Глава 3

ВОЗМОЖНЫЕ СПОСОБЫ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ

РАЗЛИЧНЫХ ВИДОВ ЭНЕРГИИ

В ЭЛЕКТРИЧЕСКУЮ

3.1. НЕОБХОДИМОСТЬ В РАЗВИТИИ СПОСОБОВ

ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЭНЕРГИИ В ЭЛЕКТРИЧЕСКУЮ

Мировое потребление энергии во всех ее видах, в том числе и электроэнергии, находится в непосредственной зависимости от численности населения. Население Зем­ли растет особенно значительно в последнее время и к 2000 г. составит, по существующим прогнозам, примерно 6 млрд. человек. Динамика роста населения во второй половине XX в. такова, что к 2000 г. население возрас­тет более чем в 2 раза по сравнению с 1950 г. (табл. 3.1). Большая доля в приросте населения приходится на раз­вивающиеся страны. Наряду с увеличением общего по­требления энергии в мире растет также доля энергии, приходящаяся на одного человека (табл. 3.1).

Огромные потребности в энергии ставят перед чело­вечеством проблему разработки новых способов ее полу­чения. В настоящее время уже нельзя довольствоваться существующими, ставшими традиционными способами преобразования различных видов энергии в электриче­скую из-за ограниченности запасов органического топ­лива, которое расточительно используется при сжигании в топках. КПД современных ТЭС не превышает 40%. Это означает, что большая часть получаемой теплоты те­ряется и оказывает пагубное «тепловое загрязнение» на

Таблица 3.1

		Год
Энергетические мощности и	1950	1970	1980	2000
потребление энергии		Население, млрд. чел.
	1,97	2,87	3,6	6,0
Общие энергетические мощности, млн. кВт	223	1070	2200	7200
Энергетическая мощность в расчете на 1 человека, кВт	0,1	0,4	0,6	1,4
Общее потребление элек­троэнергии, млрд. кВтХ Хч/год	950	4760	10 000	33 000
Потребление электроэнер­гии на 1 человека, кВтХ Хч/год	500	1700	2900	6200

близрасположенные водоемы. Кроме того, при сжигании топлива плохо используется вещество, вовлеченное в процесс преобразования энергии. КПД по использова­нию вещества составляет у ТЭС ничтожно малую вели­чину. Следовательно, процесс сжигания топлива сопро­вождается огромными выбросами побочных продуктов, загрязняющих окружающую среду. Поэтому разработка новых способов преобразования энергии, позволяющих уменьшить выбросы отходов в атмосферу, относится к важнейшим социальным проблемам. Это, конечно, не означает, что современные ТЭС, ГЭС и АЭС не соответ­ствуют духу времени и их строительство будет пре­кращено.

В обозримом будущем ТЭС останутся одними из ос­новных, поэтому совершенствование их конструкции, улучшение термодинамического цикла актуально для большой энергетики.

Большие надежды возлагаются на АЭС, внедрение которых происходит во многих странах мира с невидан­

но

ными в истории техники темпами. Ожидается, что к 2000 г. суммарная мощность АЭС в мире составит 3500— 3600 ГВт, в то время как общая энергетическая мощ­ность достигнет 7000—7200 ГВт. Иными словами, пред­полагается, что не менее 50% всей располагаемой чело­вечеством энергетической мощности будет приходиться на АЭС¹. Приведенные цифры свидетельствуют о боль­шом темпе развития, в особенности если учесть, что пер­вая АЭС была построена в 1954 г.

По использованию вещества на АЭС КПД значитель­но выше, чем на ТЭС (см. табл. 2.1), но при условии, что это вещество специально подготовлено для выпол­нения функций ядерного топлива. При этом на АЭС классический термодинамический цикл преобразования теплоты в механическую энергию, которая затем гене­раторами преобразуется в электрическую, приводит к большим потерям энергии, получаемой в реакторах. Таким образом, на современных АЭС не удается избе­жать основных принципиальных недостатков, свойствен­ных ТЭС.

Заманчива перспектива науки — получить эффектив­ные способы непосредственного преобразования ядерной энергии в электрическую. Предвидев то огромное значе­ние, которое ядерная энергия призвана сыграть в исто­рии человечества, Герберт Уэллс в начале XX в. писал: «...уже занималась заря мощи и свободы под небом, озаренным надеждой, перед ликом науки, которая, по­добно благодетельной богине, держала в сильных руках над кромешным мраком человеческой жизни изобилие, мир, ответ на бесчисленные загадки, ключи к славней­шим деяниям, ожидая, пока люди соблаговолят их взять...» ¹.

Широко используемые во многих странах мира ГЭС, сооружаемые на реках, и в дальнейшем будут развивать­ся как весьма современные преобразователи энергии в возобновляемой форме. В связи с возрастающим загряз­нением биосферы и ограниченностью запасов топлива повышается интерес к «чистым» электростанциям, ис­пользующим энергию морских приливов, теплоту земных недр, энергию солнечной радиации.

Таким образом, вместе с развитием цивилизации и технического прогресса будут совершенствоваться суще­

ствующие, ставшие классическими, и создаваться новые, более эффективные способы преобразования энергии. В отдаленной перспективе человечество будет распола­гать арсеналом качественно иных источников энергии, и то, чем оно пользуется сегодня, неизбежно отойдет в прошлое, как в настоящее время стали историческими паровые машины.

Несмотря на бурный прогресс в энергетике и высокие темпы наращивания энергетического потенциала плане­ты, производство энергии недостаточно. Все еще прихо­дится считаться с тем реальным фактом, что большая часть населения планеты голодает, страдает от нищеты и загрязнения окружающей среды.

Кроме того, потребление энергии в мире (различных странах) крайне неравномерно, а как показано выше, потребление энергии в стране определенным образом связано с культурным уровнем (см. с. 19) ее населения. Развитие цивилизации и производство материальных ценностей также непосредственно связаны с количест­вом потребляемой энергии и ее качеством.

Для улучшения условий жизни людей на планете, значительного повышения производительности труда, изменения ландшафтов в широких масштабах, а также решения ряда других жизненно важных проблем наря­ду с созданием необходимых социальных условий разви­тия важное значение имеет получение достаточно боль­ших количеств энергии.

Как справедливо пишут американские ученые Г. Си- борг и У. Корлисс, «...дешевая энергия — это значит пи­ща в достатке, обилие пресной воды, чистый воздух и все то, что принято называть признаками цивилизации»¹.

Нехватка в современном мире продуктов сельского хозяйства ставит перед правительствами ряда стран про­блему повышения их производства. В некоторой мере увеличение продуктов питания можно получить за счет использования пригодных для земледелия пустующих земель. Однако эти возможности имеются не во всех нуждающихся в продовольствии странах и, кроме того, они ограничены. В условиях быстрого увеличения чис­ленности населения решение проблемы продуктов пита­ния возможно только путем интенсификации сельского хозяйства и в первую очередь орошения земли. Запасы пресной воды, пригодной для целей орошения, невелики.

Издавна люди мечтали использовать для нужд сель­ского хозяйства морскую воду, омывающую берега. Опреснение морской воды в промышленных масштабах становится возможным в настоящее время, когда с помо­щью наиболее пригодных для этого АЭС стало доступ­ным получение в больших количествах теплоты, необхо­димой для дистилляции морской воды.

По существующим подсчетам ‘/з Земли из-за отсут­ствия влаги не заселена, в то время как V2 населения земного шара «теснится» на Vio суши. С помощью дешевых источников энергии можно было бы незаселен­ную территорию Земли превратить в процветающую, открывающую широкие горизонты для значительной час­ти населения планеты.

Огромные количества энергии потребуются человече­ству также для решения таких задач, как изменение климата на обширных пространствах путем изменения направления морских течений или сооружения водоемов с большой поверхностью испарения, преобразование ландшафта, строительство искусственных морских зали­вов и т. п.

Применяемые в современной энергетике способы получения электрической энергии сопровождаются боль­шими потерями и основаны на расточительном использо­вании органического топлива. В будущем, по мере воз­растания потребности в больших количествах , дешевой энергии и более рационального использования природ­ного сырья для производства продуктов химической, фармацевтической промышленности и т. п., неизбежно на смену ставшим традиционными способам преобразо­вания энергии придут качественно новые способы, в первую очередь способы непосредственного преобразо­вания теплоты и химической энергии в электрическую.

