Введення.
Виробництво енергії, що є необхідним засобом для існування і розвитку людства, впливає на природу і навколишнє середовище людини. З одного боку в побут і виробничу діяльність людини настільки твердо увійшла тепло-і електроенергія, що людина навіть і не мислить свого існування без неї і споживає самі собою зрозумілі невичерпні ресурси. З іншого боку, людина все більше і більше свою увагу загострює на економічному аспекті енергетики і вимагає екологічно чистих енергетичних виробництв. Це говорить про необхідність вирішення комплексу питань, серед яких перерозподіл коштів на покриття потреб людства, практичне використання в народному господарстві досягнень, пошук та розробка нових альтернативних технологій для вироблення тепла та електроенергії і т.д.
У другій половині ХХ століття перед людством постала глобальна проблема - це забруднення навколишнього середовища продуктами згоряння органічного палива. Навіть якщо розглядати окремо кожну галузь цієї проблеми, то картина буде складатися жахлива. Приміром, ось дані статистики за викидами в навколишнє середовище шкідливих речовин автомобілями: з вихлопними газами автомобілів в атмосферу потрапило 14,7 мільйона тонн оксиду вуглецю, 3,4 мільйона тонн вуглеводнів, близько одного мільйона тонн оксидів азоту, більше 5,5 тисячі тонн високотоксичних сполук свинцю. І це дані на далекий 1993 рік і якщо врахувати, що кожен рік з конвеєрів автомобільних заводів сходить понад 40 мільйонів машин, і темпи виробництва зростають, то можна сказати, що вже через десять років усі великі міста світу загрузнуть у смозі. До цього ще необхідно додати продукти згоряння палива на теплових електростанціях, затоплення величезних територій гідроелектростанціями та постійна небезпека в районах АЕС. Але у цієї проблеми є і друга сторона медалі: всі нині використовувані джерела енергії є вичерпаними ресурсами. Тобто через століття при таких темпах споживання вугілля, нафти і газу населення Землі загрузне в енергетичній кризі.
Тому нині перед усіма вченими світу стоїть проблема перебування і розробки нових альтернативних джерел енергії. У даній роботі будуть розглянуті проблеми знаходження нових видів палива, які можна було б назвати безвідходними і невичерпними.
1. Проблеми енергетики.
Сучасний період розвитку людства іноді характеризують через: енергетику, економіку, екологію. Енергетика в цьому ряду займає особливе місце. Вона є визначальною і для економіки, і для екології. Від неї у вирішальній мірі залежить економічний потенціал держав і добробут людей. Вона ж надає найбільш сильний вплив на навколишнє середовище, екосистеми та біосферу в цілому. Найбільш гострі екологічні проблеми (зміна клімату, кислотні опади, загальне забруднення середовища та інші) прямо або опосередковано пов'язані з виробництвом, або з використанням енергії. Енергетиці належить першість не тільки в хімічному, але і в інших видах забруднення: тепловому, аерозольному, електромагнітній, радіоактивному. Тому не буде перебільшенням сказати, що від вирішення енергетичних проблем залежить можливість вирішення основних екологічних проблем. Енергетика - це та галузь виробництва, яка розвивається небачено швидкими темпами. Якщо чисельність населення в умовах сучасного демографічного вибуху подвоюється за 40-50 років, то у виробництві та споживанні енергії це відбувається через кожні 12-15 років. При такому співвідношенні темпів зростання населення та енергетики, енергоозброєність лавиноподібно збільшується не тільки в сумарному вираженні, а й у розрахунку на душу населення.
Немає підстави очікувати, що темпи виробництва і споживання енергії в найближчій перспективі істотно зміняться (деяке уповільнення їх у промислово розвинених країнах компенсується ростом енергооснащеності країн третього світу), тому важливо одержати відповіді на наступні питання:
- Який вплив на біосферу та окремі її елементи надають основні види сучасної (теплової, водної, атомної) енергетики і як буде змінюватися співвідношення цих видів в енергетичному балансі в найближчій і віддаленій перспективі;
- Чи можна зменшити негативний вплив на середовище сучасних (традиційних) методів одержання і використання енергії;
- Які можливості виробництва енергії за рахунок альтернативних (нетрадиційних) ресурсів, таких як енергія сонця, вітру, термальних вод і інших джерел, які відносяться до невичерпних і екологічно чистим.
В даний час енергетичні потреби забезпечуються в основному за рахунок трьох видів енергоресурсів: органічного палива, води і атомного ядра. Енергія води й атомна енергія використовуються людиною після перетворення її в електричну енергію. У той же час значна кількість енергії, укладеної в органічному паливі, використовується у вигляді теплової, і тільки частина її перетворюється в електричну. Однак і в тому і в іншому випадку вивільнення енергії з органічного палива пов'язано з його спалюванням, а, отже, і з надходженням продуктів горіння в навколишнє середовище. Познайомимося з основними екологічними наслідками сучасних способів отримання і використання енергії.
1.1 Атомна енергетика.
Енергія - це основа основ. Всі блага цивілізації, всі матеріальні сфери діяльності людини - від прання білизни до дослідження Місяця та Марса - вимагають витрати енергії. І чим далі, тим більше.
На сьогоднішній день енергія атома широко використовується в багатьох галузях економіки. Будуються могутні підводні човни та надводні кораблі з ядерними енергетичними установками. За допомогою мирного атома здійснюється пошук корисних копалин. Масове застосування в біології, сільському господарстві, медицині, в освоєнні космосу знайшли радіоактивні ізотопи.
Значення атомних електростанцій в енергобалансі будь-якої країни важко переоцінити. Гідроенергетика вимагає створення великих водосховищ, під які затоплюються великі площі родючих земель. Вода в них застоюється і втрачає свою якість, що, у свою чергу, загострює проблеми водопостачання, рибного господарства та індустрії дозвілля.
Теплоенергетичні станції в найбільшою мірою сприяють руйнуванню біосфери і природного середовища Землі. Вони вже витратили десятки тонн органічного палива (вугілля). Для його видобутку в сільському господарстві та інших сферах економіки вилучаються величезні земельні площі. У місцях відкритого видобутку вугілля утворюються «місячні ландшафти», а підвищений вміст золи в паливі є основною причиною викиду в повітря десятків мільйонів тонн SO 2. Теплові енергетичні установки у всьому світі викидають в атмосферу за рік до 250 млн. тонн золи і близько 60 млн. тонн сірчистого ангідриду.
Атомні електростанції (АЕС) - це третій «кит» в системі сучасної світової енергетики. Технічна забезпеченість АЕС, безперечно, є найбільшим досягненням науково-технічного прогресу (НТП). У разі їх безаварійної роботи не виробляється практично ніякого забруднення навколишнього середовища, крім теплового. Правда, в результаті роботи АЕС (і атомного паливного циклу) утворюються радіоактивні відходи, що становлять потенційну небезпеку для всього живого. Запевняє той факт, що обсяг радіоактивних відходів досить малий, вони дуже компактні, і їх можна зберігати в таких умовах, які гарантують відсутність витоку. АЕС багато економічніші за звичайні теплових електростанцій, а, саме головне, при їх правильної експлуатації - це чисті джерела енергії.
