Текст книги "Репортаж из XXI века"

Автор книги: Михаил Васильев

Соавторы: Сергей Гущев
сообщить о нарушении

Текущая страница: 6 (всего у книги 25 страниц)

Энергобаланс 2007 года

Член-корреспондент Академии наук СССР Валерий Иванович Попков встретил нас на середине кабинета и уже не садился в продолжение всей беседы. Энергичный, быстрый, он просто не мог усидеть на месте, и его высокая фигура непрерывно находилась в движении.

Если говорить о поколениях, то Попков принадлежит к младшему поколению советских ученых. В 1930 году, когда Винтер уже был всемирно известным строителем крупнейшей в Европе Днепровской станции, Попков только окончил Московский энергетический институт. Ему не пришлось уезжать в поисках работы в Америку, как Бардину, его не ссылали, вырвав из института, как Винтера. Его творческий талант развился и окреп в условиях социалистического общества.

Основные научные работы В. И. Попкова посвящены вопросам высоковольтной техники и электрическому разряду в газах при высоких напряжениях, дальним электропередачам, изучению физических процессов в электрофильтрах. За этим сухим перечнем – сотни и тысячи опытов, расчетов, исследований, которые помогли и строительству волжских гигантов и созданию невиданных по длине и напряжению энергопередач и которые во многом еще помогут будущей энергетике.

– Энергетика XXI века будет, вероятно, еще больше отличаться от энергетики нашего времени, чем наша энергетика от энергетики конца XIX века. Развитие техники идет не по наклонной прямой, а по круто взлетающей вверх ветви параболы. Люди поняли и на опыте почувствовали, как важно располагать в труде большими количествами энергии. И я убежден, что цифра годовой выработки электроэнергии, названная Александром Васильевичем, – 12–15 тысяч миллиардов киловатт-часов – будет достигнута еще в этом веке. А к началу XXI века мы будем, я думаю, вырабатывать уже около 20 тысяч миллиардов киловатт-часов в год.

Вы спрашиваете, за счет каких источников энергии будет достигнута эта цифра. По всей вероятности, в общем энергетическом балансе доля тепловых электростанций снизится с 85 процентов в наше время примерно до 50 процентов. Теснить теплоэнергетику будут не только гидроэлектростанции – по моему мнению, они вместе с новыми возможностями «вечных» или возобновляемых источников энергии не смогут давать больше 10–15 процентов от выработки энергии в стране. Значительно более серьезными конкурентами станут атомные станции. К 2007 году на них будет вырабатываться, как мне кажется, не менее 40 процентов всей электроэнергии.

Изменятся ли принципиально сами электростанции? Думаю, что гидростанции останутся без существенных изменений, – их коэффициент полезного действия достаточно высок. А вот в конструкции и тепловых электростанций и атомных должны произойти весьма существенные изменения.

Остановимся сначала на тепловых электростанциях. В чем их главный недостаток? В низком-коэффициенте полезного действия (КПД). Действительно, в электрическую энергию наши тепловые электростанции, снабженные паровыми котлами, турбинами, генераторами, как ни считай, превращают всего около трети заключенной в угле энергии. Один из реальных путей улучшения коэффициента полезного действия, по которому идут и сегодня, – это повышение давления и температуры работающего пара. В паровых турбинах мощностью по 150 тысяч киловатт работает пар с давлением в 170 атмосфер при температуре 550 градусов. Представляете себе такой пар? Его температура соответствует началу красного свечения металла. Современная теплотехника, используя достижения металлургии, стремится к дальнейшему повышению и мощности единичных агрегатов (котел, турбина, генератор) до 300–500 тысяч киловатт в единице и параметров пара до давлений в 300 атмосфер при температуре 650 градусов. Это позволит приблизить КПД к 40 процентам. Но это уже «потолок», для преодоления которого нужны либо новые методы преобразования тепловой энергии в электрическую (скажем, использование плазмы в качестве теплоносителя), либо качественные изменения самой цепочки трансформации энергии и прежде всего исключение из нее стадии тепловой энергии – энергии беспорядочного движения молекул.

Электростанции будущего, я убежден, откажутся от необходимого сегодня длинного ряда преобразований энергии. Вспомните: химическая энергия угля превращается в тепловую энергию пара, затем эта тепловая– в кинетическую: сначала струй пара, затем ротора турбогенератора. И только эта механическая энергия превращается в электрическую.

