Викторина 2023 — Global Atomic Quiz

Global Atomic Quiz — глобальный просветительский проект в режиме тест-викторины на время, приуроченный ко Всемирному дню науки. Пройдёт викторина 10 ноября 2023 года. Викторина состоит из двух частей, можно ответить на вопросы без регистрации, но и без призов, а можно попробовать свои силы и выиграть приз. Также можно потренироваться и пройти викторину 2021 и 2022 годов. Для этого в верхнем правом углу поменяйте год.

Как поучаствовать?
Просто заходи на официальный сайт: quiz.atomforyou.com и нажимай на кнопку «участвовать в конкурсе», ответь на вопросы и получи диплом участника и возможно ты получишь приз.
Вопросы делятся на:

1. Правда или ложь? — определите, является ли утверждение правдивым
2. Твой выбор — выбери один правильный ответ из четырех вариантов
3. По порядку — расставь в нужном порядке перечисленные варианты ответов

Обрати внимание на таймер!

Цепная реакция может протекать при комнатной температуре.

Ответ — Да

Цепная ядерная реакция — это распад некоторых атомных ядер (в частности, урана-235), сопровождаемый испусканием нейтронов, которые, в свою очередь, захватываются другими ядрами и провоцируют их распад. Цепная реакция протекает при любой температуре, но сильно зависит от концентрации урана: если его мало, цепочки распадов обрываются и тепла почти не выделяется. При высокой концентрации урана число нейтронов, энерговыделение и температура растут, на чем и основана атомная энергетика. В большинстве современных реакторов температура составляет около 300 °С. В некоторых перспективных высокотемпературных реакторах температуру планируется поднять до 600–700 °C, чтобы увеличить КПД выработки электроэнергии. Однако протекание самой цепной реакции от температуры не зависит.

Существуют бактерии, способные дезактивировать опасные радионуклиды.

Ответ — Нет

Таких бактерий не существует. Радионуклиды (радиоактивные изотопы) распадаются каждый со своей характерной скоростью. На скорость протекания ядерных процессов нельзя повлиять химическими или биологическими методами. Поэтому ни один биологический процесс в природе не вызывает ядерных превращений, а живые организмы не способны управлять ядерными реакциями и превращать одни химические элементы в другие. Все известные микроорганизмы лишь пассивно накапливают отдельные радионуклиды, не меняя их свойств. Возможно, генная инженерия поможет создать микроорганизмы, эффективнее собирающие радионуклиды, но их принципиально невозможно лишить радиоактивности (дезактивировать) биологическими методами.

Уран — очень редкий элемент, который добывается лишь в нескольких местах на Земле.

Ответ — Да

Уран — 38-й по распространенности элемент на Земле. Разведанных запасов урана довольно много, и они растут. На сайте Международного агентства по атомной энергии (МАГАТЭ) размещена база данных всех урановых залежей в мире. В ней числятся 5234 объекта. Из них более 10% имеют промышленное содержание урана, более 1 грамма на тонну породы, и запасы свыше 1 тысячи тонн. Всего в таких месторождениях содержится 6,2 млн тонн урана. При этом мировая добыча составляет около 60 тысяч тонн урана в год примерно из 70 урановых рудников. Приблизительно столько же добывается вольфрама, а золота — почти в 20 раз меньше. В 2016 году в этой базе данных было только 1807 объектов, а в 2009-м — 878. То есть разведанные запасы урана очень быстро растут.

От радиации получают больше пользы для здоровья, чем вреда.

Ответ — Да

Грамотное медицинское применение радиации приносит гораздо больше пользы, чем наносится вреда всеми остальными ее проявлениями, среди которых наибольшую роль играет накопление природного радиоактивного газа радона на нижних этажах зданий. Радиационно-лучевую терапию получает примерно половина из 20 млн ежегодно выявляемых онкологических пациентов в мире. Значит, только одна эта ядерно-медицинская технология ежегодно спасает больше жизней, чем унесли все промышленные аварии XX века во всех отраслях. Еще шире применяются рентгеноскопические исследования, также основанные на использовании ионизирующего излучения: ежегодно их проводят несколько миллиардов.

Элементы активной зоны ядерного реактора можно печатать на 3D-принтере.

