Ядерный синтез

Геологи обнаружили материал в песке, расплавленном взрывом ядерной бомбы. Ранее такие материалы можно было обнаружить только в метеоритах

Ученые, занимающиеся поиском квазикристаллов так называемых «невозможных» материалов с необычной, неповторяющейся структурой обнаружили один из них в остатках первого в мире испытания ядерной бомбы. Ранее неизвестная структура, состоящая из железа, кремния, меди и кальция, вероятно, образовалась в результате слияния испаренного песка пустыни и медных кабелей. Аналогичные материалы были синтезированы в лаборатории и идентифицированы в метеоритах, но материал, описанный в новом исследовании, является первым примером квазикристалла с такой комбинацией элементов. Квазикристаллы содержат строительные блоки, состоящие из расположения атомов, которые в отличие от обычных кристаллов не повторяются в регулярном, похожем на кирпичную кладку узоре. В то время как обычные кристаллические структуры выглядят идентичными после перемещения (смещения в определенных направлениях), квазикристаллы имеют симметрию, которая когда-то считалась невозможной: например, некоторые имеют пятиугольную симметрию и поэтому выглядят одинаково, если их повернуть на одну пятую полного поворота.

Невозможная симметрия

Ученый-материаловед Даниэль Шехтман из Израильского технологического института впервые обнаружил такую невозможную симметрию в синтетическом сплаве в 1982 году. Он наблюдал пятиугольную симметрию при вращении в каждом из различных возможных направлений, что произошло бы, если бы его строительные блоки имели правильную форму с 20 гранями. Многие исследователи изначально ставили под сомнение выводы Шехтмана, потому что математически невозможно заполнить пространство используя икосаэдр. В конце концов Шехтман получил Нобелевскую премию по химии за это открытие в 2011 году.

Икосаэдр (от греч. ico шесть и hedra грань) это многогранник с 20 гранями. Существует бесконечно много непохожих икосаэдров, некоторые из которых имеют больше симметрий, другие меньше.

Примерно в это же время Пол Стейнхардт, физик-теоретик из Принстонского университета в Нью-Джерси, и его коллеги предположили возможность существования неповторяющихся трехмерных структур. Они имели ту же симметрию, что и икосаэдр, но были собраны из строительных блоков нескольких различных типов, которые никогда не повторялись. Физик-математик Роджер Пенроуз из Оксфордского университета и другие исследователи ранее обнаружили аналогичные закономерности в двух измерениях, которые называются мозайкой Пенроуза.

Икосаэдром называется выпуклый многогранник, грани которого это равносторонние треугольники. Любая вершина икосаэдра соединяется пятью гранями.

Стейнхардт вспоминает 1982 год, когда он впервые увидел экспериментальные данные открытия Шехтмана и сравнил их со своими теоретическими предсказаниями:

«Я встал из-за стола, подошел и посмотрел на наш рисунок, и вы не могли заметить разницы», говорит он. «Так что это был своего рода удивительный момент».

В последующие годы материаловеды синтезировали множество типов квазикристаллов, расширяя диапазон возможных запрещенных симметрий. А позже Стейнхардт и его коллеги обнаружили первый природный «икосаэдрит» в фрагментах метеорита, найденного в Восточной Сибири в России. Этот квазикристалл, вероятно, образовался в результате столкновения двух астероидов в ранней Солнечной системе.

Условия, при которых два квазикристалла образовались, вероятно, в результате столкновений между астероидами в космосе в начале Солнечной системы, сопоставимы с условиями, возникшими во время взрыва атомной бомбы.

Квазикристаллы это упорядоченные вещества, обладающие дальним порядком, но не трансляционной симметрией.

Некоторые из квазикристаллов, изготовленных в лаборатории, также были получены путем разбивания материалов на высокой скорости, поэтому Стейнхардт и его команда задавались вопросом, могут ли ударные волны от ядерных взрывов также образовывать квазикристаллы.

Это интересно: Сколько стоят самые редкие метеориты и где их купить?

