Атом энергии: Атомная энергетика спасает жизни | Организация Объединенных Наций |

Содержание

Атомная энергетика спасает жизни | Организация Объединенных Наций

Об авторе

Сюзанна Даунс

Сюзанна Даунс — исполнительный директор и один из основателей компании Farnsworth Downs Technology, Соединенные Штаты Америки

Стоящие перед нами проблемы

В 2015 году Организация Объединенных Наций приняла цели в области устойчивого развития (ЦУР) для всего мира. Обобщая, их можно cформулировать следующим образом: искоренить нищету, обеспечить доступ к пище, чистой воде, энергии, здравоохранению и образованию по всему миру, достичь гендерного равенства, гарантировать достойную работу для всех, построить стойкую инфраструктуру, сократить неравенство доходов, содействовать развитию городов, рациональному потреблению и производству, найти решение проблемы изменения климата, сохранить океаны, предотвратить обезлесение, а также сформировать структуры, необходимые для достижения этих целей, включая глобальное партнерство, содействующее устойчивому развитию.

Это, безусловно, масштабные цели. Однако встает вопрос, как Организация Объединенных Наций и ее государства-члены будут подходить к решению этих проблем, а также как определить относительную значимость потенциальных решений.

На мой взгляд, развитие малых модульных жидкосолевых реакторов (ЖСР), включая реакторы, работающие на денатурированном ядерном топливе, может способствовать достижению нескольких ЦУР одновременно.

Концепции атомной энергетики

Использование ядерной энергетики может оказаться одним из вариантов решения этих насущных проблем, как бы маловероятным это ни казалось. Но для этого необходимо пересмотреть методы её применения. В основе производства атомной энергии лежит сила, которая удерживает части атома вместе. Если атом нестабилен, он будет стремиться перейти в более стабильное состояние путем расщепления. Нестабильность атома может быть естественной — или же вызвана добавлением дополнительных нейтронов в ядро.

Когда атом становится более стабильным и выбрасывает частицы, высвобождается огромное количество энергии, которое в закрытой системе может быть использовано для выработки тепла, достаточного для приведения в движение турбины. Радиация, представления о которой часто искажены, происходит по большей части в силу естественных причин. Существует несколько типов радиации, и все они имеют различные последствия и возможности применения.

Опасения относительно атомной энергетики касаются трех основных аспектов: ядерные боеголовки и их распространение, расплавление активной зоны ядерного реактора и сбои системы, а также ядерные отходы. Опасения по каждому из этих пунктов являются обоснованными, но связанные с ними проблемы можно решать путем принципиального и фундаментального переосмысления методов производства атомной энергии.

Малые модульные жидкосолевые реакторы: современное решение

Разработка ЖСР в Соединенных Штатах происходила в основном в 1950—1970-х гг. В отличие от реакторов, используемых сегодня, в ЖСР были предусмотрены уникальные решения для ряда проблем, возникающих при эксплуатации обычных реакторов.

Соли уже находятся в расплавленном состоянии, поэтому «расплавление активной зоны ядерного реактора» невозможно. Если система перегревается, соли пассивно сливаются в охлаждающую емкость.
Радиоактивные материалы образуют в системе прочные взаимосвязи. Летучие материалы постоянно удаляются из системы.
Жидкосолевые реакторы работают при атмосферном давлении, что делает невозможным повторение инцидента, имевшего место на АЭС «Фукусима-1» в Японии в 2011 году.
Многие ЖСР сконструированы таким образом, что имеющиеся ядерные отходы расщепляются прямо в реакторе-конверторе.
Системы ЖСР могут использовать расщепляющийся материал гораздо эффективнее, чем обычные атомные реакторы.
Можно использовать ЖСР в режиме, обусловленном нагрузкой; избыточная реактивность предотвращается благодаря сильному отрицательному паровому коэффициенту и температурному коэффициенту реактивности.
Тория — материала, который используется в обогащённом виде для работы ЖСР — в земной коре в три раза больше чем урана. В настоящее время торий считается лишь побочным продуктом добычи редкоземельных ресурсов и его коммерческая ценность сравнительно невелика, но его можно добывать путем землечерпальных работ (в отличие от более инвазивных способов) или даже из океана.
Теоретически системы ЖСР могут работать на денатурированном ядерном топливе; такие системы более безопасны с точки зрения ядерного нераспространения по сравнению с обычными жидкосолевыми или реакторами других более традиционных конструкций.
Подобные установки могут эксплуатироваться в полностью замкнутом режиме с использованием турбины, работающей по циклу Ренкина или Брайтона, что позволяет исключить необходимость их расположения около крупных водных объектов, как в случае с современными реакторами.
Возможно расширение применения этой технологии, в основу которой входит модульная система. Если использование ЖСР поставить на коммерческую основу, им можно найти самое широкое применение.

Базовая конструкция ЖСР выглядит следующим образом:

Существует множество вариантов данной конструкции, но именно эта модель подвергалась наибольшему количеству исследований и экспериментов.

Одна из конструкций, которую следует изучить подробнее, — это жидкосолевой реактор с использованием денатурированного топлива. Он может быть бесперебойным источником электроэнергии в течение нескольких лет, не требуя вмешательства человека. Это обеспечит возможность более быстрого и безопасного внедрения данной технологии по всему миру с меньшим риском утечки материалов для создания ядерного оружия.

