Глава 2
Время свершений
Сегодня много говорят о получении энергии с помощью Солнца, ветра, морских волн, об извлечении энергии из недр, за счет использования внутреннего тепла Земли, о приручении морских приливов и о выведении электростанций за пределы атмосферы. Но пока… Пока что более 80 процентов всей электрической энергии дают обыкновенные тепловые станции — ТЭС, ГРЭС и ТЭЦ, работающие на сжигаемом топливе и выбрасывающие в атмосферу не только газы и вредные примеси, но и большую часть получаемого тепла. И у специалистов есть предположение, что в предвидимом будущем, в ближайшие 20-25 лет, существующее положение в энергетике практически не изменится. А если и изменится, то незначительно.
У нас в стране долгое время развитие сети тепловых, электростанций осложнялось тем, что промышленные центры — главные потребители энергии были сосредоточены в европейской части государства, а энергетические ресурсы — преимущественно в азиатской. Поэтому топливный баланс был очень напряженным. Экономисты старались ориентировать его на большее потребление нефти и газа, а также мазута. Их легче было доставлять.
В последние годы положение изменилось. Газ и нефть все больше используются на технологические нужды промышленностью. Вместе с тем осваиваются топливные ресурсы Тюменской области, Канско-Ачинские разработки для энергетики Сибири. Значит снова должен повыситься интерес строителей электростанций к углю. Тем более что геологические ресурсы твердого топлива почти в Зо раз превосходят запасы нефти. Но жидкое топливо во всех отношениях лучше твердого. В нем меньше вредных примесей, больше водорода. Да и сжигать жидкое топливо значительно удобнее. Не говоря уж о том, что оно не оставляет после себя гор золы и шлака. Все эти соображения привели к тому, что уже чуть не полвека назад был в принципе известен пропдес получения из угля синтетического топлива. Напомню, что для превращения органической массы угля в вещество подобное нефти специалистам-химикам пришлось последовательно решать три задачи: первая заключалась в удалении лишнего кислорода, а вместе с ним и таких вредных для топлива примесей, как сера и азот; второе — добавление в органическую массу водорода, до соотношения водорода и углерода, имеющихся в нефти; третья аадача заключалась к разукрупнении больших молекул, составляющих органическую массу угля.
Все эти обстоятельства, требовавшие достаточно сложной технологии, приводили к росту себестоимости синтетического топлива. В 40-х годах способ был признан нерентабельным. Большинство предприятий реконструировали в нефтеперерабатывающие и нефтехимические заводы.
Но прошло время, и ситуация изменилась. Природное жидкое топливо дорожает. И снова на повестку дня встает синтетическое топливо. Конечно, промышленные предприятия по его производству целесообразно строить только в районах месторождений угля, позволяющих организовать дешевую открытую добычу. В нашей стране создана программа использования дешевых углей Канско-Ачинского бассейна и в этом направлении. Она предусматривает в течение 80-х годов разработку технико-экономических обоснований на сооружение первого крупного промышленного предприятия, с тем чтобы приступить к его строительству в двенадцатой пятилетке.
Ну, а что же представляет собой современная теплоэлектростанция? Давайте вспомним ее упрощенную схему: прежде всего — топка, в нее подаются топливо и окислитель. Затем — котел. В нем вода превращается в пар с температурой около 550° С. Этот температурный предел считается наиболее выгодным. Пар под высоким давлением поступает в неподвижно укрепленные металлические каналы сопла турбины. В них температура и давление пара уменьшаются, но зато увеличивается скорость движения его потока. Теперь струя пара с огромной скоростью, часто превышающей скорость звука, вырывается из coпел и, меняя направление по криволинейному каналу, давит на лопатки турбины, приводя весь ротор во вращение. На одном валу с ротором турбины сидит и ротор электрического генератора. Следовательно, приходит во вращение вся система и раскручивается до постоянной скорости, равной, как правило, 3 тысячам оборотов в минуту. Такая скорость определяется выбранным стандартом частоты переменного тока. В нашей стране она равна пятидесяти периодам в секунду. Пятьдесят периодов, помноженное на шестьдесят секунд, как раз и дают 3 тысячи оборотов в минуту. Все понятно.
Сейчас паровые турбины стали настолько быстроходны, высокозкономичны и обладают таким значительным ресурсом работы, что они вполне конкурентоспособны с гидрогенераторами, работающими в значительно более щадящем режиме. Мощность современных паровых турбин в одновальном исполнении достигает 1 миллиона 200 тысяч киловатт! И это еще не предел…
После турбогенератора, совершив полезную работу, пар уже под низким давлением уходит в конденсатор, охлаждается, превращается в воду и снова насосами подается в котел. Обычно тепловые электростанции строят поблизости от крупных водных источников — рек или озер, Дело здесь в том, что на каждый килограмм конденсируемого пара приходится расходовать около 60 килограммов холодной воды. Когда впервые знакомишься с этими цифрами, то думаешь — какая расточительность! Получается, что мы сжигаем драгоценное топливо, чтобы большую часть тепла не превратить в полезные виды энергии, а выбросить в атмосферу, нагреть воздух. Невольно возникает вопрос: неужели ничего нельзя сделать, чтобы уловить это тепло и все, до последней, калории использовать по назначению? Увы, сначала опыт, а потом и наука дают на этот вопрос категорический ответ: всю полученную от сгорания топлива тепловую энергию превратить полностью ни в какой иной вид энергии невозможно! На этом настаивает второй закон термодинамики,
В начале XIX века во Франции жил гениальный ученый Сади Карно. В 1824 году он написал любопытное сочинение — «Размышления о движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу». Никого из современников его работа особенно не заинтересовала, и автору пришлось издавать ее за собственный счет.
Но прошли годы, и выводы Карно приобрели статут закона природы, одного из тех, что лежат в основе существования окружающего нас мира — от космической пылинки и до галактик. В те времена ученые представляли себе тепло в виде некоторой невесомой, невозникающей и неуничтожимой жидкости — теплорода. Перетекая от одного тела к другому, теплород охлаждал первое и нагревал второе. И чем больше его накапливалось в теле, тем горячее оно становилось. В общем, теплород был похож на воду, которая под действием сил земного притяжения способна течь только в одном направлении — с высоких гор в низины и по пути производить работу механическую. Точно так же, по мнению Карно, должен был производить механическую работу и теплород. И как для того, чтобы поднять воду на гору, нужно затратить энергию, так и для передачи тепла от менее нагретого тела к более нагретому требовалась затрата энергии. Сам по себе теплород мог переходить лишь от горячего тела к холодному.
Прошло время, и идея теплорода была отвергнута наукой. Но выводы Карно остались. Они прочно вошли в теорию и сыграли важную роль в развитии тепловых двигателей. По современным взглядам, тепловая энергия — это просто сумма энергий мельчайших частиц вещества. И в этом кроется сущность отличия тепловой энергии от энергии других видов. Частицы вещества, например горячего пара или газа, непрерывно движутся. И тепловая энергия пара не что иное, как результат этого неупорядоченного движения его частиц. А возьмем, к примеру, электрическую энергию: это результат строго упорядоченного движения электронов. Ощущаете разницу? Так же и любые другие виды энергии — результат движения всегда строго упорядоченного.
Вы понимаете, что превратить порядок в беспорядок, в хаос — проще простого. И совсем не так легко этот хаос упорядочить. Вот вам и причина, по которой так легко любой вид энергии перевести в тепловую и так трудно, а порой и невозможно, превратить тепло в иные виды энергии. Тем более полностью.
Термодинамика учит, что для получения механической энергии из тепловой нужно иметь прежде всего источник тепла, приемник с разностью температур и, кроме того, рабочее тело. Рабочее тело переносит тепло от источника к приемнику, превращает тепловую энергию в механическую, но само по себе никаких изменений не претерпевает. Оно лишь инструмент, с помощью которого происходит преобразование энергий, и теоретически процесс этого преобразования не должен зависеть от того, какое вещество мы в качестве рабочего тела возьмем. Но это — теоретически. На практике же свойства его весьма ощутимо влияют на коэффициент полезного действия системы.
За каждый цикл рабочее тело — будь то пар или газ в турбине, продукты сгорания в двигателе внутреннего сгорания или фреон и аммиак в холодильниках — переносит часть тепла от источника к приемнику. Процесс этот происходит непременно с потерями (вспомните хорошо всем знакомый пример с трением). Из-за потерь реально получаемая механическая энергия оказывается всегда меньше разности количеств тепла, участвующих в процессе.
Коэффициент полезного действия при этом зависит от разности температур источника и приемника тепла. С приемником дело обстоит однозначно — это, в конечном счете, окружающая среда. А вот источник желательно подогреть посильнее. Например, если принять температуру окружающей среды равной 20° С, то от источника, нагретого до 120° С, из одного джоуля тепловой энергии можно получить не более 0, 25 джоулей энергии механической. Семьдесят пять процентов уйдут в воздух. Если источник будет нагрет до 720° С, из одного джоуля тепловой энергии можно будет уже получить до 0, 7 джоуля энергии механической. Получается, что тепловые электростанции — устройства неэкономичные и довольно консервативные, не говоря уж обо всех других недостатках экологического характера, И все-таки их строят и будут строить. Потому что пока они самые экономически рентабельные сооружения. Пока их энергия дешевле любой другой, и строительство ТЭС окупается раз в десять быстрее, чем строительство, например, гидроэлектростанций.
Ну а есть ли какие-нибудь перспективы их развития? Конечно, есть. Прежде всего — повышение КПД за счет увеличения начальной температуры водяного пара. Я уже говорил, что сейчас стандарт 540° С. А вот если бы повысить температуру до 1000, 1500° С? Что мешает? Прежде всего прочность материалов. Пока нет металлов, способных достаточно надежно длительное время работать при таких высоких температурах в условиях больших механических нагрузок. Вы скажете: делают же двигатели ракет из жароупорных сплавов. Но двигатели ракет работают короткое время и к тому же стоят значительно дороже. Нет, для турбин нужны качественные, но дешевые материалы, так же как для топок котлов тепловых электростанций нужно дешевое, недефицитное топливо.
Большое значение имеет также и комплексное использование топлива и самого тепла. В нашей стране энергостроители добились больших успехов в проектировании и сооружении теплоэлектроцентралей — ТЭЦ. От обычных тепловых электростанций они отличаются тем, что снабжают потребителей не только электроэнергией, но и теплом. Скажем, так: «температурный интервал» от 540° С и до 100° С используется для выработки электрической энергии, а остывшую воду отправляют для отопления. На этом примере особенно хорошо должен быть понятен выигрыш от повышения верхнего температурного предела.
ТЭЦ значительно экономичнее обычных тепловых электростанций. Коэффициент использования топлива на них приближается к 60-70 процентам, тогда как коэффициент полезного действия ТЭС не выше 40 процентов.
С каждым годом все большую роль в общем балансе энергетики играют атомные электростанции — АЭС. Строго говоря, это те же тепловые, только с другим котлом и работающие на ином топливе. Сегодня хорошо известно, что ядерные реакторы бывают двух типов: на медленных (тепловых) нейтронах и на быстрых. Последние еще называют реакторами-размножителями, или бридерами. В них при переработке ядерного горючего одного вида накапливается еще большее количество новых делящихся материалов. Применение реакторов на быстрых нейтронах, естественно, выгоднее, и потому будущее промышленных установок для АЭС за ними.
Если говорить о схеме атомной электростанции, то она распадается на две части: в одной — та же паровая турбина, электрический генератор, конденсатор, водяной насос — все, как в схеме уже известной нам тепловой электростанции. А вот другая часть резко отличается: пар производится в теплообменнике-парогенераторе или в самом реакторе за счет тепла ядерной реакции.
Первый крупный атомный реактор на быстрых нейтронах в нашей стране был запущен в 1973 году в городе Шевченко, на берегу Каспийского моря. Здесь большое количество тепла требуется для опреснения морской воды, и потому устройство такой станции было особенно целесообразно. Еще более крупный реактор такого же типа введен в действие на Белоярской АЭС имени И.В. Курчатова, на Урале. В нем на каждый килограмм «сгоревшего» ядерного топлива воспроизводится 1, 5-1, 6 килограмма нового, готового к дальнейшей работе.
