|
|
Электротехника Лекции. Закон Кулона напряженность электрического поля
Экологические проблемы ядерной энергетики. Наряду с преимуществами (компактность топлива, отсутствие выбросов углекислого газа и других оксидов и т.д.) ядерная энергетика оказывает вредное влияние на биосферу Земли.
АЭС представляют только один элемент ядерной энергетики. Ядерный топливный цикл включает добычу руды, извлечение из нее урана, переработку уранового сырья в ядерное топливо, выгорание топлива в ядерном реакторе, транспортировка и регенерацию топлива, безопасное и вечное хранение отходов ядерной энергетики.
Наиболее энергоемкий и затратный процесс в топливном цикле – захоронение
отходов.
МАГНИТОГИДРОДИНАМИЧЕСКОЕ ПРЕОБРАЗОВАНИЕ ЭНЕРГИИ (МГД-ГЕНЕРАТОРЫ).
МГД-генератор - энергетическое устройство, в котором энергия рабочего тела (жидкой или газообразной среды), движущегося в магнитном поле, преобразуется непосредственно (напрямую) в электрическую энергию.
Также как и в обычных машинных генераторах, принцип работы МГД- генератора основан на явлении электромагнитной индукции. Но, в отличие от машинных генераторов , в МГД-генераторе проводником является само рабочее тело, в котором при движении поперек магнитного поля возникают противоположно направленные потоки носителей разноименных зарядов. Рабочим телом МГД - генератора могут служить следующие среды:
а)электролиты, б)жидкие металлы, в) плазма.
В настоящее время в качестве рабочего тела применяют плазму, в которой носителями зарядов являются свободные электроны и положительно заряженные ионы, отклоняющиеся в магнитном поле от траектории, по которой газ двигался бы в отсутствие поля.
Согласно закона Фарадея, в проводнике, движущемся в магнитном поле, индуцируется ЭДС.
(12- 5)
При этом проводник может быть твердым, жидким или газообразным. Область науки, изучающая взаимодействие между магнитным полем и токопроводящими средами, называется магнитогидродинамикой .
МГД – генератор(рис.154) состоит из канала, по которому движется рабочее тело, системы электромагнитов для создания магнитного поля и электродов, отводящих полученную энергию. В рассматриваемой схеме между металлическими пластинами, расположенными в сильном магнитном поле, пропускается струя ионизированного газа, обладающего кинетической энергией направленного движения частиц. При этом в соответствии с законом электромагнитной индукции появляется ЭДС, вызывающая протекание электрического тока между электродами внутри канала генератора и во внешней цепи.
Рис.154 Схема работы МГД-генератора
Если какой-либо газ нагреть до высокой температуры (
30000С), увеличив тем самым его внутреннюю энергию и превратив в электропроводящее вещество (плазму), то при последующем расширении плазмы в рабочих каналах МГД-генератора произойдет прямое преобразование тепловой энергии в электрическую.
Между металлическими пластинами, помещенными в сильное магнитное поле, пропускается струя ионизированного газа (плазма). Скорость движения частиц – v. На электродах появляются избыточные заряды, что эквивалентно созданию на электродах ЭДС – индукции. При замыкании электродов на нагрузку по ней пойдет электрический ток. Причем, этот ток пропорционален
. (12-6)
Мощность МГД-генератора пропорциональна проводимости рабочего тела, квадрату его скорости и квадрату напряженности магнитного поля, т.е. P≈jV2B2. В свою очередь для газообразного рабочего тела в диапозоне температур 2000-3000С проводимость j
т11/р, где р- давление газа. Скорость потока плазменных частиц может изменяться в широких пределах от дозвуковых до сверхзвуковых. Индукция магнитного поля B=µ µ0 H определяется конструкцией магнитов и ограничивается значениями около 2тл=2000гс для магнитов со сталью и 6-8тл для сверхпроводящих магнитных систем.
Теоретически, существуют три направления промышленного применения МГД-генераторов:
тепловые электростанции с МГД-генератором на продуктах сгорания топлива (открытый цикл). Такие установки наиболее просты. Основное достоинство МГД- генератора состоит в отсутствии в нем движущихся узлов и деталей, что позволяет существенно повысить температуру плазмы и его КПД. Если после МГД- генератора поставить еще обычный турбогенератор, то КПД такой установки удается повысить до 50-60% (рис. ).
