Неядерні джерела енергії.
Вся промислова енергетика на нашій планеті до кінця 40х років в якості джерела в кінцевому підсумку використовувала енергію, що поставляється Сонцем. Гідро електростанції працюють за рахунок енергії спускається з гір до моря води, яка "доставляється" назад за рахунок процесів випаровування з поверхні океану. Використовувані в теплових двигунах горючі речовини (дерево, вугілля, нафту) мають біологічне походження і виникли в результаті утилізації енергії Сонця рослинами в процесі фотосинтезу. Вітряні двигуни використовують енергію циркуляції атмосфери, що виникає через її неоднорідного нагрівання. Виняток становлять мабуть тільки приливні електростанції, які не отримали до сих пір широкого розповсюдження.
Враховуючи визначальну роль Сонця в сучасній енергетиці, є важливим розглянути процеси, що забезпечують функціонування нашої зірки і можливості їх використання для виробництва енергії в земних умовах.
Сильні ядерні взаємодії.
В даний час надійно встановлено, що складові речовину атоми являють собою позитивні ядра, оточені негативно зарядженими електронними хмарами. У свою чергу ядра складаються з важких частинок нуклонів: позитивних протонів і незаряджених нейтронів. Для позначення причин, що утримують що знаходяться в ядрі позитивні частки від розльоту через електричного відштовхування були введені сильні ядерні взаємодії. Ядерні сили істотно перевершують електричні лише на відстанях, порівнянних з розмірами ядра, і дуже швидко слабшають при видаленні нуклонів один від одного (тому такі сили називають близько діючими). Механізм виникнення ядерних сил до цих пір остаточно не з'ясований, хоча їх властивості добре вивчені експериментально і знаходять практичне застосування.
Дефект маси. Енергія зв'язку. При зближенні нуклонів на відстані, що допускають "включення" ядерних сил, вони утворюють зв'язану з енергією, меншою енергії вільних частинок. Неминуче при такому процесі виділення енергії згідно з формулою Ейнштейна (12_13) призводить до зменшення маси системи в порівнянні з масою вільних частинок на величину
(1),
звану дефектом маси. Вимірювання мас ядер дозволяють визначити енергію зв'язку, що виділяється при утворенні ядер (рис, 13_1). Зменшення енергії зв'язку в області важких ядер пояснюється зростанням їх геометричних розмірів, що призводить до зменшення ядерних сил тяжіння між віддаленими один від одного нуклонами в порівнянні з силами їх електричного відштовхування.
З енергетичних міркувань ясно, що легкі ядра повинні прагнути до з'єднання в більш важкі (реакції ядерного синтезу), а важкі ядра - до розпаду на більш легкі частини (реакції поділу). Відповідні знаходяться в середній частині таблиці Менделєєва хімічних елементів ядра мають максимальною енергією зв'язку і тому стабільні.
Історично ядерна реакція ділення в земних умовах була здійснена раніше, ніж реакція синтезу.
Ланцюгова реакція ділення ядер урану. У природі крім широко розповсюдженого стабільного ізотопу урану в малих кількостях існують ядра ізотопу, здатних до спонтанного (мимовільного) поділу на дві приблизно рівні частини, що супроводжується вильотом двох нейтронів:
(2).
Кожен з нейтронів може бути поглинений, що викликає вимушене розподіл ізотопу
(3),
приводить до подальшого збільшення числа нейтронів. Т.ч. виникають передумови виникнення лавиноподібно наростаючою ланцюгової реакції поділу, що супроводжується величезним виділенням енергії у вигляді прискорюваних силами електричного відштовхування шматків ядер урану. У природі такий процес зазвичай не неблюдается через те, що перевершують по концентрації здатний до поділу ізотоп ядра ефективно поглинають нейтрони без подальшого поділу. Виняток, мабуть, становлять лише реакції поділу важких ядер, що відбуваються в надрах деяких планет (у тому числі і Землі).
Для штучного здійснення ланцюгової реакції (3) сполуки урану збагачують, видаляючи з них ізотопи. Збагачення урану - вельми складна і дорога операція, оскільки обидва ізотопи мають однакові хімічні властивості і не можуть бути розділені стандартними методами. При об'єднанні декількох невеликих обсягів збагаченого урану в один, маса якого перевищує критичну, втрати вилітають із зразка нейтронів зменшуються, що призводить до виникнення ланцюгової реакції, що носить характер досить потужного вибуху, що супроводжується виділенням великої кількості енергії, що виникає внаслідок зменшення маси беруть участь у реакції частинок.
Ядерні реактори.
З точки зору енергетики представляє інтерес здійснення керованої реакції поділу, що протікає при стаціонарної концентрації нейтронів. У принципі вона може бути здійснена шляхом введення в активну зону реактора з надкрітіческое масою речовин, що поглинають нейтрони (реактори на швидких нейтронах). більшого поширення набули більш легко здійсненні і щодо менш небезпечні реактори на повільних нейтронах, в основі яких лежать ефекти різкого збільшення ймовірності реакції (3) у випадку малих швидкостей нейтронів і втрати здатності до їх поглинання у ізотопу. Реактор на повільних нейтронах представляють собою сукупність стрижнів з слабо збагаченого урану і сповільнювача (речовини, здатного ефективно зменшувати швидкість утворилися при розподілі швидких нейтронів, але не поглинає їх). Вилітають з уранових стержнів нейтрони віддають свою енергію сповільнювача й потрапляють в інший стрижень вже з малою швидкістю, при якій з поглинання неможливо, а реакція вимушеного поділу - вельми вірогідна.
