>>> Перейти на мобильный размер сайта >>>

Учебник для 11 класса

Естествознание

       

§ 31. Атомная энергетика

  1. Назовите природные и полученные искусственным путём радиоактивные элементы, а также имена учёных, занимавшихся исследованием радиоактивности.
  2. Перечислите достоинства и недостатки атомной энергетики.

Получение электрического тока с помощью электрогенератора. Год от года в мире растёт потребление электроэнергии. Это и понятно: развивается промышленное производство, увеличивается выпуск энергоёмкой продукции, даже в быту мы используем всё больше и больше электроприборов, делающих нашу жизнь удобной и комфортной. При этом нас больше волнует стоимость «потраченного» киловатта, нежели проблемы производства электроэнергии и её передачи на колоссальные расстояния от производителя до потребителя. Мы полагаем, что потребляем уже произведённую электроэнергию, значит, по нашим представлениям, выгоднее её продавать, чем экономить. Вместе с тем всё нарастающий спрос на электроэнергию при непрерывном истощении природных ресурсов для её производства постепенно превращается в глобальную проблему человечества.

Для начала давайте вспомним, что же такое электрический ток и каким образом он образуется в металлических проводниках.

Электрический ток — это направленное движение заряженных частиц под действием электрического поля.

В этом параграфе мы будем рассматривать электрический ток в металлах.

Заставить электроны совершать направленное движение в металлическом проводнике можно различными способами: под действием магнитного поля (электрогенераторы), за счёт протекания химической реакции (химические источники тока), преобразованием солнечной энергии в электрическую (солнечные батареи) и т. д.

Напомним, что свободными заряженными частицами в металлах являются электроны.

В 1831 г. английский физик М. Фарадей (1791—1867) открыл явление электромагнитной индукции. Он изготовил из мягкого железа кольцо, обмотал его изолированной медной проволокой, по которой пропускал ток от гальванического элемента. Вокруг обмотки появлялось магнитное поле, которое пронизывало железное кольцо и индуцировало в нём направленное движение электронов, т. е. электрический ток. При этом обязательным было условие: магнитное поле, которое пронизывает кольцо, должно быть не постоянным, а изменяющимся. Только при изменении магнитного поля, пронизывающего поверхность, ограниченную замкнутым контуром, в нём возникает электрический ток.

Электромагнитная индукция — это явление возникновения электрического тока в замкнутом проводнике при изменении магнитного поля, проходящего через него.

Для получения электрического тока можно использовать и постоянный магнит, только для того, чтобы пронизывающее рамку магнитное поле изменялось, она должна в магнитном поле вращаться (рис. 137).

Рис. 137. Схема устройства электрического генератора

На этом рисунке схематично показана конструкция устройства, которое позволяет получать электрический ток, — электрогенератора. Только в реальном генераторе металлическая рамка не одна, а множество, но все они имеют одну ось вращения (подвижная часть генератора называется ротором, а неподвижная часть с постоянным магнитом — статором). Остаётся только решить вопрос, кто же будет вращать ротор электрогенератора за условную ручку, показанную на рисунке 137, чтобы в промышленном масштабе преобразовывать механическую энергию в электрическую.

Виды электростанций. В зависимости от того, какие силы «вдыхают жизнь» в электрогенерирующее устройство — иначе говоря, в зависимости от источника энергии, — различают гидроэнергетику, тепловую энергетику, атомную энергетику, а также альтернативную (нетрадиционную) энергетику (ветровую, геотермальную, водородную и др.).

На гидроэлектростанциях (ГЭС) лопасти турбин вращает поток падающей воды (рис. 138). Для строительства ГЭС необходимо перекрывать русло, обеспечивать значительный перепад высот между уровнем водохранилища и «продолжением» реки, тем самым серьёзно вторгаясь в естественные природные процессы.

Рис. 138. Схема устройства гидроэлектростанции и внешний вид Красноярской ГЭС

На тепловых электростанциях (ТЭС) за счёт сжигания органических природных ископаемых (природный газ, каменный уголь) или продуктов нефтепереработки (мазут) нагревают воду, получают водяной пар или раскалённые газы, которые вращают лопатки турбины, соединённой с электрогенератором (рис. 139). Помимо электрической энергии, ТЭС вырабатывает тепло, которое подаётся в наши дома в виде горячей воды для потребления и отопления. Понятно, что для работы тепловой электростанции требуется огромное количество топлива, а при его сжигании образуются дымовые газы, загрязняющие атмосферу.