Применение ЖСР

Существование целого ряда возможностей применения ЖСР является, вероятно, наиболее очевидной причиной, по которой необходимо развивать эту технологию, поскольку с ее помощью можно будет, кроме всего прочего, обеспечивать миллионы людей электроэнергией, водой, изотопами медицинского назначения, вырабатывать энергию, необходимую для производства продовольствия, а также сокращать накопившиеся запасы ядерных отходов и проводить электричество в удаленных районах.

Электричество и вода для всех

Учитывая характер насущных проблем планеты, в первую очередь необходимо обеспечить повсеместный адекватный доступ к электричеству, водным ресурсам и санитарии. ЖСР дают уникальную возможность осуществить эти намерения. В работе ЖСР могут быть использованы самые различные виды топлива, при этом эффективность расхода топлива на порядок выше, чем в случае со стандартными урановыми реакторами, а сфера возможного применения технологии крайне широка. Исходя из этого, трудно усомниться в ее потенциале и перспективности для будущего развития человечества.

Кроме того, поскольку в энергоустановке вообще не используются радиоактивные материалы и она работает при температуре, превышающей 100 °C, появляется возможность применения избыточного тепла для очищения воды и стерилизации отходов. Разместив такую установку на побережье океана, например в Калифорнии, возможно будет обеспечить снабжение населения чистой питьевой водой.

Ликвидация чрезвычайных ситуаций и микроэнергосистемы

Поскольку эти реакторы могут быть модульными и, соответственно варьироваться в размерах, возможно крупномасштабное производство и применение малых реакторов, с целью обеспечения электроэнергией объектов, не являющихся частью традиционной инфраструктуры. Такие решения могут быть востребованы на военных базах, в развивающихся странах, а также для оборудования сооружений при ликвидации чрезвычайных ситуаций там, где инфраструктура повреждена. Благодаря принципу своей работы эти реакторы вырабатывают количество энергии, требующейся в определённое время и при определённых обстоятельствах, поэтому это идеальное решение для краткосрочной эксплуатации.

Производство изотопов медицинского назначения

Медицинские изотопы являются побочным продуктом работы реактора и некоторых цепочек распада топлива. Такие изотопы можно использовать в медицинских целях, в исследованиях перспективного лечения пучком альфа-частиц, для радиографии и в ряде других случаев. В Англии торий уже является предметом исследований. Кроме того, производство радиоизотопов в настоящее время осуществляется в основном в устаревающих реакторах в Южной Африке и Канаде. Местное изготовление этих изотопов может сделать их более доступными и привести к их более широкому применению во множестве стран.

Обезвреживание ядерных отходов и предотвращение ядерного распространения

Как было упомянуто ранее, различные ЖСР представляют разные возможности, и некоторые из них чрезвычайно хорошо подходят для утилизации ядерных отходов и предотвращения ядерного распространения. Некоторые компании в Соединенных Штатах активно производят реакторы-сжигатели. Эти системы способны поддерживать более высокую плотность энерговыделения и используют ядерные отходы как топливо для такой реакции. Такая технология позволит сократить имеющиеся скопления ядерных отходов, превратив их в трансурановые элементы с незначительной долей реактивности. Будет больше не нужна добыча, разделение и производство дополнительного топлива; вместо этого можно будет использовать энергию, которая имеется в отработанном топливе и которую обычные реакторы не в состоянии утилизировать .

Другие ЖСР целиком направлены на предотвращение ядерного распространения. В стандартных ЖСР c химической переработкой и двухжидкостным устройством происходит разделение некоторых изотопов для увеличения полезного использования нейтронов в реакторе. Однако при этом можно выделить материал, который используется для производства радиоактивных вооружений. Несмотря на сложность процесса, это возможно. Чтобы снизить риск, в 1979—1980 годах был разработан ЖСР на денатурированном топливе. Систему можно модифицировать так, чтобы в ней использовался единый топливный резервуар, без разделения. Коэффициент преобразования воспроизводящего материала в расщепляющийся был ограничен, и доля денатурированного урана поддерживалась на достаточном уровне для того, чтобы материал был непригоден для создания ядерных бомб. После испытания и завершения работ такую конструкцию можно отправить в любую точку земного шара без опасения, что это приведет к распространению ядерного оружия. Это может помочь обеспечить электроэнергией и водой те страны, которые особенно в них нуждаются.

Не только на Земле

Наконец, эту технологию можно применять не только на Земле. ЖСР может быть хорошим вариантом энергетической установки, которую можно использовать для поддержания человеческой жизнедеятельности или автоматических станций, работающих без участия человека, в космосе. Энергетическую систему, систему обогрева и систему очищения воды можно оптимизировать, и реактор теоретически может работать несколько лет без человеческого вмешательства. Сточные воды могут быть переработаны и стерилизованы, что позволяет использовать их в устойчивых системах, поддерживающих жизнедеятельность за пределами Земли.

Перед планетой и ее жителями стоит множество проблем и задач. Поиск решения для любой из них может быть очень непростым, не говоря уже о таких решениях, которые могут одновременно способствовать достижению сразу нескольких целей в области устойчивого развития. Научно обоснованный и рациональный подход к использованию атомной энергетики может спасти жизни и сохранить ресурсы. Настало время фундаментальным образом переосмыслить её применение и продолжать изучать её потенциал в мирных целях. ЖСР представляют собой возрождение старой идеи, которая оказалась одним из лучших способов выработки безопасной, экологически чистой энергии в грядущие тысячелетия.

