Энергия урана

На сегодняшний день из всех источников ядерной энергии больше всего используется энергия, которая выделяется в процессе деления тяжёлых ядер. Вследствие недостатка энергетических ресурсов ядерная энергетика на реакторах деления является самой перспективной на ближайшие десятилетия. На атомных электрических станциях ядерную энергию применяют, чтобы получить тепло, необходимое для производства электроэнергии и отопления. Кроме этого, появление ядерных силовых установок полностью решило проблему судов с неограниченным районом плавания таких как, атомные ледоколы, атомные подводные лодки, атомные авианосцы.
Энергия деления ядра урана или плутония используется для создания ядерного и термоядерного оружия, в качестве пускателя термоядерной реакции или источника дополнительной энергии при делении ядер нейтронами, которые возникают в термоядерных реакциях.

Энергия деления урана

В 1938 году двое немецких ученых О. Ган и Ф. Штрассман открыли процесс деления ядер урана. Они обнаружили, что во время бомбардировки урана нейтронами формируются элементы средней части периодической системы: барий, криптон и прочие. Тем не менее, грамотное истолкование данного факта именно как деления ядра урана, захватившего нейтрон, произошло в начале 1939 года. И сделали это английский физик О. Фриш и австрийский ученый Л. Мейтнер.
Вследствие захвата нейтрона ядро становится нестабильным. Оно возбуждается и становится неустойчивым, и делится на осколки. Ядро делится вследствие того, что масса покоя тяжелого ядра больше общей массы покоя осколков, образующихся в процессе деления. Это сопровождается выделением энергии, которая эквивалентна уменьшению массы покоя, сопутствующему делению.
Деление более тяжелых ядер на ядра элементов средней части периодической системы – это энергетически выгодный процесс. По окончанию деления система находится в состоянии с минимальной внутренней энергией. Как известно, чем выше энергия связи ядра, тем большее количество энергии должно выделяться при формировании ядра и, следовательно, тем меньшей энергией будет обладать вновь созданная система.
При делении энергия ядра урана, приходящаяся на каждый нуклон, возрастает на 1 МэВ и суммарная выделяющаяся энергия должна иметь огромный потенциал — почти 200 МэВ. Стоит отметить, что никакая другая ядерная реакция (не связанная с делением) не сопровождается столь большим количеством выделяющейся энергии.
В процессе деления ядра урана-235 больше половины всей энергии, а именно 168 МэВ, приходится на кинетическую энергию осколков.
Формирующаяся во время деления ядра энергия отличается электростатическим, а не ядерным происхождением. Высокий уровень кинетической энергии, которой обладают осколки, формируется в результате их кулоновского отталкивания.

Механизм деления ядра

Деление атомного ядра легко объясняется на основе капельной модели ядра. Капельной ее называют потому, что сгусток нуклонов похож на капельку заряженной жидкости.
Ядро урана-235 имеет шаровидную форму. В результате поглощения лишнего нейтрона, ядро возбуждается и начинается процессе его деформации, до приобретения вытянутой формы. Ядро подвергается растягиванию, пока силы отталкивания между половинками вытянутого ядра не начинают преобладать над силами притяжения, которые действуют в перешейке. Далее ядро разрывается на две части.
Кулоновские силы отталкивания приводят к тому, что осколки разлетаются со скоростью 1/30 скорости света.

Атомная энергия урана

В процессе распада ядра урана-235 я ядерном реакторе выделяется колоссальное количество тепловой энергии, которая кипятит воду. Пар от кипящей воды под высоким давлением заставляет крутиться турбину, вращающую электрогенератор, который вырабатывает электричество. Энергия распада урана используется на атомных электростанциях.
На планете существует один ядерный реактор естественного происхождения. Он расположен в урановом месторождении Окло, в Габоне. Однако, он является остывшим уже полтора миллиарда лет.
Если бы ученые не управляли цепной ядерной реакцией, то она происходила бы крайне быстро, и заканчивалась бы ядерным взрывом. Именно поэтому за процессом тщательно следят и не дают распадаться урану слишком быстро. Чтобы этого не происходило, ядерное топливо в металлических трубках опускают в замедлитель — состав, который замедляет нейтроны и превращает их кинетическую энергию в тепловую.
Чтобы управлять скоростью реакции в замедлитель нужно погрузить стержни, которые будут поглощать нейтроны. При поднятии стержней, они улавливают меньше нейтронов, вследствие чего реакция протекает более быстро. Потом стержни опускают, и реакция снова замедляется.
Огромного размера трубы в атомных электростанциях фактически совершенно не трубы, а градирни — башни, в которых происходит охлаждение пара.
В процессе распада ядро раскалывается на две половины, разлетающиеся с колоссальной скоростью.
Тепло, которое выделяется во время этого процесса, нагревает воду. Вода становится паром, который крутит турбину, а турбина в свою очередь крутит генератор, вырабатывающий электричество. Принцип тот же, что и в случае с обычной тепловой электростанцией, которая работает на угле.
Фактически цепная ядерная реакция нужна всего лишь для того, чтобы закипятить воду.
Результатом работы ядерного реактора является образование радиоактивных отходов. Некоторые из них подвергают переработке, чтобы использовать дальше. Но определенные отходы приходится содержать в особых хранилищах для того, чтобы они не навредили людям и природе.
Однако, невзирая на этот факт, ядерную энергию сегодня даже экологи называют одной из самых экологически чистых. Из атомных электростанций не поступают выбросы в атмосферу, им нужно очень мало топлива для работы, они занимают небольшую площадь и при грамотном использовании очень безопасны.
В тоже время, после аварии на Чернобыльской АЭС очень многие государства приостановили развитие атомной энергетики. Но через четверть века о ней все же вспомнили, вследствие довольно высокой стоимости нефти. Сегодня во Франции практически 80 процентов энергии вырабатывается атомными электростанциями.