Ответ — Да

Американская компания USNC научилась печатать на специализированном 3D-принтере капсулы с ядерным топливом в оболочке из карбида кремния и другие элементы активной зоны реактора, также состоящие из карбида кремния. Технология будет использоваться при изготовлении малых модульных реакторов мощностью до 15 мегаватт. Один из первых таких реакторов должен с 2027 года обеспечивать отопление кампуса Иллинойского университета. 3D-печать относится к группе аддитивных технологий, в которых детали создаются добавлением частиц сырья, а не их отсечением от цельной заготовки. Такие технологии все шире применяются в атомной отрасли. Например, в России готовятся печатать порошком из нержавеющей стали кольцо выгородки для активной зоны реактора весом 35 тонн, в которое вставляются тепловыделяющие элементы (твэлы), а антидебризные фильтры (которые защищают твэлы тепловыделяющей сборки) в активной зоне реактора уже начали изготавливать методом 3D-печати.

Что общего между человеческим сердцем, циркуляционным насосом на АЭС и вентиляторной установкой в угольной шахте?

Ответ — Не выключаются, когда работа приостанавливается

Хотя сердце, циркуляционный насос и вентилятор выполняют схожую функцию транспортировки жидкости или газа, механизмы их работы различаются. Крупные промышленные насосы обычно циркуляционные и работают от электричества, а сердце не использует электроэнергию и больше похоже на поршневой насос, дающий пульсирующий кровоток. Сердце и насос на АЭС приводят в движение жидкости, а вентилятор в шахте — газ. И общая критически важная черта — такие механизмы не выключаются даже при остановке работы всей системы. Сердце обеспечивает кровоток непрерывно, в том числе во сне. Насос АЭС нельзя надолго отключать, поскольку атомный реактор греется и тогда, когда он остановлен. А вентиляцию в шахте нельзя надолго отключать, даже когда там нет людей, чтобы не накапливался метан.

Мы все состоим из атомов. А какие частицы входят в состав атомов? (Укажите лишнее)

Ответ — Фотоны

Современной физике известны сотни разных элементарных частиц. Некоторые фундаментальные, некоторые — составные. Ядро атома состоит из протонов и нейтронов, которые вместе называются нуклонами. Нуклоны — составные частицы, каждый нуклон состоит из трех фундаментальных частиц, называемых кварками. Кварки — самый глубокий уровень строения материи, открытый на сегодня физиками. Вокруг атомного ядра обращаются электроны. Они относятся к классу лептонов, это еще одна группа фундаментальных частиц, включающая также нейтрино, позитроны и некоторые другие частицы. А вот фотоны, частицы света, хотя и могут испускаться атомами, в их состав не входят.

Какой элемент, кроме урана, используется в топливе современных промышленных атомных реакторов?

Ответ — Плутоний

Наряду с ураном-235, используемым в большинстве современных атомных реакторов, цепную ядерную реакцию поддерживает плутоний-239. Этот искусственный изотоп нарабатывают из природного урана-238 в реакторах на быстрых нейтронах. Россия — единственная в мире страна, где два таких реактора (БН-600 и БН-800) находятся в промышленной эксплуатации (экспериментальные есть в Индии и Китае). В дальнейшем плутоний-239 используют в составе металл-оксидного (MOX) ядерного топлива. Торий — перспективное ядерное топливо, но технология его применения пока не отработана. Водород послужит в будущих термоядерных реакторах, где энергия выделяется за счет слияния атомных ядер. А железо никогда не станет топливом: любые ядерные реакции с ним идут с поглощением, а не с выделением энергии.

Когда на Земле заработал первый атомный реактор?

Ответ — Задолго до появления людей на земле

В урановом месторождении Окло на территории современного Габона 2 млрд лет назад работал природный атомный реактор. Он возник благодаря тому, что в ту эпоху в урановой руде было в несколько раз больше урана-235, чем сегодня. Реактор запускался, когда руда пропитывалась грунтовыми водами, которые замедляли нейтроны и тем запускали цепную реакцию. Выделяющееся тепло шло на испарение той же воды. Так что первый реактор на земле технически относился к водо-водяному типу: вода служила и замедлителем, и теплоносителем. Остальные даты — это вехи на пути к ядерной энергетике. Изучение радиоактивности в парижской лаборатории супругов Кюри в начале прошлого века. Первое наблюдение цепной реакции в 1938 году в берлинской лаборатории Отто Гана. Первый искусственный атомный реактор («Чикагская поленница»), пущенный в 1942 году под руководством Энрико Ферми.

Какая страна запустила первый коммерческий атомный реактор для выработки электричества?

Ответ — Великобритания

Первая атомная электростанция, мощностью 5 мегаватт, была подключена к гражданской электросети в 1954 году в городе Обнинске (СССР, Россия). Реактор проработал до 2002 года. Однако эта энергетическая установка была исследовательской, перед ней не ставилась задача достижения экономической рентабельности. Первый же коммерческий, то есть нацеленный на получение прибыли, атомный реактор Magnox был открыт королевой Елизаветой II на британской АЭС Calder Hall в октябре 1956 года. Его мощность составляла около 50 мегаватт, он работал на природном (необогащенном) ядерном топливе и действовал до 2003 года.