Однако в основном пока что на АЭС используются энергетические реакторы на медленных нейтронах. Здесь рядом с ядерным топливом в активной зоне реактора должен размещаться замедлитель. 3десь же происходят ядерные реакции, сопровождаемые. выделением огромной энергии, быстрые нейтроны замедляются, и тепло отводится теплоносителем, который в следующей ступени передает свое тепло и превращает воду в пар.
Чем же лучше атомная электростанция обычной ТЭС? Прежде всего дело заключается в топливе. Знаете ли вы, сколько нужно топлива современной достаточно мощной теплоэлектростанции? Несколько железнодорожных составов в сутки! Кроме того, что надо привезти и выгрузить уголь, необходимо вывезти золу и шлак.
Сколько дополнительной работы, сколько испорченной земли! Чтобы добыть уголь, нужно вскрыть земную поверхность, устроить карьеры — незаживающие раны. Чтобы убрать золу, нужно засыпать бесплодными отходами опять же часть земной поверхности.
А что атомная электростанция? Одной заправки реактора ядерным топливом — плутонием и природным ураном — хватает ему больше чем на год работы. И никакой золы, никакого шлака.
Выработка электроэнергии — важнейшая задача современности, но не единственная. Растет потребность в промышленном и отопительном тепле, металлургическая и химическая промышленность с каждым годом требуют все больше энергии и тепла, В нашей стране на эти нужды расходуется до 3/4 всех добываемых горючих ископаемых. Атомное тепло могло бы здесь сыграть решающую роль. Представьте себе металлургию… Ведь это редкий случай, когда топливо и руда лежат в непосредственной близости друг от друга. Чаще их приходится куда-то доставлять. Насколько же огромная энергоемкость ядерного горючего снизила бы загрузку железных дорог! Кроме того, современный технологический процесс выплавки чугуна или стали с помощью сжигаемого органического топлива сопровождается немалыми выбросами в атмосферу углекислого газа и сернистого ангидрида. Технологическое тепло от ядерных реакторов освободит металлургические комбинаты отзолы в пыли, от копоти, загазованности, завесы пыли и дыма. Количество вредных отходов, отравляющих землю, воду и воздух, уменьшится в тысячи раз.
А ведь кроме заводов по выплавке чугуна и стали существуют энергоемкие производства, где получают алюминий, цинк, осуществляют крекинг и реформинг нефти и нефтепродуктов, синтез хлорвинила, этилена и аммиака.
Не менее важно внедрение атомной энергетики и в систему теплофикации городов, создание атомных электроцентралей — АТЭЦ и атомных станций теплоснабжения — ACT. Естественно, что при их постройке должны быть учтены дополнительные требования по безопасности населения и обеспечению радиоактивной чистоты на любых режимах работы реакторов. Ведь АТЭЦ и ACT будут сооружаться непосредственно в черте города.
Первые такие станции уже работают, обеспечивая теплом и электроэнергией дома. Особенно целесообразны они в отдаленных местах, лишенных дешевых транспортных путей, куда стоимость доставки топлива делает его поистине золотым, как, например, в северо-восточную часть Сибири.
Атомная энергетика в последние годы развивается особенно быстро. Сегодня общая мощность АЭС во всех странах еще не очень велика — она не превышает 100 миллионов киловатт. Но единичная мощность (электрическая) ядерных реакторов уже достигает 1 миллиона киловатт и больше, а в недалеком будущем она поднимается до 1, 5 и 2 миллионов киловатт, а может быть, будет и еще больше.
Принцип работы гидравлических электростанций (ГЭС) понятен, наверное, каждому. С незапамятных времен научились люди использовать энергию падающей воды и стали строить водяные колеса мельниц на реках, сооружая на равнинных участках плотины, чтобы получить разность уровней. Струи воды направлялись на плицы колеса, ударяли в них и заставляли крутиться все колесо, с которым был соединен жернов. Вот и вся конструкция.
По идее сегодня все то же самое. Только вода с верхнего уровня перетекает на нижний либо по специальным трубам — турбинным трубопроводам, либо движется по водоводам, проложенным прямо в теле плотины. Под напором струи приобретают большую скорость. С силой бьют они по лопастям гидротурбины, приводя ротор во вращение. На одном валу с ротором сидит электрогенератор. Та же мельница.
В 1980 году по заданию редакции журнала «Звезда» я побывал на строительстве крупнейшей гидроэлектростанции Советского Союза — Саяно-Шушенской ГЭС. Перед тем как лететь, познакомился вкратце с основными этапами развития энергосистем в этом регионе.
После пуска крупнейших в мире ГЭС — Братской и Красноярской, после завершения создания к 1963 году единой энергосистемы Сибири — от Омска до Улан-Удэ край получил возможность развивать промышленность, особенно энергоемкие производства.
К концу пятой пятилетки 8, 5 процентов всей установленной мощности гидростанций приходились на европейскую часть СССР и только 15 процентов — на азиатскую. В стране работало множество карликовых энергосистем, которые состояли из электростанций небольшой и средней мощности, раздельно обслуживающих близлежащие промышленные районы. Когда экономисты подсчитали затраты на их сооружение, выяснилось, что на те же капиталовложения можно было бы создать в 2 — 3 раза большую мощность, если бы строить гидростанции с более крупными агрегатами.
Еще одним резервом развития энергетики оказалось создание магистральных сетей сверхвысоких напряжений — для увеличения пропускной способности линий электропередач и перехода в будущем к Единой объединенной энергосистеме. Основой для объединения энергосистем Советского Союза стали в наше время линии с напряжением в 500 и 750 киловольт. Уже ведутся работы по повышению и этого напряжения до 1150 киловольт.
Помните какая была борьба в начале века за постояннный ток? Оказалось, что он имеет в ряде случаев немало преимуществ перед переменным, и в 1962-1965 годах была введена в эксплуатацию линия передачи постоянного тока на 800 киловольт — Волгоград — Донбасс длиной 493 километра. Начались разработки и проектирование двух таких же линий на 1500 киловольт (+/ — 750 кВ). Одна — Экибастуз — Тамбов длиной 2400 километров, воторая — из района Итата в Красноярском крае до Объединенной энергосистемы Юга протяженностью около 3500 километров!.
В 1970 году самая большая Единая энергетическая система европейской части СССР охватывала Зауралье и Закавказье. Она объединяла около 400 электростанций разного типа. Тут были тепловые конденсационные и теплофикационные, гидравлические… Их общая мощность превышала 50 миллионов киловатт. В то же время начинали развиваться и другие объединенные системы: в Центральной Сибири, Северном Казахстане, Средней Азии, в Забайкалье и на Дальнем Востоке. Крупнейшая из них — объединенная система Центральной Сибири включает Иркутскую, Красноярскую, Кузбасскую, Новосибирскую, Томскую, Омскую, Бурятскую и Барнаульскую энергетические системы. В ней будут работать не только такие гиганты, как Саяно-Шушенская ГЭС, но еще и целый куст тепловых электростанций, располагающихся непосредственно у мест добычи топлива.
О строительстве Саяно-Шушенской ГЭС немало писали. Но полное впечатление о грандиозности содеянного руками человека получаешь только тогда, когда видишь плотину своими глазами.
От ее подножия и до верхней кромки вполне уместятся два Исаакиевcких собора, поставленные друг на друга. Сравнение для ленинградцев достаточно наглядное. Две террасы идут вдоль всего тела плотины. По обеим ходят «БелАЗы». Снизу те, чта ползут по второму горизонту, кажутся божьими коровками, А ведь это машины, каждое колесо которых в рост человека.
Два лифта последовательно поднимают большую клеть. Сначала на первый горизонт, на первую террасу, потом на вторую. Но и это еще не все. Дальше предстоит взбираться по хлипким лесенкам-этажеркам, сваренным из тонного — металлического прута и окруженным узкими металлическими дугами безопасности.
Внизу тихо; а здесь, наверху, свистит, задувает ветер, прохватывая сквозь одежду. Тяжело хлопают полотнища брезентовых шатров — бригады плотников-бетонщиков работают в укрытиях. Иначе не выдержать: не людям — бетону…
Двумя могучими ступенями уходит вниз тело плотины. Клубится водяная пыль над водосбросами. Посреди потока на нижнем бьефе чуть выступает над водой вершина одинокой красной от сурика сваи. Это знаменитая отметка. Если воткнуть в нее ножку огромного циркуля и очертить дугу радиусом в 600 метров, то пройдет эта дуга как раз по гребню плотины. Выгнувшись навстречу течению плотина, как спиной, заткнула междугорье, подняла воду верхнего бьефа на 150 метров, затопила берега, и создала море.
Почему место для плотины выбрали именно здесь? От Шагонара в Туве и до выхода Енисея в Минусинскую котловину перепад высот больше 200 метров. Енисей течет, как в каньоне. Крутые берега сопок, поднимаются вверх без малого на километр. Вот тут-то, у старой заимки — Черемушки у Карлова створа, и заложили плотину. Произошло это в 1968 году. В журнале стройки мы прочли историческую запись: "12 сентября 1968 года началась отсыпка перемычек котлована первой очереди строительства Саяно-Шушенской ГЭС. Первую мраморную глыбу с надписью: «Идем на вы, Енисей!» — сбросил в реку победитель социалистического соревнования водитель Илья Васильевич Кожура… Почему "мраморную? Оказалось, тут мрамор вокруг. Целые горы мрамора. Да какого!
22 декабря 1980 года на стройке ГЭС состоялось большое торжество: вводился в действие пятый гидроагрегат. Чтобы представить себе это сооружение, приведу еще одно свидетельство из своей следующей поездки на строительство летом через год с лишним. Мы сидели в гостинице, когда мимо окон вверх по Енисею деловито пропыхтел буксир, толкая перед собой лихтер-баржу. На барже, перекрывая всю ее ширину, от борта к борту лежало колесо гидротурбины. Оно плыло сюда из Ленинграда, с Ленинградского Металлического завода, которому принадлежит ведущая роль в отечественном гидротурбостроении. Еще в 1928 году на заводе была организована гидротурбинная лаборатория со специальными стендами для экспериментальных исследований моделей мощных турбин.
При диаметре рабочего колеса турбины 6, 5 метра и при напоре воды, падающей с высоты в 194 метра, каждая гидротурбина будет развивать мощность примерно в 650 тысяч киловатт. Для сравнения напомню, что это мощность десяти Волховских гидростанций. Она сравнима со всей мощностью Днепрогэса.
Митинг шел прямо в машинном зале электростанции. Железобетонный каркас, постоянная крыша, а вот стены пока временные — из профилированных металлических листов. Но тепло и светло: Народу собралось много. Приехали гости, пресса, телевидение и кинохроника. Посредине круглая металлическая площадка размером чуть меньше цирковой арены. Это крышка колодца, в котором работает агрегат. На белом колпаке — выразительная цифра "5" и металлическая пластинка с надписью: «ЛМЗ — гидравлическая турбина, „Электросила“ — генератор трехфазного тока». Табличка означает содружество двух крупнейших ленинградских предприятий.
Строго говоря, пятый агрегат поставили под нагрузку еще вчера. Поэтому сегодня никакой особенной нервозности нет. К тому же ведь и не первый, а пятый…
Глубоко внизу крутится турбина. Ровное гудение доносится из колодца, служит фоном уверенности, солидности, что ли. Ведь десять Волховстроев в одном агрегате!
Советское энергомашиностроение уверенно лидирует в мире, ставя на серийное изготовление уникальные конструкции. Мощность и скорость вращения гидрогенераторов устанавливаются заводами — изготовителями гидротурбин и зависят от напора и расхода воды. Принципиально схема турбины и гидрогенератора за последние годы не изменилась, но каждая новая машина требует решения сложного комплекса технических проблем. Тут и усовершенствование компоновки гидрогенератора, и создание наиболее рациональной системы вентиляции и охлаждения, применение новой изоляции и новых типов обмоток, снижение добавочных потерь в зонах перегрева и многие другие вопросы. Например, одно время было никак не решить вопрос о нагрузке на пяту опорного подшипника-подпятника. Следовало так его сконструировать, чтобы он спокойно нес на себе нагрузку до 3500 тонн. В мире подобных аналогов не имелось. И снова выручила ленинградская «Электросила». В содружестве с инженерами производственного объединения «Уралэлектротяжмаш» был сконструирован оригинальный подпятник, обеспечивший спокойную работу гигантской машины.