Фернандо Ариас

Все заинтересованные стороны должны играть свою роль в избавлении мира от химического оружия

Процесс уничтожения объявленных ОЗХО химических арсеналов скоро будет завершен. Однако происходящие в настоящее время глобальные события наглядно демонстрируют, что недопущение повторного появления химического оружия – это тот пункт повестки дня, который всегда будет оставаться открытым.

Население планеты скоро вырастет до 8 миллиардов – и что тогда?

Удовлетворение потребностей и повышение уровня жизни многочисленного и растущего населения планеты потребует повышения уровня производства и приведет к росту потребления. В свою очередь, повышение уровня производства и рост потребления усилят давление на естественную среду обитания, если не будут сопровождаться «зелеными» реформами в области энергетики, производства и транспорта, а также изменениями в поведении людей.

Дункан Коупленд

Сотрудничество и наращивание потенциала в целях пресечения незаконного, несообщаемого и нерегулируемого рыбного промысла

Поскольку рыбные запасы и морские экосистемы находятся под постоянно растущим давлением человеческой деятельности, пресечение ННН-промысла сегодня актуально как никогда, хотя в период моего пребывания в Гвинее-Бисау почти двадцать лет назад эта задача казалась невыполнимой.

Откуда берется ядерная энергия? Научные основы ядерной энергетики

Что есть что в ядерной сфере

03.11.2021

Андреа Галиндо, Бюро общественной информации и коммуникации МАГАТЭ

Ядерная энергия представляет собой разновидность энергии, которая высвобождается из ядра — центральной части атомов, состоящей из протонов и нейтронов. Источником этой энергии могут являться два физических процесса: деление, когда ядра атомов распадаются на несколько частей, и синтез, когда ядра сливаются вместе.

Ядерная энергия, используемая сегодня во всем мире для производства электроэнергии, вырабатывается посредством деления ядра, в то время как технология производства электроэнергии на основе синтеза пока еще находится на этапе исследований и экспериментальных разработок. В этой статье мы подробнее остановимся на делении ядра. Узнать больше о ядерном синтезе вы можете из этой статьи.

Что такое ядерное деление?

Ядерное деление — это реакция, в ходе которой ядро атома расщепляется на два или более меньших ядра, при этом происходит высвобождение энергии.

Например, ядро атома урана-235, при попадании в него нейтрона, расщепляется на ядро бария и ядро криптона и еще два или три нейтрона. Эти дополнительные нейтроны соударяются с другими находящимися вокруг ядрами урана-235, которые также расщепляются и порождают дополнительные нейтроны с эффектом многократного увеличения, в результате чего за долю секунды формируется цепная реакция.

Каждый раз такая реакция сопровождается высвобождением энергии в виде тепла и излучения. Подобно тому, как для получения электроэнергии используется тепло от ископаемых видов топлива, таких как уголь, газ и нефть, на атомной электростанции эта тепловая энергия может быть преобразована в электроэнергию.

Ядерная реакция деления (Графика: А. Варгас/МАГАТЭ)

Как работает атомная электростанция?

В реакторе атомной электростанции с помощью соответствующего оборудования локализуется и контролируется цепная ядерная реакция, чаще всего с использованием топлива на основе урана-235, в результате деления которого вырабатывается тепло. Это тепло используется для нагрева теплоносителя реактора, как правило, воды, чтобы получить пар. Затем пар направляется на турбины, заставляя их вращаться и активируя электрический генератор, что позволяет вырабатывать электроэнергию без выбросов углекислого газа.

Подробнее о различных типах ядерных энергетических реакторов читайте на этой странице.

Наибольшее распространение в мире получили реакторы с водой под давлением (PWR). (Графика: А. Варгас/МАГАТЭ)

Добыча, обогащение и утилизация урана

Уран — это металл, который встречается в горных породах по всему миру. Уран имеет несколько природных изотопов, которые представляют собой формы элемента, отличающиеся по массе и физическим свойствам, но с одинаковыми химическими свойствами. Уран имеет два первичных изотопа: уран-238 и уран-235. На уран-238 приходится большая часть урана в мире, но он не способен вступать в цепную реакцию деления, в то время как уран-235 может использоваться для получения энергии в результате деления, но составляет менее 1 процента от мировых запасов урана.

Чтобы повысить вероятность деления природного урана, необходимо увеличить содержащееся в нем количество урана-235 с помощью процесса, называемого обогащением урана. После обогащения урана он может эффективно использоваться на протяжении трех-пяти лет в качестве ядерного топлива на АЭС, после чего он все еще остается радиоактивным и должен утилизироваться в соответствии со строгими нормативными требованиями по защите людей и окружающей среды. Использованное топливо, так называемое отработавшее топливо, может также быть переработано в другие виды топлива, которые могут применяться в качестве нового топлива для специальных АЭС.

Что такое ядерный топливный цикл?

Ядерный топливный цикл — это включающий несколько этапов производственный процесс, необходимый для выработки электроэнергии с использованием урана в ядерных энергетических реакторах. Этот цикл начинается с добычи урана и завершается захоронением радиоактивных отходов.

Ядерные отходы

В процессе эксплуатации АЭС образуются отходы с различным уровнем радиоактивности. В зависимости от уровня радиоактивности и конечной цели применяются разные стратегии обращения с ними. Более подробную информацию по этой теме вы найдете в представленном ниже анимированном ролике.

