Ядерная энергия  и проблемы её использования. Термоядерный синтез. Энергоэффективные технологии.

Ядерная энергия - это внутренняя энергия атомного ядра, выделяющаяся при ядерных реакциях. Ядерную энергию можно получить в ядерных реакциях или радиоактивном распаде ядер. Основные источники ядерной энергии:

1) за счёт деления тяжёлого ядра на два более лёгких, и 2) за счёт соединения (синтеза) двух лёгких ядер и превращения их в одно более тяжёлое.реакции деления тяжёлых ядер и синтеза (соединения) лёгких ядер. Последний процесс называют также термоядерными реакциями.  В обоих процессах совершается переход к ядрам, в которых нуклоны связаны сильнее, и часть ядерной энергии связи освобождается. Первый способ получения энергии используется в ядерном реакторе и атомной бомбе, второй – в разрабатываемом термоядерном реакторе и термоядерной (водородной) бомбе. Термоядерные реакции также являются источником энергии звёзд.

   Обсуждаемые два способа получения энергии являются рекордными с точки зрения энергии, приходящейся на единицу массы топлива. Так при полном делении 1 грамма урана выделяется энергия около 1011 Дж, т.е. примерно та же, что при взрыве 20 кг тринитротолуола (тротила). Таким образом, ядерное горючее эффективнее химического в 107 раз. Энергия деления ядер урана или плутония применяется в ядерном и термоядерном оружии (как пускатель термоядерной реакции). Существовали экспериментальные ядерные ракетные двигатели, но испытывались они исключительно на Земле и в контролируемых условиях, по причине опасности радиоактивного загрязнения в случае аварии. На атомных электрических станциях ядерная энергия используется для получения тепла, используемого для выработки электроэнергии и отопления. Ядерные силовые установки решили проблему судов с неограниченным районом плавания (атомные ледоколы, атомные подводные лодки, атомные авианосцы). В условиях дефицита энергетических ресурсов ядерная энергетика считается наиболее перспективной в ближайшие десятилетия.

Но несмотря на эффективность ядерной энергии, существуют очень значительные проблемы ее использования. Существует несколько основных проблем, связанных с ядерной энергетикой, прежде всего — опасность загрязнения окружающей среды. На сегодняшний день нигде в мире не решена, и возможно является фундаментально нерешаемой, проблема захоронения радиоактивных отходов. Из одного килограмма урана можно получить столько же тепла, сколько выделяется при сжигании 2 миллионов килограммов угля или полутора миллионов килограммов нефти. Однако использование ядерной энергии зависит от решения проблемы радиоактивного заражения, утечки радиоактивных отходов и переработки отработанного топлива. Все эти проблемы до конца не решены, поэтому использование столь эффективной энергии грозит большой опасностью для человека и всего мира.

Термоядерная реакция — это реакция синтеза легких ядер в более тяжелые.

Для ее осуществления необходимо, чтобы исходные нуклоны или легкие ядра сблизились до расстояний, равных или меньших радиуса сферы действия ядерных сил притяжения (т.е. до расстояний 10-15 м). Такому взаимному сближению ядер препятствуют кулоновские силы отталкивания, действующие между положительно заряженными ядрами. Для возникновения реакции синтеза необходимо нагреть вещество большой плотности до сверхвысоких температур (порядка сотен миллионов Кельвин), чтобы кинетическая энергия теплового движения ядер оказалась достаточной для преодоления кулоновских сил отталкивания. При таких температурах вещество существует в виде плазмы. Поскольку синтез может происходить только при очень высоких температурах, ядерные реакции синтеза и получили название термоядерных реакций . В земных условиях температуру, обеспечивающую "поджигание" термоядерной реакции, удается получить за счет атомного взрыва . Так устроена водородная бомба, где взрыв ядерного запала приводит к мгновенному нагреву смеси дейтерия с тритием и последующему термоядерному взрыву. Но это неуправляемый процесс.

Для осуществления управляемого ядерного синтеза требуется несколько условий. Во-первых, нужно нагреть термоядерное горючее до температуры, когда реакции синтеза могут происходить с заметной вероятностью. Во-вторых, необходимо, чтобы при синтезе выделялось больше энергии, чем её затрачивается на нагрев вещества. Для осуществления термоядерной реакции наиболее выгодна температура около 100 млн. градусов. Что касается времени удержания энергии, т. е. качества изоляции, то в данном случае условие следующее: плазма с плотностью 1014  ионов в 1 см3 должна заметно остывать не быстрее, чем за 1 секунду.

Удержание плазмы от попадания на теплоизолирующие стенки осуществляется при помощи магнитных полей, направляющих поток частиц по спирали, замкнутой в кольцо. Так как плазма состоит из ионов и электронов, магнитное поле имеет на неё прямое влияние.

Для нагрева можно использовать ток, протекающий по плазменному «шнуру». Есть и другие способы нагрева – высокочастотными электромагнитными волнами, пучками быстрых частиц, световыми пучками, генерируемыми лазерами.

Чем больше мощность нагревающего устройства, тем быстрее можно разогреть плазму до требуемой температуры. Последние разработки позволяют это делать за столь короткое время, что вещество успевает вступить в реакцию синтеза раньше, чем разлететься из-за теплового движения. В таких условиях дополнительная термоизоляция оказывается ненужной. Единственное, что удерживает частицы от разлета, это их собственная инерция. Данное направление – инерционный термоядерный синтез – усиленно развивается в последнее время.

Стоимость всех используемых человеком энергоресурсов имеет устойчивую тенденцию к росту – именно поэтому сегодня такое значение имеет внедрение энергоэффективных технологий. Новые разработки позволяют не только сократить расходы потребителей, но и уменьшить вредное воздействие на окружающую среду. Энергоэффективные технологии – это оборудование с высоким КПД, которое предусматривает использование доступных восполняемых источников энергии.

Чтобы повысить энергоэффективность ядерной энергетики необходимо:

• анализ состояния основного и вспомогательного оборудования АЭС, тепловой схемы, отчетности станций;
• выявление малозатратных мероприятий по повышению энергоэффективности и энергосбережению;
• расчеты снижения выбросов парниковых газов;
• расчеты  экологического эффекта (снижение выбросов загрязняющих веществ в атмосферу, сбросов в водоемы, образования отходов);
• внедрение оборудований  с высоким КПД.

Кроме того необходимо использование альтернативных источников энергии, таких как солнечная, ветровая, энергия воды, биомассы и геотермальная.