Поиск новых источников энергии и способов ее экономии как глобальная проблема современности и естественнонаучные аспекты ее решения

      Полная  энергия, запасенная во всех делящихся  материалах, имеет такой же порядок  величины, что и энергия, запасенная во всех месторождениях ископаемых топлив. Энергия же, выделяемая в результате синтеза ядер, практически неограниченная. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

2. Историческое  разнообразие источников энергии: от древности  до наших дней.

      Человечество  с самого своего появления пользуется источниками энергии. Сначала они были весьма примитивными. Таковыми были, например, огонь или лук. Но с ходом развития человеческой цивилизации усложнялись и источники энергии, используемые им, а также открывались или изобретались новые источники. И вот, в ХХ веке, человек научился использовать энергию атомного ядра и термоядерного синтеза, построил МГД (магнитогидродинамический)- генератор.

      Открытие  новых источников энергии шло  сложными путями. На начальном этапе  развития человечеств открытие чего-либо нового происходило либо по счастливой случайности, либо благодаря гениальному учёному (как, например, Герон или Архимед), либо это открытие совершалось на протяжении значительного периода времени (поиск способов добывания огня).

      В Средние века, во время упадка науки, открытия совершались лишь благодаря немногим действительно образованным людям, но из-за огромной власти христианской церкви им в лучшем случае приходилось отказываться от своих убеждений, в худшем - они попадали на костёр инквизиции. Такие "научные изыскания", как поиск "perpetuum mobile", свидетельствуют о сильном упадке многих наук, о незнании основных законов природы.

      В период мировой истории называемый Ренессансом, а также в более  позднее время (период Новой истории), многие люди вплотную начали заниматься наукой и техникой, в том числе - постройкой различных машин. С этого времени и начался поиск универсального двигателя, способного заменить уже используемые (водяное колесо). Этот поиск шёл с переменным успехом и вёлся совершенно разными людьми. Эти изобретатели (как и их изобретения) были различны; многие из них стали изобретателями благодаря великим учёным или из-за того, что их просто заинтересовала важная и интересная проблема - постройка двигателей. Например, изобретатель парового котла и конструктор первых моделей двигателя внутреннего сгорания и паровой машины Дени Папен был в своё время врачом, но увлёкся этой областью техники лишь благодаря встречам с Христианом Гюйгенсом. Изобретатель четырёхтактного двигателя внутреннего сгорания Август Отто когда-то был конторщиком, приказчиком, бухгалтером. Такая скучная и бесперспективная жизнь заставила его искать новый путь к успеху - и он занялся постройкой нового двигателя.

      С течением времени двигатели (и другие источники энергии) перестали быть уродливыми, примитивными и, как часто бывало, неработоспособными конструкциями механиков-самоучек. В этой области техники всё сильнее и сильнее начала проявлять себя наука, и новые двигатели конструировались на основе уже изученных принципов и сложных математических расчётов (дизель-мотор, паровая турбина).

      В ХХ веке эта область техники (постройка  двигателей и других источников энергии) перестала существовать отдельно от науки. Стали иметь место случаи, когда между открытием новых свойств какого-либо материала и постройкой источника энергии, использующего эти свойства, проходило очень мало времени (например: открытие радиоактивности и постройка ядерного реактора).

      Конструированием  новых источников энергии теперь занимались не отдельные выдающиеся личности, а целые группы учёных, исследовательские институты, конструкторские бюро и производственные объединения.

      Именно  ими были созданы такие сложные  и оригинальные конструкции, как  ТОКАМАК, МГД - генератор, установки  лазерного термоядерного синтеза, многие так называемые альтернативные источники энергии.

      Мы  живём на пороге того времени, когда  многие энергетические ресурсы (нефть, природный газ, каменный уголь) будут  на грани исчерпания. Поэтому одно из важнейших направлений развития энергетики – поиск новых источников энергии. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

3. Поиск новых источников энергии.

      Итак, с учетом постоянного, но все уменьшающегося пополнения энергетических запасов их будет достаточно чуть более чем на 100 лет. Поэтому совершенно естественно встает вопрос о новых источниках энергии. Решается он во многих направлениях.

