ФІзика 9 клас Магнітне поле Атомне ядро. Ядерна енергетика

Матеріал з Фізмат Вікіпедії
Перейти до: навігація, пошук

«Струм, магнітне поле та ядерна фізика»

1.Електричний струм. Струм у природі.

Електричний струм В основі струму лежить магнітна дія. Над магнітною стрілкою, наприклад компаса, розміщений провідник, до якого може бути приєднаний гальванічний елемент, що ним користуються для одержання струму. У разі вмикання струму магнітна стрілка відхиляється – спостерігається магнітна дія струму. Саме наявність магнітної дії і є тією властивістю, що дає можливість говорити про наявність електричного струму. Дослідження показали, що струм створюють рухомі заряджені частинки або тіла. Як бачимо з досліду, у металевому провіднику струм виник тоді, коли до нього приєднали гальванічний елемент – джерело електричного струму. Металевий провідник має кристалічні ґратки, що утворюються з атомів і позитивно заряджених часток. Між цими частками хаотично рухаються електрони. Коли до такого провідника приєднати джерело струму, то на заряджені частинки металу будуть діяти електричні сили: в одному напрямку на позитивно заряджені частинки, а у протилежному – на негативно заряджені. Зазвичай, хаотичний рух електронів не припиняється, але всі вони ще будуть рухатись у певному напрямку під дією електричного поля, як рій мошок чи бджіл, що переміщується у певному напрямку під дією вітру. Саме цей напрямлений рух електронів у провіднику (зокрема металі) і є струмом. Слово «струм» означає рух, потік. У провідниках можуть переміщатися різні заряджені частинки. Електричний струм – це впорядкований рух заряджених частинок. Для практичного використання електричного струму потрібні джерело струму, його споживачі (наприклад, лампи), а також провідники, за допомогою яких струм передається від джерела до споживача. Для вмикання струму користуються вимикачами, а для запобігання пошкодженню приладів – запобіжниками. Усі складові частини з'єднані у замкнене коло. Тому такі установки називають електричними колами. У замкнених електричних колах розрізняють їх внутрішню частину (власне джерело струму) і зовнішню (все те, що приєднується до полюсів джерела струму). Щоб електричний струм у провіднику існував протягом певного часу, потрібно мати джерело електричного струму. Добре відомими вам джерелами струму є батарейки, акумулятори для кишенькового ліхтарика, різних електричних іграшок, годинників, мобільних телефонів тощо. Кожне джерело струму має позитивний полюс, на якому нагромаджуються позитивні заряди, і негативний полюс, на якому нагромаджуються негативні заряди, їх умовно позначають знаками « + » і «–». Потужними джерелами електричного струму є різні типи електростанцій: теплові (ТЕС), гідравлічні (ГЕС), атомні (АЕС), вітрові (ВЕС), сонячні (Геліостанції), геотермальні (ГеоЕС) (використовується теплота Землі) електростанції. У найпростіших випадках до складу електричних кіл входять: 1) джерело струму; 2) системи з'єднувальних провідників і керуючих пристроїв; 3) споживачі електричної енергії (лампа). Якщо до джерела струму за допомогою провідників з'єднати електричну лампу, заряджені частинки в провіднику починають рухатися, виникає електричний струм, лампа світиться. Для вимірювання фізичних величин, що характеризують електричний струм, у коло вмикають різноманітні прилади – амперметри, вольтметри, лічильники електричної енергії тощо. Електричний струм має магнітну дію, а про його теплову дію ви знаєте з повсякденного життя (електричний паяльник, електроплита, праска, лампа розжарювання та багато інших приладів). Світлову дію струму можна спостерігати на прикладі блискавки, свічення ламп денного світла, полярного сяйва. Електричний струм має також фізіологічну дію, тобто впливає на живі організми, і у багатьох випадках буває дуже небезпечним. Тому під час використання електричного струму слід обов'язково дотримуватися правил техніки безпеки. Струм має також й хімічну дію.