У 1990 році атомними електростанціями світу вироблялося 16% всієї електроенергії. Такі електростанції працювали в 31 країні і будувалися ще в 6 країнах. Ядерний сектор енергетики найбільш значний у Франції, Бельгії, Фінляндії, Швеції, Болгарії та Швейцарії, тобто в тих промислово розвинених країнах, де недостатньо природних енергоресурсів. Ці країни виробляють від чверті до половини своєї електроенергії на АЕС. США виробляють на АЕС тільки восьму частину своєї електpоенеpгіі, але це становить близько однієї п'ятої її світового виробництва.
Разом з тим, розвиваючи ядерну енергетику в інтересах економіки, не можна забувати і про безпеку і здоров'я людей, оскільки помилки можуть привести до катастрофічних наслідків. Всього з моменту початку експлуатації атомних станцій в 14 країнах світу сталося понад 150 інцидентів і аварій різного ступеня складності. Найбільш характерні з них: у 1957 р. - у Уиндскейле (Англія), в 1959 р. - в Санта-Сюзанні (США), в 1961 р. - в Айдахо-Фолсі (США), в 1979 р. - на АЕС Три -Майл-Айленд (США), в 1986 р. - на Чорнобильській АЕС (колишній СРСР, зараз Україні) [5; стор 15].
Атомна енергетика, як і раніше залишається предметом гострих дебатів. Прихильники і противники атомної енергетики різко розходяться в оцінках її безпеки, надійності та економічної ефективності. Крім того, широко pаспpостpанено думку про можливий витік ядерного палива зі сфери вироблення електpоенеpгіі і його використання для створення ядерної зброї.
1.3 Нафта і вугілля.
Доведені запаси нафти у світі оцінюються в 140 млрд. тонн, а щорічний видобуток становить близько 3,5 млрд. тонн. Проте навряд чи слід пророкувати наступ через 40 років глобальної кризи у зв'язку з вичерпанням нафти в надрах Землі, адже економічна статистика оперує цифрами доведених запасів, тобто запасів, які повністю розвідані, описані і перелічені. А це далеко не всі запаси планети. Навіть у межах багатьох розвіданих родовищ зберігаються невраховані чи не цілком враховані нафтоносні сектори, а скільки родовищ ще чекає на своїх відкривачів.
За останні два десятиліття людство вичерпати з надр більше 60 млрд. тонн нафти. Ви думаєте, доведені запаси при цьому скоротилися на таку ж величину? Нітрохи не бувало. Ситуація парадоксальна: чим більше видобуваємо, тим більше залишається. Тим часом цей геологічний парадокс зовсім не здається парадоксом економічним. Адже чим вище попит на нафту, чим більше її добувають, тим великі капітали вливаються в галузь, тим активніше йде розвідка на нафту, тим більше людей, техніки, мозків утягує в розвідку і тим швидше відкриваються й описуються нові родовища. Крім того, вдосконалення техніки видобутку нафти дозволяє включати до складу запасів ту нафту, наявність (і кількість) якої було раніше відомо, але дістати яку не можна було при технічному рівні минулих років. Звичайно, це не означає, що запаси нафти безмежні, але очевидно, що у людства є ще не одне сорокаріччя, щоб удосконалювати енергозберігаючі технології і вводити в обіг альтернативні джерела енергії.
Найбільш яскравою особливістю розміщення запасів нафти є і надконцентрацію в одному порівняно невеликому регіоні - басейні Перської затоки. Тут, в арабських монархіях Ірані та Іраку, зосереджено 2 / 3 доведених запасів, причому більша їх частина (понад 2 / 5 світових запасів) припадає на три аравійські країни з нечисленним корінним населенням - Саудівську Аравію, Кувейт та Об'єднані Арабські Емірати. Навіть з урахуванням величезної кількості іноземних робітників, які наповнили ці країни в другій половині 20 століття, тут налічується трохи більше 20 млн. осіб - близько 0,3% світового населення.
Серед країн, що володіють дуже великими запасами (понад 10 млрд. тонн у кожній або більше 6% світових), - Ірак, Іран і Венесуела. Ці країни здавна мають значне населення і, більш-менш розвинену економіку, а Ірак та Іран - і зовсім старі центри світової цивілізації.
У всіх великих регіонах світу, крім Зарубіжної Європи і території Російської Федерації, відношення запасів нафти станом на 1997 р. становить понад 100%. Навіть Північна Америка, не дивлячись на «консервування запасів» у США, значно збільшила загальні доведені запаси завдяки інтенсивної розвідки в Мексиці.
У Європі вичерпання запасів пов'язане з порівняно невеликою природного нафтоносності регіону і дуже інтенсивним видобутком в останні десятиліття: форсуючи видобуток, країни Західної Європи прагнуть зруйнувати монополію близькосхідних експортерів. Проте шельф Північного моря - головна нафтова бочка Європи - не нескінченно нефтеносен.
Що ж стосується помітного зменшення доведених запасів на території Російської Федерації, то це пов'язано не тільки з фізичним вичерпанням надр, як у Західній Європі, і кілька з бажанням притримати свою нафту, як у США, скільки з кризою вітчизняної геологорозвідувальної галузі. Темпи розвідки нових запасів відстають від темпу інших країн.
Вугілля.
Єдиної системи обліку запасів вугілля та його класифікації не існує. Оцінки запасів переглядаються як окремими фахівцями, так і спеціалізованими організаціями. На 10 сесії Світової енергетичної конференції (МІРЕК) в 1983р. достовірні запаси вугілля всіх видів були визначені в 1520 млрд. тонн. Вилучаються з техніко-економічної точки зору визнаються пити 2 / 3 достовірних запасів. На початок 90-х років, за оцінкою МІРЕК, близько 1040 млрд. тонн.
Невеликими за межами території Російської Федерації достовірними запасами своєму розпорядженні США (1 / 4 світових запасів), КНР (1 / 6), Польща, ПАР і Австралія (по 5-9% світових запасів), понад 9 / 10 достовірних запасів кам'яного вугілля, видобутих з використанням існуючих в даний час технологій (що оцінюються в цілому по світу приблизно 515 млрд. тонн) зосереджено, за оцінкою Мірек 1983р., в США (1 / 4), на території Російської Федерації (більше 1 / 5), КНР (близько 1 / 5), ПАР (більше 1 / 10), ФРН, Великобританії, Австралії та Польщі. З інших промислово розвинених країн значними запасами кам'яного вугілля мають Канада та Японія, з країн, що розвиваються - в Азії - Індія та Індонезія, в Африці - Ботсвана, Свазіленд, Зімбабве та Мозамбік, в Латинській Америці - Колумбія і Венесуела.
