Методические рекомендации для преподавателя Дисциплина «Естественнонаучные основы высоких технологий» Специальность 090103 Организация и технология защиты информации 100101 Сервис icon

Методические рекомендации для преподавателя Дисциплина «Естественнонаучные основы высоких технологий» Специальность 090103 Организация и технология защиты информации 100101 Сервис



Смотрите также:
Методические рекомендации для преподавателя Дисциплина «История науки и техники» Специальность...
Рабочая программа дисциплина гсэ. В...
Методические рекомендации для преподавателя дисциплина Гидравлика Специальность 100101 «Сервис»...
Рабочая программа дисциплина ен. Р...
Рабочая программа дисциплина «История науки и техники» Специальность 090103 Организация и...
Методические рекомендации по проведению учебно-ознакомительной...
Методические рекомендации по подготовке...
Рабочая программа дисциплина «математика» (название дисциплины)...
Методические рекомендации для преподавателя дисциплина «Контрактные основы внешнеэкономической...
Методическое пособие Введение в специальность Организация и технология защиты информации по...
Программа государственного экзамена Специальность 090103 «Организация и технология защиты...
Методические рекомендации для преподавателя дисциплина «Международный менеджмент» Специальность...



страницы:   1   2   3   4   5   6
скачать
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ


ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ТУРИЗМА И СЕРВИСА»

ФГОУВПО «РГУТиС»


Кафедра_Общей и прикладной физики


УТВЕРЖДАЮ

Проректор по учебно-методической работе,

д.э.н., профессор

________________________Новикова Н.Г.

«_____»_______________________200__г.


Методические рекомендации для преподавателя


Дисциплина «Естественнонаучные основы высоких технологий»

Специальность 090103 Организация и технология защиты информации

100101 Сервис

210300 Радиотехника

210302 Радиотехника

210303 Бытовая радиоэлектронная аппаратура

230201 Информационные системы и технологии

150400 Технологические машины и оборудование

250403 Технология деревообработки

280202 Инженерная защита окружающей среды

080401 Товароведение и экспертиза товаров

220501 Управление качеством

260501 Технология продуктов общественного питания

260902 Конструирование швейных изделий


Москва 2008 г.


Методические рекомендации для преподавателя разработаны на основании Государственного образовательного стандарта для специальностей соответствующих направлений


Методические рекомендации для преподавателя рассмотрены и утверждены на заседании кафедры Общей и прикладной физики


Протокол № 5 « 22 » апреля 2008 г.


Зав кафедрой д.ф.-м.н. Фоминский В.Ю.


Методические рекомендации для преподавателя одобрены Учебно-методическим советом ФГОУВПО «РГУТиС»


Протокол № ________ «____»_______________200_г.


Председатель

УМС ФГОУВПО «РГУТиС» д.э.н., проф. Новикова Н.Г.


Методические рекомендации для преподавателя

разработал:


преподаватель кафедры

Общей и прикладной физики к.ф.-м.н., доцент Каряка В.И.


Согласовано:

Зам. проректора - начальник

Учебно-методического управления к.э.н., доцент Дуборкина И.А.


Начальник

методического отдела Рыженок Н.В.


^ МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ ДЛЯ ПРЕПОДАВАТЕЛЯ


по проведению лекций по курсу Естественнонаучные основы высоких технологий


Целью учебного курса является формирование общего представления о важнейших

технологических достижениях в области энергетики, нанотехнологии, субмикроэлектроники, использовании для технологических целей электронных, ионных, лазерных пучков высоких энергий, применении плазменных технологий. В результате изучения курса студент получает представление о современных технологических операциях, используемых в самых разнообразных направлениях человеческой деятельности: в научных исследованиях, на производстве, в сфере обслуживания, в быту. Цикл лекций по дисциплине «Естественнонаучные основы высоких технологий» начинается с темы, которая является наиболее важной для будущего человеческой цивилизации – это рассмотрение энергетической проблемы в плане обеспечения будущих поколений источниками энергии на длительную перспективу. Последовательность изложения материала определяется степенью сложностью рассматриваемых тем и их логической связью: например, вначале следует рассмотреть вопросы субмикроэлектроники и лишь затем перейти к нанотехнологии, которая, является, как образно считают исследователи, «внучкой» микроэлектроники: логика развития микроэлектроники, требующая уменьшения размеров элементов схем, привела к переходу в область наноразмеров.