Струм у природі

електричний магнітний струм атом енергетика Під час грози внаслідок тертя в хмарах шарів повітря і краплин води відбувається їх електризація. Під час грози наелектризовані хмари можуть зблизитись настільки, що від цього виникає електричне явище – блискавка. Грім, що супроводить блискавку зовсім безпечний. Це звук, який виникає від раптового розширення повітря, що нагрівається під час виникнення блискавки. Під час грози блискавка також може виникнути між хмарою та землею. Це дуже небезпечно, бо від блискавки трапляються пожежі і гинуть люди. Тому під час грози необхідно дотримуватись певних правил: уникати контакту з металевими тілами. Якщо гроза застала на відкритій місцевості, рекомендується сісти на землю і перечекати її. Можна заховатися у заглибину в землі, а не стояти під поодиноким деревом. Окрім лінійної зрідка спостерігається блискавки незвичайної форми. Одні з них нагадують ракету. Інші мають вигляд ланцюжка з точок, що світяться. А деякі виникають як яскрава куля різного забарвлення й величини (10-20 см в діаметрі). Це куляста блискавка, яка повільно й безшумно пересуваючись у повітрі, може проникнути вглиб будівлі крізь щілини, димарі, труби й через кілька секунд розірватися з сильним тріском або ж безшумно вислизнути в інший отвір. Це дуже рідкісне явище, яке виникає після удару лінійної блискавки. Існує від однієї секунди до кількох хвилин. Природа кулястої блискавки досі не з'ясована. Щоб запобігти влучанню блискавки, на будинки та інші споруди встановлюють блискавковідводи. Електричне походження мають також полярні сяйва. Вони являють собою разюче явище світіння, що спостерігається на небі найчастіше у полярних областях. Вважається, що цей феномен існує також і в атмосферах інших планет, наприклад Венери. Природа і походження полярних сяйв є предметом інтенсивних досліджень. Вважають, що вони відбуваються в результаті світіння розріджених шарів повітря на висоті 90-1000 км під дією протонів й електронів, які проникають в земну атмосферу з космосу. Розрахунки, виконані на основі багатьох фотоспостережень на Алясці, в Канаді і Норвегії, показують, що близько 94 % полярних сяйв приурочено до висот від 90 до 130 км над земною поверхнею. Максимальна зареєстрована висота появи полярного сяйва близько 1130 км, мінімальна — 60 км. Полярні сяйва мають дуже різноманітні форми, включаючи проблиски, плями, однорідні дуги і смуги, пульсуючі дуги і поверхні, спалахи, промені, променисті дуги, корони. Встановлено, що співвідношення інтенсивності найяскравіших до найслабших полярних сяйв становить 1000:1. Іноді в океані, коли над судном проходять грозові хмари, моряки бачать, як на щоглах з’являється світіння, яке супроводжується легким потріскуванням. Час від часу вогники бігають й по поверхні води. Це вогні святого Ельма – світлові блідо-блакитні або фіолетові електричні спалахи довжиною від 30 см до 1 м і більше. Їх появу моряка вважали добрим знаком, який попереджує про закінчення шторму. Вогні святого Ельма часом виникають на гірських вершинах, а також на шпилях і гострих кутах високих будівель. Вперше їх побачили в епоху Середньовіччя на вежах церкви Святого Ельма. Це явище являє собою електричні розряди на кінцях електропровідників, коли в атмосфері навколо них сильно підвищується напруженість електричного поля. При цьому виникає розряд, але не відразу, як під час блискавки, а поступово. З гострих предметів вилітає безліч електричних іскор, утворюючи світіння.


2.Магнітний запис інформації. Полюси магніту. Що таке магніт? Природні та штучні магніти

Технологія запису інформації на магнітні носії з'явилася порівняйтельно недавно - приблизно в середині 20-го століття (40-ві - 50-ті роки). Але вже декілька десятиліть по тому - 60-ті - 70-ті роки - це технологія стала дуже розповсюджена у всьому світі. Дуже давно з'явилася на світ перша грамплатівка, яка використовувалась як носій різних звукових даних - на неї записували різні музичні мелодії, мова людини, пісні. Сама технологія запису на платівки була досить простою. За допомогою спеціального апарата в спеціальному м'якому матеріалі, вінілі, робилися зарубки, ямки, смужки. І з цього виходила пластинка, яку можна було прослухати за допомогою спеціального апарата - патефон або програвача. 121.png

Патефон складався з: механізму, що обертає платівку навколо своєї осі, голки і трубки. Приводився в дію механізм, який крутив платівку, і ставилася голка на платівку. Голка плавно пливла по канавках, прорубаним в пластинці, видаючи при цьому різні звуки - залежно від глибини канавки, її ширини, нахилу і.т.д., використовуючи явище резонансу. А потім труба, що знаходилася біля самої голки, посилювала звук, "добувається" голкою. (Рис. 1) Майже така ж система і використовується в сучасних (та й використовувалася раніше теж) пристроях зчитування магнітного запису. Функції складових частин залишилися колишньому, тільки помінялися самі складові частини - замість вінілових пластинок тепер використовуються стрічки з напиленням на них зверху шаром магнітних частинок; а замість голки - спеціальний зчитувальний пристрій. А трубка, що підсилює звук, зникла зовсім, і на її місце прийшли динаміки, використовуючи вже Болден нову технологію відтворення та посилення звукових коливань. А в деяких галузях, в яких застосовуються магнітні носії (наприклад, в комп'ютер) пропала необхідність використання таких трубок. Магнітна стрічка складається із смужки щільної речовини, на яку напилюється шар феромагнетиків. Саме на цей шар "запам'ятовується" інформація. Процес запису також схожий на процес запису на вінілові платівки - за допомогою магнітної індукційної замість спеціального апарату. На головку подається струм, який приводить в дію магніт. Запис звуку на плівку відбувається завдяки дії електромагніта на плівку. Магнітне поле магніту змінюється в такт із звуковими коливаннями, і завдяки цьому маленькі магнітні частинки (домени) починають змінювати своє місце розташування на поверхні плівки в певному порядку, залежно від впливу на них магнітного поля, створюваного електромагнітом. А при відтворенні запису спостерігається процес зворотний запису: намагнітна стрічка збуджує в магнітній головці електричні сигнали, які після підсилення надходять далі в динамік. (Рис. 2)

122.png

Дані, що використовуються у комп'ютерній техніці, записуються на магнітні носії таким же чином, з тією різницею, що для даних потрібно менше місця на плівці, ніж для звуку. Просто вся інформація, що записується на магнітний носитель в комп'ютерах, записується в двійковій системі - якщо при читанні з носія голівка "відчуває" перебування під собою домену, то це означає, що значення даної частинки даних одно "1", якщо не "відчуває", то значення - "0". А далі вже система комп'ютера перетворює дані, записані в двійковій системі, у більш зрозумілу для людини систему. Зараз у світі присутня безліч різних типів магнітних носіїв: дискети для комп'ютерів, аудіо-та відеокасети, бабіних стрічки, жорсткі диски всередині комп'ютерів і.т.д. Але поступово відкриваються нові закони фізики, і разом з ними - нові можливості запису інформації. Вже кілька десятиліть тому з'явилося мно-дружність носіїв інформації, що базуються на новій технології - зчитування інформації за допомогою лінз і лазерного променя. Але все-одно технологія магнітної запису проіснує ще досить довго через свою зручність у використання-ванні.   Магнітне поле землі