Найбільш економічна розробка родовищ кам'яного вугілля відкритим способом - кар'єрами. У Канаді, Мозамбіку і Венесуелі цим способом можуть розроблятися до 4 / 5 усіх запасів, в Індії - 2 / 3, в Австралії - близько 1 / 3, в США - більше 1 / 5, в Китаї - 1 / 10. Ці запаси використовуються більш інтенсивно, і частка вугілля, що розробляється відкритим способом, складає, наприклад, в Австралії понад 1 / 2, у США понад 3 / 5.
Із загальної світового видобутку кам'яного вугілля на експорт йде близько 11%, з яких понад 4 / 5 відправляється морським транспортом. Основні напрями вивозу вугілля: з Австралії та Канади - до Японії, з США і ПАР - в Західну Європу. ФРН, у 70 - 80-ті роки була значним нетто - експортером коксівного вугілля і найбільшим у світі експортером коксу, перетворилася на нетто - імпортера вугілля з неухильно скорочуються потужностями і видобутком вугілля. Майже нанівець, зійшов експорт вугілля й з Великої Британії - країни, яка на початку 20 століття була найбільшим постачальником вугілля на світовий ринок.
Переважна частина розвіданих запасів бурого вугілля та його видобутку зосереджена в промислово розвинених країнах. Розмірами запасів виділяються США, Німеччина та Австралія, а найбільше значення видобутку і використання бурого вугілля мають в енергетиці Німеччини та Греції. Велика частина бурого вугілля (більше 4 / 5) споживається на ТЕС, розташованих поблизу розробок. Дешевизна цього вугілля, що видобувається майже виключно відкритим способом, забезпечує, незважаючи на його низьку теплотворну здатність, виробництво дешевої електроенергії, що привертає до районів великих буровугільних розробок електроємна виробництва. У капіталі, інвестованого у буровугільних галузь, велика частка коштів електроенергетичних компаній.
1.4 Проблеми розвитку.
Розвиток індустріального суспільства спирається на постійно зростаючий рівень виробництва і споживання різних видів енергії.
Як відомо, в основі виробництва теплової та електричної енергії лежить процес спалювання копалин енергоресурсів - кута, нафти чи газу, а в атомній енергетиці - ділення ядер атомів урану і плутонію при поглинанні нейтронів.
Масштаб добутку та витрачання енергоресурсів, металів, води й повітря для виробництва необхідної людству кількості енергії величезний, а запаси ресурсів стрімко скорочуються. Особливо гостро стоїть проблема швидкого вичерпання запасів органічних природних енергоресурсів.
Світові запаси енергоресурсів оцінюються величиною 355 Q, де Q - одиниця теплової енергії, що дорівнює Q = 2,52 1017 ккал = 36 109 тонн умовного палива / т.у. т. /, палива з калорійністю 7000 ккал / кг, так що запаси енергоресурсів становлять 12,8 1012 т.у. т.
З цієї кількості приблизно одна третина (що складає ~ 4,3 1012 т.у.п.) може бути вилучено з використанням сучасної техніки при помірній ціні топліводобичі. З іншого боку, сучасні потреби в енергоносіях складають 1,1 1010 т.у.п. / рік і ростуть зі швидкістю 3-4% на рік, тобто подвоюються кожні 20 років.
Не складає ніяких труднощів здогадатися, що органічні копалини ресурси, навіть при ймовірному уповільненні темпів зростання енергоспоживання, будуть значною мірою витрачені в самому найближчому майбутньому.
Відзначимо також, що при спалюванні викопного вугілля і нафти, які мають сірчистого близько 2,5%, щорічно утворюється до 400 млн. тонн сірчистого газу і оксидів азоту, що становить 70 кг шкідливих речовин на кожного жителя Землі в рік.
Використання енергії атомного ядра і розвиток атомної енергетики частково знімає гостроту цієї проблеми. Дійсно, відкриття ділення важких ядер при захопленні нейтронів, яка зробила CC століття атомним, стало суттєвим складом до запасів енергетичного викопного палива. Запаси урану у земній корі оцінюються величезним числом - 1014 тонн. Однак основна маса цього багатства знаходиться у розсіяному стані - у гранітах, базальтах. У водах світового океану кількість урану досягає 4 109 тонн. У теж час багатих родовищ урану, де видобуток була б недорога, відомо порівняно небагато. Тому масу ресурсів урану, яку можна добути при сучасній технології та при помірних цінах, оцінюють у 108 тонн. Щорічні потреби в урані становлять, за сучасними оцінками, 104 тонни природного урану. Так що ці запаси дозволяють, як сказав академік А. П. Александров, "прибрати Дамоклів меч паливної недостатності практично на необмежений час" [4; стр.216].
Інша важлива проблема сучасного індустріального суспільства - забезпечення збереження природи, чистоти води і повітря.
Відома занепокоєння вчених з приводу "парникового ефекту", що виникає через викиди вуглекислого газу при спалюванні органічного палива, і відповідного глобального потепління клімату на нашій планеті. Проблеми загазованості повітряного басейну, "кислих" дощів, отруєння річок наблизилися в багатьох районах до критичної межі.
Атомна енергетика не споживає кисню і має незначну кількість викидів при нормальній експлуатації, що дозволяє усунути можливість виникнення парникового ефекту з важкими екологічними наслідками глобального потепління.
Надзвичайно важливою обставиною є той факт, що атомна енергетика довела свою економічну ефективність практично у всіх районах земної кулі. Крім того, навіть при великому масштабі енерговиробництва на АЕС, атомна енергетика не створить особливих транспортних проблем, оскільки вимагає мінімальних транспортних витрат, що звільняє суспільство від тягаря постійних перевезень величезних кількостей органічного палива.
2. Альтернативні джерела енергії.
Отже, відкинувши убік теплову енергетику, від якої необхідно повністю відмовитися, і атомну енергетику, невелику частку якої (особливо на перших порах) все ж таки доведеться залишити в світовому енергобалансі, звернемося тепер до альтернативної енергетики, заснованої на використанні поновлюваних джерел енергії. До них відносяться вже існуючі джерела енергії, які використовують енергію Сонця, вітру, припливів і відливів, морських хвиль, внутрішнє тепло планети. Розглянемо тепер докладніше кожен з них і з'ясуємо, чи можливо, і наскільки ефективно їх застосування.
2.1 Основні причини переходу до АІЕ.
Основні причини, що вказують на важливість якнайшвидшого переходу до АІЕ:
Глобально-екологічний: сьогодні загальновідомий і доведений факт згубного впливу на навколишнє середовище традиційних енергодобивающіх технологій (у т.ч. ядерних і термоядерних), їх застосування неминуче веде до катастрофічного зміни клімату вже в перших десятиліттях XXI столітті.
