Энергетика (научно-популярная статья для уроков физики).

ЭНЕРГЕТИКА: СОСТОЯНИЕ, ПЕРСПЕКТИВЫ, ПРОБЛЕМЫ.
Вместо вступления. Как автор статьи, предназначенной школьникам, я не повторяю работ, сделанных до меня. Я не претендую на оригинальность и научность. Цель моей работы – популярным языком, с минимумом цифр и формул, даже при полном их отсутствии рассказать о двух источниках энергии, которые уже используются или пока в ближайшей перспективе.
ТЕРМОЯДЕРНЫЙ СИНТЕЗ.
Слияние лёгких ядер в целое происходит в природе не везде вокруг нас, но в гигантских масштабах он течёт в недрах планет и звёзд. Это один из процессов мироздания, ибо на нём зиждется вселенная. Учёные уже несколько десятилетий рассматривают этот вопрос, а те, кто занимается популярной литературой, в то же самое время пишут об этом, как об уже свершившемся перевороте в науке. Поэтому сразу оговоримся: управляемого синтеза ядер пока не существует. Это трудно. Но работы и исследования ведутся. Так предполагается использовать плазму порядка 10 в восьмой степени градусов и плотность её порядка 10 в степени15 частиц на куб. см. От контакта со стенками резервуара её должна удерживать магнитная прослойка. Нейтроны уходят из такой системы и используются за пределами реактора. Длина свободного пробега частиц до одного километра. Альфа-частицы находятся внутри «баранки» и отдают свою энергию плазме
Реакция слияния ядер дейтерия и трития, реакция водорода и кислорода – экзотермические, то есть в них выделяется большое количество тепловой энергии. Прообразом будущих термоядерных реакторов являются «Токамаки». Для протекания таких реакций необходимо создать очень высокую температуру. Таким образом, природа в очередной раз преграждает путь к разгадке её тайн созданием невозможных условий, учёные всегда решают её проблемы «на грани невозможного».
Вопрос первичного нагрева тоже решается непросто. Разработки в этом вопросе принадлежат советским учёным Н.Г. Басову и О.Н. Крохину. В 1964 году. Суть в том, если в нескольких словах, то нужно облучать мишень с твёрдым ядерным топливом лазерным излучением, индуцированное излучение которого разгоняет частицы до немыслимо великих, почти световых скоростей. То, что легко ложится на бумагу, почти неосуществимо в реальности. Однако, смесь под действием импульса от лазера с трудом, но поддаётся гению человеческой мысли, она сжимается и разогревается. Последнее позволят сказать с уверенностью, что термоядерный синтез всё равно подчинится человеку. Хочется надеяться, что это будет человек разумный, мудрый и добрый. И тогда человечество получит новый мощный источник энергии, причём, практически неиссякаемый, это будет термоядерный синтез.
Говоря о неиссякаемости, следует дать пояснения. Пример: какой процесс протекает в звёздах. На ранней стадии жизни звезды температура её относительно низкая. Излучение приводит к сжатию и нагреву. Рост температуры замедляется. Звёздный реактор выходит на стационарный режим работы. После долгого периода выгорания водорода звезда имеет почти постоянный радиус, температуру и светимость. Ядерные силы и силы гравитации сложного механизма взаимодействием стабилизируют друг друга. ( Налицо пример относительной стабильности в постоянно меняющемся мире). После того, как будут исчерпаны запасы горючего, возобновляется сжатие. Звезда вступает в заключительную стадию своего существования. В бесконечной вселенной одновременно происходят и обратные процессы, и процессы по вышеописанному сценарию, однако в иных вариантах, где-то стационарные состояния сменяются на взрывы, которые, возможно, вызваны самоускорением реакции в участке звездного тела. Мир бесконечен во времени и безграничен в пространстве. Потому и говорим: источники энергии неисчерпаемы. Нужен разум, не сверхразум потустороннего наблюдателя, а разум простого человека, рождённого на планете по имени Земля.
ЯДЕРНАЯ ЭНЕРГЕТИКА.
Ядерный век назвали «зрелым» ещё в далёком 1975 году. За несколько десятилетий новая отрасль действительно претерпела очень быстрое развитие. Отечественные реакторы, атомные ледоколы, атомные подводные лодки – это детища нашего соотечественника И.В. Курчатова. Это пример того, как наука сразу же стала практикой, как она привела человечество к прогрессу. Слова Курчатова: Научный работник един в двух лицах: раб и прораб». Наряду с атомной энергетикой сразу появилась обслуживающая отрасль: это атомное машиностроение. Мощности атомных электростанций постоянно росли и сами станции становились более совершенными. Наряду с вопросами практического использования энергии решались многие научные проблемы. Так в атомградах вблизи АЭС повсеместно строились научно-исследовательские институты. Опытный реактор был построен в Димитровграде Ульяновской области. Ядерная энергетика поставлена на службу металлургической промышленности, ибо процессы в металлургии сопряжены с потреблением большого количества тепла, а его способна дать именно атомная электростанция. Выгода экономическая сопровождается экологической, так как исчезает проблема выбросов углекислого газа и сернистого ангидрида.
