Как с помощью мирного атома осуществляется поиск полезных ископаемых
Энергия — это основа основ. Все блага цивилизации, все материальные сферы деятельности человека — от стирки белья до исследования Луны и Марса — требуют расхода энергии. И чем дальше, тем больше.
На сегодняшний день энергия атома широко используется во многих отраслях экономики. Строятся мощные подводные лодки и надводные корабли с ядерными энергетическими установками. С помощью мирного атома осуществляется поиск полезных ископаемых. Массовое применение в биологии, сельском хозяйстве, медицине, в освоении космоса нашли радиоактивные изотопы.
Значение атомных электростанций в энергобалансе любой страны трудно переоценить. Гидроэнергетика требует создания крупных водохранилищ, под которые затапливаются большие площади плодородных земель. Вода в них застаивается и теряет свое качество, что, в свою очередь, обостряет проблемы водоснабжения, рыбного хозяйства и индустрии досуга.
Теплоэнергетические станции в наибольшей степени способствуют разрушению биосферы и природной среды Земли. Они уже израсходовали десятки тонн органического топлива (угля). Для его добычи в сельском хозяйстве и других сферах экономики изымаются огромные земельные площади. В местах открытой добычи угля образуются «лунные ландшафты», а повышенное содержание золы в топливе является основной причиной выброса в воздух десятков миллионов тонн SO2. Тепловые энергетические установки во всем мире выбрасывают в атмосферу за год до 250 млн. тонн золы и около 60 млн. тонн сернистого ангидрида.
Атомные электростанции (АЭС) — это третий «кит» в системе современной мировой энергетики. Техническая обеспеченность АЭС, бесспорно, являются крупнейшим достижением научно-технического прогресса (НТП). В случае их безаварийной работы не производится практически никакого загрязнения окружающей среды, кроме теплового. Правда, в результате работы АЭС (и предприятий атомного топливного цикла) образуются радиоактивные отходы, представляющие потенциальную опасность для всего живого. Обнадеживает тот факт, что объем радиоактивных отходов довольно мал, они весьма компактны, и их можно хранить в таких условиях, которые гарантируют отсутствие утечки. АЭС много экономичнее обычных тепловых электростанций, а, самое главное, при их правильной эксплуатации – это чистые источники энергии.
Ядерный сектор энергетики наиболее значителен во Франции, Бельгии, Финляндии, Швеции, Болгарии и Швейцарии, т.е. в тех промышленно развитых странах, где недостаточно природных энергоресурсов. Эти страны производят от четверти до половины своей электроэнергии на АЭС. США производят на АЭС только восьмую часть своей электpоэнеpгии, но это составляет около одной пятой ее мирового производства.
Вместе с тем, развивая ядерную энергетику в интересах экономики, нельзя забывать и о безопасности и здоровье людей, так как ошибки могут привести к катастрофическим последствиям. Всего с момента начала эксплуатации атомных станций в 14 странах мира произошло более 150 инцидентов и аварий различной степени сложности. Наиболее характерные из них: в 1957 г. – в Уиндскейле (Англия), в 1959 г. – в Санта-Сюзанне (США), в 1961 г. – в Айдахо-Фолсе (США), в 1979 г. – на АЭС Три-Майл-Айленд (США), в 1986 г. – на Чернобыльской АЭС (бывший СССР, сейчас Украина) .
Атомная энергетика по-прежнему остается предметом острых дебатов. Сторонники и противники атомной энергетики резко расходятся в оценках ее безопасности, надежности и экономической эффективности. Кроме того, широко pаспpостpанено мнение о возможной утечке ядерного топлива из сферы выработки электpоэнеpгии и его использовании для создания ядерного оружия.
Источник
1
Применение энергии атома.
2
Энергия – это основа основ. Все блага цивилизации, все материальные сферы деятельности человека – от стирки белья до исследования Луны и Марса – требуют расхода энергии. И чем дальше, тем больше. На сегодняшний день энергия атома широко используется во многих отраслях экономики. Строятся мощные подводные лодки и надводные корабли с ядерными энергетическими установками. С помощью мирного атома осуществляется поиск полезных ископаемых. Массовое применение в биологии, сельском хозяйстве, медицине, в освоении космоса нашли радиоактивные изотопы.
3
Применение ядерной энергии в современном мире оказывается настолько важным, что если бы мы завтра проснулись, а энергия ядерной реакции исчезла, мир, таким как мы его знаем, пожалуй, перестал бы существовать. Мирное использование источников ядерной энергии составляет основу промышленного производства и жизни таких стран, как Франция и Япония, Германия и Великобритания, США и Россия. И если две последние страны еще в состоянии заместить ядерные источники энергии на тепловые станции, то для Франции, или Японии это попросту невозможно. Использование атомной энергии создает много проблем. В основном все эти проблемы связаны с тем, что используя себе на благо энергию связи атомного ядра (которую мы и называем ядерной энергией), человек получает существенное зло в виде высокорадиоактивных отходов, которые нельзя просто выбросить. Отходы от атомных источников энергии требуется перерабатывать, перевозить, захоранивать, и хранить продолжительное время в безопасных условиях.
