Тема 15. Хімія конструкційних та ядерно-паливних матеріалів в енергетиці

План

Змагання видів енергії.

Джерелом енергії на нашій планеті є Сонце, вода, горючі корисні копалини, тепло земної кори, вітер. В середині ХХ ст. ці природні джерела доповнились розщепленням атомних ядер. Хімічна енергія горючих матеріалів задовольнятиме потреби в енергії ще дуже довго. Вода не впливає сут-тєво на світовий енергетичний баланс. Тим не менш вона є ідеальним джерелом дешевої енергії для різних великих виробництв, наприклад, для добування алюмінію, сталі, карбідів металів, їдко-го натру, рідких металів і т.д.

Родоначальником всіх відомих нам видів енергії, включаючи і ядерну, є Сонце. Щосекундно воно випромінює в світовий простір 2,86 х 10³³ кВт. Земля одержує лише 2 х 10⁷ цього потоку енергії, але навіть такою крихітною долею енергії небесне світило забезпечує всі різноманітні форми життя на планеті. За 3 доби Земля одержує від Сонця таку кількість енергії, яка могла б звільнитись при спалюванні всіх запасів вугілля, газу, нафти і деревини. Звідси стає зрозуміло, що Сонце могло б задовольнити любі мислимі потреби людей в енергії, якби тільки знати, як її реалі-зувати. Розроблені в наш час геліоустановки відносяться до області «малої енергетики». Для хіміків і фізиків безсумнівний інтерес полягає в тому, що деякі сонячні печі можна використати для вивчення поведінки різних речовин при температурі 3800^оС. Вони мають ту перевагу, що гаряча зона має більшу протяжність і що можна одержати розплав максимальної хімічної чистоти.

Трудність використання сонячної енергії полягає у виборі перетворювача енергії. В наш час використовується напівпровідникові фотоелементи із кремнієвих пластинок, дія яких основана на фотоефекті. Ефективність перетворення сонячної енергії в електричну складає поки всього 15%, але є підстави, що її можна буде підвищити до 30-40%. Суми капіталовкладень на 1Квт електро-енергії, яку виробляють сонячні електростанції, все ще в 1000 разів більші, ніж звичайні гідро-електростанції. З часом навіть саму дешеву можливість використання сонячної енергії можна буде реалізувати тільки тоді, коли оволодіємо процесами фотосинтезу.

Надзвичайним енергоносієм є водень. Із усіх речовин він має найбільшу густину енергії, яка дорівнює 33 кВт (кг), густина енергії вуглецю – 9,1кВт (кг), він може прямим шляхом виробляти електричну енергію в паливних елементах. В зв’язку з цим уже обговорюються проекти магіст-ральних водневих ліній, як одного з варіантів ліній електропередач майбутнього.

Запаси тепла в десятикілометровому шарі земної кори перевищують теплотворну здатність всіх горючих речовин нашої планети в 5 тис.раз. Лише в Ісландії і Росії використовуються геотермаль-ні джерела, але лише для обігрівання. Але їх можна застосовувати також для виробництва електро-енергії, а також на дослідних установках хімічних виробництв.

Основна тенденція в зміні структури енергетичного балансу – це, без сумніву, все більше вико-ристання атомної енергії. Всього 1 кг U – 235 виділяє при розщепленні 24 млн. кВт, що відповідає теплотворній здатності майже 3 тис.т. кам’яного вугілля, тобто 1кг урану дає майже в 3 млн.раз більше енергії, ніж 1кг кам’яного вугілля і в 7 млн. раз більше, ніж 1кг бурого вугілля. Уже після 1980 р. ядерне паливо забезпечує суттєву долю загальної потреби в електроенергії, і перш за все в електроенергії. В майбутньому атомні електростанції будуть виробляти 90% електроенергії. Роз-виток ядерної енергетики вплине позитивно на розвиткові хімічної промисловості.Уже в 80-ті роки ХХ ст. завдяки помірній вартості енергії атомних електростанцій значно розширився цілий ряд енергоємних електрохімічних виробництв, особливо електролітичних процесів добування металів і основних хімічних продуктів. Крім того, тепло ядерних реакторів теж може бути утилізоване на потреби хімічної промисловості.

