Каковы основные источники энергии на земле?
Требуется много энергии, чтобы вырастить такие виды, как homo sapiens . В последние несколько веков этот вид появился как взаимосвязанное глобальное присутствие таким образом, которого, насколько известно науке, никогда не было на планете.
Типы энергии, в которой люди нуждаются, включают электричество для питания их домов и предприятий, биохимическую энергию для питания их тел и горючие ресурсы для тепла, транспорта и промышленного производства.
В широком смысле способность Земли обеспечивать то, что нужно людям, зависит от пяти основных источников:
- Солнце, этот гигантский термоядерный реактор в небе, поставляет энергию порядка йоттаватт (10 24 Вт) в режиме 24/7.
- Вода, которая не только необходима для жизни, но и может быть использована для производства энергии.
- Гравитация, таинственная сила, которая создает и разрушает звезды, ответственна за приливы и превращает воду в источник конвертируемой кинетической энергии.
- Движения Земли создают дневные и сезонные перепады температуры, которые генерируют ветры и океанические течения, которые можно преобразовать в электричество.
- Радиоактивность — это естественный распад тяжелых элементов на более легкие с последующим выделением излучения. Излучение создает тепло, которое можно использовать для выработки электроэнергии.
Кроме того, важным источником энергии для людей являются разлагающиеся организмы, которые процветали и умирали на протяжении веков. В отличие от ресурсов, перечисленных выше, это предложение ограничено.
Ископаемое топливо привело к промышленной революции
Ископаемое топливо, которое включает нефть, природный газ и уголь, на самом деле является еще одной формой солнечной энергии. Несколько лет назад живые организмы преобразовали солнечный свет и тепло в молекулы на основе углерода, которые сформировали их тела. Организмы умерли, и их тела погрузились глубоко в землю и до дна океанов. Сегодня энергию, связанную с этими углеродными связями, можно высвободить, извлекая их остатки и сжигая их.
Нефть и природный газ поступают из микроскопического морского планктона, который жил миллионы лет назад. Они умерли и опустились на дно океанов, где разложение и другие химические процессы превратили их в воскообразный кероген и смолистый битум. Дно океана в конце концов высохло, и эти материалы были погребены под камнями и почвой. Они стали сырьем для производства бензина, дизельного топлива, керосина и множества других нефтепродуктов.
Традиционный способ извлечения сырой нефти из грунта — бурение, но гидроразрыв или гидроразрыв стали часто используемой современной альтернативой. В этом процессе смесь песка, воды и потенциально опасных химикатов вытесняется в землю, чтобы вытеснить нефть. Фрекинг является дорогостоящим процессом, и он оказывает ряд вредных воздействий на коренные породы, уровень грунтовых вод и окружающий воздух.
Уголь происходит из наземных растений, которые осели в болотах и болотах и превратились в торф. Торф затвердевал по мере высыхания почвы, и в конечном итоге он был покрыт камнями и другими обломками. Давление превратило его в черное скалистое вещество, сгоревшее на многих промышленных предприятиях и электростанциях. Все это начало происходить около 300 миллионов лет назад, когда динозавры бродили по земле, но вопреки распространенному мифу, уголь не разлагался на динозавров.
Реки и ручьи являются основным источником энергии
В течение тысячелетий люди использовали водную энергию для выполнения работы, а в физике работа является синонимом энергии. Водяные колеса, расположенные возле ручья или водопада, использовали энергию, генерируемую при перемещении воды, для измельчения зерна, орошения сельскохозяйственных культур, пиления древесины и выполнения множества других задач. С появлением электричества водяные колеса превратились в электростанции.
Водяная турбина является сердцем гидроэлектростанции, и она работает из-за явления электромагнитной индукции, обнаруженного физиком Майклом Фарадеем в 1831 году. Фарадей обнаружил, что вращающийся магнит внутри катушки или проводящего провода генерирует электрический ток в Катушка, и менее чем через 100 лет, первый индукционный генератор был запущен в эксплуатацию в Ниагарском водопаде.
Сегодня гидроэлектростанции обеспечивают около 6 процентов электроэнергии, потребляемой во всем мире. Сжигание ископаемого топлива для производства паровых и центробежных турбин, с другой стороны, вырабатывает почти 60 процентов мировой электроэнергии. Большая часть гидроэлектроэнергии вырабатывается плотинами, а не водопадами.
