Ядерная энергетика плюсы. Преимущества и недостатки атомной энергетики. Минусы атомной энергетики

Повсеместное применение ядерной энергии началось благодаря научно-техническому прогрессу не только в военной области, но и в мирных целях. Сегодня нельзя обойтись без нее в промышленности, энергетике и медицине.

Вместе с тем, использование ядерной энергии имеет не только преимущества, но и недостатки. Прежде всего, это опасность радиации, как для человека, так и для окружающей среды.

Применение ядерной энергии развивается в двух направлениях: использование в энергетике и использование радиоактивных изотопов.

Изначально атомную энергию предполагалось использовать только в военных целях, и все разработки шли в этом направлении.

Использование ядерной энергии в военной сфере

Большое количество высокоактивных материалов используют для производства ядерного оружия. По оценкам экспертов, ядерные боеголовки содержат несколько тонн плутония.

Ядерное оружие относят к потому что оно производит разрушения на огромных территориях.

По радиусу действия и мощности заряда ядерное оружие делится на:

• Тактическое.
• Оперативно-тактическое.
• Стратегическое.

Ядерные боеприпасы делят на атомные и водородные. В основу ядерного оружия положены неуправляемые цепные реакции деления тяжелых ядер и реакции Для цепной реакции используют уран либо плутоний.

Хранение такого большого количества опасных материалов - это большая угроза для человечества. А применение ядерной энергии в военных целях может привести к тяжелым последствиям.

Впервые ядерное оружие было применено в 1945 году для атаки на японские города Хиросима и Нагасаки. Последствия этой атаки были катастрофичными. Как известно, это было первое и последнее применение ядерной энергии в войне.

Международное агентство по атомной энергии (МАГАТЭ)

МАГАТЭ создано в 1957 году с целью развития сотрудничества между странами в области использования атомной энергии в мирных целях. С самого начала агентство осуществляет программу «Ядерная безопасность и защита окружающей среды».

Но самая главная функция - это контроль за деятельностью стран в ядерной сфере. Организация контролирует, чтобы разработки и использование ядерной энергии происходили только в мирных целях.

Цель этой программы - обеспечивать безопасное использование ядерной энергии, защита человека и экологии от воздействия радиации. Также агентство занималось изучением последствий аварии на Чернобыльской АЭС.

Также агентство поддерживает изучение, развитие и применение ядерной энергии в мирных целях и выступает посредником при обмене услугами и материалами между членами агентства.

Вместе с ООН МАГАТЭ определяет и устанавливает нормы в области безопасности и охраны здоровья.

Атомная энергетика

Во второй половине сороковых годов двадцатого столетия советские ученые начали разрабатывать первые проекты мирного использования атома. Главным направлением этих разработок стала электроэнергетика.

И в 1954 году в СССР построили станцию. После этого программы быстрого роста атомной энергетики начали разрабатывать в США, Великобритании, ФРГ и Франции. Но большинство из них не были выполнены. Как оказалось, АЭС не смогла конкурировать со станциями, которые работают на угле, газе и мазуте.

Но после начала мирового энергетического кризиса и подорожания нефти спрос на атомную энергетику вырос. В 70-х годах прошлого столетия эксперты считали, что мощность всех АЭС сможет заменить половину электростанций.

В середине 80-х рост атомной энергетики снова замедлился, сраны начали пересматривать планы на сооружение новых АЭС. Этому способствовали как политика энергосбережения и снижение цены на нефть, так и катастрофа на Чернобыльской станции, которая имела негативные последствия не только для Украины.

После некоторые страны вообще прекратили сооружение и эксплуатацию атомных электростанций.

Атомная энергия для полетов в космос

В космос слетало более трех десятков ядерных реакторов, они использовались для получения энергии.

Впервые ядерный реактор в космосе применили американцы в 1965 году. В качестве топлива использовался уран-235. Проработал он 43 дня.

В Советском Союзе реактор «Ромашка» был запущен в Институте атомной энергии. Его предполагалось использовать на космических аппаратах вместе с Но после всех испытаний он так и не был запущен в космос.

Следующая ядерная установка «Бук» была применена на спутнике радиолокационной разведки. Первый аппарат был запущен в 1970 году с космодрома Байконур.

Сегодня «Роскосмос» и «Росатом» предлагают сконструировать космический корабль, который будет оснащен ядерным ракетным двигателем и сможет добраться до Луны и Марса. Но пока что это все на стадии предложения.

