var pilnībā pārvērsties starojumā, kam arī ir masa. Šī starojuma enerģija var pārveidoties citās formās, nododot tām savu masu. Un otrādi, starojums var pārvērsties matērijas daļiņās. Tā vietā, lai “enerģijai ir masa”, mēs varam teikt, ka “materiāla daļiņas un starojums ir savstarpēji konvertējamas un tādējādi spēj savstarpēji pārveidoties ar citiem enerģijas veidiem”. Tā ir matērijas radīšana un iznīcināšana. Šādi destruktīvi notikumi nevar notikt parastās fizikas, ķīmijas un tehnoloģiju jomā, tie jāmeklē vai nu mikroskopiskajos, bet aktīvos procesos, ko pēta kodolfizika, vai arī atombumbu augstas temperatūras tīģelī, Saulē un zvaigznēs. Tomēr būtu nepamatoti teikt, ka "enerģija ir masa". Mēs sakām: "enerģijai, tāpat kā matērijai, ir masa."

Parastās vielas masa

Mēs sakām, ka parastās matērijas masa sevī satur milzīgu iekšējās enerģijas krājumu, kas vienāds ar masas reizinājumu ar (gaismas ātrumu)2. Bet šī enerģija ir ietverta masā un nevar tikt atbrīvota bez vismaz daļas no tās izzušanas. Kā radās tik pārsteidzoša ideja un kāpēc tā netika atklāta agrāk? Tas tika ierosināts jau iepriekš - eksperiments un teorija dažādās formās, bet līdz divdesmitajam gadsimtam enerģijas izmaiņas netika novērotas, jo parastos eksperimentos tas atbilst neticami mazām masas izmaiņām. Tomēr tagad esam pārliecināti, ka lidojošai lodei tās kinētiskās enerģijas dēļ ir papildu masa. Pat ar ātrumu 5000 m/sek lodes, kas miera stāvoklī svēra tieši 1 g, kopējā masa būs 1,00000000001 g. Baltais platīns, kas sver 1 kg, pievienos tikai 0,000000000004 kg, un praktiski neviens svērējs tos nespēs reģistrēt izmaiņas. Enerģijas masa kļūst pamanāma tikai tad, kad no atoma kodola tiek atbrīvotas milzīgas enerģijas rezerves vai kad atomu "lādiņi" tiek paātrināti līdz ātrumam, kas tuvs gaismas ātrumam.

No otras puses, pat smalka masas atšķirība iezīmē iespēju atbrīvot milzīgu enerģijas daudzumu. Tādējādi ūdeņraža un hēlija atomu relatīvā masa ir 1,008 un 4,004. Ja četri ūdeņraža kodoli varētu apvienoties vienā hēlija kodolā, masa 4,032 mainītos uz 4,004. Atšķirība ir neliela, tikai 0,028 jeb 0,7%. Bet tas nozīmētu gigantisku enerģijas izdalīšanos (galvenokārt starojuma veidā). 4,032 kg ūdeņraža radītu 0,028 kg starojuma, kura enerģija būtu aptuveni 600000000000 Cal.

Salīdziniet to ar 140 000 Cals, kas izdalās, kad ķīmiskā sprādzienā vienāds daudzums ūdeņraža savienojas ar skābekli.
Parastā kinētiskā enerģija sniedz būtisku ieguldījumu ļoti ātro protonu masā, kas veidojas ciklotronos, un tas rada grūtības, strādājot ar šādām mašīnām.

Kāpēc mēs joprojām uzskatām, ka E=mc2

Tagad mēs to uztveram kā tiešas relativitātes teorijas sekas, bet pirmās aizdomas radās 19. gadsimta beigās saistībā ar starojuma īpašībām. Tad šķita, ka starojumam ir masa. Un, tā kā starojums it kā uz spārniem nes ar ātrumu ar enerģiju, pareizāk sakot, tā pati ir enerģija, ir parādījies masas piemērs, kas pieder pie kaut kā “nemateriāla”. Eksperimentālie elektromagnētisma likumi paredzēja, ka elektromagnētiskajiem viļņiem vajadzētu būt "masai". Taču pirms relativitātes teorijas radīšanas tikai nevaldāma iztēle spēja attiecināt attiecību m=E/c2 uz citiem enerģijas veidiem.

