Страница 311 - гдз по физике 9 класс учебник Пёрышкин, Гутник

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

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

Необходимость поиска новых источников энергии в середине XX века была вызвана совокупностью нескольких ключевых факторов.

Во-первых, после Второй мировой войны начался период бурного экономического роста и индустриализации во многих странах мира, что сопровождалось резким увеличением потребления энергии. Традиционные источники, в основном уголь и нефть, уже не могли в полной мере удовлетворить растущие аппетиты промышленности, транспорта и бытового сектора. Возникли опасения по поводу истощения ископаемых ресурсов в долгосрочной перспективе.

Во-вторых, именно в этот период были сделаны фундаментальные открытия в области ядерной физики. Открытие деления атомного ядра в 1938 году и последующая разработка теории цепных реакций показали возможность высвобождения колоссального количества энергии из очень малого количества вещества. Это открыло перспективу создания принципиально нового, чрезвычайно мощного источника энергии.

В-третьих, важную роль играли геополитические мотивы. В условиях Холодной войны овладение «мирным атомом» стало символом научно-технического превосходства и государственного престижа. Кроме того, собственная ядерная энергетика обещала странам энергетическую независимость, снижая их уязвимость от колебаний на мировом рынке ископаемого топлива.

Ответ: Необходимость в новых источниках энергии в середине XX века возникла из-за резкого роста мирового энергопотребления, вызванного промышленным ростом, научных открытий в области ядерной физики, которые открыли доступ к атомной энергии, и геополитических соображений, связанных со стремлением к энергетической независимости и демонстрацией технологического превосходства.

2. Назовите два основных преимущества

Если речь идет о преимуществах ядерной энергии, которая стала основным новым источником, освоенным в середине XX века, то можно выделить следующие два.

Первое преимущество — это огромная энергоемкость ядерного топлива. При делении ядер высвобождается энергия, которая в миллионы раз превышает энергию химических реакций, например, горения. Так, 1 килограмм урана-235 при полном делении может выделить столько же энергии, сколько сжигание примерно 2500 тонн угля. Это делает ядерную энергетику чрезвычайно эффективной с точки зрения объема используемого топлива и значительно упрощает его транспортировку и хранение. Энергетический выход описывается знаменитой формулой Эйнштейна $E=mc^2$, показывающей превращение малой массы в огромное количество энергии.

Второе преимущество — это отсутствие выбросов парниковых газов в процессе работы. Атомные электростанции (АЭС) не сжигают органическое топливо, поэтому они не являются источником выбросов углекислого газа ($CO_2$), который считается основной причиной глобального потепления. Также они не производят оксиды серы и азота, вызывающие кислотные дожди. Благодаря этому ядерная энергетика является одним из самых чистых видов генерации электроэнергии с точки зрения загрязнения атмосферы.

Ответ: Два основных преимущества ядерной энергии: 1) высокая энергоемкость (малое количество топлива производит огромное количество энергии); 2) отсутствие выбросов парниковых газов и загрязняющих веществ в атмосферу в процессе работы.

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

В середине XX века необходимость в поиске новых источников энергии возникла по совокупности нескольких ключевых причин, связанных с глобальными изменениями в экономике, демографии и науке:

• Рост энергопотребления. Послевоенный экономический бум, стремительная индустриализация во многих странах мира и рост населения привели к резкому увеличению спроса на энергию для промышленности, транспорта и бытовых нужд.
• Ограниченность традиционных ресурсов. Основными источниками энергии были ископаемые виды топлива — уголь, нефть и газ. Стало очевидно, что их запасы конечны и невозобновляемы, что создавало угрозу энергетического кризиса в будущем.
• Геополитический фактор. Месторождения ископаемого топлива распределены по планете неравномерно. Это ставило страны-импортеры в экономическую и политическую зависимость от стран-экспортеров, что приводило к нестабильности на мировых рынках.
• Экологические проблемы. Массовое сжигание угля и мазута приводило к серьезному загрязнению атмосферы, возникновению смога в крупных городах и кислотных дождей, что наносило вред здоровью людей и окружающей среде.
• Научно-технический прогресс. Открытие деления ядра урана и развитие ядерной физики в 1930-1940-х годах открыли доступ к принципиально новому, колоссальному по своей мощности источнику энергии. Атомная энергия представлялась перспективным решением для удовлетворения растущих энергетических потребностей человечества.

Ответ: Необходимость поиска новых источников энергии в середине ХХ века была вызвана резким ростом мирового энергопотребления, осознанием конечности ископаемых ресурсов, геополитической зависимостью и негативными экологическими последствиями их использования, а также появлением новой технологии — ядерной энергетики.