Рис. 139. Схема устройства тепловой электростанции

Конечно, каждый из вас знает, что одним из самых современных способов получения электроэнергии является превращение энергии радиоактивного распада (ядерной энергии) в электрическую на атомных электростанциях (АЭС). Проблему атомной энергетики сегодня активно обсуждают все — от домохозяек до руководителей ведущих держав. Объяснение этому очень простое: с одной стороны, альтернативы атомной энергетике для промышленно развитых стран в настоящее время нет, с другой стороны, ужасные катастрофы Чернобыля и Фукусимы — весомые аргументы противников строительства и эксплуатации АЭС.

Радиоактивность, ядерные реакции. Чтобы составить своё собственное, аргументированное и обоснованное мнение по проблеме атомной энергетики, вам необходимо знать основополагающие принципы использования энергии ядерных реакций.

Атомы большинства химических элементов могут существовать сколь угодно долго, т. е. являются стабильными. Однако в природе встречаются элементы, атомы которых самопроизвольно распадаются, при этом образуют «осколки» меньшей атомной массы (это атомы других химических элементов) и выбрасывают β- и (или) α-частицы. Такие элементы (как и вещества, их содержащие) называют радиоактивными.

Превращение атомов одних элементов в другие называют ядерной реакцией, в ходе таких реакций выделяется огромное количество энергии.

Например, к природным радиоактивным элементам относятся технеций (Тс), радий (Ra), уран (U), а также все расположенные в периодической таблице за ураном элементы (их называют трансурановые). Кроме того, искусственным путём с помощью ядерных реакций получены элементы, никогда не встречающиеся в природе, например элемент № 101 менделевий (Md).

Явление радиоактивности было открыто в 1896 г. французским физиком, лауреатом Нобелевской премии А. А. Беккерелем (1852— 1908) при исследовании природного минерала урана — уранинита (или урановой смолки). Двумя годами позже М. Склодовская-Кюри (1867—1934) открыла ещё два радиоактивных элемента — радий (Ra) и полоний (Ро). Для получения 1 г радия Марии Кюри пришлось вручную переработать 8 т руды!

Протеканию ядерной реакции может способствовать внешнее воздействие на атом, например бомбардировка его нейтронами.

В 1939 г. произошло открытие, положившее начало использованию энергии радиоактивного распада. Австрийский физик Л. Мейтнер (1878—1968) и немецкий химик О. Ганн (1879—1968) обнаружили, что при поглощении атомом урана одного нейтрона ядро распадается на два «осколка» — атомы более лёгких элементов (бария (Ва) и криптона (Kr)), при этом снова выбрасывается 2—3 нейтрона и выделяется гигантское количество энергии — в 50 млн раз больше, чем при сжигании такого же количества угля! Упрощённо уравнение протекающей ядерной реакции можно записать так:

Высвобождающиеся нейтроны способны инициировать распад новых атомов урана. При достаточном количестве радиоактивного вещества (его масса называется критической массой) протекает неуправляемая ядерная реакция, приводящая за доли секунды к выбросу гигантского количества энергии, т. е. ядерному взрыву. Помимо огромной разрушительной силы ядерный взрыв приводит к заражению больших территорий радиоактивными продуктами распада, губительными для всего живого. Так выдающееся открытие положило начало созданию самого изуверского оружия XX в. — атомной бомбы.

В те годы мир стоял на пороге Второй мировой войны. К счастью, ни фашистская Германия, ни СССР до 1945 г. не смогли создать ядерное оружие, вероятность применения которого была бы чрезвычайно велика. Но, к несчастью, создать атомную бомбу и испытать её 6 августа 1945 г. на японском городе Хиросима, а 9 августа того же года — на Нагасаки смогли Соединённые Штаты Америки. Монополизм США в создании ядерного оружия длился недолго: 29 августа 1949 г. на полигоне в Семипалатинске Советский Союз провёл первые испытания собственной атомной бомбы. Был достигнут паритет, значительно уменьшивший вероятность повторного применения ядерного оружия.

Но для наработки радиоактивной «начинки» для атомной бомбы необходимо было построить реактор, в котором протекает контролируемая ядерная реакция. Запуск первого ядерного реактора состоялся в декабре 1942 г. под трибунами стадиона университета в Чикаго.