Магнітні властивості певних речовин були відомі китайцям ще в IV ст. до н. е. Пізніше вони виявили, що магніти завжди встановлюються у напрямку, що показує на північ чи південь. Такий покажчик, мабуть, і був прообразом компаса. «Покажчики півдня» у вигляді людини з витягнутою рукою встановлювали китайці на своїх колісницях. У 1595 році англійський фізик Уїльям Гільберт виготовив з природного магнетиту кулю і помітив, що ця куля має два полюси, а магніт або виготовлена з нього магнітна стрілка встановлюється в напрямі північ – південь. Це дало змогу Гільберту припустити, що Земля є великим магнітом. На малюнку показане магнітне поле Землі. Південний магнітний полюс Землі знаходиться на півночі, але він не збігається точно з Північним географічним полюсом, а віддалений від нього приблизно на 2100 км. Північний магнітний полюс Землі міститься поблизу Південного географічного полюса.

123.png

Для орієнтування на місцевості люди виготовили прилад компас. Хоча напрями на північ і південь компас показує лише наближено, тобто з певною похибкою. Він дає змогу визначати сторони горизонту за будь-якої погоди. Тому компас обов'язково беруть із собою мореплавці, геологи, туристи. Основна складова цього приладу – магнітна стрілка. Вона розташована на вістрі голки і вільно обертається. Оскільки наша планета сама є магнітом велетенських розмірів, магнітна стрілка компаса щомиті відчуває магнітну дію Землі. І тому один її кінець завжди вказує на північ, а інший – на південь. Іноді спостерігаються так звані магнітні бурі, коли компас може не показувати правильно напрямку північ-південь. Це буває тоді, коли Сонце виявляє активність і в атмосферу Землі потрапляє значна кількість заряджених частинок, зокрема електронів і протонів. Деякі живі організми можна назвати “живими магнітами”. Так, у степах Північної Америки росте невеличка рослина, яку називають сильфіум. Їїї широкі мережані листочки розташовані в одній площині і завжди орієнтовані ребром на північ південь, широкою стороною на захід схід. Для подорожніх сильфіум є надійним компасом. Ця дивна властивість захищає рослину від пекучих сонячних променів і надмірного випаровування вологи. Магнітне поле Землі є орієнтиром, наприклад, для слимаків. Якщо на шляху слимака покласти магніт, що діє на слимака трохи сильніше, ніж магнітне поле Землі, то, повертаючи магніт у той чи інший бік, можна змінювати напрям руху слимака. Виявлено, що навіть мухи якимось способом відчувають магнітне поле Землі. Німецький учений Гюнтер помітив, що в 90 випадках зі 100 вони сідають на горизонтальну поверхню в напрямку точно північ – південь або схід – захід. Таку саму особливість він виявив у хрущів і термітів. Отже, найважливішими властивостями магнітів є: • різні частини магніту по-різному притягують залізні предмети; найсильніше притягують полюси магніту; • магніт завжди має два полюси: північний і південний; не може бути магніту з одним полюсом; • різнойменні полюси магнітів притягуються, а однойменні – відштовхуються; • підвішений на нитці магніт розміщується так, що вказує напрям на північ і на південь; • Земля є велетенським магнітом.

  Полюси магніту

124.png

Покладемо на столі дрібні цвяхи. Наблизимо до них магніт. Виявиться, що найбільше цвяхів притягнеться до кінців магніту. Ділянки магніту, де виявляються найсильніші магнітні дії, називаються полюсами магніту. Якщо магніт підвісити на нитці, то через деякий час він повернеться і розміститься вздовж напряму «північ – південь». Той полюс магніту, який повертається на північ, називають північним полюсом (позначається літерою N), а той, що повертається на південь – південним (позначається літерою S). Будь-який магніт обов'язково має два полюси. Якщо спробувати розділити полюси магніту, то з цього нічого не вийде. Скільки б ми не ділили магніт на окремі частини, він завжди матиме північний і південний полюси. Навіть найменший шматочок магніту, відокремлений від будь-якої його частини, завжди матиме два полюси. Піднесемо магніт до полюсів магнітної стрілки. Північний полюс стрілки відштовхується від північного полюса магніту і притягується до південного полюса. Південний полюс стрілки відштовхується від південного полюса і притягується до північного. Тобто, різнойменні магнітні полюси двох магнітів притягуються, однойменні відштовхуються. Притягання тіл до магніту дістало назву магнітних явищ. Магніт діє вибірково одні тіла він притягує, інші – ні.   Що таке магніт? Природні та штучні магніти