2. Атомные электростанции (АЭС) имеют два основных преимущества перед тепловыми электростанциями (ТЭС), работающими на органическом топливе (уголь, газ, мазут).

Первое преимущество — экологическая чистота в отношении атмосферных выбросов.

Обоснование: Работа АЭС основана на реакции деления ядер, а не на сжигании топлива. В результате этого процесса не происходит выбросов в атмосферу парниковых газов (например, углекислого газа $CO_2$), оксидов серы ($SO_2$) и азота ($NO_x$), которые являются причиной кислотных дождей, а также золы и сажи. ТЭС, напротив, являются одними из главных источников этих загрязняющих веществ, вносящих вклад в глобальное изменение климата и ухудшение качества воздуха.

Второе преимущество — колоссальная энергоемкость ядерного топлива.

Обоснование: Ядерное топливо (например, обогащенный уран) обладает чрезвычайно высокой плотностью энергии. Для производства одинакового количества электроэнергии АЭС требуется в миллионы раз меньше топлива по массе, чем ТЭС. Например, несколько десятков тонн ядерного топлива обеспечивают работу энергоблока АЭС в течение года, в то время как угольной ТЭС такой же мощности для этого потребовались бы миллионы тонн угля (несколько железнодорожных составов в сутки). Это кардинально снижает затраты на транспортировку и хранение топлива, а также делает стоимость электроэнергии менее зависимой от цен на ископаемые ресурсы.

Ответ: Два основных преимущества АЭС перед ТЭС — это отсутствие выбросов загрязняющих веществ и парниковых газов в атмосферу и огромная энергоемкость ядерного топлива, что значительно сокращает объемы его потребления и транспортировки.

3. Безопасность современных АЭС обеспечивается концепцией так называемой "глубокоэшелонированной защиты", которая включает в себя систему последовательных физических барьеров на пути распространения радиоактивных веществ. Можно выделить три основных барьера:

1. Топливная матрица и оболочка твэла. Первый и самый важный барьер — это само ядерное топливо. Радиоактивные продукты деления в основном удерживаются в кристаллической структуре топливной таблетки из диоксида урана. Эти таблетки герметично запаяны в прочную и коррозионно-стойкую оболочку из циркониевого сплава. Эта оболочка (твэл — тепловыделяющий элемент) предотвращает попадание продуктов деления в теплоноситель первого контура.
2. Границы первого контура. Все твэлы, собранные в тепловыделяющие сборки, находятся внутри толстостенного стального корпуса реактора. Корпус реактора вместе с трубопроводами и оборудованием (парогенераторами, циркуляционными насосами) образуют герметичный и прочный первый контур. Эта система рассчитана на работу при высоких давлениях и температурах и удерживает радиоактивный теплоноситель внутри себя.
3. Защитная герметичная оболочка (контейнмент). Весь реактор и оборудование первого контура размещаются внутри массивного здания из предварительно напряженного железобетона со стальной внутренней облицовкой — контейнмента. Эта оболочка является последним, самым прочным барьером. Она спроектирована так, чтобы выдержать экстремальные внутренние (например, повышение давления при разрыве трубопровода) и внешние (например, ураган, падение самолета) воздействия и не допустить выхода радиоактивных веществ в окружающую среду даже в случае тяжелой аварии.

Ответ: Три принципиальных барьера безопасности на АЭС: 1) герметичная оболочка твэла, удерживающая продукты деления внутри топливной таблетки; 2) прочный герметичный корпус реактора и первый контур, изолирующие радиоактивный теплоноситель; 3) защитная герметичная оболочка (контейнмент), предотвращающая утечку радиоактивности в окружающую среду.

3. Назовите три принципиальные проблемы современной атомной энергетики.

Современная атомная энергетика, несмотря на свои преимущества, сталкивается с рядом фундаментальных проблем, которые ограничивают ее развитие и вызывают общественные споры. Можно выделить три основные принципиальные проблемы:

1. Безопасность и риск крупных аварий.

Хотя современные атомные электростанции (АЭС) имеют многоуровневые системы безопасности, сохраняется теоретический риск тяжелой аварии с расплавлением активной зоны реактора и выбросом радиоактивных веществ в окружающую среду. Причинами могут стать отказы оборудования, человеческий фактор, стихийные бедствия (как в случае с аварией на АЭС «Фукусима-1» в Японии) или террористические акты. Последствия таких катастроф, как показали аварии в Чернобыле и на Фукусиме, носят глобальный и долговременный характер, приводя к радиоактивному загрязнению огромных территорий и серьезным последствиям для здоровья людей и состояния экосистем.

