Ядзерная энергія

Ядзерная энергія (атамная энергія) — энергія, якая ўтрымліваецца ў атамных ядрах і выдзяляецца пры ядзерных рэакцыях і радыеактыўным распадзе. Атамныя электрастанцыі, якія выпрацоўваюць такую энергію, у 2012 годзе выраблялі 13 % сусветнай электраэнергіі і 5,7 % агульнай сусветнай вытворчасці энергіі. Згодна са справаздачай Міжнароднага агенцтва па атамнай энергіі (МАГАТЭ), на пачатак 2013 года налічваецца 437 дзеючых ядзерных энергетычных (г.зн. тых, што выпрацоўваюць электрычную і/ці цеплавую энергію для спажыўцоў) рэактараў у 31 краіне свету.. Акрамя таго, на розных стадыях будаўніцтва знаходзіцца яшчэ 68 энергетычных ядзерных рэактараў у 15 краінах. На цяперашні час у свеце ёсць таксама каля 140 дзеючых надводных караблёў і падводных лодак, якія выкарыстоўваюць у суме каля 180 рэактараў. Некалькі ядзерных рэактараў былі выкарыстаны ў савецкіх і амерыканскіх касмічных апаратах, частка з іх усё яшчэ знаходзіцца на арбіце. Акрамя таго, для шэрагу задач выкарыстоўваецца ядзерная энергія, што выпрацоўваецца ў нерэактарных крыніцах (напрыклад, у тэрмаізатопных генератарах).

Пры гэтым не спыняюцца спрэчкі аб выкарыстанні ядзернай энергіі. Праціўнікі ядзернай энергетыкі (у прыватнасці, такія арганізацыі, як «Грынпіс») лічаць, што выкарыстанне ядзернай энергіі пагражае чалавецтву і навакольнаму асяроддзю. Абаронцы ядзернай энергетыкі (МАГАТЭ, Сусветная ядзерная асацыяцыя і г. д.), у сваю чаргу, сцвярджаюць, што гэты від энергетыкі дазваляе знізіць выкіды парніковых газаў у атмасферу і пры правільным выкарыстанні нясе значна менш рызыкі для навакольнага асяроддзя ў параўнанні з іншымі відамі энергаздабычы.

Фізічныя асновы

Асноўны артыкул: Ядзерная фізіка

Адкрыццё нейтрона ў 1932 годзе (Джэймс Чэдвік) можна лічыць пачаткам сучаснай ядзернай фізікі.

Бораўская мадэль атама ўяўляе дадатна зараджанае ядро, у яком сабрана амаль уся маса атама (яно складаецца з нейтронаў і пратонаў), вакол ядра знаходзіцца некалькі абалонак (энергетычных узроўняў) з вельмі лёгкіх адмоўна зараджаных частіц (электронаў). Памер атама мае парадак ангстрэма (10⁻¹⁰ м), тады як памеры ядра складаюць ад аднаго да некалькіх фермі (10⁻¹⁵ м), г.зн. ядро меншае за атам у 100 000 разоў.

Электрычна нейтральныя атамы змяшчаюць аднолькавы лік электронаў і пратонаў. Хімічны элемент адназначна вызначаецца колькасцю пратонаў у ядры, гэты лік называецца атамным нумарам (Z). Лік нейтронаў (N) у ядрах атамаў дадзенага элемента можа адрознівацца. Для малых Z гэты лік для бета-стабільных ядзер блізкі да ліку пратонаў (N ≈ Z), але з павелічэннем Z, каб ядро заставалася стабільным, лік нейтронаў павінен расці хутчэй, чым Z. Атамы, якія адрозніваюцца толькі лікам нейтронаў у ядры, называюцца ізатопамі аднаго і таго ж элемента. Агульны лік нуклонаў (г.зн. пратонаў і нейтронаў) у ядры называецца масавым лікам A = Z + N.

