Проблема современной энергетики

1.4 Проблемы развития.

Развитие индустриального  общества опирается на постоянно  растущий уровень производства и  потребления различных видов  энергии.

Как известно, в основе производства тепловой и электрической энергии  лежит процесс сжигания ископаемых энергоресурсов - угла, нефти или  газа, а в атомной энергетике - деление ядер атомов урана и плутония при поглощении нейтронов.

Масштаб добычи и расходования энергоресурсов, металлов, воды и воздуха  для производства необходимого человечеству количества энергии огромен, а запасы ресурсов стремительно сокращаются. Особенно остро стоит проблема быстрого исчерпания запасов органических природных  энергоресурсов.

Мировые запасы энергоресурсов оцениваются величиной 355 Q, где Q - единица  тепловой энергии, равная Q=2,52¹⁰¹⁷ ккал = 36¹⁰⁹ тонн условного топлива /т.у. т./, топлива с калорийностью 7000 ккал/кг, так что запасы энергоресурсов составляют 12,8¹⁰¹² т.у. т.

Из этого количества примерно одна треть (что составляет ~ 4,3¹⁰¹² т.у.т.) может быть извлечена с использованием современной техники при умеренной стоимости топливодобычи. С другой стороны, современные потребности в энергоносителях составляют 1,1¹⁰¹⁰ т.у.т./год и растут со скоростью 3-4% в год, то есть удваиваются каждые 20 лет.

Не составляет никакого труда  догадаться, что органические ископаемые ресурсы, даже при вероятном замедлении темпов роста энергопотребления, будут  в значительной мере израсходованы  в самом ближайшем будущем.

Отметим также, что при  сжигании ископаемых углей и нефти, обладающих сернистостью около 2,5 %, ежегодно образуется до 400 млн. тонн сернистого газа и окислов азота, что составляет 70 кг вредных веществ на каждого жителя Земли в год.

Использование энергии атомного ядра и развитие атомной энергетики частично снимает остроту этой проблемы. Действительно, открытие деления тяжелых  ядер при захвате нейтронов, сделавшее  век атомным, стало существенным складом к запасам энергетического  ископаемого топлива. Запасы урана  в земной коре оцениваются огромной цифрой - 1014 тонн. Однако основная масса  этого богатства находится в  рассеянном состоянии - в гранитах, базальтах. В водах мирового океана количество урана достигает 4¹⁰⁹ тонн. В тоже время богатых месторождений урана, где добыча была бы недорога, известно сравнительно немного. Поэтому массу ресурсов урана, которую можно добыть при современной технологии и при умеренных ценах, оценивают в 108 тонн. Ежегодные потребности в уране составляют, по современным оценкам, 104 тонны естественного урана. Так что эти запасы позволяют, как сказал академик А.П.Александров, "убрать Дамоклов меч топливной недостаточности практически на неограниченное время"[4; стр.216].

Другая важная проблема современного индустриального общества - обеспечение  сохранности природы, чистоты воды и воздуха.

Известна озабоченность  ученых по поводу "парникового эффекта", возникающего из-за выбросов углекислого  газа при сжигании органического  топлива, и соответствующего глобального  потепления климата на нашей планете. Проблемы загазованности воздушного бассейна, "кислых" дождей, отравления рек  приблизились во многих районах к  критической черте.

Атомная энергетика не потребляет кислорода и имеет ничтожное  количество выбросов при нормальной эксплуатации, что позволяет устранить  возможность возникновения парникового  эффекта с тяжелыми экологическими последствиями глобального потепления.

Чрезвычайно важным обстоятельством  является тот факт, что атомная  энергетика доказала свою экономическую  эффективность практически во всех районах земного шара. Кроме того, даже при большом масштабе энергопроизводства на АЭС, атомная энергетика не создаст особых транспортных проблем, поскольку требует минимальных транспортных расходов, что освобождает общество от бремени постоянных перевозок огромных количеств органического топлива.

2. Альтернативные источники энергии.

Итак, отбросив в сторону  тепловую энергетику, от которой необходимо полностью отказаться, и атомную  энергетику, небольшую долю которой (особенно на первое время) все же придется оставить в мировом энергобалансе, обратимся теперь к альтернативной энергетике, основанной на использовании  возобновляемых источников энергии. К  ним относятся уже существующие источники энергии, использующие энергию  Солнца, ветра, приливов и отливов, морских  волн, внутреннее тепло планеты. Рассмотрим теперь подробнее каждый из них и  выясним, возможно ли, и насколько  эффективно их применение.

2.1 Основные причины перехода  к АИЭ.

Основные причины, указывающие  на важность скорейшего перехода к  АИЭ:

Глобально-экологический: сегодня  общеизвестен и доказан факт пагубного  влияния на окружающую среду традиционных энергодобывающих технологий (в т.ч. ядерных и термоядерных), их применение неизбежно ведет к катастрофическому изменению климата уже в первых десятилетиях XXI веке.

Политический: та страна, которая  первой в полной мере освоит альтернативную энергетику, способна претендовать на мировое первенство и фактически диктовать цены на топливные ресурсы;

Экономический: переход на альтернативные технологии в энергетике позволит сохранить топливные ресурсы  страны для переработки в химической и других отраслях промышленности. Кроме того, стоимость энергии, производимой многими альтернативными источниками, уже сегодня ниже стоимости энергии  из традиционных источников, да и сроки  окупаемости строительства альтернативных электростанций существенно короче. Цены на альтернативную энергию снижаются, на традиционную - постоянно растут;

Социальный: численность и плотность населения постоянно растут. При этом трудно найти районы строительства АЭС, ГРЭС, где производство энергии было бы рентабельно и безопасно для окружающей среды. Общеизвестны факты роста онкологических и других тяжелых заболеваний в районах расположения АЭС, крупных ГРЭС, предприятий топливно-энергетического комплекса, хорошо известен вред, наносимый гигантскими равнинными ГЭС, - всё это увеличивает социальную напряженность.