Способы непосредственного преобразования различ­ных видов энергии в электрическую основываются на физических явлениях и эффектах, открытых в прошлом. Их практическое применение совершенствуется по мере прогресса в науке и технике, накопления богатого экспе­риментального материала и использования новейшей технологии. Однако способы непосредственного получе­ния электрической энергии пока не конкурентоспособны со способами преобразования энергии, применяемыми на современных электрических станциях. Непосредственное получение в больших количествах электроэнергии преоб­разованием теплоты, химической и ядерной энергии отно­сится к новым, перспективным способам, которые не­сомненно станут основными и значительно увеличат доступные энергетические ресурсы планеты.

Непосредственное получение электрической энергии уже широко используется в автономных источниках энер­гии небольшой мощности, для которых показатели эко­номичности работы не имеют решающего значения, а важны надежность работы, компактность, удобство обслуживания, небольшая масса и т. д. Такие источники энергии применяются в системах сбора информации в труднодоступных местах Земли и в межпланетном про­странстве, на космических аппаратах, самолетах, судах и т. п. Суммарная установленная мощность миллиардов автономных источников электроэнергии, несмотря на их скромные размеры, превосходит мощность всех стацио­нарных электростанций, вместе взятых.

Работа автономных источников, непосредственно преобразующих различные виды энергии в электриче­скую, основана либо на химических, либо на физических эффектах. В химических источниках, например, таких, как гальванические элементы, аккумуляторы, электро­химические генераторы и т. п., используется энергия окислительно-восстановительных реакций химических реагентов. Физические источники электроэнергии, такие, как термоэлектронные генераторы, фотоэлектрические батареи, термоэмиссионные генераторы, работают в со­ответствии с различными физическими эффектами.

2. 2. МАГНИТОГИДРОДИНАМИЧЕСКОЕ

ПРЕОБРАЗОВАНИЕ ЭНЕРГИИ

К одной из центральных физико-технических задач энергетики относится создание магнитогидродинамиче­ских генераторов (МГД-генераторов), непосредственно преобразующих тепловую энергию в электрическую. Возможности практической реализации такого рода пре­образования энергии в широких промышленных масшта­бах появляются в связи с успехами в атомной физике, физике плазмы, металлургии и ряде других областей.

Непосредственное преобразование тепловой энергии в электрическую позволяет существенно повысить эффек­тивность использования топливных ресурсов.

Для современной электроэнергетики большое значе­ние имеет открытый Фарадеем закон электромагнитной индукции, который утверждает, что в проводнике, дви­

жущемся в магнитном поле, индуцируется ЭДС. При этом проводник может быть твердым, жидким или газо­образным. Область науки, изучающая взаимодействие между магнитным полем и токопроводящими жидкостя­ми или газами, называется магнитогидродинамикой.

Еще Кельвин показал, что движение в устье реки соленой воды в магнитном поле Земли вызывает появ­ление ЭДС. Схема такого МГД-генератора Кельвина по­казана на рис. 3.1. В соответствии с законом электро­

Рис. 3.1. Схема магнитогид­родинамического генератора

Рис. 3.2. Схема работы МГД-генератора

магнитной индукции сила тока в проводиках 1, присое­диненных к пластинам 2, опущенным в воду вдоль бере­гов реки, пропорциональна индукции магнитного поля Земли и скорости течения соленой морской воды в реке. При изменении направления течения воды в реке изме­нялось также и направление электрического тока в про­водниках между пластинами.

Принципиальная схема действия современного МГД- генератора (рис. 3.2) мало отличается от приведенной на рис. 3.1. В рассматриваемой схеме между металличе­скими пластинами, расположенными в сильном магнит­ном поле, пропускается струя ионизированного газа, обладающего кинетической энергией направленного дви­жения частиц. При этом в соответствии с законом элек­тромагнитной индукции появляется ЭДС, вызывающая протекание электрического тока между электродами внутри канала генератора и во внешней цепи. Поток ионизированного газа — плазмы — тормозится под дей­ствием электродинамических сил, возникающих при взаимодействии протекающего в плазме тока и магнит­ного потока. Можно провести аналогию между возника­

ющими силами и силами торможения, действующими со стороны рабочих лопаток паровых и газовых турбин на частички пара или газа. Преобразование энергии и про­исходит путем совершения работы по преодолению сил торможения.

Если какой-либо газ нагреть до высокой температу­ры (я±3000°С), увеличив тем самым его внутреннюю энергию и превратив в электропроводное вещество, то при последующем расширении газа в рабочих каналах МГД-генератора произойдет прямое преобразование теп­ловой энергии в электрическую.

МГД-генератор с паросиловой установ­кой. Принципиальная схема МГД-генератора с пароси­ловой установкой показана на рис. 3.3. В камере сгора­ния сжигается органическое топливо, получаемые при этом продукты в плазменном состоянии с добавлением присадок направляются в расширяющийся канал МГД-

г

Рис. 3.3. Принципиальная схе­ма МГД-генератора с пароси­ловой установкой:

1 — камера сгорания; 2 — теплооб­менник; 3 — МГД-генератор; 4 — об­мотка электромагнита; 5 — паро­генератор; 6 — турбина; 7 — гене­ратор; 5 — конденсатор; 9 — насос

енератора. Сильное магнит­ное поле создается мощными электромагнитами. Темпера­тура газа в канале генерато­ра должна быть не ниже 2000°С, а в камере сгорания 2500—2800°С. Необходи­мость ограничения мини­мальной температуры газов, покидающих МГД-генерато- ры, вызывается настолько значительным уменьшением электропроводности газов при температурах ниже 2000°С, что у них практиче­ски исчезает магнитогидро­динамическое взаимодейст­вие с магнитным полем.

Теплота отработанных в МГД-генераторах газов вна­чале используется для подо­грева воздуха, подаваемого в камеру сгорания топлива, и, следовательно, повышения эффективности процесса его сжигания. Затем в паросиловой установке теплота расходуется на образование пара и доведение его пара­метров до необходимых величин.

Выходящие из канала МГД-генератора газы имеют температуру примерно 2000°С, а современные теплооб-

не

менники, к сожалению, могут работать при температу­рах, не превышающих 800°С, поэтому при охлаждении газов часть теплоты теряется.

На рис. 3.4 (см. форзац II) схематически показаны основные элементы МГД-электростанции с паросиловой установкой и их взаимосвязи.

Трудности в создании МГД-генераторов состоят в по­лучении материалов необходимой прочности. Несмотря на статические условия работы, к материалам предъяв­ляют высокие требования, так как они должны длитель­но работать в агрессивных средах при высоких темпера­турах (2500—2800°С). Для нужд ракетной техники соз­даны материалы, способные работать в таких условиях, однако они могут работать непродолжительное время — в течение минут. Продолжительность работы промыш­ленных энергетических установок должна исчисляться, по крайней мере, месяцами.

Жаростойкость зависит не только от материалов, но и от среды. Например, вольфрамовая нить в электриче­ской лампе при температуре 2500—2700°С может рабо­тать в вакууме или среде нейтрального газа несколько тысяч часов, а в воздухе расплавляется через несколько секунд.

Понижение температуры плазмы добавлением к ней присадок вызывает повышенную коррозию конструкци­онных материалов. В настоящее время созданы материа­лы, которые могут работать длительно при температуре 2200—2500°С (графит, окись магния и др.), однако они не способны противостоять механическим напряжениям.

Несмотря на достигнутые успехи, задача создания материалов для МГД-генератора пока не решена. Ве­дутся также поиски газа с наилучшими свойствами. Гелий с небольшой добавкой цезия при температуре 2000°С имеет одинаковую проводимость с продуктами сгорания минерального топлива при температуре 2500°С. Разработан проект МГД-генератора, работающего по замкнутому циклу, в котором гелий непрерывно цирку­лирует в системе.

Для работы МГД-генератора необходимо создавать сильное магнитное поле, которое можно получить про­пусканием огромных токов по обмоткам. Во избежание сильного нагревания обмоток и потерь энергии в них сопротивление проводников должно быть по возможно­сти наименьшим. Поэтому в качестве таких проводников

целесообразно использовать сверхпроводящие мате­риалы.

МГД-генератор ы с ядерными реактора­ми. Перспективны МГД-генераторы с ядерными реак­торами, используемыми для нагреваний газов и их тер­мической ионизации. Предполагаемая схема такой уста­новки показана на рис. 3.5.

Трудности создания МГД-генератора с ядерным ре­актором состоят в том, что современные тепловыделя­ющие элементы, содержащие уран и покрытые окисью

м

Рис. 3.5. Проект МГД-генера- тора с ядерным реактором:

1 — ядерный реактор; 2 — сопло; 3 — МГД-генератор; 4 — место кон­денсации щелочных металлов; 5 — насос; 6 — место ввода щелочных металлов

агния, допускают темпе­ратуру, не намного пре­вышающую 600°С, в то время как для ионизации газов необходима темпе­ратура, равная примерно 2000°С.