   Во многих странах сейчас ведутся работы по созданию и использованию экологически чистых источников энергии – солнца, ветра, приливов и отливов. Можно надеяться, что это приведет к тому, что ископаемое топливо все больше будет применяться как ценное сырье для химической, нефте- химической и других отраслей промышленности, ибо, как сказал Д.И. Менделеев, использовать его для сжигания – все равно, что отапливаться ассигнациями⁹.

      Наиболее  надежным способом решения проблемы считается расширение перспектив привлечения гидроресурсов, доля которых в стационарной энергетике сегодня составляет 17%. Но расширение сети гидроэлектростанций возможно лишь до определенного предела, разрешенного экологическими нормами. И этот предел применительно к большим рекам нашей страны достигнут, хотя в Дагестане еще есть резервы. Ставится задача использования энергии приливов и отливов морей, энергии ветра и волн. Не прекращается поиск новых запасов нефти на шельфах морского побережья. Но сжигание даже добываемых ныне семи миллиардов тонн органического топлива ведет к выбросу в атмосферу 15-17 млрд т углекислого газа с примесями СО и даже SO₂ со всеми вытекающими отсюда последствиями.

      Именно  поэтому наиболее заманчивым в настоящее  время является процесс преобразования энергии покой в кинетическую энергию («превращение массы в энергию»). 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

1. Преобразование  энергии покоя  в кинетическую энергию.

      Так как при обычных условиях любое  тело обладает огромным резервом неиспользуемой энергии покоя Е₀ = m₀ с², то даже ничтожно малое уменьшение массы покоя должно приводить к заметному возрастанию кинетической энергии. Атомная энергия получается за счет "переработки" примерно 0,1% массы самого тяжелого из существующих в природе веществ — урана, термоядерная энергия — за счет переработки части массы наиболее легких веществ, например дейтерия. В каждом из этих направлений есть две задачи: мгновенное и медленное преобразование массы в энергию. В первом направлении полностью решены обе задачи: ученые и инженеры умеют освобождать атомную энергию как в мгновенном процессе взрывного типа (атомная бомба), так и в медленном управляемом процессе (ядерный реактор). В настоящее время атомная энергия широко используется в науке, промышленности и на транспорте. Во втором направлении пока решена только половина задачи — термоядерную энергию научились освобождать в мгновенном процессе взрывного типа (водородная бомба). Осуществление процесса медленного управляемого термоядерного синтеза оказалось настолько трудной задачей, что сейчас нельзя даже приблизительно указать, когда она будет решена.

      Любое атомное ядро состоит из некоторого количества (Z) протонов и (A-Z) нейтронов, удерживаемых вместе ядерными силами притяжения (сильные взаимодействия). Ядерные силы отличаются очень большой интенсивностью на расстояниях ~ 10^-13 см и чрезвычайно быстро ослабевают с ростом расстояния. Так как для разделения ядра на нуклоны (протоны и нейтроны) надо совершить работу на преодоление ядерных сил притяжения, то энергия атомного ядра меньше энергии тех нуклонов, из которых ядро состоит. А так как энергия и масса связаны соотношением Е = m с², то масса атомного ядра также меньше суммарной массы всех составляющих его нуклонов. Разность их значений, выраженная в энергетических единицах, называется энергией связи.

      Энергия связи любого ядра положительна, и она должна составлять заметную часть, приблизительно равную 1% от его энергии покоя. Если же мы заинтересуемся ее точными значениями для различных ядер и подсчитаем их по приведенной формуле, то убедимся, что они довольно сильно колеблются, в особенности у легких ядер. Доля, которую составляет энергия взаимодействия нуклонов от энергии покоя, зависит от числа взаимодействующих нуклонов. С ростом числа нуклонов она сначала возрастает, а затем уменьшается. Другими словами, нуклоны особенно прочно связаны в средних (по весу) ядрах, слабее — в тяжелых и очень легких ядрах. Главная причина различия в энергии связи разных ядер заключается в следующем. Все нуклоны, из которых состоит ядро, можно условно разделить на две группы: внутренние и поверхностные. Внутренние нуклоны окружены соседними нуклонами со всех сторон, поверхностные же — только с внутренней стороны. Поэтому внутренние нуклоны взаимодействуют с остальными нуклонами сильнее, чем поверхностные. Но процент внутренних нуклонов особенно мал у легких ядер (у самых легких ядер все нуклоны можно считать поверхностными) и постепенно увеличивается по мере их утяжеления. Поэтому энергия связи должна расти вместе с ростом числа нуклонов в ядре. Однако этот рост не может продолжаться очень долго, так как начиная с некоторого достаточно большого числа нуклонов (А = 50 - 60) количество протонов в ядре становится настолько большим, что делается заметным их взаимное отталкивание даже на фоне сильного ядерного притяжения. Это отталкивание и приводит к уменьшению энергии связи у тяжелых ядер. Поэтому ядра одних атомов устойчивы, стабильны, а других атомов химических элементов — неустойчивы и нестабильны.

