Урок 35. Атомный урок. Источники энергии и безуглеродное будущее
Предмет: Физика, 7 класс

Конспект урока

Специальный проект

Источники энергии. Безуглеродное будущее

Урок посвящён изучению основ и перспектив развития использования экологически чистых источников энергии.

Тезаурус

Атомная электростанция (АЭС) – ядерная установка, на которой для производства электроэнергии, используется ядерный реактор (реакторы) и комплекс необходимых систем, устройств, оборудования и сооружений.

Ветроэлектростанция (ВЭС) – это несколько ветроэнергетических установок, собранных в одном или нескольких местах и объединённых в единую сеть. Крупные ветряные электростанции могут состоять из 100 и более ветрогенераторов. Иногда ветряные электростанции называют «ветряными фермами».

Гидроэлектростанция (ГЭС) – электростанция, использующая в качестве источника энергии энергию движущейся воды.

Солнечная электростанция (СЭС) – сооружение, служащее для преобразования солнечной радиации в электроэнергию.

Энергоресурсы – это первичные источники энергии, находящиеся в окружающей природе.

Теоретический материал для самостоятельного изучения

Развитие техники и технологии долгое время шло по пути потребительского отношения человека к природным ресурсам. Природа даёт нам полезные ископаемые, при сжигании которых выделяется энергия. Это нефть, каменный уголь, природный газ. В природе запасы этих ресурсов хотя и большие, но ограниченные. Когда мы их используем, то их становится всё меньше и меньше, поэтому такие ресурсы называются невозобновляемыми. Солнце, реки и океаны, ветер тоже являются источниками энергии, и эта энергия также используется человеком. Но по своей природе эти источники энергии являются возобновляемыми энергоресурсами. Особое место занимают ресурсы, связанные с ядерной энергетикой. До настоящего времени они считались невозобновляемыми. Сейчас российская атомная промышленность делает атомную энергетику возобновляемой.

В нашей жизни мы чаще всего сталкиваемся с электрической энергией. В настоящее время основным способом производства электроэнергии является преобразование энергии, выделяющейся при сжигании топлива, в электрическую энергию. Этот процесс происходит на теплоэлектростанциях. Топливом для таких электростанций могут служить уголь, торф, газ, горючие сланцы, мазут – невозобновляемые источники энергии.

Но при сжигании горючего топлива выделяется большое количество углекислого газа. Накапливаясь в больших количествах в атмосфере, этот газ, как плёнка окутывает Землю, создавая так называемый парниковый эффект. Эти процессы приводят к глобальному изменению климата нашей планеты. И сегодня людям необходимо задуматься, как получить нужное количество энергии, не разрушая хрупкий природный баланс.

Чистые источники энергии настоящего и будущего: солнце, ветер, вода, и атом, образно говоря, составляют «Зеленый квадрат». С их помощью человек получает энергию без выбросов углекислого газа, большие количества которого отрицательно влияют на климат нашей планеты.

Энергия ветра

Устройства, которые обеспечивают преобразование энергии ветра в электрическую энергию, называют ветроэнергетическими установками или сокращенно ВЭУ. Их современные системы ориентации на ветер позволяют эффективно использовать энергию воздушного потока. А одна крупная ветроустановка способна дать электричество в тысячи домов. Основным элементом ВЭУ является ветроколесо, лопасти которого вращает набегающий поток воздуха. Конструкция с тремя лопастями получила наибольшее распространение.

Схема ветроэнергетической установки

Как же работает ветроустановка? Ветер вращает лопасти ветроколеса, которое закреплено на главном валу. Это вращение с помощью ряда механических устройств передается на один из главных элементов ветроустановки – электрогенератор, который преобразует энергию вращения в электроэнергию. В конструкции ветроустановки предусмотрен специальный механизм, разворачивающий гондолу перпендикулярно направлению ветра. Полученное электричество передается по проводам в общую электрическую сеть.

Солнечная энергия

Солнце является главным источником тепла и света на нашей планете. Каждый квадратный метр земной поверхности получает от Солнца столько энергии, сколько дают сотни килограммов угля. А количество солнечной энергии, которое попадает на поверхность Земли примерно в десять тысяч раз больше того количества энергии, которое вместе вырабатывают все электростанции нашей планеты.

Люди научились использовать только небольшую часть поступающей к нам солнечной энергии. Чтобы превратить солнечную энергию в электрическую были созданы преобразователи солнечной энергии или, как их еще называют, фотоэлементы.

