Не был забыт и реактивный принцип. Англичанин Чарльз Парсон вошёл в историю техники как создатель промышленной турбины реактивного типа. Свою первую турбину, используя реактивный принцип, Парсон построил в 1884 - 1885 годах. В этой конструкции использовался и активный принцип. Это была многоступенчатая турбина. Пар в этой турбине, проходя между неподвижными лопатками направляющего аппарата, образующими коническое сопло, стремится расшириться, увеличивая свою скорость. Но, кроме расширения в направляющих аппаратах, Парсон ввёл расширение и в каналах лопаток рабочего колеса, следовательно, проходя по рабочим лопаткам, пар продолжает расширяться. Таким образом, вдоль лопаток пар движется в конце с большей скоростью, чем в начале. Когда пар покидает рабочие лопатки с повышенной скоростью, он как бы дополнительно отталкивается от их вогнутых поверхностей, создавая реактивное действие на рабочие лопатки, сообщающее им дополнительную скорость, а, следовательно, и дополнительную энергию.

2.5 Двигатели внутреннего сгорания

История ДВС началась, как уже было сказано, с пороховой модели Папена, но бурное развитие и конструирование этого типа тепловых двигателей началось в XIX веке.

Всё началось с открытия в 1799 году Филиппом Лебоном светильного газа. Он же высказал идею о создании двигателя, работавшего на этом газе. Но в 1804 году Лебон погиб, не успев воплотить в жизнь свою идею. Честь создания газового ДВС принадлежит бельгийцу Жану Этьену Ленуару, который он построил в 1860 году. По устройству и внешнему виду двигатель напоминал паровую машину. Его КПД едва достигал 4%, он потреблял гигантские количества смазки и газа, но всё же был дешевле паровой машины. Разбогатев, Ленуар перестал работать над двигателем, вследствие чего тот был вытеснен другими моделями двигателей - уже на жидком топливе.

Первый бензиновый двигатель предложил немецкий изобретатель Август Отто. Сначала он работал над газовым двигателем, но больший коммерческий успех ему принёс двигатель на жидком топливе с четырёхтактным рабочим циклом. Во время первого такта происходило всасывание горючей смеси, во время второго - сжатие, во время третьего горючая смесь поджигалась и происходило расширение образовавшихся газов, четвёртым тактом был выпуск отработанных газов. Устройство и принцип работы этого двигателя показаны на правом рисунке. Очень важное значение имел такт сжатия, которого не было в двигателе Ленуара. Благодаря счастливой случайности Отто понял, что, чем сильнее сжата горючая смесь перед поджогом, тем большую работу могут совершить образовавшиеся газы.

Вскоре обнаружилось, что четырёхтактный цикл был предложен гораздо раньше французом Бо де Роша, и монополия Отто на четырёхтактный рабочий цикл была снята.

В 1878 году англичанин Дуглас Клерк предложил ДВС с двухтактным циклом (на левом рисунке). Во время первого такта происходило сжатие горючей смеси, во время второго - рабочий ход, а в промежутке между 2 и 1 тактами происходила продувка и заполнение цилиндра рабочей смесью.

В целом, двухтактный двигатель оказался мощнее и проще по устройству, чем четырёхтактный, но…он был не экономичен - часть топлива улетала в трубу в прямом смысле. Двухтактный цикл нашёл применение в дизель - моторах и в двигателях малой мощности.

Конструкция и принцип действия 4-хтактного двигателя изображены на левом рисунке, 2-хтактного - на левом.

2.5.1 Цикл Карно

Знал ли парижский книгоиздатель Башелье, что отпечатав и выставив в витрине своего магазина в 1824 году тоненькую брошюрку, что ей суждено положить начало новой науке и взбудоражить умы многих учёных и инженеров того времени. Название книги удивляло и озадачивало: "Размышления о движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу". Автором её был молодой инженер Сади Карно.

В своей книги Карно излагал принципы, по которым мог бы работать идеальная тепловая машина, указывая также на недостатки существующих тепловых двигателей. Графики, описывающие работу этой идеальной машины, показаны на рисунке. Графиком 1-2 является изотермическое расширение, графиком 2-3 - адиабатическое расширение, графиком 3-4 - изотермическое сжатие, графиком 4-1 - адиабатическое сжатие. Механическая работа, совершаемая рабочим телом, численно равна площади фигуры, ограниченной кривыми 1-2-3 и осью абсцисс, а площадь фигуры, заключённой между кривыми 1-4-3 и осью абсцисс численно равна работе, затраченной на сжатие газа. Была выведена формула КПД для этого цикла: КПД равен разности единицы и отношения температур охладителя и нагревателя. Он не зависит от вида рабочего тела (газ или пар), а является только функцией от температуры. КПД будет тем выше, чем выше температура нагревателя и чем ниже - охладителя. КПД цикла Карно самый высокий из КПД всех тепловых двигателей. Цикл Карно не противоречил основным законам термодинамики, однако, практически он был неосуществим, так как изотермический процесс является идеальным, практически невозможным.

