ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ
ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ ГЕОХИМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ — все самопроизвольные процессы в соответствии со вторым принципом термодинамики идут в направлении уменьшения свободной энергии, т. е. с ее потерей или понижением энергетического уровня природных систем. Поэтому Земля и особенно земная кора, если… … Геологическая энциклопедия
источники энергии, не входящие в энергосистему — (напр. солнечные энергетические установки) [А.С.Гольдберг. Англо русский энергетический словарь. 2006 г.] Тематики энергетика в целом EN off grid system … Справочник технического переводчика
Источники энергии возобновляемые вторичные — Вторичные возобновляемые источники энергии: твердые бытовые отходы, тепло промышленных и бытовых стоков, тепло и газ вентиляции. Источник: ГОСТ Р 53905 2010. Национальный стандарт Российской Федерации. Энергосбережение. Термины и определения… … Официальная терминология
РАДИОИЗОТОПНЫЕ ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ — источники энергии, преобразующие выделяющуюся при радиоактивном распаде нуклидов энергию в др. виды энергии (напр., тепловую, электрическую). Мощность Р. и. э. обычно не превышает неск. кВт. Используются в труднодоступных р нах земного шара и в… … Большой энциклопедический политехнический словарь
Радиоизотопные источники энергии — Один из радиоизотопных генераторов зонда Кассини … Википедия
ГОСТ Р 54100-2010: Нетрадиционные технологии. Возобновляемые источники энергии. Основные положения — Терминология ГОСТ Р 54100 2010: Нетрадиционные технологии. Возобновляемые источники энергии. Основные положения оригинал документа: 3.1.2 возобновляемая энергетика: Область хозяйства, науки и техники, охватывающая производство, передачу,… … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации
возобновляемые (неистощаемые) источники энергии — 3.1.1 возобновляемые (неистощаемые) источники энергии: Источники энергии, образующиеся на основе постоянно существующих или периодически возникающих процессов в природе, а также жизненном цикле растительного и животного мира и жизнедеятельности… … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации
возобновляемые источники энергии — Означают неископаемые источники энергии (ветер, солнечная энергия, геотермальная, энергия волн, приливы, гидроэнергия, биомасса, газ из органических отходов, газ установок по обработке сточных вод и биогазы) (Директива 2003/54/ЕС). [Англо русский … Справочник технического переводчика
возобновляемые источники энергии — источники непрерывно возобновляемых в биосфере Земли видов энергии солнечной, ветровой, океанической, гидроэнергии рек. Возобновляемые источники энергии являются экологически чистыми; они также не приводят к дополнительному нагреву планеты… … Энциклопедический словарь
возобновляемые источники энергии — 4.1.18 возобновляемые источники энергии (renewable energy sources): Возобновляемые неископаемые источники энергии: ветер, солнечный свет, геотермальная энергия, волны, приливы, энергия рек, биомасса, биогаз, газ из захоронений мусора, газ от… … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации
Виды источников энергии и их использование
Люди используют различные виды энергии для всего, от собственных движений до отправки космонавтов в космос.
Существует два типа энергии:
- способность совершить (потенциальная)
- собственно работа (кинетическая)
Поставляется в различных формах:
- тепла (тепловая)
- свет (лучистая)
- движение (кинетическая)
- электрическая
- химическая
- ядерная энергия
- гравитационная
Например пища, которую человек ест содержит химическую и тело человека хранит её пока он или она израсходует как кинетическую во время работы или жизни.
Классификация видов энергии
Люди используют ресурсы разных видов: электричество в своих домах, добываемое путем сжигания угля, ядерной реакции или ГЭС на реке. Таким образом, уголь, ядерная и гидро называются источником. Когда люди заполняют топливный бак бензином источником может быть нефть или даже выращивание и переработка зерна.
Источники энергии делятся на две группы:
- Возобновляемые
- Невозобновляемые
Возобновляемые и невозобновляемые источники можно использовать в качестве первичных для получения пользы, такого как тепло или использовать для производства вторичных энергетических источников, таких, как электричество.
Возобновляемые
Есть пять основных возобновляемых источников энергии:
- Солнечная
- Геотермальное тепло внутри Земли
- Энергия ветра
- Биомасса из растений
- Гидроэнергетика из проточной воды
Биомасса, которая включает древесину, биотопливо и отходы биомассы, является крупнейшим источником возобновляемой энергии, на которую приходится около половины всех возобновляемых и около 5% от общего объема потребления.
Невозобновляемые
Большая часть ресурсов, потребляемых в настоящее время из невозобновляемых источников:
- Нефтепродукты
- Углеводородный сжиженный газ
- Природный газ
- Уголь
- Ядерная энергия
На невозобновляемые виды энергии приходится около 90% всех используемых ресурсов.
Сырая нефть, природный газ и уголь представляют ископаемые виды топлива, поскольку они были сформированы в течение миллионов лет под действием Солнца, тепла от ядра земли и давления почвы на остатки (или окаменелости) из отмерших растений и существ как микроскопическая диатомия. Большинство нефтяных продуктов, потребляемых в мире изготовлены из сырой нефти, но нефтяные жидкости также могут быть сделаны из природного газа и угля.
