ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ

В конечном счете вся энергия, которой мы можем распорядиться, приходит к нам от Солнца. В недрах нашего светила при температурах порядка миллионов кельвинов проходят реакции между атомными ядрами. Идет неуправляемый термоядерный синтез.

Человек научился осуществлять подобные реакции, сопровождающиеся баснословным выделением энергии в земных условиях. Это водородная бомба. Ведутся работы по созданию управляемого термоядерного синтеза, о котором у нас пойдет речь ниже.

Сейчас этими вводными фразами мы оправдываем то, что именно после разговора о строении ядер естественно перейти к беседе об источниках энергии на Земле.

В земных условиях мы можем добыть энергию тремя путями. Во-первых, извлечь ее за счет топлива — химического или ядерного. Для этой цели требуется создать цепную реакцию, в ходе которой происходило бы воссоединение или разрушение молекул или атомных ядер. Химическое топливо, имеющее пока что практическое значение, — это уголь, нефть, природный газ. Ядерное топливо — это уран и торий (разлом частиц) и легкие элементы — прежде всего водород (воссоединение частиц).

Второй путь — это превращение кинетической энергии в работу. Можно заставить производить работу водяные потоки. Гидроэнергия — «белый уголь» — становится важнейшим источником энергии, если заставить воду падать с большой высоты — построить плотину или использовать естественные водопады, такие, как Ниагарский. Этот же путь превращения энергии в работу заставляет вращаться крылья ветряных мельниц.

Мы увидим, что к воздушным потокам — «голубому углю» — надо отнестись со всей серьезностью. Ветряные мельницы возрождаются на новом техническом уровне и внесут заметную лепту в энергетическую кассу. К этой же категории источников энергии относится использование энергии приливных волн.

Законы термодинамики подсказывают нам и третье решение энергетической проблемы. В принципе всегда возможно построить двигатель, который использует разности температур. Как мы знаем, поток тепла, переходя от нагретого тела к холодному, может быть частично превращен в механическую работу. С разностями температуры мы встречаемся как в земной коре и в Мировом океане, так и в атмосфере. Углубляясь в земные недра, мы убедимся в том, что в любом месте земного шара наблюдается повышение температуры.

Все эти три возможности (еще раз повторим) возникают благодаря приходу на нашу планету излучения Солнца. Земля получает ничтожную долю энергии, которую несут солнечные лучи. Но и эта крошечная часть колоссальна, и ее хватит землянам не только на удовлетворение обыденных нужд, но и на осуществление самых фантастических проектов.

Но солнечную энергию можно использовать и непосредственно. Ведь мы научились превращать энергию излучения в электрический ток с помощью фотоэлементов. А получение электрического тока является наиболее важным путем использования энергии для практических целей.

Конечно, во многих случаях и внутренняя энергия вещества, и энергия движения водяных и воздушных потоков могут использоваться непосредственно, минуя стадию превращения в электрический ток. Но, пожалуй, во всех случаях, кроме движения самолетов и ракет, целесообразно получить от первичного источника электрическую энергию на электростанциях, а уж ее заставить служить нашим целям. Значение электрической энергии увеличится еще больше, когда мы научимся изготовлять легкие, маленькие и емкие аккумуляторы, которые заменят современные (тяжелые и малоемкие), стоящие в автомобилях.

Прежде чем перейти к конкретному обсуждению разных источников энергии, обратим внимание читателя еще раз на две важные классификации источников.

Прежде всего, важная граница раздела проходит между топливом и энергией Солнца, белого и голубого углей. В первом случае мы тратим безвозвратно запасы земных богатств. Что же касается Солнца, воздуха и воды, то они — даровые источники энергии. Даровые в том смысле, что использование их энергии не влечет за собой уменьшения каких бы то ни было земных ценностей. Работа ветряков не уменьшает количества воздуха на земном шаре, работа гидроэлектростанций не уменьшает глубины рек, не используются запасы земных веществ и при работе солнечных машин.

И еще одна проблема. Необходимо заботиться об охране окружающей нас флоры и фауны — это задача, важность которой невозможно переоценить. Сжигание топлива обладает не только тем недостатком, что обедняет Землю, оно еще вдобавок засоряет почву, воду и воздух огромным количеством вредных отбросов. И с гидроэлектростанциями в этом отношении дело обстоит не вполне благополучно. Изменение водного режима рек влияет на климат и губит существенную часть рыбного населения Земли.

Без всякого сомнения, оптимальным способом добычи энергии является прямое использование солнечного излучения.

После этих общих слов перейдем к более детальному обсуждению возможностей использования энергии в земных условиях и дадим читателю представление о числах, которые фигурируют в справочниках по энергетике.

Начнем с характеристики солнечной энергии. К границе атмосферы на каждый квадратный метр приходит энергия средней мощности около 1,4 кВт (если пересчитать эту величину для времени, равного 1 году, то получим около 1010 Дж энергии); такое количество тепла дают сотни килограммов угля. Сколько же тепла получает от Солнца весь земной шар? Подсчитав площадь Земли и учитывая неравномерное освещение солнечными лучами земной поверхности, получим около 1014 кВт. Это в 100 тысяч раз больше энергии, которую получают от всех источников энергии на Земле все фабрики, заводы, электростанции, автомобильные и самолетные моторы, короче — в 100 тысяч раз больше мощности энергии, потребляемой всем населением земного шара (порядка миллиарда киловатт).

До сего времени солнечная энергия используется совершенно незначительно. Рассуждали так: правда, подсчет наш дал огромную цифру, но ведь это количество энергии попадает во все места земной поверхности — и на склоны недоступных гор, и на поверхность океанов, занимающую бóльшую часть земной поверхности, и на пески безлюдных пустынь. Кроме того, совсем не так уж велико количество энергии, приходящейся на небольшую площадь. А ведь вряд ли целесообразно создавать приемники энергии, простирающиеся на квадратные километры. Наконец, заниматься превращением солнечной энергии в тепло имеет смысл в тех местностях, в которых много солнечных дней.

Энергетический голод и огромные успехи в производстве полупроводниковых фотоэлементов полностью изменили психологию энергетиков. Создано множество проектов и опытных установок, с помощью которых солнечные лучи фокусируются на тысячах (а в будущем — на миллионах и миллиардах) фотоэлементов. Техников не пугают пасмурные дни и поглощение лучей атмосферой. Нет сомнения, что прямому использованию солнечной энергии принадлежит большое будущее.

Так же точно изменилось наше отношение к голубому углю. Еще каких-нибудь двадцать лет назад говорилось: не будем возлагать больших надежд на ветер как источник энергии. Источник этот имеет тот же недостаток, что и солнечная энергия: количество энергии, приходящейся на единицу площади, относительно невелико; лопасти ветряной турбины, если создать такую для производства энергии в заводских масштабах, должны были бы достигнуть практически неосуществимых размеров. Не менее существенным недостатком является непостоянство силы ветра. Поэтому энергию ветра стоит использовать лишь в маленьких двигателях — «ветряках». Во время ветра они дают электроэнергию сельскохозяйственным машинам, освещают дома. Если образуется излишек энергии, он запасается в аккумуляторах. Эти излишки можно использовать в затишье. Конечно, полагаться на ветряк нельзя, — он может играть лишь роль вспомогательного двигателя.