Где расположена самая северная в мире АЭС?

Ответ — В России

Самая северная в мире АЭС «Академик Ломоносов» расположена в порту чукотского заполярного города Певек на широте 69°42′. Это плавучая атомная теплоэлектростанция, на борту которой работает сразу пара первых малых модульных реакторов российской разработки КЛТ-40С общей электрической мощностью 70 мегаватт. В России есть еще две АЭС за полярным кругом: Билибинская (тоже на Чукотке) и Кольская (в южной части Кольского полуострова). В Финляндии есть свои АЭС, но все они находятся существенно южнее полярного круга. Больше заполярных АЭС в мире пока нет. Все действующие канадские АЭС расположены в южной части страны, в пределах 45° с. ш. А в Исландии АЭС нет и не планируется, поскольку небольшое население полностью обеспечено геотермальной и гидроэлектроэнергией.

Сколько ядерного топлива нужно атомному ледоколу, чтобы сутки проходить через арктические льды?

Ответ — Кружка

Современные атомные ледоколы имеют энергоустановку тепловой мощностью сотни мегаватт. В реакторы загружается около кубометра ядерного топлива, которого хватает на 5–10 лет работы. Оно находится там в виде твердых таблеток из диоксида урана, упакованных в металлические стержни тепловыделяющих элементов, собранных в тепловыделяющие сборки. Чтобы было нагляднее, мы выразили это топливо не в килограммах, а в единицах объема. За сутки в среднем расходуется около 300 мл ядерного топлива, которое заменяет три железнодорожные цистерны дизеля. Работая на дизельном топливе, ледоколу пришлось бы ежемесячно заходить в порт для заправки, что нелегко обеспечить в арктических условиях.

В последнее время в мире активно разрабатывают малые модульные реакторы. Что из перечисленного НЕ относится к их достоинствам?

Ответ — Используется высокообогащённое ядерное топливо

Высокообогащенное ядерное топливо дороже обычного, но оно позволяет создавать малые модульные реакторы (ММР). Их малая мощность не недостаток, а способ сделать атомную энергию доступной для заводов и небольших городов в труднодоступной местности, где строительство больших АЭС неоправданно. ММР также хороши тем, что доставляются к месту эксплуатации в собранном виде — это упрощает строительство. Они имеют повышенную безопасность в основном пассивного типа, то есть при любых нарушениях останавливаются естественным образом, без внешнего вмешательства. В мире разрабатывается около 60 проектов ММР. В частности, в России опыт работы с ними накоплен при эксплуатации атомного ледокольного флота. Две реакторные установки КЛТ-40С на плавучей АЭС «Академик Ломоносов» уже обеспечивают энергией чукотский порт Певек, а сходные адаптируются для использования на суше в Якутии.

Уран-235 — уникальный и ключевой изотоп для атомной энергетики, потому что единственный из всех природных изотопов сочетает следующие свойства (укажите лишнее):

Ответ — Выделяет энергию независимо от внешних условий

Из природных изотопов лишь уран-235 поддерживает цепную реакцию. Его ядра не только сами испускают нейтроны при редком спонтанном делении (1), но и делятся при поглощении нейтронов (2), испуская новые. Каждый такой распад дает в 2 тысячи раз больше энергии, чем сгорание равной по весу молекулы дизтоплива (4). В ядрах тория-232 и урана-238 запасено столько же энергии. Но торий-232 в 10 тысяч раз реже, чем уран-235, испытывает спонтанный распад, а уран-238 в тысячу раз реже под воздействием нейтрона испускает новые нейтроны. Поэтому цепная реакция в них не идет, и без урана-235 их энергию не извлечь. Но и урану-235 нужны особые условия: чтобы нейтроны замедлялись до оптимальной скорости и не поглощались посторонними материалами. Так что независимость его энерговыделения от внешних условий (3) — ошибка.

Легкий элемент бор играет исключительно важную роль в атомной энергетике. Однако среди перечисленных его применений одно — лишнее. Какое?

Ответ — Для смягчения воды, охлаждающей реактор

Самое важное для атомщиков свойство бора — его способность очень эффективно поглощать тепловые нейтроны, поддерживающие цепную ядерную реакцию. Поэтому бор используется в управляющих стержнях, регулирующих работу реактора. В воду, охлаждающую ядро реактора, борную кислоту могут добавлять с этой же целью, а вовсе не для смягчения воды, в чем борная кислота как раз бесполезна (в отличие от некоторых других соединений бора). Радиоактивные отходы перед захоронением остекловывают, растворяя в блоках боросиликатного стекла. Благодаря своей тепловой и химической стойкости это стекло препятствует выходу радиоактивных элементов в окружающую среду. Наконец, в будущих термоядерных реакторах топливом может стать изотоп бор-11, дающий при реакции с водородом много энергии при полном отсутствии радиоактивности.