Ядерная энергетика работает больше на уране, источнике невозобновляемого топлива, чьи атомы делятся (с помощью процесса, называемого ядерным делением) для создания тепла и, в конечном счете, электричества.
Основными пользователями этих запасов являются жилые и коммерческие здания, промышленность, транспорт и электроэнергетика. Характер использования топлива широко варьируется в зависимости от системы применения. Например, нефть обеспечивает 92% топлива, используемого для транспортировки, но обеспечивает лишь около 1% ресурсов, используемых для выработки электроэнергии. Понимание взаимосвязей между различными видами энергии и её использование дает представление о многих важных вопросах энергетики.
Первичная энергия
Первичная энергия как вид включает в себя нефть, природный газ, уголь, ядерная энергия и возобновляемые источники энергии.
Электричество является вторичным источником, который создается с помощью этих первичных форм. Например, уголь является первичным источником, который сжигается на электростанциях для выработки электроэнергии, которая является вторичным источником.
Первичные виды энергии обычно измеряются в различных единицах, например, баррелях нефти, кубометрах газа, тоннах угля. Также используется общая единица измерения британская тепловая единица, или БТЕ, для измерения содержания для каждого типа.
- Измерение
1 Вт = 859.8 кал/час
1 Вт = 3.412 BTU/час
BTU — британская тепловая единица (БТЕ) Россия потребляет квадриллионы БТЕ.
В терминах физических величин, один квадриллион составляет примерно 172 миллиона баррелей нефти, 51 млн. тонн угля или 1 трлн. куб. м газа.
На нефть приходится наибольшая доля в потреблении первичной энергии, затем природный газ, уголь, атомные электростанции и возобновляемые источники энергии (включая гидроэнергию, ветра, биомассы, геотермальные, солнечные).
Как распределяются виды энергии в каждой системе
Различные виды энергии используются в жилых и коммерческих зданиях, на транспорте, в промышленности и электроэнергетике. Электроэнергетическая система является крупнейшим потребителем первичной и используется для выработки электроэнергии. Почти вся электроэнергия используется в зданиях и промышленности. Общее количество электроэнергетической системы, используемой в жилых и коммерческих зданиях, промышленности и транспорте огромное.
Смесь первичных источников широко варьируется в различных системах спроса. Энергетическая политика, призванная повлиять на использование конкретного основного источника с целью повлиять на окружающую среду, экономическую или энергетическую безопасность сосредоточивается на системах, которые являются основными пользователями этого типа энергии. Например, 71% нефти используется в транспортной системе, где она потребляет 92% от общего объема первичного энергопотребления.
Политика по сокращению потребления нефти чаще всего относится к транспортной системе. Эта политика обычно стремится увеличить эффективность автомобильного топлива или поощрять развитие альтернативных видов топлива.
Около 91% угля и только 1% из нефти, используется для выработки электроэнергии, что выявляет стратегию, влияющую на выработку электроэнергии, и имеет гораздо большее значение на использование угля, чем использование нефти.
Некоторые первичные виды энергии, такие как ядерная и угольная, полностью или преимущественно используются для добычи электричества. Другие, такие как природный газ и возобновляемые источники, более равномерно распределены по системам. Аналогичным образом сейчас транспорт почти полностью зависит от одного вида топлива (нефтяного).
Однако электроэнергетика с внедрением новых технологий больше использует различные источники энергии для выработки электричества. Например, идут практические реализации для получения электричества из биомассы.
Изменяется ли потребление топлива с течением времени
Источники потребляемой энергии с течением времени меняются, но изменения происходят медленно. Например, уголь когда-то широко использовался в качестве топлива для отопления домов и коммерческих зданий, однако конкретное использование угля для этих целей сократилось за последние полвека.
Хотя доля возобновляемого топлива от общего потребления первичной энергии еще относительно невелика, его использование растет во всех отраслях. Кроме того, использование природного газа в электроэнергетике возросло в последние годы из-за низких цен на природный газ, в то время как использование угля в этой системе сократилось.
Источники энергии
В основном энергию, используемую в быту и промышленности, мы добываем на поверхности Земли или в ее недрах. Например, во многих слаборазвитых странах жгут древесину для отопления и освещения жилищ, тогда как в развитых странах для получения электроэнергии сжигают различные ископаемые источники топлива — уголь, нефть и газ. Ископаемые виды топлива представляют собой не возобновляемые источники энергии. Их запасы восстановить невозможно. Ученые сейчас изучают возможности использования неисчерпаемых источников энергии.