Ядерная бомба и квазикристаллы

После испытания «Тринити» первого в истории взрыва ядерной бомбы, который произошел 16 июля 1945 года на полигоне Аламогордо в Нью-Мексико исследователи обнаружили обширное поле зеленоватого стекловидного материала, образовавшегося в результате разжижения песка в пустыне. Они окрестили находку тринититом.

В тот июльский день 1945 года бомба создала кратер глубиной 1,4 метра и шириной 80 метров. Достигнутая температура превысила 1500, а давление колебалось от 5 до 8 гигапаскалей. Там и родился тринитит материал, состоящий в основном из бледно-зеленого кварца и полевого шпата. Нечто подобное произошло в Хиросиме, когда большая часть города превратилась в пляжный песок.

Интересуетесь наукой и хотите быть в курсе последних открытий? Подписывайтесь на наш новостной канал в Telegram чтобы не пропустить ничего интересного!

«Тринити» первое в мире испытание технологии ядерного оружия. Взрыв бомбы был эквивалентен приблизительно 21 килотонне тротила.

Образованные в результате взрыва тринититы имели красноватые включения и по мнению исследователей были отличной почвой для поиска квазикристаллов. В течение десяти месяцев Стейнхарт и его команда нарезали кубиками все виды минералов, пока наконец не нашли крошечное зернышко квазикристалл с такой же икосаэдрической симметрией, что и в первоначальном открытии Шехтмана.

Как и большинство известных квазикристаллов, структура тринитита, по-видимому, представляет собой сплав металлоподобный материал, состоящий из положительных ионов в море электронов. Это необычно для кремния, который встречается как правило в горных породах в окисленной форме.

Несмотря на то, что сегодня ученые синтезируют в лабораториях много квазикристаллов, в природе они встречаются редко. Авторы научной работы полагают, что это может быть связано с образованием квазикристаллов, которое включает в себя «необычные комбинации элементов и их необычные расположения».

Сегодня найти тринитит можно в очень малых количествах в кратерах, оставленных после подземных взрывов ядерных бомб.

Читайте также: А вы знаете, какой была самая мощная бомба в мире?

Стейнхардт предполагает, что квазикристаллы могут быть использованы для своего рода ядерной криминалистики, поскольку они могут выявить места, где произошло скрытое ядерное испытание. Квазикристаллы могут также образовываться в других материалах, которые были получены в агрессивных условиях, таких как фульгурит материал, полученный при ударе молнии в скалу, песок или другие отложения. В общем, сага о квазикристаллах будет продолжаться.

Реактор, в котором ученые воспроизводят термоядерный синтез

Нынешний энергетический кризис показал, что человечество не готово отказываться от ядерной энергетики, так как она гораздо более эффективна возобновляемых источников энергии. Однако она имеет ряд недостатков, которые всем прекрасно известны. Поэтому ученые с середины прошлого века работают над освоением альтернативного источника энергии термоядерного синтеза. Он во всех отношениях превосходит технология получения энергии путем расщепления атомного ядра, так как более эффективен, при этом менее опасен и в целом экологичен. Выработка электроэнергии данным способом осуществляется без выбросов углекислого газа в атмосферу. Но в чем суть этой технологии, насколько она перспективна и как близко ученым удалось подойти к ее реализации?

Термоядерный синтез

Впервые термоядерный синтез был открыт в 1920 году. Уже вначале 1950 годов ученые начали работать над тем, чтобы освоить его и использовать для добычи электроэнергии. Однако многочисленные исследования и эксперименты успеха не имели. В какой-то момент ученые даже решили, что освоить ядерный синтез вообще невозможно.

Но, несмотря на такую недоступность, именно благодаря ядерному синтезу на Земле существует жизнь. Более того, мы ощущаем его на себе каждый день. Да, тепло и свет, которые исходят от Солнца, возникают именно в результате термоядерного синтеза. Однако реакция происходит в ядре звезды естественным образом при определенных условиях экстремально высокой температуре и давлении. Ученым же нужно воспроизвести ту же самую реакцию, только в наших земных условиях, что гораздо сложнее.

