Запас ядерной энергии солнца

Источник энергии Солнца

Для поддержания наблюдаемой светимости Солнца в течение длительного времени необходимы достаточные запасы его внутренней энергии и процессы, перерабатывающие эту энергию в излучение. На первый взгляд, энергия, выделяемая одним килограммом солнечного вещества в секунду, равная:

— величина небольшая, она примерно равна количеству теплоты, выделяемому одним килограммом гниющих листьев. Но химической энергии, запасенной в листьях, при таком энерговыделении едва хватает на год. Солнце, по современным данным, существует около 5 млрд, лет, причем его светимость за это время существенно не изменилась, следовательно, запасов внутренней энергии солнечного вещества должно хватить еще на миллиарды лет.

Зная светимость Солнца T= 4* 10 26 Вт и продолжительность его жизни t=5*10 9 лет = 1,5-10 17 секунд, легко найти энергию, выделенную Солнцем за этот промежуток времени: 4*10 26 Вт * 1,5-10 17 с = 6*10 43 Дж. Поделив эту энергию на массу Солнца, получим, что за это время жизни Солнца каждый килограмм его вещества выделил 3*10 13 Дж энергии.

Удельная теплота сгорания самого калорийного химического горючего — бензина — равна 4,6*10 7 Дж/кг, что значительно меньше внутренней энергии, выделяемой 1 кг солнечного вещества. Поэтому идея о свечении Солнца за счет химических реакций, высказанная в середине XIX в., была несостоятельной. Если бы это было так, то запасов энергии хватило бы только на 800 лет.

Примерно в то же время известный немецкий физик Г. Гельмгольц (1821 —1894 гг.) выдвинул гипотезу, которой пытался объяснить энерговыделение Солнца за счет его гравитационного сжатия; сжатие приводит к выделению тепла и к уменьшению запасов потенциальной энергии солнечного вещества. Однако простые подсчеты показывают, что при современной светимости Солнца запасов его потенциальной энергии хватило бы всего на несколько миллионов лет.

Единственным приемлемым источником энергии, поддерживающим излучение Солнца, может служить термоядерная энергия, выделяемая при образовании (синтезе) ядер атомов гелия, из ядер водорода.

Для протекания ядерных реакций необходима температура в несколько миллионов кельвинов, при которой участвующие в реакции частицы с одинаковым электрическим зарядом смогли бы получить достаточную энергию для взаимного сближения, преодоления электрических сил отталкивания и слияния в одно новое ядро. Ядерные реакции, протекающие при высоких температурах, получили название термоядерных реакций. Именно такие реакции протекают в недрах Солнца.

Расчеты показывают, что в результате термоядерных реакций синтеза из водорода массой 1 кг образуется гелий массой 0,99 кг и выделяется около 9*10 14 Дж энергии. Если сравнить эту величину с энергией (3*10 13 Дж), которую Солнце уже выделило каждым килограммом водорода за 5 млрд, лет своей жизни, то оставшегося в нем водорода должно было бы хватить почти на 150 млрд. лет. Но так как реакции синтеза протекают только в ядре Солнца, содержащем примерно десятую долю всей его массы, то запасов ядерного горючего хватит еще на 10 млрд. лет.

Источник

ЭНЕРГИЯ СОЛНЦА

Солнце является неисчерпаемым источником энергия. Многие миллиарды лет оно испускает огромное количе­ство тепла и света. Для создания такого же количества энергии, какое испускает Солнце, понадобилось бы 180 ООО ООО миллиардов электростанций, обладающих мощностью Куйбышевской ГЭС.

Основным, источником энергии Солнца служат ядер — ныа реакции. Какие же реакции там происходят? Может быть, Солнце — это гигантский атомный котёл, сжигаю­щий огромные запасы урана или тория?

Солнце состоит главным образом из лёгких элемен­тов — водорода, гелия, углерода, азота и т. д. Около по­ловины его массы составляет водород. Количество урана и тория на Солнце очень невелико. Поэтому они не могут быть основными источниками солнечной энергии.

В недрах Солнца, где происходят ядерные реакции, температура достигает примерно 20 миллионов градусов. Заключённое там вещество находится под огромным дав­лением в сотни миллионов тонн на каждый квадратный сантиметр и чрезвычайно уплотнено. При таких условиях могут происходить ядерные реакции иного типа, которые приводят не к делению тяжёлых ядер на более лёгкие, а наоборот — к образованию более тяжёлых ядер из бо­лее лёгких.