Visu veidu elektromagnētiskajam starojumam (radio viļņiem, infrasarkanajiem stariem, redzamajai un ultravioletajai gaismai utt.) ir dažas kopīgas iezīmes: tie visi izplatās vakuumā ar tādu pašu ātrumu un visi pārnes enerģiju un impulsu. Mēs iedomājamies gaismu un citu starojumu viļņu veidā, kas izplatās ar lielu, bet noteiktu ātrumu c = 3*108 m/sek. Kad gaisma ietriecas absorbējošā virsmā, rodas siltums, kas norāda, ka gaismas plūsma nes enerģiju. Šai enerģijai ir jāizplatās kopā ar plūsmu ar tādu pašu gaismas ātrumu. Faktiski gaismas ātrumu mēra tieši šādā veidā: līdz brīdim, kad daļa gaismas enerģijas ir nepieciešama, lai nobrauktu lielu attālumu.

Kad gaisma skar dažu metālu virsmu, tā izsit elektronus, kas izlido tā, it kā tiem būtu trāpījusi kompakta bumbiņa. , acīmredzot, ir sadalīts koncentrētās porcijās, kuras mēs saucam par "kvantiem". Tāda ir starojuma kvantu būtība, neskatoties uz to, ka šīs daļas acīmredzot rada viļņi. Katram gaismas gabalam ar vienādu viļņa garumu ir tāda pati enerģija, noteikts enerģijas "kvants". Šādas porcijas skrien ar gaismas ātrumu (patiesībā tās ir vieglas), pārnesot enerģiju un impulsu (impulsu). Tas viss dod iespēju starojumam piedēvēt noteiktu masu – katrai porcijai tiek piešķirta noteikta masa.

Gaismai atstarojot no spoguļa, siltums neizdalās, jo atstarotais stars aiznes visu enerģiju, bet uz spoguli tiek pakļauts spiediens, kas līdzīgs elastīgo lodīšu vai molekulu spiedienam. Ja spoguļa vietā gaisma saskaras ar melnu absorbējošu virsmu, spiediens kļūst uz pusi mazāks. Tas norāda, ka stars veic spoguļa pagriezto kustību. Tāpēc gaisma uzvedas tā, it kā tai būtu masa. Bet vai ir kāds cits veids, kā uzzināt, ka kaut kam ir masa? Vai masa pastāv pati par sevi, piemēram, garums, zaļa krāsa vai ūdens? Vai arī tas ir mākslīgs jēdziens, ko nosaka tāda uzvedība kā Modesty? Mise patiesībā mums ir zināma trīs izpausmēs:

• A. Nekonkrēts apgalvojums, kas raksturo “vielas” daudzumu (masa no šī viedokļa ir raksturīga matērijai - vienībai, kuru mēs varam redzēt, pieskarties, stumt).
• B. Daži apgalvojumi, kas to saista ar citiem fizikāliem lielumiem.
• B. Masa ir saglabāta.

Atliek noteikt masu impulsa un enerģijas izteiksmē. Tad jebkurai kustīgai lietai ar impulsu un enerģiju ir jābūt "masai". Tās masai jābūt (impulsam)/(ātrumam).

Relativitātes teorija

Vēlme sasaistīt virkni eksperimentālu paradoksu attiecībā uz absolūto telpu un laiku radīja relativitātes teoriju. Divu veidu eksperimenti ar gaismu sniedza pretrunīgus rezultātus, un eksperimenti ar elektrību vēl vairāk saasināja šo konfliktu. Tad Einšteins ierosināja mainīt vienkāršos ģeometriskos noteikumus vektoru pievienošanai. Šīs izmaiņas ir viņa “īpašās relativitātes teorijas” būtība.