2. термоядерные электростанции безнейтронного цикла с МГД-генератором на высокотемпературной плазме.
3. циклы с МГД-генератором на жидком металле, которые перспективны для атомной энергетики и для энергетических установок небольшой мощности.
Рис.155 Принципиальная схема МГД-генератора с паросиловой установкой: 1-камера сгорания, 2-теплообменник, 3- МГД-генератор, 4- обмотка электромагнита, 5- парогенератор, 6- турбина, 7- генератор,8- конденсатор, 9-насос.
В камере сгорания сжигается топливо (рис.155) (дрова, уголь, нефть и т.д.), получаемые при этом продукты в плазменном состоянии направляются в канал МГД-генератора. Сильное магнитное поле создается мощными электромагнитами. Температура плазмы в канале генератора не ниже 20000С, а в камере сгорания 2500-28000С. При температурах в канале генератора ниже 20000С сильно снижается электропроводность плазмы и магнитогидродинамический эффект практически исчезает.
Энергетические установки с МГД -генератором могут применятся, также как резервные или аварийные источники энергии, для бортовых систем питания космической техники. Несмотря на заманчивые перспективы и бурное развитие исследований в области МГД-генераторов устройства на их основе пока не нашли широкого промышленного применения.
Проблемы:
Материалы в канале МГД- генератора должны выдерживать температуры до 30000С и агрессивные среды. При этом должны работать продолжительное время. Так, если для нужд ракетной техники такие материалы найдены, но они работают всего несколько минут, в то же время для энергетической установки материалы должны работать хотя бы несколько месяцев. Жаростойкость зависит не только от материалов, но и от среды. Так, например, вольфрамовая нить в электрической лампе при температуре 2500-28000С может работать в вакууме или среде нейтрального газа несколько тысяч часов, то при нарушении вакуума из- за влияния агрессивной среды эта нить сгорает за доли секунды.
Графит и окись магния подходят по ряду параметров ( жаростойкие и химически инертные), но эти материалы очень чувствительны к механическим напряжениям (механически не прочны).
Для работы МГД- генераторов необходимы сильные магнитные поля, которые можно получить огромные токи по обмотке. Во избежание сильного нагревания обмоток и потерь энергии в них сопротивление проводников должно быть по возможности наименьшим. Поэтому в качестве таких проводников целесообразно использовать сверхпроводящие материалы. Но здесь опять большие проблемы.
7. ТЕРМОЭМИССИОННЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ
В металлах содержится большое количество свободных электронов - около 6 1021 в 1см3.Внутри металла силы притяжения, действующие на электрон со стороны положительно заряженных ионов - сбалансированы . Если же электрон окажется вблизи поверхности , то на него начинают действовать силы, старающиеся вернуть электрон внутрь металла. Для преодоления этих сил необходимо сообщить электрону избыточную кинетическую энергию (рис.156). Увеличение кинетической энергии электрона возможно при нагревании металла. Явление выхода электронов из металла в результате его нагрева называется явлением термоэлектронной эмиссии.
Рис. 156 Возникновение результирующих сил, действующих на электрон в металле и вблизи его поверхности
Устройство простейшего термоэмиссионного генератора представлено следующим рисунком (рис.157).
Рис. 157 Устройство термоэмисионного преобразователя энергии
Электроны испаряются при нагреве из катода (1), вылетают из металла и движутся к аноду - и далее во внешнюю цепь, обеспечивая ток на нагрузке R. При этом часть тепловой энергии, расходуемой на нагревание катода, переносится электронами и отдается аноду, а другая часть энергии электронов выделяется во внешней цепи при протекании электрического тока. Чем меньше температура анода по сравнению с температурой катода, тем большая часть тепловой энергии превращается в электрическую. Если бы температуры катода и анода были одинаковыми, то преобразования энергии не было бы.
