Топливо будущего Гелий-3

Сб, 10/03/2015 - 21:40

Оценка существующего энергетического потенциала

Исходя из звучных заявлений экспертов — в этом столетии человечество неизбежно столкнется с энергетической проблемой, не имевшей аналогов в прошлом. Она связана с вероятным исчерпанием природных ресурсов нефти и газа, занимающих сегодня 60…80% в мировом энергобалансе. Пессимисты говорят о том, что уже через 20 лет дефицит нефти и газа возьмет человечество за горло. Оптимисты называют 50 лет. Разница невелика. Существуют разные оценки, но в любом случае углеводородное топливо при современных объемах потребления будет исчерпано до конца XXI в.

Возможности замещения нефти и газа в энергобалансе уже сегодня известны, и технически проработано немало альтернативных источников энергии, и это, прежде всего солнечный свет. Эффективность соответствующих гелиоэнергетических установок постоянно увеличивается. Они применимы, например, для отопления домов. Имеют определенные перспективы возобновляемые биологические ресурсы, а также специальные биохимические устройства на основе того же фотосинтеза. Большой потенциал заключен в движении водных и воздушных масс. Роль гидроэнергетики, ветровых генераторов, термоустановок, использующих внутреннее тепло Земли, имеет тенденцию к возрастанию. Однако даже в совокупности перечисленные варианты далеко не обеспечат полного замещения углеводородного топлива. Главный недостаток большинства из них в том, что они рассчитаны на потребление рассеянной энергии с малой удельной мощностью. Аккумулирование ее требует больших поверхностей или объемов энерговоспринимающих устройств. Значит, даже при теоретически больших ресурсах реальная возможность применения этих источников ограниченна. Правда, есть еще уголь. Его хватит лет на двести, но его сжигание связано с большой экологической нагрузкой для Земли. Да и топливная эффективность относительно мала. Поэтому, хотя в ежегодной мировой добыче уголь (4,9 млрд. т) по массе превосходит нефть (3,8 млрд. т), его доля в энергетическом балансе вчетверо меньше. И если покрывать хотя бы половину мировой потребности в энергии за счет угля, то доступные источники будут исчерпаны в течение 50…60 лет.

По оценке председателя Комитета по возобновляемым источникам энергии Российского Союза НИО Павла Безруких, доля возобновляемой энергии (то есть энергии, которую получают от ветра, приливов, солнечного света) во всем мире составляет около 11%. По прогнозам экспертов, к 2040 году эта доля может увеличиться до 47%. Эта цифра выглядит сейчас фантастической только на первый взгляд — за последние 5 лет доля использования возобновляемой энергии возрастает с каждым годом на 30-50% по отношению к предыдущему году. Уже сейчас в Германии получают 17 гигаватт от источников возобновляемой энергии, в Испании — 8, в США — 6, в Индии — около 3,5 гигаватт. В России, которая весьма богата и нефтью, и газом, вопрос о возобновляемой энергии актуален и сейчас, даже при наличии все еще больших запасов сырья. К примеру, на Крайнем Севере большую половину электроэнергии получают от дизельных электростанций, хотя эффективность использования там ветряных установок очевидна.

Принципиальное разрешение проблемы может дать только ядерная энергия. Сегодня в мировом балансе она составляет 17%. Но развитие атомной отрасли сдерживается ее главными недостатками: необходимостью захоронения радиоактивных отходов, отработавших реакторов и конструкционных материалов, катастрофическими последствиями возможных аварий. Вместе с тем запасы урана-235 ограниченны. Правда, разработка технологий ядерного деления на быстрых нейтронах позволит перейти от использования редкого изотопа урана-235 к более чем в 100 раз распространенному урана-238, а также к использованию тория. На определенный период это снимет дефицит источников делящихся материалов. Но бич этих технологий — радиоактивные отходы — останется. Их захоронение уже сейчас представляет существенную проблему. Массовое развитие атомной энергетики, основанное на делении тяжелых ядер, неизбежно имело бы катастрофические последствия для экологии. Поэтому такой вариант не может рассматриваться как окончательный или даже долговременный.
Гелий-3