Применение ядерной энергии в промышленности

Атомная энергия применяется для повышения чувствительности химического анализа и производства аммиака, водорода и других химических реагентов, которые используются для производства удобрений.

Ядерная энергия, применение которой в химической промышленности позволяет получать новые химические элементы, помогает воссоздавать процессы, которые происходят в земной коре.

Для опреснения соленых вод также применяется ядерная энергия. Применение в черной металлургии позволяет восстанавливать железо из железной руды. В цветной - применяется для производства алюминия.

Использование ядерной энергии в сельском хозяйстве

Применение ядерной энергии в сельском хозяйстве решает задачи селекции и помогает в борьбе с вредителями.

Ядерную энергию применяют для появления мутаций в семенах. Делается это для получения новых сортов, которые приносят больше урожая и устойчивы к болезням сельскохозяйственных культур. Так, больше половины пшеницы, выращиваемой в Италии для изготовления макарон, было выведено с помощью мутаций.

Также с помощью радиоизотопов определяют лучшие способы внесения удобрений. Например, с их помощью определили, что при выращивании риса можно уменьшить внесение азотных удобрений. Это не только сэкономило деньги, но и сохранило экологию.

Немного странное использование ядерной энергии - это облучение личинок насекомых. Делается это для того, чтобы выводить их безвредно для окружающей среды. В таком случае насекомые, появившееся из облученных личинок, не имеют потомства, но в остальных отношениях вполне нормальны.

Ядерная медицина

Медицина использует радиоактивные изотопы для постановки точного диагноза. Медицинские изотопы имеют малый период полураспада и не представляет особой опасности как для окружающих, так и для пациента.

Еще одно применение ядерной энергии в медицине было открыто совсем недавно. Это позитронно-эмиссионная томография. С ее помощью можно обнаружить рак на ранних стадиях.

Применение ядерной энергии на транспорте

В начале 50-х годов прошлого века были предприняты попытки создать танк на ядерной тяге. Разработки начались в США, но проект так и не был воплощен в жизнь. В основном из-за того, что в этих танках так и не смогли решить проблему экранирования экипажа.

Известная компания Ford трудилась над автомобилем, который бы работал на ядерной энергии. Но дальше макета производство такой машины не зашло.

Все дело в том, что ядерная установка занимала очень много места, и автомобиль получался очень габаритным. Компактные реакторы так и не появились, поэтому амбициозный проект свернули.

Наверное, самый известный транспорт, который работает на ядерной энергии - это различные суда как военного, так и гражданского назначения:

• Транспортные суда.
• Авианосцы.
• Подводные лодки.
• Крейсеры.
• Атомные подводные лодки.

Плюсы и минусы использования ядерной энергии

Сегодня доля в мировом производстве энергии составляет примерно 17 процентов. Хотя человечество использует но его запасы не бесконечны.

Поэтому, как альтернативный вариант, используется Но процесс его получения и использования связан с большим риском для жизни и окружающей среды.

Конечно, постоянно совершенствуются ядерные реакторы, предпринимаются все возможные меры безопасности, но иногда этого недостаточно. Примером могут служить аварии на Чернобыльской и Фукусиме.

С одной стороны, исправно работающий реактор не выбрасывает в окружающую среду никакой радиации, тогда как из тепловых электростанций в атмосферу попадает большое количество вредных веществ.

Самую большую опасность представляет отработанное топливо, его переработка и хранение. Потому что на сегодняшний день не изобретен полностью безопасный способ утилизации ядерных отходов.

Ядерная энергетика - один из наиболее перспективных путей утоления энергетического голода человечества в условиях энергетических проблем, связанных с использованием ископаемого горючего топлива.

Плюсы АЭС 1. Потребляет мало топлива 2. Более экологически чистая, чем ТЭС и ГЭС (которые работают на мазуте, торфе и другом топливе.): т. к. АЭС работает на уране и частично на газе. 3. Можно строить в любом месте. 4. Не зависит от дополнительного источника энергии:

Расходы на перевозку ядерного топлива, в отличие от традиционного, ничтожны. В России это особенно важно в европейской части, так как доставка угля из Сибири слишком дорога. Вагон для перевозки ядерного топлива

Огромным преимуществом АЭС является её относительная экологическая чистота. На ТЭС суммарные годовые выбросы вредных веществ на 1000 МВт установленной мощности составляют примерно от 13 000 до 165 000 тонн в год.