СРЕДСТВА ОБУЧЕНИЯ. Программа изучения курса включает в себя лекции, практические и самостоятельные занятия. В процессе обучения студент обязан прослушать курс лекций, присутствовать и участвовать в работе на практических занятиях, применять полученные знания в процессе подготовки докладов и рефератов. Итоговым контролем является зачет или экзамен.

МЕТОДЫ ОБУЧЕНИЯ. Основым методом обучения является фундаментализация - реализуется за счет использования на лекциях материалов о последних достижениях исследовательских институтов отечественной и зарубежной науки и техники, приглашением для чтения лекций ведущих специалистов в области естественных наук.


Тематическое содержание курса и контрольные вопросы к темам


№ темы

Название темы


1

Высокие технологии в энергетике


2

Технологическое применение электронных пучков


3

Физические основы ионной технологии

4

Основы лазерной обработки

5

Плазменная технология

6

Субмикронные технологии микроэлектроники

7

Основы литографии


8

Введение в нанотехнологию

9

Нанотехнологии в медицине, фармацевтике и биотехнологии




Литература



Быстрое развитие науки и техники, характерное для второй половины XX века, в наши дни привело к созданию высокоэффективных технологий в энергетике, электронике, вычислительной технике, медицине, биологии и ряде других областей. Современные технологии способны создавать и использовать материалы, приборы и системы, размеры которых находятся в диапазоне размеров атомов и молекул. Созданные из таких элементов структуры обладают уникальными физическими, химическими, биологическими и другими свойствами. Для того чтобы работать с такими малыми объектами, следует научиться контролировать их положение. Эту проблему удалось решить после создания сканирующих туннельных микроскопов, позволяющих различать положение даже отдельных атомов. Естественно, для изготовления и обработки таких нанообъектов следует иметь соответствующие инструменты и технологии. В современных технологиях используются электронные и ионные пучки, лазерное излучение, потоки плазмы. Их использование в различных технологических операциях предоставляет принципиально новые возможности, например: обработка материалов любой твердости и прочности; обработка материалов с высокой точностью и получение миниатюрных изделий; получение сварных соединений с особыми свойствами, сварные швы которых отличаются малыми размерами и т.п.


1. Высокие технологии в энергетике


1.1.Энергетическая проблема, стоящая перед человечеством

Среди многочисленных технологических задач, решаемых человечеством, самой главной, по всеобщему признанию, является энергетическая проблема. Известный ученый Ричард Смолли, лауреат Нобелевской премии по химии 1996 года, открывший молекулу фуллерена, назвал эту проблему «тераваттным вызовом». Суть этой проблемы состоит в том, что в ближайшем будущем население Земли достигнет десяти миллиардов человек и, чтобы обеспечить достойную жизнь и процветание этому огромному количеству людей, необходимо существенно повысить объем используемой энергии. Самые простые оценки показывают, что к середине XXI века уровень энергопотребления человечества возрастет не меньше, чем в два раза, и достигнет чудовищной величины в несколько десятков тераватт (напомним, что приставка тера соответствует ). Чтобы человечество могло вести достойное существование и не погрязнуть в войнах за природные ресурсы, необходимо совершенствовать технологии использования энергетических источников, а также осуществить поиск новых источников энергии.

Уровень развития общества, состояние экономики и благосостояние людей определяются количеством потребляемой энергии. Энергия используется для освещения и отопления жилья, движения транспорта, работы предприятий и т.п. Известно, что работа совершается за счет энергии. Еще в древности человек понял, что при выполнении работы не обязательно использовать только энергию собственного организма, гораздо удобней использовать посторонние источники энергии. Вначале для работы использовалась энергия домашнего скота, для обогрева жилища – энергия сгорающего дерева. Уже в Древние века человек начал использовать энергию воды, изготовив водяное колесо. Водяные и ветряные мельницы получили широкое распространение в Средневековой Европе. Развитие промышленности потребовало создать паровой двигатель, использующий энергию сгорающего топлива. С дальнейшим развитием техники были созданы карбюраторные и дизельные двигатели внутреннего сгорания, получившие массовое распространение в наше время.