Первые опытные кон­струкции МГД-генерато- ров имеют пока высокую стоимость. В будущем можно ожидать сущест­венного снижения их стои­мости, что позволит ус­пешно использовать МГД-генераторы для покрытия пи­ков нагрузки в энергосистемах, т. е. в режимах относи­тельно непродолжительной работы. В этих режимах КПД не имеет решающего значения и МГД-генераторы могут использоваться и без паросиловой пристройки.

В настоящее время в СССР сооружены мощные опытно-промышленные образцы МГД-преобразователей энергии, на которых ведутся исследования по совершен­ствованию их конструкции и созданию эффективных МГД-электростанций, конкурентоспособных с обычны­ми электростанциями.

3. ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ГЕНЕРАТОРЫ

Из всех устройств, непосредственно преобразующих тепловую энергию в электрическую, термоэлектрические генераторы (ТЭГ) относительно небольшой мощности применяются наиболее широко.

Основные достоинства ТЭГ: 1) отсутствуют движу­щиеся части; 2) нет необходимости в высоких давлениях;

2. могут использоваться любые источники теплоты;

3. имеется большой ресурс работы.

В качестве источников энергии ТЭГ широко исполь­зуют на космических объектах, ракетах, подводных лод­ках, маяках и многих других установках.

В зависимости от назначения ТЭГ могут преобразо­вывать в электрическую энергию теплоту, получаемую в атомных реакторах, энергию солнечной радиации, энер­гию органического топлива и т. д. Тепловая энергия, получаемая при распаде радиоактивных изотопов и де­лении ядер тяжелых элементов в реакторах, стала при­меняться в ТЭГ с конца 50-х годов.

Принцип работы термоэлемента основан на эффекте Зеебека. В 1921 г. Зеебек сообщил об экспериментах, связанных с отклонением магнитной стрелки вблизи тер­моэлектрических цепей. В этих исследованиях Зеебек не рассматривал задачу получения энергии. Сущность от­крытого эффекта состоит в том, что в замкнутой цепи, состоящей из разнородных материалов, протекает ток при разных температурах контактов материалов.

Эффект Зеебека можно качественно объяснить тем, что средняя энергия свободных электронов различна в разных проводниках и по-разному увеличивается с повы­шением температуры. Если вдоль проводника существу­ет перепад температур, то возникает направленный по­ток электронов от горячего спая к холодному, вследст­вие чего у холодного спая образуется избыток отрица­тельных зарядов, у горячего— избыток положительных. Поток этот более интенсивен в проводниках с большой концентрацией электронов. В простейшем термоэлемен­те, замкнутая цепь которого состоит из двух проводни­ков с разными концентрациями электронов и спаи под­держиваются при разных температурах, возникает элек­трический ток. Если цепь термоэлемента разомкнута, то накопление электронов на холодном конце увеличивает его отрицательный потенциал до тех пор, пока не уста­новится динамическое равновесие между электронами, смещающимися к холодному концу, и электронами, ухо­дящими от холодного конца под действием возникшей разности потенциалов. Чем меньше электропроводность материала, тем меньше скорость обратного перетока электронов, следовательно, тем выше ЭДС. Поэтому по­лупроводниковые элементы более эффективны, чем ме­таллы.

Одно из практических применений ТЭГов — тепловой насос в одной части выделяющий, а в другой — поглоща­ющий теплоту за счет электрической энергии. Если из­менить направление тока, то насос будет работать в противоположном режиме, т. е. части, в которых проис­ходит выделение и поглощение теплоты, поменяются местами. Такие тепловые насосы могут успешно приме­няться для терморегуляции жилых и прочих помещений. Зимой насосы нагревают воздух в помещении и охлаж­дают его на улице (рис. 3.6,а), а летом, наоборот,

Р

5)

ис. 3.6. Схема работы теплового насоса:

а — тепловой насос, обогре­вающий комнату зимой; 5 — тепловой насос, охлаж­дающий комнату летом; в — общий вид и конструктив­ное выполнение теплового насоса

охлаждают воздух в помещении и нагревают на улице (рис. 3.6,6). На рис. 3.6,6 показаны общий вид и схема установки теплового насоса в помещении.

Тепловые насосы могут подогревать воду на фермах, используя теплоту молока. Так, парное молоко коровы, имеющее температуру 37—38°С и содержащее Q i ккал, должно быть охлаждено перед отправкой на молокозавод до 4°С. Если охлаждать его с помощью теплового насоса, то выходящая из насоса охлаждающая вода бу­дет иметь температуру 50—60°С. Повышение температуры воды обусловлено введением от внешнего источника дополнительной

энергии, соответствующей дополнительной теплоте Q₀. При этом теплота нагреваемой воды Q2==Qi + Qo- Эта вода хорошо исполь­зуется в производственном процессе фермы, в результате чего установка окупается в два-три года.

В настоящее время созданы полупроводники, работа­ющие при температуре более 500°С. Однако для про­мышленного ТЭГ потребуется температуру горячего спая довести примерно до 1100°С. При таком повышении тем­пературы полупроводники различных типов проявляют тенденцию к превращению в собственно полупроводни­ки, у которых числа носителей положительных и отрица­тельных зарядов равны. Эти заряды при создании гра­диента температуры перемещаются от горячего спая к холодному в равном количестве и, следовательно, накап­ливание потенциала не происходит, т. е. не создается термо-ЭДС. Собственно полупроводники бесполезны для целей генерирования термоэлектрического тока.

В настоящее время широко ведутся исследования по созданию полупроводников, работающих при высоких температурах. Для работы ТЭГа можно использовать теплоту, получаемую в реакторах при делении ядер тя­желых элементов. Однако в этом случае требуется ре­шить ряд задач, в частности определить влияние эффекта сильного радиационного воздействия на полупроводнико­вые материалы, так как ядерное горючее может нахо­диться в непосредственном контакте с полупроводнико­выми материалами.

Вопрос о целесообразности применения тех или иных источников энергии решается в пользу ТЭГ в тех слу­чаях, когда ведущее значение имеет не КПД, а компакт­ность, надежность, портативность, удобства.

В СССР создан надежный промышленный ТЭГ на ядерном горючем — «Ромашка». Электрическая мощ­ность его равна 500 Вт.

4. РАДИОИЗОТОПНЫЕ ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ

Естественный радиоактивный распад ядер сопровож­дается выделением кинетической энергии частиц и у-квантов. Эта энергия поглощается средой, окружаю­щей радиоактивный изотоп, и превращается в теплоту, которую можно использовать для получения электриче­ской энергии термоэлектрическим способом. Установки, преобразующие энергию естественного радиоактивного распада в электрическую энергию с помощью термоэле­ментов, называются радиоизотопными термогенератора­ми. Радиоизотопные термогенераторы надежны в рабо­те, обладают большим сроком службы, компактны и успешно используются в качестве автономных источни­ков энергии для различных установок космического и наземного назначений.

Современные радиоизотопные генераторы имеют КПД, равный 3—5%, и срок службы от 3 месяцев до 10 лет. Технико-экономические характеристики этих ге­нераторов в будущем могут быть значительно улучшены. В настоящее время создаются проекты генераторов мощностью до 10 кВт.

К радиоизотопным термогенераторам проявляют ин­терес различные отрасли науки и техники. Их предпола­гается использовать в виде источника энергии искусст­венного сердца человека, а также для стимулирования работы различных органов в живых организмах. Осо­бенно пригодными оказались радиоизотопные термогене­раторы при освоении космического пространства, где необходимы источники энергии, способные длительно и надежно работать в неблагоприятных условиях воздей­ствия ионизирующих излучений, в радиационных поясах, на поверхности других планет и их спутников.

4. ТЕРМОЭМИССИОННЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ

Явление термоэлектронной эмиссии было открыто Т. Эдисоном в 1883 г. Работая над созданием электри­ческой лампы, Эдисон помещал в колбе две нити. Когда перегорала одна из них, он поворачивал лампу и вклю­чал другую. Во время испытания ламп обнаруживалось, что некоторое количество электричества переходит к хо­лодной нити, т. е. электроны «испаряются» с горячей нити — катода — и движутся к холодной нити — ано­ду — и далее во внешнюю электрическую цепь. При этом часть тепловой энергии, расходуемой на нагревание катода, переносится электронами и отдается аноду, а часть энергии электронов выделяется во внешней элек­трической цепи при протекании электрического тока.