Maziem ātrumiem (no lēnākā gliemeža līdz ātrākajai no raķetēm) jaunā teorija sakrīt ar veco.
Lielā ātrumā, kas ir salīdzināms ar gaismas ātrumu, mūsu garuma vai laika mērījumus maina ķermeņa kustība attiecībā pret novērotāju, jo īpaši ķermeņa masa kļūst lielāka, jo ātrāk tas pārvietojas.

Tad relativitātes teorija paziņoja, ka šis masas pieaugums ir pilnīgi vispārīgs. Pie parastā ātruma izmaiņu nav, un tikai pie ātruma 100 000 000 km/h masa palielinās par 1%. Tomēr elektroniem un protoniem, ko izdala radioaktīvie atomi vai mūsdienu paātrinātāji, tas sasniedz 10, 100, 1000%…. Eksperimenti ar šādām augstas enerģijas daļiņām lieliski apstiprina masas un ātruma saistību.

Otrā malā ir starojums, kam nav miera masas. Tā nav viela, un to nevar turēt miera stāvoklī; tam vienkārši ir masa un tas pārvietojas ar ātrumu c, tāpēc tā enerģija ir vienāda ar mc2. Mēs runājam par kvantiem kā fotoniem, kad vēlamies atzīmēt gaismas kā daļiņu plūsmas uzvedību. Katram fotonam ir noteikta masa m, noteikta enerģija E=mс2 un impulss (impulss).

Kodolpārveidojumi

Dažos eksperimentos ar kodoliem atomu masas pēc vardarbīgiem sprādzieniem nesastāda to pašu kopējo masu. Atbrīvotā enerģija nes sev līdzi kādu daļu no masas; šķiet, ka trūkstošais atommateriāla gabals ir pazudis. Tomēr, ja izmērītajai enerģijai piešķiram masu E/c2, mēs atklājam, ka masa tiek saglabāta.

Matērijas iznīcināšana

Mēs esam pieraduši uzskatīt masu kā neizbēgamu matērijas īpašību, tāpēc masas pāreja no matērijas uz starojumu – no lampas uz izplūstošu gaismas staru – izskatās gandrīz kā matērijas iznīcināšana. Vēl viens solis - un mēs būsim pārsteigti, atklājot, kas patiesībā notiek: pozitīvie un negatīvie elektroni, matērijas daļiņas, savienojoties kopā, tiek pilnībā pārveidotas par starojumu. To matērijas masa pārvēršas par vienādu starojuma masu. Šis ir matērijas izzušanas gadījums vistiešākajā nozīmē. It kā fokusā, gaismas zibspuldzē.

Mērījumi liecina, ka (enerģija, starojums anihilācijas laikā)/ c2 ir vienāds ar abu elektronu kopējo masu - pozitīvo un negatīvo. Antiprotons apvienojas ar protonu un iznīcina, parasti izdalot vieglākas daļiņas ar augstu kinētisko enerģiju.

Matērijas radīšana

Tagad, kad esam iemācījušies pārvaldīt augstas enerģijas starojumu (īpaši īso viļņu rentgenstarus), mēs varam sagatavot vielas daļiņas no starojuma. Ja mērķis tiek bombardēts ar šādiem stariem, tie dažkārt rada daļiņu pāri, piemēram, pozitīvos un negatīvos elektronus. Un, ja mēs atkal izmantosim formulu m=E/c2 gan starojumam, gan kinētiskajai enerģijai, tad masa tiks saglabāta.

Vienkārši par kompleksu – Kodolenerģija (Atomenerģija).

• Attēlu, attēlu, fotogrāfiju galerija.
• Kodolenerģija, atomenerģija - pamati, iespējas, perspektīvas, attīstība.
• Interesanti fakti, noderīga informācija.
• Zaļās ziņas – Kodolenerģija, atomenerģija.
• Saites uz materiāliem un avotiem – Kodolenerģija (atomenerģija).