2. Проблема обращения с радиоактивными отходами (РАО).

В процессе работы ядерных реакторов образуется отработавшее ядерное топливо (ОЯТ) — высокоактивные радиоактивные отходы. Эти отходы остаются чрезвычайно опасными на протяжении тысяч и даже сотен тысяч лет. На сегодняшний день в мире не существует общепринятого и реализованного в промышленных масштабах способа окончательного, постоянного захоронения ОЯТ. В основном оно накапливается во временных хранилищах на территориях самих АЭС. Создание постоянных геологических могильников является технологически сложной, очень дорогой и социально-политически чувствительной задачей из-за отсутствия согласия общества на размещение таких объектов.

3. Риск распространения ядерного оружия и ядерный терроризм.

Технологии, используемые в ядерном топливном цикле, в частности обогащение урана и переработка отработавшего топлива с выделением плутония, могут быть использованы для создания материалов, пригодных для ядерного оружия. Это создает риск нераспространения — попадания ядерных технологий и материалов в руки государств, стремящихся к созданию ядерного арсенала, или террористических группировок. Кроме того, сами ядерные объекты являются потенциальной мишенью для террористов. Это требует создания сложных и дорогостоящих систем физической защиты и строгого международного контроля (в лице МАГАТЭ), но полностью исключить такой риск невозможно.

Ответ:

Три принципиальные проблемы современной атомной энергетики:

1. Обеспечение абсолютной безопасности и предотвращение крупных аварий с выбросом радиации.

2. Отсутствие окончательного решения проблемы долгосрочного безопасного захоронения высокоактивных радиоактивных отходов.

3. Риск распространения ядерных материалов и технологий, которые могут быть использованы для создания оружия, а также угроза ядерного терроризма.

4. Приведите примеры путей решения проблем атомной энергетики.

Современная атомная энергетика сталкивается с рядом серьезных проблем, однако для каждой из них существуют и разрабатываются конкретные пути решения. Ниже приведены примеры таких решений по основным направлениям.

1. Повышение безопасности АЭС

Одной из главных проблем является обеспечение безопасности и предотвращение тяжелых аварий, подобных Чернобыльской или Фукусимской. Пути решения этой проблемы включают:

• Разработка и внедрение реакторов новых поколений (III+ и IV). Современные проекты, такие как ВВЭР-1200 (Россия) или AP1000 (США), относятся к поколению III+ и оснащены пассивными системами безопасности. Эти системы не требуют внешнего электропитания или вмешательства оператора для охлаждения реактора в аварийной ситуации, используя естественные физические процессы, такие как гравитация и естественная конвекция.
• Исследование реакторов IV поколения. Ведутся разработки принципиально новых типов реакторов, обладающих так называемой «внутренне присущей безопасностью». К ним относятся высокотемпературные газоохлаждаемые реакторы (ВТГР), реакторы на расплавах солей (ЖСР), реакторы на быстрых нейтронах с натриевым или свинцовым теплоносителем. Например, в реакторах на расплавах солей топливо уже находится в жидком виде, что исключает аварию с расплавлением активной зоны, а работают они при низком давлении, что снижает риск разгерметизации.
• Усиление культуры безопасности и международного сотрудничества. После крупных аварий были значительно ужесточены требования к эксплуатации АЭС, подготовке персонала и международному контролю. Организации, такие как Всемирная ассоциация операторов атомных электростанций (WANO), способствуют обмену опытом и лучшими практиками для повышения безопасности на всех АЭС мира.

Ответ: Проблема безопасности решается за счет внедрения реакторов новых поколений с пассивными системами безопасности (поколение III+), разработки реакторов с внутренне присущей безопасностью (поколение IV), а также постоянного совершенствования стандартов эксплуатации и международного сотрудничества.