Політичний: та країна, яка першою в повній мірі освоїть альтернативну енергетику, здатна претендувати на світову першість і фактично диктувати ціни на паливні ресурси;
Економічний: перехід на альтернативні технології в енергетиці дозволить зберегти паливні ресурси країни для переробки в хімічній та інших галузях промисловості. Крім того, вартість енергії, виробленої багатьма альтернативними джерелами, вже сьогодні нижче вартості енергії з традиційних джерел, та і терміни окупності будівництва альтернативних електростанцій істотно коротше. Ціни на альтернативну енергію знижуються, на традиційну - постійно зростають;
Соціальний: чисельність і щільність населення постійно зростають. При цьому важко знайти райони будівництва АЕС, ГРЕС, де виробництво енергії було б рентабельно і безпечно для навколишнього середовища. Загальновідомі факти зростання онкологічних і інших важких захворювань у районах розташування АЕС, великих ГРЕС, підприємств паливно-енергетичного комплексу, добре відомий шкоду, що наноситься гігантськими рівнинними ГЕС, - все це збільшує соціальну напруженість.
Еволюційно-історичний: у зв'язку з обмеженістю паливних ресурсів на Землі, а також експоненціальним наростанням катастрофічних змін в атмосфері та біосфері планети існуюча традиційна енергетика представляється тупикової; для еволюційного розвитку суспільства необхідно негайно розпочати поступовий перехід на альтернативні джерела енергії.
2.2 Енергія сонця.
Провідним екологічно чистим джерелом енергії є Сонце. В даний час використовується лише незначна частина сонячної енергії з-за того, що існуючі сонячні батареї мають порівняно низький коефіцієнт корисної дії і дуже дорогі у виробництві. Однак не слід відразу відмовляти від практично невичерпного джерела чистої енергії: за твердженнями фахівців, геліоенергетика могла б одна покрити всі мислимі потреби людства в енергії на тисячі років вперед. Можливо, також підвищити ККД геліоустановок в кілька разів, а розмістивши їх на дахах будинків і поряд з ними, ми забезпечимо обігрів житла, підігрів води і роботу побутових електроприладів навіть в помірних широтах, не кажучи вже про тропіках. Для потреб промисловості, що вимагають великих витрат енергії, можна використовувати кілометрові пустирі і пустелі, суцільно заставлені потужними гелиоустановками. Але перед геліоенергетики постає безліч труднощів зі спорудженням, розміщенням та експлуатацією геліоенергоустановок на тисячах квадратних кілометрів земної поверхні. Тому загальна питома вага геліоенергетики був і залишиться досить скромним, принаймні, у доступному для огляду майбутньому. Протягом мільярдів років Сонце щомиті випромінює величезну енергію. Близько третини енергії сонячного випромінювання, що потрапляє на Землю, відображається нею і розсіюється в міжпланетному просторі. Багато сонячної енергії йде на нагрівання земної атмосфери, океанів і суші. В даний час в народному господарстві досить часто використовується сонячна енергія - геліотехнічний установки (різні типи сонячних теплиць, парників, опріснювачів, водонагрівачів, сушарок). Сонячні промені, зібрані у фокусі увігнутого дзеркала, плавлять самі тугоплавкі метали. Ведуться роботи по створенню сонячних електростанцій, з використання сонячної енергії для опалення будинків і т.д. Практичне застосування знаходять сонячні напівпровідникові батареї, що дозволяють безпосередньо перетворювати сонячну енергію в електричну.
2.3 Вітер.
Потенціал енергії вітру підрахований більш менш точно: за оцінкою Всесвітньої метеорологічної організації її запаси в світі становлять 170 трлн кВт · год на рік. Ветроенергоустановкі розроблені і випробувані настільки грунтовно, що цілком прозаїчної виглядає картина і сьогоднішнього невеликого вітряка, що постачає будинок енергією разом з фермою, і завтрашніх тисяч гігантських сотнеметрових башт з десятиметровим лопатями, вибудуваних ланцюгом там, де постійно дмуть сильні вітри, що вносять теж свій важливий "відсоток "у світовій енергобаланс.
У енергії вітру є кілька суттєвих недоліків, які ускладнюють її використання, але аж ніяк не применшують її головної переваги - екологічної чистоти. Вона сильно розсіяна в просторі, тому необхідні ветроенергоустановкі, здатні постійно працювати з високим ККД. Вітер дуже непередбачуваний - часто змінює напрямок, раптом затихає навіть в самих вітряних районах земної кулі, а іноді досягає такої сили, що ламає вітряки. Ветроенергостанціі не нешкідливі: вони заважають польотам птахів і комах, шумлять, відображають радіохвилі обертовими лопатями. Але, як ми побачимо далі ці недоліки можна зменшити, а то й зовсім звести нанівець.
В даний час розроблені ветроенергоустановкі, здатні ефективно працювати при самому слабкому вітрі. Крок лопаті гвинта автоматично регулюється таким чином, щоб постійно забезпечувалося максимально можливе використання енергії вітру, а при дуже великій швидкості вітру лопать настільки ж автоматично переводиться до флюгерне положення, так що аварія виключається.
Розроблено і діють так звані циклонні електростанції потужністю до ста тисяч кіловат, де тепле повітря, піднімаючись в спеціальній 15-метрової вежі і змішуючись з циркулюючим повітряним потоком, створює штучний "циклон", який обертає турбіну. Такі установки набагато ефективніше і сонячних батарей і звичайних вітряків.
Щоб компенсувати мінливість вітру, споруджують величезні "вітряні ферми". Вітряки при цьому стоять рядами на великому просторі, тому що їх не можна ставити занадто тісно - інакше вони будуть загороджувати один одного. Такі "ферми" є в США, у Франції, в Англії, але вони займають багато місця; в Данії "вітряну ферму" розмістили на прибережному мілководді Північного моря, де вона нікому не заважає, і вітер стійкіше, ніж на суші.
Позитивний приклад з використання енергії вітру показали Нідерланди і Швеція, яка прийняла рішення протягом 90-х років побудувати і розмістити в найбільш зручних місцях 54 000 високоефективних енергоустановок. У світі зараз працює більше 30 тисяч вітроустановок різної потужності. Німеччина отримує від вітру 10% своєї електроенергії, а всій Західній Європі вітер дає 2500 МВт електроенергії.
2.4 Водень.
На даний момент водень є розробляються «паливом майбутнього». На це є кілька причин: при окисленні водню утворюється як побічний продукт вода, з неї ж можна водень добувати. А якщо врахувати, що 73% поверхні Землі вкриті водою, то можна вважати, що водень невичерпне паливо. Так само можливе використання водню для здійснення термоядерного синтезу, який ось вже декілька мільярдів років відбувається на нашому Сонце і забезпечує нас сонячною енергією.
Керований термоядерний синтез.
