История развития источников энергии

Сначала все генераторы вырабатывали постоянный ток, но с открытием полезных свойств переменного тока (возможность  трансформации и, как следствие, передачи на дальние расстояния) широко стали распространяться генераторы переменного тока, а вместе с ними - строительство электростанций, электрификация промышленности, транспорта и быта людей.

Также следует упомянуть о химических источниках тока. Химическую энергию можно преобразовать в электрическую. Так, например, в гальваническом элементе электрическая энергия выделяется за счёт химической реакции между электродами и электролитом. В первом гальваническом элементе, созданном итальянским физиком Алессандро Вольта, в качестве электролита использовалась серная кислота, а в качестве положительного и отрицательного электродов - медный и цинковый стержни соответственно. Отрицательные ионы серной кислоты притягивают к себе положительные ионы цинка и меди. Из-за того, что кинетическая энергия ионов цинка больше, чем кинетическая энергия ионов меди (так как медь менее активный металл, чем цинк), то в раствор переходит больше положительных ионов цинка, чем меди, поэтому цинковый электрод приобретает отрицательный заряд относительно медного электрода.

В аккумуляторах накопление электрической  энергии происходит за счёт её превращения  в химическую. В отличие от гальванических элементов, которые сразу готовы к работе, аккумулятор нужно зарядить. Поэтому их называют иногда вторичными элементами. Аккумуляторы широкого применения подразделяются на кислотные и щелочные; к кислотным относится свинцовый аккумулятор, к щелочным - железоникелевый.

ХХ  век

Атомная энергия

В современной атомной энергетике используются две химические реакции: первая – это реакция деления урана U-235, которая сопровождается выделением большого количества энергии, вторая - реакция размножения ядерного топлива, происходящая в реакторах на быстрых нейтронах - получение из урана U–238 плутония Pu-239 - искусственного элемента, делящегося при тех же условиях и так же, как и уран U-235.

Первым атомным реактором является реактор Ферми. Он был сконструирован в 1942 году под руководством Энрико Ферми. Реактор имел только научное значение: он предназначался для демонстрации возможности управляемой ядерной реакции. Дату пуска этого реактора можно считать началом новой эры - эры атомной энергии.

Аварийная защита реактора была оригинальна: на площадке над реактором стояло двое помощников Ферми, державшие в  руках вёдра с раствором солей  бора - поглотителя нейтронов. В случае даже незначительной опасности помощники  были готовы вылить содержимое вёдер  реактор. Реактор был графитовым. Основой реактора является алюминиевая рама с большим количеством трубок, в которые вставляются ТВЭЛы - тепловыделяющие элементы, представляющие собой трубку из циркониевого сплава, в которой заключены таблетки из обогащённого урана 235. Рама обложена кирпичами из графита высшей химической чистоты, играющими роль отражателя. Между трубок с ТВЭЛами также находится графит. В нём проделаны каналы, по которым пропускается теплоноситель - вода или жидкий натрий. Смена ТВЭЛов происходит посредством выталкивания старого новым ТВЭЛом. Аварийная защита и управление реакцией осуществляется посредством нескольких бронзовых пластин (или стержней), покрытых кадмием - поглотителем нейтронов. Реактор окружён бетонной защитой толщиной до 3 метров.

Кроме данного типа атомного реактора существуют также следующие типы: реактор на тяжелой воде, гомогенный реактор, реактор на быстрых нейтронах и др. Реактор на быстрых нейтронах является самым эффективным, т.к. при его работе вырабатывается больше ядерного горючего, чем было загружено перед запуском. С внедрением этого реактора в широкое производство электроэнергии человечество будет обеспечено энергией на много столетий вперёд.

Атомное оружие

Заметка из одной газеты от 30 апреля 1939 года: " Доктор Нильс Бор из Копенгагена заявил, что бомбардировка  небольшого количества чистого изотопа  урана - 235 медленными нейтронами вызовет " цепную реакцию", или атомный  взрыв, сила которого будет настолько  громадной, что взлетят на воздух лаборатория и все находящиеся  в данной местности сооружения в  радиусе многих миль".

Первая атомная бомба была изготовлена  в США летом 1945 года ("Тринити"), испытана 16 июня 1945 года на атомном  полигоне в пустыне Аламогордо. Мощность этой бомбы была равна 20 кт (единица  мощности ядерного и термоядерного  оружия: масса взрывчатого вещества тротила, мощность взрыва которого равна  мощности взрыва данного ядерного или  термоядерного заряда; измеряется в  килотоннах (кт) - 1000 тонн тротила и  мегатоннах (Мт) - 1000 килотонн тротила).