В протилежність карбоновмісним носіям енергії, які є дуже важливою сировиною для хімічної промисловості, уран можна використати лише для виробництва енергії. Оскільки цей елемент легко розщеплюється в звичайних реакторах а його запаси на суші доступні, то приблизно через 100 років вони будуть вичерпані. Тому з 80-тих років здійснюється розщеплення швидкими нейт-ронами U – 238, Тh – 232. Ці елементи стабільні, але в реакторах-розмножувачах вони перетворю-ються в U – 233 і Рu -239 з виділенням колосальної енергії. Виявлена цікава перспектива розши-реного виробництва ядерного палива, що дозволить підняти його корисні запаси в 120 раз (без врахування урану, що є в морській воді). Таким чином, людство зможе забезпечити свої потреби в енергії за рахунок атомної енергії на протязі декількох тисячоліть.

А якщо повернутись до геотермальних вод, то їх загальний світовий запас складає 700 млн.м³. Якщо теплову енергію всього лише 10% цієї кількості перетворити в електроенергію, то її виста-чить на 4 млрд. років. На планеті вже є геотермальні електростанції і будуються нові. Їх потуж-ність до кінця 1980 р. досягла 3800 МВт.

Розумна господарська політика країн у відношенні до енергії і палива вимагає включити одно-сторонність при використанні енергоресурсів. Необхідно планувати раціональну розробку всіх джерел енергії, що є в країні. Це забезпечить стабільне і ефективне забезпечення енергією всіх галузей матеріального виробництва не тільки в наш час, а й у віддаленому майбутньому.

Слід пам’ятати, що хімічна промисловість – це єдність хімії, технології, енергетики, апарато-будівництва, матеріаловедення, науки управління. Запровадження любого хімічного процесу, який забезпечить навіть 100 % вихід продукту і високий ККД, не можна здійснити без необхідної апара-тури, без видобутку необхідної сировини, підводу енергії, без утилізації відходів. Кожна із стадій виробництва важлива, і всі разом вони складають нерозривне ціле.

Реактор водяного охолодження Ядерна енергія вивільнюється у великій кількості в результаті розщеп- лення атому. Як правило для цього використовують атоми важкого нестійкого металу - урану. Найкраще використовувати уран 235, ізотопи якого розщеплюються найлегше. Проте у природному стані лише сім з однієї тисячі атомів урану належать до урану 235. Зручність саме цього ізотопу полягає у тому, що атом урану 235 не лише розщеплюється під ударом нейтронів, але й утворює два чи три нових нейтрони, які спричиняються далі до ланцюгової реакції з іншими атомами. Атомна електростанція накопичує виділену в контрольованому ядер- ному реакторі енергію і перетворює її в електроенергію. У центрі такого реактора розміщуються стрижні ядерного палива, як правило з урану 235. Розщеплення відбувається ефективніше, якщо вільні нейтрони переміщуються відносно повільно, тому стрижні для цього ото-

1. Нейтрон вдаряє атомне ядро Урану 235 2. Атомне ядро розщеплюється з виділенням потужної енергії 3. Вивільняються нові нейтрони 4. Вивільнені нейтрони спричиняються до ланцюгової реакції розщеплення нових атомних ядер

чуються речовиною, яка сповільнює їх рух. У більшості сучасних реакторів вода використовується як для сповільнення руху нейтронів, так і для охолодження реактора.

Уран-238 в процесі випромінювання поступово і послідовно перетворюється в 14 ізотопів різних хімічних елементів доки не стабілізується у вигляді Pb²⁰⁶. При кожному акті розпаду вивільняється енергія, яка і виділяється у вигляді радіоактивного випромінювання чи радіоактивних частинок. Як ми вже знаємо, ісують α-, β-частинки і γ-випромінювання. Досить спрощено можна уявити, що α-випромінювання – це процес вивільнення ядром атома двох протонів і двох нейтронів. Оскільки це досить важкі частинки, вони легко затримуються навіть листком паперу; β-випромінювання – це процес вивільнення електрона, а γ-випромінювання – це викид кванта енергії. Оскільки енергія поширюється як електромагнітна хвиля, вона легко пронизує організм людини.

α β^-β^-α

²³⁸₉₂U 4,56 _*10^{9
234}₉₀Th 24 дні ²³⁴₉₁Pa 6,74 ²³⁴₉₂U 2,48 _*10⁵