Мы уже видели, что соединение протона и нейтрона в ядро тяжёлого водорода или двух прогонов и двух ней­тронов в ядро гелия сопровождается освобождением боль­шого количества энергии. Однако трудность получения необходимого количества нейтронов лишает этот способ освобождения атомной энергии практической ценности.

Более тяжёлые ядра можно создавать и с помощью одних протонов. Например, соединив друг с другом два протона, мы получим ядро тяжёлого водорода, так как один из двух протонов тотчас же превратится в нейтрон.

Соединение протонов в более тяжёлые ядра происхо­дит под действием ядерных сил. При этом освобождается очень большая энергия. Но при сближении протонов бы­стро возрастает электрическое отталкивание между ними. Медленные прогоны не могут преодолеть этого отталкива­ния и подойти друг к другу на достаточно близкое рас­стояние. Поэтому такие реакции производятся только очень быстрыми протонами, имеющими запас энергии, до­статочный для преодоления действия электрических сил отталкивания.

При царящей в недрах Солнца чрезвычайно высокой температуре атомы водорода теряют свои электроны. Не­которая доля ядер этих атомов (прогонов) приобретает скорости, достаточные для образования более тяжёлых ядер. Так как количество таких протонов в глубине Солнца весьма велико, то и количество создаваемых ими более тяжёлых ядер оказывается значительным. При этом освобождается очень большая энергия.

Ядерные реакции, идущие при очень высоких темпера­турах, называются термоядерными. Примером тер­моядерной реакции может служить образование ядер тяжёлого водорода из двух протонов. Оно происходит сле­дующим путём:

Протон протон тяжёлый позитрон водород

Освобождаемая при этом энергия почти в 500 ООО раз больше, чем при горении угля.

Необходимо отметить, что и при столь высокой темпе­ратуре далеко не каждое столкновение протонов друг с другом приводит к образованию ядер тяжёлого водо­рода. Поэтому протоны расходуются постепенно, что и обеспечивает выделение ядерной энергии на протяжении сотен миллиардов лет.

Солнечная энергия, повидимому, получается с помо­щью другой ядерной реакции — превращения водорода в гелий. Если четыре ядра водорода (протона) соединить в одно более тяжёлое ядро, то это и будет ядро гелия, так как два из этих четырёх протонов превратятся в нейтроны. Такая реакция имеет следующий вид:

4,№ — 2Не*+ 2 +1е° . водород гелий позитроны

Образование гелия из водорода происходит на Солнце несколько более сложным путём, который, однако, приво­дит к такому же результату. Происходящие при этом реакции изображены на рис. 23.

Сначала один протон соединяется с ядром углерода бС12, образуя неустойчивый ивотоп азота 7И13- Эта реак­ция сопровождается освобождением некоторого количества ядерной энергии, уносимой гамма-излучением. Об­разовавшийся азот т№3 вскоре превращается в устойчи­вый изотоп углерода 6С13. При этом испускается пози­трон, обладающий значительной энергией. Через некото­рое время к ядру бС13 присоединяется новый (второй) протон, в результате чего возникает устойчивый изотоп азота 7№4, а часть энергии снова освобождается в виде гамма-излучения. Третий протон, присоединившись к ядру 7МИ, образует ядро неустойчивого изотопа кисло­рода вО15. Эта реакция также сопровождается испуска­нием гамма-лучей. Образовавшийся изотоп 8015 выбра­сывает позитрон и превращается в устойчивый изотоп азота 7№5. Присоединение четвёртого протона к этому ядру приводит к возникновению ядра 8016, которое рас­падается на два новых ядра: ядро углерода бС[11] и ядро гелия гНе4.

В результате этой цепочки следующих друг за дру­гом ядерных реакций вновь образуется исходное ядро углерода 6С12, а вместо четырёх ядер водорода (прото­нов) появляется ядро гелия. На осуществление этого цикла реакций уходит около 5 миллионов лет. Восстановленное

Рис. 23. Превращение водорода в гелий на Солнце.

Ядро бС12 может снова начать такой же цикл. Освобождае­мая энергия, уносимая гамма-излучением и позитронами, и обеспечивает излучение Солнца.

Повидимому, таким же путём получают огромную энергию и некоторые другие звёзды. Однако многое в этом сложном вопросе ещё остаётся нерешённым.