Итак, положив начало новой науке - термодинамике, Карно продолжил свои работы в этой области. Но дальнейшая судьба его была трагична: в 1832 году, полный энергии и творческих сил, Сади Карно скончался из-за тяжёлой болезни - холеры. Все бумаги и труды больного были сожжены, кроме некоторых отрывочных записей.

2.5.2 "Идеальный двигатель" Рудольфа Дизеля

В 1893 году на весь мир прогремела брошюра, принадлежащая перу немецкого инженера Рудольфа Дизеля, с кричащим, сенсационным названием: "Теория и конструкция теплового двигателя, призванного заменить паровую машину и другие существующие в настоящее время двигатели".

Что же предлагал в своей брошюре Дизель? Он предлагал построить двигатель, который мог бы работать по циклу Карно. Однако уже после постройки первых моделей двигателя Дизель отошёл от многих предложений Карно и своих первоначальных замыслов, например, Дизель предлагал сжимать воздух до 250 атмосфер (огромное давление!), но в первом опытном двигателе давление дошло только до 34 атмосфер. Дизель также предлагал использовать в качестве топлива угольную пыль, но ему пришлось заменить её парами бензина, из-за чего при первом пуске двигателя в нём произошёл такой взрыв, что сам изобретатель и его помощники чудом остались живы.

После первых двух моделей Дизель построил третью, на которую уже можно было что - либо нагружать. Её конструкция и принцип действия показаны на рисунке. Двигатели Дизеля работали на керосине, и их КПД был выше, чем у обычных ДВС. Работа дизель - мотора проходила по циклу, изображённому на рисунке на стр.12, и как можно заметить, сильно отличавшемуся от цикла, предложенного Карно.

Впоследствии, дизель-мотор постепенно совершенствовался, в том числе и русскими инженерами; было установлено, что двигатель может работать и в два такта. После усовершенствований двигатель стал очень распространённым.

Дальнейшая же судьба самого Дизеля загадочна. В 1913 году он отплыл на пароходе "Дрезден" из Антверпена в Англию. Однако в английский порт Харви пароход пришёл без Дизеля. Но, несмотря на это, дизели продолжили победное шествие: во время Великой Отечественной войны русские танки Т-34 с дизельным двигателем были быстрее, маневреннее немецких танков с бензиновым двигателем.

2.5.3 Газовая турбина

Газовая турбина была двигателем, совмещавшим в себе полезные свойства паровых турбин (передача энергии к вращающемуся валу непосредственно, без использования сложных механических передач) и ДВС (отсутствие парового котла и всего его сложного хозяйства).

Устройство газовой турбины показано на рисунке. Двигатель состоит из компрессора, подогревателя, камеры сгорания и собственно самой турбины. В компрессоре, по устройству не отличающемся от турбины, происходит сжатие окислителя (воздуха), в подогревателе - подогревание окислителя, в камере сгорания - смешивание его с топливом и сгорание. В турбине проходит передача энергии газов лопаткам рабочих колёс. Сама турбина устроена также, как и паровая: имеется и направляющий аппарат, и рабочие колёса с лопатками. Газовая турбина является сложным двигателем, при постройке которого не обойтись без сложных расчётов. Но она, а точнее её "гибрид" с реактивными двигателями - турбореактивный двигатель - открыл для современной авиации скорости, превышающие скорость звука. Газотурбинный двигатель также применяется на ТЭС, где есть дешёвое жидкое или газообразное топливо, но есть недостаток воды, из-за чего нельзя применить паровую турбину.

2.5.4 Реактивные двигатели

Реактивные двигатели имеют довольно длинную историю. Первые упоминания о китайских огненных стрелах относятся к 1232 году, т.е. почти 800 лет назад. Но этот ещё примитивное оружие служило больше для устрашения противника и в качестве зажигательного средства. С появлением огнестрельного оружия ракеты были забыты на 6 веков. Лишь в 1804 году английский офицер Уильям Конгрев усовершенствовал ракеты и наладил их массовое производство. В 1807 году английскими ракетами был сожжён Копенгаген - по городу было выпущено более 25 тысяч ракет! Но с появлением нарезного оружия реактивный двигатель получил отставку на столетие. Возрождение ракет к жизни связано с работой русского учёного К. Циолковского "Исследование космических пространств реактивными приборами". В этой работе была представлена конструкция космического аппарата с принципиально новым по конструкции реактивным двигателем - на жидком топливе. В 1914 году американцу Роберту Годдарду был выдан патент на конструкцию многоступенчатой ракеты. В 30 - е годы работы по совершенствованию ракет и реактивных двигателей шли уже в нескольких странах. Самых ощутимых результатов достигли немецкие исследователи под руководством Вернера фон Брауна и Клауса Риделя. Созданная в немецком ракетном центре Пенемюнде баллистическая ракета "Фау - 2" была вершиной ракетостроения на протяжении полутора десятка лет.

Циолковский не рекомендовал применять твёрдое топливо в ракетах, в частности порох, так как он обладает низкой удельной теплотой сгорания. Но всё же реактивные двигатели на твёрдом топливе были первой вехой в эпохе ракетостроения. Русский революционер Кибальчич, находясь в Петропавловской крепости после покушения на Александра II, предложил проект ракеты с пороховым реактивным двигателем.

