2891

Магнитное поле сжимает протекающий через плазму ток. В результате образуется конфигурация, в которой винтовые магнитные силовые линии «обвивают» плазменный шнур. При этом шаг при вращении в тороидальном направлении не совпадает с шагом в полоидальном направлении. Магнитные линии оказываются незамкнутыми, они бесконечно много раз закручиваются вокруг тора, образуя так называемые магнитные поверхности тороидальной формы.

Наличие полоидального поля необходимо для стабильного удержания плазмы в такой системе. Поскольку оно создается за счет увеличения тока в индукторе, а он не может быть бесконечным, время стабильного существования плазмы в классическом токамаке ограничено. Для преодоления этого ограничения разработаны дополнительные способы поддержания тока, для чего может быть использована инжекция в плазму ускоренных нейтральных атомов дейтерия или трития или микроволновое излучение.

Кроме тороидальных катушек для управления плазменным шнуром необходимы дополнительные катушки полоидального поля. Они представляют собой кольцевые витки вокруг вертикальной оси камеры токамака.

Одного только нагрева за счет протекания тока недостаточно для нагрева плазмы до температуры, необходимой для осуществления термоядерной реакции. Для дополнительного нагрева используется микроволновое излучение на так называемых резонансных частотах (например, совпадающих с циклотронной частотой либо электронов, либо ионов) или инжекция быстрых нейтральных атомов.

6.4.2. Стелларатор

Стелларатор – замкнутая магнитная ловушка для удержания высокотемпературной плазмы (рис. 6.8). Принципиальное отличие стелларатора от токамака заключается в том, что магнитное поле для удержания плазмы полностью создается внешними катушками, что, помимо прочего, позволяет использовать его в непрерывном режиме. Его силовые линии подвергаются вращательному преобразованию, в результате которого эти линии многократно обходят

111

вдоль тора и образуют систему замкнутых вложенных друг в друга тороидальных магнитных поверхностей. Вращательное преобразование силовых линий может быть осуществлено как путем геометрической деформации тороидального соленоида (например, скручиванием его в «восьмерку»), так и с помощью винтовых проводников, навитых на тор. Для создания такой конфигурации магнитного поля необходимо использовать катушки сложной формы, производство которых является технически сложным процессом. Вследствие этого первые модели стеллараторов давали плазму с худшими параметрами, чем токамаки.

Рис. 6.8. Стелларатор

Вакуумный сосуд тороидальной формы (в отличие от токамака стелларатор не имеет азимутальной симметрии – магнитная поверхность имеет форму «мятого бублика») откачивается до высокого вакуума и затем заполняется смесью дейтерия и трития, после чего создается плазма и производится ее нагрев. Энергия вводится в плазму при помощи электромагнитного излучения – электронного циклотронного резонанса. При достижении температур, достаточных для преодоления кулоновского отталкивания между ядрами дейтерия и трития, начинаются термоядерные реакции.

Тот факт, что для магнитного удержания плазмы требуется тороидальный, а, например, не шарообразный сосуд, напрямую связан с «теоремой о еже», согласно которой «шаровой еж» не может быть причесан: в двух точках ежа иголки будут стоять перпен-

112

дикулярно «поверхности» ежа. Это напрямую связано с топологическим свойством поверхности – эйлерова характеристика сферы равна 2. Тор же возможно причесать гладко, так как его эйлерова характеристика равна нулю. При рассмотрении вектора магнитного поля как иголки становится ясно, что замкнутая магнитная поверхность может быть только поверхностью с эйлеровой характеристикой, равной нулю, в том числе тороидальной.

6.4.3. Инерциальный управляемый термоядерный синтез

Инерциальный управляемый термоядерный синтез – один из видов ядерного синтеза, при котором термоядерное топливо удерживается собственными силами инерции (рис. 6.9). Идея заключается в быстром и равномерном нагреве термоядерного топлива, чтобы образовавшаяся плазма до разлета успела прореагировать.

Рис. 6.9. Инерциальный управляемый термоядерный синтез

Таким образом, при использовании данного принципа реактор будет импульсным. Для D–T-плазмы, сжатой в 100 раз, с температурой 108 К и диаметром 2 мм время удержания соответствует 10−9 с, что создает значительную проблему мгновенности разогрева, по-

113

этому для разогрева используют различные высокомощные лазеры, в том числе лазеры сверхкоротких импульсов. Для увеличения плотности и времени удержания используется радиационная изоляция мишени и прочие вторичные эффекты.

