Страница 283 - гдз по физике 9 класс учебник Пёрышкин, Гутник

1. В связи с чем в середине XX в. возникла необходимость нахождения новых источников энергии?

1. В связи с чем в середине XX в. возникла необходимость нахождения новых источников энергии?

Необходимость поиска новых источников энергии в середине XX века была обусловлена совокупностью нескольких ключевых факторов. Во-первых, это бурный промышленный рост и научно-техническая революция после Второй мировой войны, которые привели к резкому увеличению мирового энергопотребления. Во-вторых, рост населения и урбанизация также значительно повысили спрос на электроэнергию в бытовом секторе. В-третьих, пришло осознание исчерпаемости ископаемых ресурсов — угля, нефти и газа, что заставило искать им долгосрочную замену. В-четвертых, геополитические риски, связанные с зависимостью от импорта энергоресурсов из нестабильных регионов, подталкивали развитые страны к обретению энергетической независимости. Наконец, важнейшим фактором стало само научное открытие — освоение атомной энергии, которое предоставило человечеству принципиально новый, невероятно мощный источник энергии.

Ответ: Необходимость нахождения новых источников энергии в середине XX века возникла из-за резкого роста энергопотребления на фоне промышленного и демографического бума, осознания конечности запасов ископаемого топлива и геополитических рисков, связанных с его распределением. Появление технологии использования атомной энергии стало ответом на этот вызов.

2. Назовите два основных преимущества

Имея в виду основной новый источник энергии того времени — атомную энергетику, можно выделить два ее главных преимущества по сравнению с традиционной энергетикой на ископаемом топливе:

1. Высочайшая энергоемкость топлива. Небольшое количество ядерного горючего, например, урана, способно выделить огромное количество энергии. Так, 1 килограмм урана-235 по выработке энергии эквивалентен сжиганию примерно 2500 тонн угля. Это радикально сокращает объемы добычи, транспортировки и хранения топлива.

2. Отсутствие выбросов парниковых газов. В процессе работы атомные электростанции (АЭС) не сжигают органическое топливо и, следовательно, не выбрасывают в атмосферу углекислый газ ($CO_2$), который является одной из главных причин глобального потепления, а также оксиды серы и азота, вызывающие кислотные дожди.

Ответ: Два основных преимущества атомной энергетики: 1) огромная энергоемкость ядерного топлива (малое количество топлива дает много энергии); 2) отсутствие в процессе работы выбросов парниковых газов и веществ, загрязняющих атмосферу.

2. Назовите два основных преимущества АЭС перед ТЭС. Ответ обоснуйте.

2. Решение:

Атомные электростанции (АЭС) имеют два ключевых преимущества перед тепловыми электростанциями (ТЭС), работающими на ископаемом топливе (уголь, газ, мазут). Эти преимущества касаются экологии и эффективности использования топлива.

Первое преимущество — экологическая чистота по отношению к атмосфере.

Обоснование: Основа работы АЭС — управляемая цепная ядерная реакция, а не процесс горения. Поэтому при штатной работе АЭС не происходит выбросов в атмосферу парниковых газов, таких как диоксид углерода ($CO_2$), который является основной причиной глобального потепления. Также отсутствуют выбросы оксидов серы ($SO_x$) и азота ($NO_x$), которые приводят к образованию кислотных дождей и смога. Тепловые электростанции, сжигающие органическое топливо, являются одним из главных источников этих атмосферных загрязнений.

Второе преимущество — высокая энергоемкость и экономичность ядерного топлива.

Обоснование: Ядерное топливо (например, обогащенный уран) обладает колоссальной плотностью энергии. Для производства одного и того же количества электроэнергии АЭС требуется в тысячи раз меньше топлива по массе, чем ТЭС. Например, для работы одного энергоблока АЭС мощностью 1 ГВт в течение года необходимо около 25-30 тонн ядерного топлива, в то время как для ТЭС аналогичной мощности потребовалось бы более 3 миллионов тонн угля. Это приводит к следующим положительным последствиям:

• Значительное сокращение затрат на добычу, транспортировку и хранение топлива.
• Снижение зависимости от волатильности цен на органическое топливо на мировых рынках.
• Повышение энергетической безопасности за счет возможности создания на станции запасов топлива на несколько лет вперед.