125.png

У природі існує речовина залізна руда (магнітний залізняк), що здатна притягувати до себе залізо, сталь, нікель, кобальт та інші речовини. Завдяки тому, що магнітний залізняк притягує до себе інші речовини, люди вперше ознайомилися з магнітними властивостями тіл. Багаті поклади магнітного залізняку в Україні знаходяться в Дніпропетровській та Запорізькій областях. Тіла, які мають магнітні властивості, називаються магнітами (від грецького – камінь з міста Магнесії – давнього міста у Туреччині). Отже, залізна руда є природним магнітом. Кожний з вас може зробити магніт у себе вдома. Ще в 1269 році П’єр Перегрін написав книжку, яка називалася «Листи про магніти». Він встановив, що якщо стальну спицю потерти природним магнітом, то вона стане магнітом або, як ми кажемо, намагнітиться. Такі магніти дістали назву штучних. Для того, щоб зробити магніт вдома, потрібно взяти довгий залізний цвях, молоток або викрутку і покласти їх вздовж напряму, який вказує магнітна стрілка компаса, тобто вздовж лінії «північ південь». Через кілька тижнів ці предмети почнуть проявляти магнітні властивості. Магніти широко використовує людина. Ними можна скористатись для кріплення карт, таблиць, для пошуку голки, інших дрібних залізних виробів, для щільного закривання дверей тощо. Намагнічений інструмент дає можливість годинниковому майстру працювати із дрібними залізними деталями, не гублячи їх. Залежно від призначення магніти виготовляють різноманітної форми та розмірів. Існують штучно виготовлені підковоподібний та штабовий магніти. В них одна половина зафарбована у синій колір, інша – у червоний. Це зроблено для того, щоб розрізняти північний полюс (Пн.) магніту та південний (Пд.). Енергетика сьогодні Розвиток людського суспільства нерозривно пов’язаний з використанням природних ресурсів нашої планети, з споживанням різних видів енергії в все зростаючих масштабах. Усі здобутки сучасної цивілізації - величезна різноманітність товарів, різний за швидкістю і комфортом транспорт, космічні польоти і т.д. - можливі завдяки тій величезній кількості штучної енергії, яку виробляє людство. В основі виробництва теплової та електричної енергії лежить процес спалювання копалин енергоресурсів – вугілля, нафти, газу. Масштаб добутку та витрачання копалин енергоресурсів, металів, споживання води, повітря для виробництва необхідної людству кількості енергії величезний, а запаси ресурсів, обмежений. Особливо гостро стоїть проблема швидкого вичерпування запасів органічних природних енергоресурсів, так як більшість ресурсів не відновлюється, по крайній мірі, в помітній кількості. В історії людства не було наукової події, більш видатної за своїми наслідками, ніж відкриття ділення ядер урану. Цей винахід прибавив до запасів енергетичних копалин палива істотний вклад ядерного палива. Запаси урану у земній корі оцінюються величезним числом 1014 тонн. Але основна маса цього багатства знаходиться у розсіяному стані – у гранітах, базальтах. У водах світового океану кількість урану досягає 4109 тонн. Але багатих родовищ урану, де добуток був би недорогим, відомо порівняно небагато. Тому масу ресурсів урану, котру можна здобути при сучасній технології та при помірних цінах, оцінюють у 108 тонн. Людина отримала у своє розпорядження величезну, ні з чим незрівнянну силу, нове могутнє джерело енергії, закладене в ядрах атомів, - ядерну енергію. Науково - технічний прогрес визначається розвитком енергетики країни. Енергетика - найважливіша галузь народного господарства, яка охоплює енергетичні ресурси, вироблення, перетворення, передачу та використання різноманітних видів енергії. Це основа економіки країни. До складу енергетичної галузі України входять 5 атомних електричних станцій (АЕС) встановленою потужністю 12.818 млн. КВт, 8 гідроелектростанцій (ГЕС) встановленою потужністю 4.7 млн. КВт, теплові електростанції (ТЕС), встановленою потужністю 36.5 млн. КВт, а також системоутворююча та розподільча мережі довжиною понад 1 млн. км. Всі електростанції України діляться на 4 види: - теплові електростанції, які працюють на твердому, рідкому та газоподібному паливі. - гідравлічні, які використовують гідроресурси та поділяються на гідроелектростанції , гідростимуляційні та припливні ; - атомні, які в виді палива використовують збагачений уран або інші радіоактивні елементи; - електростанції, які використовують нетрадиційні джерела енергії. Серед них перспективними є вітрові та сонячні. В структурі виробництва електроенергії ТЕС складає 40,9%, ГЕС - 10,7%, АЕС - 45,4%, 3% електроенергії вироблено іншими малими станціями. До складу енергетичної галузі України входять 5 атомних електростанцій (АЕС) встановленою потужністю 12.818 млн. КВт: - Запорізька АЕС; - Рівненська АЕС; - Чорнобильська АЕС; - Хмельницька АЕС; - Південно – Українська АЕС. Під тиском суспільства зупинено будівництво Кримської, Чигиринської, Харківської АЕС та Одеської ТЕЦ; На 5 атомних станціях України знаходиться 17 енергоблоків, у т.