Ядерная энергия - что это такое?⁠⁠

Ядерная энергия (атомная энергия) — внутренняя энергия атомных ядер, выделяющаяся при некоторых ядерных превращениях.

Использование ядерной энергии основано на осуществлении цепных реакций разделения тяжелых ядер и реакций термоядерного синтеза легких ядер.

Природа и получение
Атомная энергия — энергия, выделяемая при превращении атомных ядер. Эти преобразования могут происходить спонтанно (см. Радиоактивность) или при столкновениях с ядрами нейтронов или ускоренных заряженных частиц (см. Ядерные реакции). Эта энергия в миллионы раз превышает химическую энергию, выделяемую, например, при горении.

Атомная энергия обусловлена ядерными силами, действующими между нуклонами, то есть нейтронами и протонами. В формировании энергии ядра участвуют два типа сил: притяжение между всеми нуклонами за счёт остаточного сильного взаимодействия и кулоновское отталкивание между положительно заряженными протонами.

Энергия связи на нуклон
Энергия связи, приходящаяся на 1 нуклон, неодинакова для различных ядер. Она самая большая для ядер средней массы (8,6 МэВ); для тяжёлых ядер - ок. 7,5 МэВ; для лёгких ядер она изменяется от 1,1 МэВ (дейтерий) до 7,0 МэВ (4He). Превращение ядер с меньшей энергией связи, приходящейся на 1 нуклон, в ядра с большей энергией связи сопровождается выделением энергии. К примеру, если поделить ядро с атомной массой А = 200 и средней энергией связи нуклонов 7,5 МэВ на два ядра со средней энергией 8,6 МэВ, то при этом выделится энергия Е = 200 X (8,6—7,5 ) = 220 МэВ. Если образовать ядро гелия из двух ядер дейтерия, выделится энергия Е = 4 х (7—2·1,1) = 23,6 МэВ.

Ядерный синтез
Для получения атомной энергии можно использовать ядерные реакции деления и ядерные реакции синтеза. Реакции синтеза могут происходить только тогда, когда ядра приближаются друг к другу на расстояние менее 10^-13 см, на котором начинают действовать ядерные силы. Сближению ядер противодействуют кулоновские отталкивающие силы; поэтому, чтобы эти силы преодолеть, ядра должны обладать достаточной энергией. Получение свободных нейтронов и ускорение заряженных частиц требует затрат энергии. Вероятность попадания таких частиц в ядра очень мала. Поэтому израсходованная энергия превышает энергию, выделяемую при ядерных реакциях. Энергетический выигрыш можно получить только в том случае, когда превращение происходит вследствие цепных реакций. Реакции синтеза могут быть цепными при очень высоких температурах – в десятки и даже сотни миллионов градусов (см. Термоядерные реакции). При этих условиях вещество существует в виде плазмы и энергия отдельных частиц плазмы (ε = 3/2 kT) достаточна для преодоления кулоновского отталкивания. Такие высокие температуры существуют в недрах звёзд, одной из которых Солнце. Именно в результате термоядерных реакций синтеза Солнце излучает энергию.

В области овладения управляемыми термоядерными реакциями синтеза уже решена одна из основных проблем — термическая изоляция плазмы, которая осуществляется с помощью магнитных полей. Особенно важно в реакциях синтеза то, что в качестве «горючего» для них можно использовать дейтерий в практически неограниченном количестве. Дейтерий содержится в тяжёлой воде, являющейся примесью к воде морей и океанов.

Разделение ядра
Цепные реакции разделения могут происходить потому, что разделение каждого ядра сопровождается выделением нескольких нейтронов, которые при захвате их другими ядрами снова могут вызвать разделение с выделением новых нейтронов, и т.д. , будет, в среднем больше одного нейтрона на разделение, цепная реакция сможет самоподдерживаться. Если цепная реакция развивается очень быстро, то она приобретает характер взрыва, как, например, в атомной бомбе. После взрыва атомной бомбы возникает очень высокая температура. являющееся необходимым условием протекания термоядерных реакций; это используется пока только в водородной бомбе. Скорость цепных реакций деления регулируют пока только в ядерных реакторах. Энергия, выделяемая в результате этих реакций, отводится от реактора в виде тепла с помощью теплоносителей, которыми могут быть вода, пар, жидкие металлы, газы и т.д. Эта тепловая энергия используется на ядерных электростанциях и атомных двигателях.

Использование
Ядерная энергия используется человечеством в военных целях, для производства электроэнергии и ядерных энергетических установках (двигателях).

В середине 20 в. были сконструированы атомная и водородная бомба. К концу столетия пять ядерных держав накопили достаточный ядерный арсенал для уничтожения всего человечества.

Использование атомной энергии стимулируется, прежде всего, тем, что уже на первом этапе её использования стоимость электроэнергии, получаемой от атомных и угольных станций, примерно одинакова.

Экономическое преимущество атомных электростанций над тепловыми будет непрерывно расти как вследствие их усовершенствования, так и вследствие удорожания каменного угля, торфа, нефти и природного газа, запасы которых в верхних слоях Земли быстро уменьшаются. При современных темпах роста использования энергии этих запасов топлива может хватить на 100–150 лет, использование же ядерных реакций разделения урана, тория и плутония сможет увеличить этот срок ещё на 200–300 лет.

Лишь овладение термоядерными реакциями синтеза обеспечит человечество энергией в неограниченном количестве и на неограниченный срок.

Использование в энергетике
Основой ядерной энергетики являются атомные электростанции, обеспечивающие около 6% мирового производства энергии и 13-14% электроэнергии. Первая в мире атомная электростанция была построена в СССР и пущена 27 июня 1954 года. По данным МАГАТЭ в 2007 году в мире работало 439 промышленных ядерных реакторов, расположенных на территории 31 страны.

Использование в технике
В 1959 году в СССР закончено строительство первого в мире ледокола «Ленин» с ядерной энергетической установкой На 2012 год в мире построено более 150 судов с ядерными энергетическими установками.