С изобретением атомной бомбы стало  ясно, что крупная война между  обладателями этого оружия станет последней  в истории человечества. Но атомная  бомба была и оружием сдерживания, предотвращения этой войны, так как  последствия её применения сознавали  все обладатели этого оружия. В  целом роль атомной бомбы в  истории была неоднозначна; в создании этого оружия есть не только отрицательные, но и положительные стороны.

Существует две возможные конструкции  атомной бомбы. Первая состоит из двух кусков урана U-235, которые, соединяясь, образуют массу больше критической. Для того чтобы вызвать взрыв бомбы, надо как можно быстрее сблизить их. Второй метод основан на использовании сходящегося внутрь взрыва. В этом случае поток газов от взрыва обычного взрывчатого вещества направлялся на расположенный внутри делящийся материал и сжимал его до тех пор, пока он не достигал критической массы, и не начиналась цепная реакция.

Взрыв атомной бомбы произойдёт только тогда, когда масса заряда урана U-235 или плутония Pu-239 будет больше критической массы - массы такого куска делящегося вещества, в котором возможна самоподдерживающаяся цепная реакция. По расчётам, критическая масса заряда приблизительно равна 50 кг, но её могли значительно уменьшить следующими способами: во - первых, выбором подходящей формы заряда (чем больше площадь поверхности заряда, тем больше нейтронов бесполезно излучается в окружающую среду). Наименьшей площадью поверхности обладает сфера, следовательно, сферический заряд при прочих равных условиях будет иметь наименьшую критическую массу.

Во-вторых, критическая масса зависит  от чистоты и вида делящихся материалов.

В-третьих, критическая масса обратно  пропорциональна квадрату плотности  этого материала, что позволяет, например, при увеличении плотности  заряда в 2 раза, уменьшить критическую  массу в 4 раза.

В-четвёртых, критическую массу  можно уменьшить, окружив заряд  экраном, хорошо отражающим нейтроны. В качестве такого экрана можно использовать свинец, бериллий, вольфрам, природный  уран, железо и др.

Только при выполнении этих условий  возможно осуществление неуправляемой  цепной реакции - атомного взрыва.

Энергия термоядерного  синтеза

Кроме деления тяжёлых ядер, идущего  с выделением энергии, возможен синтез лёгких ядер, при котором выделяется ещё большая энергия. Однако этот синтез может происходить только при очень высокой температуре  и давлении. Эти условия необходимы для преодоления кулоновского отталкивания заряженных ядер и сближения их до расстояний, когда начинают действовать  силы ядерного притяжения. В качестве термоядерного горючего используются изотопы водорода - дейтерий и тритий. Первый входит в состав молекулы тяжёлой воды, в небольшом количестве, содержащейся в обычной воде. Второй может быть получен из лития посредством указанной реакции.

Сейчас возможно осуществление  только неуправляемая термоядерная реакция (термоядерный взрыв), над осуществлением управляемого термоядерного синтеза (УТС) работают учёные России, США, Японии, Франции, Великобритании.

В целом, УТС является весьма выгодным, дешёвым, экологически чистым способом получения энергии. КПД теоретической  термоядерной электростанции (ТЯЭС) будет  достигать 38% - что является достаточно высоким показателем.

Установки управляемого термоядерного  синтеза (УТС)

Основные направления развития УТС идут по двум путям: УТС в ТОКАМАКАХ  и лазерный УТС. ТОКАМАК - аббревиатура, предложенная русскими учёными, расшифровывается как ТОРидальная КАмера с МАгнитным полем.

ТОКАМАК представляет собой трансформатор, первичная обмотка которого не имеет  каких - либо существенных особенностей, вторичной "обмоткой" является шнур ионизированной смеси дейтерия и  трития. Дополнительными катушками  продольного поля осуществляется удержание  плазмы в нужном состоянии. Так как  плазма является вторичной "обмоткой", то в ней индуцируется ток, который  и осуществляет подогрев плазмы до требуемой температуры. На крупнейшей установке этого типа - "ТОКАМАК-15" - расположенной в России, возможно удержание плазмы в течение нескольких секунд, и для "зажигания" дейтериево-тритиевой  смеси требуется только повышение  температуры и давления всего  на несколько порядков.

Другим способом осуществления  УТС является лазерный УТС. Схема  этого способа представлена на рисунке. Сначала идёт облучение DT-мишени, затем  следует сжатие мишени и её микровзрыв с выделением большого количества энергии. В целом этот способ перспективен и может быть использован в  том случае, когда будут сконструированы  лазеры с высоким КПД. Разработка этого способа осуществления  УТС также ведётся во многих странах  мира, построены установки для  проведения опытов с лазерным управляемым  термоядерным синтезом, в том числе  и в нашей стране. Лазерный УТС  будет весьма эффективен после создания мощных лазеров с высоким КПД (КПД современных лазеров большой  мощности едва достигает 5%).