2. Обращение с радиоактивными отходами (РАО)

Проблема долгосрочного и безопасного хранения отработавшего ядерного топлива (ОЯТ) и других РАО является ключевым барьером для развития атомной энергетики. Основные пути решения:

• Глубокая геологическая изоляция. Международным научным сообществом признано, что наиболее надежным способом окончательной изоляции высокоактивных отходов является их захоронение в стабильных геологических формациях на глубине нескольких сотен метров. Ведущим примером является строительство хранилища «Онкало» в Финляндии.
• Замыкание ядерного топливного цикла (ЗЯТЦ). Эта концепция предполагает переработку ОЯТ для извлечения из него ценных компонентов (невыгоревшего урана и плутония) и их повторного использования в производстве свежего ядерного топлива (например, МОКС-топлива). Это позволяет многократно сократить объем и радиотоксичность отходов, подлежащих окончательной изоляции. Ключевую роль в ЗЯТЦ играют реакторы на быстрых нейтронах, способные эффективно «сжигать» наиболее опасные долгоживущие изотопы – трансурановые элементы.
• Трансмутация. Это технология «дожигания» долгоживущих радиоактивных изотопов путем их облучения в реакторах или ускорителях заряженных частиц, что превращает их в короткоживущие или стабильные изотопы. Хотя эта технология находится на стадии исследований, она является перспективным дополнением к ЗЯТЦ.

Ответ: Проблема РАО решается путем создания глубоких геологических хранилищ для окончательной изоляции, а также через замыкание топливного цикла, включающего переработку ОЯТ и использование реакторов на быстрых нейтронах для «сжигания» наиболее опасных изотопов.

3. Снижение риска распространения ядерного оружия

Существуют опасения, что технологии и материалы из гражданской ядерной программы могут быть использованы для создания ядерного оружия. Для минимизации этих рисков предпринимаются следующие шаги:

• Укрепление режима нераспространения. Международное агентство по атомной энергии (МАГАТЭ) осуществляет строгий контроль (гарантии) над ядерными материалами на всех объектах гражданской атомной энергетики в странах-участницах Договора о нераспространении ядерного оружия.
• Разработка устойчивых к распространению топливных циклов. Ведутся работы по созданию технологий, которые делают извлечение оружейных материалов затруднительным. Примером является ториевый топливный цикл, который производит уран-233, содержащий примеси, усложняющие его использование в военных целях. Также разрабатываются методы, позволяющие оставлять плутоний в смеси с другими элементами, что делает его непригодным для оружия.

Ответ: Риски распространения снижаются благодаря строгому международному контролю со стороны МАГАТЭ и разработке новых топливных циклов (например, на основе тория), которые технологически затрудняют получение материалов для ядерного оружия.

4. Повышение экономической конкурентоспособности

Высокая стоимость строительства и длительные сроки ввода АЭС в эксплуатацию являются серьезным экономическим препятствием. Решения включают:

• Разработка малых модульных реакторов (ММР). Это реакторы небольшой мощности (до 300 МВт), которые могут производиться серийно на заводах и доставляться на площадку в готовом виде. Ожидается, что это значительно снизит капитальные затраты, сократит сроки строительства и позволит более гибко наращивать энергетические мощности.
• Стандартизация и серийное строительство. Строительство нескольких энергоблоков по одному и тому же стандартизированному проекту позволяет снизить затраты за счет «эффекта обучения» и оптимизации цепочек поставок.
• Продление срока эксплуатации действующих АЭС. Безопасное продление срока службы существующих реакторов с 40 до 60, а в перспективе и до 80 лет, является экономически выгодным решением, так как позволяет производить дешевую электроэнергию без новых капитальных вложений.

Ответ: Экономическая эффективность повышается за счет разработки и внедрения малых модульных реакторов, стандартизации проектов крупных АЭС и программ по продлению сроков эксплуатации существующих станций.

Задание 23. 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.

Решение

Современная цивилизация немыслима без электроэнергии, однако ее производство сопряжено со значительным воздействием на окружающую среду. В данном докладе рассматриваются экологические последствия работы трех основных типов электростанций: тепловых, атомных и гидроэлектростанций. Целью является анализ и сравнение их влияния на природу для формирования основы для дискуссии о будущем энергетики.

Экологические последствия использования тепловых электростанций (ТЭС)

Тепловые электростанции производят энергию за счет сжигания органического топлива, такого как уголь, мазут или природный газ. Это самый распространенный тип электростанций в мире.

• Загрязнение атмосферы: При сжигании топлива в атмосферу выбрасывается большое количество вредных веществ. Среди них — углекислый газ ($CO_2$), являющийся основной причиной парникового эффекта и глобального изменения климата. Также в атмосферу поступают оксиды серы ($SO_x$) и азота ($NO_x$), которые, соединяясь с водяным паром, выпадают в виде кислотных дождей. Кислотные дожди наносят ущерб лесам, водоемам, почве и даже разрушают здания и памятники.
• Твердые отходы: Работа ТЭС, особенно угольных, приводит к образованию огромного количества золы и шлаков. Для их хранения требуются большие площади (золоотвалы), которые загрязняют почву и грунтовые воды тяжелыми металлами и токсичными элементами.
• Тепловое загрязнение: Для охлаждения турбин ТЭС используют большие объемы воды из близлежащих рек или озер. Нагретая вода, сбрасываемая обратно в водоем, повышает его температуру, что приводит к снижению содержания кислорода в воде, гибели рыбы и нарушению баланса водной экосистемы.

