Современные проблемы УТС (Багрянский, Бурдаков, Шошин) (1248471), страница 2
Текст из файла (страница 2)
Если это число большетрех-четырех, то энергия слишком велика и реакция практическинеосуществима. С возрастанием Z1 и Z2 вероятность реакции уменьшается.Таким образом, перспективными с точки зрения энергетическихприложений являются реакции между наиболее легкими ядрами.6Вероятность того, что два ядра вступят во взаимодействие,характеризуется «сечением реакции», измеряемом в барнах (1б = 10–24 см2).Сечение реакции – это площадь эффективного поперечного сечения ядра,в которое должно «попасть» другое ядро, чтобы произошло ихвзаимодействие. Сечение реакции дейтерия с тритием достигаетмаксимальной величины (~5 б), когда взаимодействующие частицы имеютэнергию относительного сближения около 60 кэВ.
При энергии 20 кэВсечение становится меньше 0,1 б. На рис. 1 показаны зависимости сеченийот энергии для реакций (1)–(4) из табл. 1.Бомбардировка мишеней ускоренными ядрами, как это было показано вэкспериментах Дж. Кокрофта и Э.Уолтона, не является эффективным способом осуществления термоядерного синтеза с точки зрения энергетических приложений. Величины сечений процессов ионизации, а также сечений кулоновских столкновений на много порядков превышают сечениятермоядерных реакций. Поэтому из множества попадающих на мишеньускоренных частиц пренебрежимо малая доля способна вступить в ядерное взаимодействие.
Остальные рассеивают свою энергию на электронахатомов мишени и замедляются до скоростей, при которых реакция становится маловероятной. Получаемая при этом энергия ядерного синтеза оказывается много меньше затраченной.2. ЯДЕРНЫЙ СИНТЕЗ И ГЛОБАЛЬНАЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯПРОБЛЕМАСуществующие источники энергии можно разделить на две группы:восстанавливаемые и невосстанавливаемые. Восстанавливаемые источники энергии (солнце, ветер, гидроэнергия, приливы, подземное тепло и др.)возобновляются без человеческого участия естественным образом. Анализпоказывает, что при современном развитии уровня техники этих источников в совокупности, исключая, по-видимому, энергию солнца, явно не хватает для полного покрытия все возрастающих потребностей человечества вэнергии.Современная энергетика в основном базируется на использовании горючих ископаемых (угле, нефти, природном газе), которые относятся кневосстанавливаемым источникам.
При переработке в энергию эти ресурсы теряются безвозвратно.Для сравнения роли первичных источников в современной мировойэнергетике приведем структуру мирового производства электроэнергии посостоянию на 2005 г., которая выглядит следующим образом. На долюгорючих ископаемых приходилось 66,4 %. Ядерные реакторы произвели15,2 % электроэнергии, гидроэлектростанции – 16,2 %. Тепловые электростанции, работающие на горючих отходах, не подлежащих переработке,7дали 0,3 %, а станции, работающие на различных видах биомассы, произвели 1 %. Установки, использующие энергию ветра, дали 0,5 %, а геотермальные системы – 0,3 % от мирового производства электроэнергии.Среди возобновляемых источников, роль которых в сумме составила18,1 % от мирового производства, лидирующие позиции занимаетгидроэнергетика с 89,5 %.
Биомасса и отходы, не подлежащие вторичномуиспользованию, находятся на второй позиции с 5,6 %. Ветроэнергетикадает 3 %, использование геотермальных источников выходит на уровень1,7%.Производствоэлектроэнергииполупроводниковымифотоэлементами в основном было сконцентрировано в трех странах –Соединенных Штатах Америки, Японии и Германии и составляет 0,1 % отсуммарного производства на базе возобновляемых источников. Однако впоследние годы существенно выросли инвестиции в технологиипроизводства солнечных элементов и расширился «клуб» странпроизводителей, к которому присоединились Китай, Индия и другиестраны с бурно развивающейся экономикой.2.1.
НефтьРазведанные запасы нефти сегодня составляют около 210 млрд т,неразведанные – оцениваются в 52–260 млрд т. Нефть занимает ведущееместо в мировом топливно-энергетическом хозяйстве. Её доля в общемпотреблении энергоресурсов непрерывно растет: 3 % – в 1900 г., 5 % –перед 1-й мировой войной 1914–1918 гг., 17,5 % – накануне 2-й мировойвойны 1939–1945 гг., 24 % – в 1950 г., 41,5 % – в 1972 г., около 50 % – внастоящее время. Мировая добыча нефти на сегодняшний день составляетоколо 3,8 млрд т в год. Таким образом, при нынешних темпах потребленияразведанной нефти хватит примерно на 40 лет, неразведанной – ещё на 10–50 лет.
Также растёт и потребление нефти. За последние 35 лет оноувеличилось в полтора раза. Имеются большие запасы нефти (3400 млрдбаррелей) в нефтяных песках Канады и Венесуэлы. Этой нефти принынешних темпах потребления хватит на 110 лет. Однако в настоящеевремя нефтедобывающие компании ещё не могут производить многонефти из нефтяных песков, но ими ведутся разработки в этомнаправлении.2.2. Природный газДоказанные запасы природного газа в мире составляют около173 трлн м3, если к ним прибавить ещё и неоткрытые запасы, которые попредварительным расчётам составляют около 120 трлн м3, в суммеполучается около 300 трлн м3.
