Відкриття Анрі Беккерелем радіоактивності й подальші дослідження цього явища показали, що всередині атома міститься величезна енергія, яка вивільняється під час ядерних реакцій. Постає питання: як використати цю енергію?

На відміну від хімічних реакцій, де змін зазнають лише молекули, а ядра атомів залишаються без змін, під час ядерних реакцій змін зазнають самі атомні ядра. При цьому замість одних хімічних елементів утворюються інші й виділяється або поглинається енергія.

Зображення фотопластини Беккереля, яка була засвічена випромінюванням солей урану. Ясно видно тінь металевого мальтійського хреста, поміщеного між пластинкою і сіллю урану. 

Ядерна реакція — це процес перетворення атомних ядер у результаті їхньої взаємодії з елементарними частинками та між собою.

Штучне перетворення атомних ядер. Вперше в історії людства штучне (цілеспрямоване) перетворення ядер здійснив Резерфорд в 1919 р. Бомбардуючи α-частинками великої енергії, що виділяється радієм, ядра атома азоту Резерфорд виявив появу протонів ‒ ядер атома водню. В перших дослідах реєстрація протонів проводилася методом сцинтиляцій, пізніше більш точно ‒ в камері Вільсона. 

Численні експерименти по різного роду ядерних взаємодій показали, що у всіх без винятку випадках зберігається сумарний електричний заряд частинок, що беруть участь у взаємодії. Крім того, у ядерних реакціях звичайного типу спостерігається збереження масового ядерного числа (тобто повного числа нуклонів).

Подібно до хімічних реакцій деякі ядерні реакції проходять з виділенням енергії, а деякі - з поглинанням (відповідно екзотермічні і ендотермічні реакції).

Поділ атомних ядер - це особливий вид ядерних реакцій, коли ядро важкого елемента ділиться на дві частини, одночасно випромінюючи два-три нейтрони, γ-випромінювання і значну кількість енергії.

Поділ ядер Урану відкрили в 1938 р. німецькі вчені Отто Ган і Фріц Штрасман. Їм удалося встановити, що під час бомбардування нейтронами ядер ізотопу Урану 23892U виникають елементи середньої частини періодичної системи: Барій 14456Ва, Криптон 8936Кr і кілька нейтронів.

Але правильне тлумачення цього факту, саме як поділу ядра Урану, що захопило нейтрон, у 1939 р. дали фізики - англієць Отто Фріш і австрійка Ліза Мейтнер.

Безпосередні вимірювання енергії, яка виділяється під час поділу ядра Урану 23592U, підтвердили наведені міркування і дали значення ≈ 200 МеВ.

Більша частина цієї енергії (168 МеВ) припадає на кінетичну енергію ядер-осколків. Енергія, яка виділяється під час поділу ядер, електростатичного, а не ядерного походження. Ядерні сили між нуклонами короткодіючі, подібно до сил, що діють між молекулами рідини. Одночасно з великими силами електростатичного відштовхування між протонами, які намагаються розірвати ядро на частини, діють ще більші ядерні сили притягання. Ці сили не дають ядру розпастися.

Ядро Урану-235 має форму кулі. Захопивши зайвий нейтрон, ядро збуджується і починає деформуватися, набуваючи витягнутої форми. Ядро розтягується доти, доки сили відштовхування між кінцями витягнутого ядра не переважатимуть сили зчеплення, які діють на перешийок. Розтягуючись дедалі дужче, ядро розривається на дві частини.

Під дією електричних сил відштовхування ці уламки чи осколки розлітаються зі швидкістю, що дорівнює 1/30 швидкості поширення світла.

Фундаментальним фактом ядерного поділу є випромінювання в цьому процесі двох-трьох нейтронів. Саме завдяки цьому стало можливим практичне використання внутрішньоядерної енергії. Зрозуміти, чому виділяються вільні нейтрони, можна, виходячи з таких міркувань. Відомо, що відносна кількість нейтронів у стабільних ядрах зростає зі збільшенням атомного номера. Тому в осколках, які утворюються під час поділу, відношення кількості нейтронів до кількості протонів більше, ніж це допустимо для ядер атомів, що містяться в середині періодичної системи елементів. Через це кілька нейтронів вивільняється у процесі поділу. Їхня енергія має різні значення - від кількох мегаелектрон-вольтів до зовсім малих, близьких до нуля. Це дає змогу здійснити ланцюгову реакцію поділу урану.