Но позже было доказано, что жидкотопливные реактивные двигатели более совершенны, более мощны и, следовательно, более перспективны.

Простейшим типом реактивного двигателя на жидком топливе является прямоточный двигатель (на верхнем рисунке). Принцип работы прост: кислород воздуха, попав в камеру сгорания через входное устройство, смешавшись с топливом, окисляет его, а раскалённые газы, вылетая из сопла, толкают двигатель вперёд. По конструкции двигатель ничем не отличается от трубы аэродинамической формы с отверстиями для впрыска топлива и поджога горючей смеси. Такая примитивность и обусловливает недостатки этого двигателя: он имеет низкий КПД, а для его запуска необходим разгонный двигатель.

Прямоточный двигатель после добавления нескольких деталей превращается в пульсирующий - реактивный двигатель, сделанный по формуле "Дёшево и сердито". Он представляет собой трубу аэродинамической формы, разделённую двумя перегородками с клапанами на 3 отсека: входное устройство, камеру сгорания, сопло (нижний рисунок).

Принцип работы достаточно прост: при пуске топливо смешивается с находящимся в камере сгорания воздухом и поджигается. Клапаны в левой перегородке закрыты, в правой - открываются, и через них в сопло попадают раскалённые продукты горения: двигатель получает толчок вперёд. Давление в камере сгорания оказывается ниже атмосферного, вследствие чего правые клапаны закрываются, левые - открываются, и в камеру сгорания засасывается следующая порция окислителя - в данном случае воздуха. В ходе работы двигатель движется толчками, как бы "пульсирует". Двигатель этой конструкции устанавливался на немецких самолётах-снарядах "Фау-1".

3. Электричество

3.1 Электрогенератор

Первый генератор электрического тока изобрёл сам открыватель закона электромагнитной индукции - Майкл Фарадей. Это было ещё весьма примитивное устройство - медный диск вращался в магнитном поле, вследствие чего в нём создавалась ЭДС[3] (между центром и краями диска).

Генератор электрического тока был создан и изобретателем электродвигателя - Б.С. Якоби в 1842 году. Он предназначался для приведения в действие взрывателей пороховых мин и имел "карманный" размер (приводился вручную). По причине секретности работ с минами генератор Якоби не имел широкой известности.

Первые генераторы электрического тока, нашедшие хоть какое - то применение, использовали закон Фарадея без каких - либо собственных усовершенствований в их конструкции. Например, в динамо - машине Пиксии мимо катушек перемещались тяжёлые постоянные магниты. Большую работу в этой области электротехники проделал немецкий изобретатель Сименс. Однако первым, кто создал электрогенератор, получивший широкое распространение, был изобретатель (бывший столяр) Грамм.

Сначала все генераторы вырабатывали постоянный ток, но с открытием полезных свойств переменного тока (возможность трансформации и, как следствие, передачи на дальние расстояния) широко стали распространяться генераторы переменного тока, а вместе с ними - строительство электростанций, электрификация промышленности, транспорта и быта людей.

Генератор переменного тока.

Генераторы переменного тока получили широкое распространение из-за вышеупомянутых свойств переменного тока.

Устройство простейшего генератора переменного тока показано на рисунке: рамка вращается в магнитном поле, создаваемая ЭДС отводится с помощью контактных колец.

ЭДС создаётся за счёт изменения магнитного потока через рамку; мгновенное значение напряжения индукции равно: u = NBSw sin wt, где N - количество витков в рамке, В - индукция магнитного поля, S - площадь рамки, w - угловая скорость вращения, t - время. Максимальное значение (амплитуда) напряжения индукции равно: U = NBSw.

Сила тока, вырабатываемого в этом генераторе, изменяется по закону синуса и меняет свой знак дважды за период. Такой ток называется переменным.

Для создания магнитного поля применяются электромагниты, питающиеся от самого генератора. В мощных генераторах вращаются не обмотки, в которых индуцируется напряжение, а электромагниты.

Генератор постоянного тока.

Генератор постоянного тока основан почти на том же принципе, что и генератор переменного тока, только вместо контактных колец применяются насколько изолированных друг от друга полуколец (коммутаторов), предназначенных для переключения при изменении полярности напряжения ротора. При этом возникает постоянное пульсирующее напряжение, величина которого колеблется по синусоидальному закону. Пульсации можно уменьшить, применяя барабанный якорь, состоящий из большого числа смещённых относительно друг друга обмоток, соединенных с соответствующими сегментами коллектора (коммутатора). Для возбуждения электромагнитов применяется ток, индуцированный в якоре (принцип Сименса). Запуск обеспечивается только за счёт остаточного магнетизма.

3.2 Электродвигатель

Электродвигатели имеют в общих чертах то же устройство, что и генераторы, но основаны на обратном принципе действия. Приложенное к обмотке якоря напряжение вызывает ток, который в свою очередь создаёт магнитное поле, взаимодействующее с магнитным полем возбуждения. При этом возникает сила, вращающая ротор.