В энергетических термоэмиссионных генераторах для нагревания катода можно воспользоваться теплотой, получаемой в результате ядерной реакции.Схема ядерного термоэмиссионного генератора приведена на нижеследующим рис.158).
Рис. 158 1-защита, 2-охладитель, 3- анод, 4- вакуум,5 –катод, 6-ядерное горючее.
Т.е. для нагревания катода используется теплота, выделяемая при ядерной реакции. КПД таких преобразователей достигает примерно 20%. По прогнозам его можно довести до 40-50%.
Следует отметить, что при естественной радиоактивности возможно прямое преобразование ядерной энергии в энергию электрическую. Для этого используются β – лучи или поток электронов при распаде радиоактивных элементов (рис.159)
Рис.159 Схема прямого преобразования энергии радиации в электрическую: 1 – β – радиоактивный излучатель; 2 – металлическая ампула (анод); 3 – металлический сосуд.
8. СОЛНЕЧНЫЕ ЭЛЕКТРОСТАНЦИИ
Большинство возобновляемых видов энергии – гидроэнергия, энергия мирового океана, ветровая и геотермальная энергия – характеризуются либо ограниченным потенциалом, либо значительными трудностями широкого использования. Существует еще один возобновляемый источник Солнце.
Солнце, звезда – желтый карлик, средняя звезда по своим характеристикам: массе, радиусу, температуре. Но эта звезда имеет уникальную особенность – это «наша звезда», и человечество обязано всем своим существованием этой средней звезде. Наше светило поставляет за Землю мощность 1017Вт – такова сила «солнечного зайчика» диаметром 127 000км, который освещает обращенную к Солнцу сторону нашей планеты. Интенсивность солнечного света на уровне моря в южных широтах, когда Солнцев зените, составляет 1КВт/м2.
Для крупномасштабной электроэнергетики энергия Солнца, в настоящее время, едва ли пригодна:
Из-за малой удельной мощности солнечной радиации,
Из-за использования больших площадей земной поверхности,
Из-за дороговизны и больших материальных и трудовых затрат. ( стоимость 1КВт мощности с использованием солнечной энергии по грубым прикидкам порядка 10 000руб, в то же время с использованием ГЭС – 350руб, с использованием ТЭС – 200 руб.).
Главными направлениями работ в области преобразования солнечной энергии в настоящее время являются:
1. - прямой тепловой нагрев (получение тепловой энергии) и термодинамическое преобразование (получение электрической энергии с промежуточным преобразованием солнечной энергии в тепловую);
2. - фотоэлектрическое (прямое) преобразование солнечной энергии в электрическую.
Тепловой нагрев является наиболее простым методом преобразования и широко используется в южных районах России в установках солнечного отопления, снабжения горячей водой, охлаждения зданий, опреснения воды и т.д. Концентрация солнечной энергии осуществляется на гелиоприемнике с помощью плоских , сферических или параболлоидных зеркал. Вода или другая жидкость, находясь в контакте с поглотителем солнечной радиации, нагревается и при помощи насоса или естественной циркуляции отводится от него. Затем нагретая жидкость поступает в хранилище, откуда ее потребляют по мере необходимости. Подобное устройство напоминает системы горячего водоснабжения.
В солнечных элементах используется явление фотоэффекта, т.е. вырывание электронов из того или иного материала под действием света. Различают внешний и внутренний фотоэффект.
При внешнем фотоэффекте (рис.160), свет проникает в вакуумированный сосуд и освещает катод К, изготовленный из металла. Фотоны света выбивают из металла «связанные» электроны. В пространстве К-А появляются носители электрического заряда. Под действием электрического поля эти электроны перемещаются и попадают на анод. В результате электрического замыкания промежутка К-А во внешней цепи появляется электрический ток (фототок), который фиксируется гальванометром G или микроамперметром.
Рис.160 Схема для исследования зависимости фототока от напряжения и силв света
Согласно теории Эйнштейна фотоэффект объясняется следующим уравнением
(12-7)
где h=6,6 10-34Дж с – постоянная Планка.
