Применение атомной энергии

Применение атомной энергии.

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 энергиисоставляет 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? 
Хочет? 
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».

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. Энергия света, 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.

Исследование аспектов применения атомной энергии для решения

проблем энергоснабжения районов Крайнего Севера

1 Введение

(слайд 1)

По мере развития человечества дальнейший технический прогресс требует все больших затрат энергии. Потому каждый раз поднимаясь на новую ступень развития, человек старается применить свои знания для поиска новых источников и создании новых проектов по использованию уже открытых. В наше время остро встает вопрос об отказе от традиционного способа получения энергии путем сжигания углеводородов. Все чаще звучат предостережения экологов о загрязнении атмосферы пылью, двуокисью серы, углерода, окислами азота и многими прочими ядовитыми соединениями, образующимися при переработке нефти и угля. Кроме того, прогнозы геологов также не утешительны. По их подсчетам, в среднем, нефти в обнаруженных месторождениях, при сохранении темпов потребления, хватит примерно еще на пятьдесят лет.

Вместе с этим электричество настолько вошло в жизнь человека, что полноценное развитие хозяйства и промышленности, эффективное освоение новых территорий невозможно без доступа к электроэнергии.

1.1. Сложности  на пути развития. Возможные и  наиболее перспективные способы  преодоления возникающих проблем.

В нашей стране особо проблемными регионами являются северные территории. Таковыми считаются (или к ним приравниваются) районы лежащие на землях, подверженных вечной мерзлоте. Если учитывать, что южная граница её распространения начинается от Кольского полуострова, спускается до Байкала и заканчивается в Комсомольске-на-Амуре, то становится ясно что речь идет едва ли не о половине территории страны. В богатой гидроресурсами Сибири и горных районах энергетические проблемы успешно решаются эксплуатацией гидроэлектростанций, однако, в районах прилегающих к побережью Северного Ледовитого океана подобный вариант теряет свои преимущества (из-за замерзания зимой рек), а местами неосуществим из-за слишком малого перепада высот (необходимого для деятельности гидростанции).

Практически все эти регионы находятся в зоне децентрализированного энергоснабжения т.к. энергетическая система страны охватывает лишь 15% территории страны. И в то же время эти регионы обладают третьей частью мировых запасов никеля, десятой частью меди и кобальта. Здесь находится большинство российских месторождений алмазов, золота, почти половина деловой древесины, около 80% запасов нефти, практически весь природный газ с учетом месторождений на шельфе морей, прилегающих к побережью. Для эффективного использования этих ресурсов необходима энергетическая база, которой во многих важных регионах практически нет. Строительство электростанций на органическом топливе в условиях полярного климата и вечной мерзлоты становится экономически неоправданным, слишком долог срок их окупаемости, кроме того месторождения нефти и газа могут находится на значительном удалении от мест, где требуется электроэнергия. Таким образом, во многие прибрежные районы топливо завозится морем.

(слайд 2 )

1.2. Сложности  на пути развития электроэнергетики  Крайнего Севера

Очевидно, что зависимость района от периодических поставок не может позволить регионам развиваться в полную силу. В рамках этого проекта далее рассматривается несколько способов получения энергии непосредственно в нуждающихся областях (или как минимум в наиболее приближенных к ним подходящих местах), что позволит открыть новые перспективы развития объектов расположенных на Крайнем Севере.

В настоящий момент вопрос товаро- и энергоснабжения решается с помощью подвоза по Северному Морскому Пути топлива и продовольствия. Для этих целей используется надводный атомный ледокольный флот, требующий, однако, на данный момент определенной модернизации. С учетом предполагаемого ввода в 2005 году атомного ледокола «50 лет Победы» он будет состоять из пяти судов, три из которых уже к 2006 году исчерпают назначенный ресурс. В дополнение к этим перевозкам рассматриваются подводные перевозки грузов, которые, тем не менее, в настоящий момент находятся лишь на начальных стадиях разработки.

Известно, что в сложных климатических условиях с круглогодично холодным климатом живет более 10 млн. человек. И можно приблизительно оценить потребную мощность энергообеспечения. По мнению академика Моисеева для создания на Севере среднеевропейского уровня жизни и технологии требуется 18 т. условного топлива в год на человека; а среднероссийского – около 6. Понятно, что столько топлива на Север завезти невозможно. Потому еще в марте 1995 года ряд министерств, государственных организаций совместно с научным советом «нетрадиционная энергетика» попытались разработать предложения в Федеральную программу развития энергообеспечения северных территорий на пять лет за счет возобновляемых и местных видов топлива. По результатам расчетов, выполненных при подготовке этой программы, определенно, что завоз топлива приводит к повышению стоимости вырабатываемой электроэнергии в среднем до 15-30 центов за кВт-ч.