Керований термоядерний синтез використовує ядерну енергію, що виділяється при злитті легких ядер, таких як ядра водню або його ізотопів дейтерію і тритію. Ядерні реакції синтезу широко поширені в природі, будучи джерелом енергії зірок. Найближча до нас зірка - Сонце - це природний термоядерний реактор, який вже багато мільярдів років постачає енергією життя на Землі. Ядерний синтез вже освоєно людиною в земних умовах, але поки не для виробництва мирної енергії, а для виробництва зброї він використовується у водневих бомбах. Починаючи з 50 років, у нашій країні і паралельно у багатьох інших країнах проводяться дослідження зі створення керованого термоядерного реактора. З самого початку стало ясно, що керований термоядерний синтез не має військового застосування. У 1956 р. дослідження були розсекречені і з тих пір проводяться в рамках широкого міжнародного співробітництва. У той час здавалося, що мета близька, і що перші великі експериментальні установки, побудовані в кінці 50 років, отримають термоядерну плазму. Однак потрібно більше 40 років досліджень для того, щоб створити умови, при яких виділення термоядерної потужності можна порівняти з потужністю нагріву реагує суміші. У 1997 р. найбільша термоядерна установка - Європейський токамак, JET, отримала 16 МВт термоядерної потужності і впритул підійшла до цього порогу.
Що ж стало причиною такої затримки? Виявилося, що для досягнення мети фізикам і інженерам довелося вирішити масу проблем, про які й не здогадувалися на початку шляху. Протягом цих 40 років була створена наука - фізика плазми, яка дозволила зрозуміти і описати складні фізичні процеси, що відбуваються в реагує суміші. Інженерам потрібно було вирішити не менш складні проблеми, в тому числі навчитися створювати глибокий вакуум у великих обсягах, розробити великі надпровідні магніти, потужні лазери і джерела рентгенівського випромінювання, розробити інжектори здатні створювати потужні пучки нейтральних атомів, розробити методи високочастотного нагріву суміші та багато іншого.
Перше покоління термоядерних реакторів, які поки знаходяться у стадії розробки і досліджень, мабуть, буде використовувати реакцію синтезу дейтерію з тритієм D + T = He + n,
в результаті якої утворюється ядро гелію, Не, і нейтрон. Необхідна умова для того, щоб така реакція пішла - це досягнення високої температури суміші (сто мільйонів градусів). Тільки в цьому випадку реагують частинки можуть подолати електростатичне відштовхування і при зіткненні, хоча б на короткий час, наблизитися один до одного на відстань, при якому можлива ядерна реакція. При такій температурі суміш ізотопів водню повністю іонізується і перетворюється в плазму - суміш електронів та іонів. Крім високої температури, для позитивного виходу енергії потрібно, щоб час життя плазми, t, помножене на щільність реагують іонів, n, було досить велике nt> 5 * 1 000 000 000 000 000 c / см 3. Остання умова називається критерієм Лоусона. Основна фізична проблема, з якою зіткнулися дослідники на перших кроках на шляху до термоядерного синтезу - це численні плазмові нестійкості, що призводять до плазмової турбулентності. Саме вони скорочували час життя в перших установках до величини на багато порядків менше очікуваної і не дозволяли досягти виконання критерію Лоусона. За 40 років досліджень вдалося знайти способи боротьби з плазмовими непостійностями і побудувати установки здатні утримувати турбулентну плазму.
Існують два принципово різних підходи до створення термоядерних реакторів, і поки не ясно, який підхід виявиться найбільш вигідним.
У так званому інерційному термоядерному синтезі кілька міліграмів дейтерієво-тритієвої суміші стискаються оболонкою, ускоряемой за рахунок реактивних сил, що виникають при випаровуванні оболонки за допомогою потужного лазерного або рентгенівського випромінювання. Енергія виділяється у вигляді мікровибухи, коли в процесі стиснення в суміші дейтерію з тритієм досягаються необхідні умови для термоядерного горіння. Час життя такої плазми визначається інерційним розльотом суміші і тому критерій Лоусона для інерційного утримання прийнято записувати в термінах твори rr, де r - щільність реагує суміші і r - радіус стислій мішені. Для того, щоб за час розльоту суміш встигла вигоріти, потрібно, щоб rr Е 3 Г / см 2. Звідси відразу виходить, що критична маса палива, М, буде зменшуватися з ростом густини суміші, М ~ rr3 ~ 1/r2, а отже і енергія мікровибухи буде тим менше, ніж більшої щільності суміші вдасться досягти при стисканні. Обмеження на ступінь стиснення пов'язані з невеликою, але завжди існуючої неоднорідністю падаючого на оболонку випромінювання та з несиметрією самої мішені, яка ще й наростає в процесі стиснення через розвиток нестійкостей. У результаті з'являється якась критична маса мішені і, отже, критична енергія, яку потрібно вкласти оболонку для її розгону і отримання позитивного виходу енергії. За сучасними оцінками, в мішень з масою палива близько 5 міліграм і радіусом 1-2 міліметра потрібно вкласти близько 2 МДж за час 5-10410-9 с. При цьому енергія мікровибухи буде на рівні всього 54108 Дж (еквівалентно близько 100 кг звичайної вибухівки) і може бути легко утримана досить міцною камерою. Передбачається, що майбутній термоядерний реактор буде працювати в режимі послідовних мікровибухів з частотою в декілька герц, а виділяється в камері енергія буде зніматися теплоносієм і використовуватися для отримання електроенергії.
За минулі роки було досягнуто значного прогресу в розумінні фізичних процесів, що відбуваються при стисканні мішені і взаємодії лазерного та рентгенівського випромінювання з мішенню. Більш того, сучасні багатошарові мішені вже були перевірені за допомогою підземних ядерних вибухів, які дозволяють забезпечити необхідну потужність випромінювання. Було отримано запалювання і великий позитивний вихід термоядерної енергії, і тому немає сумнівів, що цей спосіб у принципі може привести до успіху. Основна технічна проблема, з якою стикаються дослідники, що працюють у цій галузі - створення ефективного імпульсного драйвера для прискорення оболонки. Необхідні потужності можна отримати, використовуючи лазери (що й робиться в сучасних експериментальних установках), але к.п.д лазерів занадто малий для того, щоб можна було розраховувати на позитивний вихід енергії. В даний час розробляються й інші драйвери для інерційного синтезу засновані на використанні іонних та електронних пучків, і на створенні рентгенівського випромінювання за допомогою Z пінча. За останній час тут також досягнутий істотний прогрес. В даний час у США ведеться будівництво великої лазерної установки, NIF, розрахованої на отримання запалювання.
Інший напрямок в керованому термоядерному синтезі - це термоядерні реактори, засновані на магнітному утриманні. Магнітне поле використовується для ізоляції гарячої дейтерієво-тритієвої плазми від контакту зі стінкою. На відміну від інерційних реакторів магнітні термоядерні реактори - це стаціонарні пристрої з відносно низьким об'ємним виділенням енергії і відносно великими розмірами. За 40 років термоядерних досліджень були запропоновані різні системи для магнітного утримання, серед яких токамак займає зараз лідируюче становище. Інша система для магнітного утримання плазми - це стелларатор. Великі стелараторі будуються в даний час в Японії і Німеччині.
