28 Билет. Ядерная энергия и проблемы ее использования. Термоядерный синтез. Энергоэффективные технологии.

Ядерная энергия (атомная энергия) — это энергия, содержащаяся в атомных ядрах и выделяемая при ядерных реакциях.

Зависимость энергии связи, приходящейся на один нуклон, от числа нуклонов в ядре.

Энергия, которая требуется, чтобы разделить ядро на отдельные нуклоны, называется энергией связи. Энергия связи, приходящаяся на один нуклон, неодинакова для разных химических элементов и, даже, изотопов одного и того же химического элемента. Удельная энергия связи нуклона в ядре колеблется, в среднем, в пределах от 1 МэВ у лёгких ядер (дейтерий) до 8,6 МэВ, у ядер среднего веса (А≈100). У тяжёлых ядер (А≈200) удельная энергия связи нуклона меньше, чем у ядер среднего веса, приблизительно на 1 МэВ, так что их превращение в ядра среднего веса (деление на 2 части) сопровождается выделением энергии в количестве около 1 МэВ на нуклон, или около 200 МэВ на ядро. Превращение лёгких ядер в более тяжёлые даёт ещё больший энергетический выигрыш в расчёте на нуклон. Так, например, реакция соединения дейтерия и трития ₁D²+₁T³→₂He⁴+₀n¹ сопровождается выделением энергии 17,6 МэВ, т.е. 3,5 МэВ на нуклон.

Высвобождение ядерной энергии

Известны экзотермические ядерные реакции, высвобождающие ядерную энергию.

Обычно для получения ядерной энергии используют цепную ядерную реакцию деления ядер урана-235 или плутония. Ядра делятся при попадании в них нейтрона, при этом получаются новые нейтроны и осколки деления. Нейтроны деления и осколки деления обладают большой кинетической энергией. В результате столкновений осколков с другими атомами эта кинетическая энергия быстро преобразуется в тепло.

Другим способом высвобождения ядерной энергии является термоядерный синтез. При этом два ядра лёгких элементов соединяются в одно тяжёлое. Такие процессы происходят на Солнце.

Многие атомные ядра являются неустойчивыми. С течением времени часть таких ядер самопроизвольно превращаются в другие ядра, высвобождая энергию. Такое явление называют радиоактивным распадом.

Применение ядерной энергии

Энергия деления ядер урана или плутония применяется в ядерном и термоядерном оружии (как пускатель термоядерной реакции). Существовали экспериментальные ядерные ракетные двигатели, но испытывались они исключительно на Земле и в контролируемых условиях, по причине опасности радиоактивного загрязнения в случае аварии. На атомных электрических станциях ядерная энергия используется для получения тепла, используемого для выработки электроэнергии и отопления. Ядерные силовые установки решили проблему судов с неограниченным районом плавания (атомные ледоколы, атомные подводные лодки, атомные авианосцы). В условиях дефицита энергетических ресурсов ядерная энергетика считается наиболее перспективной в ближайшие десятилетия.

Энергия термоядерного синтеза применяется в водородной бомбе.

Энергия, выделяемая при радиоактивном распаде, используется в долгоживущих источниках тепла и бетагальванических элементах. Автоматические межпланетные станции типа «Пионер» и «Вояджер» используют радиоизотопные термоэлектрические генераторы. Изотопный источник тепла использовал советский Луноход-1

В ядерных превращениях ядерная энергия освобождается в виде кинетич. энергии частиц (новых синтезированных ядер, осколков деления и др.), движущихся с огромными скоростями, а также в виде жесткого электромагн. излучения (рентгеновского и у). Торможение частиц сопровождается переходом кинетич. энергии главным образом в тепловую.

В литературе, особенно издававшейся в 40-50-е гг. 20 в., часто вместо термина "ядерная энергия" использовали термин "атомная энергия", что не вполне оправдано, т. к. речь идет именно об энергии, заключенной внутри ядра.

ПРОБЛЕМЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ:

На самом деле ядерная энергетика на много чище и безопаснее использования органического топлива для производства энергии.

Две основные проблемы на слуху, когда речь заходит об ядерной энергетике, это опасность радиоактивных выбросов в процессе эксплуатации и проблема утилизации ядерных отходов (отработанного ядерного топлива).

ТЕРМОЯДЕРНАЯ РЕАКЦИЯ

В термоядерную реакцию вступают легкие ядра, а в результате синтеза (слияния) они образуют более тяжелое ядро. Такие термоядерные реакции при температурах в миллионы градусов идут в недрах Солнца, где ядра изотопов водорода, сливаясь вместе, образуют более тяжелое ядро атома гелия, при этом выделяется огромная энергия.  Чтобы провести слияние (синтез) ядер, т.е. соединить положительно заряженные ядра в новое ядро, необходимо преодолеть действующие между ними кулоновские (электростатические) силы отталкивания. Чтобы преодолеть силы отталкивания участвующие в синтезе частицы должны обладать очень большой кинетической энергией, т.е. иметь большую скорость. Большая скорость частиц достигается повышением температуры вещества до миллионов градусов.  Ядерный реакция, происходящая в разогретом веществе называется термоядерной реакцией (синтезом). При таких температурах вещество может существовать только в виде плазмы (полностью ионизированного газа, состоящего из положительно заряженных ионов и отрицательно заряженных электронов). Особенность термоядерной реакции - это выделение большого количества энергии.

В настоящее время уже удалось получить энергию термоядерного синтеза: - это термоядерная или водородная бомба, где проходит неуправляемая термоядерная реакция, имеющая взрывной характер; - это экспериментальные термоядерные установки ТОКАМАК (созданы в СССР) - тороидальные камеры с магнитными катушками, где идет управляемая термоядерная реакция. Преимущества использования термоядерного синтеза для получения энергии: - энергия, выделившаяся на один нуклон в результате термоядерной реакции, значительно превышает энергию, выделившуюся на один нуклон в результате деления ядер урана; - топливом для термоядерных установок является тяжелый водород (нерадиоактивный изотоп водорода), а его много в морской воде; - нет опасного радиоактивного излучения, и в процессе реакции не будет радиоактивных отходов. Проблемы использования термоядерного синтеза: - утечка трития (одного из изотопов водорода, участвующего в реакции) - радиация нейтронами.

В рамках курса на модернизацию России государство ставит стратегическую задачу энергосбережения и повышения энергоэффективности.

Энергоэфф. технологии при строительстве:

утепление фасадов при применении инновационных теплоизоляционных материалов;

• установка современных систем окон, где используется принудительная вентиляция.

К другим энергоэффективным технологиям можно отнести:

- использование низкотемпературного водяного отопления на полу.

- остекление лоджии.

- использование подвижной теплоизоляции (шторы, рольставни и т.д.).

- планировка, по которой северные комнаты расположены немного выше южных.

- использование солнечных воздушных коллекторов.

- использование охлаждающих потолков.

- понижение потребления водопроводной воды

Использ-е солнечной энергии