Ископаемые виды топлива
Уголь, нефть и газ — невозобновляемые источники энергии, которые сформировались из остатков древних растений и животных, обитавших на Земле миллионы лет назад (подробнее в статье «Древнейшие формы жизни«). Эти виды топлива добываются из недр и сжигаются для получения электроэнергии. Однако использование ископаемых источников топлива создает серьезные проблемы. При современных темпах потребления известные запасы нефти и газа будут исчерпаны уже в ближайшие 50 лет. Запасов угля хватит лет на 250. При сжигании этих видов топлива образуются газы, под воздействием которых возникает парниковый эффект и выпадают кислотные дожди.
Возобновляемые источники энергии
По мере роста численности населения (см. статью «Население Земли«) людям требуется все больше энергии, и многие страны переходят к использованию возобновляемых источников энергии — солнца, ветра и воды. Идея их применения пользуется широкой популярностью, так как это — экологически чистые источники, использование которых не наносит вреда окружающей среде.
Гидроэлектростанции
Энергию воды используют на протяжении многих веков. Вода вращала водяные колеса, использовавшиеся для разных целей. В наши дни построены огромные плотины и водохранилища, и вода применяется для выработки электроэнергии. Течение реки вращает колеса турбин, превращая энергию воды в электроэнергию. Турбина связана с генератором, который вырабатывает электроэнергию.
Солнечная энергия
Земля получает громадное количество солнечной энергии. Современная техника позволяет ученым разрабатывать новые методы использования солнечной энергии. Крупнейшая в мире солнечная электростанция построена в пустыне Калифорнии. Она полностью обеспечивает потребности 2000 домов в энергии. Зеркала отражают солнечные лучи, направляя их в центральный бойлер с водой. Вода в нем кипит и превращается в пар, который вращает турбину, связанную с электрогенератором.
Энергия ветра
Энергия ветра используется человеком уже не первое тысячелетие. Ветер надувал паруса и вращал мельницы. Для использования энергии ветра создавались самые разнообразные устройства, предназначенные для выработки электроэнергии и для других целей. Ветер вращает лопасти ветряка, приводящие в действие вал турбины, связанной с электрогенератором.
Атомная энергия
Атомная энергия — тепловая энергия, выделяющаяся при распаде мельчайших частиц материи — атомов. Основным топливом для получения атомной энергии является уран — элемент, содержащийся в земной коре. Многие люди считают атомную энергию энергией будущего, но ее применение на практике создает ряд серьезных проблем. Атомные электростанции не выделяют ядовитых газов, но могут создавать немало трудностей, так как это топливо радиоактивно. Оно излучает радиацию, убивающую все живые организмы. Если радиация попадает в почву или в атмосферу, это влечет за собой катастрофические последствия.
Аварии ядерных реакторов и выбросы радиоактивных веществ в атмосферу представляют собой большую опасность. Авария на ядерной электростанции в Чернобыле (Украина), случившаяся в 1986 г., повлекла за собой гибель многих людей и заражение огромной территории. Радиоактивные отходы угрожают всему живому в течение тысячелетий. Обычно их хоронят ни дне морей, но нередки и случаи захоронения отходов глубоко под землей.
Другие возобновляемые источники энергии
В будущем люди смогут использовать множество различных естественных источников энергии. Например, в вулканических районах разрабатывается технология использования геотермальной энергии (тепла земных недр). Другим источником энергии является биогаз, образующийся при гниении отходов. Он может применяться для отопления жилищ и нагревания воды. Уже созданы приливные электростанции. Поперек устьев рек (эстуариев) нередко возводят плотины. Особые турбины, приводимые в действие приливами и отливами, вырабатывают электроэнергию.
Как сделать ротор Савония:
Ротор Савония представляет собой механизм, применяемый крестьянами в Азии и Африке для подачи воды при ирригации. Чтобы самим сделать ротор, вам потребуются несколько чертежных кнопок, большая пластмассовая бутылка, крышка, две прокладки, стержень длиной 1 м и толщиной 5 мм и два металлических кольца.
Как это сделать:
1. Чтобы сделать лопасти, обрежьте бутылку сверху и разрежьте ее пополам вдоль.
2. С помощью чертежных кнопок прикрепите половинки бутылки к крышке. Соблюдайте осторожность при обращении с кнопками.
3. Приклейте прокладки к крышке и воткните в нее стержень.
4. Приверните кольца к деревянному основанию и поставьте ваш ротор на ветру. Вставьте стержень в кольца и проверьте вращение ротора. Выбрав оптимальное положение половины бутылки, приклейте их к крышке прочным водоотталкивающим клеем.
Энергетика от мха до плазмы
Мы часто слышим, что за последние годы использование энергии человечеством увеличилось настолько, что ископаемые ресурсы закончатся через пару десятков лет. Но то же самое говорили и в 70-х годах прошлого века. Откуда мы тогда сегодня берем энергию для существования и что нам делать дальше? Для развития технологий необходимо понимать, как эффективно преобразовывать ее в работу, ведь энергия — ресурс даже в астрономических масштабах не бесконечный. Практически вся энергия, которая существует на Земле и которую люди могут извлечь из солнечной системы — энергия Солнца, у которого конечное время жизни, а вся энергия во Вселенной ограничена тем, что дал нам Большой Взрыв. Но что такое энергия?