ТЭС мощностью 1000 МВт потребляет 8 миллионов тонн кислорода в год для окисления топлива, АЭС же не потребляют кислорода вообще.

Наиболее мощные АЭС в мире «Фукусима» «Брус» «Гравелин» «Запорожская» «Пикеринг» «Пало Верде» «Ленинградская» «Трикастен»

Минусы АЭС 1. Тепловое загрязнение окружающей среды; КПД на современных АЭС составляет примерно 30 -35%, а на ТЭЦ 35 -40%. Это означает, что большая часть тепловой энергии (60 -70 %) выбрасывается в окружающую среду. 2. Утечка радиоактивности (радиоактивные выбросы и сбросы) 3. Транспортировка радиоактивных отходов; 4. Аварии ядерных реакторов;

Кроме того, больший удельный (на единицу произведенной электроэнергии) выброс радиоактивных веществ даёт угольная станция. В угле всегда содержатся природные радиоактивные вещества, при сжигании угля они практически полностью попадают во внешнюю среду. При этом удельная активность выбросов ТЭС в несколько раз выше, чем для АЭС

Объем радиоактивных отходов очень мал, они весьма компактны, и их можно хранить в условиях, гарантирующих отсутствие утечки наружу.

Затраты на строительство АЭС находятся примерно на таком же уровне, как и строительство ТЭС, или несколько выше. Билибинская АЭС - единственная в зоне вечной мерзлоты атомная электростанция.

АЭС экономичнее обычных тепловых станций, а, самое главное, при правильной их эксплуатации – это чистые источники энергии.

Мирный атом должен жить! Атомная энергетика, испытав тяжёлые уроки Чернобыля и других аварий, продолжает развиваться, максимально обеспечивая безопасность и надёжность! Атомные станции вырабатывают электроэнергию самым экологически чистым способом. Если люди будут ответственно и грамотноситься к эксплуатации АЭС, то будущееза ядерной энергетикой. Люди не должны бояться мирного атома, ведь аварии происходят по вине человека.

Ядерная энергетика – единственный способ удовлетворить растущую потребность человечества в электричестве.

Никакие другие источники энергии не в состоянии произвести достаточное количество электричества. Его мировое потребление с 1990 по 2008 год выросло на 39 % и ежегодно увеличивается. Солнечная энергия не может удовлетворить индустриальные потребности в электричестве. Запасы нефти и угля истощаются. На 2016 год в мире функционировал 451 ядерный энергоблок. Суммарно энергоблоки выработали 10,7 % мирового объема генерации электричества. 20 % всей электроэнергии, вырабатываемой в России, производят атомные станции.

Энергия, выделяемая во время ядерной реакции, значительно превышает количество тепла, которое освобождается при горении.

1 кг урана, обогащенный до 4 %, выделяет количество энергии, эквивалентное сжиганию 60 тонн нефти или 100 тонн угля.

Безопасная работа атомных станций в сравнении с тепловыми.

С момента строительства первых атомных объектов произошло около трех десятков аварий, в четырех случаях произошел выброс вредных веществ в атмосферу. Число происшествий, связанных со взрывом метана на угольных шахтах, исчисляется десятками. Из-за устаревшего оборудования число аварий на ТЭС увеличивается с каждым годом. Последняя крупная авария в России произошла в 2016 году на Сахалине. Тогда без света остались 20 тысяч россиян. Взрыв в 2013 году на Углегорской ТЭС (Донецкая область, Украина) спровоцировал пожар, который не могли потушить в течение 15 часов. В атмосферу было выброшено большое количество токсичных веществ.

Независимость от ископаемых источников энергии.

Запасы природного топлива истощаются. Остатки угля и нефти оцениваются в 0,4 ИДж (1 ИДж = 10 24 Дж). Запасы урана превышают 2,5 ИДж. К тому же, уран может использоваться повторно. Ядерное топливо легко перевозить, расходы на транспортировку минимальны.

Сравнительная экологичность атомных электростанций.

В 2013 году мировые выбросы от использования ископаемого топлива для получения электричества составили 32 гигатонны. Сюда входят углеводороды и альдегиды, сернистый газ, оксиды азота. АЭС не потребляет кислород, ТЭС же использует кислород для окисления топлива и производит сотни тысяч тонн золы в год. Выбросы на АЭС происходят в редких случаях. Побочным эффектом их деятельности является эмиссия радионуклидов, которые распадаются в течение нескольких часов.