4
В конце 50-х годов на начальном этапе освоения космического пространства почти одновременно в России и в США были начаты работы по созданию ядерных энергетических установок (ЯЭУ) для использования в космических летательных аппаратах. Сначала использовались ядерные установки с термоэлектрическими преобразователями, затем были внедрены установки на быстрых нейтронах с жидкометаллическим теплоносителем. Перспективы использования ЯЭУ на космических аппаратах обусловлены их высокой конкурентоспособностью по сравнению с другими бортовыми источниками энергоснабжения в определенном диапазоне электрической мощности для глобальной спутниковой связи, экологического мониторинга, космического производства материалов в условиях невесомости, межорбитальных транспортировок грузов, полетов к кометам. Использование атомной энергии
5
Аграрные регионы и города не слишком нуждаются в атомной энергии. Ее вполне можно заместить тепловыми и другими станциями. Получается, что овладение, получение, развитие, производство и использование ядерной энергии по большей части направлено на удовлетворение наших потребностей в промышленной продукции. Посмотрим, что это за производства: автомобильная промышленность, военные производства, металлургия, химическая промышленность, нефтегазовый комплекс, и т.д. В плюсы ядерной энергии мы можем смело записать все то, к чему мы привыкли. К минусам – печальную перспективу скорой смерти в коллапсе исчерпания ресурсов, проблемах ядерных отходов, росте численности населения и деградации пахотных площадей. Иначе говоря, атомная энергетика позволила человеку еще сильнее начать овладевать природой, насилуя ее сверх меры настолько, что он за несколько десятилетий преодолел порог воспроизводства основных ресурсов, запустив между 2000 и 2010 годами процесс схлопывания потребления. Этот процесс объективно уже не зависит от человека. Плюсы и минусы, польза и вред от использования ядерной энергии
6
В мире используется около 160 различных изотопов из 1700, открытых учеными за последние 50 лет. Начало применению радиоактивных и стабильных изотопов в мирных целях было положено в России в 1945 г. Радиоактивные изотопы стали широко применяться в промышленности для автоматизации производственных процессов и контроля за ними, в аналитической химии, производстве строительных материалов, для повышения чувствительности химического анализа, контроля утечек нефтепродуктов, в медицине для диагностики и лечения ряда заболеваний. Внедрялись медицинские установки для облучения, рентгеновские установки, гамма-дефектоскопы Внедрение радиационной техники проводилось на тысячах предприятий. Еще одним направлением мирного использования ядерной энергии были ядерные взрывы в народно-хозяйственных целях С их помощью решались такие задачи, как: – глубинное зондирование с целью разведки полезных ископаемых; – интенсификация добычи нефти и газа; – создание подземных резервуаров; – перемещение грунта; – гашение газовых фонтанов; – разрушение монолитности пород;
7
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, 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. Энергия термоядерного синтеза применяется в водородной бомбе. Главная проблема в развитии ядерной энергетике разработка экономичных, надёжных способов захоронения больших количеств высокоактивных отходов. В этом направлении во многих странах мира ведутся научно-исследовательские и опытно- промышленные работы, в частности по разработке эффективных методов остекловывания радиоактивных отходов. Применение
8
В будущем, несомненно, будут использоваться новые источники энергии, даже более мощные, чем энергия ядра, например, термоядерный синтез, а затем и еще более мощные и безопасные источники. Атомный распад является одной из форм выработки электроэнергии, применяемой на электрических станциях. Это процесс медленного и контролируемого высвобождения энергии за счет расщепления атомов. Ядерный синтез (не распад) – это процесс быстрого и опасного высвобождения энергии в результате объединения атомов. Это разрушительная сила, которая была применена для истребления тысяч японских граждан во время Второй мировой войны. Энергия солнца также образуется в результате синтеза, образуя солнечный свет и тепло. Атомная энергия – наиболее эффективная форма выработки электроэнергии в наши дни. Крошечная частица урана размером с мяч для игры в гольф несет в себе такой же запас энергии, как фунтов (1 фунт – 453, 6 г) угля! Это 19 ½ вагонов угля! Такое огромное количество энергии вырабатывается из урана в ядерном реакторе. Ядерный реактор – что-то вроде печи для урана. Внутри него происходит необычайная реакция, благодаря которой высвобождается энергия, некоторая в форме тепла. Высвободившаяся тепловая энергия используется для кипячения воды. Кипяченая вода попадает в теплообменник, который передает тепло от воды реактору с пресной водой. Пресная вода превращается в пар, а пар приводит в действие турбину. Выработка электричества
9
Атомная энергия отличается от других видов энергии, прежде всего, своей концентрацией: при делении 1 г ядер урана выделяется энергия ~ Дж примерно в три миллиона раз больше, чем при сгорании 1 г угля (~3 104 Дж). А это главное условие успешной реализации термодинамических процессов с выделением тепла и выполнением работы. Кроме того, запасы энергии в ядерном топливе (уран и торий) в миллионы раз превышают запасы энергии в органическом топливе. Наконец, ядерная энергетика не загрязняет биосферу Земли выбросами окислов азота, углекислого и сернистого газов. По совокупности этих причин атомной энергии нет альтернативы в обозримой исторической перспективе. Первоначально реакцию, происходящую в ядерном реакторе, считали панацеей от энергетических проблем планеты, сейчас атомные электростанции переживают кризис. На это есть две причины. Первая – это стоимость содержания таких станций. Атомная энергия гораздо дороже угольной или нефтяной. Люди не хотят платить больше за электричество только потому, что оно образовалось за счет атомной энергии. Вторая причина – это угроза окружающей среде. Отходы атомных электростанций по-прежнему очень опасны. Также существует возможность ядерного расплавления, которое положит конец жизни на земле.