В этих вопросах дальше других продвинулись ядерщики Японии, за ними Германии. Перспективно применение атомного тепла и для производства цинка, алюминия, подземной газификации углей, при крекинге нефти, в нефтеперерабатывающей отрасли, в химической промышленности.
Однако, не всё так гладко складывается, как у Манилова в прожектах. Здесь наука физика в теории намного опередила практику. Грянувший в 90-х годах переворот и разрушение СССР быстро привели к нарушению важнейших народно-хозяйственных планов, а главное, к приватизации народного хозяйства СССР кланами капиталистов. Они поставили у руля своих людей и начали беспримерный по масштабам грабёж отраслей.
По этой причине в статье делается поворот на физические вопросы темы, которые не зависят от экономического строя и от преступлений государственной власти.
1). Баланс нейтронов в реакторе. Как решается вопрос о коэффициенте размножения нейтронов: геометрией реактора, величиной активной зоны, материалами защиты и стержней.
2). Быстрые и медленные нейтроны.
3). Теплоноситель. Выбор воды, понятно, обусловлен изученностью, простотой добычи, подвижностью, дешевизной. Необходимость держать высокое давление решается применением специальных сплавов на основе нержавеющей стали.
4). Охлаждение. Это тоже вода, которая циркулирует по трубкам, свёрнутым в традиционные радиаторы. Инженерные расчёты по этому вопросу сделаны самим Курчатовым, а также Доллежалем и Фейнбергом, физические процессы изучены и даны обоснованные расчёты Алёшенковым и Немировским. В США начали применять в этих целях жидкие металлические сплавы.
5). По мере эксплуатации возникли сложности при решении вопроса о том, что в реакторе появляются продукты горения, замедляющие нейтроны, например, ксенон и самарий. Вопрос был изучен группой самого Курчатова.
6). Тепловыделяющие элементы. Их конструкция поначалу не вызывала сомнений, однако они претерпели изменения в процессе работы реактора. После этого ни один из ТВЭЛов не вышел из строя за всё время эксплуатации АЭС.
7). Облучения и опасности смертельных случаев от контакта с радиоактивными элементами. Исследования советских учёных и объединённых проблемой доказали, что эти опасности не превышают аналогичных при использовании ГЭС и ТЭС, а гораздо меньше их.
8). Утилизация радиоактивных отходов. Следует признаться, что вопрос чрезвычайно трудно решить. Но ведь и прочие отходы не менее сложно складировать во всём мире. Есть проблема – нужно решать всей планетой, а не подсовывать отходы в страны третьего мира за взятки и откаты, как это делается сейчас.
9). Добыча ядерного топлива. Обогащение. У нас есть запасы урана в недрах. Есть технологии и научные разработки, как производить из урана – 238 уран -235, плутоний и торий.
10). Санитарные защитные зоны вблизи АЭС. Разве это проблема?! – Пустяк по сравнению с многочисленными прочими. Решать инженерной мыслью совместно с архитекторами и под строгим контролем общественности. Так и делается: территория, прилегающая к АЭС, вся разработана так, что находиться на станции и вблизи неё безопасно.
Эти и многие другие вопросы разрабатывались советскими учёными, которые делали атомную энергетику своими руками и умами вклад их в великое для человечества дело поистине огромен.
В середине 1951 года началось проектирование и строительство АЭС, в ней был уран-графитовый ядерный реактор конструкции, которая теперь стала известна каждому школьнику. Углерод, который нашёл здесь достойное применение благодаря своей кристаллической решётке и уникальным накопительным свойствам, недорог и повсеместно распространён в природе. В этом ещё одна заслуга советской науки. Некоторые свойства графита были выявлены после редкого опыта: была разобрана часть кладки после четырёх лет работы горящего ядерного топлива.
Первый ковш земли был поднят в сентябре 1951, а монтаж оборудования начали в октябре 1953 года. Март 1954 – закончен монтаж, май – начало загрузки. Июнь 1954 – начало энергетических пусков и запуск реактора в работу. Это Обнинск, СССР. 27 Июня 1954 года отмечается день рождения ядерной энергетики.
Далее началось шествие АЭС по просторам родины: Белоярская, Нововоронежская, Димитровградская, Ленинградская, Балаковская, Курская, Чернобыльская, Билибинская, Шевченковская и другие.
В данной работе совершенно не рассматривался вопрос об авариях на АЭС. Он за рамками, так как формат небольшой статьи узок для столь сложного общественно - значимого вопроса. Тем не менее, автор статьи целиком и без сомнения ЗА АЭС. Прогресса не остановишь. Неминуемые платы делает человек, вмешиваясь в природу силами своего разума. Повторяю: РАЗУМ! РАЗУМНОЕ ВМЕШАТЕЛЬСТВО! ОСТОРОЖНОСТЬ! БЕРЕЖНОСТЬ И АККУРАТНОСТЬ! НАУКА – ВПЕРЕДИ ДЕЙСТВИЙ!
Тогда ничего подобного Чернобыльской трагедии не случится.
Только развитие ядерной и термоядерной энергетики может обеспечить прогрессирующему человечеству любые потребные ему количества энергии, достаточное количество продуктов, чистый воздух и питьевую воду – таков магистральный путь развития энергетики будущего.