Вода под давлением: 10 уникальных состояний воды — фото

Содержание

10 уникальных состояний воды — фото

Вода может существовать только в жидком, твердом и газообразном состоянии, не так ли? Нет! Она может существовать в невероятном количестве других состояний, включая те, о которых вы даже не слышали. Вы можете поверить, что вода может превратиться в горячий лед или даже пудру? Да уж, порошкообразная вода – это вещь.

Сейчас вы можете подумать: «Как же это возможно?» Ну, для этого нужно соблюсти очень много условий. В большинстве случаев главными факторами являются время, температура и давление. В других случаях с водой происходят странные вещи, когда ее смешивают с другими субстанциями.

Квантовая вода
Горящий лед
Аморфный лед
Аэролед
Сверхзвуковой лед
Тройная точка воды
Плазменная вода
Сверхкритическая вода
Сухая вода
Лед VII

10. Лед VII

Лед холодный.

Но не лед VII (так называемый «горячий лед»), который, вообще-то, горячий. Ученые называют обычный лед, который есть у нас на Земле «лед Ih», где маленькая «h» означает «шестигранник», так как атомы кислорода выстраиваются в форме шестигранника, когда вода замерзает при нормальном давлении.

Но лед Ih превращается в лед II, когда давление увеличивается. Лед II превращается в лед III при еще большем увеличении давления, и так продолжается все дальше и дальше, пока он не превращается в лед VII, в котором атомы расположены в форме куба.

Лед VII горячий, потому что он формируется под высоким давлением и температурой. На Земле он теоретически может существовать только глубоко под мантией, где давление достаточно высокое, чтобы превратить обычную воду в лед VII. Но, с другой стороны, он не может там сформироваться, потому что высокая температура превратит воду в пар раньше, чем давление превратит ее в лед VII.

Ученые создали лед VII в лабораторных условиях.

Они так же обнаружили его в составе алмазов, сформированных глубоко в мантии Земли. Лед был создан из капель воды, которые попали в алмазы в то время, когда те только формировались в мантии.

9. Сухая вода

Мы получаем сухую воду при смешивании обычной воды с двуокисью кремния (при помощи машин). Она ведет себя как сухое твердое вещество, хотя и является водой на 95 процентов. Она состоит из сахарообразных крупинок, которые на самом деле являются капельками воды, покрытыми двуокисью кремния. Кремний не дает каплям соединиться и превратиться в жидкость.

Сухая вода была создана в 1968 г., и в то время использовалась в косметологии. Вскоре все про нее забыли, пока в 2006 году ее не открыли заново в Университете Халла, Великобритания.

Ученые считают, что сухую воду можно использовать для поглощения углекислого газа из атмосферы. Это может сработать, учитывая, что сухая вода поглощает в три раза больше углекислого газа, чем просто обычная вода.

Ученые также рассматривают возможность использования ее для хранения и транспортировки вредных химических веществ.

8. Сверхкритическая вода

Вещество достигает сверхкритического состояния, когда его температура и давление становятся настолько высокими, что границы между жидким и газообразным состояниями стираются. В случае с водой это происходит после газообразного состояния. Вода становится твердой, жидкой, газообразной и сверхкритической – именно в таком порядке. Вода в этой точке существует как странный пар, который фактически газом и не является.

Вода достигает сверхкритического состояния при 373 градусах по Цельсию и при давлении в 220 бар. В таком состоянии она не может вернуться в жидкое состояние. Сверхкритическая вода (как и любая сверхкритическая жидкость) в таком состоянии может проходить через твердое вещество – как газ, но все еще может растворять другие вещества – как жидкость.

7. Плазменная вода

Глис 1214 б – одна из самых странных планет. Она в шесть раз больше Земли и полна воды – включая плазменную воду, то есть вода там существует в плазменном состоянии.

Материя в плазменном состоянии немного похожа на газ. У нее низкая плотность, а также нет определенной формы или объема – прямо как у газа. Но с другой стороны, в отличие от газа, атомы материи лишены своих электронов. И положительно заряженные ядра перемещаются свободно. Вот почему некоторые ученые считают плазму электрически заряженной версией газа.

Возвращаясь к Глис 1214 б. Планета находятся так близко к своей звезде, что год на ней длится всего лишь 38 часов. Для сравнения Земля находится в 70 раз дальше от Солнца. Дневная температура может достигать 282 градуса по Цельсию, что слишком горячо для любой формы жизни.