У токамаке гаряча плазма має форму тора і утримується від контакту зі стінкою за допомогою магнітного поля створюваного як зовнішніми магнітними котушками, так і струмом, що протікає по самій плазмі. Характерна щільність плазми в токамаці 100 000 мільярдів частинок в см3, температура Т = 10-20 кеВ (1 еВ | 12000 | C) і тиск 2-3 атм. Для того, щоб утримати цей тиск потрібно магнітне поле з індукцією В | 1 Т. Однак плазмові нестійкості обмежують допустимий тиск плазми на рівні кількох відсотків від магнітного тиску і тому потрібне магнітне поле виявляється в кілька разів вище, ніж те, яке потрібно для рівноваги плазми . Для уникнення енергетичних витрат на підтримку магнітного поля, воно буде створюватися в реакторі надпровідними магнітами. Така технологія вже є в нашому розпорядженні - один з найбільших експериментальних токамаків, Т-15, побудований кілька років тому в Росії, використовує надпровідні магніти для створення магнітних полів.
Токамак реактор буде працювати в режимі самопідтримки термоядерного горіння, при якому висока температура плазми забезпечується за рахунок нагріву плазми зарядженими продуктами реакції альфа-частками (іонами Не). Для цього, як видно з умови Лоусона, потрібно мати час утримання енергії в плазмі не менше 5 с. Великий час життя плазми в токамаках та інших стаціонарних системах досягається за рахунок їх розмірів, і тому існує якийсь критичний розмір реактора. Оцінки показують, що самопідтримується реакція в токамаці можлива в тому випадку, якщо великий радіус плазмового тора буде 7-9 м. Відповідно, токамак-реактор буде мати повну теплову потужність на рівні 1 ГВт. Дивно, що ця цифра приблизно збігається з потужністю мінімального інерційного термоядерного реактора.
За минулі роки досягнутий вражаючий прогрес у розумінні фізичних явищ, відповідальних за утримання та стійкість плазми в токамаках. Розроблено ефективні методи нагрівання і діагностики плазми, що дозволили вивчити в нинішніх експериментальних токамаках ті плазмові режими, які будуть використовуватися в реакторах. Великі нинішні експериментальні машини - JET (Європа), JT60-U (Японія), Т-15 (Росія) і TFTR (США) - були побудовані на початку 80 років для вивчення утримання плазми з термоядерними параметрами і отримання умов, при яких нагрів плазми порівняємо в повним виходом термоядерної потужності. Два токамака, TFTR і JET використовували DT суміш і досягли відповідно 10 і 16 МВт термоядерної потужності. В експериментах з DT сумішшю JET отримав режими з відношенням термоядерної потужності до потужності нагріву плазми, Q = 0.9, і токамак JT60-U на модельній DD суміші досяг Q = 1.06. Це покоління токамаків практично виконало свої завдання і створило всі необхідні умови для наступного кроку - будівництво установок націлених на дослідження запалювання, Q Е 5, і вже володіють усіма рисами майбутнього реактора.
В даний час ведеться проектування такого першого експериментального термоядерного реактора - ІТЕР. У проекті беруть участь Європа, Росія, США і Японія. Передбачається, що цей перший термоядерний реактор токамак буде побудований до 2010 р.
Існують величезні запаси палива для термоядерної енергетики. Дейтерій - це широко поширений в природі ізотоп, який може здобуватися з морської води. Тритій буде проводитися в самому реакторі з літію. Запаси дейтерію і літію достатні для виробництва енергії протягом багатьох тисяч років і це паливо, як і продукт реакцій синтезу - гелій - не радіоактивні. Радіоактивність виникає в термоядерному реакторі через активації матеріалів першої стінки реактора нейтронами. Відомі нізкоактівірующіеся конструкційні матеріали для першої стінки та інших компонентів реактора, які за 30-50 років втрачають свою активність до повністю безпечного рівня. Можна уявити, що реактор, який пропрацював 30 років і виробив свій ресурс, буде законсервовано на наступні 30-50 років, а потім конструкційні матеріали будуть перероблені і знову використані в новому термоядерному реакторі. Крім дейтерій-тритієвої реакції, яка має високе перетин при відносно низькій температурі, і отже найлегше здійсненна, можна використовувати і інші реакції. Наприклад, реакції D з Не3 і p з В11 не дають нейтронів і не призводять до нейтронної активації першої стінки. Проте умови Лоусона для таких реакцій більш жорсткі і тому нинішня термоядерна програма в якості першого кроку націлена на використання DT суміші.
Незважаючи на великі успіхи, досягнуті в цьому напрямку, термоядерним реакторів належить ще пройти великий шлях, перш ніж буде побудований перший комерційний термоядерний реактор. Розвиток термоядерної енергетики потребує великих витрат на розвиток спеціальних технологій та матеріалів і на фізичні дослідження. При нинішньому рівні фінансування термоядерна енергетика не буде готова раніше, ніж 2020-2040 р.
2.5 Гідроенергія.
Гідроенергостанціі - ще одне з джерел енергії, що претендують на екологічну чистоту. На початку XX століття великі і гірські річки світу привернули до себе увагу, а кінця сторіччя більшість з них було перегороджено каскадами гребель, дають надзвичайно дешеву енергію. Однак це призвело до величезного збитку для сільського господарства і природи взагалі: землі вище гребель підтоплюється, нижче - падав рівень грунтових вод, губилися величезні простори землі, що йшли на дно гігантських водосховищ, переривалося природний плин річок, загнивала вода у водосховищах, падали рибні запаси і т.п. На гірських річках Всі ці мінуси зводилися до мінімуму, зате додавався ще один: у разі землетрусу, здатного зруйнувати греблю, катастрофа могла призвести до тисяч людських жертв. Тому сучасні великі ГЕС не є дійсно екологічно чистими. Мінуси ГЕС породили ідею "міні-ГЕС", які можуть розташовуватися на невеликих річках або навіть струмках, їх електрогенератори будуть працювати при невеликих перепадах води або рухомі лише силою течії. Ці ж міні-ГЕС можуть бути встановлені і на великих річках з відносно швидкою течією.
Детально розроблені відцентрові і пропелерні енергоблоки рукавних переносних гідроелектростанцій потужністю від 0.18 до 30 кіловат. При поточному виробництві уніфікованого гідротурбінного обладнання "міні-ГЕС" здатні конкурувати з "максі" по собівартості кіловат-години. Безсумнівним плюсом є також можливість їх установки навіть в самих важкодоступних куточках країни: все обладнання можна перевезти на одній в'ючні коні, а установка або демонтаж займає всього декілька годин.
Ще однією дуже перспективною розробкою, що не отримала поки що широкого застосування, є нещодавно створена гелікоідная турбіна Горлова (по імені її творця). Її особливість полягає в тому, що вона не має потребу в сильному натиску і ефективно працює, використовуючи кінетичну енергію водяного потоку - річки, океанської течії або морського припливу. Цей винахід змінило звичне уявлення про гідроенергостанціі, потужність, якої раніше залежала тільки від сили натиску води, тобто від висоти греблі ГЕС.
2.6 Енергія приливів і відливів.
