Использование энергии атома, Солнца

Размещено на http://www.allbest.ru/

План

1. Экология и энергетика

2. Использование энергии атома

2.1 Цепное деление ядер

2.2 Воспроизводство ядерного топлива

2.3 Управляемый термоядерный синтез (УТС)

3. Использование энергии Солнца

3.1 Фотогальванические элементы (ФГЭ)

3.2 Солнечные термоустановки (зеркальные гелиоконцентраторы)

3.3 ФГЭ на искусственных спутниках Земли

3.4 Генератор океан-Солнце

4. Производство биоэнергии

4.1 Биометаногенез (получение биогаза)

4.2 Производство этанола

4.3 Производство углеводородов с помощью микроорганизмов

4.4 Водородная энергетика

Выводы

Список литературы



1. Экология и энергетика

Угроза энергетического кризиса вполне реальна для любой страны, и человечество уже убеждалось в этом не раз. Вместе с тем уровень жизни людей прямо связан с количеством энергии, приходящимся на душу населения. Транспорт, промышленность, бытовое обслуживание - словом, всё, что мы подразумеваем под "благами цивилизации", зависит в первую очередь от количества полезной энергии и её доступности. На сегодняшний день положение в области энергетики в мире можно охарактеризовать следующими фактами:

1. Запасы ископаемого топлива ограничены, и как бы геологи интенсивно не занимались изысканием новых месторождений "классического" топлива, ориентация на него в скором будущем будет неоправданна.

2. Атомная энергия, которая ещё недавно казалась выгодно доступной в любых количествах, сегодня признана экологически опасной (точнее сказать, опасны её производство и отходы).

3. Доля исследований, связанных с созданием новых энергетических проектов, внедрение которых не загрязняло бы окружающую среду, увеличивается. Это, прежде всего, решения, основанные на использовании энергии Солнца и транспортировке энергии в виде водорода.

4. Кроме поиска новых источников энергии, химиками активно ведутся работы по созданию новых материалов, обеспечивающих более эффективное расходование и потребление энергии.

Рассматривая энергетику как область практической деятельности человечества, необходимо постоянно обращаться к экологическим сторонам энергетических проблем. Сложившаяся ныне ситуация в мире такова, что проблемы энергетики тесно переплелись с проблемами экологического состояния биосферы и неотделимы друг от друга.

Используемые сейчас традиционные энергоносители - нефть, уголь, газ и т.д. - ставят перед человечеством две проблемы:

1) их использование приводит к загрязнению окружающей среды;

2) им необходимо искать подходящую замену из-за угрозы истощения и сопряжённой с этим реальной возможности понижения уровня экологического комфорта для человека.

В качестве альтернативных решений на сегодняшний день предполагается два типа энергетических источников:

1. использование энергии атома;

2. использование энергии Солнца.



2. Использование энергии атома

Существуют три способа извлечения энергии, заключённой в атом: цепное деление ядер, воспроизводство ядерного топлива, термоядерный синтез.

2.1 Цепное деление ядер

Это процесс, в котором одна проведённая реакция вызывает последующие реакции такого же типа.

В этом процессе используется изотоп урана ²³⁵U, которого всего лишь 0,7% в общей массе урана Земли, оцениваемой в 1,3·1014 тонн металла. Таким образом, запасы этого активного изотопа относительно невелики и при интенсивном использовании довольно быстро истощатся.

Ядро ²³⁵U имеет форму шара. Поглотив нейтрон, ядро возбуждается и начинает деформироваться. Оно растягивается из стороны в сторону до тех пор, пока кулоновские силы отталкивания между протонами не начнут преобладать над ядерными силами притяжения. После этого ядро разрывается на две части и осколки разлетаются со скоростью 1/30 скорости света. При делении ядра образуются ещё 2 или 3 нейтрона. Появление нейтронов объясняется тем, что число нейтронов в осколках оказывается больше, чем допустимо. Имеющие огромную скорость разлетающиеся осколки тормозятся окружающей средой. Кинетическая энергия осколков превращается во внутреннюю энергию среды, которая нагревается. Таким образом, деление ядер урана сопровождается выделением большого количества энергии.