Гелий-3 (3He) — один из изотопов (разновидностей) гелия, в ядре атомов которого в отличие от обычного гелия один нейтрон, а не два. Природный гелий-3 составляет 0,000137%. Общее количество его в атмосфере Земли оценивается в 35 000 тонн. Изотоп гелия постоянно улетучивается из атмосферы в космос и не появляется в процессах радиоактивного распада (за исключением распада элемента трития). Большая часть гелия-3 на Земле сохранилась еще со времен ее образования. Он растворен в мантии Земли и постепенно поступает в атмосферу через вулканы и разломы в коре и оценивается всего в несколько килограмм в год. Некоторая часть гелия-3 возникает при распаде трития, в реакциях на литии (под действием альфа-частиц и космических лучей), а также поступает из солнечного света. На Солнце и в атмосферах планет-гигантов первичного гелия-3 значительно больше, чем в атмосфере Земли. В лунном реголите гелий-3 постепенно накапливался в течение миллиардов лет от воздействия солнечного ветра. В результате тонна лунного грунта содержит 0,01 г гелия-3; это значительно выше, чем в земной атмосфере.

Отсутствие атмосферы на Луне позволяет сохраниться большому количеству гелия-3, в то время как на Земле его исчезающе мало. Оптимистические расчеты показывают, что его можно добывать на Луне, чтобы потом возить на Землю и использовать в термоядерных реакциях. По расчетам этот изотоп, возможно, будет эффективно использовать в разработанных реакторах, которые, как предполагается сейчас, будут работать на принципах управляемого термоядерного синтеза. Реакция будет происходить без испускания нейтронов, что не должно повлиять на увеличение радиационного фона и безопасно для здоровья человека. Анализы образцов лунных почв показали, что в поверхностном слое спутника его содержится более миллиона тонн. Входящие в состав гелия-3 элементы слабо связаны в лунном грунте, поэтому он начинает выделяться уже при нагреве выше 200 градусов Цельсия. Лунные запасы потенциальной тепловой энергии более чем в десять раз превышают имеющийся сейчас у человечества ресурс ископаемого топлива.

Сейчас гелий-3 производят на радиохимических предприятиях в количествах, исчисляемых тысячами литров в год: так, его промышленное производство в США составило около 8 тысяч литров в 2010 году при стоимости порядка 2150 долларов за литр. Используют гелий-3, главным образом, для наполнения газовых счетчиков, применяемых для детектирования нейтронов, — это наиболее распространенный метод измерения нейтронного потока.
Теоретически при термоядерном синтезе, когда в реакцию вступает 1 тонна гелия-3 с 0,67 тоннами дейтерия, высвобождается энергия, эквивалентная сгоранию 15 млн тонн нефти, однако на настоящий момент не изучена техническая возможность осуществления данной реакции.

Другие материалы рубрики


  • ...В 1949 году О. А. Лаврентьев предложил плазменное решение проблемы синтеза легких ядер в виде электростатической ловушки, однако на тот момент плазма оказалась наименее исследованным состоянием вещества и каждый раз преподносила новые «сюрпризы». Как правило, эти неприятные «подарки» представляли различного рода неустойчивости, приводившие к срыву необходимых режимов работы установок. Осуществление в 1951 году неуправляемой термоядерной реакции в земных условиях в ходе испытательного взрыва водородной бомбы стимулировало проведение исследований, связанных с управляемым термоядерным синтезом (УТС), как источником энергии. Систематические исследования проблемы УТС начались примерно одновременно в Англии, СССР и США в обстановке глубочайшей секретности, так как предполагалось, что их результаты могут найти применение в военных целях. Такие исследования, постепенно приближая решение задачи УТС, привели к развитию целого ряда «побочных» плазменных технологий, которые используются сейчас повсеместно.