Анод разогревается за счет теплоты, приносимой электронами. Если бы температуры катода и анода бы­ли одинаковыми, то теплота «испарения» электронов с катода в точности была бы равна теплоте «конденсации» электронов на аноде и не было бы преобразования теп­лоты в электрическую энергию. Чем меньше температу­

ра анода по сравнению с температурой катода, тем боль­шая часть тепловой энергии превращается в электриче­скую. Простейшая схема термоэмиссионного преобразо­вателя энергии показана на рис. 3.7.

В

Рис. 3.7. Устройст­во термоэмиссионно­го преобразователя энергии:

1 — катод; 2 — анод

обычной диодной радиолампе мощность, расходуе­мая на нагревание катода, примерно равна 10 Вт, а вы­ходная мощность, снимаемая с ано­да,— 1 мВт. Таким образом, на на­гревание расходуется мощность, в 10⁷ раз большая. КПД преобразова­теля составляет ничтожно малую величину — 0,Ы0^-4%. Если бы КПД был даже в миллион раз боль­ше, то это устройство все равно нельзя было бы рассматривать как преобразователь энергии для про­мышленных целей. Однако прогресс в развитии термоэмиссионных пре­образователей оказался настолько значительным, что удалось КПД современных диодных преобразователей энергии довести до 20%.

В процессе термоэлектронной эмиссии с поверхности металлов происходит выход свободных электронов. В металлах содержится большое число свободных элект-

©	© ©	©
©	© © © ©	©
©		©
©	© © ©

©			©
©	©	г©	©
©	©	©	©
©	©	©	©

1

©	©	©	©
©	©	©	©
©	©	©	©
©	©	©	©

Рис. 3.8. Возникновение результирующих сил, действующих на электрон в металле и вблизи его поверхности

тронов — около 6-10²¹ в 1 см³. Внутри металла силы притяжения электрона сбалансированы положительно заряженными ядрами (рис. 3.8). Непосредственно у по­верхности на электроны действуют результирующие силы притяжения, для преодоления которых и выхода за пре­делы металла электрону нужно обладать достаточной

кинетической энергией. Увеличение кинетической энер­гии происходит при нагревании металла.

В

Рис. 3.9. Ядерный термоэмис­сионный преобразователь:

/ — защита; 2 — охладитель; 3 — анод; 4 — вакуум; 5 — катод; 6 — ядерное горючее

энергетических термоэмиссионных генераторах для нагревания катода можно воспользоваться теплотой, по­лучаемой в результате ядерной реакции. Схема ядерно­го термоэмиссионного преобразователя приведена на

Рис. ЗЛО. Схема установки прямого преобразования ядер­ной энергии в электрическую:

/ — ^-радиоактивный излучатель; 2 — металлическая ампула; 3 — металлический сосуд

рис. 3.9. КПД первых таких преобразователей был равен примерно 15%; по существующим прогнозам его можно довести до 40 %.

Испускание электронов в термоэмиссионных генера­торах вызывается нагреванием катода. При радиоактив­ном распаде электроны (р-лучи) испускаются вследствие естественного свойства элементов. Непосредственно ис­пользуя это свойство, можно осуществить прямое преобразование ядерной энергии в электрическую (рис. 3.10).

4. ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЕ ГЕНЕРАТОРЫ

В электрохимических генераторах происходит прямое преобразование химической энергии в электрическую. Возникновение ЭДС в гальваническом элементе связано со способностью металлов посылать свои ионы в раствор в результате молекулярного взаимодействия между ионами металла и молекулами (и ионами) раствора.

Рассмотрим явления, происходящие при опускании цинкового электрода в раствор сернокислого цинка (ZnSCU). Молекулы воды стремятся окружить положи­

тельные ионы цинка в металле (рис. 3.11). В результате действия электростатических сил положительные ионы цинка переходят в раствор сернокислого цинка. Этому переходу способствует большой дипольный момент воды.

Н

Рис. 3.11. Рас­положение электрических зарядов, спо­собствующих переходу поло­жительных ио­нов цинка в раствор серно­кислого цинка

аряду с процессом растворения цинка происходит и обратный процесс возвращения в цинковый электрод положительных ионов цинка при дости­жении ими электрода в результате тепло­вого движения.

По мере перехода положительных ионов в раствор увеличивается отрица­тельный потенциал электрода, препятст­вующий этому переходу. При некотором потенциале металла наступает динами­ческое равновесие, т. е. два встречных потока ионов (от электрода в раствор и обратно) будут одинаковы. Этот равно­весный потенциал называется электро­химическим потенциалом металла отно­сительно данного электролита.

Важное техническое приложение галь­ванические элементы нашли в аккумуля­торах, где вещество, расходующееся при отборе тока, предварительно накаплива­ется на электродах при пропускании через них в течение некоторого времени тока от постороннего источника (при зарядке). Применение аккумуляторов в энергетике за­труднено вследствие малого запаса активного химиче­ского горючего, не позволяющего получать непрерывно электроэнергию в больших количествах. Кроме того, для аккумуляторов характерна малая удельная мощ­ность.

Большое внимание во многих странах мира уделяет­ся непосредственному преобразованию химической энер­гии органического топлива в электрическую, осуществ­ляемому в топливных элементах. В этих преобразовате­лях энергии можно получить более высокие значения КПД, чем у тепловых машин. В 1893 г. немецкий физик и химик Нернст вычислил, что теоретический КПД эле­ктрохимического процесса превращения химической энергии угля в электрическую равен 99,75%.

На рис. 3.12 показана принципиальная схема водо­родно-кислородного топливного элемента. Электроды в топливном элементе выполнены пористыми. На аноде

происходит переход положительных ионов водорода в электролит. Оставшиеся электроны создают отрицатель­ный потенциал и во внешней цепи перемещаются к като­ду. Атомы кислорода, находящиеся на катоде, присоеди­няют к себе электроны, образуя отрицательные ионы,

к

4 3 2 1

Рис. 3.12. Схема водородно­кислородного топливного эле­мента:

/ — корпус; 2 — катод; 3 — электро­лит; 4 —- анод

оторые, присоединяя из во­ды атомы водорода, перехо­дят в раствор в виде ионов гидроксила ОН"". Ионы гид­роксила, соединяясь с иона­ми водорода, образуют во­ду. Таким образом, при под­воде водорода и кислорода происходит реакция окисле­ния горючего ионами с одно­временным образованием тока во внешней цепи. Так как напряжение на выводах элемента невелико (порядка 1 В), то элементы последо­вательно соединяют в бата­реи. КПД топливных элементов очень высок. Теоретиче­ски он близок к единице, а практически он равен 60— 80%.

Использование водорода в качестве топлива сопря­жено с высокой стоимостью эксплуатации топливных элементов, поэтому изыскиваются возможности приме­нения других более дешевых видов топлива, в первую очередь природного и генераторного газа. Однако удов­летворительные скорости протекания реакции окисления газа происходят при высоких температурах 800—1200 К, что исключает применение в качестве электролитов во­дяных растворов щелочи. В этом случае можно исполь­зовать твердые электролиты с ионной проводимостью.

В настоящее время широко ведутся работы над соз­данием эффективных высокотемпературных топливных элементов. Пока удельная мощность топливных элемен­тов все еще невелика. Она в несколько раз ниже, чем у двигателей внутреннего сгорания. Однако успехи элект- трохимии и конструктивные усовершенствования топлив­ных элементов в недалеком будущем сделают возмож­ным применение топливных элементов в автотранспорте и энергетике. Топливные элементы бесшумны, экономич­ны и у них отсутствуют вредные отходы, загрязняющие атмосферу.

Геотермальные электростанции в качестве источника энергии используют теплоту земных недр. Известно, что в среднем на каждые 30—40 м в глубь Земли температу­ра возрастает на 1°С. Следовательно, на глубине 3— 4 км вода закипает, а на глубине 10—15 км температура Земли достигает 1000—1200°С. В некоторых частях пла­неты температура горячих источников достаточно высо­кая и в непосредственной близости от поверхности. Эти районы наиболее благоприятны для сооружения геотер­мальных станций. Так, в Новой Зеландии на геотермаль­ных станциях вырабатывается 40% всей электроэнергии, в Италии — 6%. Значительная доля электроэнергии при­ходится на такие станции и в ряде других стран.