Ядерні ланцюгові реакції — це ядерні реакції, під час яких частинки, що їх спричинюють, утворюються як продукти цих реакцій.

Будь-який з нейтронів, що вилітає з ядра у процесі поділу, може у свою чергу спричинити розпад сусіднього ядра, яке також виділяє нейтрони, здатні спричинити поділ. Тому кількість ядер, що діляться, швидко збільшується, і виникає самопідтримна ланцюгова реакція.

Ланцюгова реакція супроводжується виділенням величезної енергії. Від поділу кожного ядра виділяється близько 200 МеВ енергії. Від повного поділу всіх ядер 1 г урану виділяється 2,3 • 104 кВт • год енергії, яка еквівалентна енергії, що утворюється від спалювання 3 т вугілля або 2,5 т нафти.

Ланцюгова реакція практично здійсненна лише на трьох ізотопах.

Один з них - 23592U присутній у природному урані, а два інших - 23392U і Плутоній 23994Pu - одержують штучно.

Після проведення дослідів Резерфорд вважав, що його роботи - це витончена теорія і людство ніколи не використає енергію, яка «дрімає» в атомі. Але після того, як у 1938 р. Фредерік Жоліо-Кюрі відкрив ланцюгову реакцію, стало зрозумілим, що енергія атома - це величезне джерело енергії, яке може бути використане на благо людства, а може призвести й до трагічних наслідків.

З 1940 р. в Америці та Англії повністю припинилися публікації з атомної фізики і стали державною таємницею. Контроль над атомною енергією перейшов до військово-політичних сил.

У липні 1945 р. у Лос-Аламосі (США) створено атомні бомби, які 6 і 9 серпня було скинуто на японські міста Хіросіму і Нагасакі. Енергія атома була використана для знищення людей і навколишнього середовища. Так, саме в ядерній зброї було використано некеровану ланцюгову реакцію поділу урану.

Уперше керовану ланцюгову ядерну реакцію поділу урану здійснив у США колектив учених під керівництвом Енріко Фермі у грудні 1942 року.

У 1946 р. було запущено перший в Європі (на території СРСР) ядерний реактор під керівництвом Ігоря Курчатова. Він був переконаний, що людям слугуватиме мирний атом. У 1955 р. у Женеві відбулася перша міжнародна конференція з питань мирного використання атомної енергії.

Ядерною енергетикою називають здійснюване у промислових масштабах перетворення ядерної енергії в інші види (механічну, електричну тощо), які використовують потім для виробничих і побутових потреб.

Перетворення ядерної енергії в електричну відбувається на атомних електростанціях (АЕС). Вони принципово відрізняються від звичайних теплових електростанцій тільки тим, що джерелом теплової енергії для одержання водяної пари, яка приводить у дію турбіну і електрогенератор, є енергія, що виділяється в ядерному реакторі під час керованої ланцюгової ядерної реакції, а не органічне паливо.

Використовувати ядерну енергію для перетворення її в електричну почали в 1954 р. в м. Обнінську на першій атомній електростанції потужністю 5000 кВт. Історично першим було реалізовано реактор на повільних (теплових) нейтронах.

Головною частиною реактора є активна зона 1, яка складається з таких компонентів: ядерне паливо, сповільнювач нейтронів, відбивач нейтронів 2.

Як паливо використовують природний уран, збагачений до 5 % нуклідом 23592U. Раніше згадувалося, що повільні нейтрони в ядерних реакціях ефективніші, ніж швидкі, тому швидкі нейтрони, що утворюються під час поділу ядер 23592U, сповільнюють до теплових швидкостей за допомогою речовини-сповільнювача (графіт, звичайна вода, важка вода D2O, у якій звичайний водень замінено на його ізотоп Дейтерій). Одним з перших способів змішування палива зі сповільнювачем було почергове заповнення активної зони урановими і графітовими блоками. У сучасних конструкціях реакторів ядерне пальне (уран) водять в активну зону зазвичай у вигляді стержнів, між якими розміщено сповільнювач нейтронів.

Для зменшення втрат вторинних нейтронів, які вилітають з ділянки активної зони, її оточують стінками-відбивачами 2 з матеріалів, ядра яких добре відбивають нейтрони, зазвичай з графіту або берилію. Для захисту персоналу від йонізуючої радіації реактор ззовні обнесено захисними стінками 3 із залізобетону і шарами води.