Ночью температура на Марсе опускается до –100 °C. Без дополнительного тепла электроника может выйти из строя. Какой изотоп используется для обогрева марсохода «Кьюриосити»?

Ответ — Плутоний — 238

Марсоход «Кьюриосити», запущенный в 2011 году, подогревается плутонием-238. Этот изотоп был выбран потому, что при высоком энерговыделении дает относительно мало опасного для электроники планетохода гамма-излучения (сравнительно, например, с радием-226). Запас в 4,8 кг плутония-238 не только согревает аппарат по ночам, но и дает ему 125 ватт электроэнергии через радиоизотопный термоэлектрический генератор. Плутоний-238 для марсохода NASA был тогда поставлен из России, поскольку свое производство этого изотопа в США долгое время не работало. Для тех же целей можно было бы использовать более доступный стронций-90, но у него короче период полураспада, и отдаваемая энергия снижалась бы быстрее. Это важно, поскольку ровер успешно работает на Марсе уже 12-й год. А вот литий-7 совсем не подходит, так как является стабильным изотопом.

В термоядерном реакторе надо удерживать плазму с температурой во многие миллионы градусов. Какой метод удержания применяется в крупнейшем международном проекте экспериментального термоядерного реактора?

Ответ — Магнитное удержание

Идею магнитного удержания плазмы подал в 1950 году советский физик Андрей Сахаров. Он предложил поместить плазму в кольцеобразную камеру и удерживать от контакта с ее стенками мощными магнитами, а сжимать магнитным полем электрического тока, протекающего по самому плазменному кольцу. Эту идею назвали «токамак» — тороидальная камера с магнитными катушками. Она лежит в основе строительства во Франции крупнейшего международного экспериментального термоядерного реактора ИТЭР, в создании которого участвуют более 35 стран, в том числе Россия, отвечающая за поставку сверхпроводящих магнитов. Задача удержания термоядерной плазмы очень сложна. За 70 лет исследований появились идеи, конкурирующие с токамаком, например инерционное, электростатическое и ультразвуковое удержание, а также альтернативная конструкция магнитной ловушки — стелларатор. Однако токамак остается самым проработанным и перспективным решением.

Многие физики, проложившие дорогу к ядерной энергии, связаны ученическими связями. Расставьте в порядке ученической преемственности следующих физиков:

Ответ — Дж. Дж. Томсон -> Эрнест Резерфорд -> Нильс Бор -> Вернер Гейзенберг

Начало изучению строения атома положил Дж. Дж. Томсон, открывший электрон в 1897 году (4). Он же предложил модель атома как положительно заряженного шарика с внедренными, подобно изюму в пудинг, электронами. Ученик Томсона Эрнест Резерфорд в 1911 году открыл атомное ядро (2), экспериментально показав, что положительный заряд сосредоточен в малой центральной области. Он считал электроны вращающимися вокруг ядра, как планеты. Ученик Резерфорда Нильс Бор в 1913 году предложил первую квантовую модель атома (1). В ней электроны считались волнами и могли двигаться лишь по орбитам, на которых укладывалось целое число волн. Это объяснило спектры простых атомов. Наконец, ученик Бора Вернер Гейзенберг сформулировал принцип неопределенности, положивший начало квантовой механике (3).

Следующие научно-технические прорывы случились на протяжении всего лишь одного десятилетия. Попробуйте расставить их в хронологическом порядке.

Ответ:

1. Расшифровка структуры ДНК
2. Первая атомная электростанция
3. Первый спутник Земли
4. Появление лазера

25 апреля 1953 года в журнале Nature вышла статья, описывающая строение двойной спирали ДНК (3). 26 июня 1954 года была введена в эксплуатацию первая в мире Обнинская АЭС мощностью 5 мегаватт (2). 4 октября 1957 года СССР вывел на орбиту первый спутник (1). 16 мая 1960 года в США публично продемонстрирована работа первого рубинового лазера (4).

Рассортируйте технологии электрогенерации по возрастанию углеродного следа на киловатт-час за весь срок эксплуатации (от меньшего к большему).