Обращение с радиоактивными отходами

На радиоактивные отходы приходится небольшая доля общего объема отходов. Это побочный продукт миллионов медицинских процедур, проводимых каждый год, промышленных и сельскохозяйственных применений излучения и работы ядерных реакторов, которые производят около 10 процентов электричества в мире. В анимационном видео рассказывается о том, как осуществляется обращение с радиоактивными отходами, чтобы обеспечить защиту людей и окружающей среды от излучения сегодня и в будущем.

При работе следующего поколения АЭС на основе так называемых инновационных усовершенствованных реакторов будет образовываться гораздо меньше ядерных отходов, чем от сегодняшних реакторов. Ожидается, что строительство таких станций начнется ближе к 2030 году.

Ядерная энергетика и изменение климата

Ядерная энергия является низкоуглеродным источником энергии, поскольку, в отличие от электростанций, работающих на угле, нефтепродуктах или природном газе, атомные электростанции во время своей работы практически не производят CO₂. Атомные электростанции используются для генерации почти трети мировой безуглеродной электроэнергии и имеют решающее значение для достижения целей в области борьбы с изменением климата.

Подробнее о ядерной энергетике и переходе к экологически чистой энергии читайте в этом выпуске Бюллетеня МАГАТЭ.

Какую роль играет МАГАТЭ?

МАГАТЭ устанавливает международные нормы и руководящие принципы безопасного и надежного использования ядерной энергии для защиты людей и окружающей среды и способствует проведению их в жизнь.
МАГАТЭ поддерживает существующие и новые ядерно-энергетические программы по всему миру, предлагая техническую помощь и услуги по управлению знаниями. Следуя веховому подходу, МАГАТЭ предоставляет необходимые технические знания и рекомендации странам, которые выводят свои ядерные объекты из эксплуатации.
В рамках своей деятельности в области гарантий и проверки МАГАТЭ следит за тем, чтобы не происходило переключения ядерных материалов и технологий с мирного использования на другие цели.
Методическую основу для организации необходимой деятельности в течение всего жизненного цикла производства ядерной энергии, от добычи урана до сооружения, технического обслуживания и вывода из эксплуатации атомных электростанций и обращения с ядерными отходами, обеспечивают миссии по экспертной оценке и консультационные услуги под руководством МАГАТЭ.
Под управлением МАГАТЭ находится запас низкообогащенного урана (НОУ) в Казахстане, который может использоваться в случае крайней необходимости странами, срочно нуждающимися в поставках НОУ для мирных целей.

Ресурсы по теме

03.11.2021

Энергия атома – гид на ПостНауке

Гид

Маленький атом — источник огромной энергии

Сохранить гид

12740

Партнер гида

О гиде

Меньше века назад ученые поняли, что энергию можно извлекать из мельчайших частиц материи. С тех пор человечество прошло путь от экспериментальных реакторов, мощности которых хватило бы на тысячу лампочек накаливания, до нескольких сотен атомных электростанций по всему миру, каждая из которых выдает гигаватты энергии. И на горьком опыте узнало цену ошибок и излишней самонадеянности.

Что дальше? Уступит ли атомная энергетика первенство возобновляемым источникам энергии — или сама сможет стать таким источником, замкнув топливный цикл? Разбираемся в этом гиде.

Атом атомная энергетика радиация Естественные науки Журнал

Научный консультант гида

Станислав Субботин

кандидат технических наук, начальник отдела перспективных исследований НИЦ «Курчатовский институт»

Топливо

235 или 238? Урановый тест

Уран — главный элемент атомной энергетики. Проверьте, что вы о нем знаете

Игры

Тепловыделяющая сборка

Как ядерное топливо «упаковано» в реакторе

WTF

Ядерное топливо

Как урановая руда превращается в топливо для АЭС и что делать с отходами этого превращения

FAQ

Следите за прогрессом

Сохраните гид в личном кабинете, чтобы отслеживать прохождение

Сохранить гид

Реактор

Реактор Ф-1

Как советские физики запускали ядерную реакцию на картофельном поле

WTF

Ядерный реактор

Как забрать энергию у ядерного топлива и превратить в тепло

FAQ

Атомные станции

От реактора до градирни: тест про атомную станцию

10 шагов на пути превращения ядерной энергии в электричество

Игры

Устройство АЭС

На атомной электростанции (АЭС) тепловая энергия превращается в механическую, а механическая — в электрическую. Рассказываем, как последовательно происходит это превращение

WTF

Как работает атомная станция?

И правда ли, что атомная энергетика — одна из самых безопасных

9 художественных и документальных фильмов об атомных станциях

Что смотреть об атомных станциях

Что смотреть

Атомная электростанция: как она работает и насколько безопасна

Что происходит вокруг реактора

FAQ

…И не только

Ядерные силовые установки: атомная станция, которая не стоит на месте

Когда нужно много энергии, а подключиться к сети невозможно

FAQ

Зачем делать ледокол атомным

Сколько нужно дизельного топлива, чтобы повторить мощь и автономность ледокола класса «Арктика»

WTF

Атомные батарейки

На чем работают кардиостимуляторы, маяки и космические аппараты

FAQ

Бета-вольтаический элемент

Как напрямую преобразовать бета-излучение в электроэнергию

WTF

РИТЭГ: самая популярная космическая «батарейка»

Откуда берется энергия для космических зондов

WTF

Росатом

В 2020 году отмечается 75-летие отечественной атомной промышленности. Госкорпорация «Росатом» — технологический лидер России и глобальная компания, которая присутствует более чем в 50 странах мира. Сегодня Росатом развивает не только атомную энергетику, но и новые технологии в медицине, машиностроении, космосе, производит новые материалы, суперкомпьютеры, программное обеспечение, системы безопасности, лазеры и 3D-принтеры, строит центры обработки данных, ветропарки и атомные ледоколы, развивает Северный морской путь.

