Реферат: Использование альтернативных источников энергии   

     Введение

Во второй половине ХХ столетия перед человечеством  восстала глобальное

проблема –  это загрязнение окружающей среды  продуктами сгорания органического

топлива. Даже если рассматривать отдельно каждую отрасль этой проблемы, то

картина будет  складываться ужасная. К примеру, вот  данные статистики по

выбросам в окружающую среду вредных веществ автомобилями: с выхлопными газами

автомобилей в  атмосферу попало 14,7 миллиона тонн оксида углерода, 3,4

миллиона тонн углеводородов, около одного миллиона тонн оксидов азота, более

5,5 тысячи тонн  высокотоксичных соединений свинца. И это данные на далекий

1993 год и если  учесть, что каждый год с конвейеров  автомобильных заводов

сходит свыше 40 миллионов машин, и темпы производства растут, то можно

сказать, что уже  через десять лет все крупные  города мира увязнут в смоге. К

этому еще необходимо добавить продукты сгорания топлива  на тепловых

электростанциях, затопление огромных территорий гидроэлектростанциями и

постоянная опасность  в районах АЭС. Но у этой проблемы есть и вторая сторона

медали: все ныне используемые источники энергии  являются исчерпаемыми

ресурсами. То есть через столетие при таких темпах потребления угля, нефти и

газа население  Земли увязнет в энергетическом кризисе.

Потому ныне перед  всеми учеными мира стоит проблема нахождения и разработки

новых альтернативных источников энергии. В данной работе будут рассмотрены

проблемы нахождения новых видов топлива, которые можно было бы назвать

безотходными и  неисчерпаемыми; также проблемы использования  различных

материалов для  солнечной энергетики. Отдельно будут  рассмотрены два самых

перспективных источника  энергии: водород и солнечная  энергия.

    

Водород – топливо будущего

 

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 течении 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.

Существуют два  принципиально различных подхода к созданию термоядерных

реакторов, и пока не ясно, какой подход окажется наиболее выгодным.

В так называемом инерционном термоядерном синтезе  несколько миллиграмм

дейтериево-тритиевой  смеси сжимаются оболочкой, ускоряемой за счет реактивных

сил, возникающих при испарении оболочки с помощью мощного лазерного или

рентгеновского  излучения. Энергия выделяется в  виде микровзрыва, когда в

процессе сжатия в смеси дейтерия с тритием  достигаются необходимые условия

для термоядерного  горения. Время жизни такой плазмы определяется инерционным

разлетом смеси  и поэтому критерий Лоусона для  инерционного удержания принято

записывать в  терминах произведения rr, где r - плотность  реагирующей смеси и

r - радиус сжатой  мишени. Для того, чтобы за время  разлета смесь успела

выгореть, нужно, чтобы rr Ё 3 Г/см2. Отсюда сразу следует, что  критическая

масса топлива, М, будет уменьшаться с ростом плотности  смеси, М ~ rr3 ~ 1/r2

, а следовательно  и энергия микровзрыва будет  тем меньше, чем большей

плотности смеси  удастся достичь при сжатии. Ограничения на степень сжатия

связаны с небольшой, но всегда существующей неоднородностью  падающего на

оболочку излучения  и с несимметрией самой мишени, которая еще и нарастает в

процессе сжатия из-за развития неустойчивостей. В результате появляется некая

критическая масса  мишени и, следовательно, критическая  энергия, которую нужно

вложить оболочку для ее разгона и получения  положительного выхода энергии. По

современным оценкам , в мишень с массой топлива около 5 миллиграмм и радиусом

1-2 миллиметра нужно вложить около 2 МДж за время 5-10Ч10-9 с. При этом

энергия микровзрыва  будет на уровне всего 5Ч108 Дж (эквивалентно около 100 кг

обычной взрывчатки) и может быть легко удержана достаточно прочной камерой.

Предполагается, что  будущий термоядерный реактор будет работать в режиме

последовательных  микровзрывов с частотой в несколько  герц, а выделяемая в

камере энергия  будет сниматься теплоносителем и использоваться для получения

электроэнергии.

За прошедшие  годы достигнут большой прогресс в понимании физических процессов

происходящих при  сжатии мишени и взаимодействии лазерного  и рентгеновского

излучения с мишенью. Более того, современные многослойные мишени уже были

проверены с помощью  подземных ядерных взрывов, которые  позволяют обеспечить

требуемую мощность излучения . Было получены зажигание и большой

положительный выход  термоядерной энергии, и поэтому  нет сомнений, что этот

способ в принципе может привести к успеху. Основная техническая проблема, с

которой сталкиваются исследователи, работающие в этой области - создание

эффективного импульсного  драйвера для ускорения оболочки. Требуемые мощности

можно получить, используя  лазеры (что и делается в современных

экспериментальных установках ), но к.п.д лазеров слишком  мал для того, чтобы

можно было рассчитывать на положительный выход энергии. В настоящее время

разрабатываются и другие драйверы для инерционного синтеза основанные на

использовании ионных и электронных пучков, и на создании рентгеновского

излучения с помощью Z пинчей. За последнее время здесь также достигнут

существенный прогресс . В настоящее время в США  ведется строительство большой

лазерной установки, NIF, рассчитанной на получение зажигания .

Другое направление  в управляемом термоядерном синтезе - это термоядерные

реакторы, основанные на магнитном удержании. Магнитное поле используется для

изоляции горячей  дейтериево-тритиевой плазмы от контакта со стенкой. В

отличие от инерционных  реакторов магнитные термоядерные реакторы - это

стационарные устройства с относительно низким объемным выделением энергии и

относительно большими размерами. За 40 лет термоядерных исследований были