Ответ:

1. Атомные электростанции
2. Ветровые электростанции
3. Солнечные электростанции
4. Газовые электростанции

По данным Европейской экономической комиссии ООН на 2022 год, атомная энергетика оставляет наименьший углеродный след из всех промышленных технологий электрогенерации — всего 5–6 граммов CO2 в расчете на 1 киловатт-час (1). Причем этот след косвенный, то есть углекислый газ выделяется не при работе реакторов, а при их обслуживании: например, когда для этого используется автомобильный транспорт. Ближайшие конкуренты по этому показателю — малые ГЭС (6–11 г) и ветровые (8–23 г) электростанции (3). Однако у крупных ГЭС углеродный след значительно выше (85–147 г) из-за масштабного бетонного строительства и затопления земель. Их обходят солнечные электростанции с углеродным следом в несколько десятков граммов CO2 на киловатт-час (4). Наибольшие же выбросы CO2 дают угольные электростанции (около 900 граммов на киловатт-час). У газовых выбросы вдвое меньше (450 г). Правда, новые технологии улавливания CO2 позволяют снизить углеродный след тепловых электростанций в два-четыре раза, но он все равно остается высоким (2).

Эрнест Резерфорд первым продемонстрировал возможность извлечения ядерной энергии.

Ответ — Нет

Британский физик Эрнест Резерфорд в 1911 году открыл атомное ядро, а в 1919-м первым осуществил его искусственное расщепление путем бомбардировки энергичными альфа-частицами. Однако при этом ядерная энергия не извлекалась и не использовалась. Напротив, на расщепление ядер затрачивалась энергия пучка альфа-частиц. Сам Резерфорд видел в этом исключительно академический интерес и до конца жизни сомневался в возможности практического использования ядерной энергии. Зато его ученик Отто Ган совместно с Фрицем Штрассманом открыл в 1938 году цепную реакцию ядерного распада. Многие другие ученики Резерфорда приняли самое непосредственное участие в освоении ядерной энергии.

Крупнейшее в мире месторождение урана было открыто с орбиты по его радиоактивному излучению.

Ответ — Нет

Хотя спутниковые снимки полезны при разведке полезных ископаемых, нет ни одного случая непосредственного обнаружения урановых месторождений с орбиты. Гамма-излучение от распада радиоактивных элементов недостаточно интенсивно для обнаружения с такой высоты при современном уровне техники. К тому же большинство залежей урана находится на глубине в сотни метров и недоступно для прямого спутникового наблюдения.

Живые организмы способны очищать окружающую среду от радиоактивных элементов.

Ответ — Да

Живые организмы не могут изменить химические и ядерные свойства радионуклидов, но могут способствовать их удалению из окружающей среды. Этот процесс называется биоремедиацией. Например, некоторые бактерии взаимодействуют с тяжелыми элементами, к которым относятся многие радиоизотопы, и осаждают их в виде твердых частиц, которые легко удалить. Другие организмы аккумулируют радиоактивные элементы в своих тканях, что также позволяет их извлечь и безопасно утилизировать. Однако по этой же причине продукция, выращенная в местах, ранее загрязненных радиоактивными элементами, должна особенно внимательно проверяться перед употреблением. Методы биоремедиации уже применялись: например, для очистки закрытых урановых рудников.

Радиация не вызывает наследственных заболеваний.

Ответ — Да

Представление о наследственных заболеваниях, возникающих под действием радиации, широко распространено в массовой культуре, но не подтверждается научными данными и относится к категории иррациональной радиофобии. Хотя высокие дозы ионизирующего излучения вредны для здоровья и повышают риск онкологических заболеваний, возникновение передаваемых по наследству заболеваний под воздействием радиации настолько маловероятно, что в научной литературе нет достоверных сведений о подобных случаях.

Атомная энергия подходит только для больших городов, поскольку почти все АЭС — крупные.

Ответ — Нет

Небольшие города в труднодоступных районах — на островах, в горах, на Крайнем Севере — получают энергию по очень высоким ценам из-за трудности доставки горючего. Однако в разных странах активно ведется разработка АЭС на базе малых модульных реакторов (ММР) мощностью несколько десятков или сотен мегаватт. Они не требуют большой площади для установки, оснащены самыми современными системами пассивной безопасности и рассчитаны на работу в течение нескольких лет без замены ядерного топлива. Малые АЭС могут снизить расходы на энергию для отдаленных городов с населением порядка 100 тысяч человек. В России опыт эксплуатации подобных реакторов накоплен на гражданском ледокольном флоте. Уже сейчас единственная в мире плавучая АЭС «Академик Ломоносов» с подобными реакторами обеспечивает электричеством арктический порт Певек, а в Якутии к 2028 году планируется ввести в строй наземную АЭС малой мощности с реактором РИТМ-200Н.

Какой процесс лежит в основе получения энергии на современных АЭС?