Близость Глис 1214 б к своей звезде может быть причиной того, что вода на ней существует в форме плазмы.

Непомерно высокая температура и высокое давление на самой планете заставляют воду нагреваться и сжиматься настолько, что она превращается в плазму. Плазменная вода считается одной из сверхкритических форм воды, о которых мы упоминали ранее.

6. Тройная точка воды

Тройная точка вещества определяется как условия, когда вещество может существовать в твердом, жидком и газообразном состоянии и находится в термодинамическом равновесии. Это может случиться, только если вещество достигает специфической температуры и давления. Для воды эта температура, равная 273,16 по Кельвину (0,01 по Цельсию) и давление, равное 611,66 Паскалей (6,1166 мБар, 0,0060366 атмосфер), соответственно.

Тройную точку воды используют для определения температуры по Кельвину, калибровки термометров и определения тройной точки других жидкостей. Вода в своей тройной точке может быть превращена в твердое вещество, жидкость или газ, просто регулировкой давления и температуры соответственно.

5. Сверхзвуковой лед

Сверхзвуковой лед, или лед XVIII – это еще одна форма льда, сформированная массивным повышением температуры и давления. Он горячий, черный, плотный и ведет себя как металл. Твердый куб изо льда XVIII в четыре раза тяжелее, чем такой же куб из обычного льда. Некоторые ученые верят, что лед XVIII может быть обычной формой воды во вселенной, существуя на «ледяных гигантах», как Уран и Нептун.

Интересно, что ученые подтвердили существование льда XVIII только в 2019 году, хотя о его существовании говорилось еще в 1988 году. В том году группа ученых предположила, что вода может вести себя как металл, если температура и давление достаточно высоки. Лед XVIII образуется, только если температура достигает тысячи градусов, а давление – миллион атмосфер.

Ученые получили лед XVIII в результате эксперимента, в котором они использовали мощные лазеры, чтобы создать ударные волны, которые мгновенно повышали температуру и давление, оказываемое на капли воды. Ученые наблюдали, как молекулы водорода и кислорода моментально разделялись по мере того, как вода превращалась в кристаллы льда.

Молекулы кислорода формировали замороженные, твердые структуры, называемые кубическими решетками, в то время как молекулы водорода стекали, как жидкость, вокруг затвердевшего кислорода. Некоторые ученые говорят, что этот так называемый лед нельзя считать водой, потому что молекулы водорода и кислорода разделены. Они говорят, что молекулы водорода и кислорода должны быть вместе, чтобы считаться водой.

4. Аэролед

Аэролед – это самая легкая версия льда извне. Он был «обнаружен» в симуляции в 2017 году исследователями из Университета Окаяма в Японии во время эксперимента, проводимого, чтобы понять, как вода превращается в лед. Исследовательская группа создала эту форму льда, когда они попытались выяснить, что происходит, когда вода замерзает при отсутствии давления.

Остальные формы льда, упомянутые здесь, были созданы при экстремально высоком давлении, оказываемом на воду.

Эта симуляция была проведена при нулевом давлении.

Ученые создали аэролед путем извлечения двух атомов кислорода в диоксиде кремния (так называемом кварце), оставив только кремний. Затем они заменили атомы кремния атомами кислорода, прежде чем присоединить два атома водорода для образования льда. Это решение может иметь разные последствия того, как вода поведет себя в нанотрубках, нанопорах или других частях космоса.

3. Аморфный лед

Аморфный лед был создан мгновенным охлаждением жидкой воды, так что у молекул не было времени, чтобы образовать кристаллическое вещество. Не имея нормальной упорядоченной кристаллической структуры обычного льда, аморфный лед считается стеклом, то есть жидкостью, которая движется очень медленно. Аморфный лед не распространен на Земле, но считается одной из самых распространенных форм воды во вселенной.

Исследование 2007 года, включающее компьютерные симуляции аморфного льда, подразумевало, что это стекло может представлять собой состояние между кристаллическим и жидким.

Смоделированный аморфный лед показал неупорядоченную гиперуниформность, в которой есть порядок на больших пространственных расстояниях, но нет на коротких расстояниях.

2. Горящий лед

Гидраты метана – это своего рода лед, который действительно может гореть, так что вы можете поджечь его, как лист бумаги. Лед, о котором идет речь, содержит метан. Он естественным образом образуется на определенных глубинах океана, в вечной мерзлоте и даже в нефте- и газопроводах, где может вызвать засоры. Это последнее состояние, которое было обнаружено еще в 1930-х годах.

