Инновации в энергетике

Введение

Энергетика – одна из областей промышленности, где главным продуктом является энергия в самых различных формах. Особенное значение энергетика получила после промышленной революции в большинстве стран, в том числе и России. Растущие фабрики, заводы, новые технологии – всё требовало колоссального количества энергии и привычные «мышцы», т.е. биологические источники энергии в виде людской и животной физических сил уже стали малоэффективными. Первым крупным источником энергии, который на 150 лет стал лидирующим и до сих используется, является уголь. За ним пришла нефть, уран и другие.

На заре 21 века человечество зависит от различных источников энергии чуть более, чем полностью. К сожалению, использование их невозможно без загрязнения окружающей среды и они ограниченны, т.е. не возобновляемые. Проблемы поиска альтернативных источников энергии и улучшение старых давно занимают учёных и в данной работе будут представлены одна из инноваций в сфере энергетики – «холодный» ядерный синтез.

1. Основы ядерной энергетики

Прежде, чем приступить к холодному ядерному синтезу, надо объяснять суть обычного, «горячего» ядерного синтеза. В 50-ые годы сразу в СССР и США научились управлять реакцией распада ядер, т.е. проводить термоядерный синтез. При распаде ядер радиоактивных элементов, таких как Уран или Плутоний, высвобождается колоссальное количество энергии. Эту энергию можно не контролировать, просто провести реакцию, тогда весь её объём вырвется наружу и произойдёт ядерный взрыв. Собственно, именно так американцы и уничтожили японские города Хиросима и Нагасаки, в обычных бомбах был ядерный заряд, по столкновении с землёй началась реакция, которая высвободила энергию в виде света и тепла, а также радиоактивные гамма-частицы. Это неуправляемая ядерная реакция. Энергию распада ядер можно использовать в мирных целях, если условно данный взрыв направить в мирное русло, это и будет управляемая ядерная реакция, или термоядерный синтез – основа атомной энергетики. В таблице 1.1. и 1.2 приведено сравнение, какое количество энергии даёт «всего» 1 тонна урана (или таблетка весом 4.5г) и сколько будет нужно других источников энергии, чтобы получить столько же [1].

Таблица 1.1 Количество энергии по видам топлива

Таблица 1.2 Эквивалентное количество энергии от разных видов топлива

Неудивительно, что ядерная энергетика потеснила традиционные ТЭС. Но, как и везде, с ней связаны некоторые сложности. Во-первых, это технология. Технологии и техника на атомных электростанциях гораздо более высокого уровня и в случае выхода из строя оборудования происходят катастрофы, как было в Чернобыле и Фукусиме. После Фукусимы некоторые страны стали отказываться от ядерных технологий, теряя при этом огромные возможности развития. Однако, атомная энергия занимает значительную долю от общей во многих развитых странах, а во Франции является преобладающей, что показано на рисунке 1.1

Теперь же о сути технологии. Есть ядерный реактор, в котором происходит весь процесс. Туда помещают уран, как правило, обогащённый (чтобы было больше энергии) и производят так называемую «бомбардировку» микрочастицами, которые содержатся в ядре атома почти каждого вещества, а именно нейтронами. Ядро делится и выдаёт энергии, главная из которых тепловая. Тепло передаётся дальше и преобразуется в электричество, прямо как на обычных тепловых электростанциях. В двух словах весь процесс так и выглядит.

Рисунок 1.1 Доля атомной энергетики в разных странах [2].

Да, энергии вырабатывается много и в виде тепла. Проблема в том, что как её направить, это раз, и самое главное – как охладить реактор после синтеза. Температура там доходит до 1200 градусов Цельсия, поэтому система охлаждения реактора является едва ли главной системой во всей АЭС, и именно после поломки в них происходили Чернобыль и Фукусима. Для охлаждения ядерного реактора в большинстве случаев используется вода, которая циркулирует вокруг него, «забирая» тепло реактора, в замкнутом контуре воды её температура доходит до 350 градусов, но т.к. система замкнута, то она не испаряется никуда. После нескольких циклов охлаждения воду сбрасывают в реки, такая вода заражена альфа-частицами, которые хоть и слабы и не могут проникнуть даже сквозь кожу, могут попасть в организм через пищу или ту же воду. Получается, АЭС загрязняют воду и потребляют огромное её количество для охлаждения [3].

2. Технология холодного термоядерного синтеза

Спасти ситуацию предлагает «холодный» ядерный синтез. Данной технологией занимаются с 80-ых годов, однако только в недавнее время удалось чего-то добиться. Смысл её таков, что при том же делении ядер не будет происходит такое огромное выделение тепла, поэтому не будут нужны мощные охладительные системы и сама технология ядерной энергии будет гораздо безопаснее. До сих многие учёные сомневаются в принципиальной возможности осуществления данной технологии. В 2011 году итальянец Андреа Росси представил свой катализатор энергии, который, как он утверждает, работает на основе холодного ядерного синтеза с положительным выходом энергии. Технология холодного синтеза отличается тем, что для распада ядер используется так называемый катализатор, т.е. вещество, ускоряющее реакцию. Росси использовал никель и водород, в экспериментах других учёных применялся также палладий. На рисунке 2.1 показана схема работы «катализатора Росси».

Рисунок 2.1 Схема работы «катализатора Росси» [4]

Росси использует атомы водорода для «бомбардировки» никеля, т.е. вместо привычного урана используется другое вещество. Согласно науке, энергия выделяется при любом распаде ядер, просто при распаде урана её количество большое, поэтому используется он, хотя можно брать любой другой элемент. ТГР на схеме – это тепловой генератор Росси, в него «закачивается» водород, в самом генераторе находится никель. Путём точечной бомбардировки, когда в решетку никеля попадает атом водорода, Росси утверждает, что в этот момент происходит такое же деление ядер никеля и выброс тепла. Энергия тепла с помощью двигателя Стирлинга преобразуется в механическую энергию, а из неё в электрическую. Двигатель Стирлинга используется также на всех ТЭС, он вращает турбины под действием тепла, последние же вырабатывают электричество. В установке также присутствует охлаждающий водный контур, однако его температура не 300-350 градусов, а всего 90 [4].

Большая часть учёных скептически отнеслись к новому открытию, считая, что это ни разу не синтез. Однако энергия высвобождается путём бомбардировки ядер и без огромного нагрева, так что можно признать, что данная технология как минимум является «холодной».

Заключение