Ответ — Цепная ядерная реакция

В основе работы современных АЭС лежит деление ядер урана или плутония, при котором выделяется энергия и могут выбрасываться нейтроны, провоцирующие распад следующих ядер. Это называется цепной реакцией. В радиоизотопных термоэлектрических генераторах, которые, в частности, применяются для питания аппаратов в далеком космосе, также используется энергия спонтанного деления ядер, но без цепной реакции. Термоядерный синтез, при котором ядра легких элементов сливаются с выделением энергии, пока не используется в энергетике. А ядерный магнитный резонанс применяется в медицине и не имеет отношения к энергетике.

Следующие природные изотопы тяжелых элементов могут служить компонентами топлива для атомной энергетики. Какой изотоп здесь лишний?

Ответ — Плутоний — 239

В отличие от остальных перечисленных изотопов, плутоний-239 — изотоп искусственного элемента, который не встречается в природе. Его получают в атомных реакторах, облучая нейтронами природный изотоп уран-238. Это, например, делается на российских реакторах серии БН. Как и уран-235, плутоний-239 поддерживает цепную ядерную реакцию и может служить ядерным топливом. За счет преобразования в плутоний-239 в качестве ядерного топлива можно использовать уран-238, которого в природе в 140 раз больше, чем урана-235. Торий-232 тоже может использоваться подобным образом, если предварительно преобразовать его в уран-233, но эта технология пока не отработана.

Что общего между стиральной машиной, анализом крови на анемию и заводом по обогащению ядерного топлива?

Ответ — Используются вращательные барабаны

Общая черта всех этих процессов — использование центробежной силы во вращающихся барабанах для разделения материала на фракции по плотности. В стиральной машине отделяется вода от белья центрифугированием при 1000 об/мин, при анализе крови на анемию — эритроциты от плазмы при 3000 об/мин, а при обогащении ядерного топлива при 100 000 об/мин разделяют изотопы делящихся элементов, отличающиеся атомным весом и способностью поддерживать цепную реакцию. Однако если вода и плазма крови отделяются всего за 10–15 минут, то обогащение ядерного топлива длится неделями, причем этот процесс идет в газовой среде. Главное все же — общий центробежный метод разделения компонентов по плотности.

Какая страна в наибольшей степени продвинулась по направлению к реализации замкнутого ядерного топливного цикла?

Ответ — Россия

Замкнутый топливный цикл — это комплекс технологий, позволяющих повторно использовать отработавшее ядерное топливо (ОЯТ), минимизировать радиоактивные отходы и использовать уран-238, непригодный для современных реакторов на тепловых нейтронах. На этом пути в России уже работают промышленные реакторы на быстрых нейтронах БН-600 и 800, а также строится БН-1200, производится металл-оксидное (MOX) топливо для них и есть несколько заводов по переработке ОЯТ. Подобные разработки есть и в Китае, но они находятся на экспериментальной стадии. Во Франции ведутся переработка ОЯТ и производство МОХ-топлива, но нет реакторов на быстрых нейтронах, а в США работы по замкнутому топливному циклу в основном свернуты. Однако и в России предстоит еще много работы по инфраструктуре, масштабированию и оптимизации технологий для реализации замкнутого топливного цикла.

По изотопам какого элемента наиболее точно определен возраст Солнечной системы?

Ответ — Свинца

Все эти элементы используются для определения возраста осадочных отложений и горных пород по скорости распада радиоактивных изотопов и образования продуктов их деления. По распаду углерода-14 определяют возраст органических материалов в пределах 50 тысяч лет, по хлору-36 датируют грунтовые воды возрастом до миллиона лет, а калий-40 подходит для пород возрастом несколько миллионов лет. Для миллиардов лет лучше всего подходят изотопы свинца-206 и 207, которые образуются от медленно распадающегося урана. По ним возраст древнейших метеоритов Солнечной системы определяется с точностью в 0,004%: 4 567 300 000 ± 160 000 лет.

В технических и медицинских целях используются десятки радиоактивных изотопов. Как вы думаете, какой изотоп служит для проверки сварных швов в крупных конструкциях?

Ответ — Иридий-192, бета-распад с полупериодом 74 дня

Для контроля глубоких сварных швов, таких, например, как в корпусах ядерных реакторов со стенками толщиной до 15 см, нужен мощный компактный источник жесткого рентгеновского излучения. Его дают изотопы, испускающие при бета-распаде энергичные электроны. Они тормозятся в металле, испуская рентгеновское излучение и позволяя обнаружить скрытые дефекты сварки. Этот метод называется радиографией. Полоний в качестве источника отпадает, так как дает альфа-частицы. Углерод-14 распадается слишком медленно и не дает высокой мощности излучения. Фтор-18 дает позитроны, которые тоже испускают рентген при торможении и аннигиляции с электронами, но его период полураспада слишком короткий для промышленного использования. Поэтому оптимальным источником рентгена для радиографии служит иридий-192.