Принцип работы атомной станции. Уже в ходе первых экспериментов на ядерном реакторе выяснилось, что энергию, которая выделяется в ходе ядерной реакции, можно использовать не только в военных, но и в мирных целях, в частности для превращения её в энергию электрическую. Не удивительно, что именно в СССР, познавшем все тяготы войны и выступавшем за запрет применения ядерного оружия, в 1954 г. была запущена первая в мире атомная электростанция в г. Обнинске Калужской области.

Сердцем АЭС (рис. 140) является атомный реактор, в котором протекает контролируемая ядерная реакция, например деление урана. Ещё раз взгляните на приведённое выше уравнение ядерной реакции. Чтобы замедлить её скорость и контролировать процесс, необходимо «выключить из игры» лишние выделяющиеся нейтроны. С этой целью используют так называемые замедлители нейтронов — графитовые стержни. Они тормозят скорость движения нейтронов до такой степени, что те становятся неспособными вызывать деление урана. Чем глубже введены стержни в зону реакции, тем ниже её скорость.

Рис. 140. Внешний вид Балаковской АЭС

Ядерное топливо находится в тонкостенных металлических трубках, собранных в батарею. Энергия, выделяющаяся в ходе реакции, нагревает воду, омывающую трубки. Вода закипает, превращается в пар. Подавать такой пар непосредственно на турбину, соединённую с электрогенератором, опасно, поскольку он радиоактивен, поэтому его нежелательно выводить за защитную оболочку реактора. Полученный пар нагревает и испаряет воду во втором водяном контуре, именно этот вторичный теплоноситель вращает лопасти паровой турбины, соединённой с валом генератора. Затем пар охлаждается, превращается в воду и по замкнутому циклу вновь подаётся в реактор. Таким образом, большинство АЭС по принципу генерации электроэнергии мало чем отличаются от ТЭС и представляют собой... своеобразную паровую машину!

Однако преимущества АЭС состоят в том, что они сжигают в сотни тысяч раз меньше горючего, чем ТЭС, не выбрасывают в атмосферу продукты сгорания, гораздо более производительны и экологичны, чем станции на органическом топливе.

АЭС на быстрых нейтронах. Достаточно трудоёмкой и дорогостоящей процедурой является выработка ядерного топлива для АЭС, ведь изотопа урана с относительной атомной массой 235 в природной руде всего 0,7%. Урановую руду приходится обогащать. А вот урана-238 — 99,3%, однако под действием так называемых медленных нейтронов достичь его распада не удаётся. Физики, инженеры, конструкторы нашли способ заставить уран-238 делиться, для этого нужно использовать нейтроны, обладающие большой энергией, — быстрые нейтроны.

Быстрые нейтроны поглощаются атомами урана-238, которые после серии ядерных реакций превращаются в атомы плутония (Рu) — элемента с высокой радиоактивностью. В свою очередь, плутоний может быть использован в качестве ядерного горючего, а также служить «начинкой» атомного оружия. Получается, что реактор на быстрых нейтронах производит не только электроэнергию, но и новое ядерное топливо! Вот только теплоносителем в «быстрых» реакторах вода уже быть не может: наряду с графитом она является замедлителем нейтронов. Альтернативный вариант, который выбрали учёные, таков: в качестве теплоносителя в первичном контуре используется не газ, не вода, а расплавленный металл, чаще всего натрий (его температура плавления составляет всего +97,8 °С). Металл, обладая очень высокой теплопроводностью, быстро нагревается и передаёт энергию теплоносителю смежного контура — воде. Но ведь натрий — очень активный щелочной металл, он энергично взаимодействует с водой с выделением водорода, который горюч, а в смеси с кислородом или воздухом взрывоопасен:

Значит, натриевый контур должен быть гарантированно изолирован от попадания влаги. Несмотря на высокую степень риска, эксплуатация «быстрых» АЭС очень выгодна. Главное их преимущество в том, что они производят больше ядерного топлива, чем сжигают. Из каждых 100 кг урана после ядерной реакции образуется 120—140 кг радиоактивного плутония, который также можно использовать в качестве топлива для АЭС. Благодаря этой особенности такие реакторы называют бридерами (от англ. breeder — производитель). Кроме того, мировых запасов урана-238 в 140 раз больше, чем урана-235, их хватит на ближайшие 10 тыс. лет. Реакторы на быстрых нейтронах позволяют использовать в качестве топлива торий (Тh, количество которого в земной коре в 4 раза больше, чем урана.