Никто не может дать четкого определения, так как нет более общего класса понятий, которым мы можем описать энергию. Все, что мы можем — изучать ее свойства и характеристики. Ричард Фейнман в своих знаменитых “лекциях по физике” говорил: ”Важно понимать, что в сегодняшней физике мы не имеем представления об энергии. Мы не можем сказать, что энергия поступает в маленьких сгустках определенного количества”. Мы точно знаем: вся материя в конечном счете является энергией, сумма которой во Вселенной никогда не изменится, поэтому рассуждать мы будем о способах изменения ее формы.
Откуда вообще взялась энергия во Вселенной и что она значит для нас?
История энергии началась в момент Большого Взрыва. Возможно, в один момент появилось два связанных между собой понятия: энергия и пространство-время. Возможно, энергия являлась первопричиной всего в нашем мире, с этим ещё предстоит разобраться, но сейчас уже точно ясно одно: энергия является сутью физической формы материи, всё во Вселенной является сосредоточением той или иной формы энергии. Теория расширения ранней Вселенной намекает нам на то, что изначально все вещество являлось однородной изотропной средой, в процессе расширения которого произошло остывание и “конденсация” всех известных науке элементарных частиц. Появилось 4 фундаментальных взаимодействия: сильное, слабое, электромагнитное и гравитационное.
Через много-много лет после Большого Взрыва, когда люди только начали применять энергию, никто не знал про 4 фундаментальных взаимодействия. Изначально люди грели себя и готовили пищу с помощью химических реакций горения. Так продолжается и по сей день, основным источником энергии для нас сегодня является электричество, вырабатываемое на всевозможных ТЭС(тепловая электростанция) и ТЭЦ(теплоэлектроцентраль).
По сути вся жизнь человека — постоянный поиск энергии. Это может быть громким заявлением, но вы только подумайте: мы ведь кушаем только чтобы получать энергию для функционирования мозга и движения. Жизнь человечества строится на способах добычи энергии. Поэтому энергетика является одним из важнейших аспектов жизни людей и всего во Вселенной.
Почему современная энергетика неэффективна?
Давайте отбросим понятие энергии на второй план и подумаем: какие способы добычи энергии сегодня известны?
Первый и самый популярный способ — что-нибудь сжечь: дерево, нефть, газ. В процессе образуется много лишнего, а все ископаемые ресурсы очень скоро закончатся. Второй — извлечь работу из гравитации: ГЭС, приливные станции, — но проблема тут в размерах и в расположении станций, к тому же не везде есть вода. Еще можно подумать о солнечной энергетике: тут вроде все хорошо, но роль играет расположение и низкая плотность энергетического потока.
Почти вся используемая энергия досталась нам благодаря Солнцу, просто в разных видах. Растения тысячелетиями накапливали энергию солнца, росли и погибали, образовывали нефть, природный газ и уголь. Сама Земля, ее вода и атмосфера существуют из-за Солнца. Необходимо более универсальное решение проблемы эффективности добычи энергии.
Достаточно посмотреть на эту диаграмму, чтобы понять, что человечество не очень то и далеко ушло от своих предков, которые просто жгли древесину, мох и уголь:
Рисунок 1. Изменение глобального потребления энергии по видам источников
Получается, что за 200 лет люди ничего толком не изменили в энергетике, лишь нарастили темпы преобразования и добычи энергии:
Рисунок 2. Потребление энергии по видам ее источников в 2019 году
Мало того, что добыча энергии таким способом не так эффективна по сравнению с энергией, которую мы научились извлекать альтернативными методами, так еще и большой вопрос в том, больше ли пользы мы получаем от такой энергии, чем вреда. Для количественной оценки этого заявления давайте посмотрим на статистику.
Энергия в человеческом эквиваленте
Что вы представляете, когда слышите слова «альтернативная энергетика»? Большинство людей сразу представляют себе солнечные панели и ветряные мельницы, но редко думают о ядерной и термоядерной энергии. Ядерная энергетика получает меньше внимания из-за громких аварий, которые страшны людям скорее не из-за катастрофических последствий, а из-за неправильной трактовки СМИ и всеобщего незнания базовых аспектов этой энергетики. Теоретическое обоснование эффективности добычи энергии таким способом известно уже как минимум полвека.
За 70 лет существования атомной энергетики зафиксировано только 33 серьезных происшествия. Несмотря на это, есть очень много скептически настроенных людей и даже организаций, которые выступают за отмену строительства АЭС. Давайте взглянем на цифры:
Из-за Чернобыльской аварии напрямую погиб 31 человек. Из-за последствий По самой пессимистичной статистике от «European green party» кол-во смертей к 2065 году приблизится к 60 тыс, но ученые склоняются к цифрам намного меньше этой.
WHO считает, что цифра вырастет только до 4 тыс. Это самая серьезная радиационная авария за всю историю энергетики, намного превосходящая по последствиям все остальные.