При делении одного ядра урана, образующиеся нейтроны могут вызвать деление других ядер урана, при этом число нейтронов нарастает лавинообразно. энергетика экология биосфера термоядерный

Отношение числа образовавшихся нейтронов в одном акте деления к числу таких нейтронов в предыдущем акте деления называется коэффициентом размножения нейтронов k.

При k меньшем 1 - реакция затухает, т.к. число поглощённых нейтронов больше числа вновь образовавшихся.

При k большем 1 - почти мгновенно происходит взрыв.

При k равном 1 - идёт управляемая стационарная цепная реакция. Причём цепная реакция сопровождается выделением большого количества энергии.

1 г урана = 2,3 ·104 кВт · ч ? 3 т угля

Условия протекания цепной реакции в ²³⁵U:

- минимальное количество топлива (критическая масса), необходимое для проведения цепной реакции в атомном реакторе;

- скорость нейтронов должна вызывать деление ядер урана;

- отсутствие примесей, поглощающих нейтроны.

2.2 Воспроизводство ядерного топлива

Воспроизводство ядерного топлива - процесс образования и накопления в работающем реакторе новых типов делящихся ядер, сразу же включающихся в общий цикл размножения нейтронов и, тем самым, повышающих общий запас реактивности.

Изотоп ²³⁸U не способен к делению при захвате нейтронов. Но его долю приходится 99,3% всего урана планеты. Следовательно, его выгоднее использовать, чем изотоп ²³⁵U, но для этого его первоначально необходимо превратить в активный материал, пригодный для цепных процессов. В этом случае используют начальное количество ²³⁵U для возбуждения изотопа ²³⁸U.

Ядра атома ²³⁸U при воздействии на них быстрых нейтронов превращаются в изотоп ²³⁹U, который распадается затем до изотопа ²³⁹Pu, ядра которого делятся на медленных нейтронах:

²³⁸U + n > ²³⁹U > ²³⁹Np > ²³⁹Pu

Реакторы-размножители, в которых осуществлялся бы этот процесс, более перспективны и эффективны, чем реакторы, в которых используются реакции цепного деления. Однако до сих пор ещё не разработана технологическая схема этого процесса.

И для 1, и для 2 способов существенный отрицательный момент - проблема захоронения отходов. Другим серьёзным возражением против создания ядерных реакторов является возможность экологических катастроф при их эксплуатации.

2.3 Управляемый термоядерный синтез (УТС)

Управляемый термоядерный синтез (УТС) - синтез более тяжёлых атомных ядер из более лёгких с целью получения энергии, который, в отличие от взрывного термоядерного синтеза (используемого в термоядерных взрывных устройствах), носит управляемый характер.

УТС отличается от традиционной ядерной энергетики тем, что в последней используется реакция распада, в ходе которой из тяжёлых ядер получаются более лёгкие ядра. В основных ядерных реакциях, которые планируется использовать в целях осуществления УТС, будут применяться дейтерий (²Н) и тритий (³Н), а в более отдалённой практике гелий-3 (³Не) и бор-11 (¹¹В).

Типы реакций. Реакция синтеза заключается в следующем: два или больше атомных ядра в результате применения некоторой силы сближаются настолько, чтобы силы, действующие на таких расстояниях, преобладали над силами кулоновского отталкивания между одинаково заряженными ядрами, в результате чего формируется новое ядро. Оно будет иметь несколько меньшую массу, чем сумма масс исходных ядер, а разница становится энергией, которая и выделяется в процессе реакции. Количество выделяемой энергии описывает известная формула

E=mcІ

Атомные ядра, имеющие небольшой электрический заряд, проще свести на нужное расстояние, поэтому тяжелые изотопы водорода являются одними из лучших видов топлива для реакции синтеза.