Другие гиды и курсы ПостНауки

Движение будущего

Как транспорт становится экологичным и автономным?

11 материалов

Big data смотрит на мир

Жизнь больших данных в медицине, физике, лингвистике и обработке изображений

14 материалов

Единое здоровье

Почему человек, животные и окружающая среда тесно взаимосвязаны

13 материалов

Самоорганизация будущего

Как мы будем работать в будущем?

18 материалов

атомов | Определение, структура, история, примеры, схема и факты

модель атомной оболочки

Посмотреть все медиа

Ключевые люди:: Эрнест Резерфорд
Нильс Бор
Лев Давидович Ландау
Стивен Чу
Уильям Д. Филлипс

Похожие темы:: субатомная частица
радиоактивность
изотоп
атомизм
периодическая таблица

Просмотреть весь связанный контент →

Прочтите краткий обзор этой темы

атом , наименьшая единица, на которую можно разделить материю без высвобождения электрически заряженных частиц. Это также наименьшая единица материи, обладающая характерными свойствами химического элемента. Таким образом, атом является основным строительным блоком химии.

Исследование различных конфигураций электронов в электронных оболочках вокруг ядра атома

Просмотреть все видео к этой статье

Большая часть атома представляет собой пустое пространство. Остальное состоит из положительно заряженного ядра протонов и нейтронов, окруженного облаком отрицательно заряженных электронов. Ядро маленькое и плотное по сравнению с электронами, которые являются самыми легкими заряженными частицами в природе. Электроны притягиваются к любому положительному заряду своей электрической силой; в атоме электрические силы связывают электроны с ядром.

Из-за природы квантовой механики ни одно изображение не было полностью удовлетворительным для визуализации различных характеристик атома, что вынуждает физиков использовать дополнительные изображения атома для объяснения различных свойств. В некотором отношении электроны в атоме ведут себя как частицы, вращающиеся вокруг ядра. В других электроны ведут себя как волны, застывшие вокруг ядра. Такие волновые структуры, называемые орбиталями, описывают распределение отдельных электронов. Эти орбитальные свойства сильно влияют на поведение атома, а его химические свойства определяются орбитальными группировками, известными как оболочки.

Эта статья начинается с широкого обзора фундаментальных свойств атома и составляющих его частиц и взаимодействий. После этого обзора следует исторический обзор наиболее влиятельных концепций об атоме, которые были сформулированы на протяжении веков. Для получения дополнительной информации, касающейся структуры ядра и элементарных частиц, см. субатомные частицы.

Викторина «Британника»

Наука: правда или вымысел?

Вас увлекает физика? Устали от геологии? С помощью этих вопросов отделите научный факт от вымысла.

Большая часть материи состоит из скоплений молекул, которые можно относительно легко разделить. Молекулы, в свою очередь, состоят из атомов, соединенных химическими связями, которые труднее разорвать. Каждый отдельный атом состоит из более мелких частиц, а именно электронов и ядер. Эти частицы электрически заряжены, и электрические силы на заряде ответственны за удержание атома вместе. Попытки разделить эти более мелкие составляющие частицы требуют все большего количества энергии и приводят к созданию новых субатомных частиц, многие из которых заряжены.

Как отмечалось во введении к этой статье, атом в основном состоит из пустого пространства. Ядро является положительно заряженным центром атома и содержит большую часть его массы. Он состоит из протонов, имеющих положительный заряд, и нейтронов, не имеющих заряда. Протоны, нейтроны и окружающие их электроны являются долгоживущими частицами, присутствующими во всех обычных атомах природного происхождения. Другие субатомные частицы могут быть обнаружены в ассоциации с этими тремя типами частиц. Однако они могут быть созданы только с добавлением огромного количества энергии и очень недолговечны.

Оформите подписку Britannica Premium и получите доступ к эксклюзивному контенту.
Подпишитесь сейчас

Все атомы примерно одинакового размера, независимо от того, имеют ли они 3 или 90 электронов. Приблизительно 50 миллионов атомов твердого вещества, выстроенных в ряд, будут иметь размер 1 см (0,4 дюйма). Удобная единица длины для измерения размеров атомов — ангстрем (Å), определяемый как 10 ⁻¹⁰ метра. Радиус атома составляет 1–2 Å. По сравнению с общим размером атома ядро еще меньше. Он находится в такой же пропорции к атому, как шарик к футбольному полю. По объему ядро занимает всего 10 ⁻¹⁴ метра пространства в атоме, т. е. 1 часть на 100 000. Удобная единица длины для измерения размеров ядер — фемтометр (фм), который равен 10 ⁻¹⁵ метра. Диаметр ядра зависит от числа содержащихся в нем частиц и колеблется примерно от 4 фм для легкого ядра, такого как углерод, до 15 фм для тяжелого ядра, такого как свинец. Несмотря на малые размеры ядра, в нем сосредоточена практически вся масса атома. Протоны — это массивные положительно заряженные частицы, тогда как нейтроны не имеют заряда и немного массивнее протонов. Тот факт, что ядра могут иметь от 1 до почти 300 протонов и нейтронов, объясняет их большие различия в массе. Самое легкое ядро, атом водорода, в 1836 раз массивнее электрона, а тяжелые ядра почти в 500 000 раз массивнее.