"Парниковый эффект" стимулирует страны ограничивать объемы сжигания угля и нефти. Атомные электростанции Европы ежегодно снижают эмиссию СО2 на 700 миллионов тонн.

Положительное влияние на экономику.

Строительство АЭС создает рабочие места на станции и в сопутствующих отраслях. Ленинградская АЭС, к примеру, обеспечивает локальные промышленные предприятия отоплением и горячей технической водой. Станция является источником медицинского кислорода для медучреждений и жидкого азота для предприятий. Гидротехнический цех поставляет потребителям питьевую воду. Объем производства энергии АЭС напрямую связан с ростом благосостояния района.

Незначительное количество действительно опасных отходов.

Отработанное ядерное топливо - источник энергии. Радиоактивные отходы составляют 5 % отработанного топлива. Из 50 кг отходов всего 2 кг нуждаются в длительном хранении и требуют серьезной изоляции.

Радиоактивные вещества смешивают с жидким стеклом и заливают в контейнеры с толстыми стенами из легированной стали. Железные контейнеры готовы обеспечить надежное хранение опасных веществ на протяжении 200-300 лет.

Строительство плавучих атомных электростанций (ПАТЭС) позволит обеспечить дешевой электроэнергией труднодоступные территории, в том числе и в сеймоопасных районах.

АЭС жизненно необходимы в труднодоступных районах Дальнего Востока и Крайнего Севера, но строительство стационарных станций экономически не оправдано в малонаселенных территориях. Выходом станет использование малых плавучих атомных тепловых станций. Первую в мире ПАТЭС "Академик Ломоносов" запустят осенью 2019 года на побережье Чукотского полуострова в Певеке. Строительство плавучего энергоблока (ПЭБ) ведется на Балтийском заводе Санкт-Петербурга. Всего планируется к 2020 году запустить в эксплуатацию 7 ПАТЭС. В числе плюсов использования плавучих АЭС:

• обеспечение дешевой электроэнергией и теплом;
• получение 40-240 тысяч кубометров пресной воды в сутки;
• отсутствие необходимости в срочной эвакуации населения при авариях на ПЭБ;
• повышенная удароустойчивость энергоблоков;
• потенциальный скачок в развитии экономики районов с ПАТЭС.

Предложить свой факт

Минусы ядерной энергии

Большие затраты на строительство АЭС.

Строительство современной атомной станции оценивается в 9 млрд долларов. По версии некоторых экспертов, расходы могут достигать 20-25 млрд евро. Стоимость одного реактора, в зависимости от его мощности и поставщика, колеблется в пределах 2-5 млрд долларов. Это в 4,4 раза выше стоимости ветряной энергетики и в 5 раз дороже солнечной. Срок окупаемости станции достаточно велик.

Запасы урана-235, который используют практически все АЭС, ограничены.

Запасов урана-235 хватит на 50 лет. Переход на использование комбинации из урана-238 и тория позволит вырабатывать энергию для человечества еще тысячу лет. Проблема в том, что для перехода на уран-238 и торий необходим уран-235. Использование всех запасов урана-235 сделает сделает переход невозможным.

Затраты на производство ядерной энергии превышают эксплуатационные расходы ветряных станций.

Исследователи компании «Energy Fair» представили отчет, который демонстрирует экономическую нецелесообразность использования ядерной энергии. 1 МВт/час, произведенный АЭС, обходится на 60 фунтов (96$) дороже аналогичного объема энергии, произведенного ветряными мельницами. Эксплуатация станций по расщеплению атома обходится в 202 фунта (323$) на 1 мвт/час, объекта ветроэнергетики - в 140 фунтов (224$).

Тяжелые последствия аварий на АЭС.

Риск аварий на объектах существует на протяжении всего срока эксплуатации атомных реакторов. Яркий пример - авария на ЧАЭС, на ликвидацию которой было направлено 600 тыс. человек. В течение 20 лет после аварии умерли 5 тысяч ликвидаторов. Реки, озера, лесные угодья, малые и крупные населенные пункты (5 млн га земель) стали непригодными для жизни. 200 тысяч км2 подверглись загрязнению. Авария стала причиной тысяч смертей, увеличения числа больных раком щитовидной железы. В Европе впоследствии зафиксировали 10 тысяч случаев рождения детей с уродствами.

Необходимость захоронения радиоактивных отходов.