    • Страницы
    • 1
    • 2
    • 3


  • Экспоненциальный рост населения и истощение природных ресурсов заставляют ученых придумывать самые невероятные проекты по спасению планеты. Один из них — космические электростанции, передающие на Землю энергию Солнца посредством микроволнового излучения. Технология эта не столь фантастична, как может показаться на первый взгляд.
    Вполне возможно, что лет через тридцать на геостационарной орбите обоснуется группировка объектов, каждый из которых будет подозрительно напоминать «Звезду смерти». Необъятные зеркальные крылья, нечто вроде электромагнитной пушки и наземная приемная антенна километров десять в диаметре — так будет выглядеть система глобального энергоснабжения.
    Вернее, такой ее представляли конструкторы еще в 1970-х. И уже тогда это не было научной фантастикой! В связи с энергетическим кризисом американское правительство выделило $20 миллионов агентству NASA и компании Boeing на проработку проекта гигантского спутника SPS (Solar Power Satellite).



  • Ситуация с термоядерной энергетикой сегодня довольно любопытна и имеет общие черты с начинавшейся некогда «космической гонкой». Открытие способа, открывающего доступ к неограниченному источнику энергии, казалось бы, уже «витает в воздухе». Уже всерьёз проектируются термоядерные электростанции. Уже почти видна финишная ленточка и вопрос лишь в том, кто успеет раньше. Руководители развитых государств ревностно следят за «успехами» конкурентов в этой области и боятся остаться «не солоно хлебавши». Эти страхи умело эксплуатируют крупные исследовательские центры, работающие по данной проблеме, добиваясь щедрого финансирования. Вот-вот и пресса возвестит об открытии века...



  • Еще с незапамятных времен люди использовали энергию ветра.
    Первоначально человек научился преобразовывать кинетическую энергию воздушного потока (ветра) в механическую. Появилось огромное разнообразие ветряных мельниц, значительно облегчивших жизнь людей того времени.
    Идея ветрогенератора для выработки электрической энергии с использованием энергии ветра появилась чуть более 100 лет назад.
    Пытливая мысль изобретателей создала огромное разнообразие конструкций ветроустановок:
    — по расположению оси вращения лопастей (горизонтальная, вертикальная, наклоненная);
    — по количеству лопастей (одна, две, три и более);
    — по мощности (от десятков Ватт до нескольких МВатт);
    — по форме лопастей, по конструкции генераторов и т.д.

    • Страницы
    • 1
    • 2


  • Чтобы получать тепло из снега, дождя и, что реже, града, нужен АТМОТЕРМ. Это устройство относится к стационарным приборам для нагревания текущих сред, использующий при прохождении данного процесса тепловой эффект экзотермической реакции образования гидроксида кальция из СаО, которая проходит при утилизации снежного покрова на месте его образования.
    Область применения устройства – генерация тепловой энергии для обогрева стен жилых и нежилых помещений, используя атмосферные осадки.
    Исследуя решения в данной области, мы не найдем наверняка устройства, объединяющего в себе функции переработки атмосферных осадков и обогревателя, работающего без подвода электроэнергии, при этом являясь таким экономичным, как атмотерм (экономичность смотрите дальше). Решения, предлагаемые другими авторами (смотри ниже) имеют ряд недостатков: потребляемость большого количества электроэнергии, узкая направленность технологий – только утилизация снега или только генерация тепловой энергии, сложность устройства, лежащее в наличии большого количества комплектующих компонентов, таких как ИК-излучатели и другие подобные устройства.