Горящий лед считается сжатым и замороженным метаном. Замороженный метан вскоре покрывается льдом, создавая горящий лед. Ученые считают этот лед возможным источником топлива, исходя из того, что он содержит много метана. Кубометр горящего льда может высвободить 160 кубометров метана. Он также считается более чистым, чем уголь.

К сожалению, многие страны не могут заменить свой уголь горящим льдом, потому что его трудно добывать из-под воды.

Он также становится нестабильным, когда его выносят на поверхность. Ученые говорят, что горящий лед может также обернуться в другую сторону и усугубить изменение климата. Это может произойти, когда гидрат метана, содержащийся в вечной мерзлоте, расплавится и выпустит метан в атмосферу.

1. Квантовая вода

В 2016 году ученые из Национальной лаборатории Оук-Ридж Министерства энергетики США создали новое квантовое состояние воды. Они сделали свое открытие, «продавливая» молекулы воды между шестиугольными кристаллами берилла.

Массивное сжатие увеличило давление настолько, что атомы молекул воды стали неровными, и с этого момента вода больше не подчиняется ряду физических законов. Молекулы смогли пройти через барьеры на атомном уровне, и их поведение теперь объясняется квантовой механикой и называется «туннелированием».

Это поведение возникает только, когда вещество находится в квантовом состоянии. Ученые верят, что вода часто переходит в квантовый режим, проходя через очень узкие полости в скалах, почве или даже через стенки клеток живых существ.

Мы уже много лет продаем и устанавливаем фильтры питьевой воды по всей Украине и искренне верим в свое дело. То, что фильтры способны обеспечивать Вас качественной водой — перепроверено многократно. Если у Вас есть вопросы по финансовой части, предлагаем статью со сравнительным расчетом заказа бутиллированной воды, или фильтра — вы удивитесь!

«Вода под высоким давлением содержит больше воды чем та, которая находится при нормальном давлении?» — Яндекс Кью

Реактор с водой под давлением — Энергетическое образование

Энергетическое образование

Меню навигации

ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЭНЕРГИИ

ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЕ ВОЗДЕЙСТВИЕ

ИНДЕКС

Поиск

Рис. 1. Атомная электростанция Уоттс-Бар в Теннесси использует в своей работе PWR. ^[1]

Рис. 2. Атомные подводные лодки используют в своей работе высокую удельную мощность реакторов PWR. ^[2]

Водо-водяной реактор ( PWR ) представляет собой тип ядерного реактора, используемого для выработки электроэнергии и приведения в движение атомных подводных лодок и военных кораблей. ^[3] Они используют легкую воду (обычная вода, в отличие от тяжелой воды) в качестве охлаждающей жидкости и замедлителя нейтронов. Это один из трех типов легководных реакторов, наряду с кипящим реактором и сверхкритическим водоохлаждаемым реактором.

Первоначально он был разработан для ВМС США, однако быстро стал наиболее широко используемым реактором на атомных электростанциях; с 297 в эксплуатации по всему миру по состоянию на 2018 год. ^[4] Это делает их, безусловно, наиболее часто используемыми реакторами в мире, а на втором месте (реактор с кипящей водой) находится всего 80 действующих реакторов. Строительство реакторов PWR значительно сократилось после ядерной аварии на Три-Майл-Айленде, главным образом в результате ослабления общественной поддержки.

Их использование на военных кораблях и атомных кораблях имеет чрезвычайно важное значение для различных вооруженных сил по всему миру. Ядерная энергия имеет огромное преимущество перед топливом, таким как бензин или дизельное топливо, поскольку позволяет кораблям работать в течение очень длительного времени без необходимости дозаправки. PWR являются хорошим реактором для этих кораблей, поскольку они имеют высокую удельную мощность (большую мощность для своей массы) из-за использования высокого давления. Это позволяет сделать реакторы достаточно компактными, особенно при использовании высокообогащенного урана.