Первая советская АЭС на быстрых нейтронах была запущена в 1972 г. в г. Шевченко (ныне Актау, Казахстан). Россия и поныне является мировым лидером в этой области атомной энергетики. Более 30 лет без сбоев работает блок на быстрых нейтронах на Белоярской АЭС в Свердловской области.

Атомное судоходство. РИТЭГи. Атомная энергия служит человечеству не только на АЭС. В 1954 г. в США была спущена на воду первая в мире атомная подводная лодка «Наутилус», а три года спустя — аналогичная субмарина К-3 «Ленинский комсомол» в Советском Союзе. Два атомных реактора, разместившихся в корпусе подлодки, вращают не только роторы электрогенераторов для обеспечения судна электроэнергией, но и валы гребных винтов.

Годом позже ходовые испытания прошёл первый отечественный атомный ледокол «Ленин». Три его реактора вырабатывали электроэнергию для электродвигателей, приводивших в действие три гребных винта. Всего в нашей стране было построено 9 атомных ледоколов, проложивших во льдах Северного Ледовитого океана пути для тысяч судов. Основное преимущество атомного судоходства состоит в том, что силовая установка расходует в десятки тысяч раз меньше топлива, чем обычные суда, может автономно работать без пополнения топливных запасов месяцами и даже годами.

Это же стало основополагающим при создании долго живущих источников тока.

Вспомним явление, которое лежит в основе одного из типов источника тока. Возьмём два проводника из разных металлов и соединим их концы. В цепь включим прибор, позволяющий регистрировать наличие электрического тока. Одно из соединений металлов будем нагревать, а другое — охлаждать. Гальванометр покажет наличие тока в цепи. Такое устройство называется термоэлементом. А теперь представьте, что нагревать одно из соединений мы будем за счёт энергии ядерной реакции, а для охлаждения другого достаточно температуры окружающей среды. Поскольку ядерная реакция может продолжаться годами и десятилетиями, мы получим долго живущий источник тока! Именно на этом принципе и основана работа радиоизотопных термоэлектрических генераторов — РИТЭГов. Такие источники тока устанавливаются на навигационных маяках и радиомаяках, расположенных в тысячах километрах от населённых пунктов, на космических аппаратах, десятки лет летящих к далёким планетам Солнечной системы, на глубоководных станциях.

Вопрос безопасности. Крупнейшие аварии на АЭС. Одной из глобальных проблем человечества является ответ на вопрос: насколько безопасна атомная энергетика? Как велик риск ядерной катастрофы в результате техногенных аварий или природных явлений на атомных электростанциях? Стоит ли развивать атомный энергетический комплекс или искать альтернативные, более безопасные пути получения электрической энергии?

У противников АЭС есть весьма серьёзные аргументы — аварии на действующих электростанциях. Первый звоночек прозвенел 28 марта 1979 г. на АЭС «Тримайл-Айленд» в штате Пенсильвания (США). В результате отказа насосов системы охлаждения в реакторе стала резко повышаться температура. Были включены резервные насосы, но по роковой ошибке персонала задвижки на пути охлаждающей жидкости оказались закрыты. Температура поднялась до +2200 °С. Хотя ядерное топливо частично расплавилось, оно не прожгло корпус реактора, и радиоактивные вещества остались в основном внутри. Для снижения давления блока сработал аварийный клапан, и в атмосферу было выброшено большое количество радиоактивного пара, благородных газов и водорода. Территория станции также была загрязнена радиоактивной водой, вытекшей из первого контура. Эта авария считается одной из крупнейших в мире.

Семь лет спустя, 26 апреля 1986 г., произошла Чернобыльская катастрофа, потрясшая весь мир.

Примерно в половине второго ночи на 4-м энергоблоке Чернобыльской АЭС произошёл взрыв, который полностью разрушил реактор (рис. 141). Здание энергоблока частично обрушилось, начался пожар. Смесь из расплавленного металла, песка, бетона и ядерного топлива растеклась по помещениям.

Рис. 141. Разрушенный энергоблок Чернобыльской АЭС

В результате взрыва произошёл выброс в окружающую среду радиоактивных веществ, в том числе урана и плутония. Облако радиоактивных веществ прошло над большей частью территории Европы, выпадение радиоактивных осадков отмечено на значительных территориях Украины, Белоруссии и России.

