1.4. Способы и технологии получения энергии

Знаменитый ученый-теоретик автор теории относительности А. Эйнштейн, обладая непревзойденным даром научного предвидения, в начале прошлого века сделал вывод о единстве энергии и массы, рассматривая их как две формы существования материи. Для количественной оценки связи между ними он предложил на редкость простое уравнение

E=m c² ,

где c- скорость света, равная 300000 км/с.

Определим энергию, которая будет эквивалентна массе вещества в 1 кг

Е=1*(3·10⁸)² кг м² с^-2=9·10¹⁶ Дж.

Теперь найдем массу условного топлива, при сгорании которого выделится такое же количество энергии. Для этого разделим полученное число на 4187 и определим число килокалорий, а затем на 7000 и найдем массу топлива в кг

М=9·10¹⁶/(4187·7000)=3071· 10⁶ кг у.т.=3,07 ·10⁶ т у.т.

Для наглядности оценим эту массу топлива числом железнодорожных составов, полагая, что каждый содержит 50 вагонов загруженных на 60 тонн. Несложный расчет показывает, что 1 кг массы по содержанию энергии эквивалентен 1000 составов с органическим топливом. В соответствии с полученным результатом оказывается, что нескольких сотен килограммов вещества хватит для того, чтобы обеспечить все годовые потребности страны в энергии.

Парадокс заключается в том, что полученная расчетом энергия может быть выделена только в случае полного исчезновения 1 кг массы и превращения ее в энергию. Известные сегодня технологии получения энергии характеризуются потерей лишь малой доли ∆m массы m, участвующей в технологическом процессe.

Очевидно, отношение ∆m/m может использоваться для оценки эффективности различных технологий получения энергии.

Наиболее эффективная из известных сегодня технологий имеет ∆m/m=0,007, т.е. из 1 кг массы, участвующей в процессе, теряется всего 7 граммов, но полученная при этом энергия эквивалентна 7 составам с условным топливом. Это технология термоядерного синтеза, в которой участвуют ядра легких элементов, способные при высоких температурах в миллионы градусов, преодолев силы отталкивания, объединяться в атомы более тяжелых элементов. При таких температурах вещество находится в виде плазмы, т.е. состоит из ядер и электронов. Термоядерная реакция происходит на солнце и является неиссякаемым источником энергии.

В земных условиях неуправляемая термоядерная реакция осуществлена на основе объединения тяжелых изотопов водорода – дейтерия и трития с образованием гелия. Над созданием установки для управляемой термоядерной реакции ученые мира работают уже несколько десятков лет, но пока оптимистических результатов не получено.

Сегодня для получения энергии в промышленных объемах освоена и широко используется технология, для которой ∆m/m=0,001, т.е. из 1 кг массы теряется 1 грамм, что эквивалентно энергии, заключенной в одном составе условного топлива. Эта технология основана на управляемой реакции расщепления ядер тяжелых элементов, реализуемой в блоках атомных электрических станций. Основным сырьем для ядерных реакторов АЭС сегодня является один из изотопов урана.

Наиболее широко применяемая сегодня для получения энергии химическая реакция окисления топлива путем сжигания его характеризуется отношением ∆m/m имеющим порядок 10^-9 , при котором 1 кг массы сжигаемого топлива практически эквивалентен теплоте сгорания этого топлива.

Возобновляемые источники энергии, такие как вода, ветер, тепло солнечных лучей, имеют еще более низкую плотность и не могут использоваться для получения больших объемов энергии.

Таким образом, сегодня основная технология получения энергии базируется на использовании органического топлива. Альтернативными можно считать технологии получения ядерной энергии, для которых необходимо создавать более надежные и эффективные установки, и освоение нетрадиционных возобновляемых источников энергии, доля которых в общем энергетическом балансе должна возрастать.

Далекие перспективы надежного энергоснабжения в условиях ограниченных и не возобновляемых запасов органического и ядерного топлива сегодня могут быть связаны только с освоением управляемой термоядерной реакции или открытием новейших технологий получения энергии пока не известных науке.