На Солнце происходит термоядерный синтез, в результате чего вырабатывается колоссальная энергия

В чем же суть термоядерного синтеза? Традиционная ядерная энергетика основана на делении тяжелого ядра на два более легких. При расщеплении атомного ядра выделяется большое количество энергии. На основе этого принципа работают все АЭС, включая даже малые модульные реакторы, о которых мы не так давно рассказывали.

При термоядерном же синтезе происходит все с точностью до наоборот два легких ядра врезаются друг в друга на огромной скорости и соединяются в одно ядро. При этом тоже вырабатывается колоссальная энергия, которую можно преобразовать в электричество.

В чем преимущества термоядерного синтеза

При термоядерном синтезе высвобождается в четыре раза больше энергии, чем при расщеплении ядра, а также в четыре миллиона раз больше энергии, чем при сжигании угля или газа. Но это далеко не единственное преимущество данной технологии. Для работы обычных реакторов требуется ядерное топливо урановые стержни, которые являются радиоактивными. В ходе реакции образуются отходы плутоний, который также является радиоактивным. Это, пожалуй, один из главных недостатков ядерной энергетики.

Термоядерная энергетик более экологичная и безопасная, чем ядерная

Что касается термоядерного синтеза, то для его реализации оптимальным материалом считается дейтерий (тяжелый водород), который вообще не излучает радиацию, а также тритий изотоп водорода. Тритий хоть и радиоактивен, но менее опасен в силу небольшого и сравнительно не долгого излучения. Таким образом термоядерный синтез позволяет решить проблему ядерных отходов.

Дейтерий имеется в большом количестве в морской воде, а тритий ученые могут создавать искусственно путем облучения лития нейтронами. То есть топливо для термоядерного синтеза не дорогое и доступное.

Коме того, термоядерная энергетика более безопасная, чем ядерная, так как термоядерный синтез можно в любой момент остановить. Более того, реакция сама останавливается, когда условия изменяются, к примеру, повышается или понижается температура. Это значит, что термоядерные станции не несут потенциальной опасности.

Термоядерный синтез подразумевает соединение двух легких ядер в одно

Термоядерный синтез в земных условиях

Чтобы воспроизвести реакцию, необходима плазма, то есть определенные газы, разогретые до температуры в 150 млн градусов Цельсия. Это во много раз больше, чем температура солнечного ядра. Для понимания, разогретая до такой температуры плазма практически в 1 млн раз легче воздуха, так как все ее протоны и нейтроны разделены. Как мы уже сказали выше, наиболее подходящие условия для термоядерного синтеза происходят при создании плазмы из дейтерия и трития.

Когда эти вещества разогреваются до оптимальной температуры, атомные ядра сталкиваются друг с другом на огромной скорости, в результате чего выделяется тепло, то есть та самая энергия, которую можно преобразовать в электричество. Однако именно в этом кроется серьезная загвоздка данной технологии. Как бы это парадоксально ни звучало, но при увеличении температуры, скорость, на которой сталкиваются частицы, уменьшается. То есть плазма словно отключается, и термоядерный синтез перестает происходить. Собственно говоря, этот эффект и обеспечивает безопасность.

Побочным продуктом термоядерного синтеза является гелий безопасный инертный газ

Прорыв в термоядерной энергетике — каких успехов удалось добиться?

Министерство энергетики США 13 декабря сообщило о том, что ученым удалось добиться технологического прорыва в области термоядерной энергетики. Но о каком именно прорыве идет речь? Впервые ученым удалось получить от термоядерного синтеза больше энергии, чем было затрачено на то, чтоб его воспроизвести.

Однако до создания полноценных термоядерных реакторов и получения электричества в промышленных масштабах еще далеко. По словам самих ученых, это все равно, что сжигать дрова или получать электроэнергию на угольной электростанции. Пока им удалось только сжечь дрова. Для получения чистого прироста энергии ученым пришлось использовать один из самых крупных и мощных лазеров в мире. Проще говоря, пока что получить энергию удается только в лабораторных условиях.

Для воспроизведения термоядерного синтеза ученые использовали мощный лазер

Для создания промышленного же термоядерного реактора понадобятся колоссальные ресурсы. Кроме того, еще не решена проблема материалов, из которых будет выполнен реактор. Они должны быть чрезвычайно прочными, так как термоядерная реакция будет оказывать на них большую нагрузку.