В

Рис. 3.13. Схема геотермаль­ной электростанции для вулка­нических районов:

1 — скважина; 2 — паропреобразо- ватель; 3 — турбина; 4 — конденса­тор; 5 — насос; 6 — водяной тепло­обменник

СССР для ряда районов, например Камчатки и Курильских островов, сооружение геотермальных стан­ций может оказаться экономически оправданным. Так, на Камчатке успешно эксплуатируется опытно-промыш­ленная геотермальная станция. Обсуждаются также воз­можности использования действущих вулканов на Курильских островах.

Структурная схема гео­термальной электростанции для вулканических районов приведена на рис. 3.13. Схе­ма электростанции для вул­канических районов, распо­лагающих ресурсами тер­мальных вод с температурой 100°С на глубинах, доступ­ных для современной буро­вой техники, приведена на рис. 3.14.

В более отдаленном бу­дущем предполагается ис­пользование высокотемпературных слоев мантии (до 1000°С) для получения пара, в который будет превра­щаться вода, закачиваемая в искусственно созданные «вулканические» жерла. Разумеется, что получаемая таким образом энергия будет «чистой» и не будет влиять на биосферу (огромная масса мантии практически ис­ключает влияние на ее состояние отбираемой теплоты).

Использование геотермальной энергии в современных условиях в значительной степени зависит от затрат, не­обходимых для вывода на поверхность геотермального теплоносителя в виде пара или горячей воды. Все дейст­вующие в настоящее время геотермальные электростан­ции располагаются в таких районах Земли, в которых

Рис. 3.14. Схема геотермальной электростанции для невулканических районов:

/ — скважина; 2 — бак-аккумулятор; 3 — расширитель;

4 — турбина; 3 — генератор; б — градирня; 7 — насос,

8 — смешивающий конденсатор; 9, 10 — насос

температура теплоносителя достигает 150—360°С на глу­бинах, не превышающих 2—5 км.

В последнее время более интенсивно проводятся по­иски участков Земли с минимальной глубиной располо­жения геотермальных ресурсов. На таких участках рен­табельно создание систем, осуществляющих теплоснаб­жение и получение электрической энергии.

Практически все геотермальные источники содержат примеси в виде различных химических элементов. Хими­ческая активность подземных теплоносителей, в составе которых могут быть ртуть, мышьяк, вызывает отрица­тельные экологические эффекты, а также усиливает кор­розию конструкционных материалов энергетического оборудования. Извлечение химических элементов до отбора теплоты от теплоносителя позволяет снизить экологическое влияние, уменьшить химическую корро­зию и получить ценное сырье для химической промыш­ленности. Так, в некоторых скважинах Южно-Каспий- ского бассейна в 1 л воды содержится, мг: свинца — 77, цинка — 5, кадмия — 2, меди — 15,

В настоящее время геотермальные источники больше используются для теплоснабжения, чем для выработки электрической энергии. Это объясняется как технически­ми трудностями в работе геотермальных электростанций, так и высокой стоимостью их в расчете на единицу уста­новленной мощности.

8. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ МОРСКИХ ВОЗОБНОВЛЯЕМЫХ

РЕСУРСОВ

Ресурсы морей и океанов можно разбить на три группы:

1. вертикальные термоградиенты и океанические ветры;

2. морская биомасса и геотермальные воды;

3. поверхностные волны, течения и перепады соле­ности.

Предполагают, что использование ресурсов первой группы может начаться в конце 80-х годов, второй — в 90-х, а третьей не ранее 2000-го года.

Мощности и стоимости различных потенциальных источников энергии приведены в табл. 3.2¹.

Таблица 3.2

Источники энергии	Мощность, млн. кВт	Стоимость произ­водства электро­энергии, цент/(кВт'Ч)
Вертикальные термоградиенты	10 000	4—7
Поверхностные волны	500	11—24
Морские течения	60	13—32
Океанские ветры	170	5—9
Перепады солености	3 500	14-29
Топливная биомасса	770	11—15
Геотермальные воды	3 000	25—30

Приведенные показатели свидетельствуют о большой стоимости «энергии будущего». В самом деле, если счи­тать, что электроэнергия, полученная на основе нефти, угля или урана, стоит в среднем 3—6 центов за 1 кВт-ч, то энергия вертикальных термоградиентов и океанских ветров будет в 1,5—2 раза дороже. Остальные виды энер­гии будут дороже в 4—6 раз.

Жидкий аммиак

-р Теплая -\~ борская бода — гэ 'с

т~

Газводразный Л аммиак

О

Пасов

J......... ,j I Халоднря

морская Soda 4 'О

Жидкий аммиак

Из указанных возможных энергий океана пока наи­более ясно использование вертикальных термоградиен­тов. На рис. 3.15 показана работа так называемой «за­крытой» системы. Насос обеспечивает циркуляцию аммиака, имеющего очень низкую температуру кипения, в замкнутом контуре. Теплая океаническая вода нагре­вает аммиак (верхняя часть схемы), который переходит

в газообразное состояние и в этом виде поступает на турбину, где он расширяет­ся и приводит в действие генератор. С турбины амми­ак выходит с пониженной температурой и при мень­шем давлении и пропускает­ся через теплообменник, ис­пользующий холодную воду; газ сжижается, и цикл по­вторяется. В «открытой» си­стеме в качестве рабочего тела используется морская вода; ее температура кипе­ния снижается в вакуумной камере, где поддерживается

Рис. 3.15. Технологическая давление на уровне 3,5 /о

схема работы океанической от нормального атмосфер-

электростандии: НОГО.

/-электрический генератор; 2- Рассматривая ВОЗМОЖ-

турбина; 3 — теплообменник, 4 — ^г

насос; 5 — конденсатор НЫе СПОСОбЫ Преобразования

энергии, необходимо учиты­вать, что в соответствии с законами физики все энерге­тические процессы сводятся к трансформации одного вида энергии в другой. Здесь важно то обстоятельство, что плотности потоков энергии ограничиваются физиче­скими свойствами среды. Это, в свою очередь, практиче­ски исключает применение в энергетике больших мощ­ностей многих казалось бы эффективных процессов трансформации энергии. Например, в топливных эле­ментах химическая энергия окисления водорода непо­средственно превращается в электрическую. Такой спо­соб получения электрической энергии, несмотря на очень высокий КПД, равный примерно 70%, на сегодня при­ходится признать непригодным для промышленности из-за малой скорости диффузионных процессов в элек­тролите и, следовательно, малой плотности энергии. Так,

,

с 1 м^! электрода можно получить не более 200 Вт мощ­ности. А это означает, что при генерировании 100 МВт мощности рабочая площадь электродов должна быть примерно 1 км², что, конечно, практически нереализуемо.

Из-за малой плотности потока энергии неперспектив­ным представляется применение в энергетике и прямого преобразования химической энергии в механическую. Такое преобразование происходит с высоким КПД в мус­кулах животных. Механизм его достаточно глубоко пока не изучен. Но даже если предположить, что такое преоб­разование энергии будет воспроизведено искусственно, то оно, видимо, не сможет найти применение в энергети­ке из-за малой плотности потока энергии, которая не может быть больше, чем у топливных элементов.

9. СОЛНЕЧНЫЕ ЭЛЕКТРОСТАНЦИИ

Солнце — источник жизни на нашей планете и основ­ной источник всех видов получаемой на ней энергии. В настоящее время большое внимание уделяется прямо­му использованию солнечной энергии. Заманчиво созда­ние солнечных элементов для превращения энергии сол­нечной радиации в электрическую. В солнечных элемен­тах используется явление фотоэффекта, т. е. вырывание электронов из тела под действием света.

Фотоэффект открыт Герцем в 1887 г. и детально ис­следован А. Г. Столетовым в 1888 г. Несмотря на то что фотоэффект известен давно, природа его пока полностью не изучена. Практическое использование фотоэффекта для получения электроэнергии стало возможным в пос­леднее время в связи с применением полупроводников.

При соприкосновении полупроводников, имеющих электронную (n-типа) и дырочную (p-типа) проводимо­сти, на границе образуется контактная разность потен­циалов вследствие диффузии электронов. Если полупро­водник с дырочной проводимостью освещается, то его электроны, поглощая кванты света, переходят на полу­проводник с электронной проводимостью. В замкнутой цепи при этом образуется электрический ток.

В настоящее время наиболее совершенны кремниевые фотоэлементы, на которые действуют как направленные,

! так и рассеянные солнечные лучи. Кремниевые фотоэле­менты могут одинаково успешно работать зимой и летом. Зимой снижение светового потока компенсируется увели-

чением КПД за счет понижения температуры. КПД кремниевых фотоэлементов достигает примерно 15%.