Же условиях протекают значительно быстрее. Так, реакция

Дейтерий лёгкий лёгкий водород гелий

Может при наличии большого количества водорода за­кончиться в несколько секунд, а реакция —

ХНз + ,Н‘ —>2Не4 тритий лёгкий гелий водород

— в десятые доли секунды.

Быстрое соединение лёгких ядер в более тяжёлые, происходящее при термоядерных реакциях, позволило создать новый вид атомного оружия — водородную бомбу. Одним из возможных путей создания водородной бомбы является термоядерная реакция между тяжёлым и сверхтяжёлым водородом:

Дейтерий тритий гелий нейтрон

Энергия, освобождаемая при этой реакции, примерно в 10 раз больше, чем при делении ядер урана или плутония.

Чтобы начать эту реакцию, надо нагреть дейтерий и тритий до очень высокой температуры. Такую темпера­туру в настоящее время можно получить только при атомном взрыве.

Водородная бомба имеет прочную металлическую обо­лочку, размеры которой больше размеров атомных бомб. Внутри неё находится обычная атомная бомба на уране или плутонии, а также дейтерий и тритий. Для взрыва во­дородной бомбы надо сначала взорвать атомную бомбу. Атомный взрыв создаёт большую температуру и давление, при которых заключённый в бомбе водород начнёт пре­вращаться в гелий. Освобождаемая при этом энергия под­держивает высокую температуру, необходимую для даль­нейшего протекания реакции. Поэтому превращение водо­рода в гелий будет продолжаться до тех пор, пока либо не «сгорит» весь водород, либо не разрушится оболочка бомбы. Атомный взрыв как бы «поджигает» водородную бомбу, а она своим действием значительно усиливает мощность атомного взрыва.

Взрыв водородной бомбы сопровождается теми же по­следствиями, что и атомный взрыв — возникновением вы­сокой температуры, ударной волны и радиоактивных продуктов. Однако мощность водородных бомб во много раз больше мощности урановых и плутониевых бомб.

Атомные бомбы имеют критическую массу. Увеличи­вая количество ядерного горючего в такой бомбе, мы не сумеем, полностью его разделить. Значительная часть урана или плутония обычно разбрасывается в зоне взрыва в неразделённом виде. Это сильно затрудняет увеличение мощности атомных бомб. У водородной бомбы никакой критической массы нет. Поэтому мощность таких бомб может быть значительно увеличена.

Производство водородных бомб на дейтерии и тритии связано с громадными расходами энергии. Дейтерий можно получать из тяжёлой воды. Для получения три­тия надо бомбардировать литий 6 нейтронами. Происхо­дящая при этом реакция приведена на стр. 29. Наиболее мощным источником нейтронов являются атомные Котлы. Через каждый квадратный сантиметр поверхности цент­ральной части котла средней мощности выходит в защит­ную оболочку около 1000 миллиардов нейтронов. Сделав в этой оболочке каналы и поместив в них литий 6, можно получать тритий. Природный литий имеет два изотопа: литий 6 и литий 7. Доля лития б составляет всего 7,3%. Полученный же из него тритий оказывается радиоактив­ным. Испуская электроны, он превращается в гелий 3. Период полураспада трития равен 12 годам.

Советский Союз в короткий срок ликвидировал моно­полию США на атомную бомбу. После этого американ­ские империалисты пытались запугивать миролюбивые народы водородной бомбой. Однако и эти расчёты поджи­гателей войны провалились. 8 августа 1953 г. на пятой сессии Верховного Совета СССР товарищ Маленков указал, что Соединённые Штаты не являются монополи­стами и в производстве водородной бомбы. Вслед за тем 20 августа 1953 г. было опубликовано Правительственное сообщение об успешном испытании водородной бомбы в Советском Союзе. В этом сообщении Правительство нар — шей страны ещё раз подтвердило своё неизменное жела­ние добиться запрещения всех видов атомного оружия и установления строгого международного контроля за вы­полнением этого запрещения.

Можно ли сделать термоядерную реакцию управляе­мой и использовать энергию ядер водорода в промыш­ленных целях?

Процесс превращения водорода в гелий не имеет кри­тической массы. Поэтому его можно производить даже при небольшом количестве изотопов водорода. Но для этого надо создать новые источники высокой темпера­туры, отличающиеся от атомного взрыва чрезвычайно малыми размерами. Возможно также, что с этой целью придётся использовать несколько более медленные тер­моядерные реакции, чем реакция между дейтерием и тритием. В настоящее время учёные работают над реше­нием этик задач.