ч.: - діючих - 14; - знятих з експлуатації - 2 (№ 1, 2 Чорнобильської АЕС); - зруйнований -1 (внаслідок аварії 4 блок ЧАЕС). Розвиток атомної енергетики за останні роки значно забарився. Головна причина - широко розповсюджене переконання в „шкідливості” атомної енергетики, сумніви в можливостях досягнення припустимого рівня безпеки АЕС на базі сучасної технології. Великий вплив на відношення людства до атомної енергетики завдали аварії на атомних електростанціях, особливо аварія на 4-му блоці Чорнобильської АЕС, яка сталася 26 квітня 1986р. Під впливом цієї аварії в деяких країнах піднялась широка хвиля суспільного опору використанню атомних електростанцій, викликана страхами про небезпеку впливу атомної радіації на навколишнє середовище і населення. Після цих подій різко зросла інтенсивність наукових досліджень в області забезпечення безпеки об’єктів атомної енергетики. Однак, велика кількість досліджень проблем безпеки АЕС хоч і виявили недоліки, упущення, навіть помилки в мірах забезпечення безпеки АЕС, лише підтвердили впевненість спеціалістів в тому, що високий рівень безпеки АЕС може бути досягнуто на основі сучасних знань та технологій. Атом. Атомне ядро. Ланцюгова реакція. Все в світі складається з молекул, які представляють собою складні комплекси взаємодіючих атомів. Молекули це найменші частки речовини, які зберігають його властивості. В склад молекул входять атоми різних хімічних елементів. Атом - будівельний матеріал природи. Якщо покласти сто мільйонів атомів рядом, то довжина такого рядка становитиме 1 дюйм (2,54 см). Атоми складаються переважно з порожнього простору. Центр атома - це протони і нейтрони, які разом утворюють ядро, а в ядрі зосереджена більша частина ваги атома. Якби речовина складалася тільки із самих щільно спресованих атомних ядер, то монета завбільшки з пенні важила б сорок мільйонів тонн. Однак ядро займає всього одну стотисячну частину об’єму атома. Решта об’єму - простір і крихітні електрони, які кружляють довкола ядра так само, як планети кружляють довкола сонця. 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. 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. У більшості таких систем для охолодження використовується вода. У міру того, як розщеплюється уранове паливо, утворюється тепло, яке проходить крізь стіни трубок з паливними пігулками. Ці трубки занурені у воду, яка безперервно циркулює в активній зоні завдяки дії охолоджувальних помп. Саме ця вода й охолоджує циркалоєві трубки, не даючи їм розтопитися. Проблеми ядерної енергетики. Коли первісна людина почала користуватися вогнем, вона наражала себе й своє оточення на величезну небезпеку: вогонь міг знищити ліс довкола, який для людини становив цілий світ. Минули тисячоліття, і наші знання про розміри Землі стали глибшими, але зважаючи на сучасну техніку і технологію, світ, у якому ми живемо, залишається досить малим. Людське суспільство, паразитує на тілі нашої Землі, поступово почало перетворювати середу свого існування. Створюючи знаряддя праці, технологію виробництва, використовуючи сировину, нарешті, оволодівши атомною енергією, людство мимоволі поставило під загрозу сам факт свого існування, так як розщеплення атомного ядра - це найнебезпечніший з процесів, відомих людині. З його допомогою можна обернути Землю на пустелю, але й можна примусити пустелю зацвісти буйним цвітом. Людина - в природі і з природи, а не над нею, наш вид смертний. Історія життя на Землі - це історія взаємодії між живими істотами і їхнім оточенням. Великою мірою фізична форма тварин і форма їхнього життя на Землі зумовлені оточуючим середовищем. Лише протягом теперішнього сторіччя один з видів - а саме людина - набув такої могутності, яка здатна змінити природу світу. Можна зробити висновок про те, що людство створило цивілізацію, яка стала матеріальним бар’єром між собою і природою. Цей бар’єр настільки складний і громіздкий, що вже перешкоджає подальшому розвитку. Іншими словами, людина відділилась, відгородилася від природи, стала рабом своєї цивілізації, техніки. Ії зарозумілість і жадоба влади над природою - найбільша небезпека для неї самої. Теоретично ядерна енергія близька до ідеальної. Вона ефективна і недорога. У добу, коли нафтові запаси обмежені, атомна енергетика забезпечує незалежність тієї чи іншої країни від країн - експортерів нафти. Проте найпалкіші прихильники ядерної енергетики визнають, що з її виробництвом пов’язано чимало проблем.


