Энергия и ее превращения презентация

Энергия
потенциальная кинетическая
(U = mgh) (T = mv2/2)
работа
1 Вт = 1 Дж/с; 1 кВт = 103 Вт 1 МэВ = 106 эВ
1 МВт = 106 Вт 1 г угля ≈ 3⋅104 Дж
1 ГВт = 109 Вт
1 тут = 0.77 т.н.э. = 29 ГДж = 2.9⋅1010 Дж = 0.75⋅1010 кал

Промышленная революция

ДИНАМИКА РОСТА
Рост потребления энергии

Химическая энергия
C + O2 → CO2 + 4,2 эВ
Ядерная энергия деления
U + n → осколки + 200 МэВ
Ядерная энергия синтеза
d +t → 4He +n + 17,6 МэВ.
3He + n +3,3 МэВ.
d +d
t + p + 4,0 МэВ.
d + 3He → p + 18,3 МэВ.

ТЭЦ

Нововоронежская АЭС

Ресурсы топлива на Земле *)
*) Для оценок принято: масса литосферы на глубину 300 м равна ~1023 г, масса океана ~1024 г.

Виды энергии
тепловая
химическая (C + O2 CO2 + 4.2 эВ)
ядерная (U осколки + 200 МэВ)
Источники энергии сегодня
Уголь
Нефть
Газ
Ядра – деление

Тория на Земле в 3 раза больше, чем урана, поэтому доля запасов ядерного топлива возрастает до 97%, доля органического топлива снижается до 3%, а доля U-235 до 0,1%.
В этом балансе не учтена энергия синтеза изотопов водорода, которая потенциально в 10 раз превышает запасы ядерной энергии деления ядер.

Потребности в энергии
Мощность человека ≈ 120 Вт
На Земле сейчас живет ~ 7 млрд. человек = 7⋅109
Их общая мощность 120 Вт ⋅ 7⋅109 ≈ 0.8⋅1012 Вт
(Примерно так светит Луна в полнолуние)
К началу нашей эры мощность человека возросла до ~ 0.5кВт и в таком виде он прожил почти 2 тыс. лет - до начала промышленной революции.

Потребности в энергии
Индивидуальные ~ 120 Вт/чел. (с пищей)
К началу новой эры ~ 300 Вт/чел. (домашние
животные, рабы, и т.д.)
Промышленная революция ~ 500 Вт/чел.
Сегодня в мире ~ 2 кВт/чел.
В Европе ~ 6 кВт/чел.
В США ~ 12 кВт/чел.

2012

На протяжении 2000 лет рост населения N Земли аппроксимируется уравнением:
, где T0 =(173 ± 1)∙109 лет;
t0 = (2000 ± 1) лет;
τ = (45 ± 1) лет.
Демографический переход
t = t0 = 2000 г.

Точка перехода
т.е. в 2000 г.
N (t=t0) = 6∙109 чел./год
при t = t0 =2000 г.

Точка перегиба
Рост населения
Скорость роста
Млрд.
Млн.

World Population Growth, 1750–2150

Две группы людей
Численность населения – 1581млн.чел
Потребление первичной энергии 7.2 млрд.тнэ/год
ВВП- 50.2 $ трлн
Удельный ВВП
31700 $/чел
Удельное потребление энергии
~6 кВт/чел
Численность населения – 4895млн.чел
Потребление первичной энергии
3.1 млрд.тнэ/год
ВВП- 18.6 $ трлн
Удельный ВВП
3800 $/чел
Удельное потребление энергии
~0,5 кВт/чел
Развивающиеся страны
Развитые страны

Спрос на энергию в мире и возможности его удовлетворения за счет разных первичных энергоисточников

К настоящему времени сожжено половина известных запасов.
Анализ глобальных ресурсов нефти
Время жизни поколения,
родившегося в 1990 г.

Ф. Содди (1907 г.)
«Жизнь зависит, конечно, столько же от постоянного притока вещества, как и от постоянного притока энергии... Одно и то же вещество, одни и те же химические элементы служат неизменно для бесчисленных циклов жизни, но для них необходим непрерывный приток свежего запаса энергии... Одно и то же количество энергии в одних и тех же условиях работает только один раз. Борьба за существование в основе своей и есть непрерывная борьба за свежий запас физической энергии».
«Рано или поздно — но, разумеется, не в бесконечно отдаленном будущем — на Земле для пополнения естественного расходования энергии не останется ничего, кроме первоначальных запасов атомной энергии...»