Вращающий момент М равен: M=NIBS sin wt, где N - число витков обмотки якоря, I - ток, текущий в якоре, B - магнитная индукция, S - площадь витка, w - угловая скорость вращения, t - время, отсчитываемое от момента, когда обмотка занимала положение, перпендикулярное направлению магнитного поля.

Электродвигатели бывают переменного и постоянного тока.

К электродвигателям переменного тока относят: синхронные (аналогичны генератору переменного тока, частота переменного напряжения определяет скорость вращения данного электродвигателя, при запуске необходимо сообщать от внешнего источника необходимую скорость вращения, при увеличении нагрузки происходит остановка двигателя) и асинхронные (аналогичны генератору постоянного тока и могут работать как от переменного, так и от постоянного тока, скорость вращения не зависит от частоты переменного тока).

К электродвигателям постоянного тока относят: сериесные (обмотки электромагнита и якоря включены последовательно, число оборотов сильно зависит от нагрузки) и шунтовые (обмотки якоря и электромагнита включены параллельно, число оборотов двигателя почти не зависит от нагрузки).

КПД электродвигателей очень высок, иногда достигает 98%, что не достижимо для других типов двигателей.

Первый электродвигатель был сконструирован русским изобретателем Б.С. Якоби в 1834 году. Он работал от постоянного тока и, хотя и был годен для практического применения, не использовался из-за дороговизны гальванических батарей, с помощью которых он приводился в действие. Поэтому широкого применения он не нашёл.

С изучением свойств переменного тока начали широко распространяться электродвигатели переменного тока, совершившие, как в своё время паровая машина, подлинный промышленный переворот. В современном мире нашли применение и электродвигатели постоянного тока - в качестве движителя трамваев, троллейбусов и др.

3.3 Химические источники тока

Химическую энергию можно преобразовать в электрическую. Так, например, в гальваническом элементе, изображённом на рисунке, электрическая энергия выделяется за счёт химической реакции между электродами и электролитом. В первом гальваническом элементе, созданном итальянским физиком Алессандро Вольта, в качестве электролита использовалась серная кислота, а в качестве положительного и отрицательного электродов - медный и цинковый стержни соответственно.

Отрицательные ионы серной кислоты притягивают к себе положительные ионы цинка и меди. Из-за того, что кинетическая энергия ионов цинка больше, чем кинетическая энергия ионов меди (так как медь менее активный металл, чем цинк), то в раствор переходит больше положительных ионов цинка, чем меди, поэтому цинковый электрод приобретает отрицательный заряд относительно медного электрода.

Между цинковым и медным электродами возникает ЭДС, равная разности нормальных потенциалов (значения этих потенциалов определяются положением металла в электрохимическом ряду напряжений металлов): Е = fCu - f Zn = 0,34- ( - 0,76) = 1,1 Вольт.

При использовании различных металлов возникает разная ЭДС. Максимальным (по модулю) нормальным потенциалом обладает литий (-3,0 Вольт), а за ним - калий (-2,9 Вольт), поэтому литиевые и калиевые гальванические элементы ("батарейки") получили в настоящее время наибольшее распространение.

3.4 Аккумулятор

В аккумуляторах накопление электрической энергии происходит за счёт её превращения в химическую. В отличие от гальванических элементов, которые сразу готовы к работе, аккумулятор нужно зарядить. Поэтому их (аккумуляторы) называют иногда вторичными элементами.

Аккумуляторы широкого применения подразделяются на кислотные и щелочные; к кислотным относится свинцовый аккумулятор, к щелочным - железоникелевый.

В свинцовом аккумуляторе происходит следующий процесс:

2PbSO4 + 2H2O = PbO2 + Pb + 2H2SO4

(при зарядке процесс течёт слева направо, при разрядке - справа налево, при зарядке оксид свинца выделяется на аноде, чистый свинец - на катоде). ЭДС свинцового аккумулятора равна 2 В.

В железоникелевом аккумуляторе происходит следующая реакция:

2Ni (OH) 2 + Fe (OH) 2 = 2Ni (OH) 3 + Fe

(при зарядке процесс течёт слева направо, при разрядке - справа налево). ЭДС железоникелевого аккумулятора равна 1,2 В.

4. ХХ век

4.1 Атомная энергия

В современной атомной энергетике используются две изображённые выше реакции: первая, вверху - это реакция деления U - 235, которая сопровождается выделением большого количества энергии. Вторая - реакция размножения ядерного топлива, происходящая в реакторах на быстрых нейтронах (размножительных реакторах) - получение из U - 238 (изотоп урана, делящийся только быстрыми нейтронами) Pu - 239 - искусственного элемента, делящегося при тех же условиях и так же, как и U - 235.

На рисунке представлен возможный ход реакции деления урана 235, а также баланс выделяющейся энергии. Главная особенность этих реакций - увеличение числа нейтронов, и, следовательно, числа поделённых ядер, в геометрической прогрессии - цепная реакция. Энергия, выделившаяся в ходе этой реакции за одно деление, пропорциональна разности энергии связи образовавшихся частиц и энергии связи U-235, т.е. E = (mч1 + mч2 - mU235) c2, где с2 - скорость света в квадрате.

4.2 Атомный реактор

Первый реактор - реактор Ферми.