Основные свойства

Единственной наиболее важной характеристикой атома является его атомный номер (обычно обозначаемый буквой Z ), который определяется как количество единиц положительного заряда (протонов) в ядре. Например, если атом имеет Z из 6, это углерод, а Z из 92 соответствует урану. Нейтральный атом имеет равное количество протонов и электронов, поэтому положительные и отрицательные заряды точно уравновешиваются. Поскольку именно электроны определяют, как один атом взаимодействует с другим, в конечном итоге именно количество протонов в ядре определяет химические свойства атома.

Энергетический уровень атома

Атом состоит из электронов, вращающихся вокруг ядра. Электроны — это маленькие отрицательно заряженные частицы, которые движутся по круговой траектории или орбите вокруг ядра.
Они не могут свободно перемещаться в произвольном месте. Их вращение ограничено определенными орбитами в соответствии с их энергетическими уровнями.
Уровни энергии — это не что иное, как фиксированные расстояния электронов от ядра атома. Энергетические уровни также называют электронными оболочками.
Электрон может двигаться на одном энергетическом уровне или на другом энергетическом уровне, но не может оставаться между двумя энергетическими уровнями.

(Изображение будет загружено в ближайшее время)

На рисунке показаны энергетические уровни атома. Здесь показаны первые четыре энергетических уровня.
Первый энергетический уровень также называется уровнем «К». Второй уровень называется уровнем L, третий энергетический уровень — М и так далее.
Электроны с энергетического уровня K содержат наименьшую энергию, тогда как уровни, которые находятся вдали от ядра, содержат больше энергии
Электроны на самом внешнем энергетическом уровне также называются валентными электронами. Различные свойства атомов основаны на этих валентных электронах.

Состояние энергии

Увеличение энергии происходит на фиксированную величину. Если электроны поглощают эту фиксированную энергию, они могут прыгать с более низкого энергетического уровня на более высокий уровень.
Наоборот, когда электрон прыгает с более высокого уровня на более низкий уровень, он излучает энергию. Это излучение энергии обычно имеет форму света.
Когда электроны переходят с одного энергетического уровня на другой, происходит испускание или поглощение энергии.
Низкий энергетический уровень называется основным состоянием, тогда как более высокие энергетические уровни известны как возбужденные состояния.

Диаграммы уровня энергии

Для изучения характера связи между электронами, размещения электронов на орбитах и понимания поведения элементов при определенных условиях используются диаграммы энергетических уровней.
Диаграммы уровней энергии представляют собой размещение или расположение орбиталей (также известных как подоболочки) в соответствии с их возрастающими уровнями энергии.
Выше приведена пустая диаграмма энергетических уровней, которую можно использовать для представления электронов любого изучаемого атома. Диаграммы уровней энергии известны как диаграммы Гротриана. Назван в честь немецкого астронома Вальтера Гротриана (первая половина 20 века).
На этих диаграммах показаны следующие важные наблюдения:
Орбитали не содержат одинаковых энергий. На приведенной выше диаграмме видно, что орбитали 2s и 2p не расположены на одних и тех же уровнях, т.е. они не обладают одинаковой энергией друг с другом.
Орбитали с меньшей энергией располагаются ближе к ядру. т. е. порядок s, p и т. д. показывает, что орбитали имеют меньшую энергию, чем энергия орбитали p. для энергетического уровня 3 расположение должно быть 3s<3p<3d.
Для энергетического уровня 4 расположение орбиталей 4s<4p<4d. (орбиталь s имеет наименьшую энергию).
Самая внешняя орбиталь более низкого энергетического уровня имеет более высокую энергию, чем последующая орбиталь более высокого энергетического уровня. 4s имеет меньшую энергию, чем 3d.
Для заполнения вакантных энергетических уровней используется принцип Ауфбау. Это техника запоминания порядка заполнения вакантных энергетических уровней.

Значение диаграммы энергетических уровней следующее:

Благодаря диаграмме Гротриана мы видим, что излучение и поглощение света происходят на одних и тех же длинах волн.
Молекула или атом переходит из более низкого энергетического состояния в более высокое энергетическое состояние, когда они поглощают свет или сталкиваются с другим атомом или ионом, который обеспечивает достаточную энергию.
В большинстве случаев излучение начинается с возбуждения атома в более высокое состояние либо в результате столкновения, либо в результате поглощения света из окружающей среды.

Принцип Aufbau

(Изображение будет загружено в ближайшее время)

Принцип Aufbau.
Согласно принципу, в основном состоянии орбитали заполняются по возрастанию их энергий.
Электроны сначала занимают положение с меньшей энергией. они переходят на более высокие энергетические уровни только тогда, когда более низкие уровни заполнены.

Принцип исключения Паули

Правило максимальной множественности Хунда

Правило Хунда касается размещения электронов на декадентских орбиталях одних и тех же подоболочек (s, p, d).
Связывание в подоболочках s, p, d не может произойти, пока каждая орбиталь не будет занята одним электроном.
Поскольку электроны заряжены отрицательно, они отталкиваются друг от друга. Отталкивание можно минимизировать, раздвинув их и поместив индифферентные вырожденные подоболочки.
Все подоболочки, имеющие один электрон, будут вращаться в одном направлении, либо по часовой стрелке, либо против часовой стрелки.