Источники энергии в будущем
нефть - ~ 50 лет;
газ - ~ 100 лет;
уголь - ~ 500 лет;
ветровая,
приливная,
геотермальная –
ядерная (235U) – 100 лет;
ядерная (238U) - млн. лет
ядерная (232Th) -
термоядерная – перспективы туманны;
солнечная – наиболее желательна, но в далекой
перспективе;
Вывод: в обозримом будущем ядерная энергия – наиболее вероятный кандидат при условии решения ее основных проблем: безопасность и обращение с отходами.
Задача вашего поколения: решить эти проблемы.

СВОДКА ДАННЫХ
Мощность потока солнечной энергии,
достигающего поверхности Земли…….…………………..0,8⋅108 ГВт
Мощность фотосинтеза…………………………………....~ 2⋅105 ГВт
Биохимическая мощность человечества………………. ~ 0,8⋅103 ГВт
Необходимая для этого мощность фотосинтеза………….~ 2⋅104 ГВт
Мощность излучения недр Земли………………………….3,2⋅104 ГВт
Мощность энергетики мира………………………………..1,5⋅104 ГВт
Прогноз на середину века……………………………………3 ⋅104 ГВт
Прогноз на конец века…………………………….......…. …5 ⋅104 ГВт
Теоретический предел………………………………………...105 ГВт

Существуют ли пределы производства энергии?
5∙104 ГВт – это ~0,6∙10-3 от мощности потока
солнечного излучения, достигающего Земли
(0,8∙108 ГВт).
Но это сравнимо с потоком тепла из недр Земли
(3,2∙104 ГВт) и примерно на порядок превышает
разомкнутость цикла фотосинтеза (~10-4).

Человек и биосфера
До начала промышленной революции человек использовал только продукцию фотосинтеза, т.е. был включен в естественный цикл обмена веществ и энергии в биосфере.
С тех пор, когда в XVII веке он начал жечь ископаемое топливо он вышел за рамки этого цикла и начал его разрушать.
Наиболее известное нарушение – рост концентрации CO2 в атмосфере, которое может усугубить «парниковый эффект» и привести к необратимому повышению средней температуры Земли.

ФОТОСИНТЕЗ
CO2 + H2O + 8 hν → CH2O + O2 , Глюкоза: (CH2O)6
Поглощаются, в основном, красные лучи с длиной волны λ = 680 нм
(поэтому листья – зеленые).
Эффективность фотосинтеза………~ 0,3 %
Мощность фотосинтеза………………~ 2·1014 Вт
или ~ 1011 т сухой органики / год.
Все организмы – от бактерий до человека и животных – живут, используя энергию, запасенную в процессе фотосинтеза.
Разомкнутость цикла фотосинтеза ~ 10-4, т.е. ~ 107 т/год

Earth’s radiation budget

Тепловое загрязнение биосферы
Атомная энергия не генерирует CO2 и формально не может быть причиной «глобального потепления».
Правда, однако, состоит в том, что человек использует энергию не только для создания комфорта, но, главным образом, для преобразования природы: уже сейчас он изменил ~50% ландшафтов Земли, преобразовав леса и болота в пашни и луга. А это снизило продуктивность фотосинтеза в 2-3 раза, т.е. уменьшило поглощение CO2 из воздуха растениями.
Но это не единственная опасность бесконтрольного роста производства энергии: кроме загрязнения атмосферы избытком CO2 , окислами азота, серы, и т.д., которые неизбежны при росте энергетики на органическом топливе, существует еще одна опасность, общая для всех видов генерации энергии:
тепловое загрязнение биосферы

Тепловое загрязнение
Энергия W теплового излучения подчиняется закону
Стефана-Больцмана:
W = σT4
При возрастании W на величину ∆W
∆W = σ∙4T3∙ ∆T
∆W / W = 4∙∆T/ T
т.е. температура возрастает на величину
∆T = T/4∙ ∆W / W
при ∆W / W = 0,6∙10-3; ∆T = 1,5∙10-4∙T.
Средняя температура Земли Т = +15ºС = 288К,
т.е. ∆T = 0,04ºС.