Наши сегодняшние атомные электростанции являются, по существу, такими же тепловыми электростанциями, в которых паровой котел заменен атомным реактором. Вместе с принципиальной схемой работы они унаследовали и низкий коэффициент полезного действия. Ведь у первой в мире атомной электростанции он менее 17 процентов…

Я думаю, что вторая половина XX века ознаменуется двумя революционными открытиями в энергетике: открытием простого, дешевого по первоначальным затратам и экономичного (я бы даже сказал – самого рационального из всех возможных) способа непосредственного превращения химической энергии топлива, с одной стороны, и атомной энергии, с другой, в электрическую энергию.

Такие превращения принципиально возможны. Напомню, что в настоящее время уже существуют – правда, еще только в лабораториях – полупроводниковые элементы, в которых энергия ядерного распада непосредственно превращается в электрический ток.

В принципе химическая энергия, заключенная и в обычном топливе» не ядерном, может непосредственно трансформироваться в электрическую, минуя стадию тепловой энергии, совершенно аналогично тому, как это происходит в обычной батарейке карманного фонаря. Но от принципов до практической реализации большого масштаба лежит долгий, трудный и захватывающе интересный путь поисков.

Я представляю себе тепловую и атомную электростанции будущего без многочисленных цехов, в которых обычно располагаются различные машины. По всей вероятности, это будет какой-то закрытый реактор, в который будут постепенно подавать «горючее», а по медным шинам в электрические линии будет литься из этого реактора постоянный ток. Коэффициент полезного действия таких электростанций будет не ниже, чем у сегодняшних ГЭС…

Ученый подошел к карте страны, покрывающей целую стену его кабинета. Острие указки замелькало над зелеными пятнами равнин и коричневыми – горных хребтов.

– Мне хочется остановиться еще на одной технической проблеме – создании единой высоковольтной сети, в которую отдадут энергию все электростанции страны и из которой будут брать ее потребители. Эта сеть охватит всю территорию нашей страны.

Я не думаю, что техника будущего, техника коммунизма пойдет по пути «индивидуальных» атомных или термоядерных батарей. Выгоды централизованного электроснабжения от ультрамощных установок сохранят свою силу. Следовательно, значение дальних и мощных электропередач не уменьшится, а возрастет.

В настоящее время максимальная дальность передачи электроэнергии не превышает 1000 километров. Передача энергии будущей энергосети станет осуществляться на значительно большие расстояния. Соответственно должно будет вырасти и напряжение в линиях электропередач. Сегодня нам кажется удивительной энергопередача Волгоград – Москва с напряжением переменного тока 500 тысяч вольт. А к XXI веку обычным будет, вероятно, напряжение постоянного тока в 1,5–2 миллиона вольт. Дальние же линии смогут работать при еще более высоком напряжении.

Как будут выглядеть линии таких электропередач? Бесспорно, придется совершенно по-новому решать вопрос электроизоляции: нужно заставить и электроматериалы, и, главное, воздух, окружающий электроустановки, и Провода линии выдерживать такое напряжение. Можно уверенно сказать, что наряду с воздушными линями будут применяться для дальних передач и подземные кабельные линии. Наряду с переменным током будут действовать передачи и на постоянном токе…

…Я занимаюсь проблемами высокого напряжения, это моя узкая область в науке. Для меня сегодня terra incognita – неисследованная область– напряжения в несколько миллионов вольт. А для ученого XXI века, занимающегося этой же областью науки, мои сегодняшние искания будут давно пройденным этапом. Десятки миллионов вольт получает и исследует он в своей лаборатории…

Тайна солнечной реакции

– Термоядерные электростанции?.. Да, несомненно, они будут построены, – сказал академик Лев Андреевич Арцимович. – И, может быть, не в XXI веке, а в нашем.

Всего четверть века понадобилось человеку, чтобы научиться расщеплять, раскалывать тяжелые ядра атомов радиоактивного урана. Уже дают ток первые атомные электростанции, вышел в плавание первый в мире советский атомный ледокол.

Но сегодня атомная энергетика, основанная на делении ядер тяжелых элементов, уже не является последним словом науки. По общему мнению физиков, следующим шагом энергетики должно быть промышленное использование термоядерных процессов, реакций синтеза, «пережигания» водорода в гелий.

Вопрос стоит так: удастся ли заменить термоядерный взрыв спокойным, управляемым «горением»? Можно ли найти способы постепенного высвобождения термоядерной энергии, чтобы использовать ее не для разрушения, а для мирного созидания? Скажем прямо, за все время своего существования человечество впервые столкнулось со столь сложной научно-технической задачей.

Коротко о топливе для термоядерных реакций. Как известно, у водорода три изотопа – обычный водород, дейтерий, имеющий вдвое больший атомный вес, и тритий – втрое более тяжелый. При соединении ядер этих изотопов друг с другом получаются ядра другого элемента – гелия и выделяются огромные количества энергии.