Ответ:

1. Экологичность. Обоснование: АЭС не сжигают топливо, поэтому не выбрасывают в атмосферу парниковые газы (например, $CO_2$) и другие вредные вещества ($SO_x$, $NO_x$), вызывающие кислотные дожди, в отличие от ТЭС.
2. Высокая энергоэффективность топлива. Обоснование: Ядерное топливо имеет огромную плотность энергии. Это означает, что для выработки того же количества энергии его требуется в тысячи раз меньше, чем ископаемого топлива, что кардинально снижает затраты на его перевозку и хранение, а также повышает экономическую стабильность и энергетическую безопасность.

3. Назовите три принципиальные проблемы современной атомной энергетики.

2. Назовите два основных преимущества АЭС перед ТЭС. Ответ обоснуйте.

Основными преимуществами атомных электростанций (АЭС) по сравнению с тепловыми электростанциями (ТЭС), работающими на ископаемом топливе, являются высокая энергоэффективность топлива и экологичность в плане выбросов в атмосферу.

1. Экологическая чистота (отсутствие выбросов парниковых газов и загрязняющих веществ).

   Обоснование: В отличие от ТЭС, которые сжигают уголь, газ или мазут, АЭС в процессе работы не производят выбросов углекислого газа ($CO_2$), который является основным парниковым газом и главной причиной современного изменения климата. Также АЭС не выбрасывают в атмосферу оксиды серы ($SO_x$) и азота ($NO_x$), которые вызывают кислотные дожди, смог и респираторные заболевания. Таким образом, атомная энергетика является чистым источником энергии с точки зрения загрязнения воздуха.

2. Высокая удельная энергоемкость ядерного топлива.

   Обоснование: Ядерное топливо, как правило уран, обладает колоссальной концентрацией энергии. Например, энергия, выделяющаяся при делении ядер в 1 кг урана, эквивалентна энергии от сжигания примерно 2 500 тонн угля. Это означает, что для работы АЭС требуется значительно меньший объем топлива. Как следствие, существенно снижаются затраты и экологический ущерб от добычи, транспортировки и хранения топливных ресурсов. Кроме того, высокая энергоемкость позволяет АЭС работать на одной загрузке топлива в течение длительного периода (12–24 месяца), обеспечивая стабильную и надежную выработку электроэнергии.

Ответ: Два основных преимущества АЭС перед ТЭС – это экологическая чистота (отсутствие выбросов парниковых и загрязняющих газов в атмосферу) и колоссальная энергоемкость ядерного топлива, которая обеспечивает экономическую эффективность и стабильность работы станции.

3. Назовите три принципиальные проблемы современной атомной энергетики.

Несмотря на свои преимущества, современная атомная энергетика сталкивается с рядом сложных и фундаментальных проблем, три из которых являются ключевыми:

1. Проблема обращения с радиоактивными отходами (РАО).

   В процессе работы АЭС образуется отработавшее ядерное топливо (ОЯТ) и другие виды радиоактивных отходов. Эти материалы остаются чрезвычайно опасными для живых организмов и окружающей среды на протяжении тысяч и даже сотен тысяч лет. На сегодняшний день в мире не существует общепринятого и реализованного в промышленных масштабах решения по их окончательной, долговременной и безопасной изоляции от биосферы. Создание и эксплуатация геологических хранилищ для глубокого захоронения РАО — это технически сложная, очень дорогая и политически чувствительная задача.

2. Обеспечение безопасности и риск тяжелых аварий.

   Хотя современные атомные реакторы оснащены множеством пассивных и активных систем безопасности, теоретический риск тяжелой аварии с расплавлением активной зоны и масштабным выбросом радиоактивных веществ полностью исключить невозможно. Аварии на Чернобыльской АЭС в 1986 году и на АЭС Фукусима-1 в 2011 году продемонстрировали, что последствия таких событий могут быть катастрофическими: радиоактивное загрязнение огромных территорий на долгие десятилетия, необходимость массовой эвакуации населения, долгосрочные негативные последствия для здоровья людей и экосистем, а также колоссальные экономические убытки. Общественное неприятие, вызванное страхом перед подобными авариями, является серьезным барьером для развития атомной энергетики во многих странах.