Из-за сложной технологии изготовления полупровод­ников и их большой стоимости кремниевые фотоэлемен­ты применяются пока на уникальных установках, напри­мер на спутниках Земли. В будущем можно ожидать более широкое применение фотоэлектрических генерато­ров, преобразующих большие потоки энергии солнечной радиации.

Солнечная энергия может быть использована также в фотоэлектрических процессах, протекающих подобно естественному фотосинтезу органических вещестр. Прак­тическое освоение таких процессов позволило бы полу­чать необходимую человечеству энергию и решить акту­альную проблему истощения запасов органического топлива.

Огромное количество солнечной энергии, приходящей на Землю (примерно 0,15 МВт-ч на 1 м² поверхности в год), в современных условиях затруднительно использо­вать из-за низкой плотности солнечной радиации и ее

Рис. 3.16. Проект солнечной энергетической стан­ции на искусственном спутнике: а — принципиальная схема: 1 — поток солнечной энер­гии; 2 — спутник-коллектор солнечной энергии; 3 — пе­редающая антенна; 4— приемная антенна; 5 —- УКВ-луч; 6 — синхронная орбита энергетического спутника <30— 40 тыс. км от поверхности Земли); б — общий вид

зависимости от состояния атмосферы (облачности) и вре­мени года. Возможно создание солнечных станций на искусственных спутниках Земли. В этом случае солнеч­ная энергия будет аккумулироваться в течение 24 ч, а следовательно, эффективность работы станции не будет зависеть от облачного покрова. Передача энергии на Землю должна осуществляться по каналу УКВ. Принци­пиальная схема солнечной станции на искусственном спутнике и ее общий вид представлены на рис. 3.16, а, б. Размеры спутника-коллектора солнечной энергии (рис. 3,16, а) могут быть различны (от 20 до 100 км²) в зави­симости от мощности станции.

Энергия от солнечных элементов космической стан­ции должна передаваться на Землю с помощью антенны в виде достаточно узкого пучка УКВ-волн (длина волны « 10 см). Приемная антенна на Земле будет принимать этот пучок энергии, который затем должен будет преоб­разовываться в энергию промышленной частоты.

Ожидается, что весь процесс будет характеризовать­ся достаточно высоким КПД. В настоящее время КПД преобразования энергии солнечными элементами на мо­нокристаллах составляет 11%- Предполагается, что путем усовершенствования кремниевых элементов мо­жет быть достигнут КПД, равный 20%.

Расчетные значения КПД преобразования энергии на космических станциях приведены в табл. 3 3.

Таблица 3.3

Производство и передача электроэнергии солнечной электростанцией	КПД
	достигнутые в настоящее время	ожидаемые при сущест­вующей тех­нологии	ожидаемые за счет дальнейших разработок
Генерация УКВ-потока	76,7*	85,0	90,0
энергии
Передача энергии с вы­	94,0	94,0	95,0
хода генератора до створа
антенны
Улавливание и детекти­	64,0	75,0	90,0
рование
Общий КПД	26,5**	60,0	77,0

* Такое значение продемонстрировано на частоте 3000 МГц при непре­рывной генерадии с уровнем мощности 300 кВт.

** На частоте 2450 МГц (длина волны 12,2 см).

Космические солнечные станции могут быть спроекти­рованы на полезную электрическую мощность 3—20 ГВт и более. Размер солнечной батареи станции с полезной выходной мощностью 5 ГВт можно оценить исходя из КПД, равного 15%. Соответствующая такой станции суммарная поверхность солнечной батареи равна 20 км². При этом передающая антенна должна иметь диаметр 1 км, приемная антенна — диаметр 7—10 км. Плотность пучка УКВ-волн со станции на Землю в этом случае составит всего 'Д нормальной плотности солнечной энергии, поэтому он не должен представлять опасности ни для летательных средств, ни для птиц. Вопрос, свя­занный с радиопомехами, не должен стать серьезной проблемой. Технические проблемы состоят только в улуч­шении достигнутой технологии и совсем не требуют раз­работки принципиально новых решений.

Большое внимание уделяется перспективе использо­вания солнечной энергии в промежуточном процессе получения топлива. Так, энергия крупных солнечных станций может быть использована для синтеза топлива на основе углеводорода, например метанола из извест­няка и воды.

Наличие благоприятных условий во многих странах позволяет использовать для практических целей солнеч­ную энергию. В направлении применения солнечной энергии уже выполнен ряд работ и доказана возмож­ность ее использования для опреснения и дистилляции воды, приготовления пищи, нагревания воды, привода насосов и других целей. В целом несомненно, что чело­вечество в будущем обратится к Солнцу — главному источнику энергии, которую и будет применять различ­ными путями.

Один из путей использования энергии Солнца заклю­чается в реализации проектов улавливания и накопле­ния энергии фотосинтеза. Трудность реализации таких проектов заключается в низкой эффективности фотосин­теза как способа превращения солнечной энергии в хи­мическую.

Считается, что благодаря фотосинтезу ежегодно обра­зуется около 155 млрд. т сухой органической массы, главным образом целлюлозы, которую можно использо­вать как топливо. Однако из-за низкого КПД энергети­ческого преобразования пришлось бы значительно уве­личить посевные площади для получения энергии в необ­ходимых количествах. Поэтому проводятся интенсивные исследования, направленные на увеличение КПД преоб­разования. При этом пытаются получить дешевую полез­ную массу растений, по возможности создавая опти­мальный искусственный газовый состав и т. п. Так, по данным, полученным в США, если выращивать кукурузу как энергетическое топливо, то его стоимость будет срав­нима с нынешней стоимостью ископаемого топлива; если использовать для этой цели хвойный лес, в котором бы на акр (1 акр—0,4 га) приходилось около 6 тыс. деревь­ев, и собирать урожай один раз в 12 лет, то вследствие замедленного роста деревьев и некоторых других факто­ров стоимость производимой из них энергии возрастет примерно вдвое по сравнению с энергией, получаемой от кукурузы. Многолетние растения имеют, однако, преиму­щество перед однолетними: урожай с них можно соби­рать в течение всего года в соответствии с потребностя­ми, и при этом не возникает проблем, связанных с соз­данием огромных хранилищ «энергетических урожаев», которые заготавливают только в определенный сезон. Поэтому для производства энергии обратились к быстро растущим лиственным деревьям, у которых после поруб­ки корни дают побеги, что позволяет избежать ежегод­ных посадок.

На экспериментальных участках заброшенных пахот­ных земель в Центральной Пенсильвании выращивают­ся гибридные тополя. Один из гибридов, высаженный в количестве примерно 3700 деревьев на акр, «производит» энергию, которая оказывается заметно дешевле нефти и несколько дешевле угля. Такая плантация может давать около 681 млн. Вт/(м²-К) (120 млн. Btu) с акра в год при КПД энергетического преобразования 0,6%- Для обеспечения топливом средней электростанции мощно­стью 400 МВт потребуется плантация площадью 30 тыс. акров. Для снабжения топливом, получаемым на «энер­гетических плантациях», большей части электростанций в США требуется примерно 160—200 млн. акров даже при коэффициенте преобразования солнечной энергии в топливо, не превышающем 0,4%.

ЗЛО. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЭНЕРГИИ РЕАКТОРОВ-

РАЗМНОЖИТЕЛЕЙ И ТЕРМОЯДЕРНЫХ РЕАКЦИЙ

В настоящее время в качестве основного источника энергии человечество использует органическое топливо, запасы которого быстро уменьшаются. Поэтому актуаль-

на проблема замены топлива другим, имеющим хорошие показатели получения и преобразования источником энергии. В обозримом будущем наиболее перспективно использование ядерной энергии.

Реакторы-размножители на быстрых нейтронах поз­воляют человеку полностью использовать энергию, за­пасенную природой в тяжелых ядрах урана и тория.

Первым «прототипом» энергетической станции буду­щего с реакторами на «быстрых» нейтронах стала всту­пившая в строй в 1973 г. станция в г. Шевченко с реак­тором мощностью, равной 350 МВт (БН-350). Этот реактор вырабатывает пар для турбин и установок опреснения воды. В г. Белоярске вступил в строй реактор БН-660, строится промышленная электростанция с реак­тором БН-1500.

В целях безопасности реактор и компоненты первич­ных контуров размещаются в ряде защитных железобе­тонных камер.