Для пазначэння ізатопа звычайна ўжываюць літарнае абазначэнне хімічнага элемента з верхнім індэксам — атамнаю масай і (іншы раз) ніжнім індэксам — атамным нумарам; напрыклад, ізатоп уран-238 абазначаюць як ${}_{92}^{238}\mathrm {U} .$

Нуклоны, з якіх складаюцца ядры, маюць адносна малую масу (каля 1 а.а.м.), электрычны зарад пратона дадатны, а нейтрон не зараджаны. Таму, калі пры пабудове мадэлі ядра ўлічваць толькі існаванне электрамагнітных і гравітацыйных сіл, такая мадэль не змагла б растлумачыць устойлівасць ядзер і, відавочна, не адпавядала б рэчаіснасці. Бо аднайменна зараджаныя часціцы будуць адштурхоўвацца, разбураючы ядро, а масы нуклонаў недастаткова вялікія, каб гравітацыя магла процістаяць кулонаўскаму адштурхоўванню, што рабіла б немагчымым існаванне хімічных рэчываў. Але ў прыродзе назіраецца мноства розных ізатопаў хімічных элементаў з устойлівымі ядрамі, адсюль відавочна вынікае, што ў мадэль неабходна дабавіць трэцюю сілу, якую назвалі моцным узаемадзеяннем (строга кажучы, паміж нуклонамі ў ядры дзейнічае не само моцнае ўзаемадзеянне як такое, а астаткавыя ядзерныя сілы, абумоўленыя моцным узаемадзеяннем). Гэта сіла, у прыватнасці, павінна быць вельмі моцнай і прыцягваць на вельмі кароткіх адлегласцях (на адлегласцях парадку памераў ядра) і адштурхоўваць на яшчэ карацейшых адлегласцях (парадку памераў нуклона), быць цэнтральнай у пэўным прамежку адлегласцей, залежаць ад спіна і не залежаць ад тыпу нуклона (нейтроны ці пратоны). У 1935 годзе Хідэкі Юкава стварыў першую мадэль гэтай новай сілы, дапусціўшы існаванне новай часціцы, піона. Самы лёгкі з мезонаў, піон адказны за большую частку патэнцыялу паміж нуклонамі на адлегласці парадку 1 фм. Патэнцыял Юкавы, які з дастатковай ступенню дакладнасці апісвае ўзаемадзеянне дзвюх часціц са спінамі $s_{1}$ і $s_{2}$, можна запісаць у выглядзе:

$V(r)={\frac {g_{\pi }^{2}(m_{\pi }c^{2})^{3}}{3(Mc^{2})^{2}{\hbar }^{2}}}\left[s_{1}s_{2}+S_{12}1+{\frac {3R}{r}}+{\frac {3R^{2}}{r^{2}}}\right]{\frac {e^{-{\frac {r}{R}}}}{\frac {r}{R}}}.$

Іншыя эксперыменты, якія праводзіліся на ядрах, паказалі, што іх форма павінна быць прыблізна сферычнаю з радыусам $R=1,5\cdot A^{1/3}$ фм, дзе A — атамная маса, г.зн. колькасць нуклонаў. Адсюль вынікае, што шчыльнасць ядзер (і колькасць нуклонаў на адзінку аб’ёму) пастаянная. На самай справе, $V\sim R^{3}\sim A,$ г.зн. аб’ём прапарцыянальны А. А раз шчыльнасць разлічваецца шляхам дзялення масы на аб’ём, то $\rho ={\frac {A}{V}}={\rm {{const}.}}$ Гэта прывяло да апісання ядзернай матэрыі як несціскальнай вадкасці і да з’яўлення кропельнай мадэлі ядра як фундаментальнай мадэлі, неабходнай для апісання дзялення ядзер.

Энергія сувязі

Асноўны артыкул: Энергія сувязі

Залежнасць удзельнай энергіі сувязі (г.зн. энергіі сувязі ў разліку на адзін нуклон) ад ліку нуклонаў у ядры.

Хаця ядро складаецца з нуклонаў, маса ядра не роўная суме мас нуклонаў. Энергія, якая ўтрымлівае разам гэтыя нуклоны, назіраецца як розніца ў масе ядра і суме мас яго складнікаў, г.зн. асобных нуклонаў, з дакладнасцю да множніка c², які звязвае масу і энергію ўраўненнем (формулай Эйнштэйна)

$E=m\cdot c^{2}.$

Такім чынам, вызначыўшы масу атама і масы ягоных складнікаў, можна вызначыць сярэднюю энергію на нуклон, якая ўтрымлівае розныя ядры ад распаду.