Плотина, как ручей или водопад, зависит от силы тяжести. Вода попадает в проход наверху плотины, течет по трубе, которая увеличивает ее энергию и вращает турбину, прежде чем покинуть ее у основания плотины. Две из крупнейших в мире гидроэлектростанций — это плотина Три ущелья в Китае, которая вырабатывает 22, 5 гигаватта энергии, и плотина Итайпу на границе Бразилии и Парагвая, вырабатывающая 14 ГВт. Самой большой плотиной в Северной Америке является плотина Гранд-Кули в штате Вашингтон, которая вырабатывает всего около 7 мегаватт.
Океаны также являются важными энергетическими ресурсами
Океаны являются одним из самых важных энергетических ресурсов в мире по двум причинам. Во-первых, у них есть токи, которые в сочетании с ветрами образуют волны. Волны можно превратить в электричество. Поскольку они являются результатом температурных перепадов, вызванных солнечным теплом, волны и образующие их потоки технически являются формой солнечной энергии.
Другим энергетическим ресурсом в океанах являются приливы, которые вызваны гравитационным влиянием луны и солнца, а также движениями самой Земли. Существуют также технологии для преобразования энергии приливов в электричество.
Волнообразные станции еще не стали мейнстримом, а опытный образец, который был развернут у побережья Шотландии, вырабатывает всего 0, 5 МВт. Доступные волновые технологии включают в себя:
- Поплавки и буи, которые поднимаются и опускаются на волнах и генерируют энергию с помощью гидравлических устройств.
- Колеблющиеся водяные столбы, которые позволяют воде входить в камеру и сжимать закрытый воздух, который затем вращает турбину.
- Системы конических каналов, которые связаны с берегом. Они направляют воду в приподнятые резервуары, и когда воде дают упасть, она вращает турбину.
Приливные электростанции могут использовать мощность входящих и исходящих приливов для непосредственного вращения турбин. Вода примерно в 800 раз плотнее воздуха, поэтому, если турбина находится на дне океана, приливные движения генерируют значительную мощность для их вращения. Однако, системы приливных заграждений встречаются чаще.
Приливная преграда — это барьер, установленный через приливный бассейн, который позволяет воде из прилива подниматься, а затем закрывает и контролирует отток прилива. Самым крупным таким генератором является приливная электростанция на озере Сихва в Южной Корее. Вырабатывает около 254 МВт.
Технология использует солнечную и ветровую энергию
Двумя наиболее известными способами выработки электроэнергии таким способом, который не зависит от исчезновения ископаемого топлива и не создает загрязнения, является использование ветряных турбин или фотоэлектрических панелей. Поскольку солнце отвечает за температурные перепады, которые создают ветер, они, строго говоря, являются формами солнечной энергии.
Ветрогенераторы работают так же, как гидроэлектростанции или волновые. Когда дует ветер, он вращает вал, который соединен зубчатыми колесами с энергетической индукционной турбиной. Современные турбины откалиброваны для обеспечения переменного тока на той же частоте, что и обычная мощность переменного тока, что делает его доступным для немедленного использования. Ветряные электростанции по всему миру обеспечивают почти 5 процентов мировой электроэнергии.
Солнечные панели полагаются на фотоэлектрический эффект, благодаря которому солнечное излучение создает напряжение в полупроводниковом материале. Напряжение создает постоянный ток, который необходимо преобразовать в переменный ток, пропустив его через инвертор. Солнечные панели генерируют электричество только тогда, когда солнце отсутствует, поэтому они часто используются для зарядки батарей, которые сохраняют энергию для последующего использования.
Солнечные панели представляют собой, пожалуй, один из самых доступных методов производства электроэнергии, но они поставляют лишь небольшую долю мировой электроэнергии — менее 1 процента.
Ядерная энергетика Альтернатива ископаемому топливу
Строго говоря, процесс ядерного деления не является естественным явлением, но он происходит от природы. Ядерное деление было изобретено вскоре после того, как ученые смогли понять атом и естественное явление радиоактивности. Хотя деление первоначально использовалось для изготовления бомб, первая атомная электростанция была запущена через три года после того, как первая бомба была взорвана на площадке Тринити в пустыне Нью-Мексико.
Контролируемые реакции деления происходят внутри всех атомных электростанций мира. Он вырабатывает тепло для кипячения воды, которая производит пар, необходимый для привода электрических турбин. Как только начинается реакция деления, ей нужно мало топлива, чтобы продолжать бесконечно.