Для получения энергии в настоящее время используются в основном невозобновляемые (нефть, природный газ, уголь, ядерное топливо) и возобновляемые источники энергии (вода, ветер, Солнце). Энергетические потребности человечества постоянно растут, потребителей энергии становится все больше. Невозобновляемые источники энергии, накопленные в процессе эволюции Земли за сотни миллионов лет, при современных темпах потребления будут израсходованы в течение сотен, а то и десятков лет. Использование возобновляемых источников энергии связано с существенными экологическими и технологическими издержками. Особенно опасным является сжигание кислорода и накопление в атмосфере двуокиси углерода. Солнечная энергия обладает низкой плотностью и для ее использования большие пространства Земли необходимо покрыть солнечными батареями. Аналогичные проблемы возникают и при использовании энергии ветра. Строительство гидроэлектростанций связано с затоплением плодородных земель вблизи рек. По современным представлениям, решить энергетическую проблему возможно только используя ядерную энергию, применение которой в промышленном масштабе началось со средины прошлого века. Ядерные электростанции не загрязняют атмосферу выбросом отработанных газов, являясь в этом плане более экологичными, чем тепловые электростанции. Однако в случае использования ядерных энергоустановок возникает проблема утилизации радиоактивных отходов.

Таким образом, энергетический кризис, стоящий перед мировым сообществом, столь же острый, как и трудно разрешимый.

Основные направления повышения эффективности использования энергии.

Тепловые электростанции с утилизацией тепловых отходов. В таких установках тепло, оставшееся после получения электроэнергии, не выбрасывается в окружающую среду, а используется для отопления жилых и производственных помещений или для технологических целей.

^ Комбинированный способ получения электроэнергии в парогазовых установках. В таких установках турбина, связанная с генератором электроэнергии, приводится в движение потоком газов, образовавшихся при сгорании топлива. Горячие газы, покидающие турбину, используются для получения пара, который подается на паровую турбину, вращающую второй электрогенератор. Предполагаемый КПД парогазовой установки в ближайшие годы может достичь 75% (КПД обычной тепловой станции достигает в лучшем случае 40%).

^ Использование магнито-гидродинамических генераторов. Принцип работы таких генераторов состоит в следующем. Образовавшиеся при сгорании топлива газы, представляющие собой низкотемпературную плазму, направляются в межэлектродное пространство, в котором создается магнитное поле. Так как силы, действующие на положительные и отрицательные электрические заряды в магнитном поле, направлены противоположно, то происходит разделение в пространстве положительных и отрицательных зарядов плазмы и их движение к электродам, с помощью которых снимается электрический ток. После выхода из установки горячие газы используются для получения пара, направляемого на турбину, вращающую генератор электрической энергии.

^ Прямое преобразование химической энергии топлива в электрическую. Традиционный способ преобразования энергии на тепловых электростанциях происходит по схеме: химическая энергия топлива превращается в тепловую энергию газа или пара, который вращает турбину (механическая энергия), приводящую в движение генератор электрической энергии. Прямое преобразование химической энергии в электрическую происходит с более высоким КПД. При разработке топливных элементов, работающих по подобному принципу, учитывают также требования экологической чистоты. Предполагается, что в ближайшем будущем широкое внедрение получат двигатели на водороде. Они работают аналогично электрохимическим элементам, применяемым в быту: в топливном элементе водород окисляется на аноде, высвобождая электроны. В результате между анодом и катодом возникает разность потенциалов. Происходит прямое преобразование химической энергии в электрическую. КПД такого двигателя достигает 85%, что существенно выше, чем у бензинового двигателя. Кроме того, в водородном двигателе образуется вода, а не вредные выхлопные газы. Однако для широкого внедрения водородных двигателей необходимо решить проблему их надежности, а также дешевого производства водорода. В настоящее время большое внимание уделяется вопросам разработки топливных элементов различных конструкций.


    1. Атомная энергетика.