Первый реактор был построен в 1942 году под руководством Энрико Ферми. Реактор имел только научное значение; он предназначался для демонстрации возможности управляемой ядерной реакции. Дату пуска этого реактора можно считать началом новой эры - эры атомной энергии.

Реактор имел значительные размеры даже по сравнению с современными реакторами.

Аварийная защита реактора была оригинальна: на площадке над реактором стояло двое помощников Ферми, державшие в руках вёдра с раствором солей бора - поглотителя нейтронов. В случае даже незначительной опасности помощники были готовы вылить содержимое вёдер реактор.

Коэффициент размножения (отношение числа нейтронов существующего поколения к числу нейтронов предыдущего поколения) равнялся 1,002.

Графитовый реактор.

Устройство современного графитового реактора представлено на рисунке.

Основой реактора является алюминиевая рама с большим количеством трубок, в которые вставляются ТВЭЛы - тепловыделяющие элементы, представляющие собой трубку из циркониевого сплава, в которой заключены таблетки из обогащённого урана 235 (или диоксида урана 235). Рама обложена кирпичами из графита высшей химической чистоты, играющими роль отражателя. Между трубок с ТВЭЛами также находится графит. В нём проделаны каналы, по которым пропускается теплоноситель - вода или жидкий натрий. Смена ТВЭЛов происходит посредством выталкивания старого новым ТВЭЛом.

Аварийная защита и управление реакцией осуществляется посредством нескольких бронзовых пластин (или стержней), покрытых кадмием - поглотителем нейтронов.

Реактор окружён бетонной защитой толщиной до 3 метров.

Реактор на тяжёлой воде.

Устройство реактора на тяжёлой воде представлено на рисунке.

Основа реактора - алюминиевый бак с трубками для ввода (и извлечения) управляющих стержней и ТВЭЛов. Роль замедлителя и теплоносителя играет так называемая тяжёлая вода. В качестве отражателя нейтронов использован графит высшей химической чистоты.

Смена ТВЭЛов осуществляется посредством снятия защитной крышки, выполненной из свинца и чугуна, извлечения отработанных ТВЭЛов и ввода новых с помощью специального подъёмника.

Аварийная защита осуществляется посредством ввода в активную зону аварийных поглощающих стержней, а также спуска тяжёлой воды в специальный бак, расположенный под реактором.

Управление реакцией осуществляется посредством нескольких бронзовых пластин (или стержней), покрытых кадмием - поглотителем нейтронов.

Реактор окружён бетонной защитой толщиной до 3 метров.

Гомогенный реактор.

Гомогенный реактор в профессиональных кругах в шутку (или всерьёз) называют "паровым котлом".

Устройство реактора данного типа представлено на рисунке.

Основой реактора служит сфера из нержавеющей стали диаметром около 30 сантиметров, что приближает активную зону к размерам атомной бомбы. Но начало неуправляемой цепной реакции предотвращает механизм саморегулирования (замедление хода реакции из-за увеличения амплитуды колебаний замедлителя и делящегося материала - нейтроны пролетают мимо них, температура понижается, реакция остаётся управляемой).

Делящимся материалом служит раствор сульфата уранила, замедлителем - тяжёлая вода, отражателем - графит высшей химической чистоты. Теплоносителем может служить вода или жидкий натрий.

Аварийная защита реактора аналогична аварийной защите реактора на тяжёлой воде.

Реактор окружён бетонной защитой толщиной до 3 метров.

С появлением этого типа реакторов стали возможны такие футуристические проекты, как атомный поезд, атомный самолёт и атомный корабль. В реальность была воплощена только последняя идея

Реактор на быстрых нейтронах.

Реактор на быстрых нейтронах служит не только для выработки энергии, но и для получения ядерного горючего Pu - 239.

Конструкция этого типа реакторов представлена на рисунке.

Стержни из сильно обогащенного U - 235 окружены оболочкой из U - 238, а те, в свою очередь - графитовым отражателем. Замедлитель отсутствует (что следует из названия данного типа реакторов).

Теплоносителем может служить вода или жидкий натрий.

Кроме U - 238 в качестве материала для оболочки может быть использован Th - 232, из которого можно получать U - 233 - искусственный изотоп, делящийся с выделением энергии при тех же условиях, что и U - 235.

Реактор окружён бетонной защитой толщиной до 3 метров.

Реактор этого типа сможет сыграть значительную роль в энергетике будущего, так как при его работе вырабатывается больше ядерного горючего, чем было загружено перед запуском (поэтому этот реактор называют реактором-размножителем). С внедрением этого реактора в широкое производство электроэнергии человечество будет обеспечено энергией на много столетий вперёд.

4.3 Атомная оружие

Заметка из одной газеты от 30 апреля 1939 года: " Доктор Нильс Бор из Копенгагена заявил, что бомбардировка небольшого количества чистого изотопа урана - 235 медленными нейтронами вызовет " цепную реакцию", или атомный взрыв, сила которого будет настолько громадной, что взлетят на воздух лаборатория и все находящиеся в данной местности сооружения в радиусе многих миль".