Ежегодная добыча природного газа сегодняв мире составляет около 3,7 трлн м3. Таким образом, при нынешних8темпах добычи следует ожидать истощения мировых запасов природногогаза примерно через 80 лет.2.3. Каменный и бурый угольРазведанные запасы каменного и бурого угля на нашей планете внастоящее время оцениваются суммарно в 909 064 млн тонн. Годовоепотребление угля составляет сегодня около 7600 млн тонн. Такимобразом, при нынешних темпах потребления следует ожидатьсущественного истощения мировых запасов угля в течение 120 лет.Оценки времен истощения ресурсов горючих ископаемых,приведенные выше, базируются на разведанных запасах и сегодняшнихтемпах потребления. Следует принять во внимание прогнозируемый ростнаселения планеты, которое по данным специалистов должно удвоиться к2050 г. Этот и другие факторы, характеризующие прогресс развития нашейцивилизации в ближайшем будущем, позволяют утверждать, что мировоепотребление энергоресурсов будет неуклонно возрастать.
На основанииэтого можно сделать вывод о том, что запас невосстанавливаемыхисточников энергии будет в значительной степени исчерпан уже до концаXXI столетия. Глобальной проблемой для современного общества идругих поколений может стать связанное с потреблением горючихископаемых повышение в атмосфере концентрации углекислого газа. Помнению ряда экспертов, это способно вызвать необратимые измененияклимата на нашей планете. Ключевые вопросы дискуссии, связанной сэтой проблемой, отражены в нобелевской лекции Алана Гора (2007 г.).Истощение запасов горючих ископаемых необратимо ограничиваетвозможности химической промышленности, для которой ископаемыеорганические вещества являются сырьем.2.4.
Ядерная энергетикаСовременная ядерная энергетика для производства тепла иэлектроэнергии использует реакторы на тепловых нейтронах, гдепроисходит расщепление изотопа U235, содержание которого среди другихизотопов урана, извлекаемых при переработке руды, всего около 0,7 %.Около 99 % при этом приходится на изотоп U238. Объем мировых запасовурана, цена которого не превышает 130 долл. за килограмм, по даннымМАГАТЭ, оценивается на сегодняшний день примерно в 4,7 млн тонн.Годовая добыча в мире в настоящее время составляет около 41 тыс. тонн вгод, а потребление 440 коммерческими реакторами во всем миресоставляет около 67 тыс.
тонн. Это означает, что около 40 % ядерноготоплива изготавливается из Pu239, который был извлечен из ядерныхбоеголовок и вместе с U235 является пригодным для использования вреакторах на тепловыхнейтронах. Данные, приведенные выше,9показывают, что при таком уровне развития ядерной энергетики и темпахпотребления ядерного топлива разведанных запасов урана хватитпримерно на 70–80 лет.Ситуация кардинально изменится, если удастся создать надежноработающие коммерческие реакторы – размножители (бридеры) набыстрых нейтронах.
Как известно, быстрые нейтроны поглощаютсяядрами U238 с образованием легкорасщепляющихся ядер Pu239,потенциально пригодных для выработки электроэнергии. Именно их ииспользуют в бридерах. В качестве расщепляющегося материалаприменяется Pu239, дающий при каждом распаде по 2–3 нейтрона. Один изних расходуется на поддержание цепной реакции, а остальныепоглощаются ураном-238 с образованием плутония-239, т. е.
новогоядерного топлива. Таким образом, реактор сам вырабатывает для себяновое топливо, причем в идеальном случае – даже большее количество,чем расходует. Уран-238 доступнее, чем другие изотопы, и если вближайшее столетие не удастся найти более безопасные энергоресурсы,то бридеры, несмотря на большие технические проблемы при ихстроительстве, вероятно, станут важным элементом мировой энергетики.С помощью бридерной технологии можно вырабатывать энергию избесполезного для современных реакторов U238, превращая его врасщепляющийся материал. Таким образом, использовать природный уранв 60 раз эффективнее.Принимая во внимание это обстоятельство, можно утверждать, чтоосвоение бридерных реакторов позволит сохранить современный темппроизводства электроэнергии на ядерных станциях в течение 2,5–4 тыс.лет.
Кроме того, многие эксперты считают, что уран, растворенный вморской воде, тоже можно использовать для получения дешевой энергии.Следует подчеркнуть, что в настоящее время доля ядерной энергетикив мировом энергетическом хозяйстве не превышает 16 % . Поэтому есливозложить на ядерную энергетику задачу обеспечения всех мировыхпотребностей в энергии, то этот прогноз сократится, по-видимому, до0,5–1 тыс. лет.Казалось бы, процессы, уже осуществленные в современных атомныхэлектростанциях, могут предотвратить или надолго задержатьнадвигающийся энергетический кризис. Но существуют весьма вескиедоводы против использования урана как энергетического сырья.В основном они связаны с вопросами обеспечения безопасности.Во-первых, использование урана связано с накоплением долгоживущихрадиоактивных шлаков и с необходимостью безопасной переработки изахоронения все нарастающих количеств этих шлаков.
Эти проблемы досих пор еще не решены.10Во-вторых, в крупной энергетической атомной станции сосредоточенотакое большое количество радиоактивного вещества, что если оно, вслучае аварии, прорвется на свободу, может произойти катастрофа, помасштабам сравнимая с той, что произошла при взрыве атомной бомбынад Хиросимой. Достаточно вспомнить последствия аварии на одном изэнергоблоков Чернобыльской станции.Однако есть основания считать, что с этими двумя опасностямисовременная техника может справиться. Но существует еще третьяопасность, гораздо более серьезная. На неё давно указывают многиеавторитетные эксперты (см., например, нобелевскую лекцию П. Л. Капицы[9]). Она заключается в следующем. Строительство большого количестваатомных электростанций приведет к суммарному количествурадиоактивного вещества во всех реакторах, которое достигнет такойвеличины, что невозможно станет осуществлять контроль над егоправильным использованием.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