При внешнем фотоэффекте электроны из металла вырываются и переходят в другую среду, в частности в вакуум. Кроме этого существует и внутренний фотоэффект, при котором в отличие от внешнего, оптически возбужденные электроны остаются внутри освещаемого тела. При этом в веществе изменяется концентрация носителей заряда или их подвижность, что приводит к изменению электропроводности вещества под действием света. Внутренний фотоэффект наблюдается только в полупроводниках и диэлектриках. На основе этого явления работают материалы, называемые фоторезисторами. В качестве фоторезисторов используются соединения кадмия (Cd) или свинца (Pb) с селеном (CdSe,PbSe) или серой (S) (СdS или PbS). Основу фотоэлемента с внутренним фотоэффектом составляет полупроводниковая структура с p-n переходом, возникающая на границе двух полупроводников с различными механизмами проводимости. Получают различные типы проводимости путем введения в полупроводник примесей. Так введенные в кристаллическую решетку кремния атомов (Ga,In) придают кремнию дырочную проводимость, а примеси (As, Sb) – обеспечивают в кремнии э
лектронную проводимость. Контакт p- или n- полупроводников приводит к образованию между ними контактного электрического поля. Возникновение контактной разности потенциалов обусловлено тем, что в силу односторонней проводимости полупроводников происходит пространственное разделение электронов и дырок. В монокристалле кремния возникает диффузионный поток электронов из полупроводника n-типа в полупроводник p-типа и, наоборот. В результате такого процесса прилегающая к p-n переходу p-типа заряжается отрицательно, а прилегающая к p-n переходу часть полупроводника n-типа, наоборот, приобретает положительный заряд. Таким образом, вблизи p-n перехода образуется двойной заряженный слой, который в дальнейшем препятствует процессу диффузии электронов и дырок.
При освещении полупроводника светом возбуждаются электронно-дырочные пары. В однородном полупроводнике фотовозбуждение увеличивает только энергию электронов и дырок, не разделяя их в пространстве. Для разделения носителей тока и появления фотоЭДС необходимо, чтобы полупроводник был неоднородным. Наиболее эффективное разделение имеет место в области p-n перехода (см. рис.161). Генерированные вблизи p-n перехода «неосновные» носители (дырки в n-проводнике и электроны в p-проводнике) диффундируют к p-n переходу, подхватываются полем p-n перехода и выбрасываются в полупроводник, где они становятся основными носителями. В результате полупроводник p-типа получает избыточный положительный заряд, а полупроводник n-типа – отрицательный. Между n- и p- областями возникает разность потенциалов – фотоЭДС.
Рис. 161 Схема работы солнечного фотоэлемента.
Электроны и дырки концентрируются на разных концах неоднородного полупроводника, вследствие чего и возникает ЭДС, благодаря которой на внешней нагрузке возникает электрический ток. Таким образом, достигается прямое преобразование световой энергии в электрическую.
Основные промышленно выпускаемые типы таких фотоприемников работают на основе селена, кремния, германия и ряда соединений – GaAs, InSb,CdTe . Фотогальванические элементы, используемые для преобразования солнечной энергии в электрическую, приобрели широкое применение в космических аппаратах как источники бортового питания. Они обладают относительно высоким КПД (до 20%), весьма удобны в условиях автономного полета космических аппаратов. Для повышения рабочего напряжения (с исходным напряжением отдельного элемента 1-2В) отдельные элементы соединяются последовательно в батарею.
Солнечную энергию из- за низкой плотности солнечной радиации и зависимости от состояния атмосферы (облачности) и времени года использовать затруднительно. Но возможно создание солнечных станций на искусственных спутниках (рис. 162 ). В этом случае солнечная энергия может аккумулироваться в течение 24 часов и, следовательно, не будет зависеть от облачности. Передача энергии на Землю должна в этом случае осуществляться по каналу УКВ (длина волны порядка 10см, частота ≈ 3000Мгц). Приемная антенна на Земле будет принимать этот пучок энергии, и затем энергия может быть преобразована в энергию промышленной частоты
Рис.162 Принципиальная схема СКЭС
9. ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЕ ГЕНЕРАТОРЫ
Химический источник тока (генератор) – это устройство, в котором химическая энергия напрямую превращается в электрическую. Основой работы химического генератора является химическая реакция взаимодействия окислителя и восстановителя. В процессе взаимодействия окислитель восстанавливаясь присоединяет электроны, а восстановитель, окисляясь отдает электроны.