Постоянно растущая потребность человечества в энергии заставляет искать ее новые источники. В настоящее время около 70% мирового энергопотребления обеспечивается за счет нефти и газа. По оценкам специалистов с учетом роста энергетических потребностей запасы нефти и газа могут быть исчерпаны в ближайшие десятилетия. В дальнейшем все шире будет использоваться уголь, запасы которого хотя и значительны, но также ограничены. Со второй половине XX века широкое развитие получила атомная энергетика, в основе которой лежит использование энергии, выделяющейся при делении ядер тяжелых химических элементов. В 1938 году исследователи Ганн и Штрассман обнаружили, что при облучении нейтронами ядра урана делятся на две примерно равные части. При делении ядер выделяется энергия, равная в среднем 200 Мэв на каждое делящееся ядро. Это в сотни миллионов раз больше, чем выделяется в единичном акте химических реакций (в лучшем случае это несколько электронвольт). Особенно важным является то обстоятельство, что при делении ядра выделяется несколько нейтронов, в среднем 2,5 нейтрона на каждый акт деления. Это делает возможным осуществление цепной ядерной реакции, в процессе которой в реакцию деления вступают все новые ядра. Получение ядерной (другое название - атомной) энергии в промышленных масштабах осуществляется в ядерных реакторах, представляющих весьма сложное и высокотехнологичное устройство. В естественном состоянии в природе встречается только одно ядерное топливо – уран. В природном уране содержится около 99,3% изотопа урана-238 и 0,7% изотопа урана -235.

Исследования показали, что деление ядер урана может происходить разными путями с образованием около 80 различных осколков. Наиболее вероятным является деление на осколки, массы которых относятся как 2:3. Например, один из путей деления изотопа урана -235 выглядит следующим образом:

(1.1)

Осколки деления являются радиоактивными и в дальнейшем они претерпевают следующие превращения:

(1.2)

Окончательные продукты - церий и цирконий - являются стабильными.

Ядра урана-238 делятся только быстрыми нейтронами с энергиями, не менее 1 Мэв (при делении ядра урана-235 энергия выделившихся нейтронов в среднем около 2 Мэв). При меньших энергиях нейтроны поглощаются ядрами урана-238 без последующего деления ядра, которое при этом в результате ряда ядерных процессов (два - распада) превращается в ядро плутония-239.

(1.3)

Ядра урана-235 и плутония-239 делятся нейтронами любых энергий, но особенно хорошо медленными нейтронами. Так как в природном уране в среднем на одно ядро урана-235 приходится 140 ядер урана-238, то цепная реакция деления не возникает вследствие поглощения медленных нейтронов ядрами урана-238 без деления ядер.

Таким образом, осуществить реакцию деления урана можно: а) используя ядра урана-238 и быстрые нейтроны; б) на ядрах урана-235, замедлив нейтроны до тепловых скоростей. Технически второй способ осуществить проще. Поэтому подавляющее большинство реакторов работают на тепловых нейтронах, используя в качестве ядерного топлива природный уран или уран, несколько обогащенный изотопом урана-235. Обогащение урана весьма длительный и дорогостоящий процесс. Так как химические свойства изотопов урана почти одинаковы, то для разделения изотопов приходится применять физические методы, основанные на их небольшом различии в массах (газовая диффузия через пористые перегородки, центрифугирование, электромагнитный метод разделения изотопов). Кроме обогащения урана, для уменьшения захвата нейтронов ядрами урана-238 сравнительно небольшие блоки делящегося вещества размещают на некотором расстоянии друг от друга, заполняя промежутки между блоками замедлителем нейтронов, в котором скорость нейтронов уменьшается до тепловых скоростей. Соответствующие расчеты показывают, что эти способы позволяют добиться того, что деление ядер происходит чаще, чем захват нейтронов без деления ядер.

Замедление нейтронов осуществляется за счет упругого рассеивания. При упругих столкновениях максимальные потери энергии происходят при одинаковых массах частиц. Поэтому в качестве замедлителей следует выбирать вещества, содержащие водород (масса протона и нейтрона примерно одинаковы). Однако обычный водород хорошо поглощает нейтроны, поэтому в качестве замедлителей предпочитают использовать вещества, содержащие ядра дейтерия (тяжелая вода), графита и бериллия.