Каждый этап расщепления атома связан с образованием опасных отходов. Сооружаются могильники для изоляции радиоактивных веществ до их полного распада, занимающие большие площади на поверхности Земли, расположенные в отдаленных местах мирового океана. 55 млн тонн радиоактивных отходов, захороненных на площади 180 гектаров в Таджикистане, рискуют проникнуть в окружающую среду. По данным на 2009 год, только 47 % радиоактивных отходов российских предприятий находятся в безопасном состоянии.

Потребление энергии в мире растет намного быстрее, чем ее производство, а промышленное использование новых перспективных технологий в энергетике по объективным причинам начнется не ранее 2030 года. Все острее встает проблема нехватки ископаемых энергоресурсов. Возможности строительства новых гидроэлектростанций тоже весьма ограниченны. Не стоит забывать и о борьбе с парниковым эффектом, накладывающей ограничения на сжигание нефти, газа и угля на тепловых электростанциях.

Решением проблемы может стать активное развитие ядерной энергетики. На данный момент в мире обозначилась тенденция, получившая название «ядерный ренессанс». На эту тенденцию не смогла повлиять даже авария на атомной станции «Фукусима». Даже самые сдержанные прогнозы МАГАТЭ говорят, что к 2030 году на планете может быть построено до 600 новых энергоблоков (сейчас их насчитывается более 436). На увеличении доли ядерной энергетики в мировом энергобалансе могут сказаться такие факторы, как надежность, приемлемый уровень затрат по сравнению с другими отраслями энергетики, сравнительно небольшой объем отходов, доступность ресурсов. Учитывая всё выше сказанное сформулируем основные преимущества и недостатки ядерной энергетики:

Преимущества атомной энергетики

• 1. Огромная энергоемкость используемого топлива. 1 килограмм урана, обогащенный до 4 %, при полном выгорании выделяет энергию, эквивалентную сжиганию примерно 100 тонн высококачественного каменного угля или 60 тонн нефти.
• 2. Возможность повторного использования топлива (после регенерации). Расщепляющийся материал (уран-235) может быть использован снова (в отличие от золы и шлаков органического топлива). С развитием технологии реакторов на быстрых нейтронах в перспективе возможен переход на замкнутый топливный цикл, что означает полное отсутствие отходов.
• 3. Ядерная энергетика не способствует созданию парникового эффекта. Ежегодно атомные станции в Европе позволяют избежать эмиссии 700 миллионов тонн СО 2 . Действующие АЭС,например, в России ежегодно предотвращают выброс в атмосферу 210 млн тонн углекислого газа. Таким образом, интенсивное развитие ядерной энергетики можно косвенно считать одним из методов борьбы с глобальным потеплением.
• 4. Уран -- относительно недорогое топливо. Месторождения урана распространены достаточно широко в мире.
• 5. Техническое обслуживание ядерных электростанций -- процесс очень важный, но его не нужно проводить так же часто, как дозаправку и техобслуживание традиционных электростанций.
• 6. Ядерные реакторы и связанные с ними периферийные устройства могут работать в отсутствие кислорода. Это значит, что они могут быть целиком изолированы и при необходимости помещены под землю или под воду без вентиляционных систем.
• 7. Ядерные электростанции, построенные и эксплуатируемые с соблюдением всех мер предосторожности, могут помочь мировой экономике избавиться от чрезмерной зависимости от ископаемого топлива для производства электричества.

Недостатки атомной энергетики

• 1. Добыча и обогащение урана могут подвергнуть занятый на этих работах персонал воздействию радиоактивной пыли, а также привести к выбросу этой пыли в воздух или в воду.
• 2. Отходы ядерных реакторов остаются радиоактивными долгие годы. Существующие и перспективные методы их утилизации сопряжены с техническими, экологическими и политическими проблемами.
• 3. Несмотря на то что риск диверсии на ядерных электростанциях невелик, потенциальные ее последствия -- выброс радиоактивных материалов в окружающую среду -- очень серьезны. Пренебрегать такими рисками нельзя.
• 4. Перевозка расщепляющихся материалов на электростанции для использования в качестве топлива и перевозка радиоактивных отходов к местам их утилизации (захоронения) никогда не могут быть абсолютно безопасным делом. Последствия нарушения системы безопасности могут быть катастрофическими.
• 5. Попадание расщепляющихся ядерных материалов не в те руки может спровоцировать ядерный терроризм или шантаж.
• 6. Из-за перечисленных выше факторов риска широкому применению ядерных электростанций сопротивляются различные общественные организации. Это способствует росту настороженного отношения в обществе к ядерной энергетике в целом, особенно в США.