Рассмотрим явления, происходящие при опускании цинкового (Zn) электрода в раствор сернокислого цинка (ZnSO4). Молекулы воды (H2O) стремятся окружить положительные ионы цинка в металле (см. рис.163). В результате действия электростатических сил положительные
Рис. 163 Расположение электрических зарядов вблизи цинкового электрода.
ионы цинка переходят в раствор сернокислого цинка. Этому переходу способствует большой дипольный момент молекул воды. По мере перехода положительных ионов металла в раствор появляется и увеличивается отрицательный потенциал на цинковом электроде, препятствующий дальнейшему растворению цинкового электрода. При некотором потенциале электрода наступает динамическое равновесие, т.е. два встречных потока ионов ( от электрода в раствор и обратно) становятся одинаковыми. Этот потенциал называют электрохимическим потенциалом металла относительно данного электролита.
1. Анод представляет собой цилиндр из цинка (Zn) , который служит оболочкой элемента.
2. Катод - графитовый стержень.
3. Активная масса (прессованная), содержит диоксид марганца (MnO2 + графитовая сажа +NH4Cl (хлорид аммония). Вся эта активная масса обернута полотном и перевязана ниткой.
4. Пространство между внутренней и наружной стенками цилиндра заполнено электролитической массой из муки и клееобразующих веществ + раствор NH4Cl + цинковый порошок.
Сверху элемент заливается смолой для герметизации.
Напряжение порядка 1,5В.
Основным окислительно-восстановительным процессом является химическая реакция
Zn + 2NH4Cl + 2MnO2→Zn (NH4)2Cl2 + Mn2O3 + H2O
т.е. работа элемента связана с растворением цинка и восстановлением диоксида марганца.
В конструкции сухого элемента отсутствуют жидкости и хрупкие стеклянные части. Со временем разрушается только цинковая оболочка.
Каждый окислительно-восстановительный процесс имеет начало и конец. Отработав определенное время, элемент истощается и его напряжение падает, один из электродов полностью растворяется. Например, растворяется цинковая оболочка и часть электролитной пасты может просочиться наружу.
Использовать в дальнейшем сухой элемент нельзя, хотя в нем еще есть металлы, соли, окислы и другие составные части.
Примером другой химической реакции является взаимодействие диоксида свинца (PbO2) и свинца в свинцовом аккумуляторе (применяемом в автомобилях), заполненном электролитом (25-30% водный раствор серной кислоты (H2SO4). При этом важным моментом является пространственное разделение процессов окисления и восстановления. Для этого создаются два электрода различной природы, погруженные в электролит. Электродами называют электронные проводники, имеющие вывод в аккумуляторе и контактирующие с электролитом.
Рассмотрим явления, происходящие при опускании свинцового (Pb) электрода в раствор серной кислоты (H2SO4) (рис.164). Ионы SO4 -2 стремятся окружить положительные ионы свинца в металле В результате действия электростатических сил положительные ионы свинца переходят в раствор серной кислоты. Этому переходу способствует большой дипольный момент иона SO42-. По мере перехода положительных ионов металла в раствор появляется и увеличивается отрицательный потенциал на свинцовом электроде, препятствующий дальнейшему растворению свинцового электрода. При некотором потенциале электрода наступает динамическое равновесие, т.е. два встречных потока ионов ( от электрода в раствор и обратно) становятся одинаковыми. Этот потенциал называют электрохимическим потенциалом металла относительно данного электролита.
Рис.164 Схема гальванического элемента.
На отрицательном электроде окисляется свинец
Ион свинца переходит в электролит, взаимодействует с ионом SO4 и осаждается на аноде в виде малорастворимого сульфата свинца PbSO4 .
На положительном полюсе восстанавливается диоксид свинца по схеме
PbO2 + 4H+ + 2e→ Pb2+ +2H2O
И образующиеся ионы Pb2+ осаждаются на поверхности катода в виде PbSO4.