Роль реакторов-размножителей в решении проблемы выработки человечеством больших количеств энергии велика. Однако несомненно, что еще большее значение будет иметь овладение энергией термоядерных реакций, в которых осуществляется синтез легких элементов. При этом будет получен практически неисчерпаемый источ­ник энергии. В морях нашей планеты содержатся легкие, поддающиеся синтезу элементы, которые могут обеспе­чить человечество энергией на многие миллионы лет.

Проблема состоит в осуществлении управляемой реакции синтеза. Ядерный синтез был известен за не­сколько лет до открытия способности деления ядер. В 1931 г. Гарольд Юра впервые выделил дейтерий из воды и с помощью небольших ускорителей показал, что реакция синтеза двух ядер дейтерия сопровождается выделением энергии. Реакция синтеза происходит при сообщении ядрам большой скорости, при которой кине­тическая энергия достаточна для преодоления энергии электростатического отталкивания положительно заря­женных ядер.

В естественных условиях в звездах и на Солнце про­текают термоядерные реакции при высоких температу­рах. На Земле высокая температура, необходимая для осуществления реакции синтеза легких элементов, мо­жет быть получена, например, при взрыве атомной бом­бы. Практически мгновенная реакция синтеза происходит в водородных бомбах. Задача состоит в получении не­прерывной реакции синтеза, что возможно при следую­щих условиях:

1. топливо должно быть чистым и состоять из легких ядер (в качестве потенциального топлива рассматрива­ют дейтерий и тритий — изотопы водорода с относитель­ной атомной массой 2 и 3 соответственно);

2. плотность топлива должна быть не менее 10¹⁵ядер в 1 см³;

3. температура должна быть не менее 100 млн. °С и не более 1 млрд. °С;

4. максимальная температура топлива при необходи­мой его плотности должна удерживаться на протяжении десятых долей секунды.

Одно из основных препятствий получения управляе­мого термоядерного синтеза (УТС) состоит в удержании плазмы, которой свойственна чрезвычайная нестабиль­ность. В естественных условиях на Солнце плазма нахо­дится в сильном гравитационном поле. На Земле плазму можно удержать в специальном сильном магнитном поле.

Получение энергии за счет синтеза ядер обладает рядом существенных преимуществ:

1. используется дешевое топливо с практически не­исчерпаемыми запасами;

2. исключаются аварии ядерных установок наподо­бие аварий при возникновении неуправляемой реакции деления ядер;

3. получаются нетоксичные и нерадиоактивные конеч­ные продукты термоядерного синтеза;

4. непосредственно преобразуется энергия заряжен­ных частиц, из которых состоит высокотемпературная плазма, в электрическую энергию в МГД-генераторах. При этом могут быть получены высокие значения КПД (до 90%). что позволит резко сократить тепловое за­грязнение окружающей среды.

Конструирование и эксплуатация термоядерных элек­тростанций потребует соблюдения мер предосторожно­сти, так как тритий радиоактивен, а по всей вероятности именно этот элемент будет использоваться в качестве топлива. Тритий не обладает сильно проникающей радиа­цией и поэтому в основном следует опасаться попадания его внутрь организма. Необходимо будет предусмотреть также защиту от потоков нейтронов, которым сопровож­дается реакция синтеза. Нейтроны, вступая во взаимо­действие с материалами окружающей среды, приводят к возникновению «наведенной» радиоактивности.

Реакция синтеза изотопов водорода (дейтерия и три­тия) протекает по схеме, представленной на рис. 3.17.

В

Нейтрон

результате реакции дейтерия с тритием образуется ядро гелия и нейтрон, который несет основную энергию реакции — около 14 МэВ. Следует отметить, что тритий образуется непосредственно в реакторе в результате за­хвата выделяющихся в ходе реакции нейтронов ядрами лития, входящего в со­став внутренней стенки Ядра гелия

реактора. Используя Тритий

е стественную смесь изотопов литий-6 и ли­тий-7, в реакторе мож­но получить коэффи-

циент воспроизводства трития, равный 1,2—

1,5, т. е. реактор произ­водит горючее. Иными

словами, в реакторе Рис. 3.17. Реакция синтеза изотопов

фактически сжигается водорода — дейтерия и трития

литий, 1 г которого в

этих условиях эквивалентен примерно массе условного топлива в 1 т. При таком соотношении эквивалентные запасы лития примерно на три порядка превосходят запасы всех видов традиционного ископаемого топлива, причем добыть литий относительно несложно.

На X Европейской конференции по физике плазмы и управляемому термоядерному синтезу, происходившей в Москве, было признано перспективным получение УТС в «токамаках», предложенное советскими физиками.

Слово «токамак» введено советскими учеными Л. А. Арцимовичем, И. Н. Головиным и Н. А. Явлинским, которые, начав в 50-х годах исследования по управляе­мым термоядерным реакциям, избрали для этой цели ва­куумную камеру в форме бублика, внутри которой с помощью мощного газового разряда создавали высоко­температурную плазму.

Для стабилизации плазмы использовалось сильное продольное магнитное поле. От первых слогов названий основных компонентов установки — Тороидальная КА- мера с МАгнитными Катушками — и было образовано слово «токамак».

Идея магнитной термоизоляции плазмы очень проста. Известно, что заряженная частица (а плазма состоит из заряженных частиц — электронов и ионов) не может

двигаться поперек магнитной силовой линии. Если соз­дать систему замкнутых магнитных силовых линий, то, в принципе, можно удерживать плазму в некотором огра­ниченном объеме.

Конкретных вариантов реализации этой идеи суще­ствует немало, но наиболее развит на сегодня вариант токамака.

Внешне токамак похож на большой трансформатор с железным замкнутым сердечником и первичной обмот­кой, по которой пропускают переменный электрический ток — в простейшем случае ток разряда конденсаторной батареи. В качестве вторичной обмотки служит единст­венный замкнутый виток вакуумной камеры — плазмен­ный шнур.

При разряде батареи в камере появляется вихревое электрическое поле, образование которого приводит к пробою газа, его ионизации и нагреванию до высоких температур. Это напоминает действие лампы дневного света, но в более крупных масштабах. Например, в уста­новке «Токамак-10», созданной в Институте атомной энергии им. И. В. Курчатова, ток в плазме достигает 600 000 А, а сама плазма имеет объем около 4 м³. Под действием тока плазма нагревается до очень высокой температуры — в больших установках до нескольких де­сятков миллионов градусов. В принципе, если отбросить некоторые чисто физические детали (в них-то и состоит суть проблемы), идея удержания плазмы в токамаке, очень проста. Однако реальные физические процессы не всегда совпадают с идеализированными представлениями

о них. При температурах в десятки миллионов градусов и сравнительно низкой плотности плазмы (около 10¹⁴ частиц/см³) образующие ее частицы — ионы или электроны — редко сталкиваются между собой, двига­ясь в магнитном поле.

Поведение плазмы зависит в первую очередь, от ка­чества магнитного поля токамака, его способности вы­полнять роль магнитной ловушки.

Магнитное поле токамака складывается из поля тока, протекающего по плазме, и поля катушек. Поле тока имеет силовые линии в виде колец, расположенных во­круг плазменного витка. Линии поля катушек также имеют вид замкнутых колец, но расположенных не во­круг плазменного витка, а вдоль него. Таким образом, силовые линии суммарного поля образуют спирали, ко­торые навиваются на вложенные одна в другую торои­дальные поверхности, называемые магнитными. В силь­ном магнитном поле заряженные частицы движутся в основном вдоль силовых линий по спиральным траекто­риям.

При столкновениях частицы могут переходить с од­ной спиральной траектории на другую на расстояние, равное ширине спирали. Столкновения частиц не долж­ны приводить к существенным поперечным перемеще­ниям их по направлению к стенке камеры. Поперечные потоки частиц учтены в теории, развитой советскими фи- зиками-теоретиками А. А. Галеевым и Р. 3. Сагдеевым и получившей название «неоклассической». Ее новизна, от­раженная в приставке «нео», состоит в учете реальных траекторий частиц в искривленном поле токамака, а сло­во «классическая» имеет в физике плазмы смысл учета только парных столкновений, а не более сложных коллек­тивных взаимодействий.

Как показал эксперимент, ионы плазмы ведут себя в полном соответствии с этой теорией. Их столкновения между собой приводят к тому, что более горячие, т. е. высокоэнергичные, ионы выходят из центральных облас­тей к периферии, осуществляя тем самым перенос тепло­ты к стенкам.

Поведение электронов, как показали эксперименты, не подчиняется неоклассической теории. Согласно ей электронный перенос теплоты должен быть в десятки раз меньше ионного из-за того, что ширина электрон­ных траекторий — спиралей гораздо меньше ионных. На практике же электронный перенос оказался больше ион­ного.