Авария на Фукусиме, которая является второй по масштабу радиационной аварией в мире, привела к 573 смертям, но эта цифра отличается от количества смертей в Чернобыле тем, что это не последствия радиации, а смерти напрямую не связанные с инцидентом, а связанные, например, со стрессом эвакуации, из-за которого в основном пострадало пожилое население. От радиационного загрязнения по самым пессимистичным подсчетам погибнет до 1000 человек.
Конечно, нельзя делать вывод о серьезности аварии только на основании количества погибших, ведь здесь не учтены экономические последствия и число онкозаболеваний и всевозможных вредных мутаций. Эти заболевания, даже если не приводят к смерти, также являются последствиями ядерных аварий. Сейчас проводится исследований по воздействию малых доз радиации на организм. Если раньше склонялись к безвредности малых доз радиации (типа организм может до определенного уровня облучения самовосстанавливаться без последствий), то сейчас есть больше доказательств «беспорогового» воздействия радиации, т.е. даже самая малая доза наносит вред. Но однозначного ответа здесь пока нет.
А теперь, сравним эти происшествия с авариями на других типах электростанций.
Аварии на ГЭС или на солнечной станции не выбросят в атмосферу гигантское количество радиационных частиц, на избавление от которых уйдет очень много денег и сил, но вспомним наводнение Баньцяо. Крушение дамбы вызвало затопление ближайших поселений, количество смертей от инцидента + от вызванного голода и нищеты составило 80-240 тысяч смертей.
Но даже такие большие цифры меркнут по сравнению со смертями от «ископаемого топлива». Газы, выделяющиеся при его сгорании, попадают в атмосферу и в наши легкие, а это, в свою очередь, вызывает многие распространенные заболевания: рак легких, сердечные заболевания, острая инфекция нижних дыхательных путей, инсульт и подобное.
Рисунок 3. Подсчет количества смертей и парниковых газов в год на каждый тераватт в час выработанной энергии от разных видов энергетики
Так какой же способ самый лучший на сегодняшний день? Судя по графику, атомная энергетика — самый чистый источник энергии. Плюс АЭС построить можно где угодно, даже на подводной лодке, а выделенной энергии топлива из одного реактора хватит, чтобы заменить 3 миллиона солнечных панелей.
Атомная энергетика и ее проблемы
Что это такое? Основа энергетики — распад атомного ядра (в основном тяжелых ядер урана). Все изотопы урана радиоактивные, но чуть-чуть, из-за их огромного периода полураспада: у урана-235 и урана-238 0.7 млрд лет и 4.4 млрд лет соответственно. Почему используют именно уран? Все дело в его уникальной способности делиться при взаимодействии с нейтронами с небольшой кинетической энергии. Такие элементы называют делящимися. К этой группе относятся ядра с нечетным числом нейтронов (присоединяемый нейтрон — чётный): 233U, 235U, 239Pu. Реакция деления ядер экзотермическая. Это значит, что при ее протекании выделяется некоторое количество теплоты. В реакторе эта теплота служит источником энергии для нагрева воды.
Топливо для реактора изготавливается в виде таблеток, высотой и диаметром около сантиметра, из которых в дальнейшем собирают тепловыделяющий элемент (ТВЭЛ). В одном ТВЭЛе может помещаться несколько сотен топливных таблеток, длина его как правило 3.5-4 метра. Затем их собирают в тепловыделяющие сборки (ТВС). Это основной функциональный элемент АЭС: из них формируется активная зона реактора.
Рисунок 4. Схема и принцип работы реактора на примере реактора на быстрых нейтронах.
В одной ТВС в зависимости от типа реактора (об этом мы поговорим позже) находится от нескольких десятков до нескольких сотен (около 300 для современных реакторов типа ВВЭР) ТВЭЛов, а в активную зону обычно помещается от нескольких сотен до полутора тысяч ТВС. Получается, что весь реактор имеет несколько миллионов таблеток с топливом внутри, и это при том, что один грамм урана содержит в себе столько же энергии, сколько 3-4 тонны угля.
Для работы реактора его необходимо сначала запустить. Этот процесс немного отличается от работы реактора, когда он уже запущен. Изначально, когда ТВЭЛы погружаются в реактор, он подкритичен. Для количественной оценки того, как эффективно делятся ядра в реакторе, придумали понятие коэффициента размножения нейтронов — критичность. Физически это просто отношение количества выделенных нейтронов в момент деления ядер к количеству нейтронов, которые выделились в предыдущий момент распада ядер. Все просто: если коэффициент больше одного – идет цепная ядерная реакция с увеличением мощности реактора (ректор надкритичен), если равен 1 – количество делящихся ядер в каждый момент времени одинаково (реактор критичен), а если меньше 1 – идет уменьшение мощности реактора (реактор подкритичен). Для начала цепной реакции необходима пороговая масса урана, то есть достаточное количество спонтанно делящегося вещества. При выполнении этого условия реактор переходит в надкритическое состояние.