Почти 20 процентов мировых потребностей в электроэнергии удовлетворяются атомными генераторами. Изначально считавшийся дешевым источником практически неограниченной мощности, ядерное деление имеет серьезные недостатки, не последним из которых является возможность расплавления и неконтролируемое выделение вредного излучения. Две известные аварии, одна на российской Чернобыльской АЭС, а другая на японском заводе в Фукусиме, устранили эти опасности и сделали производство атомной энергии менее привлекательным, чем это было раньше.
Геотермальная энергия
В глубине земной коры давление и температура настолько велики, что они превращают породу в расплавленную лаву. Этот перегретый материал проходит через жилы в коре, которые иногда направляют его близко к поверхности. Общины в районах, где это происходит, могут использовать тепло для выработки электроэнергии и для отопления своих домов. Это называется геотермальной энергией, а в некоторых случаях она увеличивается за счет радиоактивных материалов в земле, которые также генерируют тепло.
Чтобы использовать геотермальную энергию, разработчики пробуривают туннель в землю на подходящем участке и распространяют воду через туннель. Нагретая вода поступает на поверхность в виде пара, где ее можно использовать непосредственно для нагрева или вращения турбины. В некоторых случаях тепло передается от воды к другому веществу с более низкой температурой кипения, такому как изобутан, и образующийся пар вращает турбины.
В своей простейшей форме геотермальная энергия обеспечивает исцеление и комфорт на естественных курортах и горячих источниках до тех пор, пока их посещают люди. Япония является одной из самых геологически активных стран в мире, и она имеет большую сеть природных горячих источников и долгую историю замачивания. По оценкам экспертов, у него достаточно геотермальных ресурсов для удовлетворения до 10 процентов потребностей в электроэнергии, что делает его геотермальный потенциал третьим в мире, уступая только США и Индонезии.
Люди должны сделать выбор
Некоторые ресурсы хрупки и исчезают, и преобразование их в полезную энергию создает загрязнители, которые изменяют планетарную среду. Другие ресурсы зависят только от солнечной и планетарной динамики, которая обещает остаться неизменной в течение следующих нескольких миллиардов лет. В настоящий момент человечеству предстоит срочно сделать выбор. Само его выживание может зависеть от его способности переключаться с первого на второе за короткий промежуток времени.
Общие источники химической энергии
Каждая частица на этой Земле существует в том или ином состоянии энергии. Читая это, ваше тело производит тепло. Это тоже форма энергии. Энергия бывает разных типов, таких как механическая энергия, кинетическая энергия и звуковая энергия. Одним из таких видов энергии является химическая энергия. Химическая энергия получается .
Основные источники диоксида серы
Диоксид серы — это газ, выделяемый как человеком, так и природными источниками, и он используется в различных промышленных процессах.
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.
Большая Энциклопедия Нефти и Газа
Основной источник энергии , используемый автотрофа-ми, — Солнце. Образно говоря, автотрофы являются кормильцами биосферы: они не только питаются сами, но и кормят ( своим телом) других. Поэтому их называют продуцентами. Биомасса, создаваемая ими, называется первичной. [2]
Основными источниками энергии на нефтеперерабатывающих заводах являются тепло, водяной пар и электроэнергия. Для получения всех видов энергии расходуется до 6 % перерабатываемой нефти, причем половина этого — количества сжигается на ТЭЦ, а другая — в трубчатых печах технологических установок. В связи с этим одной из важнейших проблем нефтегазоперфаботки является повышение технико-экономической эффективности всех технологических процессов. [3]
Основным источником энергии для всех процессов, происходящих в биосфере, является солнечное излучение. Атмосфера, окружающая Землю, слабо поглощает коротковолновое излучение Солнца, которое, в основном, достигает земной поверхности. Некоторая часть солнечного излучения поглощается и рассеивается атмосферой. Поглощение падающей солнечной радиации обусловлено наличием в атмосфере озона, углекислого газа, паров воды, аэрозолей. [5]
Основным источником энергии , аккумулируемой в аденозинтрифосфате ( АТФ), является глюкоза. В клетках глюкоза с помощью ферментных систем сначала подвергается бескислородному расщеплению до двух молекул молочной кислоты СН3СН ( ОН) СООН. Энергия, выделяемая при расщеплении одной молекулы глюкозы при гликолизе, аккумулируется в двух вновь образованных молекулах АТФ. По мере необходимости АТФ гидролизуется на аденозиндифосфат ( АДФ) и фосфорную кислоту с выделением около 10 ккал тепловой энергии. Молочная кислота подвергается дальнейшему кислородному расщеплению в последовательных окислительно-восстановительных реакциях до углекислого газа и водорода, который, в свою очередь, окисляется кислородом воздуха до воды. Энергия, освобождаемая при этом, расходуется на регенерацию АТФ, то есть на присоединение к АДФ третьего остатка фосфорной кислоты. В результате полного расщепления двух молекул молочной кислоты выделяется энергия, достаточная для синтеза 36 молекул АТФ из АДФ. [6]