ПАРНИКОВЫЙ ЭФФЕКТ
На Землю излучение Солнца приходит со средней температурой
Т = 5 780 К.
Земля излучает поглощенную энергию в инфракрасном диапазоне
со средней температурой +18ºС.
Без парникового эффекта равновесная температура Земли была бы равна - 15ºС.
Парниковый эффект обеспечивают, в основном, пары воды (их концентрация в атмосфере 0.3 %) и углекислый газ (концентрация 0.03%).
За последние 100 лет концентрация СО2 в атмосфере выросла на
~ 20%.
Предполагают, что это может стать причиной «глобального потепления».

Атомная энергия и
«глобальное потепление»
Атомная энергия не генерирует CO2 и формально не может быть причиной «глобального потепления».
Правда, однако, состоит в том, что человек использует энергию не только для создания комфорта, но, главным образом, для «преобразования природы»: уже сейчас он изменил ~50% ландшафтов Земли, преобразовав леса и болота в пашни и луга. А это снизило продуктивность фотосинтеза в 2-3 раза, т.е. уменьшило поглощение CO2 растениями и, следовательно, к росту его концентрации в атмосфере.
Именно в этом состоит главная опасность бесконтрольного роста
производства энергии.

Главный вопрос:
предел устойчивости биосферы к «тепловому загрязнению»?
Научного ответа на него пока нет.
Прогноз на конец XXI века:
∙ Население: …………………………..……~12 млрд. = 1.2·1010 чел.
∙ Потребление энергии на человека:…………………..~4 кВт/чел.
(Сегодня ~ 2 кВт/чел., 1/3 населения живет без электричества)
∙ Производство энергии:…………………………..……..~5 · 104 ГВт.
Или 0,06% от мощности солнечного излучения (8 ·107 ГВт), падающего не Землю
Много это или мало?
Разомкнутость процесса фотосинтеза ~10-4 (0,01%),
т.е. избыток энергии по сравнению с солнечной в 6 раз больше, чем природный баланс фотосинтеза.

Пределы устойчивости
Жизнь человека возможна только в воде (человек на 90% состоит из воды) в узком температурном интервале ~5ºС = 5·10-4 эВ.
На Венере вся вода испарилась (+400ºС), на Марсе – обратилась в лед (– 100ºС).
Жидкое состояние воды – метастабильная аномалия, которая поддерживается биосферой Земли.
Главная задача – не увеличение производства энергии, а сохранение биосферы, которая поддерживает метастабильное состояние Земли в космосе.
Земля
(+15ºС)
Марс
(-100ºС)
Венера
(+400ºС)

Задачи курса
Познакомить с основными понятиями ЯЭ.
Обрисовать научные основы ЯЭ.
Сформулировать главные проблемы современной ЯЭ.
Представить современные подходы к их решению.

КОНЕЦ

В долгосрочной перспективе – единственный выход – солнечная энергетика.
Поток ~160 Вт/м2
К.п.д. солнечных батарей ≤ 20%
С учетом ночных часов и облачных дней можно получить электрическую мощность:
~160 Вт/м2 ⋅1/4 ⋅0,2 ~ 10 Вт/м2.
Чтобы обеспечить ~1 кВт/чел. нужно покрыть фотоэлементами ~100 м2 крыши.
Этого достаточно, чтобы удовлетворить все бытовые потребности.
Но недостаточно для индустрии, где нужна значительно большая концентрация энергии.
Атомная энергия – это пауза, необходимая для решения проблемы использования солнечной энергии.

Термоядерный синтез
d + t → 4He (3,5 МэВ) + n (14,1 МэВ)
В бесконечном урановом бланкете термоядерный нейтрон дает:
1 деление (200 МэВ) и
2,7 ядра плутония (540 МэВ).
Итого ~750 МэВ - в 50 раз больше энергии термоядерного синтеза
(17,6 МэВ).
Для производства трития (в природе его нет) в реакции
n + 6Li → t + 4He
Надо затратить один нейтрон, т.е. потенциально ~200 МэВ.
ИТОГ:
Синтез⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅ ⋅17,6 МэВ;
Деление⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅200 МэВ;
Производство трития⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅ 200 МэВ;
Синтез + деление⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅ ⋅⋅⋅520 МэВ.
Поэтому «чистый термояд» без бланкета – это чистая химера.

Промышленная революция

Динамика роста мощностей АЭ в мире :
На сегодня в 33 странах мира работают 439 АЭС, с суммарной мощностью 372 ГВт.
ГВт(эл.)

Доля атомной энергии в выработке электричества в 2007 году. Источник: МАГАТЭ. Всего: 439 реакторов

Reactors Start to Spread in Waves