Источник

Солнечная энергетика сегодня и перспективы её дальнейшего развития

Мы живём в мире будущего, хотя не во всех регионах это заметно. В любом случае возможность развития новых источников энергии сегодня всерьёз обсуждается в прогрессивных кругах. Одним из самых перспективных направлений выступает солнечная энергетика.

На данный момент около 1% электроэнергии на Земле получается вследствие переработки солнечного излучения. Так почему мы до сих пор не отказались от других «вредных» способов, и откажемся ли вообще? Предлагаем ознакомиться с нашей статьей и попытаться самостоятельно ответить на этот вопрос.

Как солнечная энергия преобразуется в электричество

Начнём с самого важного – каким образом солнечные лучи перерабатываются в электроэнергию.

Сам процесс носит название «Солнечная генерация». Наиболее эффективные пути его обеспечения следующие:

• фотовольтарика;
• гелиотермальная энергетика;
• солнечные аэростатные электростанции.

Рассмотрим каждый из них.

Фотовольтарика

В этом случае электрический ток появляется вследствие фотовольтарического эффекта. Принцип такой: солнечный свет попадает на фотоэлемент, электроны поглощают энергию фотонов (частиц света) и приходят в движение. В итоге мы получаем электрическое напряжение.

Подробнее можете почитать на Википедии: Фотовольтарический эффект

Именно такой процесс происходит в солнечных панелях, основу которых составляют элементы, преобразующие солнечное излучение в электричество.

Сама конструкция фотовольтарических панелей достаточно гибкая и может иметь разные размеры. Поэтому в использовании они очень практичны. К тому же панели имеют высокие эксплуатационные свойства: устойчивы к воздействию осадков и перепадам температур.

А вот как устроен отдельный модуль солнечной панели:

О применении солнечных батарей в качестве зарядных устройств, источников питания частных домах, для облагораживания городов и в медицинских целях можно почитать в отдельной статье.

Современные солнечные панели и электростанции

Из недавних примеров можно отметить солнечные панели компании SistineSolar. Они могут иметь любой оттенок и текстуру в отличие от традиционных тёмно-синих панелей. А это значит, что ими можно «оформить» крышу дома так, как Вам заблагорассудится.

Другое решение предложили разработчики Tesla. Они выпустили в продажу не просто панели, а полноценный кровельный материл, перерабатывающий солнечную энергию. Черепица Solar Roof содержит встроенные солнечные модули и также может иметь самое разнообразное исполнение. При этом сам материал гораздо прочнее обычной кровельной черепицы, у Solar Roof даже гарантия бесконечная.

В качестве примера полноценной СЭС можно привести недавно построенную в Европе станцию с двусторонними панелям. Последние собирают как прямое солнечное излучение, так и отражающее. Это позволяет повысить эффективность солнечной генерации на 30%. Эта станция должна вырабатывать в год около 400 МВт*ч.

Интерес вызывает и крупнейшая плавучая СЭС в Китае. Её мощность составляет 40 МВт. Подобные решения имеют 3 важных преимущества:

• нет необходимости занимать большие наземные территории, что актуально для Китая;
• в водоёмах уменьшается испаряемость воды;
• сами фотоэлементы меньше нагреваются и работают эффективнее.

Кстати, эта плавучая СЭС была построена на месте заброшенного угледобывающего предприятия.

Технология, основанная на фотовольтарическом эффекте, является наиболее перспективной на сегодня, и по оценкам экспертов солнечные панели уже в ближайшие 30-40 лет смогут производить около 20% мировой потребности электроэнергии.

Гелиотермальная энергетика

Тут подход немного другой, т.к. солнечное излучение используется для нагревания сосуда с жидкостью. Благодаря этому она превращается в пар, который вращает турбину, что приводит в выработке электричества.

По такому же принципу работают тепловые электростанции, только жидкость нагревается посредством сжигания угля.

Самый наглядный пример использования данной технологии – это станция Иванпа Солар в пустыне Мохаве. Она является крупнейшей в мире солнечной гелиотермальной электростанцией.

Работает она с 2014 года и не использует никакого топлива для производства электричества – только экологически чистая солнечная энергия.