      Нуклиды, цезий, фон, Чернобыль...
      Кружилась, никла голова.
      И так нам нужно было, чтобы
      Сном стали все эти слова.

/В. Глущенко/

Более 30 человек погибли в течение первых трёх месяцев после аварии. Отдалённые последствия облучения, выявленные за последующие 15 лет, стали причиной гибели десятков человек. Более 115 тыс. жителей были эвакуированы из 30-километровой зоны вокруг станции. В ликвидации последствий аварии принимало участие более 600 тыс. человек.

Чернобыльская авария расценивается как крупнейшая в своём роде за всю историю ядерной энергетики — как по предполагаемому количеству погибших и пострадавших от её последствий людей, так и по масштабам экономического ущерба.

Третья крупнейшая авария на АЭС по характеру развития напоминает американскую трагедию. 11 марта 2011 г. вблизи японского острова Хонсю произошло сильнейшее землетрясение магнитудой 9 баллов. Подземные толчки привели к сбоям в системе охлаждения нескольких энергоблоков атомной электростанции «Фукусима-1». Температура внутри реакторов начала быстро расти, перегретый водяной пар стал реагировать с металлом тепловыделяющих элементов с образованием водорода. Когда давление достигло критического значения, водород вырвался в атмосферу и, соединившись с кислородом воздуха, взорвался. Весь мир облетели кадры огненного столба над зданием станции, частично разрушившего строительные конструкции. Но сам реактор устоял. Расплавленное ядерное топливо стекло на дно корпуса. Для его охлаждения использовались все возможные силы и средства: энергоблок поливали из пожарных и военных машин, сбрасывали тонны воды с вертолётов. Удалось решить главную задачу — не допустить образования трещины в реакторе и расплавления его бетонного основания раскалённой лавой.

Приведённые примеры ярко показывают, насколько опасно халатное, не отвечающее правилам техники безопасности использование ядерной энергетики. Тем не менее, несмотря на серьёзную опасность, развитие общества уже немыслимо без использования энергии атома: масштабы применения радиоактивных веществ в энергетике, космической технике, медицине, биологии, геологии растут с каждым днём.

В 2011 г. атомные электростанции работали в 30 государствах мира, в общей сложности эксплуатируется 436 энергоблоков. В ближайшее время вступить в ядерный клуб собираются ещё 14 держав. Доля атомной энергетики в энергетическом комплексе России в 2011 г. составляла 16%, до 2030 г. эту цифру планируется увеличить до 30%. В энергобалансе Японии на атомную энергетику приходится 28%, Франции — 78%. Экономика развитых стран уже не в состоянии отказаться от атомного электричества. Выход один: повышать степень безопасности имеющихся, а особенно строящихся АЭС. После японской трагедии ряд стран приостановили свои ядерные программы. Правительство Германии приняло решение о запрете эксплуатации АЭС, построенных до 1980 г. Следующий шаг в решении вопроса, быть или не быть ядерной энергии на службе человечества, — за вашим поколением.

Теперь вы знаете

  • как получают электрический ток с помощью электрогенератора
  • какие существуют виды электростанций
  • что такое радиоактивность, ядерные реакции
  • принцип работы атомной станции
  • как работает АЭС на быстрых нейтронах
  • как решаются вопросы безопасности на АЭС

Теперь вы можете

  • объяснить устройство и принцип работы электрогенератора
  • дать сравнительную характеристику разных видов электростанций ГЭС, ТЭС и АЭС
  • перечислить трансурановые элементы таблицы Д. И. Менделеева
  • описать принцип действия термоэлектрического генератора

Выполните задания

  1. Опишите явление электромагнитной индукции.
  2. Опишите устройство ГЭС, ТЭС и АЭС.
  3. Охарактеризуйте ядерный взрыв и контролируемый ядерный процесс.
  4. Назовите области применения атомной энергии.

Темы для рефератов

  1. История открытия радиоактивности.
  2. Ядерный клуб.
  3. Развитие атомной энергетики в нашей стране.
  4. Чернобыль и Фукусима — сравнительный анализ.
  5. Мирный атом и атомная война в литературе и кинематографе.
  6. Радиация: генетические последствия.

 

 

 

Top.Mail.Ru
Top.Mail.Ru