Ядерная энергия простыми словами
Привет 👋 Сегодня расскажу о том, что такое ядерная энергия, как её получают и что для этого нужно ☢️
Первый ключ к пониманию
Эйнштейн в 1905 году вывел одну из самых известных формул в мире E = mc², где E — энергия, m — масса, а с — скорость света в вакууме. Зная эту формулу, можно сделать два важных вывода. Во-первых, энергия может быть преобразована в массу и наоборот. Во-вторых, при скорости частицы близкой к скорости света энергия, в которую масса будет преобразована, будет колоссальной. Это наш первый ключ💡 к пониманию ядерной энергии
Откуда берётся энергия?
Известно, что масса ядра любого атома в состоянии покоя (без движения) всегда меньше, чем масса составляющих его протонов и нейтронов, взятых отдельно. Это явление называется дефект массы. Как же так получается? У протонов и нейтронов есть масса, но объединяясь в ядро, они начинают взаимодействовать друг с другом и часть их массы превращается в энергию связи между ними. Во время распада энергия превращается обратно в массу, но не вся — часть высвобождается. Мы стали ещё ближе к ядерной энергии😉
Реакция распада
Масса ядра атома зависит от того, сколько протонов и нейтронов внутри. Между ними действует ядерная сила — фундаментальная и самая мощная из известных сил, целью которой является поддержание целостности ядра — его стабильности. Но у ядерной силы есть главный противник — Кулоновская сила отталкивания, которая действует между протонами. В таблице Менделеева элементы представлены в порядке увеличения массы ядра. Чем больше масса ядра, тем больше ядерных сил нужно, чтобы удержать его от распада. Поэтому тяжёлые элементы нестабильны и стремятся к распаду на более лёгкие и стабильные, выделяя при этом излучение. Их как раз и называют радиоактивными, а сам процесс — реакция распада💥
Изотопы
Распад дело такое — кому-то нужно доли секунды, а кому-то септилионы (10²⁴) лет. Причем при распаде разных элементов выделяется разное количество энергии, соответственно одни элементы расщеплять эффективнее, чем другие. Это работает даже в пределах одного элемента. Практически у каждого элемента есть несколько альтер-эго — они называются изотопы. У них одинаковое количество протонов, но разное количество нейтронов, поэтому им присуща разная стабильность, разные свойства и самое главное — разное количество высвобождаемой энергии при делении. Например, уран является одним из самых популярных компонентов для ядерного топлива в мире, но в природе он на 99% состоит из изотопа урана 238, который при распаде выделяет не так много энергии, как хотелось бы. Что же делать?🤔 Есть пара вариантов...
Ядерное топливо
Чтобы стать ядерным топливом, элемент должен отвечать, как минимум, двум критериям: высвобождать колоссальное количество энергии при распаде и, самое главное, выделять нейтрон. Нейтроны, вылетая с огромной скоростью, будут врезаться в соседние атомы, вызывая их распад, с последующим выделением энергии и появлением других нейтронов. Это называется цепная реакция, и именно этот принцип лежит в основе ядерной энергетики⚛️
Добыча ядерного топлива
Чтобы получить из урана ядерное топливо, у нас есть два пути. Первый вариант — обогатить урановую руду, состоящую из урана 235 и урана 238, с помощью специальных центрифуг, где в процессе вращения более тяжелый уран 238 сместится к краю. Это даст возможность убрать какое-то его количество из породы, тем самым повысив концентрацию урана 235. Сырье для ядерного топлива готово✔️ При последующем попадании в него нейтроном, содержащиеся в нём изотопы урана 235 будут превращаться в уран 236, который и даст необходимую энергию при распаде.
Ещё один способ получить ядерное топливо — это превратить исходный уран 238 в изотоп урана 239, который затем при распаде будет давать плутоний 239 — ещё один элемент, соответствующий всем критериям ядерного топлива.
Теперь ты стал ближе к понимаю ядерной энергии, так что можно и поумничать 🧐 В следующий раз расскажу про ещё один тип ядерной реакции — термоядерную. Энергия от неё достигает Земли в виде фотонов и превращается в тепло, которое мы ощущаем☀️Следи за обновлениями в моём канале. Буду рад твоей подписке!