3. Риск распространения ядерных материалов и технологий.

   Технологии, используемые в ядерном топливном цикле, в частности обогащение урана и химическая переработка отработавшего топлива с выделением плутония, тесно связаны с технологиями производства материалов для ядерного оружия. Существует постоянный риск того, что эти материалы или технологии могут быть использованы для военных целей или попасть в руки террористических организаций. Этот риск требует создания сложной и дорогостоящей системы глобального контроля и нераспространения под эгидой МАГАТЭ, что накладывает серьезные ограничения на международное сотрудничество в атомной сфере и усложняет развитие атомной энергетики в новых странах.

Ответ: Три принципиальные проблемы современной атомной энергетики: проблема безопасной долговременной изоляции радиоактивных отходов, риск тяжелых аварий с катастрофическими последствиями для населения и окружающей среды, а также опасность распространения ядерных материалов и технологий, которые могут быть использованы для создания оружия.

4. Приведите примеры путей решения проблем атомной энергетики.

Современная атомная энергетика сталкивается с рядом серьезных проблем, однако для каждой из них существуют и разрабатываются пути решения. Ниже приведены примеры таких решений, сгруппированные по ключевым проблемным областям.

1. Повышение безопасности и разработка реакторов нового поколения

Одной из главных проблем является обеспечение безопасности АЭС и исключение риска тяжелых аварий. Пути решения включают:

• Разработка и внедрение реакторов поколений III и III+. Такие проекты, как ВВЭР-1200 (Россия), AP1000 (США), EPR (Франция), оснащены пассивными системами безопасности. Эти системы не требуют вмешательства оператора или внешних источников энергии для охлаждения реактора в аварийной ситуации, используя естественные физические процессы (гравитацию, естественную конвекцию). Например, в реакторе ВВЭР-1200 предусмотрена ловушка расплава активной зоны на случай гипотетической тяжелой аварии.
• Разработка реакторов поколения IV. Ведутся исследования реакторов на быстрых нейтронах, жидкосолевых реакторов, высокотемпературных газоохлаждаемых реакторов. Эти технологии обладают так называемой "внутренне присущей безопасностью", когда сама физика реактора предотвращает его перегрев и разрушение.
• Создание толерантного топлива (Accident Tolerant Fuel, ATF). Разрабатываются новые виды ядерного топлива, оболочки которого способны выдерживать более высокие температуры и дольше противостоять пароциркониевой реакции (основная причина выделения водорода при аварии на АЭС "Фукусима-1").

2. Решение проблемы радиоактивных отходов (РАО)

Обращение с отработавшим ядерным топливом (ОЯТ) и другими РАО – ключевой вызов для отрасли. Решения включают:

• Замыкание ядерного топливного цикла (ЗЯТЦ). Эта концепция предполагает переработку ОЯТ для извлечения из него ценных компонентов (невыгоревшего урана и наработанного плутония) и их повторного использования в виде нового топлива (например, МОКС-топлива). Это позволяет многократно сократить объем высокоактивных отходов, подлежащих окончательному захоронению. В России реализуется проект "Прорыв", направленный на создание технологии ЗЯТЦ на базе реакторов на быстрых нейтронах.
• Трансмутация долгоживущих изотопов. В реакторах на быстрых нейтронах или в специальных установках (ускорительно-управляемых системах) возможно "дожигание" наиболее опасных, долгоживущих изотопов (младших актинидов), превращая их в стабильные или короткоживущие элементы.
• Глубинное геологическое захоронение. Создание надежных хранилищ для окончательной изоляции РАО в стабильных геологических формациях на глубине сотен метров. Примером является строящееся в Финляндии хранилище "Онкало".