Котёл с водой располагается в башнях, которые Вы можете видеть в центре конструкции. Вокруг расположено поле из зеркал, направляющих солнечные лучи на вершину башни. При этом компьютер постоянно поворачивает эти зеркала в зависимости от расположения солнца.

Под воздействием концентрированной солнечной энергии вода в башне нагревается и становится паром. Так возникает давление, и пар начинает вращать турбину, вследствие чего выделяется электричество. Мощность этой станции – 392 мегаватт, что вполне можно сопоставить со средней ТЭЦ в Москве.

Интересно, что подобные станции могут работать и ночью. Это возможно благодаря помещению части разогретого пара в хранилище и постепенном его использовании для вращения турбины.

Солнечные аэростатные электростанции

Это оригинальное решение хоть и не получило широкого применения, но всё же имеет место быть.

Сама установка состоит из 4 основных частей:

• Аэростат – располагается в небе, собирая солнечное излучение. Внутрь шара поступает вода, которая быстро нагревается, становясь паром.
• Паропровод – по нему пар под давлением спускается к турбине, заставляя её вращаться.
• Турбина – под воздействием потока пара она вращается, вырабатывая электрическую энергию.
• Конденсатор и насос – пар, прошедший через турбину, конденсируется в воду и поднимается в аэростат с помощью насоса, где снова разогревается до парообразного состояния.

В чём преимущества солнечной энергетики

• Солнце будет давать нам свою энергию ещё несколько миллиардов лет. При этом людям не нужно тратить средства и ресурсы для её добычи.
• Генерация солнечной энергии – полностью экологичный процесс, не имеющий рисков для природы.
• Автономность процесса. Сбор солнечного света и выработка электроэнергии проходит с минимальным участием человека. Единственное, что нужно делать, это следить за чистотой рабочих поверхностей или зеркал.
• Выработавшие свой ресурс солнечные панели могут быть переработаны и снова использованы в производстве.

Проблемы развития солнечной энергетики

Несмотря на реализацию идей по поддержанию работы солнечных электростанций в ночное время, никто не застрахован от капризов природы. Затянутое облаками небо в течение нескольких дней значительно понижает выработку электричества, а ведь населению и предприятиям необходима его бесперебойная подача.

Строительство солнечной электростанции – удовольствие не из дешёвых. Это обусловлено необходимостью применять редкие элементы в их конструкции. Не все страны готовы растрачивать бюджеты на менее мощные электростанции, когда есть рабочие ТЭС и АЭС.

Для размещения таких установок необходимы большие площади, причём в местах, где солнечное излучение имеет достаточный уровень.

Как развита солнечная энергетика в России

К сожалению, в нашей стране пока во всю жгут уголь, газ и нефть, и наверняка Россия будет в числе последних, кто полностью перейдёт на альтернативную энергетику.

На сегодняшний день солнечная генерация составляет всего 0,03% энергобаланса РФ. Для сравнения в той же Германии этот показатель составляет более 20%. Частные предприниматели не заинтересованы во вложении средств в солнечную энергетику из-за долгой окупаемости и не такой уж высокой рентабельности, ведь газ у нас обходится гораздо дешевле.

В экономически развитых Московской и Ленинградской областях солнечная активность на низком уровне. Там строительство солнечных электростанций просто нецелесообразно. А вот южные регионы довольно перспективны.

Так одной из крупнейших в нашей стране является Орская СЭС. Она состоит из 100 тыс. модулей, выдающих суммарную мощность 25 МВт. Выработанное электричество подаётся в Единую энергетическую систему России (ЕЭС).

Самой мощной сегодня является СЭС Перово, расположенная в Республике Крым. Она выдаёт более 105 МВт, что на момент открытия станции было мировым рекордом. СЭС Перово состоит из 440 000 фотоэлектрических модулей и занимает площадь 259 футбольных полей.

Вообще в Крыму солнечная энергетика неплохо развита – там более десятка солнечных электростанций мощностью от 20 МВт. Правда, вся полученная электроэнергия уходит сугубо на нужды полуострова.

К 2020 году в России планируется построить 4 крупных СЭС, мощность которых позволит увеличить долю солнечной энергии до 1% от всего энергобаланса страны.

Таким образом, уже сегодня можно с уверенностью сказать, что солнечная энергетика способна в недалёкой перспективе выступить полноценной альтернативой традиционным способам получения электроэнергии. И даже в России эта отрасль хоть и медленно, но развивается.

О выходе новых статей рассказываем в соцсетях

Источник