Для управления скоростью ядерной реакции в реакторах используются вещества, поглощающие нейтроны. Обычно в качестве поглотителей используются кадмий или бор. Введение стержней с поглотителей в реактор уменьшает коэффициент размножения нейтронов, а выведение – увеличивает; таким образом возможно регулировать скорость ядерной реакции деления и, соответственно, тепловую мощность реактора.

Энергия, выделяющаяся в активной зоне реактора, снимается теплоносителем (вода, расплавленные металлы, газ). В теплообменнике теплоноситель отдает тепло воде, превращая ее в пар, вращающий турбину. В настоящее время наиболее распространены ядерные реакторы на тепловых нейтронах с замедлителями из графита, обычной или тяжелой воды и теплоносителями из воды (как обычной, так и тяжелой) или газа.

Оценим перспективность ядерной энергетики для преодоления надвигающегося энергетического кризиса. Сравнительно дешевого урана, пригодного для энергетических целей, на Земле около 4 млн. тонн. При использовании в ядерных реакторах урана-235 этих запасов хватит примерно на такое же время, что нефти и газа, т.е. лишь на десятки лет. В связи с этим важная роль в ядерной энергетике в настоящее время отводится реакторам- размножителям на быстрых нейтронах (бридерах). В таких реакторах уран-238 при взаимодействии с медленными нейтронами превращается в плутоний-239, который в отношении деления даже лучше, чем уран-235, т.е. может использоваться в традиционных ядерных реакторах на тепловых нейтронах. В реакторах- размножителях активная зона окружена слоем материала, где происходит расширенное воспроизводство делящегося вещества. В настоящее время в качестве ядерного топлива в реакторах размножителях применяется обогащенный уран с высоким содержанием урана-235 (до 30%). В этом случае нет необходимости замедлять нейтроны, их достаточно много, чтобы поддерживать цепную реакцию в центре реактора. Кроме того, нейтроны, бомбардируя зону воспроизводства, которая изготавливается из урана, превращает уран-238 в плутоний. Причем в таких пропорциях, что реактор в итоге производит больше ядерного топлива, чем сжигает. В будущем, по мере накопления плутония-239, ядерным топливом будет служить смесь урана с плутонием.

Использование реакторов-размножителей позволит увеличить отдачу энергии из каждого килограмма урана в 30-40 раз по сравнению с обычными ядерными реакторами на тепловых нейтронах. Это сделает экономически целесообразным использование бедных ураном руд, добычу урана из морской воды, применение в качестве ядерного топлива тория. По оценкам специалистов этих ядерных ресурсов человечеству хватит на тысячи лет.

Однако почему же, несмотря на возможность с помощью атомной энергии решить энергетическую проблему, у сторонников использования этого вида энергии так много противников? В первую очередь вызывают опасения проблемы надежности атомных электростанций. За полвека работы атомных реакторов сбои в их работе, имеющие различные по степени тяжести последствия, происходили неоднократно. Самой трагичной явилась Чернобыльская катастрофа, произошедшая на классическом реакторе, работающем на тепловых нейтронах. Проблема взрыва ядерного реактора как огромной ядерной бомбы особенно существенна для реакторов- размножителей. В обычных ядерных реакторах на тепловых нейтронах топливо содержит очень малое количество делящихся ядер, да и топливо рассосредоточено в объеме реактора. Однако в центре реактора- размножителя содержится атомное горючее с содержанием делящихся ядер значительно выше, а занимаемый топливом объем в 2-3 раза меньше. Общая масса делящегося вещества (например, плутония) достигает нескольких тонн. Критическая масса, достаточная, чтобы произошел ядерный взрыв, для плутония-239 приблизительно равна 0,5 кг, для урана-235 -0,8 кг. При нормальной работе реактора риск образования критической массы внутри реактора исключен: делящееся вещество совместно с ураном-238 размещено внутри длинных тонких трубок из нержавеющей стали. Но что произойдет, если в процессе ядерной реакции несколько трубок расплавится? Конструкторы реакторов- размножителей утверждают, что это исключено, ядерный взрыв реактора невозможен. Противники проекта в этом сомневаются.