Установлено, что смесь двух изотопов, дейтерия и трития, требует менее всего энергии для реакции синтеза по сравнению с энергией, выделяемой во время реакции. Однако, хотя смесь дейтерия и трития (D-T) является предметом большинства исследований синтеза, она в любом случае не является единственным видом потенциального горючего. Другие смеси могут быть проще в производстве; их реакция может надежнее контролироваться, или, что более важно, производить меньше нейтронов. Особенный интерес вызывают так называемые "безнейтронные" реакции, поскольку успешное промышленное использование такого горючего будет означать отсутствие долговременного радиоактивного загрязнения материалов и конструкции реактора, что, в свою очередь, могло бы положительно повлиять на общественное мнение и на общую стоимость эксплуатации реактора. Проблемой остается то, что реакцию синтеза с использованием альтернативных видов горючего намного сложнее поддерживать, потому D-T реакция считается только необходимым первым шагом.

Управляемый термоядерный синтез может использовать различные виды термоядерных реакций в зависимости от вида применяемого топлива.

Реакция дейтерий + тритий (топливо D-T). Самая легко осуществимая реакция - дейтерий + тритий:

²H + ³H = ⁴He + n

при энергетическом выходе 17,6 МэВ (мегаэлектровольт).

Такая реакция наиболее легко осуществима с точки зрения современных технологий, даёт значительный выход энергии, топливные компоненты дешевы. Недостаток - выход нежелательной нейтронной радиации.

Два ядра: дейтерия и трития сливаются, с образованием ядра гелия (альфа-частица) и высокоэнергетического нейтрона:

Реакция дейтерий + гелий-3. Существенно сложнее, на пределе возможного, осуществить реакцию дейтерий + гелий-3

²H + ³He = ⁴He + p

при энергетическом выходе 18,4 МэВ.

Условия её достижения значительно сложнее. Гелий-3, кроме того, является редким и чрезвычайно дорогим изотопом. В промышленных масштабах в настоящее время не производится. Однако может быть получен из трития, получаемого в свою очередь на атомных электростанциях; или добыт на Луне.

Сложность проведения термоядерной реакции можно характеризовать тройным произведением nTф (плотность на температуру на время удержания). По этому параметру реакция D -3He примерно в 100 раз сложнее, чем D-T.

Реакция между ядрами дейтерия (D-D, монотопливо). Также возможны реакции между ядрами дейтерия, они идут немного труднее реакций с участием гелия-3:

Эти реакции медленно протекают параллельно с реакцией дейтерий+гелий-3, а образовавшиеся в ходе них тритий и гелий-3 с большой вероятностью реагируют с дейтерием.

"Безнейтронные" реакции. Наиболее перспективны так называемые "безнейтронные" реакции, так как порождаемый термоядерным синтезом нейтронный поток (например, в реакции дейтерий-тритий) уносит значительную часть мощности и порождает наведенную радиоактивность в конструкции реактора. Реакция дейтерий + гелий-3 является перспективной в том числе и по причине отсутствия нейтронного выхода.

Условия. Управляемый термоядерный синтез возможен при одновременном выполнении двух условий:

· Скорость соударения ядер соответствует температуре плазмы: T > 108 K (для реакции D-T).

· Соблюдение критерия Лоусона: nф > 10¹⁴ см^?3·с (для реакции D-T), где n - плотность высокотемпературной плазмы, ф - время удержания плазмы в системе.

Реакционная безопасность. Термоядерный реактор намного безопаснее ядерного реактора в радиационном отношении. Прежде всего, количество находящихся в нем радиоактивных веществ сравнительно невелико. Энергия, которая может выделиться в результате какой-либо аварии, тоже мала и не может привести к разрушению реактора. При этом в конструкции реактора есть несколько естественных барьеров, препятствующих распространению радиоактивных веществ. Например, вакуумная камера и оболочка криостата должны быть герметичными, иначе реактор просто не сможет работать.

Однако есть несколько источников возможного радиоактивного загрязнения:

1. Радиоактивный изотоп водорода - тритий;

2. Наведённая радиоактивность в материалах установки в результате облучения нейтронами;

3. Радиоактивная пыль, образующаяся в результате воздействия плазмы на первую стенку;

4. Радиоактивные продукты коррозии, которые могут образовываться в системе охлаждения.