Обязательно подписывайтесь на ЯНДЕКС.ДЗЕН КАНАЛ, где вас ожидают поистине захватывающие и увлекательные материалы.

Также следует учитывать, что в ходе термоядерной реакции выделяется большое количество тепловой энергии. Поэтому ученым еще необходимо разработать оборудование, которое сможет эффективно преобразовывать эту энергию в электричество. Тем не менее ученые настроены оптимистично. По их мнению, полноценный экспериментальный реактор заработает уже к концу нынешнего десятилетия, а первую демонстрационную электростанцию удастся создать в течение 30 лет.

Добыча урана опасна, а радиация вредит здоровью

Разновидность энергии, которая высвобождается из центральной части атомов ядер, состоящих из нейтронов и протонов, называется ядерной. Ее источником являются два физических процесса: деление то есть распад атома на несколько частей и синтез слияние атомов. Эти процессы используются для производства электроэнергии, без которой представить современную цивилизацию невозможно, ведь она необходима для создания электричества. Примечательно, что современные атомные электростанции производят возобновляемую, чистую энергию, которая не загрязняет воздух и не выделяет парниковых газов. Но как и во всех отраслях промышленности и производства, использование ядерной энергии приводит к образованию чрезвычайно токсичных материалов, контакт с которыми может привести к ожогам, повышенному риску развития рака, заболеваниям крови и разрушению костей.

Радиоактивный материал совокупность нестабильных атомных ядер, которые теряют энергию и могут воздействовать на многие окружающие их материалы, включая живые организмы и окружающую среду.

Деление атомов как источник энергии

Идея ядерной энергетики зародилась в 1930-х годах, когда итальянский физик Энрико Ферми впервые показал, что нейтроны могут расщеплять атомы. Ферми был создателем первого в мире ядерного реактора Чикагская поленница-1, созданного для проверки возможности осуществления управляемой цепной ядерной реакции.

Будучи одним из «отцов-основателей ядерной бомбы», Ферми внес большой вклад в развитие ядерной физики, физики элементарных частиц, а также квантовой и статистической механики.

Ядерный реактор или электростанция это машина, управляет ядерным делением для производства электроэнергии. Наиболее распространенным топливом является уран металл, встречающийся во всем мире. После добычи уран перерабатывают а затем используют в качестве топлива. Причина такого выбора ясна атомы урана легко расщепляются.

Уран также встречается в горных породах. Но конкретный тип урана, используемый для производства ядерной энергии называется U-235 и встречается редко.

Распадаясь внутри ядерного реактора атомы урана выделяют крошечные частицы так называемые продукты деления. Именно они запускают цепную ядерную реакцию, в конечном итоге создавая тепло. Однако добыча и последующая переработка урана приводят к образованию радиоактивных отходов.

Больше по теме: Как добывается радиоактивный уран и для чего он используется?

Ядерные отходы

С момента зарождения атомной энергетики ядерные отходы не причиняли вреда людям. Распространенное заблуждение заключается в том, что, поскольку определенные части ядерных отходов остаются радиоактивными в течение миллиардов лет, угроза должна сохраняться на протяжении всего периода. Но это не так.

Радиация является неизбежной частью жизни на нашей планете.

Ключевой фактор в понимании того, почему хранилища ядерных отходов не представляют угрозы для здоровья, связан с количеством материалов, которые были бы обнаружены в окружающей среде в случае утечки.

Читайте также: Эффект Вавилова-Черенкова: что нужно знать?

Радиоактивные отходы в основном представляют собой защитную одежду, инструменты и любые другие материалы, которые контактировали с радиоактивной пылью (90% от общего объема). Учитывая, что радиоактивные отходы долговечны, зараженная одежда и инструменты могут оставаться радиоактивными на протяжении тысяч лет. К счастью, эти отходы содержат всего 1% от общей радиоактивности.

Первая атомная электростанция была запущена в 1954 году в районе города Обнинск Московской области.