Сегодня рассуждения инженеров, занятых проблемой борьбы с энергетическим голодом, совсем иные. Проекты электростанций, состоящих из тысяч регулярно расположенных «мельниц» с огромными крыльями, близки к осуществлению. Использование голубого, угля также внесет весомый вклад в книгу прихода энергии, нужной человечеству.

Даровым источником энергии является движущаяся вода — приливная волна океанов, непрерывно наступающая на сушу, и потоки речных вод, текущих к морям и океанам. Выработка электроэнергии на ГЭС в 1969 г. в СССР составила 115,2 млрд. кВт ч, в США — 253,3 млрд. кВт. ч, но водные ресурсы используются у нас только на 10,5 %, а в США на 37 %.

Приведенные цифры выработки электроэнергии на ГЭС весьма внушительны, но все-таки, если бы мы лишились угля, нефти и других источников энергии и перешли бы только на белый уголь — энергию рек, то пришлось бы уменьшить потребление энергии на земном шаре, даже сли бы на всех реках были построены все технически возможные гидроэлектростанции.

Ну, а приливная волна? Ее энергия весьма значительна, хотя примерно в десять раз меньше энергии рек. Увы, эта энергия пока что используется лишь в самой незначительной степени, пульсирующий характер приливов затрудняет ее использование. Однако советские и французские инженеры нашли практические пути к преодолению этой трудности. Теперь приливная электростанция обеспечивает выдачу гарантированной мощности в часы максимального потребления. Во Франции построена ПЭС на реке Ране, а в СССР — станция в Кислой Губе в районе Мурманска. Эта последняя послужит опытной моделью для сооружения проектируемых мощных (около 10 ГВт) приливных электростанций в заливах Белого моря.

Вода в океанах на больших глубинах имеет температуру, отличающуюся от температуры поверхностных слоев на 10–20 °C. Значит, можно построить тепловую машину, нагревателем которой в средних широтах явился бы верхний слой воды, а холодильником — глубинный. К.п.д. такой машины будет 1–2 %. Но это, конечно, тоже очень неконцентрированный источник энергии.

К числу даровых источников энергии относится геотермическая энергия. Не будем говорить о странах, богатых гейзерами. Они встречаются редко. Там, где они есть, их тепло используется для промышленных целей. Однако не следует забывать, что почти в любом месте земного шара, углубившись на 2–3 км, мы встретимся с температурами порядка 150–200 °C. Принцип создания геотермической электростанции самоочевиден. Надо пробурить два канала. В один из них будет поступать холодная вода, а из другого будет откачиваться горячая вода (рис. 6.1).

ТОПЛИВО

Все описанные до сих пор источники энергии обладают большими преимуществами по сравнению с топливом. Топливо сжигается. Использование энергии каменного угля, нефти, дерева — это невозвратимое уничтожение земных ценностей.

Каковы же запасы топлива на земном шаре? К обычному топливу, т. е. такому, которое горит от поднесенного огня, относятся уголь, нефть и подземный газ. Их запасы на земном шаре крайне малы. При современном расходовании нефти ее разведанные запасы придут к концу уже к началу следующего тысячелетия, то же относится и к газу. Запасов каменного угля несколько больше. Количество угля на Земле выражают цифрой в десять тысяч миллиардов тонн. Килограмм угля при сгорании дает несколько тысяч килокалорий тепла. (Разумеется, топливо бывает самого разного качества. Приведенная цифра — это своего рода единица измерения, как говорят единица условного топлива, которой пользуются при сопоставлении источников энергии разного происхождения.) Таким образом, общие энергетические запасы угля измеряются цифрой порядка 1020 ккал. Это примерно в тысячу раз больше годового потребления энергии.

Запас энергии на тысячу лет надо признать очень малым. Тысяча лет — это много только по сравнению с длительностью человеческой. жизни, а человеческая жизнь — ничтожное мгновение по сравнению с жизнью земного шара и с временем существования цивилизованного мира. Кроме того, потребление энергии на душу населения непрерывно растет. Поэтому, если бы запасы горючего сводились к нефти и углю, то положение дел на Земле с энергетическими запасами следовало бы считать катастрофическим.

Но разве обязательно ограничить химическое топливо теми веществами, которые мы находим в природе? Конечно, нет. В ряде случаев может оказаться, что синтетическое газообразное и жидкое топливо с выгодой заменяет нефть и газ.

В последние годы особое внимание уделяется промышленному производству водорода. Как горючее водород обладает многими достоинствами. Его можно добывать в неограниченных количествах разными путями. Он имеется всюду, так что нет проблемы транспортировки. Водород легко очищается от нежелательных примесей. В ряде случаев окажется более выгодным непосредственное использование тепла сгорания водорода. Можно миновать стадию превращения в электроэнергию.

Три основных процесса получения водорода представляются в настоящее время рентабельными: электролитический способ, термохимическое разложение и, Наконец, облучение водородсодержащих соединений нейтронами, ультрафиолетом и т. д. Оказывается экономически выгодным и получение водорода из угля и нефти в ядерных реакторах. В этих случаях можно предусмотреть передачу водорода к месту потребления по трубам, как это делается сейчас в отношении подземного газа.

Закончим на этом наш краткий обзор химических топлив и зададим вопрос: как обстоит дело с ядерным горючим? Каковы его запасы на Земле? Ведь его нужно так мало. Один килограмм ядерного горючего дает в 2,5 миллиона раз больше энергии, чем такое же количество угля.

Примерные расчеты показывают, что запасы потенциального ядерного горючего (из дальнейшего читатель поймет, почему мы воспользовались этим прилагательным) могут быть представлены следующими величинами: около 2 миллионов тонн урана и 4 миллиона тонн тория. Это вещества, из которых мы умеем сегодня извлекать энергию в атомных реакторах методом расщепления ядер. Прибавятся ли к ним другие вещества? Что же, это нельзя считать исключенным. Число ядерных реакций, дающих энергию, огромно. Вопрос лишь в том, как сделать реакцию цепной.

Пока поведем речь о том, что мы умеем делать сейчас. Как это следует из предыдущей главы, существует лишь одно-единственное встречающееся в природе вещество, которое является ядерным горючим. Это изотоп ypaн-235. Уран, который добывают на рудниках, содержит 99,3 % урана-238 и всего лишь 0,7 % урана-235.

На первый взгляд может показаться, что самая простая идея — это выделить нужный нам изотоп и создать, реакторы, состоящие из кусков или стержней этого вещества, вводя в реакционный объем контрольные стержни, поглощающие нейтроны, для управления ядерной реакцией.

Прежде всего следует отметить, что поглощать нейтроны, не давать им возможности участвовать в цепной реакции, невыгодно, если мы заботимся о мощности установки, т. е. хотим от единицы массы ядерного горючего получат как можно больше энергии в одну секунду. А вот замедлить нейтроны до тепловых скоростей — превратить «быстрые» нейтроны, образующиеся при развале ядра, в «медленные» — вот это весьма полезно для повышения эффективности работы котла, ибо ядра урана-235 поглощают медленные нейтроны с много большей вероятностью.

Если не говорить об опытных конструкциях, не вышедших за пределы лаборатории, то можно сказать, что в качестве замедлителя использовалась либо тяжелая вода, либо обычная вода. Тяжелая вода хороша тем, что она совсем не поглощает нейтронов. Но замедляет нейтроны она значительно хуже обычной.