З графіка відаць, што вельмі лёгкія ядры маюць меншую энергію сувязі на нуклон, чым трохі цяжэйшыя ядры (у левай частцы графіка). Гэта і з’яўляецца прычынай таго, што ў тэрмаядзерных рэакцыях (г.зн. пры зліцці лёгкіх ядзер) выдзяляецца энергія. І наадварот, вельмі цяжкія ядры ў правай частцы графіка маюць ніжэйшую энергію сувязі на нуклон, чым ядры сярэдняй масы. Таму дзяленне цяжкіх ядзер таксама энергетычна выгаднае (г.зн. адбываецца з выдзяленнем ядзернай энергіі). Таксама варта адзначыць, што пры зліцці (у левай частцы) розніца мас значна большая, чым пры дзяленні (у правай частцы).

Энергія, неабходная, каб паўнасцю раздзяліць ядро на асобныя нуклоны, называецца энергіяй сувязі E_с ядра. Удзельная энергія сувязі (г.зн. энергія сувязі ў разліку на адзін нуклон, ε = E_с/A, дзе A — лік нуклонаў у ядры, ці масавы лік) неаднолькавая для атамаў розных хімічных элементаў і нават для ізатопаў аднаго і таго ж хімічнага элемента. Удзельная энергія сувязі нуклона ў ядры мяняецца ў сярэднем у межах ад 1 МэВ для лёгкіх ядзер (дэйтэрый) да 8,6 МэВ для ядзер сярэдняй масы (з масавым лікам А ≈ 100). Для цяжкіх ядзер (А ≈ 200) удзельная энергія сувязі нуклона меншая, чым у ядзер сярэдняй масы, прыблізна на 1 МэВ, так што іх ператварэнне ў ядры сярэдняй масы (дзяленне на 2 часткі) суправаджаецца выдзяленнем прыкладна 1 МэВ энергіі на нуклон, ці каля 200 МэВ на ядро. Ператварэнне лёгкіх ядзер у цяжэйшыя ядры дае яшчэ большы энергетычны выйгрыш у разліку на нуклон. Так, напрыклад, рэакцыя злучэння ядзер дэйтэрыя і трыція

$\mathrm {{_{1}}D^{2}+{_{1}}T^{3}\rightarrow {_{2}}He^{4}+{_{0}}n^{1}}$

суправаджаецца выдзяленнем энергіі 17,6 МэВ, г.зн. 3,5 МэВ на нуклон.

Дзяленне ядзер

Асноўны артыкул: Дзяленне ядра

Тыповае размеркаванне мас асколкаў дзялення урану-235.

Э. Фермі пасля адкрыцця нейтрона правёў серыю эксперыментаў, у якіх розныя ядры бамбардзіраваліся нейтронамі. Было выяўлена, што нейтроны з нізкаю энергіяй часта паглынаюцца ядром з выпусканнем фатона (т.зв. радыетыўны захоп нейтрона).

Каб даследаваць гэту рэакцыю, эксперымент сістэматычна паўтараўся для ўсіх элементаў перыядычнай табліцы. У выніку былі выяўлены новыя радыеактыўныя ізатопы элементаў, якія былі мішэнямі. Але пры апрамяненні ўрану быў выяўлен шэраг іншых, лёгкіх элементаў. Ліза Майтнер, Ота Ган і Фрыц Штрасман змаглі гэта растлумачыць, дапусціўшы, што ядро ​​ўрану пры захопе нейтрона раздзеліцца на дзве прыблізна роўныя масы. І праўда, у прадуктах рэакцыі быў выяўлен барый з атамнаю масай каля паловы масы ўрану. Пазней было выяўлена, што такое дзяленне адбывалася не ва ўсіх ізатопах урану, а толькі ў ²³⁵U. А яшчэ пазней стала вядома, што гэта дзяленне можа прыводзіць да мноства розных элементаў, размеркаванне якіх па масе нагадвае двайны горб вярблюда.

Схема дзялення ²³⁵U. Нізкахуткасны (цеплавы) нейтрон, захоплены ядром урану, робіць яго няўстойлівым, і ядро дзеліцца на дзве часткі, а таксама выпускае 2-3 (в сярэднем 2,5) нейтрона дзялення.