Источник
Ядерная энергетика последние несколько десятилетий остается одним из самых перспективных видов получения энергии в мире. Кроме того, ее физические принципы применяют в ядерной медицине и космических технологиях. «Хайтек» подробно рассказывает, как изучали мирный атом и почему одни страны фокусируются на использовании ядерной энергетики, а другие закрывают все АЭС.
История атомной энергетики, как ни странно, началась с огромного количества исследований в других областях. В 1895 году первый в истории лауреат Нобелевской премии по физике Вильгельм Рентген случайно открывает рентгеновское излучение, полученное им на первом ускорителе электронов — катодной трубке.
В 1896 году французский физик Анри Беккерель открыл феномен радиоактивности при изучении фосфоресценции солей урана, а его исследования продолжила знаменитая супружеская пара Пьера и Мари Кюри — только они уже проводили эксперименты с соединениями тория и солями урана. Ими были выделены высокоактивные элементы полоний и радий, а позже они обнаружили, что эти радиоактивные элементы испускают три вида проникающей радиации: α-, β- и γ- лучи.
Считается, что самый большой вклад в фундаментальное изучение атомарной структуры и последующего открытия ядерного синтеза внес британский физик Эрнест Резерфорд. В 1911 году своим знаменитым опытом рассеяния альфа-частиц он доказал существование в атомах положительно заряженного ядра и отрицательно заряженных электронов вокруг него. На основе результатов опыта ученый создал первую планетарную модель атома.
Эрнест Резерфорд. Фото: Wiki
Согласно воспоминаниям советского физика Льва Капицы, Эрнест Резерфорд был ярким представителем английской экспериментальной школы в физике, для которой характерно стремление разобраться в сути физического явления и экспериментально проверить, может ли оно быть объяснено существующими теориям.
Он редко использовал формулы и практически не использовал математические расчеты. Его коллеги и ученики отмечали, что Резерфорд был гениальным экспериментатором. Например, он открыл эманацию тория, заметив различия в показаниях электроскопа, измерявшего ионизацию, при открытой и закрытой дверце в приборе, перекрывавшей поток воздуха. Другой пример — открытие Резерфордом искусственной трансмутации элементов, когда облучение ядер азота в воздухе альфа-частицами сопровождалось появлением очень редких высокоэнергичных частиц (протонов), имевших больший пробег.
В современном мире ядерная физика делится на два основных направления — военные технологии и так называемая сфера мирного атома, в который входит несколько отделений: изучение возможностей атома, ядерная энергетика и ядерная медицина.
Ядерная энергетика
В любой области энергетики первичным источником является ядерная энергия — например, энергия солнечных ядерных реакций в гидроэлектростанциях, солнечных электростанциях и электростанциях, работающих на органическом топливе, или энергия радиоактивного распада в геотермальных электростанциях. Однако к ядерной энергетике относится лишь использование управляемых реакций в ядерных реакторах.
Впервые цепная реакция ядерного распада была осуществлена 2 декабря 1942 года в Чикагском университете. Для ее реализации использовался уран в качестве топлива, а графит в качестве замедлителя. Но первая электроэнергия, извлеченная из энергии ядерного распада, была получена только спустя почти 10 лет — 20 декабря 1951 года в Национальной лаборатории Айдахо с помощью реактора на быстрых нейтронах EBR-I (Experimental Breeder Reactor-I), произведенная мощность которого составляла около 100 кВт.
