Проблеми ядерної енергетики
Матерія складається з атомів, але не всі атоми однакові. Головна різниця полягає в кількості протонів і нейтронів, які утворюють ядро. Наприклад, атом водню завжди має один протон, кисню -вісім, а урану - дев’яносто два протони. В кожному атомі кількість електронів, що кружляють довкола ядра, і кількість протонів однакова. Однак кількість нейтронів у атомах одного і того самого елемента може бути різна. Наприклад, тоді як уран має дев’яносто два протони, один тип атома урану має 143 нейтрони, а ще один - 146. Ці ізотопи (так називаються різні типи одного і того самого елемента) відомі як уран 235 і уран 238 (92 протони плюс 143 нейтрони дорівнює 235, а 92 протони плюс 146 нейтронів дорівнює 238).
Кожен атом утримується від розпаду силою, яку фізики називають „великою силою” - найдужчою в природі, силою, яка донедавна унеможливлювала розщеплення атома. „Мені здається, - писав Ісаак Ньютон 1704 року, - що спершу бог створив речовину у вигляді твердих мас - непроникних рухомих частинок, таких твердих, що їх неможливо розбити на шматки, звичайна сила нездатна зруйнувати, розірвати те, що створив сам бог”.
Ньютон, ясна річ, не мав справи з фізикою на атомному рівні, але все ж його погляд домінував над усіма іншими протягом сторіч. Фізики ХІХ сторіччя, виходячи з його логіки, розвинули теорію, згідно з якою маса і енергія являють собою окремі закриті системи, причому ні маса, ні енергія не можуть бути створені чи зруйновані. У 1905 році Альберт Ейнштейн опублікував свої погляди на це питання. Досліджуючи властивості маси, часу та простору, він висунув думку про те, що інертна маса містіть велику кількість потенційної енергії, яку можна звільнити, зруйнувавши структуру, тобто розщепивши основні структурні одиниці. Далі він висунув думку про те, що протягом цього процесу певна кількість речовини перетворюється на енергію і що утворена кількість енергії дорівнює кількості втраченої маси, помноженої на квадрат швидкості світла: Е=mc2. Енергію можна створити: речовину можна зруйнувати.
Однак на початку то була всього-на-всього теорія. Ніхто, в тому числі і сам Ейнштейн, не міг тоді втілити її в життя. Тільки у 1938 році фізики встановили, що коли атом урану-238 бомбардувати нейтронами, то їхні ядра внаслідок удару розщеплюються, вивільнюючи при цьому енергію. Навіть більше, під час розщеплення ядер їхні нейтрони вистрілюються з великою швидкістю в напрямку найближчих атомів спричиняючи розщеплення сусідніх атомів. Отож фізики зробили такий висновок: якщо взяти достатню кількість атомів урану і спричинити їх розщеплення, то почнеться ланцюгова реакція - швидке розщеплення одного за одним атомів, яке триває доти, доки вичерпається запас урану. Протягом цього процесу вивільнюється величезна кількість енергії і теплота горіння ядерного палива в мільйони разів більше, ніж звичайного палива.
3. Атомні електростанції.
Атомні електростанції - це основа ядерної енергетики, які використовують ядерну енергію для цілей електрифікації і теплофікації. Для здійснення ланцюгової ядерної реакції використовують складні технічні прилади - ядерні ( атомні ) реактори. Перший в світі реактор був збудований у 1942 році в США, роботами керував італійський фізик Е. Фермі.Основним компонентом ядерного реактора є його осердя, або активна зона, де розщеплюється паливо і здійснюється керована ланцюгова реакція. Перед розщепленням уранову масу збагачують і перетворюють у покриті керамічним матеріалом пігулки. Пігулки вміщують у труби зі сплаву, що не боїться іржи і називається циркалоєм. У радіоактивну зону реактора закладають 40-50 тисяч пігулок. Трубки з пігулками встановлюються насторч, як сигарети у круглому контейнері. Усередині реактора безперервно відбувається ядерна реакція. Атоми урану в паливних стержнях розщепляються і випускають нейтрони, швидкість яких регулюють водяні або графітові „сповільнювачі” таким чином, щоб збільшити розщеплення атомів урану в ланцюговій реакції до максимуму. Під час розщеплення атомів утворюється тепло. При цьому трубки весь час занурені у воду, яка відбирає тепло. На одних ядерних електростанціях вода, що проходить крізь активну зону реактора, кипить і перетворюється на пару, яку подають безпосередньо до турбін, а на інших тепло передається лише на вторинній системі, і аж тоді вода закипає і перетворюється на пару.
Ланцюгову реакцію треба підтримувати, але нею треба також керувати. Якщо водночас розщеплюється надто велика кількість атомів, то вивільняється дуже багато тепла і система може не витримати перегріву. Щоб запобігти цього, використовують контрольні стрижні та системи охолодження активної зони реактора.
Контрольні стрижні - це основні механізми, що регулюють швидкість розщеплення. Вони мають вигляд довгих стійких стальних трубок, заповнених порошком карбіду бору, кадмію або графіту. Це речовини, здатні вбирати нейтрони. Швидкість вивільнення енергії згоряння в реакторі контролюють за допомогою збільшення або зменшення кількості стрижнів у реакторі. Якщо між паливними стержнями вставити контрольні, то швидкість розщеплення зменшиться, бо нейтрони, які звичайно розщеплюють інші уранові ядра, поглинаються контрольними стрижнями, що діють неначе губка. І навпаки, якщо контрольні стрижні витягнути, то швидкість розщеплення збільшується, бо вивільнюється більше нейтронів, здатних розщеплювати сусідні атоми урану. Якщо вставити всі контрольні стрижні, то розщеплення атомів припиняється і реактор вимикається. Однак контрольні стрижні вбирають нейтрони, а не тепло. Тому, щоб не розтопилася активна зона реактора, потрібна ще одна система. Вона називається системою охолодження активної зони реактора.