    • Страницы
    • 1
    • 2


  • В начале нового тысячелетия почти весь мир столкнулся с новой, весьма болезненной проблемой — истощением топливных запасов планеты. Ученые с каждого угла кричали, что через 30 лет на земле не останется ни капли нефти. Но прошло уже 10 лет, и эти крики понемногу улеглись. Были найдены новые месторождения в Саудовской Аравии, в России разведали новые, огромные запасы сибирской и заполярной нефти. Единственная проблема — добраться до них, но учитывая сегодняшнюю стоимость «черного золота» на мировом рынке, это не будет составлять особого труда.
    Но беда, как известно, не приходит одна. С топливной проблемой пришла проблема загрязнения окружающей среды обитания человека. Продукты сгорания бензина и дизтоплива стали настолько насыщать атмосферу Земли, что экологи забили тревогу. Их главный девиз — «Парниковый эффект!» К сожалению, они до сих пор не могут определиться, чем он грозит нашей планете — глобальным потеплением или новым ледниковым периодом. Впрочем, одно не исключает другое. Сначала довольно сильно потеплеет, арктические льды растают, опять понизят температуру, но настолько сильно, что 2/3 суши (по самым пессимистическим прогнозам) покроется снегом и льдом.
    Что же делать? Отказаться от автомобильного транспорта и вообще от использования нефти и нефтепродуктов? В данный исторический отрезок времени это даже не теория, а какая-то фантазия Гринписа, если не сказать больше. Но нам надо как-то сберечь природу и при этом не нанести вреда экономике, как в мировом масштабе, так и в масштабе отдельной страны. И тут, к огромной радости почти всех экологов (почему почти — будет сказано ниже) на мировую топливную арену семимильными шагами выходит новое горючее — биодизель.

    • Страницы
    • 1
    • 2
    • 3


  • Теперь уже никто не сомневается, что в расстрельные 30-е годы прошлого века ничего прогрессивного в России существовать не могло. Старшее поколение стыдливо молчит, поскольку высказывать иную точку зрения ныне считается непатриотичным. А постперестроечное вообще не ведает, что в основе многих модных сейчас инновационных проектов лежат неосуществленные мечты почти восьмидесятилетней давности. Примером может служить история со сгущенным бензином.

    • Страницы
    • 1
    • 2


  • Ветры бывают самые разнообразные: это и дующий десятки минут легкий бриз, и глобальные ветра — но все они существуют за счет солнечного нагрева планеты. Важными факторами влияния на атмосферную циркуляцию воздуха являются разность обогрева между экватором и полюсами, а также вращение нашей планеты, называемое эффектом Кориолиса. Сезонные колебания в скорости и направлении ветра являются результатом сезонных изменений из-за относительного наклона оси вращения Земли к Солнцу, которое, в свою очередь, изменяет паттерны разности обогрева. Ежедневные различия в обогреве атмосферы вызваны различным нагревом локальных областей поверхности земли, например, суши и океана. Еще движение воздуха осложняется целым рядом факторов глобального масштаба, таких как вращение Земли, а также сушей, горными хребтами и холмами, растительностью, океанами, морями и озерами. Из-за трения о поверхность земли, растительность и здания скорость ветра возрастает с увеличением высоты над поверхностью земли.

    • Страницы
    • 1
    • 2
    • 3
    • 4


  • Непредельные углеводороды в небольшом количестве (около 5%) являются практически единственным не содержащимся в природной нефти классом соединений, образующимся в заметных количествах при проведении процесса на кобальтовых катализаторах. Их содержание в нефти не нормируется, а их получение является одной из основных целей нефтехимической переработки природной нефти.
    Таким образом, по всем показателям, определяемым стандартом, СЖУ (синтетические жидкие углеводороды) могут быть отнесены к наиболее ценным сортам нефти. С экономической точки зрения наиболее рациональным использованием СЖУ была бы их раздельная транспортировка с промыслов как более ценного и дорогостоящего продукта, особенно с точки зрения отсутствия серосодержащих соединений и высокой концентрации легких (светлых) фракций.

    • Страницы
    • 1
    • 2


  • ...В современных ВЭС воплощено множество технических идей, отвечающих последним достижениям науки. Вот далеко не полный перечень уникальных систем и механизмов, обеспечивающих эффективную и безопасную работу ветроэлектростанций: система динамического изменения угла атаки (изменяет угол заклинивания лопастей, удерживая тем самым нужный угол атаки); система динамического регулирования скорости вращения ветроколеса в зависимости от нагрузки и скорости ветра (выбирает оптимальный режим работы); система управления рысканием  — электронный флюгер (поворачивает гондолу с ВЭУ по особому закону с учетом доминирующего направления ветра, его порывов и турбуленции); система оперативного регулирования магнитного скольжения асинхронного генератора (используются усовершенствованные асинхронные генераторы с ротором «беличья клетка»)...

    • Страницы
    • 1
    • 2
    • 3
    • 4
    • 5