В ТВЭЛах происходит цепная реакция деления топлива. Один из ее видов: уран распадается на осколки деления (уран-235 распадается на барий-139 и криптон-95, например) плюс один или несколько нейтронов (и гамма излучение), которые в дальнейшем сталкиваются с другими атомами урана-235. Изначально уран находится в состоянии с некоторой энергией покоя, и для перехода в возбужденное состояние с последующим радиоактивным распадом требуется дополнительная энергия, с помощью которой возможно преодолеть энергетический барьер и разделиться. В нашем случае этой энергией является нейтрон (тепловой нейтрон), который, сталкиваясь с ядром, передает ему свою кинетическую энергию. Ядро делится и выделяет еще несколько нейтронов (в среднем одно ядро урана-235 при распаде выделяет 2,5 нейтрона, именно это и позволяет происходить лавинообразному увеличению количества делящихся атомов в реакторе), которые сталкиваются с другими ядрами и так далее.
Рисунок 5. Цепное деление ядра
Для протекания реакции из реактора вынимаются регулирующие стержни, которые изготовлены из поглотителя нейтронов. Поглощающие стержни изготовлены из материалов, которые имеют очень большую площадь захвата нейтронов. Это сплав, который способен “захватывать” и поглощать нейтроны на большом расстоянии от атома. Чаще всего изготовлен из бора, так как сплав бора со сталью не взаимодействует с топливом реактора и имеет большую площадь захвата нейтронов.
Рисунок 6. Захват нейтронов ураном. Барн — единица поперечного сечения площади захвата нейтронов атомом. Чем больше площадь захвата нейтронов элементом — тем больше нейтронов он поглощает.
Самое важное в работе АЭС — поддержание скорости цепной реакции. При ее выходе из-под контроля (отключения системы охлаждения, например) может произойти то же самое, что происходит внутри атомной бомбы при взрыве в самом его начале — неконтролируемая цепная реакция. Но волноваться из-за этого не стоит, все реакторы сейчас оборудованы настолько большим количеством защитных механизмов, что катастрофа очень маловероятна.
К сожалению, ядерное топливо — ресурс исчерпаемый, его на Земле намного меньше, чем угля или нефти, а создавать его мы не научились (тяжелые элементы появляются в экстремальных условиях в результате взрывов сверхновых). Да и отходы куда-то девать надо — их сейчас либо обогащают, либо, как маленькие дети прячут игрушки под кровать (закапывают под землю). Еще существуют “быстрые” реакторы (сейчас есть БН-600 и БН-800 в России) и так называемые реакторы-размножители. Они позволяют вовлечь в использование уран 238 и отходы АЭС, использующих уран 235. Таким образом ресурсная база атомной энергетики увеличивается с сотен и тысяч лет, до миллионов лет. С экономикой быстрых реакторов пока есть вопросы, но технически они уже давно реализуемы.
Атомную энергетику стоит рассматривать как временный и довольно неплохой вариант. Есть ли сейчас вариант лучше этого?
Да, оказывается вариант есть, и он намного лучше всего, что человечество научилось делать до этого. Имя ему — ядерный синтез.
Атомная энергетика наоборот
В 50-х годах советские и британские ученые придумали использовать не распад ядер (как на АЭС), а синтез. Распад ядер — тяжелые элементы делятся с выделением энергии, а синтез — легкие элементы “слипаются” с образованием более тяжелых, выделяя энергию.
При слиянии дейтерия (изотоп водорода, отличающийся наличием нейтрона) и трития (тоже изотоп водорода, у которого 2 нейтрона) получается гелий и нейтрон. Такая реакция даёт значительный выход энергии(17.6 МэВ). Для сравнения, если взять смесь дейтерия-трития и урана одинаковой массы, при синтезе энергии выделится в 3 раза больше.
Есть правда и незначительные недостатки: тритий в природе не встречается, нежелательная “наведенная” радиация зачастую бывает опасной.
Можно подумать, что в термоядерной энергетике все отлично: отходов не так много, расположить можно где угодно, выдает огромную энергию на единицу массы, но ведь что-то мешает пользоваться ей.
Для того, чтобы произвести слияние ядер, нужно чтобы положительно заряженные ядра атомов преодолели кулоновский барьер — силу электростатического отталкивания между ними. То есть расстояние между ядрами должно быть такое, чтобы сильное взаимодействие начало преобладать над кулоновскими силами (порядка одной стомиллиардной доли сантиметра).
Рисунок 7. Зависимость сил притяжения/отталкивания от расстояние между ядрами. На расстоянии порядка размеров ядра силы сильного ядерного взаимодействия начинают преобладать над кулоновскими и ядра сливаются.
Для этого нужно затратить огромную энергию. Есть 2 варианта как это реализовать: либо сильно сжать, либо сильно нагреть.
Внутри Солнца работает первый вариант: температура внутри ядра 15-16 млн Кельвинов, что, вообще говоря, не так много, но из-за массы, которая в 300 тыс раз больше массы Земли, плазма под высоким давлением удерживается гравитацией.