Успехи гидрогенераторостроителей привели к тому, что наши заводы не только выполняют заказы по постройке машин на экспорт, но и производят разработку проектов для зарубежных предприятий. Мощное энергомашиностроение — ведущая отрасль советской промышленности.
Термояд
Управляемый термоядерный синтез — одна из ключевых проблем современной физики. А поскольку она тесным образом связана с энергетикой, то естественно предположить, что термоядерный синтез выдвигается на одно из первых мест среди нерешенных проблем НТР.
Ученые занимаются изучением условий управляемого термоядерного синтеза более 30 лет. Преодолено немало трудностей, многое стало понятно. И все-таки даже сегодня, считает академик В.Л. Гинзбург, еще рано говорить о превращении задачи из физической в инженерную.
Но чем же привлекает энергетиков — эта сложная проблема?
Еще в 1939 году немецкий физик X. Бете предположил, что в недрах нашего светила при температуре свыше 10 миллионов градусов ядра легкого водорода — протоны, из которых на 90 процентов состоит Солнце, сливаются, превращаются в ядра гелия и выделяют при этом массу энергии.
Гипотеза пришлась по вкусу физикам-теоретикам и получила широкое распространение. Вспомните знаменитое уравнение Эйнштейна Е = МС2, связывающее энергию — Е с массой — М и скоростью света — С. Если подставить цифры, то получится весьма впечатляющее решение. Грамм солнечного вещества, обращенный в энергию, дает ее столько, сколько мы получаем на Земле, сжигая тысячи тонн (!) первоклассного бензина. Из одного килограмма изотопов водорода выделяется в 10 миллионов раз больше энергии, чем при сжигании одного килограмма угля. И это при нынешнем-то, энергетическом кризисе и растущих ценах на нефть и уголь… Естественно, мысль: «А нельзя ли зажечь солнце на Земле?» — просто не могла не возникнуть у ученых. Дело оставалось за небольшим — получить солнечное вещество и научиться превращать его в энергию,
Если открыть последний энциклопедический словарь, то можно прочесть: «Солнце… раскаленный плазменный шар… Химический состав, определенный из анализа солнечного спектра: водород — около 90%, гелий — 10%, остальные элементы — менее 0, 1% (по числу атомов)». А что такое «плазма»?
Если, услыхав слово «плазма», вы подумаете о чем-то исключительном, то непременно ошибетесь. В состоянии плазмы находится подавляющая часть вещества Вселенной. Тут и звезды, и галактические туманности, межзвездная среда и даже внешняя оболочка нашей собственной земной атмосферы. Не говоря уж о том, что Земля просто купается в плазме в виде солнечного ветра. Правда, искать природную плазму на поверхности нашей планеты — занятие безнадежное. Ее не существует. Но исследователи довольно давно научились получать ее искусственно в лабораториях, свое же название она получила совсем недавно.
Все в тех же 20-х годах нашего века два американских физика Ленгмюр и Tонкс, изучая газовый разряд, назвали его греческим словом «plasma», что означало — ионизованный электрически нейтральный газ, содержащий равное количество положительных и отрицательных зарядов. Этот газ-плазма оказался настолько отличающимся от всех известных физикам состояний вещества, что стал самостоятельным объектом исследования.
Давайте попробуем каким-нибудь способом постепенно разогревать кусок обычного, вполне земного вещества, хоть железку. Сначала она раскалится, засветится. Затем связи в ней ослабнут, и она расплавится. Потом жидкость испарится и перейдет в газ. При дальнейшем нагреве молекулы газа не выдержат и разорвутся на атомы. Еще дальше — газ станет атомарным. А там начнут сдаваться и атомы. Электроны будут отрываться от ядер, и газ начнет переходить в плазму.
Примерно к температуре десять миллионов градусов плазма окажется полностью ионизованной. То есть вещество будет состоять из «голых» ободранных ядер и свободных электронов, которые мечутся в разные стороны, стремясь во что бы то ни стало сбросить возбуждение, отдать сообщенную энергию и обрести, образно говоря, покой.
При ста миллионах градусов частицы плазмы обретают такую скорость, что при встречах ядра могут начать разрушатьея. Здесь мы подошли к границе ядерных превращений.
При миллиарде градусов вещество будет состоять уже только из протонов и электронов. Ядра распадутся. А при температурах более десяти триллионов (10 E13) градусов элементарные частицы получат возможность превращаться одна в другую.
Правда, представить себе все эти градусы довольно трудно. Нужно быть физиком-теоретиком.
Чем ближе знакомились физики с плазмой, тем больше убеждались в ее вздорном характере. Посудите сами: мы говорам, что плазма нейтральна. Но шустрые электроны куда более подвижны, чем массивные ионы, и потому они первыми, норовят удрать из дружного коллектива. Образуются нестабильные электрические поля. Под их влиянием частицы меняют свои направления, путают расчеты, делают поведение сгустка плазмы труднопредсказуемым. Плазма изо всех сил стремится расшириться, коснуться стенок камеры, отдать энергию и… погибнуть.
Просто какая-то страсть к самоубийству. И чем выше температура плазмы, тем она норовистее. А при миллионах градусов, необходимых термоядерщикам, она становится просто бешеной.
Когда-то считали, что в недрах нашего светила горят запасы серы, каменного угля и прочих горючих ископаемых. Однако проверили поточнее, прикинули, оказалось, что будь Солнце даже просто из лучшего донецкого антрацита, его хватило бы лишь на несколько тысячелетий. Этого было явно мало. Следовало поискать другой, более долговечный источник. И он нашелся…
Если представить себе зарождающуюся звезду облаком холодной плазмы, сжимающейся под действием сил притяжения, то постепенно ее температура станет подниматься. Сначала немного нагреются недра, а там, глядишь, и весь шар покраснеет, засветится и засверкает. Превратится сжимающийся плазменный шар в пылающую звезду…
Впрочем, не надо, как говорится, эмоций! Посчитаем, прикинем… Если бы Солнце под действием собственной силы тяжести сжималось со скоростью 30 метров в год, оно бы «просветило» лет этак миллионов тридцать. Опять мало! По новым данным науки, Солнечная система существует, по крайней мере, четыре с половиной миллиарда лет. Миллиарда! Представляете?
Долго, очень долго источник солнечной энергии оставался для ученых загадкой. А потом в лабораториях физиков началось его постепенное разгадывание. В 1896 году французский физик А. Беккерель открыл радиоактивность. Помните — так мы называем самопроизвольное превращение неустойчивых атомных ядер в ядра других элементов. Потом А. Эйнштейн установил зависимость массы и энергии. Это позволило английскому астроному и иностранному члену-корреспонденту Академии наук СССР А. Эддингорну выдвинуть идею прямого перехода массы Солнца в энергию. Правда, как это могло происходить, никто не знал.
Примерно в ту же пору неистовый и громоподобный Э. Резерфорд наблюдал первые искусственные превращения ядер. На лабораторной установке ядра атомов азота при бомбардировке их ядрами гелия иногда вдруг глотали эти «микробомбы» и превращались в ядра атомов кислорода, излучая лишний протон. Это было чудесно и совершенно непонятно. Картина стала проясняться, когда ученик Резерфорда Дж. Чедвик открыл нейтрон, а советский и немецкий физики Д. Иваненко и В. Гейзенберг независимо друг от друга построили модель атомного ядра из протонов в нейтронов. В 1939 году немецкий физик X. Бете, бежавший от фашистов сначала в Англию, а затем в США, теоретически показал, что в солнечных недрах должны существовать, по крайней мере, два вида реакций превращения водорода в гелий. Первая и основная — слияние двух протонов и образование тяжелого изотопа водорода — дейтерия, с излучением позитрона и нейтрино. И затем переход дейтерия в гелий с образованием новых свободных протонов. При этом количество высвобождающейся энергии оказывалось примерно в миллион раз больше, чем при химической реакции горения. Вторым типом реакции был углеродно-азотный цикл, который шел при более высоких температурах, очевидно, в самом солнечном ядре.
Прекрасно! Отныне, казалось, тайна Солнца разгадана. Ядерные реакции обеспечивали нашему светилу десять миллиардов лет жизни, что вполне устраивало физиков. Так что можно было успокоиться. Кстати, а что будет через оставшиеся пять миллиардов лет? Ядро Солнца к тому времени сожмется до такой степени, что температура и плотность в нем позволят ядрам гелия объединяться и образовывать углеродные ядра. Солнечная оболочка при этом распухнет до орбиты Венеры. И наше светило превратится в красного гиганта. На Земле к этому времени станет, увы, слишком жарко для жизни. Но до этого катастрофического периода время еще есть.
Как же работает Солнце? Во-первых, «ядерный котел» нашего светила занимает не так уж много места — примерно 2 процента объема в центре. Но в нем сосредоточено 50 процентов всей массы. Каждую секунду его топка потребляет около 5 миллионов тонн ядерного горючего, обеспечивая выход 4, 5 E33 эрг энергии. Много это или мало? Судите сами: Земля получает едва ли стомиллионную долю. И этого оказывается достаточно, чтобы обеспечить нашу жизнь!
Я не стану в деталях расписывать реакции внутри Солнца. Заинтересовавшийся сам их легко отыщет в Учебнике (например, Мартынов Д.Я. Курс общей астрофизики. М., 1971, с. 221-222). Скажу только, что ядра гелия чуть-чуть легче, чем сумма слившихся в них протонов. Этот-то крошечный избыток массы и превращается в энергию сначала в виде жестких гамма-квантов и нейтрино, Нейтрино тут же удирают, из Солнца, а гамма-кванты, сильно взаимодействуя с веществом, пробираются к поверхности и в конце концов превращаются в кванты оптического излучения. Они-то и греют, они-то и светят нам с вами. А теперь подведем предварительные итоги:
1. Сколько состояний вещества мы знаем?
Три обычных: твердое, жидкое, газообразное; и четвертое — плазма.
2. Что такое плазма?
Ионизованный газ, состоящий из «ободранных» атомных ядер и электронов.
3. Какую плазму мы знаем?
Низкотемпературную (Т=105 К), используемую в ионных приборах, газовых. лазерах, плазмотронах, МГД-генераторах, плазменных двигателях, а также в плазменной металлургии, обработке и в бурении. Высокотемпературную (Т=106-103 К) из смеси дейтерия и трития, которая предполагается быть использованной для управляемого термоядерного синтеза — термояда.
4. Чем отличается плазма от обычного газа?
Частицы плазмы не самостоятельны, а представляют собой единый коллектив, систему. Разреженная лабораторная плазма всегда является системой неравновесной и стремится к саморазрушению.
5. Почему устойчивы звезды, состоящие из плазмы? Потому что звездные условия не чета лабораторным. На Земле их так просто не достигнуть.
Советские физики-теоретики первыми высказали идею, согласно которой горячую плазму можно попробовать изолировать от стенок камеры, сжав собственным магнитным полем. Мысль была настолько простой и очевидной, и решение казалось таким красивым, что сомнениям просто не оставалось места.
Предположим, что нам удалось в разреженном газе создать мощный электрический разряд. Естественно, что на всем его пути молекулы и атомы ионизуются и газ превратится в плазму. Но плазма — сама великолепный проводник для электричества, и потому ток в ней будет нарастать. А вместе с током станет расти и его магнитное поле, охватывающее плазму, как обручами; и сдавливающее, сжимающее ее в тонкий шнур, отрывающее от стенок камеры.
Кажется, проще простого — частицы оторваны от стенок, ток нагревает плазму до звездных температур, ядра начинают сливаться, выделяя огромное количество тепла. Реакция становится самоподдерживающейся. Термоядерный «самовар» закипает…
В Институте атомной энергии имени И.В. Курчатова был создан Отдел плазменных исследований, во главе которого стал удивительный человек, один из бесспорных лидеров советской науки Лев Андреевич Арцимович.
Еще не прогремело эхо тзервого взрыва водородной бомбы, значит, не существовало и доказательства того, что даже неуправляемый термоядерный синтез возможен на Земле. А в лаборатории Арцимовича молодые энтузиасты готовились осуществить синтез управляемый.
