История развития ядерных технологий

ВВЕДЕНИЕ
Ядерные технологии — совокупность инженерных решений, позволяющих использовать ядерные реакции или ионизирующее излучение. Наиболее известные сферы применения ядерных технологий — ядерное оружие, ядерная энергетика, ядерная медицина.
Вплоть до недавнего времени все, что касалось истории развития ядерных технологий, давалось широкой публике в ограниченных дозах. Некоторые факты тщательно скрывались, а другие, уже устоявшиеся в общественном сознании, не имели ничего общего с действительностью.
Актуальность темы реферата заключается в том, что история ядерной индустрии начинается с открытия явлений радиоактивности, изотопии, различных видов ионизирующих излучений, спонтанного и вынужденного деления, обнаружения природных радиоактивных элементов, с отработки методов получения новых техногенных элементов и изотопов. Во всех этих направлениях важную роль сыграло создание новых наук - ядерной физики и радиохимии.
Цель работы – более полное изучение истории развития ядерных технологий.
Для достижения поставленной цели необходимо решить несколько задач: рассмотреть начало развития ядерных технологий, их историю развития, современное состояние ядерной энергетики, ядерные технологии в атомной энергетике, ядерной медицине, в науке, промышленности, а также в сельском хозяйстве и другие моменты.
Структура реферата включает в себя несколько частей: введение, основную часть (две главы), заключение и библиографический список, состоящий из пяти источников литературы.
1. Развитие ядерных технологий
1.1 Начало развития ядерных технологий
Если анализировать этапы развития ядерной науки и техники, определившие создание и развитие ядерного оружия и затем - ядерной энергетики, то надо вернуться более, чем на 100 лет назад в начало 20-го века. Тогда еще не был открыт нейтрон, не было приемлемой теории строения ядра атома и даже не обсуждалась возможность цепной реакции деления ядра, но уже в 1910 году выдающийся Российский ученый Владимир Иванович Вернадский выступил в Российской Академии Наук с докладом о новых ядерных силах на базе исследований радиоактивности радия. В то время были известны опыты лауреатов Нобелевской премии Марии Склодовской-Кюри и Пьера Кюри. Вернадский В.И. понимал, что открыты ядерные силы, которые в миллион раз более эффективны, чем известные химические силы. И исходя из этого, он предположил, что человечество вступает в новую эру, когда не будет ограничения доступа к энергии, и все проблемы питания, здоровья, промышленного и социального развития будут решены.
Это было одним из первых предсказаний о грядущем «Золотом веке» человечества на основе научно-технологической революции. Однако, позднее при открытии Радиевого института (1922 год), он же впервые осознал весь трагический драматизм этого открытия «дверей» не только в светлое будущее, но и к возможности самоуничтожения самого человечества.
1.2 История развития ядерной технологии
В декабре 1942 года коллективом под руководством итальянского ученого лауреата Нобелевской премии по физике Энрико Ферми был запущен первый в мире уран- графитовый ядерный реактор (СР-1, Chicago Pile 1) на природном уране. Затем этот реактор был разобран и перенесен в Аргонскую Национальную лабораторию (ANL), созданную в США, под названием СР-2. Через два года в 1944 году в США в АNL запустили первый в мире «тяжеловодный «реактор» СР-3 на природном уране. Эти два типа ядерных реакторов на природном уране стали основой развития индустрии наработки плутония. Параллельно успешно развивалась технология обогащения урана. Эти две технологии позволили перейти к созданию ядерного оружия.
В 1945 году в июле в США взорвали первую ядерную бомбу - плутониевую. Этот взрыв «Тринити» считается началом ядерной эпохи. Следующие две ядерные бомбы (урановая и плутониевая) были взорваны над Японией.
Развитие ядерной энергетики и наступление «Золотого века» энергетического благополучия – ушло на 10 лет на «обочину» государственного научно-технического прогресса.
За время «холодной войны» в результате ядерной гонки вооружений в мире было проведено более 1500 ядерных испытаний и суммарно создано в США и СССР более 85000 ядерных зарядов.
В 1954 году Генеральная Конференция ООН после долгих дебатов приняла решение о создании режима международного контроля за развитием и использованием ядерных технологий и создания Международного агентства по атомной энергии (МАГАТЭ) для контроля за его реализацией.
Затем в 1956 г. была пущена в Англии первая в мире коммерческая АЭС Колдер- Холл (50 МВт- эл) с уран-графитовым реактором на природном уране, охлаждаемым углекислым газом. Ядерный реактор был типа MAGNOX, разработанный для производства оружейного плутония.
В 1957 году впервые в мире была пущена АЭС Шеппингпорт (70 МВт-эл) с водо – водяным реактором типа PWR (в России-типа ВВЭР). Этот тип реактора был разработан для ЯЭУ атомного подводного флота и в настоящее время составляет основу современной ядерной энергетики.
Количество атомных стаций по всему миру начало быстро расти , используя «базу», созданную оружейными атомными проектами: топливную базу, всю промышленную инфраструктуру - от добычи урана до производства ядерного топлива и использования его в реакторе, подготовку кадров, знания и опыт специалистов.
1.3 Современное состояние ядерной энергетики
К середине 80-х годов 20-го века в мире строилось в год до 40 ядерных блоков, и полная мощность ядерной энергетики достигла более 350 ГВт-эл.
В развитии ядерной энергетики к концу 20-го века наступила стагнация. Начался процесс пересмотра концепции безопасности АЭС и дальнейшего развития «культуры ядерной безопасности» как одной из основ ядерной энергетики.
С целью поиска выхода из наступившего кризиса в развитии ЯЭ в 2000 году были организованы два международных проекта. Инновационный проект ядерной энергетики ИНПРО, предложенный Россией, развивался и развивается под эгидой МАГАТЭ и объединяет усилия специалистов, развитых и развивающихся в ядерном отношении стран (более 40 стран).
Цель ИНПРО — определение стратегии развития и требований к будущей ядерной энергетике.
Проект по разработке реакторов четвертого поколения для АЭС будущего (GIF-4) направлен на создание инновационных реакторов, которые решат (после 2030 г.) проблемы дальнейшего развития ядерной энергетики: безопасности, экономической эффективности, неограниченности ресурсов развития, обращения с отходами и отработанным топливом нераспространения.
К сожалению, ситуация резко усугубилась в результате самой крупной ядерной аварии уже в XXI веке