Суммарной реакцией является реакция типа
Pb +PbO2 + 4Н+ +2SO42- → 2PbSO4 + 2H2O
В данной реакции восстановителем является - свободный металл, а окислителем - ионы четырехвалентного свинца Pb+4, входящие в состав диоксида свинца. Они обмениваются между собой электронами и образуются ионы двухвалентного свинца Pb+2. Различие в электродном материале, а значит и разность электродных потенциалов постепенно уменьшаются. Если этот процесс будет идти до конца, она исчезает совсем. Но этого мы не допустим. После работы в течение определенного времени аккумулятор надо зарядить.
При зарядке он играет роль потребителя электрической энергии. Подключим его к клеммам выпрямителя тока и заставим те же самые процессы протекать в обратном направлении. На одном электроде восстанавливается свинец с нулевой валентностью (металл), а на другом - четырехвалентный.
Свинцовый аккумулятор прост в эксплуатации и обладает устойчивым режимом работы. Его напряжение 2В. Конструируют аккумуляторные батареи, содержащие 2, 4, 6, 8 и более ячеек. Такие батареи используют в двигателях внутреннего сгорания, электромобилях и т.д. Удобно работать с такими батареями. Нет ни дыма, ни выхлопных газов.
10. ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ГЕНЕРАТОРЫ
Если взять два разнородных металла, сварить (спаять) их концы, а два других конца присоединить к миллиамперметру, то при нагреве места спая металлов прибор покажет наличие тока в цепи. Совокупность пары металлов, используемая в данном случае, называется термопарой или термоэлементом. Появившийся в цепи ток называется термоэлектрическим, а эдс, порождающая этот ток, называется термоэдс.
Таблица .
Термоэдс в вольтах некоторых пар металлов при разности температур спая и окружающей среды в 1000С.
Знак (+) в таблице означает , что ток идет через нагретый спай от первого металла ко второму.
Принцип работы термоэлемента основан на эффекте Зеебека. Качественно его можно объяснить тем, что средняя энергия свободных электронов различна в разных проводниках и по-разному увеличивается с повышением температуры. Если вдоль проводника существует перепад температур, то возникает направленный поток электронов от горячего спая к холодному, вследствие чего у холодного спая образуется избыток отрицательных зарядов, у горячего – избыток положительных. Этот поток более интенсивен в проводниках с большей концентрацией электронов. В простейшем термоэлементе (термопаре), замкнутая цепь состоит из двух проводников с разными концентрациями электронов и спаи поддерживаются при разных температурах, возникает электрический ток. Если цепь термоэлемента разомкнута, то накопление электронов на холодном конце увеличивает его отрицательный потенциал до тех пор, пока не установится динамическое равновесие между электронами, смещающимися к холодному концу, и электронами, уходящими от холодного конца под действием возникающей разности потенциалов. Чем меньше электропроводность материала, тем меньше скорость обратного перетока электронов, тем , следовательно, выше эдс. Поэтому полупроводниковые материалы более эффективны, чем металлы.
В настоящее время широко ведутся исследования по созданию полупроводников, работающих при повышенных температурах (500 – 10000С).
Из всех устройств, непосредственно преобразующих тепловую энергию в электрическую, термоэлектрические генераторы относительно небольшой мощности применяются наиболее широко.
Основные достоинства термоэлектрических генераторов:
Отсутствуют движущиеся части;
Нет необходимости в высоких давлениях;
Могут использовать любые источники теплоты;
Имеется большой ресурс работы.
В качестве источников энергии термоэлектрические генераторы широко используют в космических объектах, ракетах, подводных лодках, маяках и других электрических установках.
В зависимости от назначения термоэлектрические генераторы могут преобразовывать в электрическую энергию теплоту, получаемую в атомных реакторах, энергию солнечной радиации, энергию органического топлива и т.д.
11. ГЕОТЕРМАЛЬНЫЕ ЭЛЕКТРОСТАНЦИИ
Строение земного шара можно схематично представить так: земная кора -глубина от 7 до 130км; мантия -простирается на глубину до 3000км; ядро Земли.
