Автор: Щетинина Виктория
Исследовательская работа
по теме «Энергетика будущего: реальность или фантастика?»
Цель: изучить возможные технологии производства электрической энергии в будущем, перспективы развития энергетики.
Задача: доказать необходимость замены традиционных источников электроэнергии на более совершенные.
Введение
Всем известно, что уровень производства и потребления энергии является важнейшим показателем развития производительных сил общества, главную роль при этом играет электроэнергия – самая универсальная форма энергии. Количество производимой электроэнергии – это показатель экономической мощи государства. Производство электроэнергии осуществляется на трех типах электростанций: тепловые (ТЭС), гидро (ГЭС), атомные (АЭС). Источником энергии на ТЭС служат уголь, газ, торф, мазут. Источником энергии на ГЭС служит потенциальная энергия воды, поднятой плотиной. Источником энергии на АЭС является ядерное топливо (U-235, P-239, Th-232).
Как известно, нефти, угля и газа хватит не так уж и надолго (угля – примерно на 115 лет, нефти – на 50 лет, газа – на 50 лет), да еще и экологи недовольны. Урана и тория вроде бы хватает (урана – на 75 лет), но народ чего – то боится. Да и не ясно, куда девать столько радиоактивных отходов.
Термоядерная энергетика.
Решение энергетической проблемы в ближайшем будущем будет принадлежать термоядерным электростанциям. Термояд позволяет в перспективе получать энергию буквально из воды, причем отходами его работы будут являться, только обычные безвредные водород и гелий. Внутри реактора будет радиоактивный тритий, но его будет сотни грамм, в противовес сотне тонн полуотработанного топлива в обычных ядерных реакторах. Так что ничего подобного Чернобылю не может произойти, даже если термоядерный реактор взорвется. Но его взрыв возможен разве в случае теракта, так как реакция там самопроизвольно развиваться не умеет. В принципе, вариантов термоядерного синтеза на самом деле много. Можно использовать и дейтерий, и литий, и тритий. Подсчитано, что один грамм топлива для термоядерного реактора позволяет получить энергии больше, чем три с половиной тонны бензина!
Суть термоядерного синтеза в том, что ядерная энергия может высвобождаться не только при делении тяжелых ядер. Но также при слиянии (синтезе) легких ядер. Чтобы произошла реакция синтеза, два ядра должны сблизиться на очень маленькое расстояние. Но ядра имеют положительный заряд и поэтому отталкиваются друг от друга, а чтобы сблизить их друг с другом, их нужно разогнать до огромных скоростей. Одним из вариантов такого разгона является нагрев до высокой температуры. Расчет показывает, что нужна температура порядка 10 миллионов Кельвинов. Поэтому реакция слияния ядер называется термоядерным синтезом. Одна из реакций синтеза – слияние двух изотопов водорода (дейтерия и трития). В результате этого образуется ядро гелия. При этом выделяется огромная энергия, почти в 4 раза превосходящая эффект реакции деления ядра урана.
Такая реакция легла в основу создания водородной бомбы. Запалом в такой бомбе служит атомная бомба, при взрыве которой возникает температура, необходимая для слияния ядер. Реакция синтеза в данном случае является неуправляемой.
Овладеть управляемой термоядерной реакцией – это значит обладать самым богатым и самым дешевым источником энергии. Решение проблемы управляемой термоядерной реакции избавит человечество от забот об источниках энергии; в этом случае ядерным горючим станет вода морей и океанов. Кроме того, при термоядерной реакции не образуются радиоактивные отходы, поэтому не будет проблем с загрязнением окружающей среды.
Проблемы термоядерной энергетики.
В настоящее время разрабатываются методы создания очень больших температур в водородной плазме (удалось получить сверхвысокие температуры примерно 100 млн. К) с помощью мощного лазерного излучения. Но главная проблема – удержать эту плазму в течение длительного времени. А для этого необходимо обеспечить полную изоляцию плазмы от стенок установки, в которой она будет находиться. При соприкосновении со стенками плазма мгновенно охлаждается и перестает существовать, а стенки, в свою очередь, не выдержат высокой температуры и расплавятся. Следовательно, плазма должна быть окружена вакуумом, также применяется магнитная теплоизоляция.
Немаловажно, что пока вся потраченная энергия, в конечном счете, переходит в нагрев установки. Реалистично рассчитывать лишь на 25 – 35% КПД. Значит, нам нужно, чтобы установка вырабатывала в 2-3 раза больше энергии, чем тратится на ее нагрев. Учитывая, что нам еще нужна и электростанция для выработки энергии, то необходимо получать уже в 5-10 раз больше энергии. На данный момент самыми перспективными признаны два подхода к получению термоядерной энергии: долго удерживать магнитным полем разреженную плазму и сжать плазму до такой огромной плотности, что реакция успевает пойти, несмотря на то, что от разлета плазму удерживает лишь инерция. Первый вариант осуществляется с помощью двух типов установок: токамаки (рис.1 Приложение 1) и стеллараторы. Для неискушенного наблюдателя и то и другое – бублик, с каким – то хитроумным магнитным полем внутри.
Сфера Дайсона.
Мы рассказали вам об энергетике будущего, над которой ученые работают сегодня. А сейчас мы расскажем о будущей энергетике, которая похожа на фантастику. Одним из примеров такой фантастики можно считать «Сферу Дайсона». Сфера Дайсона – это астроинженерный проект английского ученого Фримена Дайсона. Ученый предположил, что со временем энергетические потребности любой достаточно развитой цивилизации становятся настолько высокими, что существует только одна возможность их удовлетворить. А именно – постройка вокруг ближайшей звезды колоссальной конструкции, которая с помощью батарей и фотоэлементов могла бы поглощать и накапливать практически всю энергию светила. Предполагается, что технологически развитая цивилизация может применять подобные астросооружения для максимально возможного использования энергии центральной звезды. В данном случае световая энергия превратится в электрическую с помощью солнечных панелей.