Итак, самый простой, казалось бы, путь состоит в выделении изотопа уран-235. Мы уже говорили, что осуществление такого выделения будет стоить огромных денег. Ведь химические способы не годятся: речь идет о веществах, тождественных по своим химическим свойствам.

Наиболее рентабельным полагают сейчас метод центрифугирования. Перед тем как приступить к этой операции, надо получить какое-либо газообразное соединение урана. Единственным таким соединением, находящимся в газообразном состоянии при обычных температурах, является гексафлуорид урана. Различие в массах молекул газа, содержащих изотопы уран-238 и уран-235, столь незначительно, что лучшая центрифуга обогащает газ более легкими молекулами всего лишь на 12 %. Для того чтобы получить уран, содержащий 3 % изотопа уран-235 (такое топливо уже удобно использовать в ядерном реакторе), процесс надо повторить 13 раз. Ясно, что получение чистого изотопа уран-235 нельзя рассматривать как верное решение инженерной задачи.

Но имеется и другое, пожалуй, еще более важное соображение. Без урана-235 мы не превратим основную массу урана, а также торий в ядерное горючее. Вот поэтому мы и назвали их потенциальным горючим. Что же касается самого изотопа уран-235, то это топливо оттянет момент наступления энергетического голода на какие-нибудь сотни лет. Следовательно, если полагать, что человечество должно долгие столетия пользоваться ядерным горючим, то надо пойти другим путем.

Ядерное горючее можно производить в реакторе! В реакторе мы можем производить, во-первых, плутоний-239, который получается из урана-238, и, во-вторых, уран-233, получающийся из тория-232. Но начать дело без урана-235 никак нельзя.

Реакторы, производящие энергию и одновременно создающие новое горючее, называются бридерными. Можно добиться такой ситуации, когда реактор будет производись нового топлива больше, чем он потребляет, т. е., как говорят, сделать коэффициент воспроизведения большим единицы.

Итак, технически осуществимые пути использования всех запасов урана и тория нам известны. Следовательно, топлива, которым мы умеем пользоваться, хватит, по самым скромным оценкам, на многие тысячи лет.

И всё же… Приобщение к топливу урана и тория не решает принципиальную задачу освобождения человечества от энергетического голода — запасы минералов в земной коре ограничены.

Другое дело термоядерная реакция. Если удастся осуществить управляемый синтез легких ядер, добиться того, чтобы реакция поддерживала себя, то тогда мы действительно сможем сказать, что решили энергетическую проблему. Сколь реалистично решение этой задачи? В самое последнее время физики научились получать водородную плазму, находящуюся при температуре около 60 млн. кельвинов. Термоядерная реакция происходит при этой температуре. Но как сделать эту реакцию самоподдерживающейся, как осуществить термоядерный реактор — этого мы еще не знаем.

В Мировом океане запасено столько термоядерной энергии, что ее хватит для покрытия всех энергетических потребностей человечества в течение времени, превышающего возраст Солнечной системы. Вот уж действительно безграничный источник энергии.

Разговор о топливе окончен. Теперь перейдем к рассмотрению устройств, с помощью которых топливо заставляют работать.

ЭЛЕКТРОСТАНЦИИ

Разумеется, можно привести много примеров, когда непосредственное использование энергии не связано с получением электрического тока. Горит газ на кухне вашей квартиры, вздымается в небо ракета, движущаяся за счет отдачи продуктов сгорания топлива, да и старинные паровые двигатели кое-где находят себе применение. В ряде случаев целесообразно непосредственно превращать в движение и энергию, которую дают такие даровые источники, как ветер.

Но в подавляющем большинстве случаев нам нужен электрический ток. Нужен для того, чтобы давать свет, необходим для питания электрических двигателей, для создания электрической тяги, для обеспечения работы электросварочных и нагревательных печей, для зарядки аккумуляторов… И во всяком случае сегодня мы не мыслим, себе иной передачи энергии на расстоянии, как при помощи электрического тока. Поэтому, вероятно, не будет преувеличением сказать, что главной героиней техники по-прежнему остается электростанция.

По сей день существуют два основных промышленных способа приведения в движение вращающихся частей электрических машин — машин, производящих ток. Если эту работу выполняет энергия падающей воды, то мы говорим о гидроэлектростанциях (ГЭС); если движущей силой является давление пара на лопатки турбины, то мы говорим о теплоэлектростанциях (ТЭС).

Из класса ТЭС особо выделяют атомные электростанции (АЭС), хотя, по сути дела, они отличаются от обычных ТЭС лишь тем, что работают на другом горючем. Однако в обоих случаях мы получаем тепло, которое используем для получения пара.

Современный житель часто сталкивается с названием ТЭЦ — теплоэлектроцентраль или теплофикационные электростанции. ТЭЦ предназначены для снабжения потребителей не только электрической, но в первую очередь тепловой энергией в виде водяного пара или горячей воды.

Энергия падающей воды использовалась человеком с незапамятных времен. Водяное колесо древней мельницы является прообразом современной гидротурбины. Ударяясь в лопатку колеса, струя воды отдает ей часть своей кинетической энергии. Лопатка приходит в движение, колесо начинает вращаться.

Расположить лопатки колеса так, чтобы получить максимальный к. п. д., не так-то просто. Эту инженерную задачу решают специалисты по-разному в зависимости от условий падения воды. Разумеется, турбина будет (работать тем успешней, чем с большей высоты (а высоты эти достигают 300 м) обрушится на нее мощный водяной поток. Выполненные на высоком уровне современного инженерного искусства, гидравлические турбины проектируются на мощности, превышающие 500 МВт. Поскольку эти мощности создаются при довольно малых оборотах (порядка 100 в минуту), строящиеся сейчас гидравлические турбины поражают размерами и весом.

По направлению потока в рабочем колесе гидротурбины делятся на осевые и радиально-осевые. В Советском Союзе успешно работают гидротурбины радиально-осевого типа мощностью 508 МВт с диаметром рабочего колеса 7,5 м.

На гидростанциях вырабатывается сейчас самая дешевая электроэнергия, но их строительство обходится в несколько раз дороже тепловых станций и сооружаются они более длительное время. На гидростанциях установлены гидрогенераторы, которые приводятся во вращение гидравлической турбиной. Гидрогенераторы — очень большие синхронные машины, чаще всего с вертикальным валом. Диаметр ротора такой машины в 7—10 раз превышает его длину и в крупнейших машинах превосходит 15 м. Это необходимо для того, чтобы машина могла устойчиво работать при изменениях скорости гидравлической' турбины, приводящей ее во вращение. Ротор гидрогенератора имеет большое число явно выраженных полюсов. Так, генераторы Днепровской ГЭС имеют 72 полюса. Для питания обмотки полюсов постоянным током используется специальный генератор постоянного тока — возбудитель. Частота вращения гидрогенераторов невелика — 80—250 об/мин.

Гидрогенератор Красноярской ГЭС (мощностью 500 МВт) имеет частоту вращения 93,8 об/мин, диаметр его ротора 16 м, а масса 1640 т. Для Саяно-Шушенской ГЭС проектируется генератор на 650 МВт.