Как они тогда работали! Все, от руководителя до лаборанта, были первыми в мировой науке. Они знали то, что хотели знать все, но не знал никто. И это знание было самым большим богатством — дороже золотых слитков и самородков, дороже самнх больших и чистых алмазов из голубых кимберлитовых трубок. Вот что такое наука! Вот чем она всегда привлекала и будет привлекать к себе людей! Лев Андреевич был необыкновенно обаятельной личностью. Острый ум, широчайшая эрудиция и необыкновенно развитое чувство юмора.
— Что такое наука? — спросили его как-то.
— Наилучший способ удовлетворения собственной любознательности за счет государства, — не моргнув глазом ответил он,
Именно под руководством Л. А. Арцимовича в институте были разработаны установки типа «токамак». Это звучное название, ставшее международным, произошло от сокращения длинной определяющей фразы — «тороидальная камера с магнитным полем». В токамаках ток, возбуждённый внешним индуктором и достигший огромной силы, протекает через плазму и нагревает ее до очень высокой температуры. Плазма как раз и находится в тороидальной вакуумной камере — этаком полом бублике. Мощная магнитная система охватывает этот «бублик», создает магнитное поле, которое отжимает горячую плазму от холодных сте-Нок камеры. В этом заключается основная идея токамака.
Для того чтобы термоядерная реакция протекала относительно спокойно и вместе с тем с большим выделением энергии, нужно удерживать плазму достаточной плотности в магнитном поле определенное время. Для каждой термоядерной реакции и температуры плазмы существует минимальное значение произведения концентрации ядер в единице объема — плотности плазмы на время ее удержания.
Так, к примеру, для термоядерной дейтерий-тритиевой реакции (ее часто называют просто Д+Т реакция) при температуре 100 миллионов градусов это произведение должно быть равно 3Е14. Как расшифровать эту цифру?
Если плотность плазмы 1Е14 атомных ядер в одном кубическом сантиметре объема, то достаточно удержать ее в нагретом состоянии всего одну секунду, чтобы реакция пошла как надо. Это произведение плотности на время называют критерием Лоусона.
Как же обстоят дела у физиков сегодня? Плотность плазмы нужного предела уже достигла. Температура пока ниже. Время удержания доходит до одной десятой секунды. В общем, не так плохо.
Сегодня главное внимание физиков-термоядерщиков сосредоточено на токамаках как на наиболее перспективных установках. Но это вовсе не значит, что для осуществления управляемого термоядерного синтеза нет других путей.
Сейчас в нашей стране создан токамак-15. В нем плазма объемом в 23 кубометра будет нагрета уже до 70-80 миллионов градусов. И главный параметр удержания этого беспокойного детища современной физики совсем немного не дотянет до критерия Лоусона.
Еще ближе к заветному критерию предполагают подойти ученые объединения «Евратом» на строящемся токамаке «ДЖЕТ». Здесь объем высокотемпературной дейтериевой плазмы будет около двухсот кубических метров. По своим параметрам плазма должна выйти на рубеж реакторной. Таким образом, физики мира собираются продемонстрировать получение реакторной плазмы, а затем передать дело в руки инженеров.
Советские специалисты полагают, " что первые практические термоядерные генераторы должны использовать обмотки из сверхпроводников. Это сразу же снизит колоссальные затраты энергии на поддерживание магнитного поля, удерживающего плазму. Здесь нужно иметь в виду, что при работе токамак потребляет столь-. ко же электричества, сколько хватило бы на жизнь целому городу. Так что экономия — дело не лишнее.
Опыт работы с такими обмотками имеется. Магнитная система токамака-7 была выполнена с использованием сверхпроводников. Учитывая всемирную заинтересованность в решении проблемы управляемого термоядерного синтеза, Советский Союз предложил построить интернациональный термоядерный реактор «Интор». Его проект разрабатывается международной группой ученых и инженеров и уже прошел международное обсуждение. Предстоит решить, позволит ли политическая обстановка в мире осуществить задуманное.
А теперь еще раз подведем итоги;
1. Что такое термояд?
Управляемый термоядерный синтез, основанный на реакциях перестройки атомных ядер с большим энергетическим выходом.
2. Что нужно сделать, чтобы зажечь в плазме огонь термояда?
Нагреть до звездных температур, сжать до необходимой плотности, обеспечив критерий Лоусона.
3. Что такое критерий Лоусона?
Произведение времени удержания высокотемпературной плазмы на плотность ее частиц. Если это произведение превышает 1Е14 с*см-3, то выделяющаяся управляемым термоядерным синтезом энергия больше подводимой к системе.
4. Что такое токамак?
Тороидальная камера с магнитным полем — семейство советских тороидальных магнитных ловушек для получения контролируемой термоядерной реакции в высокотемпературной плазме. Слово «токамак», как и слово «спутник», принято во всех языках мира.
5. Когда физики получат термоядерную энергию?
…
Какой видится завтрашняя энергетика сегодня? Пожалуй, я бы разделил все имеющиеся способы получения электрической энергии на две большие группы. Поскольку наша книга не является специализированным руководством по энерготехнике, думаю, такая вольность допустима. К первой группе можно отнести, так сказать, электрическую энергию рукотворную. Тут и ГЭС, и ТЭС, и АЭС, тут термояд, МГД-генераторы, термоэлектрогенераторы, термоэмиссионные преобразователи и топливные элементы. Ко второй — энергию, которую нам дарит природа: то есть гелиоэнергетика, энергия геотермальная, энергия ветра, волн и приливов.
Мы уже рассмотрели способы получения электрической энергий традиционным путем и даже познакомились с управляемым термоядерным синтезам. Теперь пора перейти к тому, что будет завтра. Давайте начнем с одного из главных способов получения энергии будущего — с МГД генератора.
Когда-то Фарадей заметил, что коль скоро в проводе, который движется между полюсами магнита, течет электрический ток, то оный же должен возникнуть и в потоке проводящей электричество жидкости, помещенной там же. Казалось бы ничего нового в том высказывании нет, но именно в нем заключена идея МГД-генератора.
Сначала суть: при сгорании органического топлива, к примеру природного газа, при достаточно высокой температуре (не менее 2500° С) газ сей должен, как мы с Вами уже знаем, перейти в состояние частично ионизованной плазмы, то есть стать электропроводным, Если же к потоку плазмы добавить какое-нибудь легко ионизирующееся вещество, ну хотя бы пары щелочных металлов — калия, натрия или цезия, то электропроводность низкотемпературной плазмы резко возрастет.
Теперь представьте себе, что мы стали продувать эту горячую проводящую плазму через достаточно мощное магнитное поле. В плазме тут же появился электрический ток. Если при этом к стенкам канала, по которому сквозь магнитное поле стремится поток плазмы, приделать электроды, замкнутые на внешнюю депь, то по цепи пойдет ток.
Ну что? Просто? В принципе работа МГД-генератора не отличается от работы генератора Фарадея классической схемы. Только в электромеханическом генераторе проводником служит обмотка ротора, а в МГД-генераторе — поток подогретой плазмы. Электрический ток в плазме, взаимодействуя с магнитным полем, тормозит движение плазмы. И её кинетическая энергия превращается в тепловую. Конечно, все не так просто в реализации, как в идее. Газ приходится подогревать, то есть сжигать. А это та же ТЭЦ. Да еще добавлять в него металлические пары. А чтобы канал, по которому мчит струя плазмы в 2500° С, не развалился, его нужно делать, жаропрочным, как содао ракеты. Кроме того, отработанную плазму, сохраляюшую свою температуру, нужно тоже на что-то употребить. Хотя бы на подогрев пара для обычной турбины…
Э! — скажет экономически подкованный читатель. Чем она, плазма, лучше обычного топлива в ТЭЦ?
Не нужно торопиться. Какой КПД у самих лучших ТЭЦ? Не более 40 процентов, остальные 60 — летят в трубу, нагреаая и обильно засоряя атмосферу, МГД-установки позволят 25 процентов от этих шестидесяти, выбрасываемых в трубу, сэкономить. Это сейчас — 25, а в будущем, может быть, и 50 процентов." Более того, магнито-гадродинамическое преобразование энергии сможет применяться и в ядерной энергетике, поскольку позволит исключить паровой котел как промежуточное звено, а следовательно, и повысить КПД,
Пока, конечно, на пути к МГД-генератору взяты еще не все карьеры. Непонятно, из чего делать канал для пляамы. Тут дело упирается в надежность материалов. Кроме того, нужно создавать на всем протяжении плазменного канала, а это метров двадцать, магнитное поле очень большой интенсивности. Наконец, постоянный ток, получаемый от МГД-геяерагора, придется преобразовывать в переменный.
Но кое-какие успехи на этом пути уже имеются. Несколько лет назад жителя московского района Ховрино стали получать электроэнергию не от городской линии электроснабжения, а от расположенного неподалеку Института высоких температур АН СССР. Это заработала пока единственная на всей Земле установка У-25 мощностью 20 мегаватт для магнитогидродинамического преобразования энергии. А москвичи между тем этого события-то и не заметили.
Недавно МГД-генератору нашли новое и совершенно необЫчное применение. Его использовали для глубинного эяектремагнитного зондирования земной коры и верхней мантаи, Сначала с помощью передвижного генератора геологи экспериментировала на Урале, потом установку перевезли на Кольский полуостров. На этом участие Балтийского щита на поверхность выходят древнейшие образования Земли, Именно здесь открываегся возможность наиболее полно изучить строение кристаллического фундамента, скрытого обычно под осадочными породами.
Года два тому назад мне довелось побывать на Кольской сверхглубокой скважине, которую вот уже не один год бурят неподалеку от города Заполярного. Это самая глубокая скважина в мире — двенадцать с лишним километров. Еще когда буровики вышли только на десятикилометровый рубеж, министр геологии, рассказывая о научных достижениях Кольской сверхглубокой, образно говорил о «десяти тысячах метров открытий». И вот теперь у геологов появилась возможность сравнить результаты МГД-зондирования с кернами, добытыми буровиками с разных горизонтов.
Глубинное электромагнитное зондирование земной коры и верхней мантии в принципе метод не новый. Но раньше как у нас, так и за рубежом, использовались главным образом естественные источники электромагнитного поля. Чаще всего вариации магнитного поля Земли, которые возникают в результате взаимодействия солнечного ветра с магнитосферой и ионосферой нашей планеты в царстве полярных сияний, то есть на высотах 100-200 километров. Эти вариации возбуждали в теле планеты вторичные поля, которые, проникая на десятки и даже сотни километров в глубину, приносили оттуда информацию о строении недр. Это так называемые магнитотеллурические методы геофизических исследований. Непростое дело. Лучше, конечно, иметь дело с искусственными источниками тока. Некоторое время так и делали. Устанавливали на автомобилях генераторы, которые позволяли зондировать землю до глубин в несколько километров. Мало!
Лишь когда по инициативе Института атомной энергии имени И.В. Курчатова в геоэлектрику стали внедрять мощные импульсные МГД-генераторы, в описываемых методах наметился существенный поворот.
Научный эксперимент «Хибины», проведенный на Кольском полуострове, в Северной Карелии и на территории Финляндии, позволил по-новому подойти к проблеме исследования глубинной электропроводности земной коры. Геофизики сделали немало новых интересных открытий, перечеркнули некоторые прежние представления. Перед геологами открылась новая перспектива в исследованиях глубинного строения рудных полей.
Работает термоэлектричество
В 1821 году немецкий врач Томас Иоганн Зеебек состоятельный человек, не утруждающий себя медицинской практикой, а отдающий время физическим опытам, случайно открыл удивительное явление. Он воспроизводил опыты Эрстеда и, размышляя о результатах подумал: «Не мог ли магнетизм, возбуждаемый током родиться из прямого соприкосновения двух разнородных металлов без помощи слоя жидкости между ними?» Эта мысль, пришла в голову герру Зеебеку не без помощи описаний опытов Вольты. Он замкнул медную катушку мультипликатора висмутовым диском и заметил, что каждый раз, когда нажимает рукой на один из контактов, стрелка мультипликатора слегка отклоняется.
Опыт за опытом, серия за серией… Зеебек нажимал на контакты через мокрую бумагу, через стекло, нажимал короткое время, нажимал долго… В конце концов, он убедился, что эффект обусловлен нагреванием одного из контактов. И тогда он опубликовал результаты исследования, написав, «что теплота, которая сильнее передается одному из мест контакта металлов является причиной магнетизма». Обратите внимание — «магнетизма», а не электричества. Исходя из этих соображений, Зеебек назвал открытое им явление «термомагнетизмом».