Какой метод диагностики, основанный на физике частиц, оптимален для быстрого и безопасного выявления пневмонии при ковиде?

Ответ — Компьютерная томография (КТ) легких

Обычная рентгеноскопия основана на высокой проникающей способности энергичных рентгеновских фотонов. Но отдельный снимок дает лишь примерную картину поражения легких, поскольку разные слои тканей заслоняют друг друга. Компьютерная томография (КТ) делает рентгеновские изображения со многих ракурсов и собирает их в 3D-изображение высокого разрешения, позволяя точно визуализировать очаги поражения легочной ткани и оценить тяжесть пневмонии. Магнитно-резонансная томография (МРТ), основанная на измерении электромагнитного отклика атомных ядер в сильном магнитном поле, дает еще более детальные изображения, но ее применение ограничено высокой стоимостью и длительностью сканирования. Что же до полимеразной цепной реакции (ПЦР), то она не связана с физикой частиц и служит лишь для первичной диагностики ковида по наличию РНК вируса в мазках, но не дает информации о состоянии легких. Таким образом, КТ — оптимальный метод подтверждения и оценки тяжести пневмонии при COVID-19.

Новая ядерная технология использует космические лучи для измерения влажности почвы в радиусе до 300 метров от датчика. Какие частицы регистрирует датчик?

Ответ — Нейроны

Хотя в составе космических лучей нет нейтронов, они рождаются при взаимодействии энергичных частиц из глубин Галактики с атмосферой Земли. Когда родившиеся быстрые нейтроны долетают до поверхности, они сталкиваются с ядрами водорода в почве, меняют направление движения и замедляются. Чем больше в почве воды, содержащей водород, тем сильнее этот эффект. Замедленные нейтроны регистрирует датчик системы CRNS (Cosmic Ray Neutron Sensor), разработанный Международным агентством по атомной энергии (МАГАТЭ). Датчик ставится посреди поля и оценивает среднюю влажность почвы в радиусе до 300 метров. Полученная информация используется для оптимизации орошения. Кстати, аналогичный метод рассеяния нейтронов применяется в российских приборах на борту космических аппаратов, которые картографируют распределение воды в приповерхностных слоях Луны и Марса.

Около 3 млрд лет назад ядерно-физические процессы в недрах Земли привели к важному геологическому процессу, создавшему предпосылки для появления развитой биосферы. Что это за процесс?

Ответ — Образование континентов

Распад радиоактивных изотопов урана, тория и калия в ранний период истории нашей планеты привел к разогреву и расплавлению ее недр. Это способствовало дегазации недр с образованием первичной атмосферы и океана, а также, за счет жидкого ядра, обеспечило планету магнитным полем, но все это произошло более 4 млрд лет назад. А около 3 млрд лет назад под действием глубинного тепла началась циркуляция вещества в земной мантии. На поверхности это привело к обособлению первичной континентальной коры от океанической с последующим формированием материков и тектоники плит, определяющей рельеф суши. Таким образом, именно ядерно-физические процессы запустили образование континентов, где впоследствии жизнь достигла наибольшего развития.

Какой надводный корабль первым в мире достиг Северного полюса?

Ответ — Советский ледокол «Арктика» 1975 года постройки

«Арктика» была головным судном проекта 10520 — второго поколения советских атомных ледоколов с мощностью на валах 55 мегаватт. В 1977 году «Арктика» стала первым в мире надводным судном, достигшим Северного полюса. Именно с появлением атомных силовых установок для этого стало хватать мощности и автономности. Ледокол прослужил до 2008 года. С 2020-го его имя носит головное судно четвертого поколения российских атомных ледоколов (проект 22220) с увеличенной на 30% мощностью ядерной силовой установки. Шведский «Оден» мощностью 19 мегаватт стал первым дизельным ледоколом, достигшим Северного полюса в 1991 году. Он провел туда немецкое исследовательское судно «Поларштерн». Первый в мире ледокол арктического класса «Ермак» имел недостаточную для этого мощность паровых машин в 7,35 мегаватта, особенно учитывая, что полярные льды тогда были суровее.