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 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.

Плюсы и минусы, польза и вред от использования ядерной энергии

Рассмотрим плюсы и минусы применения атомной-ядерной энергии, их пользу, вред и значение в жизни Человечества. Очевидно, что атомная энергия сегодня нужна лишь промышленно развитым странам. То есть, основное применение мирная ядерная энергия находит в основном, на таких объектах, как заводы, перерабатывающие предприятия, и т.п. Именно энергоемкие производства, удаленные от источников дешевой электроэнергии (вроде гидроэлектростанций) задействуют ядерные станции для обеспечения и развития своих внутренних процессов.

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.

Современный человек хочет ездить на новой машине? Хочет одеваться в модную синтетику, кушать синтетику и упаковывать все в синтетику? Хочет ярких товаров разных форм и размеров? Хочет все новых телефонов, телевизоров, компьютеров? Хочет много покупать, часто менять оборудование вокруг себя? Хочет вкусно питаться химической едой из цветных упаковок? Хочет жить спокойно? Хочет слышать сладкие речи с телеэкрана? Хочет, чтобы танков было много, а также ракет и крейсеров, а еще снарядов и пушек?

И он все это получает. Неважно, что в конце расхождение между словом и делом приводит к войне. Неважно, что для его утилизации также нужна энергия. Пока что человек спокоен. Он ест, пьет, ходит на работу, продает и покупает.

А для всего этого нужна энергия. А еще для этого нужно очень много нефти, газа, металла и т.п. И все эти промышленные процессы нуждаются в атомной энергии. Поэтому кто бы что ни говорил, до тех пор, пока не будет запущен в серию первый промышленный реактор термоядерного синтеза, атомная энергетика будет только развиваться.

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.

Всем придется меньше есть, меньше жить и меньше радоваться окружающей природе. Здесь кроется еще один плюс-минус атомной энергии, который заключается в том, что страны, овладевшие атомом, смогут эффективнее перераспределять под себя скудеющие ресурсы тех, кто атомом не овладел. Более того, только развитие программы термоядерного синтеза позволит человечеству элементарно выжить. Теперь поясним на пальцах, что же это за «зверь» — атомная (ядерная) энергия и с чем ее едят.

Масса, материя и атомная (ядерная) энергия

Часто приходится слышать утверждение, что «масса и энергия одно и то же», или же такие суждения, будто выражение Е=mс2 объясняет взрыв атомной (ядерной) бомбы. Сейчас, когда вы получили первое представление о ядерной энергии и ее применении, было бы поистине неразумно сбивать вас с толку такими утверждениями, как «масса равна энергии». Во всяком случае, такой способ трактовки великого открытия не из лучших. По-видимому, это всего лишь острословие молодых реформистов, «Галилеев нового времени». На деле же предсказание теории, которое проверено многими экспери-ментами, говорит лишь о том, что энергия имеет массу.

Сейчас мы разъясним современную точку зрения и дадим небольшой обзор истории ее развития.
Когда энергия любого материального тела возрастает, его масса увеличивается, и мы приписываем эту дополнительную массу приросту энергии. Например, при поглощении излучения поглотитель становится горячее и его масса возрастает. Однако возрастание настолько мало, что остается за пределами точности измерений в обычных опытах. Напротив, если вещество испускает излучение, то оно теряет капельку своей массы, которая уносится излучением. Возникает более широкий вопрос: не обусловлена ли вся масса вещества энергией, т. е. не заключен ли во всем веществе громадный запас энергии? Много лет назад радиоактивные превращения на это ответили положительно. При распаде радиоактивного атома выделяется огромное количество энергии (в основном в виде кинетической энергии), а малая часть массы атома исчезает. Об этом ясно говорят измерения. Таким образом, энергия уносит с собой массу, уменьшая тем самым массу вещества.

Следовательно, часть массы вещества взаимозаменяема массой излучения, кинетической энергией и т. п. Вот почему мы говорим: «энергия и вещество способны частично к взаимным превращениям». Более того, мы теперь можем создавать частицы вещества, которые обладают массой и способны полностью превращаться в излучение, также имеющее массу. Энергия этого излучения может перейти в другие формы, передав им свою массу. И наоборот, излучение способно превращаться в частицы вещества. Так что вместо «энергия обладает массой» мы можем сказать «частицы вещества и излучение — взаимопревращаемы, а потому способны к взаимным превращениям с другими формами энергии». В этом и состоит создание и уничтожение вещества. Такие разрушительные события не могут происходить в царстве обычной физики, химии и техники, их следует искать либо в микроскопических, но активных процессах, изучаемых ядерной физикой, либо в высокотемпературном горниле атомных бомб, на Солнце и звездах. Однако было бы неразумно утверждать, что «энергия - это масса». Мы говорим: «энергия, как и вещество, имеет массу».