Второй риск, правда, менее катастрофический: в качестве жидкости, отводящей тепло из ядерного реактора, используется жидкий натрий, который неудобен вдвойне, так как взрывается при контакте с водой и загорается на воздухе. Однако, он один из редких теплоприемников, способных работать при высоких температурах, реализуемых в реакторе- размножителе (около 550), и, в отличие от воды, не замедляет нейтроны. Слабым местом установки является теплообменник, где натрий отдает тепло воде, превращая ее в пар для турбины. Теплообменник представляет собой набор трубок, где вода и натрий разделены лишь тонкими металлическими стенками. Если металл не выдержит, произойдет тепловой взрыв, аналогичный тому который произошел на одном из экспериментальных реакторов в 1973 г.

При переходе энергетики на ядерное горючее возникает еще одна серьезная экологическая проблема: ядра – осколки, на которые распадаются в процессе деления ядра урана или плутония, в большинстве своем являются радиоактивными, поэтому при работе атомных электростанций образуются долгоживущие радиоактивные отходы и возникает сложная задача их захоронения. Таким образом, при развитии атомной энергетики возникнет медленное, но постепенно прогрессирующее загрязнение планеты, бороться с которым чрезвычайно трудно.


1.3.Термоядерная проблема

Исследование ядерных реакций показало, что при слиянии легких ядер в одно ядро (ядерный синтез), также как и при делении тяжелых ядер, происходит выделение огромных количеств энергии. Для энергетических целей наибольший интерес представляют реакции синтеза, происходящие с участием изотопов водорода: дейтерия и трития (ядро обычного водорода состоит из одного протона, в ядре дейтерия находятся протон с нейтроном, у трития в ядре два нейтрона и протон).

(1.4)

Первые две реакции идут с примерно одинаковой вероятностью.

При слиянии этих ядер выделяется энергия в миллионы раз превосходящая тепло, получающееся при сжигании химического топлива; в результате реакции синтеза образуются ядра гелия, трития, нейтроны и протоны. Однако практически реализовать получение энергии синтеза легких ядер пока удалось только для военных целей в водородной бомбе в виде чудовищного по мощности взрыва. Для мирных целей необходимо научиться управлять выделением этой гигантской энергии.

Оценим энергетические возможности использования ядерных реакций синтеза. Дейтерий входит в состав естественной воды, где число его атомов составляет примерно 0,015 процентов. Учитывая, что в процессе слияния ядер дейтерия выделяется около 0,9 Мэв энергии на одно ядро, получим, что 250 г воды в энергетическом отношении эквивалентны 1 кг каменного угля. Так как масса воды в океанах Земли составляет примерно кг то ясно, что дейтерий, содержащийся в океанах, является для человечества практически неисчерпаемым источником энергии.

Экологические преимущества использование реакций синтеза изотопов водорода очевидны. В этом случае, как и при реакциях деления тяжелых ядер, не происходит сжигания мировых запасов кислорода и выброса в атмосферу окислов углерода и других продуктов сгорания топлива. В реакциях ядерного синтеза не образуется долгоживущих радиоактивных изотопов: основные продукты реакции нейтроны, нерадиоактивные ядра водорода и гелия-3, а также ядра трития. Радиоактивные ядра трития (период полураспада 12,3 года) являются термоядерным топливом и их можно возвратить в активную зону реактора для дальнейшего сжигания. Таким образом, эффективное время жизни трития сводится примерно к 5 дням. С экологической точки зрения весьма удобной является реакция соединения изотопа гелия-3 с дейтерием:

. (1.5)

В результате этой реакции не образуется радиоактивных веществ. Однако изотопа гелия -3 на Земле недостаточно для получения энергии в промышленных масштабах.