Пры дзяленні урану цеплавым нейтронам узнікаюць не толькі два лягчэйшыя ядры (асколкі дзялення), але і выпраменьваюцца 2 ці 3 (у сярэднем 2,5 для ²³⁵U) нейтроны з высокай кінетычнаю энергіяй. Для урану, як цяжкага ядра, не выконваюцца суадносіны N ≈ Z (прыблізная роўнасць ліку пратонаў і нейтронаў), якія маюць месца для лягчэйшых элементаў, так што прадукты дзялення маюць лішнія нейтроны. У выніку гэтыя прадукты дзялення аказваюцца бэта-радыеактыўнымі: лішнія нейтроны ядра паступова ператвараюцца ў пратоны (з выпусканнем бэта-часціц), а само ядро, захоўваючы масавы лік, перамяшчаецца па ізабарычнаму ланцужку да бліжэйшага на ёй бэта-стабільнага ядра. Дзяленне ²³⁵U можа праходзіць у больш чым 40 варыянтах, што параджае больш за 80 розных прадуктаў дзялення, якія, у сваю чаргу, распадаючыся, утвараюць ланцужкі распаду, так што ў выніку прадукты дзялення урану ўключаюць каля 200 нуклідаў (непасрэдна ці ў якасці даччыных нуклідаў).

Энергія, якая выдзяляецца пры дзяленні кожнага ядра ²³⁵U, складае ў сярэднем каля 200 МэВ. Мінералы, якія выкарыстоўваюцца для здабычы ўрану, змяшчаюць, звычайна, каля 1 г на кг уранавай руды (настуран, напрыклад). Доля ізатопа ²³⁵U у прыродным уране ўсяго 0,7 %, таму на кожны кілаграм здабытай руды будзе прыходзіцца 1,8·10¹⁹ атамаў ²³⁵U. Калі ўсе гэтыя атамы ²³⁵U з 1 грама ўрану падзеляцца, то выдзеліцца 3,6·10²⁷ эВ = 5,8·10⁸ Дж энергіі. Дзеля параўнання, пры спальванні 1 кг вугалю самай лепшай якасці (антрацыт) выдзяляецца каля 4·10⁷ Дж энергіі, г.зн. каб атрымаць тую колькасць энергіі, якая ў ядзернай форме ўтрымліваецца ў 1 кг прыроднага ўрану, трэба спаліць больш за 10 тон антрацыту.

З’яўленне 2,5 нейтронаў на акт дзялення дазваляе ажыццявіць ланцуговую рэакцыю, калі з гэтых 2,5 нейтронаў хаця б адзін зможа выклікаць новае дзяленне ядра ўрану. Звычайна выпушчаныя нейтроны не дзеляць ядры ўрану адразу ж, а спачатку павінны быць запаволены да цеплавых хуткасцей (2200 м/с пры T=300 K). Запавольванне дасягаецца найбольш дзейсна з дапамогай навакольных атамаў іншага элемента з малым A, напрыклад вадароду, вугляроду ці пад. матэрыялу, які называецца запавольнікам.

Некаторыя іншыя ядры таксама могуць дзяліцца пры захопе павольных нейтронаў, напрыклад ²³³U ці ²³⁹Pu. Але магчыма і дзяленне хуткімі нейтронамі (з высокаю энергіяй) такіх ядзер як ²³⁸U (яго ў 140 разоў больш, чым ²³⁵U) ці ²³²Th (яго ў зямной кары ў 400 разоў больш, чым ²³⁵U).

Элементарную тэорыю дзялення стварылі ​​Нільс Бор і Джон Уілер на аснове кропельнай мадэлі ядра.

Дзялення ядзер таксама можна дасягнуць з дапамогай хуткіх альфа-часціц, пратонаў ці дэйтронаў. Але гэтыя часціцы, у адрозненне ад нейтронаў, павінны мець большую энергію, каб пераадолець кулонаўскі бар’ер ядра.

Выдзяленне ядзернай энергіі

Вядомы экзатэрмічныя ядзерныя рэакцыі, пры якіх выдзяляецца ядзерная энергія.