3. Использование энергии Солнца

Масштабы использования энергии Солнца продолжают увеличиваться, и в отличие от ядерной стоимость энергии, извлекаемой на солнечных установках, постоянно снижается.

Солнце поставляет на нашу планету ? 1,7 · 10¹⁷ Вт энергии электромагнитного излучения. Даже 1% площади планеты, покрытой коллекторами излучения с эффективностью 10%, может собрать 1011 кВт энергии, в то время как всего в мире используется около 10¹⁰ кВт. Однако здесь существуют трудности, связанные с совершенствованием технологии улавливания и преобразования энергии Солнца в другую, более удобную для человека форму энергии.

В настоящее время доступны следующие методы преобразования энергии солнца: фотогальванические элементы, солнечные термоустановки, фотогальванические установки на искусственных спутниках Земли, генератор океан-Солнце.

3.1 Фотогальванические элементы (ФГЭ)

Они превращают солнечный свет в электричество. Такие солнечные батареи могут случить до 30 лет в качестве источников питания калькуляторов, часов и искусственных спутников.

Механизм их действия основан на том, что поток фотонов от Солнца, попадая на поверхность двухслойного полупроводника (например, из кремния) возбуждает электроны. Те мигрируют к поверхности раздела между кремниевыми пластинами (р- и п- типа) и генерируют там разность потенциалов.

В этом случае используются полупроводниковые свойства кремния (или другого вещества).

Полупроводник - вещество, электрическое сопротивление которого имеет промежуточное значение между теми, которые свойственны электрическим изоляторам (диэлектрикам) и проводникам.

Полупроводники п-типа (электронные) имеют в кристаллической решётке избыточные электроны, а, следовательно, обладают эффективным отрицательным зарядом.

Полупроводники р-типа (дырочные) имеют в кристаллической решётке "электронные дырки", т.е. эффективные положительные заряды.

Электроны, текущие через кремниевую пластинку р-типа, останавливаются на стыке (переходе) между двумя пластинами. Этот стык называется р-п-переходом. Электроны, идущие в обратном направлении, проходят через переход, чтобы заполнить "дырки" в слое р-типа.

При достаточно большой площади фотогальванических кремниевых пластин можно получать силу тока значительной величины.

Одна из сложностей в производстве ФГЭ - получение беспримесных высокочистых полупроводников, например из кремния. Для ФГЭ характерны экологическая чистота и неистощимость источника.

3.2 Солнечные термоустановки (зеркальные гелиоконцентраторы)

Эти системы преобразуют солнечную энергию в тепловую. Они просты в устройстве и достаточно распространены.

Система следящих за Солнцем зеркал фокусирует его лучи и собирает их энергию, для того чтобы довести до кипения рабочую жидкость (воду или лучше жидкий аммиак). Кипятильник же работает как обычная тепловая машина и может вырабатывать электричество, отдавая теплоту электрогенератору.

Создание лёгких зеркал и применение жидкостей с повышенной теплопроводностью (например, расплавленных солей) могут существенно улучшить качество солнечных термоустановок.



3.3 ФГЭ на искусственных спутниках Земли

В космосе нет поглощения, характерного для земной атмосферы. Поэтому на 1 м² поверхности искусственного спутника солнечной энергии попадает гораздо больше, чем на 1 м² Земли. Нет там и облачности, а самое главное, нет ночи! Поэтому ФГЭ предполагают размещать на специальных платформах, вращающихся вокруг Земли по спутниковым орбитам.

На Землю собранная энергия будет поступать в виде потока излучения с преобразованной частотой - микроволнового луча. Излучения такого диапазона проходят через атмосферу с малыми потерями на поглощение. На Земле эти лучи можно принять и преобразовывать в электроэнергию, а та пойдёт на получение водорода, который можно хранить, транспортировать и легко по мере надобности использовать как топливо (т.е. вновь получать энергию).

Проект этот фантастичен, однако усовершенствование космической техники рано или поздно приведёт к его реализации как чрезвычайно перспективного.