Это расхождение теории с экспериментом наводило на мысль, что электроны помимо столкновения могут найти другие пути для выхода из внутренних областей ловушки к периферии. Возник вопрос: не преувеличена ли теорией надежность магнитной конфигурации, т. е. действительно ли магнитные силовые линии так хорошо «упакованы», что лежат на магнитных поверхностях, не соприкасающихся между собой.

Дальнейшие исследования показали, что в камере токамака могут создаваться такие условия, при которых конфигурация магнитных полей во внутренней области быстро перестраивается. Магнитные поверхности как бы выворачиваются наизнанку: в центр попадает более хо­лодная плазма, а на периферию — более горячая. Маг­нитные поверхности в этой области на время разрушают­ся — в них происходит «обмен» силовыми линиями, или, иначе, «перезамыкание» силовых линий.

Интересно отметить, что именно такой же процесс пе- резамыкания силовых линий в хвосте магнитосферы Зем­ли приводит к полярным сияниям, а на Солнце процессы перезамыкания порождают хромосомные вспышки — ис­точник космического излучения, опасного для космонав­тов. Физическая природа этих явлений оказывается поч­ти одной и той же.

Иногда в плазме токамака развивается явление, на­зываемое неустойчивостью, которая приводит к выбросу плазмы на стенки вакуумной камеры. Неустойчивость, по всей вероятности, также связана с процессами пере­замыкания, захватывающими в этом случае практически весь плазменный шнур. Существуют различные способы предотвращения неустойчивости. Один из способов — сни­жение до минимума загрязнения дейтериевой плазмы по­сторонними примесями. Другой — стабилизация неустой­чивости-использование обратных связей, которые гасят возмущение магнитных поверхностей раньше, чем оно успевает развиться до крупномасштабной неустой­чивости.

Научившись бороться с неустойчивостью плазмы, со­ветские физики провели на токамаках исследования, ре­зультаты которых оказались столь впечатляющими, что в начале 70-х годов токамаки стали создаваться в дру­гих странах, ведущих работы по УТС. Результаты иссле­дований по освоению УТС на токамаках основаны уже не на единичных экспериментах на отдельных установках, а на большом семействе из десятков установок с различ­ными линейными размерами, токами, магнитными поля­ми, плотностью плазмы и т. п. Для будущего термоядер­ного реактора потребуется температура плазмы 80—100 млн. °С. Продолжительность «жизни» плазмы, т. е. то время, в течение которого удается удерживать плазму, не позволяя ей коснуться стенок реактора и охладиться в «Токамаке-10», составляет 60—70 мс.

Определяющим параметром для термоядерной реак­ции является произведение времени удержания плазмы на ее плотность. Чтобы при термоядерном горении энер­гии выделялось больше, чем вкладывается в плазму, должно прореагировать как можно больше частиц. И чем плотнее плазма, тем больше столкновений происходит в единицу времени. Для дейтериево-тритиевой плазмы это произведение должно быть не менее 2 • 10¹⁴ см^-3-С.

В настоящее время проектируются демонстрационные реакторы с дейтериево-тритиевой плазмой, предназна­ченные для опытно-промышленной эксплуатации систе­мы нагревания, удержания и контроля плазмы, подачи топлива, его регенерации, для изучения свойств мате­риалов в мощных тепловых и нейтронных потоках.

Продолжительность удержания плазмы в реакторе возрастает с увеличением объема плазмы, а следователь­но, увеличиваются габариты и стоимости термоядерных установок.

Сумма затрат становится ощутимой уже при соору­жении токамаков нынешнего поколения. Поэтому различ­ные страны объединили усилия по созданию УТС.

Обсуждение задач международного сотрудничества привело к идее проекта международного реактора ИНТОР, в котором должна быть осуществлена самопод- держивающаяся термоядерная реакция в импульсном ре­жиме. Дейтериево-тритиевая плазма в течение 4—5 с будет нагреваться до необходимой температуры пример­но в 100 млн. °С, далее средства нагревания отключаются и в течение 200 с идет реакция. Затем прерывается реак­ция, чтобы удалить шлаки — продукты взаимодействия плазмы со стенками реактора, впрыскивается новая пор­ция топлива и через 20—30 с повторяется цикл. За стен­кой реактора будут установлены так называемые блан- кеты (от английского слова blanket — одеяло)—устрой­ства, которые поглощают потоки нейтронов, выделяю­щихся в результате реакции, и преобразуют их энергию в теплоту.

Проектируемая тепловая мощность ИНТОРа до­вольно велика — около 600 МВт, это сравнимо с мощно­стью первых промышленных АЭС.

На первом этапе реакция в термоядерных реакторах будет идти не на чистом дейтерии, а на смеси дейтерия с тритием. Но в природе нет трития в достаточных количе­ствах, его предполагается получить в реакторе искусст­венно из лития.

В бланкете должен идти процесс наработки трития так, чтобы система сама обеспечивала себя этим горю­чим.

Через 2—3 года после пуска ИНТОРа предполагает­ся получить на нем электроэнергию. При этом циркули­рующая в бланкете вода будет отбирать энергию у вы­деляющихся в реакции нейтронов и в теплообменнике передавать теплоту рабочему телу —пару, поступающе­му в турбину. ИНТОР сможет иметь электриче­скую мощность 5—10 МВт — примерно такую же, как первая АЭС.

В настоящее время разрабатывается также проект опытного термоядерного реактора (ОТР). Его реализа­ция преследует ряд целей: продемонстрировать возмож­ность надежного и безопасного производства электро­энергии и ядерного топлива; получить необходимый опыт разработки, строительства и эксплуатации реактора-то- камака в режимах, близких по длительности работы и удельным нагрузкам к режиму энергетического реактора; создать экспериментальную базу для научных и инже­нерных работ в области термоядерной энергетики; ис­пытать конструкционные материалы и проверить прин­ципиальные технические решения создания термоядер­ных электростанций.

Разработка ОТР в настоящее время находится на ста­дии концептуального проектирования. Предполагается, что большой радиус плазменного «бублика» в ОТР соста­вит 5,5 м, а малый—1,1 м. Плазма будет иметь плот­ность 1,4-10¹⁴ см^-3 при температуре около 120 млн. °С. Общая тепловая мощность реактора составит 1000 МВт, электрическая — 300 МВт. Первый советский термоядер­ный реактор будет представлять собой гибридную си­стему, в которую заложена идея своеобразного симбиоза атомной и термоядерной энергетики.

Выяснилось, что утилизацию урана-238 можно с боль­шой эффективностью проводить и в термоядерном реакто­ре. Для этого камеру, в которой будет протекать реакция синтеза, нужно окружить бланкетом из природного ура­на. Нейтроны, выделяющиеся в процессе синтеза и попа­дающие в бланкет, будут вызывать деление ядер урана и воспроизводство плутония из урана-238. Примерно 75— 80% мощности такого реактора будет обеспечено реак­циями деления, а термоядерные реакции будут в основ­ном служить источником быстрых нейтронов. К парамет­рам плазмы и стенкам камеры в гибридном реакторе предъявляются менее жесткие требования и реализовать их будет легче.

Гибридные реакции могут стать промежуточным зве­ном на пути к чистым термоядерным реакторам.

В настоящее время во многих лабораторях мира ин­тенсивно ведутся исследования по лазерному термоядер­ному синтезу (JITC). Впервые идея использования лазе­ров для нагревания плазмы была высказана советскими

физиками Н. Г. Басовым и О. Н. Крохиным. Твердые или жидкие частички из смеси дейтерия с тритием помеща­ются в фокус сходящихся лазерных лучей, сжимаются и нагреваются до высоких температур. Известно, что плот­ность ядер в твердом веществе почти в миллион раз вы­ше, чем плотность плазмы в токамаке. А скорость реак­ции в более плотном веществе выше. Поэтому, если быст­ро нагреть такую частичку вещества и сжать ее давлени­ем лазерных лучей, вещество успеет полностью прореагировать — быстрее, чем плазма распадется и остынет.

В Институте атомной энергии им. И. В. Курчатова от­рабатывают другой способ быстрого нагревания и сжатия термоядерных мишеней. Несколько мощных линейных ускорителей одновременно «выстреливают» со всех сто­рон по мишени пучками релятивистских (движущихся близко к скорости света) электронов. Как и с помощью лазеров, здесь удается быстро нагреть мишень до не­скольких десятков миллионов градусов и достичь ее тысячекратного сжатия.