Номер 6, страница 250 - гдз по физике 11 класс учебник Жилко, Маркович

6. Обсудите достоинства и недостатки различных способов получения энергии: сжигание ископаемого горючего, деление ядра и ядерный синтез.

Сжигание ископаемого горючего

Это процесс получения энергии путем окисления (горения) органических веществ, таких как уголь, нефть и природный газ, которые образовались из останков древних организмов.

Достоинства:

• Технологическая освоенность: Технологии сжигания топлива хорошо изучены и широко распространены, а строительство тепловых электростанций относительно дешево и быстро.

• Высокая плотность энергии: Ископаемое топливо обладает высокой энергоемкостью, что позволяет получать большое количество энергии из относительно небольшой массы топлива.

• Надежность: Тепловые электростанции могут работать непрерывно и обеспечивать стабильное энергоснабжение, не зависящее от погодных условий (в отличие от солнечной и ветровой энергетики).

• Транспортабельность: Уголь, нефть и газ легко транспортировать на большие расстояния.

Недостатки:

• Загрязнение окружающей среды: Сжигание ископаемого топлива является основным источником выбросов парниковых газов (прежде всего, диоксида углерода $CO_2$), которые вызывают глобальное потепление. Также в атмосферу выбрасываются оксиды серы ($SO_x$) и азота ($NO_x$), вызывающие кислотные дожди, и твердые частицы, вредные для здоровья.

• Невозобновляемость: Запасы ископаемого топлива на Земле ограничены и невосполнимы в обозримом будущем.

• Экологический ущерб при добыче: Добыча угля, нефти и газа наносит серьезный вред экосистемам, включая вырубку лесов, загрязнение вод и разрушение ландшафтов.

• Геополитические риски: Неравномерное распределение запасов топлива по планете создает экономическую и политическую зависимость одних стран от других, что может приводить к конфликтам.

Ответ: Сжигание ископаемого горючего — это технологически отлаженный и до сих пор доминирующий способ получения энергии, однако он является экологически вредным, приводит к изменению климата и основан на исчерпаемых ресурсах, что делает его неустойчивым в долгосрочной перспективе.

Деление ядра

Это процесс, при котором ядро тяжелого элемента (например, урана-235) расщепляется на два или более легких ядра (осколки деления) при бомбардировке нейтронами. Этот процесс сопровождается высвобождением огромного количества энергии. Пример реакции деления урана: $n + {}^{235}_{92}U \rightarrow {}^{236}_{92}U^* \rightarrow X + Y + (2-3)n$.

Достоинства:

• Колоссальная энергоэффективность: Атомная энергетика обладает самой высокой плотностью энергии. Один килограмм урана может произвести столько же энергии, сколько сжигание нескольких тысяч тонн угля.

• Отсутствие выбросов парниковых газов: В процессе работы атомные электростанции (АЭС) не производят $CO_2$, что делает их важным инструментом в борьбе с изменением климата.

• Надежность: АЭС способны вырабатывать электроэнергию стабильно и круглосуточно, с высоким коэффициентом использования установленной мощности.

• Малый объем топлива: Для работы АЭС требуются относительно небольшие объемы топлива, что упрощает его транспортировку и хранение.

Недостатки:

• Радиоактивные отходы: В результате деления образуются высокоактивные радиоактивные отходы, которые остаются опасными на протяжении тысяч лет и требуют сложных и дорогих решений для их безопасного долговременного захоронения.

• Риск тяжелых аварий: Аварии на АЭС (например, в Чернобыле и на Фукусиме) могут иметь катастрофические последствия, приводя к масштабному радиоактивному загрязнению территорий и серьезному ущербу для здоровья населения.

• Высокая стоимость и сложность: Строительство и вывод из эксплуатации АЭС — это чрезвычайно дорогие и длительные процессы, требующие высочайшего уровня технологий и квалификации персонала.

• Риски распространения ядерного оружия: Существует риск того, что технологии и материалы, используемые в мирной атомной энергетике, могут быть перенаправлены на создание ядерного оружия.

Ответ: Ядерное деление — это мощный и низкоуглеродный источник энергии, способный обеспечить стабильное энергоснабжение, но его развитие ограничено серьезными проблемами безопасности, обращения с радиоактивными отходами и высокими экономическими затратами.

Ядерный синтез

Это процесс, при котором два легких атомных ядра сливаются в одно более тяжелое ядро с высвобождением энергии. Это тот же процесс, который питает Солнце и другие звезды. Наиболее перспективной для земных условий считается реакция слияния дейтерия и трития: ${}^{2}_{1}D + {}^{3}_{1}T \rightarrow {}^{4}_{2}He + n + 17.6 \text{ МэВ}$.

Достоинства:

• Практически неисчерпаемое топливо: Дейтерий можно в больших количествах извлекать из морской воды, а литий, необходимый для производства трития, широко распространен в земной коре.

• Высокий уровень безопасности: Реакция синтеза не является самоподдерживающейся цепной реакцией. При любом сбое оборудование или нарушении условий удержания плазмы реакция немедленно прекращается, что исключает возможность аварии с неконтролируемым выделением энергии.

• Экологическая чистота: Продуктом реакции является стабильный инертный газ гелий. Ядерный синтез не производит парниковых газов или других загрязнителей воздуха.

• Меньше радиоактивных отходов: В отличие от реакций деления, синтез не создает долгоживущих высокоактивных отходов. Радиоактивность возникает в основном из-за активации конструкционных материалов реактора нейтронами, но она спадает до безопасных уровней гораздо быстрее (за десятилетия, а не тысячелетия).

Недостатки:

• Технологическая незрелость: На сегодняшний день технология находится на экспериментальной стадии. Ученым пока не удалось построить реактор, который бы производил больше энергии, чем потреблял для своего запуска и работы.

• Экстремальные условия: Для запуска реакции синтеза необходимо создать и удержать плазму, нагретую до температур свыше 100 миллионов градусов Цельсия, что является сверхсложной научной и инженерной задачей.

• Огромные затраты: Исследования и строительство экспериментальных установок, таких как международный проект ITER, требуют колоссальных финансовых вложений.

• Проблемы с материалами: Необходимо разработать материалы, способные выдерживать экстремальные температуры и мощнейшее нейтронное облучение внутри реактора.

Ответ: Ядерный синтез представляет собой "святой Грааль" энергетики — потенциально почти неисчерпаемый, безопасный и экологически чистый источник энергии. Однако его практическая реализация связана с преодолением фундаментальных научных и технологических барьеров и является задачей далекого будущего.