Как я уже говорил, использование гидроэнергии не обходится даром для окружающей среды. Но тем не менее преимущество ГЭС перед тепловыми станциями не подлежит сомнению. Прежде всего, ГЭС не потребляет топлива, запасы которого ничтожны. Но у тепловых электростанций имеется и еще один крупнейший недостаток. При превращении энергии топлива в электрическую, неизбежно значительная часть энергии уходит впустую.

Тем не менее что-нибудь около 80 % электроэнергии вырабатывается на тепловых станциях при помощи турбогенераторов, в которых силой является давление пара.

Для того чтобы к. п. д. генератора был большим, необходимо елико возможно увеличить температуру пара. Понятно, что этого можно достигнуть, лишь одновременно увеличивая давление. На современных ТЭС мощностью 200–300 МВт в турбины пускается пар, имеющий температуру 565 °C и давление 24 МПа.

Но почему надо стремиться к высоким температурам? Дело заключается в следующем. В паровой турбине мы в конечном счете используем то же самое явление, которое заставляет подпрыгивать неплотно пригнанную крышку чайника, когда в нем закипает вода. Иными словами, в паровой турбине происходит превращение тепловой энергий в механическую, а затем уже механической в электрическую. Так вот, при первом превращении (это можно строго доказать) теряется энергии не меньше, чем доля, равная отношению температуры окружающей среды к температуре пара (в кельвинах).

Весьма печально, что в современных устройствах для извлечения энергии приходится проходить через «тепловую ступень». Такой переход всегда связан с огромной потерей энергии, и идеальной электростанцией будущего станет такое предприятие, где энергия любого происхождения будет превращаться в электрическую энергию непосредственно. Пока эта важнейшая проблема не решена, нам остается лишь одно: стремиться к наиболее высоким температурам пара, газа или плазмы.

Как это ни сложно, но все же удается добиться на тепловых электростанциях к. п. д. около 40 %. Паротурбинный генератор — это электрическая машина с горизонтальным валом. Ротор изготовляется вместе с концами вала в виде одной поковки из специальной турбороторной стали, так как механические напряжения в нем из-за большой частоты вращения (3000 об/мин) достигают предельно допустимых для современных материалов значений. По той же причине ротор не имеет явно выраженных полюсов. На части его цилиндрической поверхности имеются пазы, в которые укладывается обмотка возбуждения. В пазах статора уложена трехфазная обмотка переменного тока.

По причине больших механических напряжений диаметр poтopa ограничен, поэтому для получения достаточной мощности приходится машину вытягивать в длину.

Первые отечественные турбогенераторы мощностью 500 кВт шли изготовлены в Ленинграде на заводе «Электросила» в 1925 г. А в 1964 г. «Электросила» выпустила турбогенератор мощностью, превышающей в 1000 раз свой первенец — 500 000 кВт.

Стремление получить большую мощность от одной машины без увеличения и без того уже огромных размеров привело к очень значительному усложнению. Так, для уменьшения потерь в обмотке статора ее выполняют из полых медных проводников, внутри которых пропускают воду. Обмотка возбуждения охлаждается водородом под давлением около 4 атм. Применение водорода, имеющего в 14 раз меньшую плотность, чем воздух, позволило увеличить мощность турбогенераторов на 15–20 %.

В Плане развития народного хозяйства на 1981–1985 гг. перед электротехнической промышленностью стоит задача освоить производство турбогенераторов мощностью 1–1,5 млн. кВт для тепловых и атомных электростанций.

Одна из наиболее интересных в мире электростанций создана в Советском Союзе. Называется она У-25 и дает в электросеть около 7000 кВт электроэнергии. Это самая большая в мире установка для генерирования электроэнергии методами магнитогидродинамики; сокращенно такие установки называют МГД. МГД-генератор не имеет вращающихся частей.

Идея, лежащая в основе действия этого интересного генератора, крайне проста. Поток ионов, обладающих значительной кинетической энергией (плазменная струя), проходит через магнитное поле наперерез линиям магнитной индукции. На ионы действует сила Лоренца. Напряженность индуцированного электрического поля, как нам известно, пропорциональна скорости ионного потока и величине магнитной индукции. Направлена э. д. с. перпендикулярно движению ионов. В этом направлении и возникает электрический ток, который замыкается через внешнюю нагрузку. Электроды, принимающие ток, находятся в непосредственном контакте с плазмой.

Электрическая энергия возникает за счет падения энергии плазменной струи. МГД-генератор позволяет довести к. п. д. электростанции до 60 % и более.

Критическим фактором при получении дешевой энергии от МГД является магнитное поле в канале. Это поле должно быть очень сильном. Обычный электромагнит с медной катушкой может создать такое поле, но он будет большим, сложным по конструкции и дорогостоящим; кроме того, он сам будет потреблять много электроэнергии. В связи с этим обратились к новой концепции конструирования магнитов со сверхпроводящей обмоткой. Такой магнит может создавать необходимое магнитное поле при небольшой затрате энергии и незначительном нагреве. Как показывают расчеты, большие затраты по получению температур, близких к абсолютному нулю, оправдывают себя.

Из беглого обзора, сделанного на предшествующих страницах, мы видим, что традиционные способы увеличения производства анергии еще не исчерпаны. Однако вряд ли можно признать, что человечество долгое время будет следовать этому пути.

Не говоря уже о том, что запасы топлива и возможности использования гидроэнергии близятся к концу, нельзя забывать о значительном влиянии на окружающую нас среду строительства новых электростанций. Экологи предупреждают о необходимости весьма осторожно относиться к вмешательству в жизнь рек. Обращают внимание энергетиков на огромные количества золы, которые выбрасываются в атмосферу при сгорании топлива. За год земная атмосфера принимает 150 млн. тонн золы, около 100 млн. тонн серы. Особенно тревожно увеличение в атмосфере количества углекислого газа. Каждый год оно возрастает на 20 млрд. тонн. За последние 100 лет содержание углекислого газа в атмосфере возросло на 14 %.

Имеются две причины этого роста: разрушение растительности на Земле и, самое главное, выбрасывание в атмосферу «газовой золы», образующейся при горении обычного топлива. Этот непрекращающийся рост может привести к пагубным последствиям, из которых наиболее важное — возрастание температуры атмосферы на 1,5–3 Кельвина, казалось бы, небольшое повышение температуры! Однако оно может привести к необратимому плавлению льдов, находящихся на полюсах. Климатологи полагают, что предельно допустимое дальнейшее возрастание количества углекислого газа в атмосфере не Должно превзойти нескольких десятков процентов.

ЯДЕРНЫЕ РЕАКТОРЫ

Как мы уже сказали, атомная электростанция относится к классу ТЭС. Отличие состоит в способе создания водяного пара, который направляется на лопатки турбины. С полным основанием можно термин «ядерный реактор» заменить словами «ядерный котел», подчеркивая этим родство, способов получения энергии.

Ядерному реактору, обычно придают форму цилиндрического здания. Стенки его должны быть очень толстыми и сделаны из материалов, поглощающих нейтроны и гамма-излучение. Реактор, который дает что-нибудь около 1000 МВт электрической энергии, в зависимости от используемого топлива, метода замедления нейтронов, способа отвода тепла может иметь различные размеры. Но во всех случаях эти размеры внушительные. Высота может достигать высоты 5—10-этажного дома, а диаметр будет порядка десяти метров.