Установлено, что с увеличением глубины температура земных слоев повышается. Так на глубине: 50км ----температура 700-8000С; 1 000км --- 1700-25000С; 3 000км ----2000-47000С, т.е. на каждые 30-40м вглубь температура повышается примерно на 10С.
Тепло в земных недрах обусловлено ядерными реакциями.
Под геотермальной энергией понимают тепло глубинных слоев Земли, имеющих температуру, превышающую температуру воздуха на поверхности. В качестве носителей этой энергии могут выступать как жидкие флюиды (вода или пароводяная смесь) , так и сухие горные породы, расположенные на соответствующей глубине. Из горячих недр Земли на ее поверхность постоянно поступает тепловой поток, интенсивность которого в среднем составляет 0,03Вт/м2. Под воздействием этого потока возникает геотермический градиент. В большинстве мест он составляет не более 2-30С/100м. Известно, что в среднем на каждые 30-40м вглубь Земли температура возрастает на 10С. Следовательно, на глубине 3-4км вода закипает, а на глубине 10-15км температура Земли достигает 1000-12000С.
Однако в местах молодого вулканизма, вблизи разломов земной коры геотермический градиент увеличивается в несколько раз и уже на глубинах несколько сот метров, находятся либо сухие горные породы, нагретые до 1000С и более, либо запасы воды или пароводяной смеси с такими температурами. Эти районы наиболее благоприятные для сооружения геотермальных станций. Так, в Новой Зеландии на геотермальных станциях вырабатывается 40% всей электроэнергии, в Италии -6%.
В России , такие районы как Камчатка и Курильские острова, также являются выгодными для создания геотермальных электростанций.
Рис.165 Принципиальная схема геотермальной электростанции
Рабочим телом в паровой турбине может быть водяной пар, получаемый непосредственно из геотермального флюида. Для производства электроэнергии с приемлемыми технико-экономическими показателями температура геотермального флюида должна быть, как правило, не нижу 1500С, в то время как для целей прямого теплоснабжения пригодны флюиды и более низкими температурами (30-1000С). В определенных условиях неглубоко залегающие термальные воды с температурой 30-400С могут эффективно использоваться как источник низкопотенциального типа в теплонасосных станциях теплоснабжения.
Основные проблемы геотермального теплоснабжения связаны с солеотложением и коррозионной стойкостью материалов и оборудования, работающих в условиях агрессивной среды.
В настоящее время геотермальные источники больше используются для теплоснабжения, чем для выработки электрической энергии. Это объясняется как техническими трудностями в работе геотермальных электростанций, так и высокой стоимостью их в расчете на единицу установленной мощности.
На Камчатке работает Верхне-Мутновская ГеоЭС мощностью 12 МВт.
12. ТЕРМОЯДЕРНАЯ ЭНЕРГЕТИКА
Известно три агрегатных состояния вещества - газ, жидкость и твердое тело. Но существует и 4-е агрегатное состояние - плазма. В этом состоянии система состоит из электронов и положительно заряженных ионов с концентрацией ne≈nионов. Т.е. концентрация электронов и ионов в плазме примерно одинакова и ее объемный заряд, как и в металле, равен нулю.
Наиболее часто плазма встречается в космических телах. Основная масса вещества космоса практически полностью ионизирована вследствие высокой температуры и действия различных излучений. В частности, Солнце полностью состоит из плазмы. Верхние слои земной атмосферы (ионосфера) также представляют собой плазму.
Плазма как сильно ионизированный газ имеет большое сходство с обычными газами и подчиняется многим газовым законам. Однако между плазмой и обычным газом существуют и радикальные отличия. Они особенно резко проявляются тогда, когда имеется внешнее магнитное поле. В этом случае на заряженные частицы действует сила Лорентца (F = qVB). Эти силы не действуют в газе с нейтральными молекулами H2O, O2, N2, CO2, Ne, He и т.д.
Другое отличие заключается в том, что ионы и электроны в плазме сильно взаимодействуют между собой из-за проявления силы Кулона F = q1 q2/r2..
Оба эти обстоятельства в сочетании с высокой электропроводностью плазмы ( для обычного газа электропроводность нулевая) приводят к тому, что свойства плазмы и уравнения ее движения при наличии магнитного и электрического полей резко отличаются от свойств обычных газов.