Ответ: Тепловые электростанции являются ключевым источником загрязнения атмосферы, основной причиной кислотных дождей и глобального потепления, а также создают проблемы, связанные с утилизацией отходов и тепловым загрязнением водоемов.

Экологические последствия использования атомных электростанций (АЭС)

Атомные электростанции используют энергию, выделяющуюся при управляемой цепной реакции деления ядер тяжелых элементов, чаще всего урана-235. Процесс высвобождает колоссальное количество тепла, которое используется для производства электроэнергии.

• Проблема радиоактивных отходов: Главный экологический недостаток АЭС — образование отработавшего ядерного топлива (ОЯТ). Эти отходы остаются чрезвычайно радиоактивными на протяжении тысяч лет и требуют надежной и долговременной изоляции от биосферы. На сегодняшний день не существует окончательного и общепринятого решения проблемы захоронения ОЯТ.
• Риск аварий: Несмотря на высочайшие стандарты безопасности, существует теоретическая вероятность тяжелых аварий с выбросом радиоактивных веществ в окружающую среду. Катастрофы на Чернобыльской АЭС (1986) и АЭС Фукусима-1 (2011) продемонстрировали, какими разрушительными и долгосрочными могут быть последствия таких инцидентов для здоровья людей и экологии целых регионов.
• Тепловое загрязнение: Как и ТЭС, атомные станции требуют большого количества воды для охлаждения и оказывают аналогичное тепловое воздействие на водные экосистемы.

С другой стороны, при штатной работе АЭС практически не производят выбросов парниковых газов, что делает их важным инструментом в борьбе с изменением климата.

Ответ: Атомные электростанции являются экологически чистыми с точки зрения выбросов в атмосферу, но создают серьезнейшие проблемы, связанные с обращением с радиоактивными отходами и риском катастрофических аварий.

Экологические последствия использования гидроэлектростанций (ГЭС)

Гидроэлектростанции преобразуют потенциальную энергию воды в электрическую. Для этого реки перекрывают плотинами, создавая водохранилища.

• Изменение ландшафта и экосистем: Строительство ГЭС приводит к затоплению огромных территорий, включая сельскохозяйственные угодья, леса и населенные пункты. Это полностью и необратимо уничтожает наземные экосистемы в зоне водохранилища.
• Влияние на гидрологический режим рек: Плотина кардинально меняет жизнь реки. Она замедляет течение, изменяет температурный и ледовый режим, задерживает речные наносы (ил), что приводит к эрозии русла ниже по течению и деградации дельт.
• Ущерб для биоразнообразия: Плотины становятся непреодолимым препятствием для мигрирующих видов рыб (например, осетровых, лососевых), что приводит к резкому сокращению их популяций. Изменение экосистемы реки влияет на всех ее обитателей.
• Выбросы парниковых газов: Затопленная растительность на дне водохранилища начинает разлагаться без доступа кислорода, что приводит к выделению метана ($CH_4$) — парникового газа, который в десятки раз активнее $CO_2$.

Несмотря на это, ГЭС являются источником возобновляемой энергии, не загрязняют воздух продуктами сгорания и имеют низкую стоимость произведенной электроэнергии.

Ответ: Гидроэлектростанции, будучи источником чистой возобновляемой энергии, наносят масштабный и часто необратимый ущерб речным экосистемам, приводят к затоплению больших территорий и нарушают естественный гидрологический режим рек.

Материал для дискуссии:

Очевидно, что идеального способа производства энергии не существует. Каждый из рассмотренных видов генерации имеет свои достоинства и серьезные экологические недостатки. Дискуссия может быть построена вокруг следующих вопросов:

1. Какой вид вреда для окружающей среды является "меньшим злом": глобальное изменение климата (ТЭС), риск радиационной катастрофы (АЭС) или необратимое разрушение речных экосистем (ГЭС)?
2. Какова роль энергосбережения и повышения эффективности использования энергии в снижении общей нагрузки на природу?
3. Каковы перспективы и экологические риски альтернативных источников энергии (солнечной, ветровой) в сравнении с традиционными?
4. Какой должна быть сбалансированная энергетическая стратегия для устойчивого развития в будущем, учитывающая экологические, экономические и социальные факторы?