Ядерная энергетика начала развиваться сразу же после окончания второй мировой войны. В Советском Союзе эти важнейшие исследования возглавил замечательный ученый и организатор Игорь Васильевич Курчатов.

ИГОРЬ ВАСИЛЬЕВИЧ КУРЧАТОВ (1903–1960) — видный советский физик, замечательный организатор, возглавлявший работу по разработке атомной проблемы в Советском Союзе. Начал свою научную деятельность в области физики твердого тела, создал учение о сегнетоэлектриках. В начале 30-х годов занялся исследованиями в области физики атомного, ядра. Под его руководством проведены важные работы в области изучения ядерной изомерии, резонансного поглощения нейтронов, искусственной радиоактивности.

И у нас, и за границей были испробованы самые различные конструкции. Прежде всего решается вопрос об изотопном составе используемого урана или другого ядерного горючего. Далее инженер должен решить, в каком виде он желает использовать горючее: в виде раствора солей урана или в виде твердых кусков. Твердому горючему элементу может быть придана различная форма. Можно работать с брусками, но более подходящими являются длинные стержни. Существенную роль играет геометрия расположения топливных элементов. Инженерный расчет поможет найти наиболее целесообразное расположение контрольных стержней, поглощающих нейтроны. Их перемещение (конечно, автоматическое) должно обеспечить нужное значение коэффициента размножения нейтронов.

Различие в поведении медленных (тепловых) нейтронов и быстрых нейтронов позволяет разбить типы, реакторов на две категории, а именно реакторы с замедлителем нейтронов и бридерные реакторы.

Реактор, в котором предусмотрено замедление нейтронов, может работать на природном уране. Количество замедлителя должно быть таким, чтобы не дать возможность значительному числу нейтронов поглощаться ядрами урана-238. А ведь этих ядер примерно в 140 раз больше, чем ядер урана-235. Если количество замедлителя будет малым, то нейтроны не будут успевать уменьшить свою скорость до тепловой, поглотятся ядрами урана-238 и цепная реакция не сможет продолжаться. Реактор, работающий на природном уране или уране, незначительно обогащенном ураном-235, будет все же создавать новое горючее — плутоний. Но его будет образовываться гораздо меньше, чем «сгорающих» ядер.

Пока что на атомных электростанциях используют реакторы на тепловых нейтронах. Наиболее часто применяют четыре типа реакторов: водо-водяные с обычной водой в качестве замедлителя и теплоносителя; графито-водяные с водяным теплоносителем и графитовым замедлителем; реакторы, в которых замедлителем является тяжелая вода, а теплоносителем обычная вода, и, наконец, графито-газовые реакторы.

Причина того, что специалисты в области атомной энергетики сосредоточили свое внимание на реакторах, работающих на тепловых нейтронах, видимо в том, что обогащение урана изотопом 235 является трудной задачей. Но надо помнить замечание, сделанное нами выше: используя в качестве горючего один лишь изотоп уран-235, мы лишаем себя возможности пустить в дело огромные запасы потенциального ядерного горючего.

В настоящее время намечается тенденция к переходу на ядерные реакторы другого типа, работающие на сильно обогащенном топливе и не использующие замедлителя нейтронов.

Допустим, что в котле имеется смесь, в которой на одну часть урана-235 приходится одна часть урана-238. В этом случае число нейтронов, выбывающих из цепной реакции благодаря захвату ураном-238, может быть бóльшим числа нейтронов, расщепляющих ядра урана-235 и продолжающих цепную реакцию. Такой реактор и будет бридерным. В зависимости от геометрии расположения стержней или кирпичей ядерного активного, и потенциального горючего, можно создать бридерный реактор с самым различным процентным отношением этих двух видов топлива и с разным коэффициентом воспроизведения.

Для того чтобы читатель имел представление о параметрах ядерных реакторов, приведем, два примера.

Рис. 6.2 дает общее представление об устройстве ядерного реактора, который в настоящее время используется на американских подводных лодках.

Охладителем является обычная вода. Поскольку обычная вода захватывает нейтроны примерно в 600 раз более эффективно, чем тяжелая вода, то такой реактор может работать только на уране-238, обогащенном ураном-235. Вместо природной доли 0,72 % в топливе этих реакторов содержится от 1 до 4 % урана-235. Реактор, способный давать 1100 МВт электрической энергий, имеет диаметр около 5 м, высоту 15 м и толщину стенок, около 30 см (5-этажный дом!). Если в такой реактор загрузить 80 т окиси урана с содержанием 3,2 % урана-235, то он будет работать 10–12 месяцев (после чего надо менять стержни). Вода в реакторе нагревается да 320 °C. Она циркулирует под давлением около 300 атм. Горячая вода превращается в пар и подается на лопасти турбины.

Остановимся теперь вкратце на французском проекте мощного бридерного реактора, получившем название Суперфеникс.

Предполагается в качестве топлива использовать смесь плутония-239 и урана-238. Замедлитель не будет использоваться, так что нейтроны не теряют скорости от момента своего рождения во время распада ядра до встречи с другим атомным ядром горючего материала.

То, что реактор работает на быстрых нейтронах, приводит к большой компактности. Ядро реактора не превосходит 10 м3. Таким образом, может выделяться большое количество тепла в единице объема.

Отвод тепла нельзя производить водой, поскольку она замедляет нейтроны. Для этой цели можно использовать жидкий натрий. Натрий плавится при температуре 98 °C и кипит при 882 °C при атмосферном давлении. Температура жидкого натрия по техническим причинам не должна быть выше 550 °C. Поэтому нет необходимости в повышении давления охлаждающей жидкости, к чему прибегают в тех случаях, когда охладителем является вода.

Размеры Суперфеникса такие: внутренний диаметр 64 м, высота около 80 м. Солидное 20-этажное здание! Ядро реактора представляет собой гексагональную призму, собранную (как пачка карандашей) из тонких стержней длиной 5,4 м. Стержни горючего материала перемежаются с контрольными стержнями.

У нас нет места (да и нет необходимости в книге по физике) описывать, каким образом организовано охлаждение ядра реактора. Достаточно сказать, что это делается в три приема. Первичный трубопровод — натриевый, он забирает тепло от реактора и отдает его в котел, откуда тепло передается второму, также натриевому трубопроводу, а затем третьему, по которому циркулирует водно-паровая смесь. Дальше — обычный путь к паровой турбине.

Расчеты показывают, что установка должна дать 3000 МВт тепловой мощности и 1240 МВт электрической.

Не могу не подчеркнуть еще раз, что необходимость превращать ядерную энергию в электрическую, проходя через тепловую стадию, оставляет чувство большой досады. Все равно, как если бы мы установили автомобильный двигатель с соответствующими приводами на обычной телеге. Но пока нет никакой идеи, как можно миновать эту стадию, создающую, пожалуй, основные трудности в строительстве атомных электростанций. К общему недостатку всех ТЭС здесь добавляется необходимость введения промежуточных трубопроводов. Ведь нужно исключить непозволительную радиоактивность пара, поступающего в турбину.