Основным источником энергии на Земле является Солнце. [7]
Основным источником энергии , поступающей на Землю, является Солнце. Солнечное излучение формируется в результате интенсивного взаимодействия с веществом в верхних слоях Солнца и находится с ним в равновесии. Электромагнитное излучение Солнца можно охарактеризовать двумя температурами — энергетической, которая определяется законом Стефана-Больцмана, и спектральной, определяемой из закона Вина. Для равновесного излучения эти температуры равны. Показателем неравновесности излучения может служить разность энергетической и спектральной температур. По мере удаления от поверхности Солнца энергетическая температура падает, а спектральная температура остается без изменения. Таким образом, неравновесность излучения по мере удаления от Солнца возрастает. Поэтому с увеличением расстояния от Солнца создаются более благоприятные условия для процессов самоорганизации, которые протекают в неравновесных условиях. С другой стороны, сложность образуемых систем зависит от температуры. С увеличением расстояния от Солнца температура падает, поэтому существует некоторое оптимальное расстояние, на котором возможно образование систем максимальной сложности. Уровень самоорганизации системы определяется степенью отклонения от равновесного состояния и уровнем сложности. В солнечной системе наиболее оптимальное сочетание названных параметров наблюдается на расстояниях, соответствующих орбите Земли. Таким образом, в Солнечной системе наибольший уровень самоорганизации может быть достигнут на Земле. [8]
Основными источниками энергии , потребляемой промышленностью, являются горючие ископаемые и продукты их переработки, энергия воды, биомасса и ядерное топливо. В значительно меньшей степени используются энергия ветра, солнца, приливов, геотермальная энергия. Мировые запасы основных видов топлива оцениваются в 1 28 — Ю13 тонн УТ, в том числе, ископаемые угли 1 12 — Ю13 тонн, нефть 7 4 — Ю11 тонн и природный газ 6 3 — Ю11 тонн УТ. [9]
Основным источником энергии ( тепла) в процессе азотирования является реакция азотирования, которая дает до 96 % от общего прихода энергии. Электроэнергия, подводимая при разогреве печи, составляет всего 2 — 3 % от общего прихода энергии. [10]
Основным источником энергии , поступающей на Землю, является Солнце. Солнечное излучение формируется в результате интенсивного взаимодействия с веществом в верхних слоях Солнца и находится с ним в равновесии. Электромагнитное излучение Солнца можно охарактеризовать двумя температурами — энергетической, которая определяется законом Стефана-Больцмана, и спектральной, определяемой из закона Вина. Для равновесного излучения эти температуры равны. Показателем неравновесности излучения может служить разность энергетической и спектральной температур. По мере удаления от поверхности Солнца энергетическая температура падает, а спектральная температура остается без изменения. Таким образом, неравновесность излучения по мере удаления от Солнца возрастает. Поэтому с увеличением расстояния от Солнца создаются более благоприятные условия для процессов самоорганизации, которые протекают в неравновесных условиях. С другой стороны, сложность образуемых систем зависит от температуры. С увеличением расстояния от Солнца температура падает, поэтому существует некоторое оптимальное расстояние, на котором возможно образование систем максимальной сложности. Уровень самоорганизации системы определяется степенью отклонения от равновесного состояния и уровнем сложности. В солнечной системе наиболее оптимальное сочетание названных параметров наблюдается на расстояниях, соответствующих орбите Земли. Таким образом, в Солнечной системе наибольший уровень самоорганизации может быть достигнут на Земле. [11]
Основными источниками энергии в пластах являются напор краевой воды, подошвенной воды, газа и газовой шапки; давление растворенного газа в нефти в момент выделения газа из раствора; сила тяжести; упругость пласта и насыщающих его нефти, воды и газа. Эти силы могут проявляться раздельно или совместно. [12]
Основными источниками энергии в пластах являются напор краевой воды, подошвенной воды, газа газовой шапки, давление растворенного газа в нефти в момент выделения газа из раствора, сила тяжести, упругость пласта и насыщающих его нефти, воды и газа. Эти силы могут проявляться раздельно или совместно. Таким образом, энергетические ресурсы нефтеносного пласта характеризуются существующим в нем давлением. Чем выше давление, тем больше при прочих равных условиях запасы энергии и тем полнее может быть использована залежь нефти. [13]
Основным источником энергии в промышленности, сельском хозяйстве и в других отраслях народного хозяйства служит топливо. В зависимости от физического состояния топливо подразделяется на твердое, жидкое и газообразное. [14]
Основными источниками энергии для человечества были мускульная сила людей и рабочего скота, а для обогрева жилищ и приготовления пищи использовалась древесина и навоз домашних животных. Однако доля древесины и древесного угля была велика, а мускульная сила человека и животных применялась по-прежнему. [15]
Что является источником энергии для большинства живых существ?