. Она произошла на АЭС Фукусима в 2011 году в Японии - одной из самых развитых в промышленном и ядерном отношении стран мира.
В последние годы, несмотря на строительство в мире 54 новых блоков, при ежегодном пуске до 5-10 блоков АЭС, вклад ядерной энергетики (ЯЭ) в выработку как электроэнергии (сейчас около 11 %), так и в полный энергетический баланс (сейчас около 5%) - сокращается.
Неограниченность топливных ресурсов ЯЭ превратилась в один из главных аргументов, не позволяющих говорить о современной ЯЭ как о стабильном источнике энергии.
2. Ядерные технологии в различных отраслях
2.1 Атомная энергетика
В 2016 году в мире на атомных (ядерных) электростанциях производилось 10.8% всей электроэнергии. Доля электричества, производимой на атомных станциях в различных странах, заметно различается. Около половины всемирной выработки электроэнергии на АЭС приходится на США и Францию. Данные по десяти странам – лидерам на 2017 год приведены в Таблице 2.1.
Таблица 2.1 - Объемы выработанной на АЭС электроэнергии в 2017 году
На сегодняшний день большинство промышленных реакторов в мире – это урановые реакторы на медленных нейтронах. Уран является распространенным элементом в земной коре, однако, природный уран состоит в основном из изотопа 238U и только 0.7% приходится на 235U, который делится под действием тепловых нейтронов.
Реакторы на медленных нейтронов работают на слабо обогащенном 235U топливе (степень обогащения 4 − 5%). В качестве теплоносителя обычно используется обычная вода. Вода служит также замедлителем. Существуют также реакторы на тяжелой воде (D2O), которые способны работать на естественном уране.
Сегодня на большинстве реакторов используется однократный топливный цикл, который позволяет использовать только 1% энергии добытого урана.
Для того, чтобы повысить эффективность использования энергии потенциально содержащейся в добываемом уране, отходы ядерного топлива (ОЯТ) необходимо переработать для извлечения делящихся материалов.
При переработке из ОЯТ извлекают плутоний и смешивают его с природным, обогащенным или обедненным ураном. Таким образом, получают MOX-топливо (англ. Mixed-Oxide fuel). Доля MOX-топлива в большинстве использующих его реакторов около одной трети, но иногда достигает и 50%.
Другим подходом, позволяющим частично использовать топливный потенциал ОЯТ, является REMIX-топливо (от англ. regenerated mixture). REMIX-топливо производится из уран-плутониевой смеси, выделенной из отработавшего ядерного топлива, куда добавляют обогащенный уран. REMIX можно многократно перерабатывать в действующих тепловых реакторах.
Частичная переработка ОЯТ реакторов на тепловых нейтронах позволяет эффективней использовать природный уран. MOX/REMIX технологии позволяют извлечь из него приблизительно на 25-30% больше энергии, чем в однократном топливном цикле, и экономить природный уран. При этом существенно сокращается объем отходов, быстрее спадает их активность.
Одной, если не самой существенной проблемой при использовании энергии деления атомных ядер является проблема утилизации отходов атомной энергетики и их радиотоксичность. В течении десятилетий в результате работы реакторов на тепловых нейтронов в мире накопилось около 300 тысяч тонн ОЯТ. Предполагается, что к 2030 году накопится уже 400 тысяч тонн.
Промышленное использование реакторов на быстрых нейтронах позволило бы использовать не только ОЯТ из современных реакторов, но и большие запасы обедненного урана, что расширило бы запасы ядерного топлива многократно.
Реакторы на быстрых нейтронах гораздо эффективнее используют уран (приблизительно в 60 раз). Этот тип реакторов может работать на плутониевом топливе, произведенном на тепловых реакторах, и эксплуатироваться в замкнутом цикле с собственным заводом по переработке отработанного топлива.
Радиоизотопные источники преобразуют энергию, выделяющуюся при естественном распаде радиоактивных изотопов, в электроэнергию или используют ее для нагрева теплоносителя. Мощность радиоизотопных источников обычно не больше нескольких киловатт. Время эксплуатации источника 10−20 лет. Радиоизотопные источники энергии применяются там, где необходимо обеспечить автономность работы оборудования. Сегодня они применяются в космосе (на спутниках и межпланетных станциях), в глубоководных аппаратах, на удалённых территориях для энерго­питания маяков и бакенов, в медицине для питания кардиостимуляторов.
2.2 Ядерная медицина
Формально название «ядерная медицина» относится к разделу клинической медицины, занимающемуся применением радионуклидных фармацевтических препаратов (РФП) в диагностике и лечении. Также к ядерной медицине часто относят методы дистанционной лучевой терапии. Однако круг медицинских подходов и методов, использующих явления и процессы ядерной физики, гораздо шире.
Радионуклидная диагностика осуществляется с помощью радиофармацевтических препаратов (РФП) в качестве меченых атомов.Введение

радиационного препарата в организм и последующее детектирование распада позволяет изучать состояние органов и функциональных систем как в статике, так и в динамике.
С помощью радиографии изучают динамику радиоактивности в части тела (органе) и таким образом судят о сроках накопления и выведения радионуклида