Приведем еще несколько данных для этого проекта. Максимальный поток нейтронов на 1 см2 в секунду должен равняться 6,2.1015. Коэффициент воспроизведения будет равен 1,24. Замена сгоревших элементов на новые должна производиться один раз в год. Быстрота потока жидкого натрия (техники говорят — массовый расход) 16,4 т/с (это в первичном трубопроводе). Выходящий перегретый пар будет выпускаться под давлением 18 МПа и при температуре 490 °C.

Скажем несколько слов о «золе» ядерного горючего. В результате деления ядер горючего возникает большое число радиоизотопов — этот процесс неуправляем; но мы имеем возможность получать любые изотопы, помещая в реактор какие-либо вещества. Поглощая нейтроны, они будут порождать новые атомы.

Разумеется, можно получать радиоизотопы и в ускорителях, подвергая материалы бомбардировке протонами или ядрами других элементов.

Число искусственных элементов, полученных к настоящему времени, весьма велико. Заполнились «пустые» места в таблице Менделеева: элементы с порядковыми номерами 61, 85 и 87 не имеют долгоживущих стабильных изотопов, и поэтому в природе их нет. Удалось и продлить таблицу Менделеева. Элементы с номером более высоким, чем 92, называются трансурановыми. Таблица Менделеева продлена до номера 105. Каждый трансурановый элемент получен в нескольких изотопических вариантах. Кроме новых химических элементов, изготовлено большое число радиоизотопов тех химических элементов, которые в своей стабильной форме встречаются в земной коре.

Ряд применений радиоизотопов известен уже много лет. Стерилизация продуктов гамма-лучами, дефектоскопия, создание генераторов электрической энергии, использующих электроны, возникающие при распаде… Список можно было бы продолжить.

Польза от радиоизотопов соизмерима, к сожалению, с хлопотами, которые они доставляют инженерам из-за необходимости защиты людей от радиоактивного излучения.

В золе ядерного горючего содержится 450 сортов атомов, среди них уран-237 и нептуний-239, которые превращаются в нептуний-237 и плутоний-239.

В отличие от угля или нефти, ядерное горючее не сгорает до конца. Ядерные реакторы работают в ряде случаев на обогащенном топливе с содержанием урана-235 между 2,5 и 3,5 %. Реактор прекращает в какой-то момент давать энергию, потому что в процессе распада образуется большое число изотопов, которые захватывают нейтроны и препятствуют продолжению реакции деления. При остановке реактора в ядерном горючем остается примерно 1 % урана-235 и несколько меньшее количество плутония-239.

Не приходится и говорить, что выбрасывать эту золу, содержащую столь значительное количество ценного горючего, крайне нецелесообразно. Поэтому с атомной электростанцией можно «спаять» большую химическую фабрику. Это предприятие должно быть полностью автоматизировано, поскольку приходится обрабатывать материалы, обладающие очень сильной радиоактивностью. Необходимость в серьезных мерах диктуется требованием оградить персонал от гамма-излучения.

На этих фабриках обработанные горючие элементы должны быть размельчены, растворены. Чистое горючее должно быть выделено (уран и плутоний) и возвращено для изготовления новых горючих элементов.

Остаются значительные количества бесполезного сильно радиоактивного раствора, которые надо где-то похоронить. При этом должна быть полная уверенность, что в течение многих столетий с местами захоронения не произойдет каких-либо драматических событий.

Специалисты настроены более или менее оптимистически. Полагают, что хранение бочек с радиоактивным раствором на глубинах порядка 1 км в специально подобранных для этого местах гарантирует 100 %-ную безопасность. Какие же места являются подходящими? Это должны решить геологи. Разумеется, подходят области, где исключается возможность землетрясений. Кроме того, нужно гарантировать отсутствие подземных водяных течений. Таким условиям удовлетворяют места соляных залежей. Нельзя просто сбрасывать бочки в километровый колодец. Для того чтобы обеспечить рассеяние тепла, выделяемого каждой бочкой, их надо размещать по крайней мере на расстоянии 10 м друг от друга.

ТЕРМОЯДЕРНАЯ ЭНЕРГИЯ

Как уже говорилось, химические и ядерные реакции очень схожи. Поскольку тепло выделяется не только при реакциях разложения, но зачастую и при соединении двух молекул в одну, то можно ожидать что и атомные ядра ведут себя подобным образом.

Ответить на вопрос, какие реакции слияния ядер могут оказаться энергетически выгодными, зная массы атомных ядер, совсем нетрудно.

Ядро дейтерия имеет массу 2,0146 а. е. м. Если два ядра сольются в одно; то образуется 4Не. Но его масса 4,0038, а не 4,0292. Избыток массы 0,0254 а. е. м. эквивалентен энергии, равной примерно 25 МэВ, или 4∙10-12 Дж. В 1 г дейтерия 0,3∙1024 атомов. Так что если бы такая реакция прошла, то 2 г дали бы 1018 Дж энергии!.. Оказывается, что наиболее перспективными являются реакции слияния тяжелых изотопов водорода — дейтерия, трития. Но и обычный водород тоже годится в качестве термоядерного горючего.

Термины, которыми мы пользуемся, носят совершенно условный характер. Во всех случаях речь идет о ядерной энергии. Но так уж сложилось, что энергию расщепления атомных ядер стали называть атомной энергией, а энергию слияния — термоядерной. Логики в этих терминах маловато. Но к ним привыкли.

«Термояд» (жаргонное слово) мог бы обеспечить землян энергией на миллионы лет, и при этом уровень воды в Мировом океане заметно бы не понизился. Так что можно считать термоядерную энергию даровой.

Но от идеи до ее осуществления дистанция огромная. Ведь все атомные ядра заряжены положительно. Ясно, чтобы подвести их на близкое расстояние друг к другу, нужна огромная энергия.

Откуда ее взять? Единственная возможность — это перевести вещество в состояние плазмы, т. е. оголить атомные ядра, а потом повысить температуру плазмы настолько, чтобы ядра начали соударяться (т. е. приблизились друг к другу на расстояние 10-13 см), презрев электрическое отталкивание.

Результат расчета крайне огорчителен. Предоставляю вам самим подсчитать величину энергии электростатического отталкивания по формуле е2/r, а затем прикинуть (для этого надо вспомнить формулу, которая связывает температуру с кинетической энергией любой частицы), каких температур надо достигнуть. Окажется, что десятков миллионов кельвинов.

Итак, надо создать высокотемпературную плазму. Есть два пути — один, по которому отряды физиков шагают уже более двух десятилетий, и другой, который лет на пятнадцать моложе.

Первый путь создания термоядерного реактора заключается в том, чтобы «загнать» плазму в «магнитную бутылку».

Если на газоразрядную трубку наложить магнитное поле, совпадающее по направлению с полем электрическим, то в такой трубке возникнет плазменный шнур. Заряженные частицы плазмы будут, как мы знаем, описывать спиральные траектории. Можно считать, что движение частиц складывается в один круговой поверхностный ток. Чем сильнее магнитное поле, тем меньше радиус плазменного шнура. Сила, которая действует на ток заряженных частиц со стороны магнитного поля, и есть причина образования шнура, не соприкасающегося со стенками газоразрядной трубки.

Таким образом, в принципе возможно создать плазму, которая «висит в воздухе».