Первая атомная бомба была изготовлена в США летом 1945 года ("Тринити"), испытана 16 июня 1945 года на атомном полигоне в пустыне Аламогордо. Мощность этой бомбы была равна 20 кт (единица мощности ядерного и термоядерного оружия: масса взрывчатого вещества тротила, мощность взрыва которого равна мощности взрыва данного ядерного или термоядерного заряда; измеряется в килотоннах (кт) - 1000 тонн тротила и мегатоннах (Мт) - 1000 килотонн тротила).

С изобретением атомной бомбы стало ясно, что крупная война между обладателями этого оружия станет последней в истории человечества. Но атомная бомба была и оружием сдерживания, предотвращения этой войны, так как последствия её применения сознавали все обладатели этого оружия. В целом роль атомной бомбы в истории была неоднозначна; в создании этого оружия есть не только отрицательные, но и положительные стороны.

На рисунках изображены две возможные конструкции атомной бомбы. Первая состоит из двух кусков U - 235, которые, соединяясь, образуют массу больше критической. Для того чтобы вызвать взрыв бомбы, надо как можно быстрее сблизить их. Второй метод основан на использовании сходящегося внутрь взрыва. В этом случае поток газов от взрыва обычного взрывчатого вещества направлялся на расположенный внутри делящийся материал и сжимал его до тех пор, пока он не достигал критической массы, и не начиналась цепная реакция.

Взрыв атомной бомбы произойдёт только тогда, когда масса заряда U - 235 или Pu - 239 будет больше критической массы - массы такого куска делящегося вещества, в котором возможна самоподдерживающаяся цепная реакция. По расчётам, критическая масса заряда приблизительно равна 50 кг, но её могли значительно уменьшить следующими способами: во - первых, выбором подходящей формы заряда (чем больше площадь поверхности заряда, тем больше нейтронов бесполезно излучается в окружающую среду). Наименьшей площадью поверхности обладает сфера, следовательно, сферический заряд при прочих равных условиях будет иметь наименьшую критическую массу.

Во-вторых, критическая масса зависит от чистоты и вида делящихся материалов.

В-третьих, критическая масса обратно пропорциональна квадрату плотности этого материала, что позволяет, например, при увеличении плотности заряда в 2 раза, уменьшить критическую массу в 4 раза.

В-четвёртых, критическую массу можно уменьшить, окружив заряд экраном, хорошо отражающим нейтроны. В качестве такого экрана можно использовать свинец, бериллий, вольфрам, природный уран, железо и др.

Только при выполнении этих условий возможно осуществление неуправляемой цепной реакции - атомного взрыва.

4.4 Энергия термоядерного синтеза

Кроме деления тяжёлых ядер, идущего с выделением энергии, возможен синтез лёгких ядер, при котором выделяется ещё большая энергия. Однако этот синтез может происходить только при очень высокой температуре и давлении. Эти условия необходимы для преодоления кулоновского отталкивания заряженных ядер и сближения их до расстояний, когда начинают действовать силы ядерного притяжения.

В качестве термоядерного горючего используются изотопы водорода - дейтерий и тритий. Первый входит в состав молекулы тяжёлой воды, в небольшом количестве, содержащейся в обычной воде. Второй может быть получен из лития посредством указанной реакции.

Сейчас возможно осуществление только неуправляемая термоядерная реакция (термоядерный взрыв), над осуществлением управляемого термоядерного синтеза (УТС) работают учёные России, США, Японии, Франции, Великобритании. Существующие опытные установки ещё не могут обеспечить начало УТС - зажигания дейтериево-тритиевой смеси, но достигнутые до настоящего времени результаты обнадёживают, и скоро уже будет построена первая промышленная установка, на которой будет осуществляться управляемый термоядерный синтез.

Энергия, выделяющаяся при термоядерной реакции, пропорциональна разности энергии связи синтезированного вещества (в случае с дейтерием и тритием это гелий) и энергии связи исходных веществ (дейтерия и трития). Коэффициент пропорциональности равен скорости света в квадрате.

В целом, УТС является весьма выгодным, дешёвым, экологически чистым способом получения энергии. КПД теоретической термоядерной электростанции (ТЯЭС) будет достигать 38% - что является достаточно высоким показателем.

4.4.1 Установки управляемого термоядерного синтеза (УТС)

Основные направления развития УТС идут по двум путям: УТС в ТОКАМАКАХ и лазерный УТС.

ТОКАМАК - аббревиатура, предложенная русскими учёными, расшифровывается как ТОРидальная КАмера с МАГ (К) нитным полем. Возможно, из соображений благозвучия Г заменено на К.

ТОКАМАК представляет собой трансформатор, первичная обмотка которого не имеет каких - либо существенных особенностей, вторичной "обмоткой" является шнур ионизированной смеси дейтерия и трития. Дополнительными катушками продольного поля осуществляется удержание плазмы в нужном состоянии. Так как плазма является вторичной "обмоткой", то в ней индуцируется ток, который и осуществляет подогрев плазмы до требуемой температуры. На крупнейшей установке этого типа - "ТОКАМАК-15" - расположенной в России, возможно удержание плазмы в течение нескольких секунд, и для "зажигания" дейтериево-тритиевой смеси требуется только повышение температуры и давления всего на несколько порядков.