Масса обычного вещества

Мы говорим, что масса обычного вещества таит в себе огромный запас внутренней энергии, равной произведению массы на (скорость света)2. Но эта энергия заключена в массе и не может быть высвобождена без исчезновения хотя бы части ее. Как возникла столь удивительная идея и почему она не была открыта раньше? Ее предлагали и раньше - эксперимент и теория в разных видах,- но вплоть до двадцатого века изменение энергии не наблюдали, ибо в обычных экспериментах оно соответствует невероятно малому изменению массы. Однако сейчас мы уверены, что летящая пуля благодаря своей кинетической энергии имеет дополнительную массу. Даже при скорости 5000 м/сек пуля, которая в покое весила ровно 1 г, будет иметь полную массу 1,00000000001 г. Раскаленная добела платина массой 1 кг всего прибавит 0,000000000004 кг и практически ни одно взвешивание не сможет зарегистрировать эти изменения. Только когда из атомного ядра высвобождаются огромные запасы энергии или когда атомные «снаряды» разгоняются до скорости, близкой к скорости света, масса энергии становится заметной.

С другой стороны, даже едва уловимая разница масс знаменует возможность выделения огромного количества энергии. Так, атомы водорода и гелия имеют относительные массы 1,008 и 4,004. Если бы четыре ядра водорода смогли объединиться в одно ядро гелия, то масса 4,032 изменилась бы до 4,004. Разница невелика, всего 0,028, или 0,7%. Но она означала бы гигантское выделение энергии (преимущественно в виде излучения). 4,032 кг водорода дали бы 0,028 кг излучения, которое имело бы энергию около 600000000000 Кал.

Сравните это с 140 000 Кал, выделяющимися при соединении того же количества водорода с кислородом в химическом взрыве.
Обычная кинетическая энергия дает заметный вклад в массу очень быстрых протонов, получаемых на циклотронах, и это создает трудности при работе с такими машинами.

Почему мы все же верим, что Е=mс2

Сейчас мы воспринимаем это как прямое следствие теории относительности, но первые подозрения возникли уже ближе к концу 19 века, в связи со свойствами излучения. Тогда казалось вероятным, что излучение обладает массой. А поскольку излучение переносит, как на крыльях, со скоростью с энергию, точнее, само есть энергия, то появился пример массы, принадлежащей чему-то «невещественному». Экспериментальные законы электромагнетизма предсказывали, что электромагнитные волны должны обладать «массой». Но до создания теории относительности только необузданная фантазия могла распространить соотношение m=Е/с2 на другие формы энергии.

Всем сортам электромагнитного излучения (радиоволнам, инфракрасному, видимому и ультрафиолетовому свету и т. д.) свойственны некоторые общие черты: все они распространяются в пустоте с одинаковой скоростью и все переносят энергию и импульс. Мы представляем себе свет и другое излучение в виде волн, распространяющихся с большой, но определенной скоростью с=3*108 м/сек. Когда свет падает на поглощающую поверхность, возникает теплота, показывающая, что поток света несет энергию. Эта энергия должна распространяться вместе с потоком с той же скоростью света. На деле скорость света именно так и измеряется: по времени пролета порцией световой энергии большого расстояния.

Когда свет падает на поверхность некоторых металлов, он выбивает электроны, вылетающие точно так же, как если бы их ударил компактный шарик. , по всей видимости, распространяется концентрированными порциями, которые мы называем «квантами». В этом и заключается квантовый характер излучения, несмотря на то, что эти порции, по-видимому, создаются волнами. Каждая порция света с одной и той же длиной волны обладает единой и той же энергией, определенным «квантом» энергии. Такие порции мчатся со скоростью света (собственно, они-то и есть свет), перенося энергию и количество движения (импульс). Все это позволяет приписать излучению некую массу - каждой порции приписывается определенная масса.