Незрівнянно більш потужним джерелом водних потоків є приливи і відливи. Підраховано, що потенційно припливи і відливи можуть дати людству приблизно 70 млн. мільярдів кіловат-годин на рік. Для порівняння: це приблизно стільки ж енергії, скільки може дати використання в енергетичних цілях розвіданих запасів кам'яного і бурого вугілля, разом узятих; вся економіка США 1977 базувалася на виробництві 200 млрд. кіловат-годин, вся економіка СРСР того ж року - на 1150 млрд., хрущовський "комунізм" до 1980 р. повинен був бути побудований на 3000 млрд. кіловат-годин. Образно кажучи, одні тільки припливи могли б забезпечити процвітання на Землі тридцяти тисяч сучасних "Америк" при максимально ефективному використанні припливів і відливів, але до цього поки далеко. Проекти приливних гідроелектростанцій детально розроблені в інженерному відношенні, експериментально випробувані в декількох країнах, в тому числі і на Кольському півострові. Продумана навіть стратегія оптимальної експлуатації припливної електростанції (ПЕС): накопичувати воду у водосховищі за дамбою під час припливів і витрачати її на виробництво електроенергії, коли наступає "пік споживання" в єдиних енергосистемах, послаблюючи тим самим навантаження на інші електростанції.
На сьогоднішній день ПЕМ поступається тепловій енергетиці: хто буде вкладати мільярди доларів у спорудження ПЕС, коли є нафта, газ і вугілля, що продаються країнами, що розвиваються за безцінь? У той же час вона володіє всіма необхідними передумовами, щоб у майбутньому стати найважливішою складовою світової енергетики, такий, який сьогодні, приміром, є природний газ.
Для спорудження ПЕС навіть у найбільш сприятливих для цього точках морського узбережжя, де перепад рівнів води коливається від 1-2 до 10-16 метрів, будуть потрібні десятиліття, або навіть століття. І все ж відсоток за відсотком у світовій енергобаланс ПЕМ можуть і повинні почати давати вже протягом цього століття.
Перша приливна електростанція потужністю 240 МВт була пущена в 1966 р. у Франції в гирлі річки Ранс, що впадає в протоку Ла-Манш, де середня амплітуда припливів складає 8.4 м. Відкриваючи станцію, президент Франції Шарль де Голль назвав її видатним спорудженням століття. Незважаючи на високу вартість будівництва, яка майже в 2.5 рази перевершує витрати на зведення річковий ГЕС такої ж потужності, перший досвід експлуатації припливної ГЕС виявився економічно виправданим. ПЕМ на річці Ранс входить в енергосистему Франції і в даний час ефективно використовується.
Існують також проекти великих ПЕС потужністю 320 МВт (Кольська) і 4000 МВт (Мезенська) на Білому морі, де амплітуда припливів складає 7-10 м. Планується використовувати також величезний енергетичний потенціал Охотського моря, де місцями, наприклад в Пенжинской губі, висота припливів досягає 12.9 м, а в Гіжигінський губі - 12-14 м.
Сприятливі передумови для більш широкого використання енергії морських припливів пов'язані з можливістю застосування гелікоідной турбіни Горлова, яка дозволяє споруджувати ПЕМ без гребель, скорочуючи витрати на будівництво.
2.7 Енергія хвиль.
Вже інженерно розроблені та експериментально випробувані високоекономічні хвильові енергоустановки, здатні ефективно працювати навіть при слабкому хвилюванні або взагалі при повному штилі. На дно моря або озера встановлюється вертикальна труба, у підводній частині якої зроблено "вікно"; потрапляючи в нього, глибинна хвиля (а це - майже постійне явище) стискає повітря в шахті, а той крутить турбіну генератора. При зворотному русі повітря в турбіні розріджується, приводячи в рух другу турбіну. Таким чином, хвильова електростанція працює безперервно майже при будь-якої погоди, а струм з підводного кабелю передається на берег.
Деякі типи ВЕС можуть служити відмінними хвилерізами, захищаючи узбережжя від хвиль і заощаджуючи, таким чином, мільйони доларів на спорудження бетонних хвилерізів.
Під керівництвом директора Лабораторії енергетики води і вітру Північно-Східного університету в Бостоні був розроблений проект першої у світі океанської електростанції. Вона буде споруджена в Флоринським протоці, де бере початок Гольфстрім. На його виході з Мексиканської затоки потужність водяного потоку становить 25 млн. м 3 за секунду, що в 20 разів перевищує сумарний витрата води в усіх річках земної кулі! За підрахунками фахівців кошти, вкладені в проект, окупляться протягом п'яти років.
У цій унікальній електростанції для одержання струму потужністю 38 кВт буде використовуватися турбіна Горлова. Ця гелікоідная турбіна має три спіральні лопаті і під дією потоку води обертається в 2-3 рази швидше за швидкість течії. На відміну від багатотонних металевих турбін, застосовуваних на річкових гідроелектростанціях, розміри виготовленої з пластику турбіни Горлова невеликі (діаметр 50 см, довжина 84 см), маса її всього 35 кг. Еластичне покриття поверхні лопатей зменшує тертя об воду і виключає налипання морських водоростей і молюсків. Коефіцієнт корисної дії турбіни Горлова в три рази вище, ніж у звичайних турбін.
Гольфстрім - не єдине океанська течія, що може бути використано для вироблення енергії. Японські вчені, наприклад, говорять про велику ефективність подібних споруд на тихоокеанському перебігу Куросио. Про його колосальному енергетичному потенціалі дозволяють судити наступні цифри: у південного краю острова Хонсю ширина течії становить 170 км, глибина проникнення - до 700 м, а обсяг потоку - майже 38 млн. м 3 в секунду!
2.8 Геотермальна енергія.
Підземне тепло планети - досить добре відомий і вже застосовується джерело "чистої" енергії. У Росії перша ГеоТЕС потужністю 5 МВт була побудована в 1966 р. на півдні Камчатки, в долині річки Паужетка. У 1980 р. її потужність становила вже 11 МВт. В Італії, в районах Ландерелло, Монте-Аміата і Травел, працюють 11 таких станцій загальною потужністю 384 МВт. ГеоТЕС діють також у США (Каліфорнія, Долина гейзерів Великих), Ісландії (біля озера Миватн), Нової Зеландії, Мексики і Японії. Столиця Ісландії Рейк'явік отримує тепло виключно від гарячих підземних джерел. Але потенційна потужність геотермальної енергетики набагато вище.
Геологи відкрили, що розпечені до 180-200 о С масиви на глибині 4-6 км займають більшу частину території нашої країни, а з температурою до 100-150 ° С зустрічаються майже повсюдно. Крім того, на кілька мільйонів квадратних кілометрів розташовуються гарячі підземні річки і моря з глибиною залягання до 3.5 км і з температурою води до 200 ° С - природно, під тиском, - так що, пробуривши стовбур, можна отримати фонтан пари та гарячої води без усякої електротеплоцентралі.
2.9 Гідротермальних енергія.