3.4 Генератор океан-Солнце

Работа этого генератора, пока ещё тоже находящегося в стадии модели, основана на использовании для выработки энергии разности температур в океане. Поверхностные воды в тропиках обычно нагреты Солнцем до 20-25^оС, на глубинах же в 1-2 км температура падает до 5^оС. Остаётся только создать конструкцию с непрерывным рабочим циклом типа тепловой машины, где, например, аммиак мог бы поочерёдно конденсироваться в нижней части агрегата (глубоководной) и кипеть в верхней. Такой коллектор, принцип работы которого основан на температурном градиенте, должен быть более эффективен, чем ФГЭ или гелиоконцентраторы, так как он добывает энергию, накопленную океаном за предшествующее время облучения (как бы запасённую ранее). ФГЭ и гелиоконцентраторы же могут собрать в лучшем случае всю энергию Солнца, поступающую к ним в данный момент времени. Если в облачность или ночью ФГЭ и гелиоконцентраторы вынуждены "отдыхать", то генератор океан-Солнце может трудиться, так как градиент температур сохраняется.



4. Производство биоэнергии

Энергию можно получать и из растительной биомассы. Об этом люди знали давно, с тех пор как стали разжигать костры. Затем они начали превращать тепло в механическую или электрическую энергию.

В настоящее время существует много различных способов производства энергии при помощи растений и микроорганизмов.

4.1 Биометаногенез (получение биогаза)

Процесс биометаногенеза осуществляют бактерии в три стадии. На первой стадии происходят растворение и гидролиз сложных органических соединений до пропионовой, масляной и молочной кислот:

Вторая стадия - ацидогенез под действием уксуснокислых бактерий:

R - COOH > H₃C - COOH + CO₂ + H₂

Третья стадия - метаногенез:

Биогаз состоит в основном из метана (65%) и СО₂ (30%).

В строго анаэробных условиях метан можно получить из ароматических соединений. Этот процесс используют, кстати, при утилизации отходов и детоксикации сточных вод. В природе этим путём может идти биотрансформация некоторых биоцидов:

Используя сельскохозяйственные отходы и экскременты животных, а также, что очень важно с экологической точки зрения, канализационные и промышленные стоки, можно получать значительные количества топлива в виде СН₄ в специальных реакторах-дайджестерах.

4.2 Производство этанола

Этанол можно использовать в качестве альтернативного топлива в автомобильных двигателях внутреннего сгорания, либо в безводном виде, либо в смеси с бензином.

Процесс производства этилового спирта с помощью микроорганизмов (спиртовое брожение) становится всё более предпочтительным перед химическим синтезом. Поставщиками сырья - запасных сахаридов (крахмала, инсулина, сахарозы) - служат некоторые сельскохозяйственные продукты (свёкла, тростник, кукуруза и т.д.) Ферментационный процесс при участии бактерий или дрожжей включает в себя, в частности, следующие стадии:

Гексоза Пируват Ацетальдегид Этанол

Наряду с этанолом, используя варианты спиртового и ацетонбутанолового брожений, можно получать метанол СН₃ОН, ацетон СН₃-СО-СН₃ и н-бутанол С₄Н₉ОН.

4.3 Производство углеводородов с помощью микроорганизмов

В конце 70-х годов было обнаружено, что одноклеточная водоросль Botrycoccus brauni содержит в составе своей клетки 15-75% (в сухой массе) высших линейных алкенов с числом атомов углерода от 25 до 38. Эти углеводороды получили название ботриококкцены.

При разработке надлежащих технологий ботриококкцены, продуцируемые этой водорослью, можно выгодно использовать в качестве источника энергии и сырья для нефтехимической промышленности.

4.4 Водородная энергетика

Если ископаемое топливо заменить на водород, то никаких загрязнений окружающей среды не произойдёт. Именно такой тезис положен в основу водородной энергетики.