Термоядерное оружие

В настоящее время возможно только осуществление неуправляемого термоядерного  синтеза, происходящего при взрыве водородной бомбы. Первая водородная бомба была создана в СССР в 1953 году при участии Курчатова, Сахарова и Тамма.

Одна из возможных конструкций  водородной бомбы. Термоядерным зарядом  является твёрдое вещество LiD (дейтерид лития). В качестве детонатора используется атомная бомба. Сначала происходит её взрыв, сопровождающийся резким ростом температуры, давления, электромагнитным излучением, возникновением мощного  потока нейтронов, в результате указанной  реакции которых с изотопом лития  образуется тритий. Наличие дейтерия и трития при высокой температуре инициирует термоядерную реакцию, сопровождающуюся колоссальным выбросом энергии. Если корпус сделан из природного урана U-238, то быстрые нейтроны вызывают в нём новую неуправляемую цепную реакцию деления. Возникает третья фаза взрыва водородной бомбы. Таким образом, создаётся термоядерный взрыв огромной, почти неограниченной мощности. Самый мощный когда-либо созданный термоядерный боеприпас: советская авиабомба "Татьяна" мощностью 50 Мт.

МГД-реактор

Один из современных многообещающих и эффективных методов получения  электроэнергии основан на использовании  магнитогидродинамического эффекта, т.е. на новом остроумном применении закона электромагнитной индукции, открытого  Фарадеем более полутора столетий назад. Магнитогидродинамический эффект позволяет  сконструировать генератор электрического тока без движущихся частей. Любой  газ при высокой температуре  ионизирован, т.е. электроны его атомов способны двигаться независимо от ядер и таким образом служить носителями электрического тока. При прохождении  ионизированного газа с большой  скоростью поперёк магнитного поля в нём возникает электрический  ток, который может быть отведён  электродами.

Можно усмотреть парадокс в том, что МГД - генератор основан на законе Фарадея, как и обычные  генераторы электрического тока. Но этот закон однозначно допускает возбуждение  тока и в том случае, когда используются жидкие или газообразные проводники.

МГД - генератор обладает тем незаменимым  преимуществом, что в нём не используются вращающиеся детали, следовательно, отсутствуют потери на трение. Вместе с тем он вырабатывает только постоянный ток и требует очень высоких  температур, при которых газ ионизируется, а значит, и соответствующих материалов, способных без серьёзных повреждений  выдерживать такие температуры. Для создания МГД - генераторов нужны  мощные источники проточных газов. Реальными устройствами, удовлетворяющими строгим требованиям, предъявляемым  к таким источникам, являются ракетные двигатели. Важной вехой в развитии МГД - генераторов послужило введение в проточные газы ионизирующих добавок, например, углекислого калия, что  позволяет снизить температуру ионизации газов до 1500 градусов Цельсия и ниже. Большой успех в технической отработке использования МГД - генераторов для производства электрической энергии был достигнут благодаря комбинации магнитогидродинамической ступени с котельным агрегатом. В этом случае горячие газы, пройдя через генератор, не выбрасываются в трубу, а обогревают парогенераторы ТЭС, перед которыми помещена МГД - ступень. Общий КПД таких электростанций достигают небывалой величины - 65%.

В последние годы МГД - электростанциям  уделяют очень большое внимание, особенно в нашей стране. С 1965 г., когда в Москве начала работать первая станция У-02, советские конструкторы достигли заметного прогресса в этой области техники. К 1980 г. в СССР предполагалось построить несколько промышленных МГДЭС с единичной электрической мощностью до 200 МВт.

Заключение

Огромный прогресс человечества, от открытия полезных свойств огня до изобретения МГД-реакторов и ядерного оружия, наглядно демонстрирует нам  то, что ничего не вечно, и наука - не исключение. Научные достижения постоянно прогрессируют в соответствии с развитием общества, и этот прогресс не имеет конца.

Поиск новых источников энергии не закончен; существует большое количество так называемых альтернативных источников энергии, даровых двигателей, использующих, например, изменение атмосферного давления или радиоактивное излучение.

Наши знания постоянно обновляются  и, наверняка, люди будущего сумеют найти ещё великое множество способов для получения энергии, а также для её экономного использования, так как они будут жить в других условия и они будут значительно умнее и опытнее нас, потому что учиться они будут на наших ошибках и недочётах.