      Из  сказанного понятно и то, откуда берется энергия при синтезе  легких ядер, так же как при делении тяжелых, получаются более прочные (более устойчивые) ядра (с большей взаимосвязанностью нуклонов), чем исходные. Поэтому при слиянии легких ядер должна выделяться энергия.

      Количество  энергии синтеза, приходящейся на единицу  массы, может в несколько раз превосходить удельную энергию деления. Хорошо известно, что целый ряд атомных ядер из числа встречающихся в природе, например радий, уран, торий и др., обладают способностью самопроизвольно испускать -частицы, электроны и -кванты. Такие ядра и элементы называются радиоактивными. Про них говорят, что они обладают естественной радиоактивностью. Кроме того, было получено множество радиоактивных ядер. Явление самопроизвольного превращения одних атомных ядер в другие, сопровождаемое испусканием элементарных частиц, называют радиоактивностью. Такие превращения претерпевают только нестабильные ядра. К числу радиоактивных процессов относятся: 

        -распад;

        -распад (в том числе электронный захват);

        -излучение ядер;

      спонтанное  деление ядер;

      протонная радиоактивность. 

      Существует  три типа распада радиоактивных  изотопов: испускание -частиц, в котором ядро одновременно теряет два протона и два нейтрона ( -частицу); -распад, в котором теряется один высокоэнергетический электрон, и электронный захват, в котором теряется один высокоэнергетический фотон. В 1934 г. Ирен и Фредерик Жолио-Кюри обнаружили, что у некоторых веществ (AI, В, Mq) способность испускать позитроны сохраняется на некоторое время и после того, как облучение а-частицами уже прекращено. Изучение этого явления показало, что по своим свойствам оно аналогично естественной радиоактивности тяжелых элементов.

      Радиоактивность, наблюдающаяся у ядер, существующих в природных условиях, называется естественной. Радиоактивность ядер, полученных посредством ядерных реакций, называется искусственной. Между искусственной и естественной радиоактивностью нет принципиального различия. Процесс радиоактивного превращения в обоих случаях подчиняется одинаковым законам. Во всех видах радиоактивного превращения выполняются законы сохранения энергии, импульса, момента количества движения, электростатического, барионного и леп-тонного зарядов.

      Одной из самых замечательных ядерных  реакций является реакция деления. Делением называется реакция расщепления атомного ядра на две примерно равные по массе части (осколки деления). Тяжелые ядра (Z 90) делятся как самопроизвольно (спонтанное деление), так и принудительно (вынужденное деление). В отличие от спонтанного вынужденное деление происходит практически мгновенно (t 10^-14 с). Для вынужденного деления ядер с Z 90 достаточно их предварительно слабо возбудить, например облучая нейтронами с энергией около 1 МэВ. Некоторые ядра, например уран-235, делятся даже под действием тепловых нейтронов.

      Масса (а значит, и энергия) делящегося ядра значительно превышает сумму масс осколков. В связи с этим при делении освобождается очень большая энергия Q 200 МэВ, значительную часть которой ( 170 МэВ) уносят осколки в виде кинетической энергии. Осколки деления имеют большой избыток нейтронов. Поэтому они обладают -радиоактивными цепочками из продуктов деления, а также испускают мгновенные (два-три на один акт урана) и запаздывающие ( 1% мгновенных) нейтроны Большое энерговыделение, испускание нескольких нейтронов, возможность деления при небольшом возбуждении ядра позволяют осуществить цепную реакцию деления. Идея цепной реакции деления заключается в использовании вылетевших в процессе деления нейтронов для деления новых ядер с образованием новых нейтронов деления и т. д. Для нарастания цепного процесса необходимо, чтобы отношение числа нейтронов в двух последовательных положениях (так называемый коэффициент размножения нейтронов К) было больше единицы (К > 1).