К сожалению, на Земле такую конструкцию реализовать затруднительно. Такого большого давления мы не создадим, поэтому остается только сильно нагреть.
Термоядерный синтез возможен при одновременном выполнении двух условий:
соблюдение критерия Лоусона. Критерий Лоусона показывает, будет ли реакция давать больше энергии, чем тратится.
скорость соударения ядер соответствует температуре плазмы, к этому мы и стремимся. В этом случае энергии хватит для преодоления электростатического отталкивания. Поэтому для управляемого термоядерного синтеза необходима высокотемпературная водородная плазма.
Следует пояснить, что понятие температуры здесь не то, что мы привыкли видеть. Температура — это мера средней кинетической энергии частиц. Из-за столкновений с большим импульсом возможно их слияние.
На самом деле, чтобы пошла самая простая реакция синтеза с изотопами водорода, нужна температура порядка миллиарда Кельвинов (водород — самый легкий элемент, а чем тяжелее элемент — тем большая нужна температура). Решение этой проблемы было найдено самой природой. Существует так называемый максвелловский хвост. Из-за максвелловского распределения, какие-то частицы будут двигаться быстрее, а какие-то медленнее, поэтому уже в районе 100 млн Кельвинов найдутся частицы, которые будут слипаться. Также есть еще туннельный эффект. Если кратко, то благодаря квантовым эффектам, даже если ядра имеют энергию немного меньше барьера, они смогут с большой вероятностью туннелировать сквозь него.
Рисунок 8. Распределение энергии частиц.
Вот мы и подошли к вопросу о том, почему же вокруг нет термоядерных реакторов. Просто потому что это очень горячо. Нужно все эти разлетающиеся изотопы как-то удержать, чтобы они ничего не касались, потому что такую температуру ни одно вещество не выдержит. Проблема не столько в том, чтобы разогреть до нужной температуры, сколько в том, чтобы эту температуру как-то удержать.
Варианты удержания плазмы
Начнем с самого простого способа удержания плазмы: не удерживать, а просто “выстрелить”. Такие системы называются импульсными. В них управляемый термоядерный синтез осуществляется путем кратковременного нагрева небольших мишеней, содержащих дейтерий и тритий сверхмощными лазерными лучами или пучками высокоэнергичных частиц .Такое облучение вызывает последовательность термоядерных микровзрывов.
Но этот вариант довольно плохо изучен по сравнению со вторым — магнитным удержанием.
Советские физики Тамм и Сахаров придумали магнитное удержание плазмы еще в 50-х годах. Они руководствовались тем, что плазма — ионизированное вещество, поэтому магнитным полем мы можем создать ловушку. Желательно, чтобы она была замкнутой, чтобы ионы могли бесконечно кружиться. Тут на помощь прикатился бублик(тор). Эту конструкцию обматывают электромагнитными катушками, получается тор с пружинкой поверх него — это не дает плазме ударяться о стенки. Также сверху и снизу устанавливают обкладки, которые позволяют сжимать/разжимать плазму и передвигать ее. Такое устройство принято называть токамак: ТОроидальная КАмера с МАгнитными Катушками. Для выработки электроэнергии вода циркулирует в стенах бублика, поглощает тепло и производит пар. Паровая турбина вырабатывает электричество. К сожалению, ничего эффективнее человечество еще не придумало.
В 50-м году в Курчатовском институте показали такой вариант. Так начался международный проект по созданию термоядерного реактора.
Стоит заметить, что токамак — не единственный способ удержания плазмы, есть вариант еще с закрученным тором — стелларатор. С такой конструкцией даже пытались проводить эксперименты: W7-X. Wendelstein 7-X — сложнейшая экспериментальная система. Цель экспериментов с такими установками — доказать, что управляемый термоядерный синтез способен давать энергию. Пока что некоторые ученые ставят это под сомнение. Но проблема в том, что форма для таких электромагнитных катушек очень сложная, а в 60-х годах, когда это придумали, не хватало мощности для расчетов.
Рисунок 9. Слева токамак, справа стелларатор. Серые кольца — магниты, желтым показана термоядерная камера.
Что такое ITER. Какие цели у проекта
ITER(International experimental Thermonuclear Reactor) — Экспериментальный международный термоядерный реактор . ITER относится к термоядерным реакторам типа «токамак».
История ITER берет начало в 80-х годах прошлого столетия. Многие страны объединились, так как решили, что ни одна страна не потянет постройку на своих плечах. Это самая дорогая экспериментальная установка в мире, в ITER до 2025 года планировали вложить почти 20 млрд евро, но учитывая постоянные переносы и новые проблемы, вполне вероятно, что сумма вырастет. Только в 2010 году разобрались со всеми бумажками и начали рыть котлован.
В токамаках возможно осуществить несколько типов реакций слияния. Тип реакции зависит от вида применяемого топлива.Токамак ITER с самого начала проектировался под DT-топливо (дейтерий — тритиевое). Два ядра дейтерия и трития сливаются с образованием ядра гелия и высокоэнергетического нейтрона.
Рисунок 10. ITER Токамак.
