Атомная энергия

Мы объясним, что такое ядерная энергия и как ее получают. Кроме того, для чего он используется, преимущества, недостатки и некоторые примеры
Атомная энергия, прежде всего, безопасна, достаточно эффективна и универсальна

Что такое ядерная энергия?

Ядерная энергия или атомная энергия – это энергия, получаемая в результате реакций, происходящих в атомных ядрах или между ними , т.е. это энергия, выделяемая в ядерных реакциях. Эти реакции могут происходить спонтанно или искусственно

Ядерные реакции – это процессы объединения или расщепления ядер атомов субатомных частиц. Атомные ядра могут объединяться или фрагментироваться, выделяя или поглощая большое количество энергии в процессе. Когда ядра распадаются, этот процесс называется делением ядер, а когда они соединяются, это называется ядерным синтезом

Деление ядер происходит, когда тяжелое атомное ядро распадается на несколько ядер меньшего веса , при этом также могут образовываться свободные нейтроны, фотоны и фрагменты ядра. Ядерный синтез происходит, когда несколько атомных ядер с одинаковыми зарядами объединяются, образуя новое, более тяжелое ядро. Эти реакции происходят в ядрах атомов определенных изотопов химических элементов , таких как уран (U) или водород (H)

Большое количество энергии, участвующей в ядерных реакциях, обусловлено прежде всего тем, что часть массы реагирующих частиц непосредственно преобразуется в энергию. Этот процесс был аргументирован немецким физиком Альбертом Эйнштейном в его уравнении:

E = mc²

Где:

• E: энергия
• m: масса
• c: скорость света

Как видно, уравнение Эйнштейна связывает массу и энергию

Энергия, выделяемая в ядерных реакциях, может быть использована для производства электроэнергии на термоядерных электростанциях, в ядерной медицине, в промышленности, в горном деле, в археологии и во многих других областях

Его основное применение – это производство электроэнергии , где ядерная энергия используется для нагрева больших объемов воды или для производства газов , чья тепловая энергия затем используется для привода больших турбин для производства электроэнергии

Контролируемое использование ядерной энергии используется в полезных целях. Это очень важный источник энергии, но он также, к сожалению, используется в военных целях для производства ядерного оружия массового уничтожения

Как получают ядерную энергию?

В результате ядерных реакций образуются крайне нестабильные атомы.

Ядерная энергия получается в результате ядерной реакции в атомных ядрах определенных химических элементов. Одними из наиболее важных ядерных энергетических процессов являются деление изотопа урана-235 (235U) элемента урана (U) и слияние изотопов дейтерия-трития (2H-3H) элемента водорода (H), хотя ядерная энергия также может быть получена в результате ядерных реакций в изотопах тория-232 (232Th), плутония-239 (239Pu), стронция-90 (90Sr) или полония-210 (210Po)

Деление урана-235 (235U) является экзотермической реакцией, т.е. при нем выделяется много энергии. Выделяемая энергия нагревает среду, в которой происходит реакция, например, воду

Для того чтобы произошло деление, изотоп 235U бомбардируется свободными нейтронами (хотя он также может бомбардироваться протонами , другими ядрами или гамма-лучами), скорость которых очень хорошо контролируется. Таким образом, свободный нейтрон может быть поглощен ядром, что вызывает его дестабилизацию и фрагментацию, и порождает другие меньшие ядра, свободные нейтроны, другие субатомные частицы и большое количество энергии. Важно контролировать скорость нейтронов, потому что если она слишком высока, они могут просто врезаться в ядро или пройти сквозь него, и не будут поглощены для производства деления
При ядерном делении образуются свободные нейтроны и другие частицы.