Расчет показывает, что при начальном давлении водорода порядка 0,1 мм рт. ст., радиусе шнура 10 см и силе разрядного тока 500 000 А температура плазмы должна быть достаточной для того, чтобы начался термоядерный синтез.

На пути осуществления управляемой термоядерной реакции стоят очень большие трудности. Дело в том, что плазменный шнур по ряду причин оказывается весьма неустойчивым и расплывается через мгновения. Задача решается лишь в том случае, если удастся создать «магнитную бутыль» с «обратной связью»: требуется, чтобы случайные флуктуации, размывающие шнур, приводили к возникновению сил, которые стремились бы противодействовать размытию.

В середине 1978 г. группе американских физиков, работающих в Принстонском университете, удалось разогреть плазму до 60 млн. кельвинов. Этот успех был достигнут на разработанных в Советском Союзе «магнитных бутылях» (мы о них говорили в 3-й книге), получивших название «Токамак» (название происходит от сочетания трех слов: тороид, камера, магнит). Достигнутая температура достаточна для того, чтобы произошло слияние ядер дейтерия и трития.

Это большое достижение. Однако второй шаг еще не сделан. Не удается удержать горячую плазму достаточно длительное время. Пути технического осуществления этой задачи еще не очевидны. Создание управляемого термоядерного синтеза может оказаться задачей чрезвычайно дорогостоящей. Как бы то ни было, исследования в этой области продолжаются.

Ведутся работы по созданию управляемого термоядерного синтеза с помощью лазерного излучения. В настоящее время осуществлены лазеры с мощностью излучения около 1012 Вт, которая может быть, в виде световых импульсов длительностью 10-9—10-10 с, подана на вещество, которое мы хотим превратить в плазму. Естественно, что при падении света этой колоссальной мощности на твердое тело вещество мгновенно ионизуется и переходит в состояние плазмы. Надо добиться такого положения дел, чтобы создалась дейтериево-тритиевая плазма, имеющая температуру 108 К, и чтобы эта температура поддерживалась до тех пор, пока не начнется цепная реакция. Для осуществления этой задачу требуется создать плазму возможно большей плотности, чтобы увеличить число столкновений ядер.

На этих соображениях основывается схема реактора, показанная на рис. 6.3.

Твердый (замороженный) шарик, состоящий из изотопов водорода, падает в сосуде, откачанном до высокого вакуума. Когда шарик проходит через центр сосуда, включаются сильные лазеры, которые превращают твердое тело в плазму. Чтобы реактор заработал, надо добиться такой ситуации, при которой за промежуток времени между началом и концом реакции была бы выделена энергия, поддерживающая температуру, необходимую для протекания реакции. Расчеты показывают, что плотность плазмы должна быть выше плотности твердого тела в 103—104 раз, т. е. в 1 см3 должно находиться что-нибудь около 1026 частиц. Это сжатие лазер способен создать.

В принципе возможно получить нужную температуру и нужную плотность. Как будут разыгрываться события дальше? Энергия слияния ядер передается нейтронам, которые освобождаются при реакции. Эти нейтроны падают на литиевую оболочку сосуда. Литий через теплообменник передает энергию турбогенератору. Часть нейтронов реагирует с литием и производит тритий, который нужен как горючий материал.

Принцип прост. Но до его осуществления далеко, и притом вполне возможно встретиться с новыми неожиданными явлениями. Очень трудно пока что предсказать, какие требования надо предъявить к описанной установке, чтобы она превратилась в источник энергии. Исследователи уверены, что на пути создания столь большой мощности внутри малых объемов вещества будут открыты новые явления.

СОЛНЕЧНЫЕ ЛУЧИ

Превращение солнечной энергии в электрическую при помощи фотоэлементов известно уже давно. Однако до самого последнего времени никто не рассматривал возможности положить, это явление в основу действия электростанции. На первый взгляд такое предложение; может показаться дикой фантазией. Для того чтобы создать электростанцию мощностью 1000 МВт, надо настелить солнечные ячейки — так называют фотоэлементы, специально приспособленные для превращения солнечной энергии в электрическую, — на площадь 6 х 6 км2. И это в такой солнечной местности, как пустыня Сахара! A, скажем, в средней Европе, где солнечных дней не так уж много, площадь должна быть по крайней мере удвоена. Чистая фантазия, — воскликнет читатель; и в какую сумму обойдется такая электростанция!

Справедливое возражение. Но бросьте на другую чашу весов достоинства этого способа получения энергии. Мы не тратим никакого земного вещества и не загрязняем среду какими бы то ни было отходами. Не являются ли эти два довода столь сильными, чтобы заняться всерьез исследованием создания как можно более дешевых солнечных ячеек, а также способов оптимального размещения ячеек и фокусировки солнечных лучей? Многие исследователи убеждены не только в том, что проблема заслуживает серьезного внимания, но надеются, что именно на этом принципе и будут работать электростанции будущего. Так полагает и автор этой книги. Не исключено, что через несколько лет именно эту задачу назовут проблемой номер один.

Не преждевременен ли подобный оптимизм? Как обстоит дело сегодня? Прежде всего надо рассмотреть, какие солнечные ячейки может предложить промышленность уже сейчас.

Напомним рис. 6.4 принцип превращения солнечной энергии в электрический ток.

Ячейка состоит из полупроводникового р-n-слоя, зажатого между металлическими электродами. Солнечный свет создает свободные электроны и дырки, которые контактным напряжением отправляются в противоположные стороны и образуют ток.

Освоены три типа подобных ячеек. Гомоконтактные, в которых р-n-бисквит создается легированием кремния. Диффузионным процессом создается тонкий (0,3 мкм) n-слой и относительно толстый (300 мкм) р-слой. Гетероконтактные ячейки состоят из двух разных полупроводников. На металлическую подкладку напыляется n-слой сульфида кадмия толщиной 20–30 мкм, и химическими способами на его поверхности создается p-слой сернистой меди толщиной 0,5 мкм. Третий тип ячеек использует контактное напряжение между арсенидом галлия и металлом, разделенными тончайшей (0,002 мкм) пленкой диэлектрика.

Для оптимального использования энергии всего солнечного спектра подходят полупроводники с энергией связи электрона около 1,5 эВ. В принципе можно достичь к. п. д. солнечной ячейки 28 %.

Кремниевые гомоконтактные ячейки, которые обладают рядом технических преимуществ и изучены наиболее детально, дают к. п. д. от 11 до 15 %. Кремниевые солнечные ячейки производятся уже более двадцати лет. Материалом служит, кварцевый песок (окись кремния), из которого получают чистый кремний. Из него изготовляются монокристаллы толщиной 0,3 мм, имеющие форму круглой шайбы. В последние годы разработан процесс получения монокристаллической ленты. Хорошо освоена технология введения примесей, которая позволяет создавать в кремниевой шайбе p-слой. Для того чтобы солнечные лучи отражалась от кремния как можно меньше, поверхность покрывается тонкой пленкой окиси титана. При интенсивности света 100 мВт/см2 шайба создает напряжение 0,6 В. Плотность тока короткого замыкания равна 34 мА/см2. Различными способами можно собирать ячейки в батареи. Налажено производство кремниевых монокристаллических шайб диаметром 5–7,5 см. Их закрепляют между пластинами стекла. Соединяя их, можно собрать достаточно мощный источник тока.