АЭС в Обнинске. Фото: Wiki
Советский Союз старался не отставать в сфере ядерного развити, и 9 мая 1954 года на ядерном реакторе в Обнинске была достигнута первая устойчивая цепная ядерная реакция. Реактор мощностью 5 МВт работал на обогащенном уране с графитом в качестве замедлителя, для охлаждения использовалась вода с обычным изотопным составом. 26 июня в 17:30 энергия, выработанная здесь, стала поступать в потребительскую электросеть Мосэнерго.
На сегодняшний день ядерная энергия обеспечивает до 15% от производства всей электроэнергии на Земле — до 6,55 млрд МВт·ч (562,9 млн тонн в нефтяном эквиваленте). В мире функционируют почти 500 АЭС, большинство из которых находятся на территории Северной Америки, Европы, Азии и стран бывшего СССР. При этом на территории Африки АЭС практически нет, а в Австралии ядерная энергия не используется совсем.
Доля выработки электроэнергии на АЭС в некоторых странах достигает больших значений: так, в 12 странах она превышает 30% от общего количества энергии. С другой стороны, в некоторых странах ее доля в энергобалансе незначительна — Китай является вторым лидером по мощности АЭС, однако ядерная энергия дает всего порядка 4% электричества страны. Основным лидером по установленной мощности являются США, однако ядерная энергетика составляет там лишь 20% в общем энергобалансе. Мировым лидером по доле в общей выработке является Франция, в которой ядерная энергетика является национальным приоритетом — 72% от всего электричества в стране.
Самыми масштабными программами по строительству новых АЭС владеют Россия, Индия и Южная Корея, в которых сейчас строится около 35 новых атомных электростанций, что более 50% от всех создаваемых объектов такого типа.
Ядерная энергия используется не только для снабжения жителей с помощью атомных электрических станций, но и для передвижения атомных ледоколов и атомных подводных лодок. Кроме того, многие страны имеют программы изучения возможностей атомного деления — например, для создания ядерного ракетного двигателя, в том числе для космических кораблей. СССР даже имел программу спутников, которые имели в себе ядерные двигатели. Подробнее об этом читайте в нашем большом материале.
Проблемы атомной энергии
На сегодняшний день в мире существуют две противоположные тенденции — некоторые страны начинают сворачивать свои ядерные программы. Например, США, Франция и Япония начинают закрывать некоторые АЭС, а Италия стала первой страной в мире, которая сознательно закрыла все АЭС и полностью отказалась от ядерной энергетики.
Бельгия, Германия, Испания, Швейцария и Швеция осуществляют долгосрочную политику по отказу от ядерной энергетики. Австрия, Куба, Ливия, Вьетнам и Польша закрыли свои ядерные программы буквально перед пуском первой АЭС по политическим, экономическим или техническим причинам.
Самым спорным моментом в ядерной энергетике является ее безопасность, особенно связанная с эксплуатацией реакторов. Противники ядерных систем указывают на техногенные катастрофы в Чернобыле и Фукусиме, из-за которых погибли тысячи человек, а ущерб, нанесенный экономике СССР и Японии, составляет миллиарды долларов. Кроме того, от атомной энергии, как правило, остаются отходы, которые необходимо утилизировать.
Вместе с тем выступающая за продвижение ядерной энергетики Всемирная ядерная ассоциация опубликовала в 2011 году данные, согласно которым гигаватт в год электроэнергии, произведенной на угольных электростанциях, в среднем (учитывая всю производственную цепочку) обходится в 342 человеческих жертвы, на газовых — в 85, на гидростанциях — в 885, тогда как на атомных — всего в 8.
Саркофаг над Чернобыльской АЭС. Фото: Wiki
Другой проблемой ядерной энергетики является тепловое загрязнение. По мнению специалистов, атомные электростанции «в расчете на единицу производимой электроэнергии» выделяют в окружающую среду больше тепла, чем сопоставимые по мощности ТЭС.
Ядерная медицина
Как отрасль медицины эта сфера появилась только в 1970-1980-х, несмотря на то, что еще в 1901 году французские физики Анри-Александр Данло и Эжен Блок впервые применили радий для лечения кожного туберкулеза, а венгр Дьёрдь де Хевеши в 1913 году предложил использовать в биологических исследованиях метод меченых атомов.
Сейчас ядерная медицина применяется в основном при кардиологических и онкологических заболеваниях, а вся сфера в целом потребляет свыше половины всех радиоактивных изотопов в мире. В частности, в онкологии (радиобиология опухолей — «Хайтек») ядерная медицина выполняет такие задачи, как выявление опухолей, метастазов и рецидивов, определение степени распространенности опухолевого процесса, дифференциальная диагностика, лечение опухолевых образований и оценка эффективности противоопухолевой терапии.
Лидером этого рынка являются США и Япония, при этом Россия является лидером по производству сырьевых медицинских изотопов, однако пока страна не имеет собственной полноценной программы ядерной медицины.
Источник