Частицы, образующиеся в результате деления одного ядра, в свою очередь, могут поглощаться другими соседними ядрами, которые также делятся, а частицы, образующиеся в результате этого другого деления, снова поглощаются другими ядрами, и так далее, что приводит к так называемой цепной реакции

Управляемые цепные ядерные реакции имеют множество применений в полезных целях , как уже упоминалось выше. Однако, когда цепная реакция неконтролируема, она продолжается до тех пор, пока не останется материала для деления, что происходит в течение короткого времени. Этот неконтролируемый процесс является принципом действия атомных бомб, сброшенных Соединенными Штатами на Японию во время Второй мировой войны

С другой стороны, слияние дейтерия и трития (2H-3H) является самым простым из существующих процессов ядерного синтеза. Для того чтобы произошло слияние, два протона (один из 2H и один из 3H) должны быть сведены вместе таким образом, чтобы силы сильного ядерного взаимодействия (силы, которые связывают нуклоны, т.е. протоны и нейтроны, и которые должны преодолеть силу отталкивания между протонами, поскольку они имеют одинаковый заряд) преодолели силы электростатического взаимодействия, поскольку протоны имеют положительный заряд и поэтому стремятся оттолкнуть друг друга. Для этого применяются определенные давления и декомпрессии, а также очень специфические температуры. В результате этого процесса синтеза образуется ядро 4He, нейтрон и большое количество энергии
В результате ядерных реакций образуются нестабильные атомы.

Ядерный синтез – это процесс, который спонтанно происходит в звездах , например, в Солнце, но также успешно генерируется искусственно

В целом, в результате ядерных реакций образуются нестабильные атомы, которые, чтобы стабилизировать себя, в течение определенного времени излучают избыточную энергию в окружающую среду. Эта испускаемая энергия называется ионизирующим излучением, которое обладает достаточной энергией, чтобы ионизировать материю вокруг себя, поэтому оно чрезвычайно опасно для всех форм жизни

Для чего используется ядерная энергия?

Мирное использование ядерной энергии многочисленно, не только для производства электроэнергии (что уже имеет огромное значение в современном индустриальном мире), но и для производства пригодной для использования и воспроизводимой тепловой энергии, или механической энергии , и даже форм ионизирующего излучения, используемого для стерилизации медицинского или хирургического оборудования. Она также используется для приведения в движение транспортных средств , таких как атомные подводные лодки

Преимущества ядерной энергии

Преимуществами ядерной энергетики являются:

• Низкий уровень загрязнения . При условии отсутствия аварий и правильной утилизации радиоактивных отходов атомные электростанции загрязняют окружающую среду меньше, чем сжигание ископаемого топлива
• Безопасно. При условии соблюдения требований безопасности ядерная энергетика может быть надежной, постоянной и чистой.
• Efficient . Количество энергии, выделяемой при таких ядерных реакциях, огромно по сравнению с количеством сырья , которое для них требуется.
• Versatile. Применение радиации и других форм ядерной энергии в различных областях человеческой деятельности, таких как медицина, имеет большое значение.

Недостатки ядерной энергии

Ядерная энергия опасна для гражданского населения и даже для животного мира.

Недостатками ядерной энергетики являются:

• Рискованно. В случае аварий, таких как авария на Чернобыльском ядерном реакторе в бывшем Советском Союзе , гражданское население и даже животный мир подвергаются высокому риску радиоактивного заражения.
• ‘Отходы’. С радиоактивными побочными продуктами атомных электростанций трудно обращаться, а некоторые из них имеют очень большой период полураспада (время, необходимое радиоактивному атому для распада).
• Дорого. Разработка атомных электростанций и использование этой технологии зачастую обходится очень дорого.

Характеристики ядерной энергетики

В целом, ядерная энергия является мощной, эффективной, настоящим достижением человеческого мастерства в физике. Однако это также рискованная технология: после катастроф, вызванных атомными бомбами в Хиросиме и Нагасаки или Чернобыльской аварией в СССР, мы знаем, что этот тип технологии представляет собой реальную опасность для жизни на планете, какой мы ее знаем

Примеры ядерной энергии

Мирным примером использования этой энергии является любая атомная электростанция, например, Иката в Японии. Примером его использования в военное время была бомбардировка японских городов Хиросима и Нагасаки в 1945 году во время Второй мировой войны