Изотопы водорода – поистине волшебное по своим качествам топливо, но мы еще не знаем двигателя, в котором мы могли бы это топливо использовать. Мало того, если не считать яростный клубок взрыва водородной бомбы, никому никогда не удавалось осуществить водородную реакцию.

Главная трудность осуществления водородной реакции – создание и поддержание высокой температуры.

Для того чтобы два ядра изотопа водорода, слившись в одно, образовали ядро гелия и выделили при этом энергию, надо их сблизить друг с другом. А сближаться они «не хотят». Ведь оба ядра обладают положительными зарядами, и силы электрического отталкивания не позволяют им сблизиться. Для того чтобы преодолеть эти силы отталкивания, надо разогнать ядра и с очень большой скоростью столкнуть их. Разогнать ядра, сообщить им большую скорость и означает, что их надо нагреть до высокой температуры. Даже при температуре в миллион градусов термоядерная реакция тючти неощутима, ядра почти не сталкиваются между собой. Только при температуре в несколько сот миллионов градусов можно сделать выделение термоядерной энергии заметным.

Но нагреть газ, состоящий из изотопов водорода, до температуры в несколько сот миллионов градусов – это только полдела. Надо этот газ – он имеет совершенно особые свойства, и поэтому его называют плазмой – и удержать при такой температуре, не дать ему охладиться. А плазма охлаждается удивительно легко и быстро. Ее теплопроводность в миллион раз больше, чем у самого теплопроводного металла – серебра;

Конечно, ни одно из известных нам веществ не может выдержать, оставаясь в твердом состоянии, температуру, например, в 100 миллионов градусов. Уже при четырех-пяти тысячах градусов они плавятся и испаряются. Да если бы и нашлось твердое вещество, способное выдержать температуру в миллионы градусов, мы не смогли бы сделать из него сосуд для «хранения» высокотемпературной водородной плазмы. Ведь едва эта плазма пришла бы в соприкосновение со стенкой нашего сосуда, она сразу бы остыла, и термоядерная реакция в ней прекратилась. Как же быть? Из чего сделать сосуд для хранения плазмы, имеющей стомиллионноградусную температуру?

Советские ученые предложили применить для этой цели сосуд из электромагнитных полей – своеобразную магнитную бутыль.

Действительно, ведь плазма состоит из заряженных частиц, и можно создать такое замкнутое электромагнитное поле, сквозь которое частицы плазмы уже не смогут прорваться.

Представьте трубу, которая под очень малым давлением наполнена тяжелым водородом – дейтерием. Пропустим сквозь дейтерий вдоль оси трубы электрический заряд. Он не только раскаляет водород до состояния горячей плазмы, но и заставляет плазму сжаться, собирает ее к оси разрядной трубы в плотно стиснутый «шнур». Ведь при прохождении тока вокруг него возникает концентрическое электромагнитное поле. Оно-то и сжимает дейтерий в «шнур», отодвигает его от стенок трубы к ее центральной оси.

Нужно пропустить через плазму как можно более мощный электрический разряд за возможно более короткий промежуток времени. Тогда брошенные к оси цилиндра ядра водорода получат такой разгон, что смогут сблизиться, преодолеть силы взаимного отталкивания и слиться, вступить в термоядерную реакцию. До этого мы только тратим энергию, а с момента начала реакции будем получать ее. Сейчас уже ставятся опыты, в которых импульсный ток нарастает с очень большой скоростью– 10 миллиардов и даже 100 миллиардов ампер в секунду. Мы наблюдаем излучение нейтронов, которые служат признаком приближения термоядерной реакции.

Надо увеличить силу и быстроту импульсного разряда, чтобы продвинуться дальше в область сверхвысоких температур.

Но тут возникают новые трудности.

Первая и самая главная – неустойчивость плазменного «шнура». Колоссальная теплопроводность и малая теплоемкость плазмы приводят к мгновенному падению температуры, стоит только «шнуру» коснуться стенки цилиндра. Здесь страшен уже не разгон реакции, как в урановом котле, а, наоборот – ее затухание. Затухание это происходит мгновенно, в миллионные доли секунды, и не поддается пока управлению.

Можно и постепенно наращивать величину тока.

Установка, в которой ток нарастает медленно, должна иметь вид не цилиндра, а бублика. Трубу согнули в кольцо. Теоретическое исследование такого «бублика» было широко развернуто в Институте атомной энергии под руководством академика М. А. Леонтовича.