Всего исследователи выделяют три типа ядерных отходов, классифицируемых в соответствии с их радиоактивностью: низкий, средний и высокий уровни. Так, высокоактивные отходы в основном состоят из отработанного ядерного топлива и составляют всего 3% от общего объема отходов.

Не пропустите: Как работает АЭС? Опасны ли атомные станции?

Утилизация ядерных отходов

В мире существуют две основные стратегии обращения с отходами: некоторые страны десятилетиями перерабатывают отработанное ядерное топливо; другие выбирают прямую утилизацию (об этом ниже). По сути, это стратегическое решение, принятое на национальном уровне и в основном обусловленное политическими и экономическими, а также технологическими соображениями.

В отличие от любой другой отрасли, производящей энергию, ядерный сектор берет на себя полную ответственность за утилизацию отходов. Так как ядерное топливо энергоемко, для производства огромного количества электроэнергии требуется его небольшой расход.

Ядерный реактор установка, в которой осуществляется самоподдерживающаяся управляемая цепная ядерная реакция деления.

Интересный факт
Типичный ядерный реактор использует около 200 тонн урана каждый год. Сложные процессы позволяют повторно обогащать или перерабатывать некоторое количество урана и плутония, что значительно сокращает объем добычи, извлечения и обработки.

В среднем отходы от реактора, обеспечивающего потребности человека в электроэнергии в течение года, размером примерно с кирпич. Для сравнения: угольная электростанция мощностью 1000 мегаватт ежегодно производит около 300 000 тонн золы и более 6 миллионов тонн углекислого газа.

Прямая утилизация и хранение

Прямая утилизация это стратегия, при которой отработанное ядерное топливо классифицируется как отходы и утилизируется в подземных хранилищах без какой-либо переработки.

Отработанное топливо помещают в канистры, которые, в свою очередь, помещают в туннели и впоследствии запечатывают камнями и глиной. Отходы от переработки так называемые продукты деления также остаются в хранилище. Но свободных мест хранения остается все меньше (например, в Финляндии).

Что же до использованного урана, то его необходимо хранить в специальных контейнерах, похожих на большие плавательные бассейны. Вода охлаждает топливо и изолирует внешнюю поверхность от контакта с радиоактивностью, уточняют специалисты.

Хранение и переработка ядерных отходов строго регулируется правительствами

На сегодняшний день переработка отходов в основном сосредоточена на извлечении плутония и урана, поскольку эти элементы можно использовать повторно в обычных реакторах. Отделенные плутоний и уран впоследствии можно смешивать со свежим ураном и превратить в новые топливные стержни.

Вам будет интересно: Атомная энергетика или возобновляемая какая лучше?

Переход к ядерной энергетике

Так как атомные электростанции производят возобновляемую, чистую энергию, не загрязняют воздух и не выделяют парниковых газов, их можно строить в городских или сельских районах и не переживать за окружающую среду вокруг. И все же, споры на счет утилизации и хранения ядерных отходов продолжаются в виду проблем с изменением климата, предложения о переходе к ядерной энергетике звучат все чаще.

Так как ядерная энергетика зависит от добываемых ограниченных ресурсах, действующие реакторы не способствуют глобальному потеплению. Сторонники ядерной энергетики также утверждают, что ее следует рассматривать как одно из решений проблемы изменения климата.

Хотите всегда быть в курсе последних новостей из мира науки и технологий? Подписывайтесь на наш канал в Telegram так вы точно не пропустите ничего интересного!

Чтобы обеспечить людей необходимым для комфортной жизни электричеством, во всем мире работают тысячи электростанций.

Их оппоненты не столь оптимистичны, отмечая, что атомная энергетика не может рассматриваться в качестве «зеленого» источника энергии, поскольку ее использование сопряжено с рисками аварий, радиоактивным загрязнением и уязвимости в связи со стремительным изменением климата.

Кстати, вы знаете какое место на Земле самое радиоактивное? Подробнее о том, почему это звание не принадлежит Чернобылю, рассказывал мой коллега Рамис Ганиев, рекомендую к прочтению.

Последние комментарии