Эволюционно-исторический: в  связи с ограниченностью топливных  ресурсов на Земле, а также экспоненциальным нарастанием катастрофических изменений  в атмосфере и биосфере планеты  существующая традиционная энергетика представляется тупиковой; для эволюционного  развития общества необходимо немедленно начать постепенный переход на альтернативные источники энергии.

2.2 Энергия солнца.

Ведущим экологически чистым источником энергии является Солнце. В настоящее время используется лишь ничтожная часть солнечной  энергии из-за того, что существующие солнечные батареи имеют сравнительно низкий коэффициент полезного действия и очень дороги в производстве. Однако не следует сразу отказывать от практически неистощимого источника  чистой энергии: по утверждениям специалистов, гелиоэнергетика могла бы одна покрыть  все мыслимые потребности человечества в энергии на тысячи лет вперед. Возможно, также повысить КПД гелиоустановок в несколько раз, а разместив их на крышах домов и рядом с ними, мы обеспечим обогрев жилья, подогрев воды и работу бытовых электроприборов даже в умеренных широтах, не говоря уже о тропиках. Для нужд промышленности, требующих больших затрат энергии, можно использовать километровые пустыри и пустыни, сплошь уставленные мощными гелиоустановками. Но перед гелиоэнергетикой встает множество трудностей с сооружением, размещением и эксплуатацией гелиоэнергоустановок на тысячах квадратных километров земной поверхности. Поэтому общий удельный вес гелиоэнергетики был и останется довольно скромным, по крайней мере, в обозримом будущем. На протяжении миллиардов лет Солнце ежесекундно излучает огромную энергию. Около трети энергии солнечного излучения, попадающего на Землю, отражается ею и рассеивается в межпланетном пространстве. Много солнечной энергии идёт на нагревание земной атмосферы, океанов и суши. В настоящее время в народном хозяйстве достаточно часто используется солнечная энергия - гелиотехнические установки (различные типы солнечных теплиц, парников, опреснителей, водонагревателей, сушилок). Солнечные лучи, собранные в фокусе вогнутого зеркала, плавят самые тугоплавкие металлы. Ведутся работы по созданию солнечных электростанций, по использованию солнечной энергии для отопления домов и т.д. Практическое применение находят солнечные полупроводниковые батареи, позволяющие непосредственно превращать солнечную энергию в электрическую.

2.3 Ветер.

Потенциал энергии ветра  подсчитан более менее точно: по оценке Всемирной метеорологической  организации ее запасы в мире составляют 170 трлн кВт·ч в год. Ветроэнергоустановки разработаны и опробованы настолько основательно, что вполне прозаической выглядит картина и сегодняшнего небольшого ветряка, снабжающего дом энергией вместе с фермой, и завтрашних тысяч гигантских сотнеметровых башен с десятиметровыми лопастями, выстроенных цепью там, где постоянно дуют сильные ветры, вносящих тоже свой немаловажный “процент” в мировой энергобаланс.

У энергии ветра есть несколько  существенных недостатков, которые  затрудняют ее использование, но отнюдь не умаляют ее главного преимущества - экологической чистоты. Она сильно рассеяна в пространстве, поэтому  необходимы ветроэнергоустановки, способные постоянно работать с высоким КПД. Ветер очень непредсказуем - часто меняет направление, вдруг затихает даже в самых ветреных районах земного шара, а иногда достигает такой силы, что ломает ветряки. Ветроэнергостанции не безвредны: они мешают полетам птиц и насекомых, шумят, отражают радиоволны вращающимися лопастями. Но, как мы увидим дальше эти недостатки можно уменьшить, а то и вовсе свести на нет.

В настоящее время разработаны ветроэнергоустановки, способные эффективно работать при самом слабом ветре. Шаг лопасти винта автоматически регулируется таким образом, чтобы постоянно обеспечивалось максимально возможное использование энергии ветра, а при слишком большой скорости ветра лопасть столь же автоматически переводится во флюгерное положение, так что авария исключается.

Разработаны и действуют  так называемые циклонные электростанции мощностью до ста тысяч киловатт, где теплый воздух, поднимаясь в  специальной 15-метровой башне и смешиваясь с циркулирующим воздушным потоком, создает искусственный “циклон”, который вращает турбину. Такие  установки намного эффективнее  и солнечных батарей и обычных  ветряков.

Чтобы компенсировать изменчивость ветра, сооружают огромные “ветряные  фермы”. Ветряки при этом стоят  рядами на обширном пространстве, потому что их нельзя ставить слишком  тесно - иначе они будут загораживать друг друга. Такие “фермы” есть в США, во Франции, в Англии, но они  занимают много места; в Дании  “ветряную ферму” разместили на прибрежном мелководье Северного моря, где она  никому не мешает, и ветер устойчивее, чем на суше.

Положительный пример по использованию  энергии ветра показали Нидерланды и Швеция, которая приняла решение  на протяжении 90-х годов построить  и разместить в наиболее удобных  местах 54 тысячи высокоэффективных  энергоустановок. В мире сейчас работает более 30 тысяч ветроустановок разной мощности. Германия получает от ветра 10% своей электроэнергии, а всей Западной Европе ветер дает 2500 МВт электроэнергии.

2.4 Водород.

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 течение 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.