Несмотря на столь радужные перспективы решения энергетической проблемы с помощью реакция ядерного синтеза, управляемый синтез еще не осуществлен, хотя для решения вопроса во второй половине прошлого века были приложены гигантские финансовые, материальные и интеллектуальные усилия со стороны ведущих стран мира. Дело в том, что элементарный акт синтеза происходит лишь тогда, когда ядра сблизятся на очень небольшое расстояние (порядка см), когда между частицами начнут действовать ядерные силы. А для этого положительно заряженным ядрам необходимо преодолеть электростатическое отталкивание, что возможно лишь при больших относительных скоростях частиц. Чтобы атомы вещества двигались с большими скоростями, вещество должно быть нагрето до очень высоких температур. Реакции синтеза возможны лишь при сильном нагреве вещества, поэтому их называют термоядерными реакциями. Расчеты показывают, что синтез ядер изотопов водорода может происходить при гигантских температурах в сотни миллионов градусов. При таких температурах вещество не может находиться в нейтральном состоянии, атомы вещества полностью ионизуются. Вещество в таком состоянии называется плазмой. Наибольшая трудность заключается в необходимости изолировать горячую плазму от контакта со стенками сосуда, в котором она находится. В противном случае плазма, вследствие хорошей теплопроводности, отдаст стенкам подведенную к ней тепловую энергию. Для предотвращения контакта плазмы со стенками в средине прошлого века была предложена идея магнитного удержания плазмы. Суть ее заключается в том, что ионизованные частицы, из которых состоит плазма, не могут перемещаться перпендикулярно магнитным силовым линиям. Таким образом, окружая плазму магнитным полем соответствующей конфигурации, в принципе можно добиться удержания плазмы.

Итак, трудность осуществления управляемой термоядерной реакции заключается, во- первых, в необходимости нагреть изотопы водорода до фантастических температур порядка градусов, во- вторых, удерживать плотную высокотемпературную плазму достаточно долго, чтобы успели вступить в реакцию достаточно много ядер и выделившаяся при этом энергия превысила энергию, потраченную на нагрев плазмы, а также остальные энергетические затраты, связанные с функционированием реактора. Поэтому основными критериями успехов ученых в решении термоядерной проблемы являются значения таких параметров как температура плазмы, ее плотность и время удержания.

Наиболее перспективными ловушками для удержания плазмы специалисты считают тороидальные камеры с магнитными катушками (токамаки). В них магнитные силовые линии являются замкнутыми и представляются в виде тора. Наиболее крупным из отечественных токамаков является токамак Т-10, запущенный в Институте атомной энергии им. Курчатова в 1975 г. ( тороидальное магнитное поле 50 кГс, температура плазмы , ее плотность , время удержания 0,07 с). На токамаке TFTR (США) в конце 1986 г. была получена рекордная температура К. При увеличении на порядок плотности плазмы или времени ее удержания в таком токамаке выделяющаяся термоядерная энергия уже будет равна энергии, затраченной на нагрев и удержание плазмы. Поскольку токамаки весьма сложные и дорогостоящие установки Международное агентство по ядерной энергии решило объединить усилия ведущих стран мира для создания опытного термоядерного реактора. Будущая установка получила названия ИТЭР (Интернациональный термоядерный экспериментальный реактор). ИТЭР еще не будет экономически выгодным реактором. Его цель – доказать возможность получения и использования в промышленных целях энергии ядерного синтеза легких элементов.


1.4. Передача и хранение энергии

Наиболее важная задача, стоящая перед человечеством, состоит в том, чтобы обеспечить население планеты экологически чистыми, дешевыми и возобновляемыми источниками энергии. Решение этой задачи лежит не только в области производства энергии, важную роль играют вопросы передачи и хранения энергии. Уже упоминавшийся нами Р.Смолли считает, что в новом веке человечество должно прекратить транспортировку огромных масс топлива (угля, нефти и т.д.), а научиться эффективно передавать энергию именно в виде «энергии». Для этого следует создать глобальную энергетическую сеть, позволяющей наиболее эффективно перераспределять потоки электрической энергии. Для создания такой сети необходимо решить два существенных вопроса. Во-первых, следует значительно снизить потери при передаче тока на большие расстояния, а во-вторых, решить проблему компактных и емких устройств для локального хранения электрической энергии. Решение первой из задач связано с созданием материалов с высокой электрической проводимостью (высокотемпературные сверхпроводники, специальные сплавы и т.п.), а также рациональным управлением энергетическими сетями. При этом решение технической задачи по созданию эффективных аккумуляторов энергии имеет ключевое значение. Это связано с тем, что основным недостатком установок, использующих энергию ветра и солнца (а именно эти источники в ближайшем будущем могут получить самое широкое распространение), неравномерность режима их работы и, соответственно, большие колебания объемов вырабатываемой ими энергии. Для таких устройств существенной является проблема хранения вырабатываемой энергии и расходование ее по мере необходимости. Поскольку практически все физико-химические процессы в аккумулировании энергии связаны с передачей заряда, осуществляемого группой из нескольких атомов на какой либо поверхности, то, скорее всего, следующее поколение устройств для хранения и передачи энергии будет создано на основе нанотехнологической модификации поверхностей, наноразмерных частиц- катализаторов и т.д. Таким образом, существенная роль в решении задачи производства, передачи и хранения энергии принадлежит тем направлениям современной науки, где ученые уже умеют управлять веществом и процессами на атомарном уровне.