6.5. Распределенное производство энергии

Распределенное производство энергии (англ. Distributed power generation) – концепция строительства источников энергии и распределительных сетей, которая подразумевает наличие множества потребителей, производящих тепловую и электрическую энергию для собственных нужд, а также направляющих излишки в общую сеть (электрическую или тепловую).

Данная концепция подразумевает строительство дополнительных источников электроэнергии в непосредственной близости от потребителей. Мощность таких источников выбирается исходя из ожидаемой мощности потребителя с учетом имеющихся ограничений (технологических, правовых, экологических и т.д.) и может варьироваться в широких пределах (от двух-трех до сотен киловатт). При этомпотребитель неотключаетсяотобщей сетиэлектроснабжения.

В качестве дополнительных источников электроэнергии могут применяться как средства альтернативной энергетики (солнечные батареи, ветровые генераторы, топливные элементы), так и традиционные когенерационные установки (КГУ) малой и средней мощности, работающие на природном газе (как на наиболее чистом виде топлива). В последнем случае благодаря расположению когенерационных установок непосредственно у потребителей становится возможным использование не только вырабатываемой электроэнергии, но и побочной тепловой энергии на нужды отопления, горячего водоснабжения или абсорбционного холодоснабжения самого владельца КГУ или сторонних потребителей, находящихся поблизости. Это позволяет добиться высокой эффективности использования топлива (до 90 % от потенциальной энергии).

При этом в системе «потребитель – местный источник энергии» регулярно возникают дисбалансы между производством и потреблением энергии или между потребностью в ее видах, например:

114

–мощность солнечных батарей и ветрогенераторов изменяется в зависимости от погодных условий, а потребление электроэнергии от погоды может не зависеть или изменяться в противоположную сторону;

–в зимнее время потребление тепловой энергии остается постоянно высоким, а потребление электроэнергии изменяется от времени суток.

Наличие подключения к общей электрической сети позволяет компенсировать недостаток электроэнергии за счет ее потребления от общей сети, а в случае избыточного производства электроэнергии собственным источником – выдавать ее в сеть с получением соответствующего дохода.

Такой подход позволяет:

–снизить потери электроэнергии при транспортировке благодаря максимальному приближению электрогенераторов к потребителям электричества, вплоть до расположения их в одном здании;

–уменьшить число, протяженность и необходимую пропускную способность магистральных линий электропередачи;

–смягчить последствия аварий на центральных электростанциях и главных линиях электропередач за счет наличия собственных источников энергии;

–обеспечить взаимное многократное резервирование электрогенерирующих мощностей (частично);

–снизить воздействие на окружающую среду за счет применения средств альтернативной энергетики, более полного использования потенциальной энергии ископаемого топлива.

Для реализации концепции распределенной энергетики необходимо выполнение ряда условий, в том числе:

1. Технических: наличия систем двустороннего учета, согласованной работы местных и центральных генераторов, соответствующих систем защит для всех вариантов работы местных и центральных генераторов, поддержания стабильности напряжения и частоты в общей сети.

2. Организационных: должно быть налажено взаимодействие между всеми участниками во избежание перегрузок генерирующих мощностей или строительства лишних, которые будут простаивать.

115

3.Правовых и экономических: должна быть предусмотрена юридическая возможность продажи потребителями избытков энергии собственной выработки, должен существовать развитый рынок электроэнергии или установлены экономически привлекательные для всех участников тарифы на генерацию, потребление и транзит электроэнергии.

4.Технологических: должны быть доступны экономически эффективные устройства для местного производства энергии (солнечные батареи, ветрогенераторы, когенерационные установки).

Полный отказ от мощных центральных электростанций и окончательная децентрализация электрогенерации в настоящее время невозможны как по экономическим соображениям, так и в связи со сложностью управления множеством объектов и их технического обслуживания, необходимостью постоянного поддержания баланса генерации и потребления, необходимостью наличия резервных мощностей.

6.6. Водородная энергетика

Водородная энергетика – развивающаяся отрасль энергетики, направление выработки и потребления энергии человечеством, основанное на использовании водорода в качестве средства для аккумулирования, транспортировки и потребления энергии людьми, транспортной инфраструктурой и различными производственными направлениями. Водород выбран как наиболее распространенный элемент на поверхности Земли и в космосе, теплота сгорания водорода очень высока, а продуктом сгорания в кислороде является вода (которая вновь вводится в оборот водородной энергетики). Кроме того, достоинством применения водорода является экологическая безопасность использования. К недостаткам можно отнести трудности получения, хранения, эксплуатации; неэкономичность промышленного производства.