Эрстед и Фурье, повторившие в 1823 году опыты Зеебека, собрали столбик из нескольких пар контактов, произвели с помощью полученного тока электролиз и предложили назвать новое явление, открытое Зеебеком, «термоэлектричеством». Зеебек долго и упрямо спорил, возражая против такой замены. Но целесообразность предложенного была столь очевидной что никто его не слушал. Термоэлементы получили широкое распространение, так как давали постоянную ЭДС.
Если составить электрическую цепь из последовательно соединенных различных материалов, сегодня это обычно полупроводники, то получится термоэлектрический генератор. Как и МГД-генератор, он самым непосредственным путем преобразует тепловую энергию в электрическую, и его коэффициент полезного действия ограничивается вторым началом термодинамики.
Сегодня — термоэлектрические генераторы находят некоторое применение в различных системах, но они маломощны и пока дорога, КПД их невелик.
Термоэмиссионные преобразователи основаны на явлении термоэлектронной эмиссии. ЭтО явление заключается в том, что нагретые тела испускают в результате теплового возбуждения электроны в окружающее пространство. Явление термоэлектронной эмиссии можно рассматривать как испарение электронов из эмиттepa. И на этом эффекте была основана работа электронных ламп — целой эпохи в развитии радиосвязи.
Термоэлектронные генераторы, или термоэлектронные преобразователи, работают так: в вакуум помещают два электрода. Один — эмиттер подогревают, другой — коллектор — охлаждают." Если эмиттер с коллектором соединены внешней электрической цепью, то по ней потечет ток. Таким образом, ТЭГ или ТЭП также преобразуют непосрдственно тепловую энергию в электрическую, минуя ступень механической энергии. И их КПД должен также ограничиваться вторым законом термодинамики.
К сожалению, пока еще не удалось получить термоэлектронные преобразователи с достаточно хорошими технико-экономическими показателями. Сейчас они применяются в маломощных автономных системах, хотя работы по улучшению их показателей, ведутся во многих научных подразделениях мира с большой интенсивностью и высокими темпами.
Топливные элементы часто называют электрохимическими генераторами — ЭХТ. В них осуществляется прямое преобразование химической энергий в электрическую. Основными частями топливного элемента являются анод, катод, электролит и органы управления. А делятся они на высокотемпературные, средне — и низкотемпературные. Принцип их работы заключается в следующем: представьте себе, что реакция горения водорода в атмосфере кислорода разделена на два процесса; в одном из них участвует водород, в другом — . кислород.
Эта идея возникла еще в прошлом веке. Все дело заключалось в создании подходящей конструкции. Водород, попадая на металлический электрод, переходит в атомарное состояние. При этом электроны, заряжая электрод отрицательно, уходят в металл, а ядра атомов — в раствор электролита. Примерно такой же процесс происходит и на втором электроде, на который подается кислород. Только здесь накапливается положительный заряд. В электролите возникают отрицательно заряженные ионы ОН. Соединяясь с ионами кислорода, они образуют воду, которая удаляется из элемента. Если оба электрода соединить внешней цепью, то по ней пойдет ток.
Сейчас пока лучше разработаны низкотемпературные топливные элементы низкого давления. Здесь имеется водородный контур, который состоит из криогенного баллона, испарителя, регулятора дазления, насоса и конденсатора для воды. Из баллона жидкий водород поступает в испаритель-перегреватель, погруженный в электролит. Электролитный контур предназначен в основном для удаления тепла, выделяемого в топливных элементах. В кислородном контуре также есть криогенный баллон, испаритель, регулятор давления и насос. То есть все те же составляющие части, что и в водородном контуре. Испаритель-перегреватель погружен в электролит.
Одним из наиболее активных видов топлива для топливных элементов является в настоящее время гидразин, дающий в качестве единственного продукта реакции азот. К сожалению, он пока дорог и вдобавок ядовит. Тем не менее уже построены и испытываются двигатели для электратедежек. А это начальный вариант рабочих моделей электромобидей. Правда, пока удельиая мощность топливных элементов — в три раза меньше по сравнению с бензиновыми двигателями. Но мы можем сказать: есть все основания считать этот путь создания электромобилей перспективным. Используются топливные элементы и в качестве небольших по мощности бортовых источников тока в космических аппаратах. Есть надежда, что при решении вопроса об использования более дешевого топлива и окислителя, например, природного газа и воздуха, топливные элементы в дальнейшем найдут применение и в большой энергетике.
Солнцу и ветру навстречу…
Однажды мне довелось побывать на одном предприятии. Это был новый завод, оборудованный по последнему слову техники. Чтобы попасть в цех, нужно было пройти несколько фильтров-тамбуров, сменить одежду.
В установке, в горячей трубке-реакторе, где температура выше тысячи градусов, под точными дозами ионных лучей смешиваются пары бесцветных жидкостей. Идет реакция. В результате на стенках реактора вырастают тонкие игольчатые кристаллы чистого кремния.
Сто лет назад этот способ промышленного получения высокочистого кремния был предложен замечательным русским химиком Николаем Николаевичем Бекетовым. Но не имелось возможностей осуществить технологическую цепь. Да и сверхчистый кремний не был так остро необходим, как сегодня.
Полученные в реакторе бесцветные иголочки собирают, долго моют в кислоте, измельчают, снова и снова переплавляют, добиваясь неправдоподобной чистоты, и, наконец, превращают в монокристаллы — важнейший полупроводниковый материал. Из него собирают «солнечные крылья» батарей автоматических межпланетных и орбитальных станций. В кристаллах сверхчистого кремния, поглотивших квант света, освобождаются электроны. И если соединить освещенную сторону батареи с неосвещенной внешней цепью, то по ней потечет электрический ток.
Кремниевые преобразователи солнечной энергии могут питать электричеством не только сложное хозяйство космических летательных аппаратов. Они могут работать на Земле. И снова — экономика: сегодня стоимость одного киловатта установленной мощности, то есть величина всех капитальных вложений, равна: для тепловых электростанций — 200 рублей, для гидростанций — 350. А вот киловатт установленной мощности при использовании полупроводниковых преобразователей все еще стоит около 10 тысяч рублей, а то и поболее.
Но уж очень это дело заманчиво! Полная мощность излучения нашего дневного светила равна примерно 4Е26 ватт. Конечно, Земле достается из этого обилия пустяк — всего 1, 78Е12 ватт. Но в течение года это дает примерно 1, 56Е18 кВт*ч. Не так-то уж и мало…
Конечно, часть еще поглощается и отражается атмосферой. Но и тогда общая мощность изливающегося на поверхность Земли солнечного излучения равна величине, близкой к 1Е14 кВт. Если бы человечеству удалось освоить хотя бы тысячную долю этой энергии, проблему, над которой мучительно бьемся последние годы, можно было бы считать решенной.
Кое-где на Земле — пока в рекламных целях, построены автомобили и даже самолеты, работающие на солнечных батареях. Работает солнечный свет и в качестве бакенщиков, зажигая с наступлением темноты огни маяков. Есть микрокалькуляторы с солнечной батарейкой вместо обычной. В общем, «малая энергетика» осваивает свет вовсю… А какие перспективы у «большой энергетики»?
К сегодняшнему дню уже определился конструктивный облик космической электростанции будущего. Это грандиозное сооружение массой в 20-60 тысяч тонн, поднятое над Землей примерно на высоту 36 тысяч километров на геостационарную орбиту. Мощность такой космической электростанции — КЭС оценивается в 5 миллионов киловатт. Это на миллион киловатт больше мощности самой крупной в Европе Ленинградской АЭС. Чтобы обеспечить такую мощность, тысячи и тысячи солнечных батарей придется разместить на панелях площадью около 50 квадратных километров.
На такой высоте станция будет круглосуточно освещаться Солнцем и непрерывно вырабатывать электрическую энергию. Лишь весною и осенью раз в сутки она станет на I час 15 минут входить в тень Земли.
Транспортировать вырабатываемую энергию на Землю можно с помощью лазерного луча или сверхвысокочастотного излучения. На Земле нам придется для этого построить огромную антенну в несколько километров диаметром. Принятая энергия, преобразованная в электрический ток, поступит в энергосистему страны.
Несмотря на кажущуюся фантастичность реализации такого проекта, принципиальных трудностей нет. Зато технических — хоть отбавляй. И конечно, такое строительство нужно вести в условиях международного сотрудничества и международной кооперации, в условиях прочного мира, а не под нацеленными ракетами любых систем.
Строительство КЭС встречает не только безоглядную поддержку ученых. Раздаются голоса, с отрезвляющей холодностью подсчитывающие, во что это обойдется человечеству. Например, для запуска космических кораблей, доставляющих с Земли на орбиту элементы конструкции предполагаемой КЭС с предполагаемой массой в те же 20-60 тысяч тонн, понадобится сжечь столько топлива, что количество углекислого газа в атмосфере превысит допустимый порог и начнутся необратимые процессы таяния ледников на Земле. Стоить же это топливо будет столько, что никакая энергия не сумеет его окупить в течение ближайшего полустолетия. А за 50 лет в земной энергетике могут произойти такие перемены, что КЭС окажется просто ненужной.
Явление фотоэффекта было открыто еще в 70-х годах прошлого столетия. И с тех пор интенсивно изучается в лабораториях и применяется на практике. КПД практически используемых кремниевых фотоэлементов сегодня невелик — всего 1-14 процентов. Может быть, и «не стоит овчинка выделки»? Тем более, что наша страна располагает весьма значительными запасами природного топлива, а расположена она в такой климатической зоне, где плотность солнечной энергии на большей части территории незначительна, Чтобы выработать получаемую сегодня нашей страной электроэнергию с помощью солнечных батарей, ими пришлось бы покрыть не менее 10 тысяч квадратных километров земли в среднеазиатских районах…
И все-таки «на определенном этапе развития цивилизации, — говорит — академик Ж. Алферов, — крупномасштабное использование солнечной энергии становится просто необходимым».
В «Основных направлениях экономического и социального развития СССР на 1986 — 1990 годы и на период до 2000 года», утвержденных XXVII съездом КПСС, определена конкретная стратегия совершенствования всех отраслей нашего социалистического хозяйства, в том числе энергетики и энергетического машиноетроеиня нашей страны. Нам предстоит значительно ускорить развитие машиностроения. Осуществить коренное повышение технического уровня выпускаемой продукции. Обеспечить создание и освоение производства техники новых поколений, позволяющей многократно позысйть производительность труда, улучшить его условия, существенно снизить материальные затраты…
Эффективнее развивать топливно-энергегичеокий комплекс, реализовать Энергетическую программу СССР. В целях улучшения топливно-энергетического баланса страны увеличить выработку электроэнергии на атомных электростанциях не менее чем в 5-7 раз… Шире использовать нетрадиционные возобновляемые источники энергии и вторичные энергетические ресурсы.
Партия обращается ко всему советскому народу с призывом включиться в рациональное ведение хозяйства, проявлять инициативу, рачительно относиться к тому, что является нашим общим достоянием. Но для того, чтобы разумно хозяйствовать, сегодня мало одного желания. Нужны знания и умения. Под влиянием научно-технической революции мир вокруг нас стремительно меняется. Меняемся и мы с ним.
Разумная человеческая деятельность, опираясь на науку и технику, стала определяющим фактором взаимоотношений природы, и общества во всепланетном, глобальном масштабе. Фактически мы — люди создали искусственную сферу обитания для себя, приспособив природу к возможностям человеческого организма. Люди построили дома, снабдив их централизованным теплом и светом, проложили дороги, изобрели различные виды транспорта с помощью которого одержали победу над расстояниями. Создали всевозможные виды связи, обеспечивающей не толыко обмен информацией, но и управление с помощью этой информации другими техническими системами.
Для обеспечения комфорта люди поставили себе на службу многие, дремавшие до поры, силы природы и с их помощью приспособили, перестроили биосферу Земли для себя.
Однако, за каждое достижение нужно платить. Создав искусственный мир, освободив могучие силы, человек сам оказался их пленником. Можем ли мы сегодня представить себе жизнь больших многомиллионных городов, например, без электричества, водоснабжения, теплофикации, транспорта и связи? Это было бы не просто аварией, это было бы катастрофой.