Кроме глобальных энергетических проблем для современной цивилизации существенное значение имеют и многие другие вопросы, касающиеся не только научной, производственной, но и бытовой области. В решении этих задач существенную роль играют новые научные и технологические направления, к которым относятся нанотехнология, субмикроэлектроника, широкое распространение в современных технологиях получили электронные и ионные пучки, лазерное излучение, плазменные обработка материалов и другие перспективные технологические методы, которые будут рассмотрены в последующих главах.


Контрольные вопросы

  1. В чем состоит энергетическая проблема, стоящая перед человечеством?

  2. Какие источники энергии используются в настоящее время?

  3. Можно ли решить энергетическую проблему с помощью невозобновляемых источников энергии?

  4. Какие перспективы использования возобновляемых источников энергии?

  5. Экологические аспекты использования различных источников энергии.

  6. Какой традиционный способ преобразования энергии на тепловых электростанциях?

  7. Какой К.П.Д. обычной тепловой электростанции?

  8. Укажите основные направления повышения эффективности использования энергии.

  9. В чем сущность способа получения электроэнергии в парогазовых установках?

  10. Какой возможный К.П.Д. парогазовой установки?

  11. Объясните принцип работы магнито-гидродинамических генераторов.

  12. Какой предполагаемый К.П.Д. при прямом преобразовании химической энергии в электрическую при помощи двигателя на водороде?

  13. При каких условиях происходит деление ядер урана?

  14. Какое ядерное топливо встречается в природе в естественном состоянии?

  15. Какой изотопный состав природного урана?

  16. Какова энергия нейтрона, выделяющегося при делении урана-235?

  17. Какой должна быть энергия нейтрона для наиболее эффективного деления урана-238, урана-235, плутония - 239?

  18. Принцип работы реакторов на тепловых нейтронах.

  19. Технологические сложности при обогащении урана.

  20. Какие вещества используются для замедления нейтронов, для их поглощения?

  21. Перспективы ядерных реакторов на тепловых нейтронах для решения энергетической проблемы.

  22. Принцип работы реактора-размножителя на быстрых нейтронах.

  23. Перспективы ядерных реакторов-размножителей на быстрых нейтронах для решения энергетической проблемы.

  24. Какие опасения вызывает применения реакторов размножителей на быстрых нейтронах?

  25. Экологические аспекты использования ядерной энергетики.

  26. Какие ядерные реакции перспективны для получения энергии?

  27. Какие частицы получаются в результате синтеза ядер дейтерия?

  28. Какие энергетические возможности сулит использования ядерных реакций синтеза дейтерия?

  29. Экологические преимущества использования ядерных реакций синтеза.

  30. Основные трудности, возникающие при реализации ядерных реакций синтеза дейтерия.

  31. В чем сущность идеи магнитного удержания плазмы?

  32. Каковы перспективы управляемого термоядерного синтеза?

  33. Какие основные направления эффективного хранения энергии и ее транспортировки?






оставить комментарий
страница1/6
Дата05.11.2011
Размер1,1 Mb.
ТипМетодические рекомендации, Образовательные материалы
Добавить документ в свой блог или на сайт

страницы:   1   2   3   4   5   6
плохо
  1
отлично
  5
Ваша оценка:
Разместите кнопку на своём сайте или блоге:
rudocs.exdat.com

Загрузка...
База данных защищена авторским правом ©exdat 2000-2017
При копировании материала укажите ссылку
обратиться к администрации
Анализ
Справочники
Сценарии
Рефераты
Курсовые работы
Авторефераты
Программы
Методички
Документы
Понятия

опубликовать
Документы

наверх