Атомная энергия и ядерная энергия — термины, которые часто используются взаимозаменяемо, но действительно ли это одно и то же? Оба они определяются своим отношением к частям атома. Атомы включают ядро и электронное облако вокруг ядра. Ядро состоит из субатомных частиц, протонов и нейтронов. Каждый из них имеет разные электрические заряды: протоны положительны, электроны отрицательны, а нейтроны имеют нулевой заряд. Это влияет на их взаимодействие друг с другом (через Britannica). Энергия — это то, что удерживает вместе все части атома.
И ядерная, и атомная энергия могут быть частью процесса выработки электроэнергии на атомной электростанции. Как выясняется, самая большая разница между ними заключается в том, что атомная энергия включает в себя энергию, необходимую для удержания электронов на их орбиталях в атоме. Атомной энергии нет, по словам Педиаа. Однако это не единственная разница между ними.
Атомная энергия против ядерной
Атомная энергия – это количество энергии, которое содержит атом. Он включает в себя потенциальную энергию всех субатомных частиц, а также энергию, необходимую для поддержания атомов в химической связи, когда они находятся в соединениях, называемую межатомной энергией. Энергия, необходимая для расщепления атома на свободные электроны и ядро, называемая энергией ионизации, также содержится в термине «атомная энергия» (через Педиаа).
С другой стороны, ядерная энергия не включает межатомную энергию или энергию ионизации, согласно Педиаа. Она определяется как полная энергия ядра атома и высвобождается при протекании ядерных реакций. Эти реакции так или иначе изменяют ядро атома. Различают два основных типа ядерных реакций: деление и синтез.
Другими терминами, связанными с атомной и ядерной энергией, являются ядерная связь и потенциальная энергия. Энергия связи ядра — это то, что требуется, чтобы разделить ядро на нейтроны и протоны, или если подойти с противоположного направления, это то, что связывает нейтроны и протоны вместе в ядре. Это связано с ядерным делением. Потенциальная энергия ядра представляет собой комбинацию потенциальных энергий всех субатомных частиц в ядре. Он не разрушается, когда происходит расщепление ядра (через Педиаа).
Ядерное деление
Ядерное деление происходит, когда что-то заставляет ядро атома расщепляться на более мелкие частицы. Частицы называются продуктами деления. Суммарная масса продуктов деления будет меньше начальной массы ядра. Дополнительная масса преобразуется в энергию, что можно объяснить знаменитым уравнением Альберта Эйнштейна E = mc2. E — энергия, полученная при делении, m — недостающая масса, а c — скорость света (через Педиаа).
Ядерное деление может происходить по-разному. Одним из них является радиоактивный распад, процесс, который стабилизирует ранее нестабильные ядра. В ходе этого процесса протоны и нейтроны могут превращаться в разные типы частиц. Другой способ деления — бомбардировка нейтронами, когда нейтрон попадает в ядро извне, часто вызывая расщепление ядра. Эти полученные частицы также называются продуктами деления (через Педиаа).
По данным Международного агентства по атомной энергии (МАГАТЭ), этот процесс высвобождает много энергии, и полученная энергия превращается в тепло и излучение. Атомная электростанция может превратить это тепло в электричество. В такой электростанции тепло нагревает хладагент ядерного реактора, обычно воду, превращая его в пар, который затем приводит в действие турбины для выработки электроэнергии.
Термоядерная реакция
Ядерный синтез, по сути, противоположен ядерному делению, поскольку в процессе синтеза ядро становится больше. Это происходит, когда два ядра сливаются в одно. Новое ядро тяжелее первых двух, но имеет меньшую массу. Поскольку общая масса нового ядра меньше, чем у двух первоначальных ядер, этот процесс также создает энергию и снова может быть объяснен E = mc2, по данным Министерства энергетики США (DOE). Это может произойти только в плазме, горячем газе, состоящем из положительных ионов и свободно движущихся электронов. Он отличается от других газов и других состояний материи, таких как твердые тела и жидкости.
Слияние может происходить со многими различными элементами периодической таблицы, но ученых особенно интересует реакция синтеза дейтерия и трития. Эта реакция производит нейтрон и ядро гелия и высвобождает гораздо больше энергии, чем большинство термоядерных реакций. Это также происходит при более низких температурах, чем реакции синтеза других элементов (через DOE).
По данным Международного агентства по атомной энергии (МАГАТЭ), ядерный синтез питает Солнце и другие звезды, но эти реакции происходят только при чрезвычайно высоких температурах — около 10 миллионов градусов по Цельсию. Высокие температуры дают ядрам достаточно энергии, чтобы преодолеть их электрическое отталкивание и слиться. Чтобы это произошло, ядра должны находиться в очень маленьком пространстве. Гравитация Солнца создает давление, необходимое для синтеза.
Плюсы использования атомной энергии
Одним из преимуществ использования ядерной энергии здесь, на Земле, является то, что она хороша для выработки электроэнергии и имеет более высокий уровень энергии, чем ископаемое топливо (через Педиаа). Управление ядерной энергетики США, занимающееся техническим обслуживанием существующих реакторов и технологий для будущих, отмечает, что в атомной энергетике занято около полумиллиона человек в США, и каждый год к ВВП США добавляется около 60 миллиардов долларов. На американской атомной электростанции может быть занято до 700 рабочих с зарплатой выше средней.
Управление по ядерной энергии также отмечает, что ядерная энергетика является крупнейшим источником чистой или не генерирующей углерод энергии в США. Ядерная энергетика ежегодно вырабатывает много часов электроэнергии. Это устраняет образование более 470 миллионов метрических тонн углерода каждый год, что эквивалентно снятию с дорог 100 миллионов автомобилей. В глобальном масштабе ядерная энергетика производит около одной трети мировой безуглеродной электроэнергии (через МАГАТЭ). Ядерная энергетика в США также важна для поддержания международной безопасности, по мнению Управления по ядерной энергии, потому что США должны быть мировым лидером в этой области, работая с другими странами над обеспечением мирного использования ядерных технологий.
Минусы использования ядерной энергии
Атомная энергетика может быть дорогой в эксплуатации, отчасти из-за строгих правил обслуживания, укомплектования персоналом, обучения и проверок. Министерство энергетики (DOE) работает над сокращением этих затрат, обеспечивая при этом повышение производительности, а не страдание от каких-либо изменений. По данным Управления ядерной энергетики, они также разрабатывают «аварийно-устойчивое топливо», которое будет производить меньше отходов и может быть использовано к 2025 году.
Транспортировка и хранение отработавшего топлива атомных электростанций часто затруднены. В настоящее время в США он хранится на 76 объектах в 34 штатах. Конгресс работает над идеями о постоянном захоронении. Министерство энергетики разрабатывает новый тип вагона для крупномасштабной перевозки отработавшего топлива с заводов (через Управление по ядерной энергии).
Катастрофы на электростанциях во всем мире вызвали обеспокоенность общественности по поводу использования атомной энергии. Атомные электростанции производят ядерные отходы с разным уровнем радиоактивности. По данным МАГАТЭ, его хранение или захоронение различаются в зависимости от уровня радиоактивности и его назначения. Министерство энергетики работает над проектированием усовершенствованных реакторов с использованием новых технологий, которые должны производить намного меньше ядерных отходов. Они могут быть построены к 2030 году (через Управление ядерной энергии).