При этом нужно отметить, что все большее количество освобождённых сил, вее большие объемы энергопоставляющей техники, обрабатывающей техники, обеспечивающей условия жизни в городах и поселках, управляются автоматически малыми, но чрезвычайно сложными приборами и аппаратами, специально созданными людьми для целей управления. Да человек и не может в большинстве случаев непосредственно регулировать работу сложных и могучих агрегатов без автоматов — посредников.
Именно поэтому такое большое внимание в наши дни обращают на развитие автоматики. Автоматизация, роботизация промышленности — это верный путь ускорения научно-технического прогресса, перевода промышленности на рельсы интенсификации. В Основных направлениях указано, что в электротехнической промышленности необходимо "опережающими темпами наращивать выпуск автоматизированных электроприводов. Развивать высокоавтоматизированные производства электродвигателей, аккумуляторных батарей, бесконтактной низковольтной и высоковольтной аппаратуры, силовых полупроводниковых приборов и модулей, волоконно-оптических кабелей связи и других электротехнических изделий. Освоить серийный выпуск лазерных технологических установок мощностью излучения до 10 киловатт, комплектующих изделий для гибких производственных систем, промышленных роботов и средств автоматизации, электрооборудования для автосамосвалов большой грузоподъемности. Расширить производство электропогрузчиков, оснащенных, малогабаритными энергоемкими аккумуляторными батареями. В современном сложном хозяйстве все его отрасли оказываются взаимосвязанными. И это прекрасно учтено в историческом документе, принятом на XXVII съезде партии В качестве программы нашего дальнейшего развития и совершенствования. Было бы бессмысленно развивать передовую производящую и обслуживающую технику, создавать новые технологии без управляющих и контролирующих приборов. И в Основных направлениях говорится: "В приборостроении опережающими темпами осуществлять изготовление высоконадежных систем промышленной автоматики на базе электроники, прежде всего для управления технологическими процессами. Ускоренно развивать выпуск средств автоматизации управленческого и инженерного труда, малых электронно-вычислительных машин высокой производительности, персональных электронно-вычислительных машин, систем числового программного управления для многофункциональных станков и гибких производственных модулей, программируемых командоаппаратов для различных видов оборудования.
Увеличить производство программных средств для вычислительной техники и автоматизированных систем управления.
Обеспечить создание и освоение серийного выпуска автоматических средств технической диагностики машин и оборудования, средств неразрушающего контроля, комплексов новых приборов проверки качества промышленной и сельскохозяйственной продукции, контроля состояния окружающей среды. Наращивать выпуск при контроля и регулирования расхода топлнвно-энер-.гетических ресурсов и воды…
Значительно расширить в приборах и средствах автоматизации применение элементной базы повышенной надежности и быстродействия, сверхбольших интегральных схем, лазерной и волоконно-оптической техники".
Огромные задачи поставлены перед советской наукой и техникой. Для их выполнения немало придется потрудиться инженерам-физикам, занимающимся созданием полупроводниковых приборов, лежащих в основе «элементной базы» большинства средств автоматизации. Плохие полупроводники — значит, ненадежные большие и сверхбольшие интегральные схемы, значит, в обработке и преобразовании команд, поступающих на них в виде электрических импульсов, могут быть сбои. Тогда процесс управления всем объемом вычислений и управлений, взаимодействием различных устройств цифровых вычислительных машин будет проходить с искажением программы. Негодными окажутся микропроцессоры. Управляющие системы, в которых ненадежно работают компьютеры и вычислительные машины, никуда не годны.
Интересно, что еще полвека назад полупроводниками называли вещества, плохо проводящие электричество, например, хлопчатую бумагу, дерево и т.п. Сегодня-изменился даже смысл этого слова — так стремителен научно-технический прогресс. Сегодня полупроводники — обширный класс веществ, обладающих особыми свойствами. Электрический ток в полупроводниках создается не только электронами-частицами с отрицательным зарядом, но и «дырками» — частицами, как бы обладающими положительными зарядами, равными заряду электрона, и такой же массой, как у электрона. На самом деле «дырки» — это никакие не частицы, а вакантные места, с которых ушли электроны. Но ведут они себя в полупроводниках как частицы.
Существуют, полупроводники, у которых электронная составляющая тока больше, их называют полупроводниками с электронной проводимостью. А есть полупроводники с дырочной проводимостью. В них преобладает дырочная компонента тока.
Полупроводники могут быть кристаллическими, аморфными и даже жидкими веществами. К ним относятся некоторые элементы, такие, например, как кремний и германий, селен, теллур, мышьяк, фосфор и другие, а также большинство окислов, сульфидов, селенидов и теллуридов, некоторые сплавы, минералы и тому подобные вещества. Перечислить их сегодня практически невозможно. Список все равно получился бы неполным, поскольку количество полупроводников непрерывно растет.
Исчезни из нашей жизни сегодня полупроводники — и забуксует научно-технический прогресс. Человеческая цивилизация окажется отброшенной на много лет назад, настолько глубоко проникли эти удивительные материалы в нашу действительность. Катализаторами современного научно-технического процесса назвал Михаил Сергеевич Горбачев микроэлектронику, вычислительную технику и приборостроение, которые оказывают решающее влияние на эффективность средств труда, технологических систем во всех отраслях. А ведь именно эти катализаторы целиком и полностью зависят от полупроводников.
Удивительны по силе проникновения в надежды и чаяния всего советского народа принятые на XXVII съезде КПСС основные партийные документы. Они всесторонне охватывают нашу жизнь в ее многообразных направлениях.
В Основных направлениях о развитии топливно-энергетического комплекса говорится так: "В электроэнергетике довести в 1990 году выработку электроэнергии до 1840 — 1880 миллиардовВ киловатт-часов, в том числе на атомных электростанциях до 390 миллиардов киловатт-часов.
Обеспечить дальнейшее совершенствование структуры энергетических мощностей. В европейской части страны и на Урале осуществлять сооружение крупных атомных, а в восточных районах страны — конденсационных тепловых электростанций единичной мощностью 4 — 6 млн. киловатт и гидроэлектростанций. Ускорить строительство атомных станций с реакторами на быстрых нейтронах, создание маневренных энергетических мощностей, демонтировать устаревшее оборудование мощностью 15 млн. киловатт, модернизировать энергетическое оборудование мощностью не менее 25 млн. киловатт.
Предусмотреть дальнейшую централизацию теплоснабжения за счет сооружения преимущественно мощных ТЭЦ на органическом и ядерном топливе, атомных станций теплоснабжения и крупных котельных.
Продолжить формирование Единой энергетической системы страны, осуществить строительство межсистемных линий электропередачи напряжением 500, 750 и 1150 киловольт переменного тока, и 1500 киловольт постоянного тока, а также распределительных электросетей".
Большие и непростые, задачи поставлены перед, энергетиками. Но другого пути у "нас нет. И советские люди хорошо это понимают, свидетельством чему уверенность и оптимизм, которые звучали во всех выступлениях делегатов XXVII съезда партии. Мы готовы делом ответить на призыв съезда, потому что программа, начертанная им, — это программа улучшения жизни всего советского народа.
"XXVII съезд КПСС собрался на крутом переломе в жизни страны, современного мира в целом, — говорил в Политическом докладе Центрального Комитета КПСС Генеральный секретарь ЦК КПСС М.С. Горбачев. — Мы начинаем работу с чувством глубокого понимания своей ответственности перед партией, и советским народом. И каждый из нас должен с такой же ответственностью относиться к своей работе в новом периоде нашей жизни. Ответственность! — вот подлинный символ наступившего времени!
Трудящиеся Ленинграда и области вместе со всем советским народом обязались к открытию XXVII съезда КПСС досрочно выполнить и сдать государству запланированные объемы промышленного, производства. Обязательство ленинградцев предусматривало в ходе социалистического соревнования изготовить и поставить энергетическое оборудование для Балаковской, Ровенской и Запорожской АЭС, установки термоядерного синтеза «Токамак-15» и приступить к комплексным испытаниям генератора мощностью 300 тысяч киловатт, впервые созданного в мировой практике под руководством академика И.А. Глебова.
Все обязательства, взятые на себя ленинградцами ко дню открытия XXVII съезда КПСС, были выполнены. Советский народ на экранах телевизионных приемников мог видеть, как сходили с конвейера Кировского завода «тридцать три богатыря» — тридцать три сверхплановых трехсотсиллных трактора «Кировец». Со стапеля сошел океанский теплоход «Александр Старостенко»…
Реализуя одобренную Центральным Комитетом партии территориально-отраслевую программу «Интенсификация-90», ленинградские машиностроители в 1986 году обязались создать двадцать гибких автоматизированных линий и участков, внедрить в промышленность шестьдесят гибких производственных модулей, сорок автоматизированных систем проектирования технологической подготовки и управления производством.
Конструкторы и производственники записали в свои планы обязательство — в течение 1986 года разработать и освоить производство более трехсот новых типов машин, оборудования, приборов и средств автоматизации. Организовать производство конкурентоспособных гибких производственных модулей и систем механической обработки деталей на основе устройств числового программного управления с повышенными параметрами — надежности. При этом довести удельный вес продукции высшей1 категории качества в машиностроении до 55 процентов объема, подлежащего аттестации.
Для успешной реализации Энергетической программы ленинградцы обязались поставить с опережением, реакторное оборудование для Крымской и Калининской АЭС, энергетическое оборудование для Мингечаурской, Шульбинской ГЭС, а также для строящихся электростанций в Болгарии и во Вьетнаме.
На важнейшие народнохозяйственные объекты в течение года уйдут шестьдесят три мощных карьерных экскаватора.
За счет комплексной механизации и автоматизация промышленных предприятий уже к 69-й годовщине Великой Октябрьской социалистической революции будет сокращен уровень ручного труда и выполнен план первого года пятилетки по росту производительности труда в промышленности.
Выступая на собрании актива Ленинградской партийной организации 17 мая 1985 года, Генеральный секретарь ЦК КПСС М.С. Горбачев сказал: «…Надо поставить такую задачу — вся продукция промышленности Ленинграда и Ленинградской области должна быть конкурентоспособной на мировом рынке. Только так! Ну как мы можем всю страну ориентировать на это, есдя Ленинград не возьмется и не поставит такую задачу?»
Высокая оценка дана возможностям ленинградцев, но велик и спрос с них. Для выполнения взятых на себя обязательств нужно всемерно повышать уровень организованности производства, улучшать дисциплину и порядок. И в этом направлении 1986 год будет для Ленинграда весьма впечатляющим. Должны быть сокращены до 10 процентов потери рабочего времени, ликвидировано более 8 тысяч малоэффективных рабочих мест. И все установленные задания во всех отраслях народного хозяйства завершить с меньшей против плана численностью работающих на 15 тысяч человек.
Ведущие предприятия машиностроения и легкой промышленности предполагают с опережением плановых сроков осуществить реконструкцию. А такие производственные объединения, как «Ижорский завод» имени А.А. Жданова, «Светлана», «Позитрон», обязались на треть сократить нормативные сроки освоения новых мощностей.
Взяты повышенные обязательства по усилению режима экономии, по досрочному выполнению годового плана сельскохозяйственной продукции, по повышению качества и технического уровня строительства, по развитию транспорта, бытовых услуг…
Ленинградцы заверили Центральный Комитет, что все взятые на себя обязательства они выполнят. И в этом пример подлинно ответственного отношения к своему делу.
Современный этап научно-технической революции создает огромные возможности для всесторонней интенсификации народного хозяйства. Но для этого следовало прежде всего выбрать приоритетные направления научно-технического прогресса и, опираясь на передовые достижения, создать условия для его резкого ускорения,
В нашей стране создан мощный научный потенциал, вполне позволяющий решать крупные и сложные народнохозяйственные задачи. Однако целый ряд крупных просчетов в технической политике, неумение, а может быть, и нежелание ряда министерств заглянуть в завтрашний день привели к тому, что, обладая передовыми идеями и приоритетом во многих научных разработках, мы отстали в освоении прогрессивной технологии. Более того, еще и по сей день доводится сталкиваться с тем, что некоторые специалисты продолжают отказывать технологии в высоком звании самостоятельной науки. Не все еще прониклись сознанием важности этой отрасли знания, не уяснили смысл этого нового и одновременно такого старого понятия, как технология.