Двигательные установки с питанием от ядерного реактора никогда не испытывались на… (укажите лишнее)

Ответ — …спутнике

Идеи автомобиля с ядерным двигателем не пошли дальше концепт-дизайна. Атомные локомотивы рассматривались серьезнее, но ни один из проектов не дошел до испытаний. Самолеты с атомными реакторами на борту испытывали в СССР и США, но до применения ядерной энергии для двигателей дело не дошло. А вот в космосе, по крайней мере однажды, в 1965 году на борту американского спутника SNAP-10A энергия ядерного реактора была использована для питания экспериментального ионного двигателя. Его тяга составляла всего 1 грамм, а работа продолжалась 1 час и прошла не вполне гладко, однако испытания состоялись. Сегодня именно связка ядерного реактора с электрореактивными двигателями дает надежду сократить межпланетные перелеты с нескольких лет до нескольких месяцев.

В фантастических фильмах и сериалах, стремящихся к максимальной реалистичности, важным источником практически неограниченной энергии, особенно для космических кораблей, часто служат термоядерные реакторы. Попробуйте определить, какой из кинопроектов выпадает из этого тренда.

Ответ — Сериал «Звёздный путь»

С 1950-х годов термоядерная энергия — главная надежда человечества на экологичное решение энергетических проблем. Поэтому в реалистичных фильмах об относительно близком будущем нередко упоминается термоядерная энергетика. Одним из первых термоядерный двигатель на межпланетном корабле изобразил в кино Стэнли Кубрик в «Космической одиссее 2001 года». Он несколько преувеличил скорость технического прогресса. В фильме «Интерстеллар» люди ищут спасения от экологической катастрофы в 2067 году на космическом корабле с термоядерным реактором. Гиперреалистичный сериал «Пространство», описывающий освоение Солнечной системы в XXIII веке, показывает повсеместное использование термоядерной энергии. А вот франшиза «Звездный путь» — менее реалистична: в ней к XXIII–XXIV векам двигатели звездолетов уже работают на антиматерии и искривлении пространства.

Следующие технологии, существенно изменившие нашу цивилизацию, появились в разные десятилетия середины XX века. Попробуйте расставить их в хронологическом порядке.

Ответ:

1. Регулярное телевещание
2. Электронные компьютеры
3. Атомная энергетика
4. Спутниковая связь

В 1930-х годах начинается регулярное телевещание (Германия, Франция, 1935; Великобритания, 1936). (4)
В 1940-х годах создают первые электронные компьютеры (2): Colossus (Великобритания, 1944), ENIAC (США, 1945).
В 1950-х годах появляется атомная энергетика (1): первая АЭС в мире (СССР, 1954), первый коммерческий реактор (Великобритания, 1956).
В 1960-х годах появляется спутниковая связь (3): Relay 1 (США, 1962) транслировал Олимпиаду-1964 из Японии.

Введение в эксплуатацию недавно построенного большого атомного реактора — сложная многоэтапная технологическая процедура. Попробуйте расставить ее основные этапы в хронологическом порядке.

Ответ:

1. Пуско-наладочные работы
2. Физический пуск реактора
3. Энергетический пуск реактора
4. Опытно-промышленная эксплуатация

По завершении строительно-монтажных работ и приемки всех отдельных объектов энергоблока АЭС начинаются комплексные пуско-наладочные работы (3). Затем дается разрешение на пуск реактора. Сначала производится физический пуск (2), при котором реактор выводится на минимальный контролируемый уровень мощности и проверяется работа систем безопасности. Далее следует энергетический пуск (4): мощность реактора повышается, запускается турбогенератор, начинается выработка электроэнергии. Затем реактор выводится на полную мощность, стартует опытно-промышленная эксплуатация (1) для проверки энергоблока во всех режимах работы, после чего он получает разрешение на постоянную промышленную эксплуатацию. Каждый из перечисленных этапов длится примерно год.

Есть несколько промышленных технологий получения климатически нейтральной (без выбросов CO2) электроэнергии. Рассортируйте их по вкладу в мировое производство электроэнергии от большего к меньшему.

• Гидроэлектростанции
• Атомные электростанции
• Ветровые электростанции
• Солнечные электростанции

По данным «Статистического обзора мировой энергетики за 2023 год», в 2022-м климатически нейтральные технологии обеспечили 11 из 28 триллионов киловатт-часов выработанной в мире электроэнергии. В этой растущей нише экологичной электроэнергетики первенство принадлежит старейшей промышленной технологии генерации — гидроэлектростанциям (4). Они дают 39% от всего климатически нейтрального электричества. Почетное второе место занимает атомная энергетика (3). Свыше 400 энергоблоков по всему миру обеспечивают 23% экологичной электрогенерации. На третьем месте (19%) идет энергия ветра (1), еще 12% дает солнечная энергетика (2). С учетом биотоплива это дает 39% всей мировой генерации. Так что перспектива достижения климатической нейтральности электроэнергетики уже не выглядит фантастической, а атомным технологиям предстоит сыграть существенную роль в ее достижении.