При отражении света от зеркала теплота не выделяется, ибо отраженный луч уносит всю энергию, но на зеркало действует давление, подобное давлению упругих шариков или молекул. Если же вместо зеркала свет попадает на черную поглощающую поверхность, давление становится вдвое меньше. Это свидетельствует о том, что луч несет количество движения, поворачиваемое зеркалом. Следовательно, свет ведет себя так, как если бы у него была масса. Но можно ли откуда-то еще узнать, что нечто обладает массой? Существует ли масса по своему собственному праву, как, например, длина, зеленый цвет или вода? Или это искусственное понятие, определяемое поведением наподобие Скромности? Масса, на самом деле, известна нам в трех проявлениях:

• А. Туманное утверждение, характеризующее количество «вещества», (Масса с этой точки зрения присуща веществу - сущности, которую мы можем увидеть, потрогать, толкнуть).
• Б. Определенные утверждения, увязывающие ее с иными физическими величинами.
• В. Масса сохраняется.

Остается определить массу через количество движения и энергию. Тогда любая движущаяся вещь с количеством движения и энергией должна иметь «массу». Ее массой должно быть (количество движения)/(скорость).

Теория относительности

Стремление увязать воедино серию экспериментальных парадоксов, касающихся абсолютного пространства и времени, породило теорию относительности. Два сорта экспериментов со светом давали противоречивые результаты, а опыты с электричеством еще больше обострили этот конфликт. Тогда Эйнштейн предложил изменить простые геометрические правила сложения векторов. Это изменение и составляет сущность его «специальной теории относительности».

Для малых скоростей (от медлительной улитки до быстрейшей из ракет) новая теория согласуется со старой.
При высоких скоростях, сравнимых со скоростью света, наше измерение длин или времени модифицируется движением тела относительно наблюдателя, в частности масса тела становится тем больше, чем быстрее оно движется.

Затем теория относительности провозгласила, что это увеличение массы носит совершенно общий характер. При обычных скоростях никаких изменений нет, и только при скорости 100 000 000 км/час масса возрастает на 1%. Однако для электронов и протонов, вылетающих из радиоактивных атомов или современных ускорителей, оно достигает 10, 100, 1000%…. Опыты с такими высокоэнергетическими частицами великолепно подтверждают соотношение между массой и скоростью.

На другом краю находится излучение, не имеющее массы покоя. Это не вещество и его нельзя удержать в покое; оно просто имеет массу, и движется со скоростью с, так что его энергия равна mс2. О квантах, мы говорим как о фотонах, когда хотим отметить поведение света как потока частиц. Каждый фотон имеет определенную массу m, определенную энергию Е=mс2 и количество движения (импульс).

Ядерные превращения

В некоторых экспериментах с ядрами массы атомов после бурных взрывов, складываясь, не дают ту же самую полную массу. Освобожденная энергия уносит с собой и какую-то часть массы; кажется, что недостающая часть атомного материала исчезла. Однако если мы припишем измеренной энергии массу Е/с2, то обнаружим, что масса сохраняется.

Аннигиляция вещества

Мы привыкли думать о массе как о неизбежном свойстве материи, поэтом переход массы из вещества в излучение - от лампы к улетающему лучу света выглядит почти как уничтожение вещества. Еще один шаг - и мы с удивлением обнаружим то, что происходит на самом деле: положительный и отрицательный электроны, частички вещества, соединившись вместе, полностью превращаются в излучение. Масса их вещества превращается в равную ей массу излучения. Это случай исчезновения вещества в самом буквальном смысле. Как в фокусе, во вспышке света.

Измерения показывают, что (энергия, излучения при аннигиляции)/ с2 равна полной массе обоих электронов - положительного и отрицательного. Антипротон, соединяясь с протоном, аннигилирует, обычно с выбросом более легких частиц с большой кинетической энергией.

Создание вещества

Сейчас, когда мы научились распоряжаться высокоэнергетическим излучением (сверхкоротковолновыми рентгеновскими лучами), мы можем приготовить из излучения частицы вещества. Если такими лучами бомбардировать мишень, они дают иногда пару частиц, например положительный и отрицательный электроны. И если снова воспользоваться формулой m=Е/с2 как для излучения, так и для кинетической энергии, то масса будет сохраняться.

Просто о сложном – Ядерная (Атомная) энергия

• Галерея изображений, картинки, фотографии.
• Ядерная энергия, энергия атома – основы, возможности, перспективы, развитие.
• Интересные факты, полезная информация.
• Зеленые новости – Ядерная энергия, энергия атома.
• Ссылки на материалы и источники – Ядерная (Атомная) энергия.