Использование альтернативных источников энергии
Другие рефераты
Введение
Во второй половине ХХ столетия перед человечеством восстала глобальное
проблема – это загрязнение окружающей среды продуктами сгорания
органического топлива. Даже если рассматривать отдельно каждую отрасль этой
проблемы, то картина будет складываться ужасная. К примеру, вот данные
статистики по выбросам в окружающую среду вредных веществ автомобилями: с
выхлопными газами автомобилей в атмосферу попало 14,7 миллиона тонн оксида
углерода, 3,4 миллиона тонн углеводородов, около одного миллиона тонн
оксидов азота, более 5,5 тысячи тонн высокотоксичных соединений свинца. И
это данные на далекий 1993 год и если учесть, что каждый год с конвейеров
автомобильных заводов сходит свыше 40 миллионов машин, и темпы производства
растут, то можно сказать, что уже через десять лет все крупные города мира
увязнут в смоге. К этому еще необходимо добавить продукты сгорания топлива
на тепловых электростанциях, затопление огромных территорий
гидроэлектростанциями и постоянная опасность в районах АЭС. Но у этой
проблемы есть и вторая сторона медали: все ныне используемые источники
энергии являются исчерпаемыми ресурсами. То есть через столетие при таких
темпах потребления угля, нефти и газа население Земли увязнет в
энергетическом кризисе.
Потому ныне перед всеми учеными мира стоит проблема нахождения и разработки
новых альтернативных источников энергии. В данной работе будут рассмотрены
проблемы нахождения новых видов топлива, которые можно было бы назвать
безотходными и неисчерпаемыми; также проблемы использования различных
материалов для солнечной энергетики. Отдельно будут рассмотрены два самых
перспективных источника энергии: водород и солнечная энергия.
Водород – топливо будущего
На данный момент водород является самым разрабатываемым «топливом
будущего». На это есть несколько причин: при окислении водорода образуется
как побочный продукт вода, из нее же можно водород добывать. А если учесть,
что 73% поверхности Земли покрыты водой, то можно считать, что водород
неисчерпаемое топливо. Так же возможно использование водорода для
осуществления термоядерного синтеза, который вот уже несколько миллиардов
лет происходит на нашем Солнце и обеспечивает нас солнечной энергией.
Управляемый термоядерный синтез.
Управляемый термоядерный синтез использует ядерную энергию выделяющуюся при
слиянии легких ядер, таких как ядра водорода или его изотопов дейтерия и
трития. Ядерные реакции синтеза широко распространены в природе, будучи
источником энергии звезд. Ближайшая к нам звезда - Солнце - это
естественный термоядерный реактор, который уже многие миллиарды лет
снабжает энергией жизнь на Земле. Ядерный синтез уже освоен человеком в
земных условиях, но пока не для производства мирной энергии, а для
производства оружия он используется в водородных бомбах. Начиная с 50
годов, в нашей стране и параллельно во многих других странах проводятся
исследования по созданию управляемого термоядерного реактора. С самого
начала стало ясно, что управляемый термоядерный синтез не имеет военного
применения. В 1956 г. исследования были рассекречены и с тех пор проводятся
в рамках широкого международного сотрудничества. В то время казалось, что
цель близка, и что первые крупные экспериментальные установки, построенные
в конце 50 годов, получат термоядерную плазму. Однако потребовалось более
40 лет исследований для того, чтобы создать условия, при которых выделение
термоядерной мощности сравнимо с мощностью нагрева реагирующей смеси. В
1997 г. самая крупная термоядерная установка - Европейский токамак, JET,
получила 16 МВт термоядерной мощности и вплотную подошла к этому порогу.
Что же явилось причиной такой задержки? Оказалось, что для достижения цели
физикам и инженерам пришлось решить массу проблем, о которых и не
догадывались в начале пути. В течении этих 40 лет была создана наука -
физика плазмы, которая позволила понять и описать сложные физические
процессы, происходящие в реагирующей смеси. Инженерам потребовалось решить
не менее сложные проблемы, в том числе научиться создавать глубокий вакуум
в больших объемах, разработать большие сверхпроводящие магниты, мощные
лазеры и источники рентгеновского излучения, разработать инжекторы
способные создавать мощные пучки нейтральных атомов, разработать методы
высокочастотного нагрева смеси и многое другое.