По этой статистике наибольшую мощность дают солнечные коллекторы, которые тем не менее не подходят для постоянного использования, как основного источника. В условиях, когда половину году составляет полярная ночь, они будут требовать затрат на обслуживание, не давая при этом никакого вклада в энергетику. Потому мы не будем подробно останавливаться на фотоэлектрических и солнечных станциях. Которые не смотря на прочие достоинства не всегда актуальны в рассматриваемых условиях, а потому не смогут обеспечить районы бесперебойным электроснабжением.

Наиболее серьезно из станций использующих «нетрадиционные» источники в конструкторских бюро рассматриваются приливные станции (высота приливов в некоторых местах побережья Северного Ледовитого океана достигает нескольких метров) и геотермальные для западных районов (преимущественно Камчатки).

Но согласно всем этим, довольно оптимистичным подсчетам, с учетом солнечных коллекторов и фотоэлектрических станций, возобновляемые источники энергии могут составить в энергообеспечении Севера лишь небольшую долю.

(слайд 4)

Выше было показано, что подвоз к удаленным ТЭС топлива весьма дорог и сложен. Может возникнуть вопрос, возможна ли организация местных тепловых станций на местном же топливе: известно что северный шельф богат горючими углеводородами. На самом деле да, возможна. Такие проекты существуют, однако далеки от завершения. В настоящий момент сложно говорить о преимуществах таких проектов, или недостатках. В рамках этого обзора стоит сказать о главных проблемах, стоящих перед разработчиками. В первую очередь это обеспечение постоянного подводного автоматического обслуживания станции вне зависимости от сезонной смены толщины льда. Не второстепенным по важности и сложности является процесс перекачивания сырья и обеспечение надежности этой системы. В истории человечества уже было достаточно примеров не позволяющих недооценить опасность утечек нефти.

В приведенной таблице видно, что станции с альтернативным источником энергии способны обеспечивать лишь необходимый минимум для поддержания жизни и производства. В таких условиях логично прибегнуть к использованию атомной энергетики. Уже известно, что она может удовлетворить самых разнообразных потребителей при этом поможет существенно снизить объемы северного завоза топлива, обеспечивая потребности населения в тепле и электроэнергии.

Атомные энергетические установки являются наиболее перспективными для удаленных регионов со значительными промышленными и бытовыми потребителями энергии. Это безопасные, надежные и экологически чистые источники энергии, одним из важных преимуществ которых перед традиционными станет замещение труднодоступного органического топлива в топливном балансе региона. Их размещение в удаленных районах приведет к исключению сложной схемы доставки органического топлива и затрат на его приобретение и транспортировку, что станет одним из важных способов решения социально-экономических проблем. Разработчики проектов утверждают, что предлагаемые решения экологически чисты и не несут в себе фатальной опасности.

2. Возможные  проекты станций. Аспекты их деятельности.

В настоящее время наиболее реалистичны следующие проекты АЭС:

2.1. АЭС с реактором  естественной безопасности БРЕСТ.

(слайд 5)

Данная разработка предлагает создание АЭС с пристанционным топливным циклом и комплексом по переработке радиоактивных отходов. Создание реактора основывается на философии естественной безопасности. Т.е. безопасность обеспечивается не увеличением инженерных барьеров и систем, а использованием фундаментальных физических и химических свойств и закономерностей, присущих топливу, теплоносителю и другим компонентам реактора. Использование свинца в качестве теплоносителя исключает аварии, связанные с кипением, проявлением пустотного эффекта реактивности (связанного с возможной неоднородностью жидких теплоносителей, не исключающих пузырей с паром), потерей охлаждения активной зоны, пожарами и взрывами. Такая АЭС обеспечивает:

- «сжигание» радиоактивных отходов  и их захоронение без нарушения  природного радиационного баланса;

- создание на плутонии, накапливаемом  в топливе АЭС первого этапа  энергетики большого масштаба, не  имеющей ограничений по ресурсам  дешевого топлива;

- исключение из ядерной энергетики  из ядерной энергетики технологий  обогащения урана и извлечения  плутония, наиболее опасных для  распространения ядерного оружия.

АЭС типа БРЕСТ спроектированы на мощность 300 МВт и 1200 МВт. Они предусматривают значительный объем капитального строительства и их создание в необжитых районах не всегда целесообразно и достаточно проблематично,

2.2. Блочно-транспортабельная атомная станция «Унитерм».

(слайд 6)

Данная установка обеспечивает производство электрической и тепловой энергии (до 6 МВт и 17 Гкал/час соответственно) при очень невысокой ее себестоимости. Транспортабельная станция предельно проста в эксплуатации, не требует обслуживания при работе и способна работать без перегрузки топлива до 20 лет.