Стаціонарний режим роботи реактора не є стійким і неможливий без зовнішнього управління. Управління процесами в реакторі здійснюється за рахунок механічних переміщень поглиначів нейтронів, можливі швидкості яких набагато менше характерних швидкостей народження нейтронів в реакції (3). Управління виявляється можливим завдяки існуванню значно більш повільного процесу народження запізнілих нейтронів, обумовлених слабкими ядерними взаємодіями.
Виділяється в реакторі теплова енергія передається рідкому охолоджувача і згодом перетворюється на теплову, електричну або механічну форму.
Безсумнівною перевагою атомних електростанцій є висока енергетична ефективність уранового палива (відношення енерговіддачі до маси речовини), що призводить до значного здешевлення його транспортування і, отже, виробленої енергії. До недоліків використання ядерних реакторів в інтересах енергетики варто віднести, насамперед, екологічну небезпеку їхнього палива та продуктів, що виникають після розподілу, обумовлену їх радіоактивністю. Так проблема утилізації відходів ядерного пального і демонтажу відпрацьованих запланований термін ядерних котлів до цих пір не вирішена.
Термоядерний синтез. Для здійснення реакції синтезу досить зблизити нуклони на відстань, достатню для "включення" ядерних сил тяжіння. Цьому перешкоджають електричні сили відштовхування, що призводять до виникнення потенційного бар'єру реакції (рис. 13_2), для подолання якого нуклонами необхідно повідомити вельми значну кінетичну енергію. У земних умовах температуру, забезпечує "підпалювання" термоядерної реакції, вдається отримати за рахунок ланцюгової реакції розподілу урану. "Воднева бомба" представляє собою обсяг з ядерним пальним (зазвичай дейтерій), поміщений всередину уранової бомби, що грає роль запалу, підпалює реакції ядерного синтезу:
(4)
Реакції термоядерного синтезу мабуть є джерелом, що підтримує горіння зірок. На користь цього говорять дані астрономічних спостережень про хімічним складі зірок (в основному легкі елементи - водень, гелій, що є сировиною для реакцій синтезу) і з температурі (температура Сонця K достатня для підтримки реакцій водневого циклу:
(5).
При більш високих температурах починається "горіння" ядер більш важких елементів (реакції гелієвого, вуглецевого, аргонового циклів), яке відбувається з меншим порівняно з (5) енерговиділенням, але грає вирішальну роль у процесах синтезу ядер важких елементів нашого Всесвіту.
Вихідна для водневого циклу (5) реакція перетворення водню в дейтерій протікає досить повільно, тому що що входить до неї процес розпаду протона на нейтрон і позитрон обумовлений не сильними, а слабкими ядерними взаємодіями. Про реальний протіканні такої реакції модно судити по наявності виникають у її результаті легких частинок - нейтрино. Експерименти з реєстрації приходить з Сонця нейтринного потоку дуже складні (нейтрино слабо взаємодіють з речовиною і пролітають крізь нього, "не залишаючи сліду"; крім "сонячних" нейтрино є сильний фон, створюваний прилітають з далекого космосу частками) і до цих пір дають негативні результати . Відсутність приходять із сонця нейтрино можна або віднести до помилок у вельми складному експерименті, або розглядати як вказівку на протікання на сонці відмінних від (5) реакцій, або як свідчення про те, що реакції горіння водню на нашій зірці вже припинилися, а її свічення - є результат ефекту полону випромінювання в щільному гарячій плазмі.
Проблема керованого термоядерного синтезу. Головною проблемою в проведенні комерційного виробництва енергії за рахунок реакції синтезу полягає в утриманні гарячої плазми, в обмеженому об'ємі реактора: при її контакті зі стінками атоми останніх руйнуються. На зірках проблема утримання "вирішується" вельми просто: сильне гравітаційне поле не дає плазмі покинути зону реакції. В умовах Землі, очевидно, такий спосіб утримання нездійсненний.
Протягом кількох десятиліть проблему утримання намагаються вирішити, замінюючи гравітаційні сили більш потужними - магнітними. Плазма поміщається в неоднорідне магнітне поле ("магнітні пляшки"), де заряджені частинки здійснюють квазі періодичне рух між областями згущення ліній (аналогічно тому, як космічні частинки рухається між магнітними полюсами Землі). Інший, більш поширеною конфігурацією плазмового шнура в магнітному полі є тор ("Прістонського бублик"). Описані пристрої токамаки до цих пір не виявилися працездатними через руйнування конфігурації утримує магнітного поля додатковими полями, що генеруються сильними струмами в плазмі.
Інший підхід до вирішення проблеми отримав назву лазерного термоядерного синтезу і полягає в опроміненні інтенсивному дейтерієво мішені лазерним випромінюванням, що викликає часткове випаровування її поверхню, стиснення і, як наслідок, розігрів до близько сонячних температур. Основні труднощі пов'язані з наявністю принципових обмежень на граничну потужність лазерів, їх низьким ККД, проблемою фокусування на невеликий мішені і синхронізації спрацьовування кількох лазерів.
В останні роки обговорюються можливості здійснення термоядерного синтезу в значно більш "м'яких" (у порівнянні з гарячою плазмою) умовах за рахунок процесів ядерного каталізу. переконливих експериментальних даних про можливість реалізації такого підходу поки не отримано.
Реалізація керованої реакції термоядерного синтезу стала б справжнім переворотом у сучасній енергетиці, оскільки запасів дейтерію, що міститься в 1км океанської води в принципі достатньо для забезпечення сьогоднішніх енергетичних потреб людства протягом 1 року (при цьому практично вся вода, що залишилася після вилучення нікчемною домішки "важкої складової "може бути повернута в океан.