Резюме

Электроны в молекулах, как и атомы, сначала занимают более низкие энергетические уровни.

Чтобы объяснить стабильность молекул, образованных атомами с более чем двумя электронами, мы будем анализировать только молекулярные орбитали, образованные их валентной оболочкой, а не орбитали, образованные их остовными орбиталями.

Поскольку все электроны в структуре Льюиса спарены, число связей, полученное с использованием модели молекулярных орбиталей, отличается от числа связей, полученного с использованием структуры Льюиса, поскольку два электрона неспарены.

Диамагнитный атом или молекула образуются, когда электроны в атоме или молекуле спариваются. Парамагнитный атом или молекула образуются, когда электроны в атоме или молекуле не спарены.

Атомные орбитали атомов в молекуле объединяются, образуя молекулярные орбитали.

Поскольку электроны расположены между двумя ядрами, молекулярная орбиталь, созданная посредством конструктивной интерференции, является связывающей молекулярной орбиталью. Поскольку его электроны расположены вдали от области между двумя ядрами, молекулярная орбиталь, генерируемая из-за деструктивной интерференции, известна как антисвязывающая молекулярная орбиталь или молекулярная орбиталь сигма-звезды, что делает молекулу менее стабильной.

Энергия молекулярных орбиталей определяется энергиями атомных орбиталей, участвующих в их образовании.

Например, энергии молекулярных орбиталей, образованных комбинацией 2s-атомных орбиталей, будут выше, чем энергии молекулярных орбиталей, образованных комбинацией 1s-атомных орбиталей. Связывающие молекулярные орбитали имеют меньшую энергию, чем разрыхляющие орбитали в той же паре молекулярных орбиталей.

Вырожденные орбитали, такие как 2px, 2py и 2p*x, 2p*y, создаются путем объединения 2pz, 2px и 2py и имеют одинаковые энергии.

Атомная энергия | Национальное географическое общество

Ядерная энергия — это энергия ядра или сердцевины атома. Атомы — это крошечные единицы, из которых состоит вся материя во Вселенной, а энергия — это то, что удерживает ядро вместе. В плотном ядре атома содержится огромное количество энергии. На самом деле сила, удерживающая ядро вместе, официально называется «сильным взаимодействием».

Ядерная энергия может быть использована для создания электричества, но сначала она должна быть высвобождена из атома. В процессе ядерного деления атомы расщепляются, чтобы высвободить эту энергию.

Ядерный реактор или электростанция представляет собой серию машин, которые могут управлять ядерным делением для производства электроэнергии. Топливо, которое используют ядерные реакторы для производства ядерного деления, представляет собой гранулы элемента урана. В ядерном реакторе атомы урана вынуждены распадаться. При расщеплении атомы выделяют мельчайшие частицы, называемые продуктами деления. Продукты деления вызывают расщепление других атомов урана, запуская цепную реакцию. Энергия, высвобождаемая в результате этой цепной реакции, создает тепло.

Тепло, создаваемое ядерным делением, нагревает хладагент реактора. В качестве хладагента обычно используется вода, но в некоторых ядерных реакторах используется жидкий металл или расплавленная соль. Хладагент, нагретый ядерным делением, производит пар. Пар вращает турбины или колеса, вращаемые текущим потоком. Турбины приводят в действие генераторы или двигатели, вырабатывающие электричество.

Стержни из материала, называемого ядерным ядом, могут регулировать количество производимого электричества. Ядерные яды — это материалы, такие как разновидность ксенона, которые поглощают некоторые продукты деления, образующиеся при ядерном делении. Чем больше стержней ядерного яда присутствует при цепной реакции, тем медленнее и управляемее будет реакция. Удаление стержней позволит усилить цепную реакцию и создать больше электричества.

По состоянию на 2011 год около 15 процентов электроэнергии в мире вырабатывается атомными электростанциями. В Соединенных Штатах более 100 реакторов, хотя большую часть электроэнергии они производят из ископаемого топлива и гидроэлектроэнергии. Такие страны, как Литва, Франция и Словакия, производят почти всю свою электроэнергию на атомных электростанциях.

Ядерная пища: Уран

Уран является топливом, наиболее широко используемым для производства ядерной энергии. Это потому, что атомы урана относительно легко распадаются. Уран также является очень распространенным элементом, который встречается в горных породах по всему миру. Однако особый тип урана, используемый для производства ядерной энергии, называемый U-235, встречается редко. U-235 составляет менее одного процента урана в мире.

Хотя часть урана, используемого Соединенными Штатами, добывается в этой стране, большая часть импортируется. США получают уран из Австралии, Канады, Казахстана, России и Узбекистана. После добычи урана его необходимо извлечь из других полезных ископаемых. Он также должен быть обработан, прежде чем его можно будет использовать.

Поскольку ядерное топливо может использоваться для создания ядерного оружия, а также ядерных реакторов, только страны, которые являются частью Договора о нераспространении ядерного оружия (ДНЯО), могут импортировать уран или плутоний, другое ядерное топливо. Договор способствует мирному использованию ядерного топлива, а также ограничению распространения ядерного оружия.