Другим способом осуществления УТС является лазерный УТС. Схема этого способа представлена на рисунке. Сначала идёт облучение DT-мишени, затем следует сжатие мишени и её микровзрыв с выделением большого количества энергии. В целом этот способ перспективен и может быть использован в том случае, когда будут сконструированы лазеры с высоким КПД. Разработка этого способа осуществления УТС также ведётся во многих странах мира, построены установки для проведения опытов с лазерным управляемым термоядерным синтезом, в том числе и в нашей стране. Лазерный УТС будет весьма эффективен после создания мощных лазеров с высоким КПД (КПД современных лазеров большой мощности едва достигает 5%).

4.4.2 Мюонный катализ

Мюонный катализ управляемой термоядерной реакции является альтернативным вариантом двум приведённым выше способам. С помощью мюонного катализа можно не создавать поистине "звёздные" условия для проведения УТС. В чём же заключён этот способ? Всё дело в мезонах. Мю-мезон, неся заряд, равный заряду электрона, тяжелее его более чем в 250 раз, из-за чего мезонная молекула имеет меньший диаметр, вследствие чего возможно сближение ядер мезонной и обычной молекул до расстояний, когда начинают действовать силы притяжения: ядро мезонного атома водорода и ядро атома дейтерия соединяются в одно - происходит синтез, сопровождающийся выделением энергии.

С появлением мощных ускорителей мюонный катализ был осуществлён по схеме, представленной на рисунке. "В чём же дело? - спросите Вы, - почему нет электростанций, использующих этот способ?" Вся беда в том, что время жизни мюона очень мало, и он успевает "просинтезировать" только две-три пары водород-дейтерий, а после - взрывается; для того, чтобы получить хотя бы один мю-мезон, нужно затратить энергию около 300 МэВ, а после прохождения одной реакции каталитического синтеза выделяется всего 5,4 МэВ, то есть, как видно, энергетические затраты на получение одного мюона несопоставимы с выделяющейся энергией, и поэтому установки, осуществляющие мюонный катализ, имеют только научное значение. Учёным, работающим в этой области, нужно искать способ продления более чем короткую жизнь мю-мезона.

4.4.3 Термоядерное оружие

В настоящее время возможно только осуществление неуправляемого термоядерного синтеза, происходящего при взрыве водородной бомбы.

Первая водородная бомба была создана в СССР в 1953 году при участии Курчатова, Сахарова и Тамма.

Одна из возможных конструкций водородной бомбы представлена на рисунке. Термоядерным зарядом является твёрдое вещество LiD (дейтерид лития). В качестве детонатора используется атомная бомба. Сначала происходит её взрыв, сопровождающийся резким ростом температуры, давления, электромагнитным излучением, возникновением мощного потока нейтронов, в результате указанной реакции которых с изотопом лития образуется тритий.

Наличие дейтерия и трития при высокой температуре инициирует термоядерную реакцию, сопровождающуюся колоссальным выбросом энергии.

Если корпус сделан из природного урана U - 238, то быстрые нейтроны вызывают в нём новую неуправляемую цепную реакцию деления. Возникает третья фаза взрыва водородной бомбы.

Таким образом, создаётся термоядерный взрыв огромной, почти неограниченной мощности.

Самый мощный когда-либо созданный термоядерный боеприпас: советская авиабомба "Татьяна" мощностью 50 Мт (!) ("Кузькина мать" Н.С. Хрущёва?).

Существует также особый вид термоядерного боеприпаса, называемый нейтронной бомбой. Она представляет собой термоядерный заряд малой мощности (1 - 2 кт), но, если в обычной водородной бомбе на такой поражающий фактор, как проникающая радиация, расходуется около 5% энергии взрыва, то в нейтронной - более 30%. Исходя из этого, можно сделать вывод, что это оружие сделано специально для уничтожения живых существ, в том числе - и человека. Поэтому нейтронная бомба относится к варварскому оружию, как и термоядерная.

4.5 МГД - генератор

Один из современных многообещающих и эффективных методов получения электроэнергии основан на использовании магнитогидродинамического эффекта, т.е. на новом остроумном применении закона электромагнитной индукции, открытого Фарадеем более полутора столетий назад. Магнитогидродинамический эффект позволяет сконструировать генератор электрического тока без движущихся частей. В чём же здесь дело? Любой газ при высокой температуре ионизирован, т.е. электроны его атомов способны двигаться независимо от ядер и таким образом служить носителями электрического тока. При прохождении ионизированного газа с большой скоростью поперёк магнитного поля в нём возникает электрический ток, который может быть отведён электродами.

Можно усмотреть парадокс в том, что МГД - генератор основан на законе Фарадея, как и обычные генераторы электрического тока. Но этот закон однозначно допускает возбуждение тока и в том случае, когда используются жидкие или газообразные проводники.