3. Повышение экономической эффективности

Высокая стоимость и длительные сроки строительства АЭС являются серьезным экономическим барьером. Пути решения:

• Разработка малых модульных реакторов (ММР). Это реакторы небольшой мощности (до 300 МВт), которые производятся серийно на заводе и доставляются на площадку в виде готовых модулей. Это значительно сокращает сроки и стоимость строительства, а также позволяет гибко наращивать мощность. Примеры проектов: "НуСкейл" (США), ВВЭР-И (Россия).
• Стандартизация и серийное строительство. Переход от уникальных проектов к строительству серийных, стандартизированных энергоблоков позволяет снизить затраты за счет "эффекта серии" и отлаженных процессов.
• Продление сроков эксплуатации действующих АЭС. Модернизация и замена оборудования на существующих станциях позволяют безопасно продлить их срок службы с 30–40 до 60–80 лет, что является экономически очень выгодным решением.

4. Использование альтернативных топливных циклов

Ограниченность запасов природного урана является потенциальной проблемой в долгосрочной перспективе. Решения:

• Реакторы на быстрых нейтронах (бридеры). Эти реакторы способны нарабатывать из обедненного урана-238 новый ядерный материал – плутоний-239, причем в количествах, превышающих собственное потребление. Это позволяет вовлечь в топливный цикл практически весь природный уран, а не только редкий изотоп уран-235, что увеличивает ресурсную базу энергетики в сотни раз.
• Ториевый топливный цикл. Использование тория, которого в природе в 3–4 раза больше, чем урана, в качестве сырья для производства ядерного топлива (урана-233). Этот цикл также производит меньше долгоживущих трансурановых отходов.

Ответ: Примерами путей решения проблем атомной энергетики являются: разработка реакторов новых поколений (III+ и IV) с пассивными системами безопасности; замыкание ядерного топливного цикла путем переработки отработавшего топлива и использования его в реакторах на быстрых нейтронах; создание технологий "дожигания" (трансмутации) наиболее опасных радиоактивных отходов; строительство глубинных геологических хранилищ для финальной изоляции РАО; внедрение малых модульных реакторов для снижения стоимости и сроков строительства; переход на альтернативные топливные циклы, например, на основе тория.

Подготовьте коллективный доклад-дискуссию на тему «Экологические последствия использования тепловых, атомных и гидроэлектростанций». При подготовке докладов допустимо взять за основу соответствующий материал, имеющийся в учебнике, дополнив его материалами, самостоятельно найденными содокладчиками.

Современная цивилизация немыслима без электроэнергии. Для ее производства человечество использует различные типы электростанций. Однако каждый из них оказывает существенное влияние на окружающую среду. Рассмотрим экологические последствия использования трех основных типов станций: тепловых, атомных и гидроэлектростанций.

Экологические последствия использования тепловых электростанций (ТЭС)

Тепловые электростанции производят энергию за счет сжигания органического топлива, такого как уголь, мазут или природный газ. Это наиболее распространенный тип электростанций в мире, и их воздействие на экологию многогранно.

• Выбросы в атмосферу: При сжигании топлива в атмосферу попадает огромное количество вредных веществ. Главным из них является углекислый газ ($CO_2$) — основной парниковый газ, способствующий глобальному изменению климата. Кроме того, ТЭС выбрасывают оксиды серы ($SO_2$) и азота ($NO_x$), которые вызывают кислотные дожди, наносящие вред лесам, водоемам и постройкам. Также в воздух попадают твердые частицы (сажа, зола), которые могут вызывать респираторные заболевания у людей и животных.
• Тепловое загрязнение: Для охлаждения турбин ТЭС используют большие объемы воды из рек или озер. После использования подогретая вода сбрасывается обратно в водоем. Это приводит к повышению его температуры, что снижает содержание растворенного кислорода и губительно сказывается на водных организмах, нарушая сложившиеся экосистемы.
• Образование отходов: Особенно при использовании угля образуется большое количество шлака и золы. Эти отходы требуют огромных площадей для хранения (золоотвалы) и часто содержат токсичные тяжелые металлы (например, ртуть, мышьяк, свинец), которые могут проникать в почву и грунтовые воды, отравляя их.
• Воздействие на ландшафт: Добыча топлива (особенно угля открытым способом) приводит к разрушению природных ландшафтов, уничтожению почвенного покрова и деградации земель.