Типичный ядерный реактор использует около 200 тонн урана каждый год. Сложные процессы позволяют повторно обогащать или перерабатывать некоторое количество урана и плутония. Это уменьшает объем добычи, извлечения и обработки, которые необходимо выполнить.

Атомная энергия и люди

Атомная энергия производит электричество, которое можно использовать для питания домов, школ, предприятий и больниц. Первый ядерный реактор для производства электроэнергии был расположен недалеко от Арко, штат Айдахо. Экспериментальный реактор-размножитель начал работать в 1951. Первая атомная электростанция, предназначенная для обеспечения энергией населенного пункта, была построена в Обнинске, Россия, в 1954 году.

Строительство ядерных реакторов требует высокого уровня технологий, и только страны, подписавшие Договор о нераспространении ядерного получить уран или плутоний, который требуется. По этим причинам большинство атомных электростанций расположены в развитых странах мира.

Атомные электростанции производят возобновляемую, чистую энергию. Они не загрязняют воздух и не выделяют парниковых газов. Они могут быть построены в городской или сельской местности и не меняют радикально окружающую среду вокруг себя.

Пар, питающий турбины и генераторы, в конечном итоге перерабатывается. Он охлаждается в отдельной конструкции, называемой градирней. Пар снова превращается в воду и может снова использоваться для производства электроэнергии. Избыточный пар просто перерабатывается в атмосферу, где он мало вредит, как чистый водяной пар.

Однако побочным продуктом ядерной энергетики является радиоактивный материал. Радиоактивный материал представляет собой набор нестабильных атомных ядер. Эти ядра теряют свою энергию и могут воздействовать на многие материалы вокруг них, включая организмы и окружающую среду. Радиоактивный материал может быть чрезвычайно токсичным, вызывая ожоги и повышая риск развития рака, заболеваний крови и разрушения костей.

Радиоактивные отходы — это то, что осталось от работы ядерного реактора. Радиоактивные отходы — это в основном защитная одежда, которую носят рабочие, инструменты и любые другие материалы, которые контактировали с радиоактивной пылью. Радиоактивные отходы долговечны. Такие материалы, как одежда и инструменты, могут оставаться радиоактивными в течение тысяч лет. Правительство регулирует, как эти материалы утилизируются, чтобы они не загрязняли что-либо еще.

Использованное топливо и стержни ядерного яда чрезвычайно радиоактивны. Использованные урановые таблетки должны храниться в специальных контейнерах, напоминающих большие плавательные бассейны. Вода охлаждает топливо и изолирует внешнюю часть от контакта с радиоактивностью. Некоторые атомные электростанции хранят отработавшее топливо в сухих резервуарах над землей.

Места для хранения радиоактивных отходов вызвали большие споры в Соединенных Штатах. Например, в течение многих лет правительство планировало построить огромное хранилище ядерных отходов недалеко от Юкка-Маунтин, штат Невада. Экологические группы и местные жители протестовали против этого плана. Они были обеспокоены утечкой радиоактивных отходов в систему водоснабжения и окружающую среду горы Юкка, примерно в 130 километрах (80 миль) от большого городского района Лас-Вегаса, штат Невада. Хотя правительство начало расследование этого места в 1978, в 2009 году компания прекратила планирование хранилища ядерных отходов в Юкка-Маунтин.

Чернобыль

Критики атомной энергетики опасаются, что хранилища для радиоактивных отходов протекут, треснут или разрушатся. Затем радиоактивный материал может загрязнить почву и грунтовые воды вблизи объекта. Это может привести к серьезным проблемам со здоровьем людей и организмов в этом районе. Все населенные пункты должны быть эвакуированы.

Вот что произошло в Чернобыле, Украина, в 1986. Паровой взрыв на одной из электростанций с четырьмя ядерными реакторами вызвал пожар, называемый шлейфом. Этот шлейф был очень радиоактивным, создавая облако радиоактивных частиц, которые падали на землю, называемые радиоактивными осадками. Осадки распространились на Чернобыльскую АЭС, а также на прилегающую территорию. Осадки переносились ветром, и частицы попали в круговорот воды в виде дождя. Радиоактивность, связанная с Чернобылем, выпала в виде дождя над Шотландией и Ирландией. Большая часть радиоактивных осадков выпала на Беларусь.

Последствия чернобыльской катастрофы для окружающей среды были незамедлительными. На километры вокруг объекта сосновый лес высох и погиб. Красный цвет мертвых сосен принес этой местности прозвище Рыжий лес. Рыба из близлежащей реки Припять была настолько радиоактивна, что люди больше не могли ее есть. Крупный рогатый скот и лошади в этом районе погибли.

Более 100 000 человек были переселены после катастрофы, но количество человеческих жертв Чернобыля определить сложно. Последствия радиационного отравления проявляются только через много лет. Рак и другие заболевания бывает очень трудно проследить до единственного источника.

Будущее ядерной энергетики

Ядерные реакторы используют деление или расщепление атомов для производства энергии. Ядерная энергия также может быть получена путем синтеза или соединения (слияния) атомов вместе. Солнце, например, постоянно подвергается ядерному синтезу, когда атомы водорода сливаются, образуя гелий. Поскольку вся жизнь на нашей планете зависит от солнца, можно сказать, что ядерный синтез делает возможной жизнь на Земле.

Атомные электростанции не могут безопасно и надежно производить энергию путем ядерного синтеза.