Термин «технология» происходит от соединения двух греческих слов: techne — искусство или мастерство и logos — слово или учение. Получается — наука о мастерстве. Согласно энциклопедическому словарю, технология есть совокупность методов обработки, изготовления, изменения состояния, формы сырья; материала или полуфабриката, которые осуществляются в процессе производства продукции.
Основная задача технологии как науки заключается в выявлении физических, химических, механических" и других закономерностей Mатериалов, которые должны быть подвергнуты обработке, в поиске наиболее эффективных и экономичных производственных rпроцессов. Короче говоря, технология — это средство воплощения физических идей в реальность!
Сегодня технология с полным правом считается научней дисциплиной комплексного типа, построенной на достижениях самых разных отраслей фундаментальных наук: физики и химии, физической химии, квантовой физики, квантовой химии и многих другдаг естественных наук.
Партия придает важнейтее значение освоению новейших технологий нашей промышленности. Об этом говорилось и на XXVII съезде КПСС.
Очень важным периодом Для дальнейшего развития нашей страны является двенадцатая пятилетка. По намеченным планам она должна быть знаком значительного опережения в отрасли машиностроения. Ведущую роль этой отрасли народного хозяйства нельзя недооценивать, говорили делегаты съезда. Рост машиностроения создает реальную основу для технического перевооружения всего производственного аппарата страны на новей современной основе. Причем для обеспечения заданного роста всего машиностроения необходимо, чтобы еще быстрее развивались такие обеспечивающие отрасли, как станкостроение, приборостроение, электроника и электротехника.
Для более оперативного управления этой непростой отраслью народного хозяйства образовано Бюро Совета Министров СССР по машиностроению.
Планами, новой пятилетки предусматривается и дальнейшее развитие и важнейших ролей в ускорении научно-технического1 прогресса. Достаточно сказать, что в соответствии с Энергетической программой СССР к концу пятилетки должен почти удвоиться удельный вес выработки электроэнергии на атомных электростанциях. Он составит более 20 процентов всей энергии, вырабатываемой электростанциями Советского Союза. Это снизит ту дополнительную потребность в органическом топливе, которая возникла в предыдущей пятилетке за счет недостаточного ввода в действий мощностей по атомным электростанциям.
Такой выбор приоритетов, формирование межотраслевых и внутриотраслевых пропорций по всему составу народного хозяйства носит название структурной политики, которой партия всегда придавала и придает исключительно важное значение.
Солнце можно заставить работать не только с помощью фотоэлектрических преобразователей. Уже довольно давно люди используют непосредственно тепло солнечных лучей для нагревания парового котла, пар которого крутит классический турбогенератор. Что для этого нужно? Прежде всего для фокусировки солнечных лучей необходим так называемый гелиоконцентратор. Его задача — собрать, сфокусировать солнечные лучи, в результате чего повышается плотность довольно рассеянной солнечной радиации. Затем — паровой котел, турбогенератор, конденсатор и водяной насос.
Знакомая схема, правда? Это же ТЭС — теплоэлектрическая станция! Разница в наличии гелиоконцетратора, да еще в иной конструкции парового котла. Просто! Но почему тогда гелиоустановки не очень-то распространены? Снова экономика? Конечно, она. Пока электроэнергия, полученная от гелиоустановки, обходится раз в десять дороже, чем на обычных ТЭС. И тем не менее специалисты уверяют, что уже сегодня гелиоустановки могут быть рентабельны в зоне земного шара от 50° южной широты и до 50 градусов северной широты. А если вспомнить, что они «экологически чисты», то кажется, что готов пойти на любые расходы.
Сейчас в мире строятся несколько гелиостанций классического типа, то есть с паровым котлом. Одна — «Темпе» — во Франции, в Пиренеях, мощностью 23 мегаватта. Собственно, она уже построена и дает промышленный ток. Вторая — «Солар Уан» — в США, в пустыне Калифорнии, мощностью 119 мегаватт. Третья у нас, в Крыму, — СЭС-5, мощностью 5 мегаватт, будет носить экспериментальный характер.
СЭС-5 — это 89-метровая башня, вокруг которой в несколько рядов на поле диаметром 500 метров расположатся гелиостаты. По команде электронно-вычислительной машины гелиостаты будут поворачиваться вслед за нашим светилом и направлять свои солнечные зайчики на котел с водой, который установят на верху башни. Вода будет нагреваться градусов до 250 — 300, и ее пар под давлением 40 атмосфер направится в турбогенераторы. Возникает сразу вопрос: «А ночью?» Светом звезд воду не согреешь. И это предусмотрено: часть пароводяной смеси будет аккумулироваться в больших баках — тепловых аккумуляторах по 1000 кубометров каждый. Этого хватит, чтобы обеспечить работу турбин на половинной мощности в течение 10 часов.
И снова — вопрос: «А если дождь?» В жаркой = солончаковой пустыне, где возводится СЭС-5, около 2000 часов чистого солнца в году. Но если случится там ленинградская слякоть на неделю, то обслуживающему персоналу, боюсь, придется сесть на аккумуляторы… Впрочем, вероятность такого события вы можете подсчитать сами…
Станции «Темис» и «Солар Уан» работают по тому же принципу. И экономические показатели у них не сильно отличаются от нашей крымской. Они также носят экспериментальный характер. Французы и американцы рассчитывают с их помощью доказать рентабельность сооружений.
Уже сегодня американцы приступили к проектированию гелиостаиции того же типа — «Солар Ту» на мощность в десять раз большую. Предполагается, что она будет работать не на воде, а на растворе солей. Но пока решение это не окончательное, потому что все зависит от того, какие результаты покажут первые станции. Сегодня все больше и больше серьезных специалистов и научно-исследовательских подразделений начинают проявлять интерес к энергии ветра. Почему вообще бывает ветер? Различные участки земной поверхности неодинаково нагреваются солнцем. Неравномерный нагрев имеют и нижние слои атмосферы. Теплый воздух легче холодного. В результате давление воздуха в одном и том же слое оказывается неодинаковым. Большие массы воздуха растекаются из областей повышенного давления в области, где давление меньше, и возникает ветер…. .. Примерно 2 процента солнечной радиации, которая приходится на поверхность Земли, обращается, в энергию ветра. Это очень много. Причем использовать эту энергию можно почти во всех районах планеты.
Если посмотреть на карту ветровых условий нашей страны, то наиболее густо заштрихованные, участки окажутся по северной береговой линии, а это, не забудьте, несколько тысяч километров. Богаты ветром и районы, прилегающие к берегам Балтийского, Черного и Каспийского морей. Многие специалисты у нас в стране считают, что использование энергии ветра, в Советском Союзе — дело перспективное.
Среди возможных конструкций четко выделяются два направления. Одно — сооружение сравнительно небольших установок мощностью до 15 кВт. Они могут предназначаться для подъема и перекачки воды, для вспомогательной энергетики, такой, как подзарядка аккумуляторов и т.д. Второе — разработка и создание более мощных ветродвигателей для производства электроэнергии…
Наши конструкторы разработали проект электростанции мощностью 40 тысяч киловатт. Главное ее отличие от всех предшествующих заключается в том, что она сможет работать практически при любом ветре. Вместо одного рабочего колеса имеется восемь роторов. На них равномерно распределяется вся ветровая нагрузка. Высота металлических опор — 200 метров.
При сильном ветре установка развивает избыточную мощность. Использовать ее, наверное, придется для накапливания энергии в том или ином виде, потому что вслед за бурей придет на какое-то время и полный штиль. Чтобы застраховаться от безветрия, конструкторы собираются установить ее на Мархотском перевале под Новороссийском — там дует всегда.
Созданием ветровых установок в нашей стране занимается научно-производственное объединение «Ветроэн» в подмосковном городе Истре, в состав которого входит астраханский завод «Ветроэнергомаш». В ближайшем будущем объединение готовится к выпуску установки «Циклон-12» мощностью до 16 киловатт.
Большое внимание уделяют разработкам ветряных двигателей и в капиталистических странах. Здесь есть любопытные конструкторские предложения и проекты. Например, ведущий западногерманский аэрокосмический концерн «Мессершмитт-Бельком-Блом» разрабатывает однолопастный ветряной двигатель для гигантской экспериментальной установки «Гровиан-II». Ее мощность запланирована порядка 5 мегаватт. Лопасть длиной 73 метра и весом 26 тонн сбалансированная 35-тонным противовесом, будет установлена на башне высотой примерно 120 метров. Эта лопасть будет неторопливо вращаться со скоростью примерно 17 оборотов в минуту, вырабатывая до 17 миллионов киловатт-часов в год. Этого должно хватить для обеспечения энергией и теплом 350 жилых домов. Установка сэкономит примерно 5 миллионов литров жидкого топлива, сжигаемого на тепловых электростанциях.
Но почему одна лопасть, неужели, она лучше двух или трех? К мысли об однолопастном двигателе конструкторы пришли еще два десятилетия назад, когда фирма сконструировала экспериментальный однолопастной вертолет. Упрощенный ротор вполне оправдал себя в полете. Однако управляемость таким вертолетом была хуже, и потому дальнейшие paботы в этом, направлении были прекращены. Но управляемость, для воздушной турбины, не нужна. Применение одной лопасти в крупной воздушной турбине позволит снизить стоимость такой турбины без ухудшения ее аэродинамического качества, уверяют создатели «однорукого гиганта», существенно упрощается конструкция, головки ротора, уменьшаются изгибающие нагрузки во время маховых движений, Кроме того, одна лопасть может быть сделана более толстой и широкой, а значит, и более прочной. Наконец, одну лопасть проще балансировать…
Конечно, все это предположения. Неизвестен пока КПД установки. А следовательно, неясно, удастся ли ей быть конкурентоспособной, с ТЭЦ, работающей на нефтяном, топливе, каким будет уровень шума и какова, надежность этого огромного ветряка, насколько безопасной окажется его работа…
Жители прибрежных районов открытых водных бассейнов хорошо знакомы с приливами и отливами «хлябей морских». С большой точностью дважды в сутки воды наступают на берег и с неменьшей точностью дважды отступают. Происходит это благодаря силам притяжения — прежде всего Луны, поскольку она близка к Земле, а также в меньшей степени, Солнца.
Очертания береговой линии Мирового океана причудливы, и это обстоятельство значительно сказывается на величине приливов. Влияет на нее географическая широта и глубина моря. В некоторых точках побережья Белого моря высота прилива достигает 10 метров. В Пенжинской губе Охотского моря — 1.3 метров. На берегах Ла-Манша — 1.5 метров. А кое-где на атлантическом побережье Канады воды во время прилива поднимаются до 18 метров Это «дыхание океана» люди давно пытались использовать; строили на побережьях мельницы, лесопилки, колеса которых крутились под напором приливной волны.. Но вот в 1967 году во Франции построили первую приливную электростанцию — ПЭС, мощностью 240 тысяч киловатт, которая должна давать энергию в часы пикового потребления. Горизонтальные турбины, внешне напоминающие торпеды, в обратимом режиме использовали как приливную, так и отливную волны. Казалось бы, все хорошо. Но стоимость сооружения ПЭС оказалась выше, чем стоимость такой же по мощности обыкновенной речной ГЭС. Снова вмешалась экономика.
Общая мощность приливов и отливов всех морей и океанов оценивается примерно в 3 миллиарда киловатт. Это очень большая цифра. А вот число пунктов, где целесообразно строить приливные электростанции, не больше 30. И суммарная, их мощность не превысит 100 миллионов киловатт. Это на всю-то Землю! И тем не менее конструкторы не оставляют эту мысль.
В 1968 году на Дольском полуострове в Кислой губе вступила в строй небольшая приливная электростанция опытного образца мощностью 800 киловатт. Здание ПЭС собрали в стройдоке на берегу залива, отбуксировали в створ, где и водрузили на заранее приготовленное основание. Начался эксперимент…
Сегодня большинство специалистов считает, что широкое строительство приливных электростанций вряд ли целесообразно. Но на труднодоступных участках побережья, в точках с особенно высоким уровнем прилива они, без сомнения, будут построены.