Ответ: Основные экологические последствия работы ТЭС включают загрязнение атмосферы парниковыми газами и веществами, вызывающими кислотные дожди; тепловое загрязнение водоемов; образование токсичных отходов (золы и шлака); а также разрушение экосистем в местах добычи топлива.

Экологические последствия использования атомных электростанций (АЭС)

Атомные электростанции используют энергию, выделяющуюся при цепной реакции деления ядер тяжелых элементов, как правило, урана-235. В ходе штатной работы АЭС считаются одними из самых «чистых» с точки зрения выбросов в атмосферу.

• Проблема радиоактивных отходов: Это главная и до сих пор не решенная проблема атомной энергетики. Отработавшее ядерное топливо (ОЯТ) является высокорадиоактивным и остается смертельно опасным на протяжении десятков тысяч лет. Требуются сложные и дорогостоящие технологии для его безопасного хранения и захоронения, но гарантировать полную изоляцию на такой длительный срок крайне сложно.
• Риск аварий: Хотя современные АЭС имеют многоуровневые системы безопасности, риск аварий полностью исключить нельзя. Катастрофы, подобные чернобыльской или фукусимской, приводят к выбросу огромного количества радиоактивных веществ, заражению обширных территорий на сотни и тысячи лет, массовой эвакуации населения и тяжелейшим последствиям для здоровья людей и всей биосферы.
• Тепловое загрязнение: Как и ТЭС, атомные станции производят большое количество избыточного тепла, которое сбрасывается в водоемы-охладители, вызывая их тепловое загрязнение и негативно влияя на водные экосистемы.
• Радиоактивное загрязнение при добыче сырья: Процесс добычи и обогащения урановой руды также сопряжен с радиационным риском и загрязнением окружающей среды.

Ответ: Ключевыми экологическими последствиями использования АЭС являются проблема обращения с высокорадиоактивными отходами, требующими тысячелетней изоляции; катастрофический потенциал аварий с радиоактивным заражением огромных территорий; и тепловое загрязнение водных объектов. Преимуществом является отсутствие выбросов парниковых газов при штатной работе.

Экологические последствия использования гидроэлектростанций (ГЭС)

Гидроэлектростанции преобразуют потенциальную энергию воды, накопленной в водохранилище, в электрическую. Этот вид генерации часто преподносится как экологически чистый, но он имеет свои серьезные негативные последствия.

• Затопление территорий и изменение ландшафта: Строительство плотины приводит к созданию огромного водохранилища. Под водой оказываются большие площади ценных земель: леса, луга, пашни, а также населенные пункты. Это приводит к полному уничтожению наземных экосистем на затопленной территории и вынужденному переселению людей.
• Нарушение гидрологического режима рек: Плотина кардинально меняет естественный режим реки. Она задерживает речные наносы (ил, песок), что приводит к размыванию русла и берегов ниже по течению и «истощению» поймы, лишенной питательных веществ. Меняется скорость течения, температура и химический состав воды.
• Воздействие на биоразнообразие: Плотины являются непреодолимым препятствием для мигрирующих видов рыб (например, осетровых, лососевых), что ведет к резкому сокращению или полному исчезновению их популяций. Изменение экосистемы реки и создание водохранилища также губительно для многих других видов водных и околоводных организмов.
• Выбросы парниковых газов: Вопреки распространенному мнению, ГЭС не являются полностью «углеродно-нейтральными». В водохранилищах происходит гниение затопленной растительности и органики, в результате чего в атмосферу выделяется метан ($CH_4$) — парниковый газ, который в десятки раз активнее $CO_2$.
• Риск прорыва плотины: Катастрофический прорыв плотины может привести к образованию мощной волны, способной смыть населенные пункты ниже по течению, что повлечет за собой колоссальные разрушения и человеческие жертвы.

Ответ: Экологические последствия работы ГЭС включают затопление и уничтожение больших территорий наземных экосистем, коренное нарушение гидрологического режима рек и путей миграции рыб, изменение качества воды, а также выбросы метана из водохранилищ. Существует также риск катастрофических прорывов плотин.