В форме водорода экономичнее всего осуществлять передачу энергии на большие расстояния. Водород может применяться в качестве топлива для самолётов и части наземного транспорта. В автомобилях водород можно использовать непосредственно для работы двигателей внутреннего сгорания либо через посредство электрических топливных элементов. Теплотворная способность водорода (в расчёте на единицу массы) выше, чем у других сопоставимых видов топлива:

Н₂ + 1/2О₂ > Н₂О ?Н^о = - 258, 8 кДж/моль

В металлургии при использовании водорода в доменных печах выделялся бы чистый водяной пар, а при переработке руд - элементарная сера и вода. Даже если водород будет сгорать не полностью, то и это не будет приводить к загрязнению атмосферы: этот газ нетоксичен и легко диффундирует в верхние атмосферные слои.

Из водорода можно получать метанол и аммиак, а также формальдегид:

4Н₂ + СО₂ > 2СН₂О + Н₂О

Метанол СН 3ОН - удобное топливо для наземного транспорта, а формальдегид - исходное сырьё для производства разнообразных органических соединений.

Существует несколько способов получения водорода в больших количествах:

1. В начальный период становления водородной энергетики получение водорода сводилось к следующему процессу (синтез Боша):

С_(кокс) + Н₂О > СО + Н₂

Из состава водяного газа (СО + Н₂) монооксид углерода удалялся доокислением:

2СО + О₂ >2СО₂

Однако уголь, как известно, ограниченный ресурс, поэтому перспективнее рассматривать в качестве источника водород.

2. Химический процесс с каким-либо веществом А через стадию оксида:

А + Н₂О >АО + Н₂

2АО > 2А + О₂



Например:

а) получение из природного газа:

б) каталитическое окисление метана кислородом:

2СН₄ + О₂ > 2СО + 4Н₂

3. Крекинг и риформинг углеводородов. Водород в этом случае получается в качестве побочного продукта при переработке нефти.

4. Электрохимический метод.

а) Электролиз воды. Электроды помещают в подщелочённую или подкисленную среду, причём водород собирается на катоде.

б) Электролиз рассола. Водород можно выделять как побочный продукт при электролизе водного раствора соли NaCl в процессе производства хлора и гидроксида натрия.

Несмотря на высокую чистоту электрохимического метода, есть у электролиза и отрицательный момент - на него необходимо тратить электроэнергию.

5. Электролиз водяного пара.

На первый взгляд это кажется невероятным - разложить пары воды на Н₂ и О₂ при 900-1000оС. Однако опыты по созданию высокотемпературных топливных элементов были успешно осуществлены. Электролитом в таких элементах служит тонкая мембрана из диоксида циркония ZrО₂. Водяной пар на поверхности ZrО₂ диссоциирует под действием электрического тока на 2Н⁺ и О^2-. Ток внешнего источника питания нейтрализует протоны, которые дают Н 2 на одной стороне мембраны. Ионы О^2- диффундируют через мембрану и отдают свои электроны проводнику на другой стороне плёнки из ZrО₂, в результате чего выделяется О₂. Сложности при осуществлении такого способа заключаются в создании качественных, прочных и в то же время очень тонких плёнок из ZrО₂.



Выводы

1. Ядерные установки, по-видимому, пока не будут создавать в промышленном масштабе. Их будут использовать в ближайшем будущем лишь как вспомогательные источники энергии для синтеза водорода.

2. Наиболее перспективной в будущем представляется эксплуатация энергетических систем типа Солнце-водород (в сочетании с ФГЭ на кремнии либо системой океан-Солнце) или энергии ветра и сил гравитации.

3. Водородная энергетика гораздо более приемлема по сравнению с энергетическими системами, использующими ископаемое топливо, с точки зрения охраны биосферы.



Список литературы

1. Шустов С.Б., Шустова Л.В. Химические основы экологии - М.: Просвещение, 1995. - 239с.

2. Кузьменок Н.М. Экология на уроках химии - Минск: ООО "КРАСИКО-ПРИНТ", 1996.- 208с.

3. Банников А.Г. Основы экологии и охраны окружающей среды - М.: Колос, 1999. - 304с.

4. Дж. Андруз Введение в химию окружающей среды - М.: Мир, 1999

5. http://ru.wikipedia.org/

Размещено на Allbest.ru

...