По признанию самого Дайсона, идею Сферы он впервые обнаружил в фантастическом романе Олафа Степлдона «Создатель звёзд».
Сфера Дайсона представляет собой относительно тонкую оболочку большого радиуса (примерно 1 астрономическая единица, что равно 150 млн. км) со звездой в центре. (Рис.2,3,4,5 Приложение 1)
Сразу возникает много вопросов: может ли человечество построить такую сферу? И можно ли её вообще построить? Где взять настолько прочный материал? Сколько времени займет постройка? И если на вышеперечисленное можно ответить туманное «ну, технологии будущего, что-нибудь да придумают», то другие проблемы упираются уже в законы физики.
1) Главная проблема - гравитация и стабильность – Сфера не должна падать на Солнце.
2) Проблема охлаждения Сферы – она не должна плавиться (на поверхности сферы температура может достигать сотни градусов Цельсия). Земля охлаждается за счет атмосферы и вращения, а у Сферы нет ни того, ни другого.
3) Солнечный ветер. Выбросы с Солнца будут повреждать поверхность Сферы, оседать на ней и утяжелять её.
4) Для сооружения Сферы потребуется огромное количество вещества, равное массе Юпитера.
Для решения этих проблем можно привести Сферу Дайсона во вращение вокруг центральной оси, чтобы центробежная сила уравновесила силу притяжения центральной звезды. Однако так как центробежная сила достигает максимума на экваторе, то на полюсах Сферы центробежная сила будет отсутствовать и Сфера сложится «сама в себя». В этом случае можно сделать Сферу из колец. Данная конструкция решит проблему саморазрушения тем, что являет собой огромное количество колец, каждое из которых меньше предыдущего и находится внутри него (похоже на матрешку). Минус этой конструкции в том, что тратится больше ресурсов, и не все построенные светоуловители будут работать, т.е. у всей конструкции падает К.П.Д. Плюс ко всему – разрушение какого – либо внутреннего кольца может повлечь за собой повреждение всей конструкции, а вскоре и саморазрушение.
Естественно, Сфера Дайсона будет построена не в следующий десяток лет и даже не в следующее столетие, и для землян этот проект – далекая мечта. Но ведь Земля не единственная в космосе планета, и возможно, наши братья по разуму, отстоящие от нас на световые годы по расстоянию и обгоняющие нас на миллионы лет развития, уже построили подобные сферы. Опять фантастика?
Однако сегодня ученые – исследователи ведут поиски внеземного разума (к примеру, программа SETI), они отнеслись к идее поиска «чужих» сфер вполне серьёзно. Предполагается, что конструкция высокоразвитой цивилизации будет излучать в инфракрасном диапазоне и может быть обнаружена существующими астрономическими средствами по его тепловому излучению. Для такого поиска Сфер, а значит и других цивилизаций используется космический инфракрасный телескоп NASA SIRTF. Так что, может быть, мы найдем проект Дайсона уже реализованным нашими космическими соседями.
Теоретически учеными предсказано создание еще одного источника энергии, основанного на аннигиляции – реакции соединения атомов вещества и антивещества. Если удастся построить аннигиляционный реактор, где будут взаимодействовать, например, водород и антиводород, то он будет вырабатывать колоссальный поток световой энергии. Эта энергия с помощью солнечных панелей может быть преобразована в электрическую энергию.
Что касается Сферы Дайсона, то конечно крайне сложно будет добыть столько вещества, возвести конструкцию, защитить её от внешних воздействий – все это в наших глазах делает проект практически невозможным. Но могли ли древние люди, сидя на дереве, представить ту же Останкинскую телебашню?
Заключение
Осуществимы ли проекты Сферы Дайсона и аннигиляционного реактора или нет, всё равно эти идеи заслуживают внимания, как минимум со стороны писателей – фантастов, максимум – со стороны инженеров, астрономов и других ученых. Может быть эти проекты – это сказка, миф современности, но вспомните – история Дедала и Икара была написана несколько тысячелетий назад. А тысячелетия в масштабах Вселенной – это ничтожно мало.
Закончить доклад хочется на позитивной ноте. Высокоразвитая цивилизация всегда сможет найти выход из энергетического кризиса. В космосе неисчерпаемые запасы ресурсов и энергии, только надо уметь их использовать.
Список использованных источников:
-
2002- 2021 Ежедневный познавательный журнал «Школа жизни.ру» Freemann J. Dyson. Search for Artificial Stellar Sources of Infra-Red Radiation (англ.) // Science : journal. — 1960. — Vol. 131, no. 3414. — P. 1667—1668. — doi:10.1126/science.131.3414.1667. — Bibcode: 1960Sci...131.1667D. — PMID 17780673.
-
Шкловский И. С. Вселенная, Жизнь, Разум. — 6-е изд. дополненное. — М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит., 1987. — 320 с.
-
Лем, Станислав. Сумма технологии = Summa Technologiae / пер. с польск. А. Г. Громовой, Д. И. Иорданского, Р. И. Нудельмана, Б. Н. Пановкина, Л. Р.
-
Плинера, Р. А. Трофимова, Ю. А. Ярошевского; вступ. ст. акад. В. В. Парина; ред. и послесл. Б. В. Бирюкова и Ф. В. Широкова. — М. : Мир, 1968. — 608 с.