Сооружение, служащее для преобразования солнечной энергии в электроэнергию, называется солнечной электростанцией. Существует несколько типов солнечных электростанций. Первый тип электростанций использует очень большое количество модулей на основе фотоэлементов. Такая система преобразует солнечный свет непосредственно в электроэнергию.

Схема солнечной электростанции башенного типа

Другой тип электростанций – электростанции башенного типа. В них используются специальные зеркала. Они называются гелиостаты. Это приборы, способные отслеживать движение солнца и поворачивать зеркала так, чтобы максимально собирать энергию солнечных лучей. Гелиостаты отражают солнечные лучи на специальные приёмники, которые собирают энергию Солнца и преобразуют её в тепло. Солнечные лучи нагревают воду внутри приёмника, вода кипит, образуя пар температурой около 250 градусов Цельсия. Пар вращает турбину, которая, в свою очередь, приводит в действие специальный механизм – электрогенератор – который переводит механическую энергию вращения в электрическую энергию.

Энергия воды

На Земле сосредоточены огромные запасы воды. И эта вода, водные потоки, несут в себе большую энергию. Сооружения, служащие для преобразования этой энергии в электрическую, называются гидроэлектростанциями или сокращенно ГЭС. Водопады и горные реки пригодны для строительства гидроэлектростанций.

Схема гидроэлектростанции

На равнинных реках гидроэлектростанции обычно строят, сооружая плотины и водохранилища. Благодаря этому создаётся необходимый напор воды, которая затем с большой скоростью поступает на лопасти гидротурбины, заставляя её вращаться. На современных гидроэлектростанциях работают сразу несколько турбин. Вращаясь со скоростью 150 оборотов в минуту, гидротурбина приводит в действие электрогенератор. Генератор – это механизм, преобразующий энергию движения водного потока в электрическую энергию.

Строительство ГЭС, кроме создания плотины, требует строительства сопутствующих сооружений. Это водосливная плотина для пропуска излишков воды в паводки, шлюзы и судоподъёмники — специальные сооружения, необходимые для того, чтобы суда могли перемещаться через плотину и многое другое. Все эти сооружения вместе с самой гидроэлектростанцией образуют гидроузел.

Ядерная энергия

Всё, что нас окружает на планете Земля, и даже мы сами, состоит из мельчайших частичек – атомов.

Строение атома

Современная наука знает, что атом состоит из положительно заряженного ядра и движущихся вокруг него отрицательно заряженных электронов. Практически вся масса атома сосредоточена в его ядре, хотя размер ядра в десять тысяч раз меньше размера самого атома. Ядро атома состоит из протонов и нейтронов. Протоны обладают положительным электрическим зарядом. Нейтроны никакого заряда не несут.

Периодическая система химических элементов Д.И. Менделеева

Нам известно 118 видов различных типов атомов. Их называют химическими элементами. Из них 92 можно найти в природе, а остальные 26 синтезированы в научных лабораториях. Самый лёгкий элемент, встречающийся в природе, – это водород, а самый тяжёлый – это уран.

Деление ядра урана

В 40-хх годах XX века было открыто новое физическое явление – деление ядра урана.

При делении под действием внешнего нейтрона или даже самопроизвольно ядро урана распадается на два ядра меньшей массы и несколько нейтронов. В этом процессе выделяется энергия.

Схема цепной ядерной реакции

Выяснилось, что если «выстрелить» в ядро урана нейтроном, то оно распадётся на части с образованием 2–3 новых нейтронов, которые, в свою очередь, разделят следующие ядра. И этот процесс может многократно повторяться. В этом случае возникает цепная ядерная реакция, в результате которой выделяется огромное количество энергии.

Преобразование этой энергии в электрическую происходит на атомных электростанциях.

На атомной электростанции используется энергия, которая выделяется в реакторе в результате цепной ядерной реакции деления.

Фрагмент тепловыделяющей сборки ядерного реактора

Топливом для ядерного реактора является обогащённый уран, который формируют в виде небольших таблеток массой всего 4,5 грамма. Таблетки с ядерным топливом помещают в полую металлическую трубку, которую герметично запаивают. Такая трубка называется тепловыделяющим элементом, или ТВЭЛом. ТВЭлы в свою очередь объединяют в тепловыделяющую сборку, которую и загружают в ядерный реактор.

Как вы уже знаете, в результате деления ядро урана распадается на несколько осколков, которые обладают скоростью, а значит энергией. Осколки деления, образовавшиеся в ядерном топливе, мгновенно начинают испытывать соударения с соседними ядрами, тем самым вызывая нагрев топлива.