3. Енергетика сьогодні. Атом. Атомне ядро.

'

Проблема 1. Під час роботи реакторів в паливних стрижнях накопичуються радіоактивні відходи. Розпадаючись, ці відходи виділяють тепло, і тому їх треба охолоджувати ще довго після закінчення керованого процесу розщеплення. На сьогодні не існує поки що загальноприйнятого способу зберігати відходи, які залишаються високорадіоактивними протягом дуже довгого часу. Існує проблема могильників, де поховані радіоактивні речовини, дамб, які повинні захищати річки і водойми від радіаційного забруднення. Високорадіоактивні відходи неможливо знищити: їх треба ізолювати від навколишнього середовища на десятки тисяч років – лише тоді вони стануть нешкідливі. Але ми не знаємо як це зробити. Людське суспільство ще не існувало десятки тисяч років. Тому необхідно створити систему знешкодження ядерних відходів, яка була б незалежна від людини. Досі жоден технічний процес ніколи не був безпомилковим і вічним, а саме цей потрібно для ізоляції ядерних матеріалів. Поки що більшість відходів ядерного палива “тимчасово” зберігають в облицьованих сталевими плитами басейнах біля атомних електростанцій, і небезпека забруднення навколишнього середовища дедалі зростає. Тепер у всьому світі працює приблизно чотириста атомних реакторів , а системи тривалого зберігання ядерних відходів не існує. Люди,відповідальні за ядерні програми ,вірять що нарешті буде створено довічно закриту систему. Але таку систему треба ще створити. Проблема 2. Крім проблеми ядерних відходів, існує ще набагато поважніша проблема, а саме: проблема витоку радіації з ядерного реактора. Ядерний реактор через цілу низку причин не може вибухнути, як ядерна бомба. Однак один середній реактор містить у собі таку кількість радіоактивних матеріалів, яка в тисячу разів перевищує кількість радіоактивних матеріалів, вивільнених над Хіросімою, отже вивільнення навіть незначної частині цих матеріалів може завдати великої шкоди і людині, і навколишньому середовищу. Щоб відвернути таку небезпеку, реактори обладнають оболонкою з нержавіючої сталі, а довкола тієї оболонки будують міцні залізобетонні споруди. І все ж сильні вибухи пари або дія зовнішніх сил (вибухи бомб, урагани) можуть за екстремальних обставин призвести до аварії, незважаючи на зазначені запобіжні засоби. Крім того реактор може розтопитися. Як що реактор функціонує нормально, вода проходить між комплектами паливних стрижнів і охолоджує активну зону. Якщо система охолодження відмовляє - чи то внаслідок неполадок у системі постачання електроенергією, чи внаслідок виходу з ладу помпи або магістралі подачі води, - починають працювати запасні охолоджувальні системи. Проте як що всі ці системи вийдуть з ладу, реакторможе розтопитися Звичайна активна зона реактора занурена у воду. Але якщо потік охолоджувальної води припиниться, то вода, яка вже надійшла до активної зони, нагріється і випарується, оголивши активну зону. Температура всередині реактора підніметься, і циркалоєві оболонки на паливних пігулках розтопляться. Незабаром уранове паливо розтопиться і активна зона перетвориться на розтоплену радіоактивну масу металу. Врешті-решт активназона стане калюжею на дні реактора. Відтак, досягнувши температури 5000 градусів за Фаренгейтом, метал розтопить дно реактора і виллється на зовнішню захисну споруду. Ця захисна споруда призначена для того, щоб відвернути витік радіації в разі вибуху або пошкодження реактора, але від розтоплення вона не захищає. Вступаючи в хімічну реакцію із залізобетоном, розтоплене паливо проходить крізь дно захисної споруди і далі вниз. Колись вважали, що розтоплене ядерне паливо проходитиме крізь землю все далі і далі. Однак тепер вважають, що розтоплене паливо почне взаємодіяти з елементами ґрунту під електростанцією і спричинить парові вибухи перед тим,як зупинитись на глибині приблизно двадцяти метрів у скляній оболонці, утвореній внаслідок дії високої температури на ґрунт. Що ж таке радіація? І чому вона небезпечна? Радіація це продукт нестійкості атомного ядра. Більшість ізотопів, що трапляються в природі (різні форми того самого елемента),стійкі, тобто не виявляють тенденції до розподілу. Але що до ядра стійкого атома додати нейтронів або відняти їх від нього, то його енергетична рівновага порушиться, і для того, щоб відновити її, з ядра треба щось виштовхнути. Наприклад, плутоній-239 це штучний елемент, створений додаванням нейтрона до урану-238. Плутоній-239, як і більшість штучних ізотопів, нестійкий. Він по суті, прагне стати чимось іншим і, виштовхнувши два протони і два нейтрони, стає ураном-235. Радіація складається з частинок або хвиль, що їх випускає нестійкий атом. Радіоактивність це спонтанний розпад або руйнування нестійкого атома внаслідок випромінення частинок або хвиль. Сама радіація - явище досить звичайне. Земля виникла як результат радіоактивного вибуху. Ми живимо в радіоактивному світі. Кожний чоловік і кожна жінка трошки радіоактивні, оскільки вся жива тканина зберігає сліди радіоактивності. І все ж радіація дуже небезпечна, бо випромінювані частинки й хвилі можуть викликати зміни в інших атомах, дуже важливих для живих організмів. Наприклад, коли два протони й два нейтрони випускаються разом із ядра, то їх називають альфа-частинкою. Альфа частинки порівняно важкі й великі. Вони, зустрічаючись з атомом, взаємодіють із ним, зміщуючи його електрони і порушуючи рівновагу ядра. Проте альфа частинки мають невисоку проникальну силу і не можуть подолати навіть таки перешкоди, як аркуш паперу чи людська шкіра. Отже, серйозної шкоди атом, що випускає альфа-частинки, може завдати лише тоді, коли його ковтнути разом із їжею або вдихнути. Бета-частинки - це електрони, які з великою швидкістю викидаються з нестійких атомів. Шкода, якої вони завдають атомам, стикаючися з ними, менша, ніж від альфа-частинок. Однак бета-частинки здатні проходити як крізь папір, так і крізь живу тканину. Отже, бета- радіація може спричинити поважні опіки шкіри. Іноді нестійкі ядра випромінюють вибухи енергії у формі хвиль, швидкість яких дорівнює швидкості світла. Це гамма-промені, які мають високу проникальну силу і від яких захиститься можна лише товстими бетонними стінами або свинцевими листами. Радіація нечутна, невидима й немає запаху. Вона неприступна для наших органів чуття, а якби й фіксувалася ними, то людина однаково беззахисна перед нею. Радіація може вражати людський організм трьома способами: 1)зовнішньою дією; 2) внутрішньою - через органи травлення, якщо туди з їжею чи водою потрапляє радіоактивний пил; 3) внутрішньою дією через легені,якщо людина вдихає цей пил. Шкода, якої радіація завдає людському організмові, може бути двох типів. Перший є наслідком ураження високою дозою радіації великої кількості клітин організму. В цьому разі тяжкі пошкодження живої тканини й ознаки променевої хвороби виявляються протягом кількох днів. Якщо організм зазнав надто великої шкоди, людина помирає. Ступінь хвороби залежить від рівня радіації та спроможності організму протидіяти радіації. Другий тип радіаційного ураження має тривалий характер і настає внаслідок пошкодження окремої клітини. Пошкоджена клітина може вижити і залишається в „сонному” стані багато років, однак це вже не та клітина, що була доти, - вона цілковито переінакшена. І згодом починають розвиватися генетичні мутації та рак. Час, упродовж якого та чи та речовина залишається радіоактивною, вимірюється періодом її напіврозпаду, тобто терміном, за який половина цієї речовини перетворюється на стійкішу шляхом випромінювання хвиль і частинок. Наприклад, період напіврозпаду йоду-131 дорівнює восьмі дням. Проте інші радіоактивні речовини набагато стійкіші. Період напіврозпаду стронцію-90 дорівнює двадцяти чотирьом рокам, цезію-137 - тридцяти рокам. Це означає,що ці речовини залишаються потенційно небезпечними дуже довго; їх треба тримати в спеціальних контейнерах цілі сторіччя. Внаслідок розщеплення урану під час роботи реактора атомної електростанції утворюється двадцять сім видів радіоактивних речовин. Плутоній - елемент, що його створила людина. Він з’явився лише після того, як було розщеплено уран у процесі виробництва ядерної зброї та атомної енергії. Період напіврозпаду плутонію - 24000 років. Плутоній випромінює альфа-частинки. Атом плутонію,вивільнений в атмосферу , може розпастися і стати нешкідливим того самого дня, коли він злетів у повітря. Але половина вивільнених атомів залишається потенційно смертоносними 24 тисячоліття, а чверть аж до 50000 років. Ніякі людські зусилля негодні пришвидшити процес розпаду. В цьому специфічна різниця між атомною та іншими видами енергетики. Коли первісна людина хотіла погасити своє вогнище, вона гасила його. Сучасні домені печі й турбореактивні двигуни можна вимкнути будь якої миті. Але розпад вивільнених радіоактивних речовин зупинити не можна. Атомна енергія невблаганна: вона не прощає помилок.  