У процесі ланцюгової реакції температура в активній зоні досягає 500-600 °С. Для відведення теплоти через активну зону реактора по трубах 5 пропускають теплоносій 6, наприклад звичайну воду або рідкий металічний натрій. У теплообміннику 7 енергія передається водяній парі 8, яка надходить у турбіну 9, а після конденсатора 11 вода повертається до теплообмінника. Електрогенератор 10 виробляє електричний струм, готовий для використання у промисловості, на транспорті і в побуті.

Керують ланцюговою реакцією за допомогою регулювальних стержнів 4, виготовлених з бору або кадмію, які добре поглинають теплові нейтрони. Ці стержні можна цілком або частково вводити в активну зону, параметри якої розраховано так, щоб при повністю введених стержнях реакція не йшла. Поступово витягуючи стержні, збільшують кількість нейтронів в активній зоні до певного порогового значення, коли реактор починає працювати.

У разі раптового збільшення інтенсивності реакції в реакторі є додаткові аварійні стержні, уведення яких в активну зону негайно припиняє реакцію. Керування стержнями автоматизоване.

У 1971 р. розпочато будівництво першої атомної електростанції в Україні в Чорнобилі. Після аварії 1986 р. її закрито у 2000 р.

Постачання електроенергії на територію Криму та окремих районів Донецької і Луганської областей припинено після 2014 р.

Перевагами АЕС перед тепловими електростанціями є те, що вони не потребують дефіцитного органічного палива і не завантажують залізницю для перевезення вугілля. Атомні електростанції не витрачають атмосферний кисень і не засмічують навколишнє середовище золою і продуктами згоряння. Є дані, що викиди АЕС в атмосферу радіоактивних речовин містять менше, ніж викиди теплових електростанцій.

Але АЕС властиві також шкідливі й небезпечні чинники впливу на довкілля, насамперед загроза радіоактивного забруднення довкілля під час аварійних ситуацій.

Проєкти АЕС гарантують безпеку персоналу станції і населення. Світовий досвід експлуатації АЕС свідчить, що біосфера надійно захищена від радіаційного впливу станції в нормальному режимі експлуатації. Але помилки персоналу і прорахунки в конструкції реакторів не виключають ризику аварій, як це сталося під час вибуху четвертого реактора Чорнобильської АЕС.

Після цих подій різко зросла кількість наукових досліджень у галузі гарантування безпеки об’єктів атомної енергетики. Однак результати багатьох досліджень проблем безпеки АЕС хоч і виявили недоліки, упущення, навіть помилки в гарантуванні безпеки АЕС, але підтвердили впевненість фахівців у тому, що високого рівня безпеки АЕС можна досягти на основі сучасних знань і технологій.

Теоретично ядерна енергія близька до ідеальної. Проте навіть найпалкіші прихильники ядерної енергетики визнають, що з її виробництвом пов’язано чимало проблем.

Під час роботи атомних реакторів накопичуються радіоактивні відходи. Розпадаючись, вони виділяють тепло, і тому їх треба ще тривалий час охолоджувати після закінчення керованого процесу розщеплення. На сьогодні немає поки що загальноприйнятного способу збереження відходів, які надовго залишаються високорадіоактивними.

Є проблема надійності сховищ радіоактивних речовин, дамб, які мають захищати річки і водойми від радіаційного забруднення. Високорадіоактивні відходи неможливо знищити: їх треба ізолювати від навколишнього середовища на десятки тисяч років - лише тоді вони не завдаватимуть жодної шкоди. Потрібно створити незалежну від людини систему знешкодження ядерних відходів.

Виробництво ядерної енергії - похідне від виробництва ядерної зброї, яка є найруйнівнішою. За допомогою ракет цю зброю можна доставити в будь-який пункт земної кулі.

Ядерний реактор через низку причин не може вибухнути, як ядерна бомба. Однак він містить таку кількість радіоактивних речовин, яка в тисячу разів перевищує кількість речовин, вивільнених над Хіросімою. Отже, вивільнення навіть незначної частини цих матеріалів може завдати великої шкоди і людині, і навколишньому середовищу.