Схема атомной электростанции

Тип реактора, о котором идёт речь, называется водо-водяным. Дело в том, что тепловыделяющие сборки с ядерным топливом находятся в воде, которая нагревается и отводит образующееся тепло из активной зоны реактора. Вода, циркулирующая в первом контуре реактора, имеет очень высокую температуру и находится под большим давлением. Поэтому она не закипает.

Нагретая вода первого водяного контура поступает в парогенератор. Протекая внутри теплообменных трубок, она заставляет кипеть воду, омывающую трубки снаружи, то есть воду второго водяного контура. В отличие от воды первого водяного контура, вода второго водяного контура находится под обычным давлением, так что в парогенераторе она превращается в пар. Вода из активной зоны реактора не смешивается с водой второго контура, что важно для радиационной безопасности.

Затем, образующийся во втором контуре пар поступает на турбину и заставляет её вращаться. Турбина соединена с валом генератора, который осуществляет выработку электроэнергии.

На современных атомных электростанциях используется множество систем защиты. Способы защиты автоматизированы и могут дублировать друг друга в случае возникновения аварийных ситуаций. Именно поэтому атомная отрасль по праву считается одной из самых безопасных.

«Зелёный квадрат» и будущее энергетики

Проект «Зелёный квадрат» – это сочетание четырёх направлений развития энергетики. У каждого из этих «чистых» источников энергии есть свои преимущества и особенности. Координацией работ по развитию техники, новых технологий и научных исследований в области использования атомной энергии в нашей стране занимается Госкорпорация «Росатом». В России развивается уникальная технология создания реакторов-размножителей на быстрых нейтронах, которая позволит превратить атом в возобновляемый источник энергии.

Схема термоядерной реакции

В ядерных реакциях можно получать энергию не только при делении тяжёлых ядер, но и при слиянии легчайших ядер, например, таких как водород. Такие реакции называются «термоядерным синтезом». Наше Солнце является «ярким» примером термоядерного реактора. Термоядерный синтез является очень перспективным направлением ядерной энергетики с неисчерпаемыми запасами ресурсов.

Российские учёные из Курчатовского института спроектировали и предложили международному сообществу термоядерный реактор типа Токамак. Эту идею поддержали учёные многих стран. И сейчас во французском г. Кадараше совместными усилиями многих стран создаётся новая установка — международный термоядерный реактор ИТЭР. Это прообраз термоядерной электрической станции будущего.

Сегодня не только в России, но и во всём мире стремительно возрастает интерес к мобильным атомным электростанциям и атомным электростанциям малой мощности. Они размещаются в сложных природных условиях, где нет доступа к традиционным источникам энергии.

Компактные радиоизотопные источники электроэнергии – РИТЭГи (для космических и наземных аппаратов)

Атом помогает и осуществлению заветной мечты человечества – исследованию космического пространства. Для этого «Росатомом» созданы компактные радиоизотопные источники электроэнергии, или РИТЭГи. Они являются своеобразными атомными батарейками, в которых тепло, выделяющееся в результате распада радиоактивных веществ, превращают в электричество. Они уже являются и будут являться важными энергетическими компонентами космических кораблей, которые имеют продолжительное время полёта и могут находиться далеко от Солнечной системы, где уже невозможно использование солнечных батарей.

«Росатом» создаёт ядерные установки для ледокольного и подводного флота России.

Исследования, связанные с атомной и ядерной физикой, привели к таким открытиям, благодаря которым стали возможны и ядерная энергетика, и большинство уже привычных нам современных технологий. Эти технологии позволили сильно улучшить качество жизни. Благодаря ядерной медицине наблюдается существенный прогресс в ранней диагностике и лечении тяжёлых заболеваний.

Подведём итог. В этом уроке вы узнали о «Зелёном квадрате», идеи которого составляют будущее энергетики планеты Земля.

Примеры и разбор решения заданий тренировочного модуля

Задание 1. Установите соответствие между источниками энергии и электростанциями.

Варианты ответа:

Источник энергии

Устройство/сооружение

Ядро атома

Солнце

Ветер

Вода

Правильный вариант ответа:

Источник энергии

Устройство/сооружение

Солнце

Ветер

Вода

Ядро атома

Задание 2. Заполните пропуски в тексте.

Все вещества вокруг нас состоят из ___. Любой атом состоит из ____ и вращающихся вокруг него ____. Внутри ___ заключена колоссальная энергия.

Варианты ответа:

атомов

ядра

электронов

ядер

протонов

нейтронов

Правильный ответ:

Все вещества вокруг нас состоят из атомов. Любой атом состоит из ядра и вращающихся вокруг него электронов. Внутри ядер заключена колоссальная энергия.