МГД - генератор обладает тем незаменимым преимуществом, что в нём не используются вращающиеся детали, следовательно, отсутствуют потери на трение. Вместе с тем он вырабатывает только постоянный ток и требует очень высоких температур, при которых газ ионизируется, а значит, и соответствующих материалов, способных без серьёзных повреждений выдерживать такие температуры. Для создания МГД - генераторов нужны мощные источники проточных газов. Реальными устройствами, удовлетворяющими строгим требованиям, предъявляемым к таким источникам, являются ракетные двигатели. Важной вехой в развитии МГД - генераторов послужило введение в проточные газы ионизирующих добавок, например, углекислого калия, что позволяет снизить температуру ионизации газов до 1500 градусов Цельсия и ниже. Большой успех в технической отработке использования МГД - генераторов для производства электрической энергии был достигнут благодаря комбинации магнитогидродинамической ступени с котельным агрегатом. В этом случае горячие газы, пройдя через генератор, не выбрасываются в трубу, а обогревают парогенераторы ТЭС, перед которыми помещена МГД - ступень. Общий КПД таких электростанций достигают небывалой величины - 65%.

В последние годы МГД - электростанциям уделяют очень большое внимание, особенно в нашей стране. С 1965 г., когда в Москве начала работать первая станция У - 02, советские конструкторы достигли заметного прогресса в этой области техники.

К 1980 г. в СССР предполагалось построить несколько промышленных МГДЭС с единичной электрической мощностью до 200 МВт.

В заключение этой темы хочется упомянуть об утопическом (во всяком случае, сегодня) проекте профессора Полетавкина. Учёный предложил использовать "плазменный ветер", который "дует" в космическом пространстве за пределами земной атмосферы, но на высотах, достигаемых ИСЗ. В тех местах, где этот "ветер" пересекает под прямым углом силовые линии магнитного поля Земли, по сути дела, образуется гигантский МГД - генератор. Полетавкин предложил поместить на этой высоте некие собирающие электроды. Энергия, полученная таким способом, была бы весьма дешёва, сложность существует лишь в том, как соединить эти электроды и потребителя, расположенного на земле.

Устройство МГД - генератора.

Схематическое устройство МГД - генератора представлено на рисунке: канал, по которому перемещается ионизированный газ, заключён между полюсами сильного электромагнита, который питается за счёт самого генератора. На канале расположены обкладки, с которых снимается индуцированная ЭДС, и направляется к потребителю R.

Принцип работы МГД - генератора очень прост и аналогичен принципу работы обычных электрогенераторов: поток плазмы, то есть ионизированного газа, проходящий между разноимёнными полюсами сильного магнита, создаёт на обкладках электродов разность потенциалов - и через сопротивление потребителя R идёт постоянный электрический ток. Возможно объединение нескольких таких конструкций в замкнутое кольцо, где нужную температуру и скорость плазмы будет поддерживать компрессор - подогреватель К-П (на малом рисунке).

Заключение

Вот и закончено это длительное повествование. Путь, который проделало человечество за несколько тысяч лет, уместился в 39 страницах. Но это - не предел, так как человеческая мысль не знает границ, и, возможно, через несколько десятков лет работа по аналогичной теме, содержащая только описание и иллюстрации, едва уместилась бы на 100 страницах. Почему? Потому что поиск новых источников энергии не закончен; существует большое количество так называемых альтернативных источников энергии, даровых двигателей, использующих, например, изменение атмосферного давления или радиоактивное излучение.

Люди будущего, я думаю, сумеют найти ещё великое множество способов для получения энергии, а также для её экономного использования, так как они будут жить в других условия и они будут значительно умнее и опытнее нас, потому что учиться они будут на наших ошибках и недочётах. Я считаю, что пройдёт совсем немного времени, и многие двигатели, такие, как двигатели внутреннего сгорания, паровые и газовые турбины, займут своё место в музее, а их место займут МГД-генераторы, атомные реакторы и установки УТС, и Мир перестанет ощущать недостаток в энергии, потребность в которой становится всё больше и больше.

Я, как автор этой работы, выражаю благодарность своему руководителю за помощь во многих теоретических вопросах.

Я выражаю благодарность учителю информатики, Колосову Алексею Михайловичу, за помощь в создании презентации моей работы.

Я выражаю благодарность организатором конкурса за предоставленную возможность выступить со своей работой и высказать свою точку зрения по многим вопросам энергетики.

Я считаю, что моя работа может быть использована в качестве дополнительной литературы в школах для уроков физики и истории.

Список использованной литературы

1. Веников В.А., Журавлёв В.Р., Филиппова Т.А. Энергетика в современном мире.

2. Гладков К.А. Энергия атома.

3. Касьянов В.А. Физика.11 класс. Учебник для общеобразовательных учреждений.

4. Кирьянов А.П., Коршунов С.М. Термодинамика и молекулярная физика.

5. Кухлинг Х. Справочник по физике.

6. Левин М.И. Машина-двигатель.

7. Свитков Л.П. Термодинамика и молекулярная физика.

8. Тёльдеши Ю., Лесны Ю. Мир ищет энергию.

9. М.: "ВЕЧЕ" 100 великих изобретений.

[1] МГД-генератор - магнитогидродинамический генератор.

[2] ДВС – двигатель внутреннего сгорания.

[3] ЭДС – электродвижущая сила.

Страницы: 1, 2