Крім геотермальної енергії активно використовується тепло води. Вода - це завжди хоча б кілька градусів тепла, а влітку вона нагрівається до 25 ° С. Чому б не використати частину цього тепла? Для цього необхідна установка, що діє за принципом "холодильник навпаки". Відомо, що холодильник "викачує" зі своєї замкнутої камери тепло і викидає його в навколишнє середовище. Якщо пропускати воду через холодильний апарат, то в неї теж можна відбирати тепло. Гарячий пар, який утворюється в результаті теплообміну, конденсується, його температура піднімається до 110 ° С, а потім його можна пускати або на турбіни електростанцій, або на нагрівання води в батареях центрального опалення до 60-65 ° С. На кожну кіловат-годину витрачається на це енергії природа дає 3 кіловат-години! За тим же принципом можна отримувати енергію для кондиціонування повітря при жаркій погоді.
Подібні установки найбільш ефективні при великих перепадах температур, як, наприклад, у морях: на глибині вода дуже холодна - близько 4 ° С, а на поверхні нагрівається до 25 ° С, що становить 20 градусів різниці! Всі необхідні інженерні розробки вже проведені і випробувані експериментально (наприклад, у атола Каваратті в Лаккадивским архіпелазі біля південно-західного узбережжя Індії), залишилося тільки втілити їх у життя скрізь, де є відповідні природні умови.
Прийшов час, коли людство впритул має зайнятися збереженням середовища свого існування. Необхідні як наукові, так і практичні зусилля для охорони природи, щоб рід людський не тільки вижив, а й продовжував розвиватися.
Природним шляхом виживання є максимізація стратегії ощадливості у відносинах з навколишнім світом і збільшення замкнутості кругообігу всіх речовин, що втягуються в сферу людської діяльності.
Проте легко це сформулювати теоретично, але дуже важко перекласти на мову практичної діяльності. У цьому складному процесі повинні брати участь всі члени світової спільноти, починаючи від міжнародних організацій і закінчуючи кожним людиною зокрема в його звичайному житті. Тоді на першому плані будуть не ідеологічні, а екологічні проблеми; домінувати будуть не відносини між націями, а відносини між людством і природою.
3. Висновок.
Енергія - це рушійна сила будь-якого виробництва. Той факт, що в розпорядженні людини виявилася велика кількість відносно дешевої енергії, в значній мірі сприяло індустріалізації та розвитку суспільства. Проте в даний час при величезній чисельності населення і виробництво, і споживання енергії стає потенційно небезпечним. Поряд з локальними екологічними наслідками, що супроводжуються забрудненням повітря і води, ерозією грунту, існує небезпека зміни світового клімату в результаті дії парникового ефекту.
Людство стоїть перед дилемою: з одного боку, без енергії не можна забезпечити благополуччя людей, а з іншого - збереження існуючих темпів її виробництва та споживання може призвести до руйнування навколишнього середовища, серйозного збитку здоров'я людини.
Сьогодні близько половини світового енергобалансу припадає на частку нафти, близько третини - на частку газу і атома (приблизно по одній шостій) і близько однієї п'ятої - на частку вугілля. На всі інші джерела енергії залишається всього кілька відсотків. Цілком очевидно, що без теплових і атомних електростанцій на сучасному етапі людство обійтися не в змозі, та все ж по можливості там, де є, слід впроваджувати альтернативні джерела енергії, щоб пом'якшити неминучий перехід від традиційної енергетики до альтернативної. Тоді буде життєво важливо, скільки сонячних батарей встигне вступити в дію, скільки заробить "міні-ГЕС" і приливних станцій, що відкривають дорогу тисячам інших, скільки ланцюжків вітряків встане по горах і скільки ланцюжків хвильових буйків захитається у узбереж.
Ядерна енергія відіграє виняткову роль у сучасному світі: ядерна зброя впливає на політику, воно нависло загрозою над усім, що живуть на Землі. А поки людство прагне вгамувати свої безперервно зростаючі потреби в енергії шляхом безмежного розвитку ядерної енергетики, радіоактивні відходи забруднюють нашу планету. Насправді життя на Землі завжди залежала від ядерної енергії: ядерний синтез живить енергією Сонце, радіоактивні процеси в надрах Землі нагрівають її рідке ядро, впливають на рухливість материкових плит.
Перша половина 20 століття ознаменувалася найбільшої перемогою науки - технічним рішенням завдання використання величезних запасів енергії важких атомних ядер - урану і торію. Цього виду палива, що спалюється в атомних казанах, не так вже й багато в земній корі. Якщо всю енергетику земної кулі перевести на нього, то при сучасних темпах зростання споживання енергії урану і торію вистачить лише на 100 - 200 років. За цей же термін вичерпаються запаси вугілля і нафти.
Друга половина 20 століття стала століттям термоядерної енергії. У термоядерних реакціях відбувається виділення енергії в процесі перетворення водню в гелій. Швидко протікають термоядерні реакції здійснюються у водневих бомбах.
У термоядерних реакторах, безумовно, буде використовуватися не звичайний, а важкий водень. У результаті використання водню з атомною вагою, відмінним від найбільш часто зустрічається в природі, вдасться отримати ситуацію, при якій літр звичайної води по енергії виявиться, рівноцінний приблизно 400 літрам нафти. Елементарні розрахунки показують, що дейтерію (різновид водню, яка буде використовуватися у таких реакціях) вистачить на землі на сотні років при самому бурхливому розвитку енергетики, в результаті чого проблема турботи про паливо відпаде практично назавжди.
І все-таки знову і знову ми звертаємося до питання, з якого матеріалу і якими методами в майбутньому людство повинно отримувати енергію? На сьогодні існує кілька основних концепцій вирішення проблеми.
Розширення мережі станцій на урановому паливі.
Перехід до використання в якості ядерного палива торію-232, який в природі більш розповсюджена, ніж уран.
Перехід до атомних реакторів на швидких нейтронах, які могли б забезпечити виробництво ядерного палива більш ніж на 3000 років, в даний час є складною інженерною проблемою і несе в собі величезну екологічну небезпеку, у зв'язку, з чим відчуває серйозну протидію з боку світової екологічної громадськості і є малоперспективним.
Освоєння термоядерних реакцій, під час яких відбувається виділення енергії в процесі перетворення водню в гелій [10; стор 40-67].
В даний час найбільш розумним представляється розвиток енергетики в розширенні мережі уранових і уран-торієвих атомних станцій у період вирішення проблеми управління термоядерної реакцією.
Однак, головна проблема сучасної енергетики - не виснаження мінеральних ресурсів, а загрозлива екологічна обстановка: ще задовго до того, як будуть використані всі мислимі ресурси, вибухнути екологічна катастрофа, яка перетворить Землю в планету, абсолютно не пристосовану для життя людини.
Література
Дементьєв Б.А. Ядерні енергетичні реактори. М., 1984
Теплові та атомні електричні станції. Довідник. Кн. 3. М., 1985
Ф. М. Мілько Загальне землезнавство
Б. С. Залогін Океани
Б. С. Залогін Океан і людина
М. Р. Плоткін Основи промислового виробництва
М. М. Дагаєв Астрофізика
Сонячна енергетика і сонячні батареї (http://solar-battery.narod.ru)
Інтернет версія журналу «Наука і життя»