Saistīšanas enerģijas uz vienu nukleonu atkarība no nukleonu skaita kodolā ir parādīta grafikā.

Enerģiju, kas nepieciešama, lai kodolu sadalītu atsevišķos nukleonos, sauc par saistīšanas enerģiju. Saistīšanas enerģija uz vienu nukleonu nav vienāda dažādiem ķīmiskajiem elementiem un pat viena un tā paša ķīmiskā elementa izotopiem. Nukleona īpatnējā saistīšanās enerģija kodolā svārstās vidēji no 1 MeV vieglajiem kodoliem (deitērijs) līdz 8,6 MeV vidēja svara kodoliem (A≈100). Smagajiem kodoliem (A≈200) nukleona īpatnējā saistīšanās enerģija ir aptuveni par 1 MeV mazāka nekā vidēja svara kodoliem, tāpēc to pārveidošanos par vidēja svara kodoliem (sadalīšanās 2 daļās) pavada enerģija ir aptuveni 1 MeV uz vienu kodolu vai aptuveni 200 MeV uz kodolu. Vieglo kodolu pārvēršana smagākos kodolos dod vēl lielāku enerģijas pieaugumu uz vienu nukleonu. Piemēram, reakcija starp deitēriju un tritiju

1 D²+ 1 T³ → 2 He 4 + 0 n 1

pavada enerģijas izdalīšanās 17,6 MeV, tas ir, 3,5 MeV uz vienu nukleonu.

Kodolenerģijas atbrīvošana

Ir zināmas eksotermiskas kodolreakcijas, kas atbrīvo kodolenerģiju.

Parasti kodolenerģijas ražošanai izmanto urāna-235 vai plutonija kodolu kodola skaldīšanas ķēdes reakciju. Kodoli sadalās, kad neitrons tiem ietriecas, radot jaunus neitronus un dalīšanās fragmentus. Dalīšanās neitroniem un skaldīšanas fragmentiem ir augsta kinētiskā enerģija. Fragmentu sadursmes ar citiem atomiem rezultātā šī kinētiskā enerģija ātri pārvēršas siltumā.

Vēl viens veids, kā atbrīvot kodolenerģiju, ir kodolsintēze. Šajā gadījumā divi vieglo elementu kodoli apvienojas vienā smagā. Šādi procesi notiek uz Saules.

Daudzi atomu kodoli ir nestabili. Laika gaitā daži no šiem kodoliem spontāni pārvēršas citos kodolos, atbrīvojot enerģiju. Šo parādību sauc par radioaktīvo sabrukšanu.

Kodolenerģijas pielietojumi

Kodolsintēzes enerģija tiek izmantota ūdeņraža bumbā.

Piezīmes

Skatīt arī

Saites

Starptautiskie līgumi

• Konvencija par savlaicīgu paziņošanu par kodolnegadījumu (Vīne, 1986)
• Konvencija par kodolmateriālu fizisko aizsardzību (Vīne, 1979)
• Vīnes konvencija par civiltiesisko atbildību par kodolbojājumiem
• Apvienotā konvencija par izlietotās kodoldegvielas apsaimniekošanas drošību un radioaktīvo atkritumu apsaimniekošanas drošību