Грубо говоря, задача установки — продемонстрировать возможность коммерческого использования термояда, а для этого нужно, чтобы отношение выработанной энергии к затраченной составило хотя бы 10:1. Также целью является отработка разных решений по управлению и т.д., а дальнейшим шагом должно стать строительство установки — DEMO — следующая итерация ИТЕРа.
У ИТЕРа нет задачи построить станцию по выработке электричества для использования людьми. Это экспериментальная установка, которая покажет, что в принципе это возможно в реальности, а не на бумаге, ведь у физиков уже давно все сошлось, а сейчас это очень сложная инженерная задача.
На декабрь 2025-го запланирован пуск первой плазмы в реакторе, который продемонстрирует работоспособность. Планируется, что работать на термоядерном топливе установка начнет в июне 2035 года. До этого предстоит завершить еще несколько крупных этапов, которые приведут станцию в полностью рабочее состояние. На сайте ИТЕР есть рум тур по стройке.
Давайте представим, что все идет по плану и в 2025 году мы получаем первую плазму, ITER показывает, что коммерческое использование термояда выгодно, но что происходит дальше?
Все побегут строить токамаки и мы будем купаться в электричестве? Но ведь все не так просто, даже сам ITER будет очень сложно повторить.
Как говорится, термоядерная энергетика is a new black в мире энергии, но ей предстоит еще долгий путь, прежде чем мы начнем ее повсеместно использовать.
Энергетика будущего
Человечество проделало несколько больших шагов по освоению энергии. Сначала мы научились разводить костер, потом использовать уголь и нефть. Сегодня мы умеем разделять атомы и, возможно, в скором времени научимся их синтезировать. Каждый такой шаг связан с индустриальной революцией, которая характеризуется масштабом добычи энергии, доселе никому невиданным.
Если пофантазировать, логичным шагом дальнейшего развития человечества будет освоение новых территорий и ресурсов, только уже не на нашей планете, а в космосе(если человечество не уничтожит себя раньше). Для этого потребуется невообразимое количество энергии. К счастью, ответ на вопрос “где взять столько энергии?” находится прямо над головой (Солнце). Как мы уже говорили выше, человечество пока только на пути к созданию собственного солнца на Земле.
Если мы хотим освоить метод добычи солнечной энергии, нам нужно будет построить очень большую конструкцию. Например, хорошим вариантом будет сфера Дайсона. Она охватывает звезду, чтобы «захватить» ее энергию.
Существует много способов ее постройки, один из них — “рой сфер”, которые будут крутиться вокруг Солнца, собирать энергию и передавать ее в другое место. Такой способ дал бы людям неограниченный доступ к энергии. Но построить ее не так просто, есть 3 основные проблемы: материал, конструкция и энергозатраты. Кратко пройдем по каждой проблеме.
Для постройки сферы Дайсона потребуется столько материала, что придется разобрать целую планету или даже больше. Лучший кандидат на эту роль — Меркурий, так как он ближе всего расположен к Солнцу, а еще и богат металлом.
Чем проще и надежнее будет конструкция — тем лучше. Солнечные батареи не совсем то, что нужно(маленькое время жизни, дорого, и требуют починки). Проще и надежнее всего — гигантские зеркала, которые будут отражать солнечный свет на центральную станцию.
Однако даже если максимально эффективно использовать все земные ресурсы, нам не хватит энергии, чтобы организовать такую масштабную стройку. Это может быть возможно только в далеком будущем, когда люди смогут успешно осваивать хотя бы планеты солнечной системы. По мнению известного популяризатора науки Карла Сагана, наш уровень по шкале Кардашева равен примерно 0,72. Мы потребляем всего 0,17% от общего энергетического потенциала планеты. Шкала Кардашева — один из способов оценки уровня развития цивилизации по количеству используемой энергии. По ней у цивилизации есть 7 ступеней развития, а человечеству далеко даже до первого типа (цивилизация, которая использует всю энергию своей планеты). Однако это не значит, что нам нужно уничтожать планету для своих нужд. Есть множество способов извлечь энергию из всего, что есть во Вселенной.
Во всех аспектах ископаемое топливо является самым грязным, опасным и неэффективным, в то время как ядерные и современные возобновляемые источники энергии значительно безопаснее и чище, они могут помочь людям сделать шаг вперед и совершить следующую индустриальную революцию.
В заключение отметим: мы рассмотрели только самую верхушку айсберга термоядерной и ядерной энергетики, которые по многим параметрам являются самыми перспективными, однако, на данный момент не так важно перейти на них, как научиться эффективно использовать возобновляемые источники энергии и полностью отказаться от ископаемого топлива. Ведь Земля для нас — единственный дом, который не может бесконечно удовлетворять потребности людей. Даже сейчас постройка термоядерной станции несет за собой огромные потери ископаемых ресурсов, так как практически вся энергия на ее постройку будет добыта с помощью них. Нужно лишь научиться использовать ту энергию, которую Земля сможет восстановить по мере ее использования.