Проблема 3. Могутність сучасної цивілізації постійно зростає, а наука і техніка відкривають дедалі нові горизонти для її розвитку. Важко навіть уявити, яким було б наше життя без сучасних наукових знань, та інженерної майстерності. Однак могутність цивілізації не лише дала людям блага, а й створила смертельну загрозу для всього роду homo sapiens. Про неї люди збагнули, мабуть, після винаходу атомної зброї. Адже виробництво ядерної енергії виросло з виробництва ядерної зброї. З багатьох поглядів ядерна зброя і ядерні реактори дуже подібні. Чорнобиль є суворим нагадуванням про те. Одна з небезпек ядерної енергетики полягає в тому ,що технологію і сировину мирних атомних програм можна використати для створення ядерної зброї. Необхідний для цього плутоній отримують з відходів ядерного палива ,і така операція по грошам багатьом країнам третього світу. Міжнародне агентство у справах атомної енергії (МАГАТЕ) зобов’язане унеможливлювати використання ядерної техніки ,технології й палива для виробництва ядерної зброї. Однак воно, як і більшість організації ООН , не може вживати суворих санкцій до держав, котрі порушують ці принципи. Ядерна зброя набагато руйнівніша, ніж усі попередні виді зброї. За допомогою ракет цю зброю можна доставити у будь-якій пункт земної кулі. Перед людством маячить похмура реальність взаємного знищення протягом лічених годин. Державна безпека в абсолютному значенні цього слова більше не існує. Ціна миру в ядерну добу - це повсякчасна загроза ядерної війни. Ми захищаємо себе за допомогою стратегії залякування, що ґрунтується на можливості взаємознищення, ми ставимо мир у залежність від зброї, яку всі сторони бояться застосовувати, бо вона страшенно небезпечна. Тим часом загроза знищення людства зростає у міру того, як ядерна зброя поширюється на всій земній кулі. Крім того, існує можливість випадкового вибуху, коли навіть одна країна має бойові ядерні заряди. Неполадки та аварії трапляються. Не можна накопичувати атомну зброю, не збільшуючи ризику випадкового вибуху. У міру зростання запасів атомної зброї зростає також ризик навмисного вибуху. Атомні бомби свого часу виросли з історії, а тепер вони можуть покласти край історії. Їх створили люди, а тепер вони можуть знищити людей. Однак ядерна зброя не тільки вбиває людей. Вона викликає такі сильні екологічні зміни а навколишньому середовищі, що воно стане непридатним для життя. Смерть усього людства не тільки покладе край поколінням, що живуть у даний час, але й і усім прийдешнім. Ця смерть означатиме поразку всіх людських надій, ідеалів минулих і майбутніх. Проблема 4. Забруднення навколишнього середовища в результаті техногенних викидів, які мають місце при роботі атомних реакторів. До 1994 року було побудовано близько 430 енергетичних атомних реакторів, яки збільшили більш як на порядок вихід у навколишнє середовище радіоактивних речовин, порівняно з викинутими в атмосферу, водойми і захороненні, як відходи. У результаті техногенних викидів щільність радіоактивного забруднення ґрунтів і води зросла. Спостерігається незворотній процес безперервного розповзання радіонуклідного забруднення. Вода здійснює невпинний круговорот через океани, хмари і дощі, через листя рослин та кровоносні судини тварин і людей. Атмосферні гази пронизують усі форми життя. Ґрунт покриває тонким шаром- плівкою кам’яний скелет Землі й одночасно є минулим і майбутнім життям. Вода, суша, повітря, живі рослини й тварини ( і ми там) - все перебуває у постійному обміні компонентами. Викиди не повинні перевищувати обсягу, який може засвоїти, переробити біосфера без шкоди для себе. Отже, забруднення біосфери є найважливішою проблемою тому, що її вирішення є також вирішенням інших проблем- енергії, ресурсів, питної води та ін. Забруднення території України радіоактивними викидами при катастрофі на Чорнобильській АЕС не має аналогів ні за масштабами, ні за глибиною екологічних, соціальних і економічних наслідків. Внаслідок аварії було забруднено близько 12 млн. га, з них 8,4 млн. га сільськогосподарських угідь.