Живые существа — это организмы, которые обладают характеристиками жизни. Эти функции включают в себя способность расти, размножаться, двигаться, метаболизироваться, дышать, реагировать на раздражители и адаптироваться к окружающей среде. Чтобы организм был признан живым, он должен получать энергию и использовать ее для поддержания жизни. Таким образом, энергия имеет решающее значение для выживания живых организмов. Бактерии, животные, люди, растения и грибы являются примерами живых существ.
Основной источник энергии
Солнце является источником энергии в данной экосистеме. Солнечная энергия захватывается растениями для подпитки процесса фотосинтеза. Фотосинтез — это процесс превращения углекислого газа и воды в глюкозу и кислород. Количество энергии, используемой для управления этим процессом, сохраняется в молекулах глюкозы.
Клеточное дыхание
Организмы, в свою очередь, питаются растениями и расщепляют глюкозу, чтобы высвободить накопленную энергию. Высвобождаемая энергия используется клетками для превращения химического аденозинтрифосфата (АТФ) в процесс клеточного дыхания. Так как энергия высвобождается во время процесса, это экзотермический тип реакции. Клетки расщепляют глюкозу до ее первоначальных элементов, которые представляют собой углекислый газ и воду. Поэтому клеточное дыхание является противоположностью фотосинтеза. АТФ — это энергетическая валюта для клеток, означающая, что она питает клетки для выполнения их работы. Выпущенный углекислый газ проходит через кровоток человека и животных и выделяется через легкие или жабры. Растения удаляют углекислый газ через устьица (поры). Экосистема обычно включает первичного, вторичного и третичного потребителя, где каждая группа питается предыдущей. Таким образом, энергия передается между организмами в пищевой цепи. Когда живое существо умирает, его энергия используется разлагающими. Однако большая часть энергии теряется, и когда она проходит через пищевую цепь, лишь небольшой процент достигает третичных потребителей.
Автотрофы и гетеротрофы
Живые формы распознаются как автотрофы или гетеротрофы в соответствии с тем, как они получают энергию. Автотрофы, также называемые самопитателями, обладают способностью создавать свою «пищу», используя энергию солнца или тепловую энергию, получаемую из земли. В экосистеме автотрофы являются производителями энергии и, следовательно, имеют решающее значение в любой пищевой цепи. Члены Королевства Plantae являются лучшими образцами автотрофов. Было обнаружено, что некоторые виды бактерий делают пищу из неорганических соединений, таких как сера. Гетеротрофам не хватает способности производить пищу и полагаться на автотрофы. Питаясь углеводами, созданными автотрофами, гетеротрофы получают энергию для поддержания жизни. Животные, люди и грибы входят в эту группу. Другая группа, называемая миксотрофами, может выполнять автотрофные действия, а также полагаться на другие организмы для получения энергии.
Важность энергии для живых существ
Живые существа состоят из миллионов клеток, которые выполняют различные функции в теле, такие как восстановление, рост и движение. Все химические процессы, происходящие в клетках, суммируются как обмен веществ. Если метаболизм прекращается, живое существо впоследствии умирает. Следовательно, энергия имеет решающее значение для поддержания жизни для всех форм жизни.