Способы производства водорода:

1. Паровая конверсия (водяной пар при высокой температуре, свыше 700 ºС, смешивается с метаном под давлением при воздействии катализатора).

116

2.Электролиз воды (через воду пропускают электрический ток, под действием которого происходит распад воды на чистые газы водород и кислород).

3.Газификация угля (уголь нагревают водяным паром до температуры свыше 800 ºС без доступа воздуха).

4.Из биомассы (биомассу нагревают без доступа кислорода до температуры 500–800 ºС).

6.6.1.Способы применения водорода

1.Общее пользование. Производство электрической и тепловой энергии в топливных элементах мощностью более 10 кВт.

Кконцу 2006 г. во всем мире было установлено более 800 стационарных энергетических установок на топливных элементах мощностью более 10 кВт. Их суммарная мощность около 100 МВт. За 2006 г. построено более 50 установок суммарной мощностью более 18 МВт (рис. 6.10).

Рис. 6.10. Топливные элементы: а – расплавные карбонатные; б – фосфорнокислые

117

Топливный элемент – это гальваническая ячейка, вырабатывающая электроэнергию за счет окислительно-восстановительных превращений реагентов, поступающих извне. При работе топливного элемента электролит и электроды не расходуются, не претерпевают каких-либо изменений. В нем химическая энергия топлива непосредственно превращается в электроэнергию. Очень важно, что не происходит превращения химической энергии топлива в тепловую и механическую, как в традиционной энергетике. При сжигании газа, мазута или угля в котле нагревается пар, который под высоким давлением поступаетв турбину, а турбинаужевращает электрогенератор.

В простейшем топливном элементе, где используются чистый водород и чистый кислород, на аноде происходит разложение водорода и его ионизация. Из молекулы водорода образуются два иона водорода и два электрона. На катоде водород соединяется с кислородом и возникает вода (рис. 6.11). Фактически в этом и состоит главный экологический выигрыш: в атмосферу выбрасывается водяной пар вместо огромного количества углекислого газа, образующегося при работе традиционных тепловых электростанций.

Рис. 6.11. Принцип действия топливного элемента – превращение химической энергии водорода в электроэнергию

118

2. Индивидуальное пользование. В быту люди используют пор-

тативные электростанции, которые производят электрическую и тепловую энергию в топливных элементах мощностью от 0,75 до

10 кВт (рис. 6.12).

Рис. 6.12. Малая домашняя комбинированная водородная установка фирмы Sulzer-Hexis (Германия)

6.7. Космическая энергетика

Под космической энергетикой понимается использование солнечного излучения в космосе как источника энергии. Пока этот вид энергетики является скорее идеей будущего, проекты в этой сфере только планируются.

Космическая электростанция, преобразующая свет в электричество и передающая его на Землю с помощью СВЧ-излучения

(рис. 6.13). По мнению многих экспертов, на современном уровне технологий ее можно создать и эффективно использовать для получения энергии из солнечного света. Суть проста: солнечные панели производят электричество, а СВЧ-излучатель направляет

119

энергию на приемник, находящийся на Земле. Однако мощный микроволновый излучатель на орбите может стать грозным оружием, способным буквально выжигать целые города. Конечно, крупная космическая станция будет уязвима для ракет, однако опасность использования такой электростанции в качестве «карательного» оружия довольно велика.

Рис. 6.13. Космическая электростанция с СВЧ-излучателем

Использование массива лазерных диодных модулей, которые заменяют СВЧ-излучатель в деле передачи энергии с массива солнечных панелей в космосе к наземной станции на поверхности Зем-

ли. Передача энергии с помощью лазера также уже испытывалась – в основном для питания небольших беспилотных летательных аппаратов. Однако пока передача энергии инфракрасным лазером менее эффективна, чем микроволнами.

Космическая станция с множеством соединенных вместе узлов или «независимых» космических аппаратов с зеркалами, которые направляют солнечный свет на фотоэлектрические приемники микроволнового передатчика (рис. 6.14). Все аппараты работают как одно огромное зеркало, непрерывно ловящее солнечный свет. Эффективность такой конструкции может достигать 50–70 %. Преимущество этой станции – в возможности постепенного наращивания мощности электростанции и ее пуска до введения в строй всех спутников-зеркал.

120