Забруднення навколишнього середовища відбувається і в результаті техногенних викидів, які мають місце під час роботи атомних реакторів. До 1994 р. побудовано близько 430 енергетичних атомних реакторів, які в десятки разів збільшили викиди в навколишнє середовище радіоактивних речовин порівняно з викинутими в атмосферу, водойми і похованими як відходи.

Викиди не мають перевищувати ту кількість речовин, яку може засвоїти, переробити біосфера без шкоди для себе. Отже, забруднення біосфери є найважливішою проблемою тому, що її розв’язання стосується інших проблем - енергії, ресурсів, питної води тощо.

Забруднення території України радіоактивними викидами під час катастрофи на Чорнобильській АЕС не має аналогів ні за масштабами, ні за тяжкістю екологічних, соціальних і економічних наслідків. Під час аварії було забруднено близько 12 млн гектарів, з них 8,4 млн гектарів сільськогосподарських угідь.

У період експлуатації АЕС, а також після вироблення її ресурсу навколо АЕС потрібно створювати санітарну зону, що призводить до вилучення великих площ земель, придатних для господарської діяльності людини.

Виробництво атомної енергії потребує надзвичайно високої кваліфікації персоналу, який обслуговує атомні реактори, це дасть змогу майже уникнути помилок, які можуть призвести до аварії.

1. Які ядерні перетворення ви знаєте?

2. Що таке ядерна реакція?

3. Які реакції називають ланцюговими?

4. Назвіть основні етапи становлення ядерної енергетики.

5. Дайте означення ядерної енергетики.

6. Чим відрізняється будова АЕС від будови звичайних теплових електростанцій?

7. Яка будова ядерного реактора?

8. Для чого потрібні сповільнювач і відбивач нейтронів?

9. Як керують ходом ланцюгової реакції?

10. Які атомні електростанції діють в Україні?

11. Які переваги мають АЕС?

12. Назвіть основні проблеми ядерної енергетики.

13. Чому радіоактивне забруднення поблизу діючих АЕС виявляється меншим, ніж біля звичайних теплових електростанцій, які працюють на кам’яному вугіллі?

Перший у світі ядерний реактор був збудований у 1942 році в США.

Перша у світі атомна електростанція була збудована в СРСР у 1954 році в м. обнинську. Її потужність склала всього 5 МВт.

Світова ядерна енергетика налічує понад 400 енергогенеруючих ядерних реакторів, сумарна потужність яких понад 350 ГВт.

До складу енергетичної галузі України входять 5 атомних електростанцій: Запорізька АЕС, Рівненська АЕС, Чорнобильська АЕС (знята з експлуатації), Хмельницька АЕС, Південно – Українська АЕС. Під тиском громадськості зупинено будівництво Кримської, Чигиринської, Харківської АЕС.

В Україні працюють 15 реакторів на чотирьох атомних електростанціях.

Якщо всі ядра 1 г ізотопу урану здійснять поділ, то виділиться енергія, еквівалентна 23 тисяч кВт – год теплової енергії.

Потужність ядерного реактора в 1 МВт відповідає ланцюговій реакції, за якої відбувається  актів поділу ядер за 1 секунду.

Загалом у світі 32 країни виробляють електроенергію на АЕС. Найбільше електричних ядерних реакторів мають: США ― 104; Франція ― 59; Японія ― 55; Росія ― 31. Ще 24 реактори будуються в різних країнах світу, 17 із них в Азії.

Спеціалісти МАГАТЕ (Міжнародна організація з атомної енергетики), оцінюючи ризики для здоров’я населення від різних типів електростанцій, установили, що смертність на 1 ГВт потужності в рік, зумовлена виробництвом електроенергії на ТЕС, що працює на газі, у 2 – 30 разів, на вугіллі й нафті в 30 – 300 разів вища, ніж від ядерної енергетики. Крім того, спалювання органічного палива на ТЕС веде до парникового ефекту через викиди в атмосферу до 20 млрд. тон  на рік.

За офіціальними розслідуваннями причини аварії на Чорнобильській АЕС вважається:

• конструктивні недоробки реактора, особливо в системах безпеки;

• низка порушень, яких припустився персонал станції під час проведення експериментальних випробувань, що привели до трагічних наслідків;

• недосконалість системи захисту реактора, яка практично не спрацювала в тих умовах і вплинула на перебіг подій;

• погана інформованість персоналу станції про небезпеку, яку несуть наслідки порушення умов експлуатації реактора.