На додходах к Гетеборгу, вблизи от маяка Виид, в зеленоватой воде плавает оранжевый пластмассовый ящик с изогнутой трубкой, из которой все время льется вода. Тут же неподалеку три желтых буя. Таков внешний вид опытной волновой электростанции, построенной шведскими инженерами.
Ветер рождает морские волны, средняя мощность которых довольно значительна. А вот использование их энергии долгое время недооценивалось специалистами. Считалось, что стоимость электроэнергии, полученной таким путем, будет слишком высокой. В чем смысл устройства? В использовании разности уровней воды на гребне волны и в промежутке. Представьте себе достаточно большой перевернутый и открытый снизу ящик, разделенный на воздушные секции. Волны, проходя под платформой-ящиком, поочередно сжимают воздух и гонят его в воздушную турбину, которая преобразует энергию воздушного потока в электрическую. Такие устройства питают энергией буи у берегов Японии.
Шведы пошли по другому пути. Уже в послевоенные годы два шведских инженера, Я. Перссон и П. Трофтен, изобрели насос необычайной простоты: армированный стальной проволокой резиновый шланг с обратными клапанами на концах. Если опустить его в, воду и начать периодически растягивать, то внутренний объем шланга начнет изменяться, и он будет работать, как помпа. Изобретатели так его и назвали: «Петро-помпа», включив в название первые слоги своих фамилий.
Оказывается, сооружение геотермальной электростанции не такое простое дело, как может показаться на первый взгляд. По-видимому, это должны быть две или несколько достаточно глубоких и удаленных друг от друга скважин, соединенных внизу хорошо нагретым фильтрующим слоем породы. Тогда, накачивая в одну из скважин воду, мы будем из другой или из других получать пар из просочившейся воды. Некоторые специалисты предлагали взрывом соединить концы скважин. Но тогда поверхность теплообмена будет слишком незначительной, и водя нагреется слабо…
Нерешенных проблем пока что много, тем не менее специалисты не теряют надежд их преодолеть. В настоящее время у нас в стране построены две такие электростанций на Камчатке — Паужетская геотермальная электростанция мощностью 11 тысяч киловатт и Паратунская мощностью всего 700 киловатт. В Италии работает геотермальная станция в Ларделло, во Франции — неподалеку от Орлеана. Но все это пока довольно непритязательные сооружения с неглубокими скважинами, достигающими лишь той глубины, где находятся разгоряченные очаги. Однако еще никто не дерзал разработать реальный проект достижения магмы с температурой порядка 1000 градусов. Правда, на пути к такому проекту стоят пока непреодолимые чисто технические сложности.
Кора Земли нагрета тоже очень неравномерно. Обычно считается, что каждые сто метров в глубину повышают температуру на 1-3°С. Но есть и термоаномальные участки, где температура на тех же ступенях поднимается на 30-40 °С. И подобных участков немало. На каждом из них можно в принципе построить геотермальные станции или разместить энергоблоки.
Советские специалисты обследовали такие участки в Дагестане, в Ставрополье, в Закарпатье, и на выбранных площадках уже заложены три небольшие геотермальные станции, или энергоблока, мощностью 10 мегаватт каждая. Сначала инженеры введут их в опытную эксплуатацию, проверят и подтвердят свое предположение о целесообразности использования внутреннего тепла Земли. Не исключено, что именно эти блоки явятся первыми ласточками, обещающими появление крупных геотермальных станций в нашей стране.
Среди новых источников электроэнергии сегодня все чаще упоминается внутреннее тепло Земли. Действительно, по современным представлениям, у нас под ногами бушует настоящее «адское пламя». Температура ядра Земли порядка 5000 °С. Известно, что с увеличением глубины температура земных слоев повышается. Так, на глубине 10-12 километров она достигает 200 — 250 °С, на глубине 50 километров — уже 700-800 °С. Глубже — еще выше… Стоит только пробурить скважину достаточной глубины, направить в нее воду и получить пар, который начнет вращать турбогенераторы, поставляя нам энергию, превращенную из тепла в электричество. Просто? Очень! В чем же дело? Почему до сих пор небольшие энергетические установки разбросаны всего в нескольких местах на Земле, где это тепло в виде гейзеров выбивается наружу?
Слово к читателю
Существует легенда, что некогда добрый древнеримский бог полей и лесов Фавн научил второго царя Рима Нуму Помпилия искусству отводить гнев Юпитера от храмовых кровель… Прошло время, и люди забыли «заклятие Фавна». Пришлось изобретать громоотводы заново.
Еще совсем недавно — двести с небольшим лет назад — Франклин запускал змея к грозовым тучам, а потом при свечах писал письма о таинственной «электрической субстанции», состоящей, по его мнению, из «чрезвычайно малых частиц». Русский гений Михаил Ломоносов в письме о пользе стекла с восхищением упоминал: «Вертясь, стеклянный шар дает удары с блеском, с громовым сходственно сверканием и треском…»
За два с лишним столетия все переменилось на Земле, все стало иначе в обществе.
Сейчас в разговорах то и дело слышится: «энергетический голод», «энергетический кризис». Что же.случилось с человечеством; не знало электричества — не было энергетического голода; узнало, понастроило электростанций — появился энергетический кризис. Впрочем, так ли правильно это утверждение? Недавно, просматривая одну из книг, посвященных истории металлургии, я натолкнулся на любопытный пример. Первый энергетический кризис, зафиксированный в истории, разразился в Египте задолго до нашей эры, когда оказались вырублены пальмы. Их древесина поставляла уголь для выплавки бронзы. На Земле шел еще только бронзовый век.
Металлургия съела большую часть лесов на земле, прежде чем научилась использовать каменный уголь.
В наши дни нехватка дешевого топлива носит еще более глобальный характер.
Мы уже не только вырубили леса на планете, но и чувствуем нехватку нефти, газа, каменного угля — традиционных и дешевых источников энергии. В сферу потребления вовлекаются все более и более отдаленные, а потому и менее выгодные энергетические ресурсы.
У нас много газа. Газ дешев. Но доставка его по трубопроводам обходится дорого. Нефти — меньше. Сжигать газ и нефть для получения просто тепла — варварский способ реализации богатства.
В связи с развитием промышленности возникает много неожиданных проблем — с той же энергетикой. Скажем, так: у нас достаточно угля, особенно низкосортного. Возить его чрезвычайно невыгодно. Значит, нужно наладить переработку на месте. Построить топливно-энергетические комплексы, сжигать уголь на местах, тепло превращать в механическую энергию, механическую — в электрическую, а электрическую энергию перебрасывать за тысячи километров, куда нужно, по проводам…
Сжигать уголь! А вы представляете экологические последствия работы такого комплекса? Проектировщики говорят: «Мы выстроим трубы высотой в полкилометра — все уйдет…» А куда уйдет? Ведь не в космос, все в ту же общую для всех нас многострадальную атмосферу, температура которой в результате нашей с вами антропогенной деятельности уже повысилась в среднем на один градус. А если повысится еще на два, на три? Растают льды. Уровень Мирового океана так поднимется, что если не все, то большая часть проблем разрешится сама собой…
Книга, которую вы только что прочли, посвящена тому, как люди от «заклятия Фавна» перешли к овладению электрической энергией. Мы с вами выразили свое восхищение прогрессом, мощными и сверхмощными электростанциями (чем они мощнее, тем дешевле киловатт), линиями электропередач сверхвысокого напряжения. Если в начале века инженеры с почтением говорили о напряжении в 100 тысяч вольт, то сейчас мы строим ЛЭП на тысячу киловольт и готовимся к 2000 году перейти к напряжениям в два миллиона вольт…
А может ли в таком электрическом поле вообще существовать живое? Выдержат ли его трава и деревья, звери и птицы, выдержим ли его мы с вами — люди. Ответ на эти вопросы пока неоднозначен. А представьте себе на минуту, что в такую линию вдруг ударила молния? Конечно, каждый провод защищается сверху еще двумя заземленными в качестве громоотвода проводами. На промежуточных подстанциях стоят разрядники и всевозможные иные предохраняющие устройства. Но дело даже, не в молнии. Подумайте на мгновение, что сможет натворить такая линия в момент экстренного отключения…
С каждым годом растет на Земле количество атомных электростанций. Но крупнейшей проблемой эксплуатации является проблема радиоактивных отходов: куда их девать?
И все-таки колесо истории, колесо прогресса повернуть вспять или хотя бы приостановить — невозможно. Энергетика и электрификация играют наиважнейшую роль в развитии материальной базы современного общества, Электрическая энергия универсальна. Ее легко и просто превратить во все другие виды энергии, удобно транспортировать. Если подсчитать, сколько потребляется всех первичных энергоресурсов, то есть солнечной энергии, энергии ветра, морских приливов и геотермальной энергии, то в результате получим огромную цифру — 78Е12 кВт*ч. Более половины всей потребляемой энергии используется в виде тепла на технические нужды, отопление и приготовление пищи; оставшаяся часть — в виде механической и электрической энергии. Человечество удивительно неэкономно расходует добываемые энергоресурсы и еще более расточительно тратит полученную с таким трудом энергию, а ее с каждым годом нужно все больше и больше. Где же выход из этой непрерывной гонки? Прежде всего — разумное сокращение энергетических потребностей, так называемая энергосберегающая политика. Это целый комплекс мероприятий, направленных на экономию топливно-энергетических ресурсов, на то, чтобы каждая килокалория тепла шла в дело, а не на ветер, не на подогрев атмосферы.
В тесной связи с энергосберегающей политикой находится дело охраны природы и рационального использования природных ресурсов. Курс Коммунистической партии Советского Союза на интенсификацию экономического развития всех отраслей социалистического хозяйства требует дальнейшего повышения эффективности охраны окружающей среды и разумно обоснованного, целесообразного использования природных запасов, источников деятельной силы нашей экономики.
3 июля 1985 года в Москве на третьей сессии Верховного Совета СССР одиннадцатого созыва было принято всеобъемлющее постановление «О соблюдении требований законодательства об охране природы и рациональном использовании природных ресурсов». В нашей стране система природоохранительного законодательства в этом направлении ведет свои традиции, начиная с ленинского Декрета о земле. Существуют законодательные акты, которые регулируют земельные, водные, лесные, горные отношения, есть законы об охране атмосферного воздуха, о бережном использовании животного мира. Главная задача, которая вытекает из них, — забота о здоровье и благосостоянии советских граждан.
Сложившаяся к настоящему времени система законов позволяет вполне успешно решать поставленные задачи в этой области. И у нас немало достижений. Но научно-технический прогресс слишком стремителен. И подчас, решая важные хозяйственные задачи сегодняшнего дня, мы забываем о будущем.
Именно потому Верховный Совет Союза Советских Социалистических Республик постановил: «Признать Необходимым принятие дополнительных экономических, организационных, правовых и иных мер по охране природы и рациональному использованию природных ресурсов, улучшению окружающей человека среды и безусловному соблюдению законодательства в этой области». В постановлении конкретно говорится: «При решении проблем развития народного хозяйства исходить из приоритета охраны здоровья настоящего и будущих юколений советских людей, создания наилучших условий для их жизни, нацелить на это научно-технический прогресс, обеспечить переход на ресурсосберегающие технологии, наиболее полно и бережно использоватЬ природные богатства, полученное из них сырье, материалы и продукцию».
Постановление предусматривает широкие меры по улучшению планирования и экономического стимулирования мероприятий по охране окружающей среды и рациональному использованию природных ресурсов, по усилению государственного контроля за соблюдением существующего законодательства на всех уровнях социалистической системы хозяйствования по улучшению экологического вослитания населения Наше социалистическое государство серьезно ставит вопрос, предупреждая, что проблемы сохранения природы на Земле стоят перед всем человечеством и требуют тесного международного сотрудничества. На Земле сложилась опасная обстановка не только для природы, но и для самой жизни во всепланетном масштабе. Империалистические силы, не желая внятъ голосу разума, продолжают гонку вооружений, стремятся перевести ее в космос, приближая тем самым мир к опасной черте термоядерной катастрофы. Именно поэтому Советский Союз рассматривает охрану и оздоровление окружающей среды как важнейшее направление внутренней и внешней политики.
Посланцы народа приняли постановление об охране природы и рациональном использовании природных ресурсов.
Дело всего народа, наше с вами дело неукоснительно выполнять наши же законы.