Изучение законов движения плазмы, рассматриваемой как особого рода жидкости с высокой электропроводностью составляет предмет магнитной гидродинамики плазмы и имеет большое значение для понимания астрофизических процессов и явлений, а также для создания управляемых термоядерных реакций.
Плазму, возникающую при газовом разряде называют газоразрядной, а плазму, возникающую вследствие высокой температуры вещества, называют высокотемпературной.
В естественных условиях в звездах и на Солнце протекают термоядерные реакции при высоких температурах. В земных условиях плазма образуется при электрических разрядах (молния, электрическая дуга между электродами при сварке), в процессе горения (горящие дрова, спичка, и т.д.) и взрыва вещества, в МГД-генераторах и пр. На Земле высокая температура, необходимая для осуществления реакции синтеза легких элементов, может быть получена, например, при взрыве атомной бомбы, Взрыв атомного «капсуля» создает условия для начала реакции термоядерного синтеза – температуру до 100 млн. градусов и давление в миллионы атмосфер. Практически мгновенная реакция синтеза происходит в водородных бомбах. Это пример неуправляемой термоядерной реакции. Внутри водородной бомбы сначала взрывается находящийся внутри оболочки заряд-инициатор термоядерной реакции ( небольшая атомная бомба) в результате чего возникает нейтронная вспышка и создается высокая температура, неоюбходимая для инициирования термоядерного синтеза. Нейтроны бомбардируют мишень из соединения дейтерия с литием. Изотоп лития Li6 по действием нейтронов расщепляется на гелий и тритий. Т.е. атомный запал создает необходимые для синтеза материалы непосредственно в самой водородной бомбе. Затем начинается термоядерная реакция в смеси дейтерия с тритием, температура внутри бомбы стремительно нарастает, вовлекая в синтез все большие и большие количества водорода. При дальнейшем повышении температуры начинается реакция между ядрами дейтерия. Все реакции протекают настолько быстро, что воспринимается как мгновенные реакции.
Задача состоит в получении непрерывной управляемой реакции синтеза, что возможно при следующих условиях:
Топливо должно быть чистым и состоять из легких ядер (например, дейтерий 1Д2 и 1Т3 – изотопы водорода), Дейтерий (его процентное содержание в обычной воде до 0,015%), но в объеме мирового океана это горючее практически неисчерпаемо. Тритий проще всего получать для термоядерной реакции прямо на термоядерной станции, облучая изотоп лития нейтронами, т.е. 3Li6+0n1 = 2He4 + 1T3;
Плотность топлива должна быть не менее 1015 ядер в 1см3;
Температура должна быть не менее 100млн. градусов и не более 1млрд . градусов по Цельсию Температура порядка 108 0С или 100 000 000 градусов);
Максимальная температура топлива при соответствующей плотности должна удерживаться на протяжении десятых долей секунды.
Рис. 166 Схема реакции синтеза легких ядер
Реакция синтеза
1D2+ 1T3 = 2He4 + 0n1 + 17,6Мэв (12-8)
или
1D2 + 2Не3 →2Не4 +1р1 + 18,3Мэв. (12-9)
В результате реакции синтеза дейтерия с тритием (рис. 166) образуется ядро гелия и нейтрон и выделяется энергия, что составляет приблизительно 3,5Мэв/нуклон. Для сравнения , при делении ядер урана высвобождается приблизительно 0,85Мэв/нуклон.
Получение энергии за счет синтеза ядер обладает рядом преимуществ :
Используется дешевое топливо с пракически неисчерпаемыми запасами;
Исключаются аварии ядерных установок наподобие аварий при возникновении неуправляемой реакции деления ядер (типа Чернобыльской АЭС);
Получаются нетоксичные и нерадиоактивные конечные продукты термоядерного синтеза;
Непосредственно преобразуется энергия заряженных частиц, из которых состоит высокотемпературная плазма, в электрическую энергию. При этом могут быть получены высокие значения КПД до 90% , что позволит сократить тепловое загрязнение окружающей среды.
|
|
|
Скачать 39.64 Mb.