Биоэнергетика.

Основным видом биомассы, используемой в биоэнергетике, является некоммерческое топливо: древесина и ее отходы,отходы растениеводства и животноводства, бытовые отходы.

Используемые промышленные технологии включают в себя:

- прямое сжигание;

- сжигание в смеси с основным топливом;

- термохимическую переработку (газификация топлива);

- биохимическую конверсию (получение биогаза, спирта, этанола).

Суммарный энергетический потенциал некоммерческого топлива в мире составляет свыше 4 млрд т у.т. в год.

Выработка тепловой и электрической энергии на основе прямого и совместного с основным топливом сжигания получила развитие в Швеции, Финляндии, Канаде, США, Дании и др.

Получение биогаза – в Китае, Индии, сранах Юго-Восточной Азии; этанола и этилового спирта – в Бразилии – крупнейшем производителе этилового спирта в мире.

Водородная энергетика.

В основе водородной энергетики лежит химическая реакция окисления водорода кислородом, в процессе которой происходит выделение теплоты, используемой для получения электрической энергии.

Реакция окисления водорода

2Н₂ + О₂ = 2Н₂О + Q ,

где Q – тепловая энергия.

Главное достоинство водорода как энергетического топлива заключается в том, что удельная теплота его сгорания почти втрое выше, чем у нефти, продуктом сгорания является вода.

Технологический недостаток – его повышенная взрывоопасность и проблематичность хранения.

Водород может быть получен:

- электролитическим способом при разложении воды на водород и кислород при пропускании электрического тока;

- плазмохимическим способом, основанном на пропускании электрического тока через оинизированный газ, находящийся в магнитном поле;

- при работе топливных элементов с обратимыми химическими реакциями.

Термоядерная энергетика.

Тепловая энергия как исходный материал для преобразования в электрическую энергию может быть получена в результате термоядерных реакций, протекающих при температурах не менее 100 млн ⁰С, когда происходит синтез более тяжёлых элементов из ядер более лёгких или в результате ядерных реакций деления элементов, составляющих периодическую таблицу Д.И.Менделеева. Высокие температуры, т.е. достаточно большие относительные энергии сталкивающихся ядер, необходимы для преодоления электростатического барьера, обусловленного взаимным отталкиванием ядер (как одноимённо заряженных частиц). Без этого невозможно сближение ядер на расстояния порядка радиуса действия ядерных сил, а следовательно, и «перестройка» ядер, происходящая при термоядерной реакции. Термоядерные реакции, как правило, представляют собой процессы образования сильно связанных ядер их более рыхлых и поэтому сопровождаются выделением в продуктах реакции избыточной кинетической энергии, преобразуемой в тепловую при затормаживании продуктов реакции.

Одним из перспективных и практически неисчерпаемых источников энергии считается управляемый термоядерный синтез, при котором ядра веществ, находящихся в состоянии плазмы, соединяются, образуя ядра нового элемента. В термоядерных реакторах синтез происходит при высокой напряженности магнитного поля, удерживающего вещества в состоянии плазмы.

Наибольший практический интерес вызывает термоядерная реакция синтеза, в которой участвуют тяжелые изотопы водорода – дейтерий (с двумя нейтронами в ядре) и тритий (с тремя нейтронами в ядре). В результате слияния ядер дейтерия и трития образуется нестабильное ядро гелия-5, распадающееся на стабильное ядро гелия-4 и нейтрон, при торможении которого происходит выделением тепловой энергии:

²Н + ³Н → ⁴Нe + n ,

где ²Н – дейтерий (дейтрон); ³Н – тритий (тритон); ⁴Нe – ядро гелия; n – нейтрон.

Цепная реакция деления ядер осуществляется при использовании в ядерных реакторах ядерного топлива. Существует только одно природное ядерное топливо – урановое, которое содержит делящиеся ядра ²³⁵U, обеспечивающие поддержании цепной реакции, и так называемые «сырьевые» ядра ²³⁸U, способные захватывать нейтроны и превращаться в делящиеся ядра ²³⁹Pu, не существующие в природе (вторичное топливо):

.

Вторичным горючим является также не встречающиеся в природе ядра ²³³U, образующиеся в результате захвата нейтронов сырьевыми ядрами ²³²Th:

Ядерное топливо размещается в тепловыделяющих элементах (ТВЭЛах) ядерного реактора. По химическому составу ядерное топливо может быть металлическим (включая сплавы), карбидным, окисным, нитридным и др. Схема уранового топливного цикла для атомных электростанций (АЭС) энергетической мощностью 1ГВт приведена на рис. 17.

Производство уранового ядерного топлива начинается с добычи и переработки урановых руд с целью получения очищенной закиси-окиси урана U₃O₈. Далее U₃O₈ переводят в тетрафторид UF₄ для последующего получения металлического урана, или в гексафторид UF₆ – единственное устойчивое газообразное соединение урана, используемое для последующего обогащения его изотопом ²³⁵U. Далее UF₆ переводят в двуокись или другие соединения, которые используют для изготовления ТВЭЛов. Отработавшие ТВЭЛы направляют на переработку с целью регенерации ядерного топлива для повторного его использования. U и Pu очищают от продуктов деления, затем Pu в виде PuО₂ направляют для изготовления сердечников, а U в зависимости от изотопного состава или также направляют для изготовления сердечников, или переводят в UF₆ с целью обогащения изотопом ²³⁵U.

Регенерация ядерного топлива – сложный процесс переработки высокорадиоактивных веществ, непременным условием проведения которого является обеспечение защиты персонала от радиоактивного излучения путём дистанционного управления всеми операциями даже после длительной выдержки отработавших ТВЭЛов в специальных хранилищах. При этом в каждом аппарате обрабатывается ограниченное количество делящихся веществ в целях предупреждения возникновения спонтанной цепной ядерной реакции. Сложную проблему представляет переработка и обезвреживание радиоактивных отходов. Разработаны методы остекловывания и битумирования отходов и захоронения их в отверждённом виде в глубокие геологические формации.