126.png

Проблема 5. Необхідність створення санітарної зони. В період експлуатації АЕС, а також після виробітки її ресурсу ( через 20-30 років експлуатації АЕС) навколо АЕС і могильників потрібно створювати санітарну зону, що приведе до безповоротного знищення більших площин земель, придатних для господарчої діяльності людини. Проблема 6. „Людський” фактор. Виробництво атомної енергії потребує надзвичайно високої кваліфікації персоналу, що обслуговує атомні реактори. Колись дерево було основним паливом у всьому світі, однак із зростанням населення і зникненням лісів дерево поступилося місцем кам’яному вугіллю, а згодом почали використовувати ще й нафту. Про те запаси нафти не безмежні, а її спалювання завдає чималої шкоди навколишньому середовищу. Мабуть, уран - основне паливо для майбутніх поколінь людства й потребу в енергії можна задовольнити шляхом розвитку ядерної промисловості. Використання персоналу високої кваліфікації дозволить майже уникнути помилок, що можуть привести до аварії. “Майже” - тому, що люди втомлюються, іноді в них поганий настрій: діючи бездумно, вони припускаються помилок, а це може привести до катастрофи. Крім цього, потрібен контроль за психічним станом операторів, аби відвернути божевілля і не допустити дій, спроможних привести до аварії. Можливість вивільнення радіоактивного матеріалу робить атомну електростанцію надзвичайно спокусливою для диверсій і зовнішнього нападу. Тому атомні електростанції потребують значної охорони. Проблема 7. Практично всі блоки (крім блока № 6 Запорізької АЕС) підлягають реконструкції , так як 7 блоків АЕС з 14 експлуатуються вже більш 15 років. Необхідно збільшувати об’єм та якість технічного обслуговування, ремонтів та робіт по діагностуванню обладнання. Є необхідність виконання робіт по модернізації існуючих и створенню додаткових систем безпеки. Наше суспільство покладається на техніку й технологію, але ядерно-енергетичні системи не зовсім надійні. Вони складаються з тисяч помп, клапанів, труб, електросхем і двигунів. До аварій можуть привести помилки в проектуванні, будівництві, експлуатації та ремонті обладнання, а також зовнішні чинники – повені, пожежі, землетруси й смерчі. Корозія, вібрація, перенапруження та спрацювання деталей внаслідок тривалої експлуатації можуть спричинити якусь незначну хибу в роботі, а вона призведе до інших, які годі передбачити навіть за допомогою комп’ютерів. Здебільшого машини працюють доти, доки вони вийдуть з ладу, але в роботі ядерних реакторів ця засада неприпустима. Насамперед слід звернути увагу на створення безпечних реакторів, робота яких ґрунтувалася б на законах фізики і не потребувала втручання людини з метою відвернення ризику.

Проблема 8. Чорнобильська проблема.

127.png 128.png

Чорнобильська АЕС являє собою об’єкт атомної енергетики, до складу якої входять обладнання,будови та споруди, які безпосередньо зв’язані з виробітком електроенергії. В його склад входять: - енергоблок № 1, зупинений у 1996 році у зв’язку з постановою уряду України; - енергоблок № 2, зупинений в жовтні 1991 року в зв’язку з займанням турбогенератора; - енергоблок № 3, якій знаходився в режимі експлуатації до 2000року; - енергоблок № 4, на якому в 1986 році сталася аварія з повним зруйнуванням активної зони, на якому виконанні першочергові заходи для зменшення наслідків аварії та продовжуються роботи по забезпеченню контролю його стану, ядерної та радіаційної безпеки; - енергоблоки № 5 та № 6 з незавершеним будівництвом відповідно з рішенням о припиненні будівних робіт, прийнятим після аварії 1986 року; - сховище рідких та твердих радіоактивних відходів і відпрацьованого ядерного палива та інші споруди. Чорнобильська проблема потребує виконання наступних задач: - зачинення ЧАЕС-3 зі зняттям з експлуатації блоків №1, 2, 3; - перетворення об’єкта "Укриття" в екологічно безпечну систему; - створення централізованого сховища відпрацьованого ядерного палива; - створення заводу по переробці та зберіганню радіоактивних відходів. Закінчення. Розвиток людського суспільства нерозривно пов’язаний з споживанням різних видів енергії. Сьогодні гостро стоїть проблема швидкого вичерпування запасів природних енергоресурсів – вугілля, нафти, газу. Теоретично ядерна енергія близька до ідеальної. Вона ефективна і недорога. Проте з виробництвом ядерної енергії пов’язано чимало проблем. Використання будь якого виду енергії доводиться оплачувати грошима, людським життям, забрудненням навколишнього середовища. Не існує якогось універсального виду енергії, також не можна відмовитися від одного виду енергії, не замінивши його іншими видами. Доводиться балансувати між вигодами й ризиком, і проблеми ядерної енергетики повинні розв’язуватися саме в цьому контексті. Атомні станції не повинні чинити надмірних постійно діючих або аварійних теплових, хімічних, радіаційних та інших впливів на навколишнє середовище, так як це загрожує рівновазі всієї планети. У найгіршій перспективі побічні продукти атомної енергії - накопичені внаслідок аварій і спалювання ядерного палива - можуть завдати непоправної шкоди нашій планеті. Природа буває жорстока і без втручання людини. Але природні руйнування здебільшого загладжуються навколишнім середовищем. Однак катастрофи, які спричиняє людина, загрожують постійним спустошенням. Не виключено, що тоді, коли стануть відомі всі згубні наслідки впливу ядерної енергії на навколишнє середовище, змінити щось буде неможливо. Цілком можливо, що в розв’язанні ядерних енергетичних проблем ми досягли межі технологічної компетентності й питання радіації ніколи не будуть розв’язані. Небезпеки, які спричиняються розщепленням атома, випливають з фундаментальних законів фізики, тому, можливо, проблем пов’язаних з ними,ніколи не вдасться розв’язати. Але хочеться вірити в людський розум, в те,що на основі сучасних та майбутніх знань людство вирішить проблему безпечного використання атому, і тоді воно назавжди буде забезпечено енергією. Размещено на Allbest.ru