Первое поколение термоядерных реакторов, которые пока находятся в стадии
разработки и исследований, по-видимому будет использовать реакцию синтеза
дейтерия с тритием
D + T = He + n,
в результате которой образуется ядро гелия, Не, и нейтрон. Необходимое
условие для того, чтобы такая реакция пошла - это достижение высокой
температуры смеси (сто миллионов градусов). Только в этом случае
реагирующие частицы могут преодолеть электростатическое отталкивание и при
столкновении, хотя бы на короткое время, приблизиться друг к другу на
расстояние, при котором возможна ядерная реакция. При такой температуре
смесь изотопов водорода полностью ионизируется и превращается в плазму -
смесь электронов и ионов. Кроме высокой температуры, для положительного
выхода энергии нужно, чтобы время жизни плазмы, t, помноженное на плотность
реагирующих ионов, n, было достаточно велико nt > 5*1 000 000 000 000 000
c/см3. Последнее условие называется критерием Лоусона. Основная физическая
проблема, с которой столкнулись исследователи на первых шагах на пути к
термоядерному синтезу - это многочисленные плазменные неустойчивости,
приводящие к плазменной турбулентности. Именно они сокращали время жизни в
первых установках до величины на много порядков меньше ожидаемой и не
позволяли достигнуть выполнения критерия Лоусона. За 40 лет исследований
удалось найти способы борьбы с плазменными неустойчивостями и построить
установки способные удерживать турбулентную плазму.
Существуют два принципиально различных подхода к созданию термоядерных
реакторов, и пока не ясно, какой подход окажется наиболее выгодным.
В так называемом инерционном термоядерном синтезе несколько миллиграмм
дейтериево-тритиевой смеси сжимаются оболочкой, ускоряемой за счет
реактивных сил, возникающих при испарении оболочки с помощью мощного
лазерного или рентгеновского излучения. Энергия выделяется в виде
микровзрыва, когда в процессе сжатия в смеси дейтерия с тритием достигаются
необходимые условия для термоядерного горения. Время жизни такой плазмы
определяется инерционным разлетом смеси и поэтому критерий Лоусона для
инерционного удержания принято записывать в терминах произведения rr, где r
- плотность реагирующей смеси и r - радиус сжатой мишени. Для того, чтобы
за время разлета смесь успела выгореть, нужно, чтобы rr Ё 3 Г/см2. Отсюда
сразу следует, что критическая масса топлива, М, будет уменьшаться с ростом
плотности смеси, М ~ rr3 ~ 1/r2 , а следовательно и энергия микровзрыва
будет тем меньше, чем большей плотности смеси удастся достичь при сжатии.
Ограничения на степень сжатия связаны с небольшой, но всегда существующей
неоднородностью падающего на оболочку излучения и с несимметрией самой
мишени, которая еще и нарастает в процессе сжатия из-за развития
неустойчивостей. В результате появляется некая критическая масса мишени и,
следовательно, критическая энергия, которую нужно вложить оболочку для ее
разгона и получения положительного выхода энергии. По современным оценкам ,
в мишень с массой топлива около 5 миллиграмм и радиусом 1-2 миллиметра
нужно вложить около 2 МДж за время 5-10Ч10-9 с. При этом энергия
микровзрыва будет на уровне всего 5Ч108 Дж (эквивалентно около 100 кг
обычной взрывчатки) и может быть легко удержана достаточно прочной камерой.
Предполагается, что будущий термоядерный реактор будет работать в режиме
последовательных микровзрывов с частотой в несколько герц, а выделяемая в
камере энергия будет сниматься теплоносителем и использоваться для
получения электроэнергии.
За прошедшие годы достигнут большой прогресс в понимании физических
процессов происходящих при сжатии мишени и взаимодействии лазерного и
рентгеновского излучения с мишенью. Более того, современные многослойные
мишени уже были проверены с помощью подземных ядерных взрывов, которые
позволяют обеспечить требуемую мощность излучения . Было получены зажигание
и большой положительный выход термоядерной энергии, и поэтому нет сомнений,
что этот способ в принципе может привести к успеху. Основная техническая
проблема, с которой сталкиваются исследователи, работающие в этой области -
создание эффективного импульсного драйвера для ускорения оболочки.
Требуемые мощности можно получить, используя лазеры (что и делается в
современных экспериментальных установках ), но к.п.д лазеров слишком мал
для того, чтобы можно было рассчитывать на положительный выход энергии. В
настоящее время разрабатываются и другие драйверы для инерционного синтеза
основанные на использовании ионных и электронных пучков, и на создании
рентгеновского излучения с помощью Z пинчей. За последнее время здесь также
достигнут существенный прогресс . В настоящее время в США ведется
строительство большой лазерной установки, NIF, рассчитанной на получение
зажигания .
Другое направление в управляемом термоядерном синтезе - это термоядерные
реакторы, основанные на магнитном удержании. Магнитное поле используется
для изоляции горячей дейтериево-тритиевой плазмы от контакта со стенкой. В
отличие от инерционных реакторов магнитные термоядерные реакторы - это
стационарные устройства с относительно низким объемным выделением энергии и
относительно большими размерами. За 40 лет термоядерных исследований были
предложены различные системы для магнитного удержания, среди которых
токамак занимает сейчас лидирующее положение. Другая система для магнитного
удержания плазмы - это стелларатор. Крупные стеллараторы строятся в
настоящее время в Японии и Германии.
В токамаке горячая плазма имеет форму тора и удержива
| |  скачать работу |
Другие рефераты
|