Рисунок 3. Процент типов Rector по всему миру. ^[4]

Тип	Количество реакторов
ПВР	297
BWR (реактор с кипящим легководным охлаждением и замедлителем)	75
PHWR (реактор с тяжеловодным замедлителем и охлаждением под давлением)	49
LWGR (реактор с легководным охлаждением и графитовым замедлителем)	15
GCR (газоохлаждаемый реактор с графитовым замедлителем)	14
FBR (реактор на быстрых нейтронах)	3

Характеристики

Топливо

Водо-водяные реакторы должны использовать обогащенный уран в качестве ядерного топлива, поскольку они используют легкую воду. Это связано с тем, что легкая вода поглотила бы слишком много нейтронов, если бы использовался природный уран, поэтому содержание делящегося урана-235 в топливе необходимо увеличить. Это делается с помощью процесса обогащения урана, в котором концентрация урана-235 увеличивается с 0,7% до примерно 4%. ^[5]

Обогащенный уран упакован в топливные стержни, которые собраны в топливный пучок, как показано на рис. 250 связок в их ядре. ^[6] Это соответствует примерно пяти кубометрам урана или 80-100 тоннам урана. ^[6]

Пучки расположены вертикально в топливных трубах внутри активной зоны. По мере «сгорания» топлива в реакторе его плотность постепенно увеличивается, в результате чего внутри топливной трубы образуются небольшие пустоты. Эти пустые пространства могут вызвать проблемы, поскольку высокое давление может вызвать напряжение в трубах, увеличивая вероятность разрыва. Чтобы избежать этой проблемы, трубки наполняют гелием под давлением около 3,4 МПа. По мере накопления продуктов ядерного деления в течение срока службы топлива давление постепенно уравновешивается высоким давлением активной зоны. ^[3]

Рис. 3. Пучок ядерного топлива для реактора PWR. ^[7]

Теплоноситель и замедлитель

Как упоминалось ранее, легкая вода используется в качестве теплоносителя и замедлителя в реакторах с водой под давлением. Легкая вода намного более распространена, чем тяжелая вода, так как она составляет 99,99% природной воды. ^[8]

Легкая вода не является таким хорошим замедлителем, как тяжелая вода или графит, из-за ее относительно высокого поглощения нейтронов. Однако его использование в качестве модератора обеспечивает важную функцию безопасности; если произойдет авария с потерей теплоносителя (LOCA), также произойдет потеря замедлителя, что приведет к остановке цепной ядерной реакции. Кроме того, если замедляющая вода перегреется и станет паром внутри нижней активной зоны реактора, замедлителя будет меньше, и поэтому цепная реакция прекратится.

Давление, температура и расход воды

Рис. 4. Перевернутый U-образный пучок в парогенераторе PWR. ^[9]

Как следует из названия, вода в реакторе находится под давлением. Это связано с тем, что с повышением давления температура кипения воды увеличивается вместе с ним. Это означает, что при высоком давлении вода может работать при экстремально высоких температурах, не выкипая при этом в пар. Это важно для реактора, поскольку более высокое давление обеспечивает большую выходную мощность и более высокий тепловой КПД. ^[10] Давление поддерживается «компенсатором давления» (рис. 4), который стабилизирует изменения давления, вызванные изменениями электрической нагрузки. ^[3]

Температура воды на входе в реактор составляет 290°C, а на выходе она имеет температуру около 325°C. ^[3] Чтобы он оставался жидким при этих температурах, давление должно быть 15 МПа, или примерно в 150 раз больше атмосферного давления. ^[6] Благодаря сохранению воды в жидкой форме система управляющих стержней упрощается, поскольку их можно вводить сверху, а не снизу, как в реакторе с кипящей водой. Поэтому, если в установке пропадет электроэнергия, электромагнитная система, удерживающая стержни, выйдет из строя, и под действием силы тяжести стержни упадут в активную зону, остановив реакцию. ^[3]

Горячая вода, вытекающая из реактора, проходит через перевернутые U-образные трубы (рис. 4), которые действуют как теплообменник, нагревая вторичный контур воды в так называемом «парогенераторе». Этот вторичный контур имеет более низкое давление, поэтому он может превращаться в пар, который затем проходит через турбины для выработки электроэнергии. Большие реакторы имеют до 4 парогенераторов , ^[3] каждый из которых может быть больше самого реактора.

Основные операции PWR показаны ниже.