Звычайна, каб атрымаць ядзерную энергію, выкарыстоўваюць ланцуговую ядзерную рэакцыю дзялення ядзер урану-235 ці плутонію, радзей іншых цяжкіх ядзер (уран-238, торый-232). Ядры дзеляцца пры пападанні ў іх нейтрона, пры гэтым выпускаюцца новыя нейтроны і асколкі дзялення. Нейтроны дзялення і асколкі дзялення маюць вялікую кінетычную энергію. У выніку сутыкненняў асколкаў з іншымі атамамі гэта кінетычная энергія скора пераўтвараецца ў цяпло.

Іншым спосабам выдзялення ядзернай энергіі з’яўляецца тэрмаядзерны сінтэз. Пры гэтым два ядры лёгкіх элементаў злучаюцца ў адно цяжкае. У прыродзе такія працэсы ідуць на Сонцы і іншых зорках і з’яўляюцца асноўнай крыніцай іх энергіі.

Многія атамныя ядры няўстойлівыя. З цягам часу частка такіх ядзер самаадвольна ператвараецца ў іншыя ядры, выдзяляючы энергію. Такая з’ява называецца радыеактыўным распадам.

Прымяненне ядзернай энергіі

Ядзерны выбух.

Першы ў свеце атамны ледакол «Ленін».

Устаноўленая магутнасць (сіняя лінія) і гадавая вытворчасць энергіі (чырвоная лінія) ядзернымі электрастанцыямі з 1980 па 2012 гг.

Дзяленне

На цяперашні час з усіх крыніц ядзернай энергіі найбольшае практычнае прымяненне мае энергія ад дзялення цяжкіх ядзер. Ва ўмовах вялікай патрэбы ў энергетычных рэсурсах ядзерная энергетыка на рэактарах дзялення лічыцца найбольш перспектыўнай на бліжэйшыя дзесяцігоддзі. На атамных электрастанцыях ядзерная энергія выкарыстоўваецца для атрымання цеплавой энергіі, якая ў сваю чаргу выкарыстоўваецца для выпрацоўкі электраэнергіі і ацяплення. Ядзерныя сілавыя ўстаноўкі рашылі праблему суднаў з неабмежаваным абсягам плавання (атамныя ледаколы, атамныя падводныя лодкі, атамныя авіяносцы).

Энергія дзялення ядзер урану ці плутонію прымяняецца ў ядзернай і тэрмаядзернай зброі (як пускацель тэрмаядзернай рэакцыі і як крыніца дадатковай энергіі пры дзяленні ядзер нейтронамі, якія ўзнікаюць у тэрмаядзерных рэакцыях).

Існавалі эксперыментальныя ядзерныя ракетныя рухавікі, але выпрабоўваліся яны выключна на Зямлі і ў кантралюемых умовах з-за небяспекі радыеактыўнага забруджвання ў выпадку аварыі.

Тэрмаядзерны сінтэз

Энергія тэрмаядзернага сінтэзу прымяняецца ў вадароднай бомбе. Праблема кіруемага тэрмаядзернага сінтэзу пакуль не развязана, але калі яна будзе развязана, ён стане практычна невычэрпнай крыніцай таннай энергіі.

Радыеактыўны распад

Энергія, якая выдзяляецца пры радыеактыўным распадзе, выкарыстоўваецца ў крыніцах цяпла і бэта-гальванічных элементах, якія павінны служыць доўгі час. Аўтаматычныя міжпланетныя станцыі тыпу «Піянер» і «Вояджэр», а таксама марсаходы і іншыя міжпланетныя місіі выкарыстоўваюць радыеізатопныя тэрмаэлектрычныя генератары. Ізатопную крыніцу цяпла выкарыстоўвалі савецкія месячныя місіі «Месяцаход-1» и «Месяцаход-2».

Літаратура

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

Спасылкі

Міжнародныя пагадненні

• Дэкларацыя аб прадухіленні ядзернай катастрофы (1981)
• Канвенцыя аб аператыўным апавяшчэнні аб ядзернай аварыі (Вена, 1986)
• Канвенцыя аб ядзернай бяспецы (Вена, 1994)
• Канвенцыя аб фізічнай засцярозе ядзернага матэрыялу (Вена, 1979)
• Венская канвенцыя аб грамадзянскай адказнасці за ядзерныя страты
• Аб’яднаная канвенцыя аб бяспецы абыходжання з адпрацаваным палівам і бяспецы абыходжання з радыеактыўнымі адходамі