Но возможна и разработка такого технологического процесса, при котором будут производиться ячейки много большей площади.

Главная причина, которая мешает в настоящее время использовать солнечные ячейки для промышленного получения энергии, — это дороговизна. Она вызывается необходимостью получения монокристаллической ленты высокого качества.

Возлагаются большие надежды на изготовление солнечных ячеек из тонких поликристаллических слоев. Такой процесс будет недорогим, но к.п.д. существенно понизится. Работа по поиску дешевых методов получения эффективных солнечных ячеек находится в самом разгаре.

Одновременно с этим исследователи ищут способы увеличить энергию, падающую на ячейку.

Созданы проекты электростанций, состоящих из 34 тысяч зеркал, которые отражают солнечные лучи и направляют их в приемник, находящийся на вершине башни высотой 300 м.

Если пользоваться концентрированной солнечной энергией, то надо позаботиться о том, чтобы на к. п. д. мало влияло повышение температуры ячейки. В этом отношении преимуществами обладают ячейки, изготовленные из арсенида галлия.

Рассматриваются предложения размещения электростанций, работающих за счет энергии солнечных, лучей, в горах на больших высотах, где обеспечены хорошие условия освещения Солнцем. В деталях разработан и проект создания электростанций, установленных на спутниках Земли.

Подобные космические электростанции могут получать энергию солнечных лучей без потерь и посылать ее в виде микроволн на Землю, где она будет превращаться в электроэнергию. На первый взгляд идея может показаться взятой из фантастического романа. И тем не менее инженеры серьезно относятся к проекту электростанций на спутнике размером 25x5 км3. На этой площади можно разместить 14 миллиардов фотоэлементов! Станция будет весить 100 000 т. Такая станция может дать энергии столько же, сколько десяток крупнейших атомных электростанций, т. е. что-то порядка 10 000 МВт.

Проекты разработаны в деталях, и их малые модели начинают испытываться.

Прошло всего лишь три года с момента выхода в свет первого издания этой книги. Однако рост внимания к нестандартным источникам энергии, тенденция современной техники освободиться от пользования источниками энергии, опасными или «грабящими» Земной шар, — явления, не подлежащие сомнению.

Закончу этот параграф выдержкой из репортажа с технической выставки в Японии, где демонстрировались различные модели «нестандартных» источников энергии («Литературная газета» от 29 июля 1981 r.):

«…Павильон, по форме напоминающий древнеегипетскую пирамиду. Стены из стеклянных блоков, оправленных в блестящие металлические рамы. Павильон сложен из 800 коллекторов солнечных лучей. Длина каждого коллектора 1820, ширина — 860 и толщина — 105 мм. Благодаря этим коллекторам солнце обогревало павильон площадью 4000 м 2 и высотой с 5-этажный дом в марте и апреле, когда частенько выдавались холодные дни, а теперь, с наступлением лета, охлаждает залы и вдобавок производит за сутки 19 кг пищевого льда, используемого тут же в киосках с прохладительными напитками.

Соседний павильон не менее фантастичен по виду и столь же утилитарен по назначению. Разница лишь в том, что роль коллекторов солнечного тепла выполняют здесь не остекленные и наполненные водой блоки, а три тысячи вакуумных емкостей…

В одном из «солнечных павильонов» — сферическое зеркало. Его освещает мощный прожектор, имитирующий солнце. Собранное зеркалом тепло проходит несколько этапов превращения в электроэнергию, а она приводит в движение миниатюрный мотор. Строительство солнечных электростанций, работающих по такому принципу, начнется завтра, а сегодня проверяется, какой тип этих электростанций наиболее выгоден.

В окрестностях города Нио на острове Сикоку высится 69-метровая башня. На вершине — коллектор солнечных лучей, у подножия — генератор, вырабатывающий электричество. Рядом с башней — конкурирующая система. Она состоит из нескольких рядов параболических зеркал, каждое из которых самостоятельно концентрирует солнечные лучи. Собранная зеркалами энергия тоже направляется на генератор. В конце нынешнего года будет определено, какая система рентабельнее и, следовательно, пригоднее для нужд ближайшего будущего».

ЭНЕРГИЯ ВЕТРА

Воздушные массы земной атмосферы находятся в непрерывном движений. Циклоны, бури, постоянно дующие пассатные ветры, легкие бризы — многообразно проявление энергии потоков воздуха. Энергию ветра использовали для движения парусных судов и в ветряных мельницах еще в древние времена. Полная среднегодовая мощность воздушных потоков для всей Земли ни много ни мало 100 млрд. кВт.

Метеорологи хорошо осведомлены о скоростях ветра в различных местах земного шара и на разных высотах от земной поверхности. Ветер капризен; поэтому при всех прикидочных расчетах оперируют средней скоростью: 4 м/с на высоте 90 м — скромная оценка для прибрежной полосы.

Видимо, наиболее благоприятными селениями для использования голубой энергии являются те, которые расположены на берегах морей и океанов. Оказывается, что, рассчитывая на тихую погоду, Великобритания (она среди европейских стран самая богатая ветром) могла бы получить от ветра такое количество энергии, которое в шесть раз больше, чем ее производят сейчас все электростанции страны. А в Ирландии энергия ветров в сто раз превосходит потребление электрической энергии этой страной (впрочем, возможно, там не столь много ветра, сколь мало электростанций).

Каких-нибудь двадцать лет назад не возлагали больших надежд на ветер как источник энергии. Но тенденции современной энергетики меняются на наших глазах. Одна за другой создаются комиссии, задача которых — подумать об использовании даровых источников энергии. К богатствам земных недр относятся не так, как ранее: человечество начинает думать, что пришла пора позаботиться о целесообразном, а не хищническом использовании богатств, скрытых под земной корой. Поэтому и энергией ветра занялись всерьез. Трезво оценивая технические возможности, можно считать реальным использование долей процента от 100 млрд. кВт. Но и это очень много.

Созданы проекты гигантских «мельниц». Размах крыльев более 100 м, высота башни примерно такая же, скорость конца крыла мельницы около 500 км/ч. Мощность такой мельницы при обычной погоде достигает 1-3МВт. Несколько тысяч таких мельниц, работающих в стране, где сильный ветер не редкость, могут обеспечить ее энергией. В Западной Европе в 1973 г. было произведено 1261,6 млрд. кВт∙ч электрической энергии. В принципе (если не жалеть капитальных затрат) это малая часть той энергии, которую технически возможно взять у ветра! Строительство гигантских «ветряков» уже началось.

Расчеты показывают, что максимальную энергию ветряной двигатель дает тогда, когда ротор уменьшает скорость ветра на одну треть. Не надо думать, что ветряной двигатель должен обязательно копировать мельницу. Возможно применение роторов с вертикальной осью вращения. Ротор, показанный на рис. 6.6, может давать мощности порядка 20 кВт. Достоинство такого ротора — его независимость от направления ветра, недостаток в том, что он пригоден только тогда, когда сила ветра велика. Роторы такого типа изготовляются диаметром 5,5 м.

Вполне понятно, что генераторы, работающие за счет ветра, должны быть установлены на небольшой площади, но все же на таких расстояниях друг от друга, чтобы их взаимодействие не играло роли. Для того чтобы создать электростанцию мощностью 1000 МВт, нужна площадь порядка 5—10 км2.