Мир, в котором мы живем, постоянно нуждается в энергии. За последние 30 лет потребление электроэнергии на планете выросло почти вдвое. Человечество придумало множество способов получения энергии – уголь, газ, энергия солнца, воды, даже волн. Однако есть один источник энергии, который вызывает бурные споры – это ядерная энергия. В данной статье мы разберем, что представляют собой ядерные реакции, почему радиоактивных элементов так много, как устроен атом и как именно работают атомные электростанции.
Что такое ядерная реакция
Чтобы понять суть ядерной реакции, нужно обратиться к таблице Менделеева. В ней перечислены химические элементы, упорядоченные по возрастанию массы атомного ядра. Чем дальше элемент в таблице, тем больше у него протонов и нейтронов в ядре.
Ядерная реакция – это взаимодействие ядра атома с другими ядрами или отдельными частицами, такими как протоны и нейтроны. Например, если к ядру атома водорода добавить три протона, получится ядро атома гелия. Это и есть термоядерный синтез, который происходит в звездах.
Таким образом, путем присоединения или удаления протонов и нейтронов можно получать атомы разных химических элементов. Однако на практике это крайне сложный и энергозатратный процесс. Именно ядерные реакции в звездах привели к образованию всех химических элементов во Вселенной.
Что такое радиоактивность
Существует понятие изотопов – разновидностей одного и того же химического элемента с разным числом нейтронов в ядре. Есть стабильные и нестабильные изотопы. Нестабильные изотопы называются радиоактивными.
У каждого радиоактивного изотопа есть период полураспада – время, за которое распадается половина атомов. Этот период может сильно варьироваться – от долей секунды до миллиардов лет.
Из 118 известных химических элементов радиоактивными являются все, идущие в таблице Менделеева после свинца. Таким образом, подавляющее большинство ядер атомов в природе – радиоактивные, только 300 из 3000 изотопов стабильны.
Как устроен атом урана
Для получения ядерной энергии обычно используют уран. Его атом очень тяжелый – 92 протона и 146 нейтронов. Такое несбалансированное соотношение делает его потенциально нестабильным и идеальным «топливом» для ядерных реакций.
В природе встречаются два основных изотопа урана:
U-238 (99%) – относительно стабильный изотоп, его сложно расщепить;
U-235 (1%) – при поглощении нейтрона распадается с выделением энергии.
Именно U-235 используется в ядерных реакторах. Для этого урановую руду обогащают – увеличивают в ней долю изотопа U-235 до 2-10%.
Как запустить цепную реакцию
В 1942 году Энрико Ферми построил первый в мире ядерный реактор. Он показал, что при расщеплении U-235 выделяются нейтроны, которые в свою очередь вызывают деление других атомов U-235 – происходит цепная реакция.
Чтобы запустить ее, используют специальные источники нейтронов, которые «стреляют» в атомы U-235. Затем выделяющаяся энергия передается теплоносителю – воде или пару, который вращает турбины и вырабатывает электричество. Графитовые стержни помогают контролировать скорость реакции.
Так устроены практически все действующие атомные станции. Конечно, есть разные типы реакторов, но принцип их работы схож. Ядерная энергетика производит гигантское количество энергии из совсем небольшого количества топлива, однако несет определенные риски. Сегодня мир все больше отказывается от этого источника энергии, хотя поиск более безопасных ядерных технологий продолжается.
Ядерная энергетика — это уникальный источник энергии, который, однако, имеет свои недостатки. Но благодаря стремлению ученых сделать ее более безопасной, в будущем атомная энергия может снова стать одним из основных источников для человечества.
