Rambler's Top100 Service
Поиск   
 
Обратите внимание!   Посетите Сервер по Физике Обратите внимание!
 
  Наука >> Физика >> Основы технологии | Популярные статьи
 Написать комментарий  Добавить новое сообщение
 См. также

Популярные статьиТермояд: сквозь тернии к звездам. Часть 2

Популярные статьиТермояд: сквозь тернии к звездам. Часть 2: (1)

ФотографииВетер как альтернативный источник энергии

Термояд: сквозь тернии к звездам (Часть первая)

Р. Сворень, специальный корреспондент журнала "Наука и жизнь".
Опубликовано в журнале "Наука и жизнь", N 8, 2001 г.
Содержание

Машина, работающая в двух совершенно разных режимах

Как было только что отмечено, энергией нас снабжают в основном атомы и молекулы. Горят дрова, взрываются в цилиндрах автомобильного двигателя пары бензина, сгорает газ в паровых котлах городской электростанции - во всех этих случаях определенные атомы в молекулах топлива соединяются с кислородом. При этом объединяются и перестраиваются некоторые их электронные орбиты, и в результате такой перестройки новая молекулярная система выбрасывает во внешний мир то, что для нее оказалось лишним - порцию энергии. Для разных химических реакций это разная порция, но всегда не очень большая - несколько электрон-вольт. Напомним, что электрон-вольт (эВ) - это одна из единиц измерения энергии, так же как метр или дюйм - одна из единиц измерения длины. Энергия 1 эВ появится у электрона, если его ускорить в электрическим поле с разностью потенциалов в 1 вольт. Более крупная единица - мегаэлектронвольт, 1 МэВ = 1 000 000 эВ. Лампочка небольшого карманного фонарика за минуту потребляет примерно сто миллиардов МэВ.
Не зная всех этих подробностей, человек тысячи лет использовал энергию горения. Глубокие исследования мира атомов и молекул позволили постепенно понять суть дела и в итоге открыли для энергетики принципиально новые возможности. В частности, в начале прошлого века стало выясняться, что энергетическая машина "Атом" может выдавать во внешний мир энергию, работая, так сказать, в двух совершенно разных режимах и используя при этом две разные силы - электромагнитную и ядерную.
В настоящее время известны всего четыре разновидности сил или взаимодействий: ядерные, электромагнитные, гравитационные и слабые. Другие науке не известны! Почему их именно четыре? Почему они такие, какие есть, а не другие? Почему действуют так, как они действуют, а не как-нибудь иначе? На подобные вопросы сегодня есть один ответ - так устроен мир, в котором мы живем (см. "Наука и жизнь" N 11, 2000 г.). Первые две силы из великолепной четверки нам хорошо известны - мы неоднократно видели их в работе. Это гравитация (бутерброд падает на пол) и электромагнитные силы (клочки бумаги тянутся к натертой расческе, железные опилки - к магниту). Две другие силы нельзя обнаружить столь же просто, они действуют лишь в атомном ядре, причем на очень малых расстояниях - меньше триллионной доли миллиметра. Это третья по счету ядерная, или иначе - сильная, сила и четвертая по счету - слабая сила (название не самое удачное: она на много порядков сильнее гравитации).
Ядерные силы стягивают, или, как часто говорят, склеивают, тяжелые частицы атомного ядра - протоны и нейтроны. И для такого склеивания, стягивания протонов и нейтронов в единое ядро силы нужны немалые. Достаточно вспомнить, что у протонов есть положительный заряд, а одноименные заряды, как известно, взаимно отталкиваются. Причем на малых внутриядерных расстояниях протоны расталкиваются особенно энергично, ядерные силы должны быть действительно очень сильными, чтобы ядра не разваливались и мир был стабильным, устойчивым.
Вместе с тем в каких-то случаях и в атомных ядрах могут происходить изменения, в том числе и такие, после которых от ядерных сил требуется меньше усилий и их избыток уходит из ядра в виде порции энергии. В принципе происходит то же самое, что и при химических реакциях, при изменениях в электронной структуре атомов - атом меняет свое состояние, и это сопровождается выделением уже не нужной ему энергии. Но только изменения в атомных ядрах, изменения с участием могучих ядерных сил сопровождаются несравнимо большим выделением энергии, чем дают химические процессы, то есть процессы в электронных оболочках, где в основном действуют не очень мощные (в сравнении с ядерными) электромагнитные силы.
В этом одно из главных достоинств атомной, или, лучше сказать, ядерной, энергетики - каждый участвующий в деле атом выдает в миллионы раз больше энергии, чем при химических реакциях. Второе достоинстово - запасы ядерного топлива достаточно велики, а для ядерного синтеза, где энергию получают в основном из ядер водорода и топливом может служить обычная вода, - практически безграничны.

Стакан воды вместо бочки бензина

Существуют два поставщика ядерной энергии - деление, распад атомных ядер и создание, синтез нового ядра из двух слившихся более простых ядер. Реакции деления, в частности деление атомных ядер урана, используется в современных, так сказать, традиционных атомных электростанциях. Их в мире уже работает больше четырехсот общей мощностью почти 350 гигаватт (1 ГВт = 109 Вт), что составляет более 4 процентов мировой энергетики. А в некоторых странах они производят весьма заметную часть электроэнергии - во Франции, например, 75 процентов, в Бельгии - 58, в Японии - 35, в США - 20, в России - 14.
Что же касается синтеза, то здесь реально речь идет об одном виде таких ядерных реакций - о слиянии двух ядер водорода, точнее его изотопов, в одно ядро, в ядро гелия. Каждое такое слияние двух водородных ядер в расчете на единицу массы дает во много раз больше энергии, чем деление уранового ядра, и при этом не сопровождается появлением радиоактивных отходов. Наконец, еще одно достоинство - водорода чрезвычайно много и на Земле, и во Вселенной. Не случайно при сотворении мира Природа выбрала именно водородный синтез для своих энергетических агрегатов - для звезд. Так, в частности, вся гигантская энергия, которую выдает наше Солнце, в том числе тепло и свет, попадающий на Землю (0,0000001 процента общей солнечной мощности), рождается из ряда ядерных реакций синтеза. Поняв это, вполне естественно было подумать о том, чтобы воспроизвести водородный синтез в земных условиях - заставить маленькое прирученное Солнце щедро кормить нас энергией. Тогда уже не нужно будет опасаться энергетического голода - водород можно брать из воды, а ее у нас немерено. К тому же ядерные реакции - это вам не слабосильное горение, водородный синтез позволит из стакана обычной воды, в которой есть и молекулы D2О, получить столько энергии, сколько дает сжигание целой бочки бензина.
Реакторы будущего могут использовать энергию синтеза ядер, протекающую по четырем основным схемам с участием дейтерия (D), трития (T), нейтронов (n) и протонов (p). Наиболее перспективной считается первая, в которой из 17,6 МэВ энергии 3,5 МэВ уносит 4He, а 14,1 МэВ - нейтрон. В последней реакции основная доля энергии приходится на гамма-излучение ($\gamma$).

В качестве своего рода "побочных продуктов" реакции при каждом взаимодействии возникает гамма-излучение ($\gamma$) и вылетают электроны(e -) и электронные антинейтрино ($\nu$~ ).

Назад | Вперед


Написать комментарий
 Copyright © 2000-2015, РОО "Мир Науки и Культуры". ISSN 1684-9876 Rambler's Top100 Яндекс цитирования