Рис. 5. Основной цикл и расход воды реактора PWR. ^[11]

Для дальнейшего чтения

Атомная энергетика
Ядерный реактор
Атомная электростанция
Реактор с кипящей водой
Уран
Или просмотрите случайную страницу

Ссылки

↑ Wikimedia Commons [Online], доступно: https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/c/ce/Watts_Bar-6.jpg
↑ Wikimedia Commons [в сети], доступно: https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/a/ad/Delta-II_class_nuclear-powered_ballistic_missle_submarine_3.jpg
↑ ^3.0 ^3.1 ^3.2 ^3.3 ^3.4 ^3.5 Дж. Р. Ламарш и А.Дж. Баратта, «Энергетические реакторы и ядерные системы подачи пара» в Введение в ядерную технику , 3-е изд., Аппер-Сэддл-Ривер, Нью-Джерси: Prentice Hall, 2001, глава 4, раздел 5, стр. 136–185.
↑ ^4.0 ^4.1 «PRIS — Отчеты о состоянии реактора — Оперативный и долгосрочный останов — По типу», Pris. iaea.org, 2018. [Онлайн]. Доступно: https://pris.iaea.org/PRIS/WorldStatistics/OperationalReactorsByType.aspx. [Доступ: 13 августа 2018 г.].
↑ Всемирная ядерная ассоциация. (25 июня 2015 г.). Uranium Enrichment [Online], доступно: http://www.world-nuclear.org/info/Nuclear-Fuel-Cycle/Conversion-Enrichment-and-Fabrication/Uranium-Enrichment/
↑ ^6.0 ^6.1 ^6.2 Всемирная ядерная ассоциация. (30 июня 2015 г.). Nuclear Power Reactors [Онлайн], доступно: http://www.world-nuclear.org/info/Nuclear-Fuel-Cycle/Power-Reactors/Nuclear-Power-Reactors/
↑ Wikimedia Commons [в сети], доступно: https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/2/2d/Nuclear_fuel_element.jpg
↑ Лаборатория Джефферсона. (29 июня 2015 г.). Изотопы элемента водорода [онлайн], доступно: http://education.jlab.org/itselemental/iso001.html
↑ Wikimedia Commons [в сети], доступно: https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/8/89/Nuclear_steam_generator. jpg
↑ Британская энциклопедия. (30 июня 2015 г.). Ядерный реактор [Онлайн], Доступно: http://www.britannica.com/technology/nuclear-reactor/Containment-systems-and-major-nuclear-accidents#ref155186
↑ NRC. (30 июня 2015 г.). Реактор с водой под давлением [Онлайн], Доступно: http://www.nrc.gov/reading-rm/basic-ref/students/animated-pwr.html

Реакторы с водой под давлением (PWR) и реакторы с кипящей водой (BWR) | Duke Energy

Реакторы электростанций

За исключением солнечных, ветряных и гидроэлектростанций, большинство электростанций представляют собой парогенераторы, использующие различные системы для производства пара. Атомная электростанция использует урановое топливо для производства ядерного деления, которое нагревает воду до состояния пара, приводящего в действие турбину, которая в конечном итоге производит электричество.

Существует множество различных типов реакторов, используемых на атомных электростанциях по всему миру для выработки ядерной энергии. Двумя наиболее распространенными реакторами являются реакторы с водой под давлением и реакторы с кипящей водой, оба из которых являются легководными реакторами (LWR). В легководных реакторах для охлаждения и нагрева ядерного топлива используется обычная вода. LWR, как правило, являются наиболее экономичным и распространенным типом реакторов.

Реактор с водой под давлением (PRW)

При делении ядер внутри реактора выделяется тепло. Это тепло передается воде, циркулирующей вокруг уранового топлива в первой из трех отдельных водяных систем. Вода нагревается до чрезвычайно высоких температур, но не кипит, потому что вода находится под давлением. Вода в системе первого контура проходит через активную зону реактора, действуя как замедлитель и теплоноситель, но не поступает в турбину. Он находится в контуре трубопровода под давлением. Горячая вода под давлением проходит через ряд труб внутри парогенератора.

Эти трубы окружены другой водяной системой, называемой вторичной или парогенерирующей системой. Тепло, а не вода, от первого теплоносителя передается вторичной системе, которая затем превращается в пар.

Первичная и вторичная системы являются закрытыми системами. Это означает, что вода, протекающая через реактор, остается отдельной и не смешивается с водой из других систем.

Пар перекачивается из защитной оболочки в машинное отделение, толкая гигантские лопасти турбины. Турбина соединена с электрическим генератором.

После вращения турбин пар охлаждается, проходя по трубам, по которым проходит третья водяная система, называемая охлаждающей жидкостью конденсатора. Когда пар охлаждается, он снова конденсируется в воду и возвращается в парогенератор для повторного использования.

Реакторы с кипящей водой (BWR)

В отличие от PWR, внутри реактора с кипящей водой система первичной воды поглощает достаточно тепла от процесса деления, чтобы вскипятить воду.