Literatūra

• Klārfīlds, Džeralds H. un Viljams M. Vīčeks (1984). Kodolamerika: militārā un civilā kodolenerģija Amerikas Savienotajās Valstīs 1940.–1980., Harper & Row.
• Kuks, Stefānija (2009). Mirstīgajās rokās: piesardzīga kodollaikmeta vēsture, Black Inc.
• Kreivens Gvineta Spēks glābt pasauli: patiesība par kodolenerģiju. - Ņujorka: Knopf, 2007. - ISBN 0-307-26656-7
• Eliots, Deivids (2007). Kodolenerģija vai nē? Vai kodolenerģijai ir vieta ilgtspējīgas enerģijas nākotnē?, Palgrāve.
• Falks, Džims (1982). Globālā skaldīšana: cīņa par kodolenerģiju, Oxford University Press.
• Fergusons, Čārlzs D. (2007). Kodolenerģija: ieguvumu un risku līdzsvarošanaĀrējo attiecību padome.
• Herbsts, Alans M. un Džordžs V. Hoplijs (2007). Kodolenerģija tagad: kāpēc ir pienācis laiks pasaulē pārprastākajam enerģijas avotam, Vīlijs.
• Šneiders, Maikls, Stīvs Tomass, Antonijs Frogats, Dags Koplovs (2009. gada augusts). Pasaules kodolrūpniecības statusa ziņojums, Vācijas Federālā vides, dabas aizsardzības un reaktoru drošības ministrija.
• Walker, J. Samuel (1992). Satur atomu: kodolregulācija mainīgā vidē, 1993-1971
• Walker, J. Samuel (2004). Trīs jūdžu sala: kodolkrīze vēsturiskā skatījumā, Bērklijs: Kalifornijas universitātes prese.
• Vērts, Spensers R. Kodolbaiļu pieaugums. Kembridža, MA: Harvard University Press, 2012. ISBN 0-674-05233-1

Wikimedia fonds. 2010. gads.

• Kosmans, Bernhards
• Cimmermans, Alberts Kārlis Heinrihs

Skatiet, kas ir “kodolenerģija” citās vārdnīcās:

KODOLENERĢIJA- (atomenerģija) kodola kodolu iekšējā enerģija, kas izdalās kodolpārveidojumu (kodolreakciju) laikā. kodolenerģija. masas defekts Nukleonus (protonus un neitronus) kodolā stingri notur kodolspēki. Lai noņemtu nukleonu no kodola,......

KODOLENERĢIJA- (kodolenerģija), iekšējā enerģija plkst. kodols, kas izdalās kodolpārveidošanās laikā. Tiek saukta enerģija, kas jāpatērē, lai kodolu sadalītu tā sastāvā esošajos nukleonos. kodolenerģijas saistošā enerģija?st. Tas ir maks. enerģija pret debesīm var tikt atbrīvota.... Fiziskā enciklopēdija

KODOLENERĢIJA- KODOLENERĢIJA, ENERĢIJA, kas izdalās kodolreakcijas laikā MASAS pārejas rezultātā enerģijā, kā aprakstīts vienādojumā: E=mc2 (kur E ir enerģija, m ir masa, c ir gaismas ātrums); to atvasināja A. EINŠTEINS savā RELATIVITĀTES TEORIJĀ... ... Zinātniskā un tehniskā enciklopēdiskā vārdnīca

KODOLENERĢIJA- (kodolenerģija) skatīt () () ... Lielā Politehniskā enciklopēdija

KODOLENERĢIJA Mūsdienu enciklopēdija

KODOLENERĢIJA- (atmiskā enerģija) atomu kodolu iekšējā enerģija, kas izdalās noteiktu kodolpārveidojumu laikā. Kodolenerģijas izmantošana ir balstīta uz smago kodolu dalīšanās ķēdes reakciju un vieglo kodolu kodolsintēzes reakciju īstenošanu... Lielā enciklopēdiskā vārdnīca

Kodolenerģija- (atomu enerģija), atomu kodolu iekšējā enerģija, kas izdalās noteiktu kodolreakciju laikā. Kodolenerģijas izmantošana ir balstīta uz smago kodolu dalīšanās ķēdes reakciju un vieglo kodolu kodolsintēzes reakciju īstenošanu (sk... ... Ilustrētā enciklopēdiskā vārdnīca

Kodolenerģija- atoma kodola iekšējā enerģija, kas saistīta ar kodolu veidojošo nukleonu (neitronu un protonu) kustību un mijiedarbību. Izdalās radioaktīvās sabrukšanas vai kodola skaldīšanas un saplūšanas reakciju laikā. Ātra kodolenerģijas atbrīvošana... ...Jūrniecības vārdnīca