Все шло хорошо до тех пор, пока от этих установок не потребовалась работа на полную мощность. В действие вступили новые факторы, которые нельзя было полностью предвидеть и учесть. Выяснилось, что даже тогда, когда плазменный «шнур», казалось бы, должен быть полностью изолирован от стенок, энергия из плазмы уходит. Потери ее настолько велики, что поднять температуру плазмы до того уровня, который нужен для хода термоядерной реакции, не удается. И мы не знаем точно пока тех лазеек, в которые ускользает энергия. Но, безусловно, и эта загадка будет решена.

Можно представить себе и принципиально иное устройство в качестве сосуда для сохранения высокотемпературной плазмы. Не такое, в которое мы помещаем холодную плазму, а затем ее нагреваем, как воду в самоваре, а нечто вроде термоса, в который мы «наливаем» горячую плазму и который обладает столь высокой теплоизоляцией, что не позволяет ей остывать. Конечно, стенки и такого «термоса» должны состоять из электромагнитного поля.

Такие «термосы» существуют. Их называют магнитными ловушками.

В отличие от других устройств магнитные ловушки удерживают плазму в основном электромагнитными полями, созданными внешними соленоидами. Внутренние токи плазмы не играют тут решающей роли.

Нагревать плазму можно, «впрыскивая» в ловушку быстрые ионы из мощного ускорителя. Можно сделать и по-другому: наполнить ловушку плазмой, а уже затем нагревать плазму динамическими магнитными полями или же током высокой частоты. Наконец, можно получать быстрые ионы и внутри ловушки, ускоряя собственные ионы плазмы постоянным или переменным электрическим полем.

Разработкой такой магнитной ловушки занимались многие советские физики. В 1950 году академик А. Д. Сахаров и И. Е. Тамм предложили первую конкретную модель магнитного термоядерного реактора, в котором предполагалось ионизировать и нагревать разреженный дейтерий. На внешнюю поверхность камеры-«бублика» навивается проволочная катушка, которая создает внутри нее сильное продольное магнитное поле.

Среди разных типов ловушек интересны ловушки с так называемыми магнитными пробками. Впервые их теоретическое исследование начал в 1953 году советский физик Г. П. Будкер. Возьмите пучок гибких ивовых прутьев и сильно стяните проволокой их концы. Перед вами – грубая схема ловушки с магнитными пробками. Вместо прутьев у нее силовые линии магнитного поля, а вместо проволоки на концах пучка – мощные магнитные связки, или, как говорят, пробки. Частицы заперты в центральной, несколько расширенной части пучка и непрерывно мечутся в пространстве между двумя пробками, отскакивая от «стенок». Но и тут частицы плазмы не удается закрыть наглухо. Как только какая-нибудь из них, столкнувшись с другой, начинает двигаться точно вдоль магнитых силовых линий, магнитные пробки не в состоянии удержать ее, и она уходит из ловушки.

Как построить ловушку, которая удерживала бы все частицы, не знает пока никто. Но можно создать такие магнитные системы, где лазейки-, в которые «удирают» частицы, будут резко уменьшены. И когда их создадут, станет возможным поставить задачу непосредственного конструирования термоядерной электростанции.

Как она будет выглядеть? Рано пока еще фантазировать о ее деталях. Но представить себе ее общую схему уже можно.

Вероятно, это будет довольно компактная установка типа замкнутой довольно сложной «бубличной» камеры. Внутри у этого «бублика» будет пылать сильно нагретый плазменный «шнур», а кругом его обступят сложные машины, подводящие к нему ток, а также питающие обмотку основного магнитного поля. Вокруг «бублика» расположится, очевидно, несколько обмоток, в том числе для создания дополнительной устойчивости плазменного «шнура». Все это будет погружено в водяную рубашку, поглощающую нейтроны, охлаждающую стенки «бублика». Это тепло также можно будет использовать на тепловых электростанциях обычного типа.

Если «бублик» сделать диаметром около 10 метров и толщиной 1–2 метра, то мощность электростанции достигнет примерно миллиона киловатт.

В#принципе возможно и прямое превращение части термоядерной энергии в электрическую. Когда плазма после сильного сжатия расширяется, она отжимает силовые линии магнитного поля к стенкам камеры. Они пересекают провода катушек, оплетающие «бублик». В них возникает ток. Пульсируя, плазма работает, как вращающийся ротор электрогенератора. Если удастся когда-либо перевести работу такой электростанции на чистый дейтерий (а это будет, видимо, очень не скоро), можно ожидать, что половина энергии станции будет непосредственно превращаться в электричество.

Это значит, что электрический коэффициент полезного действия ТЯЭС может превосходить 50 процентов. Как видите, многие технические детали и цифры станции можно легко предвосхитить в теоретических расчетах и предположениях. Но пусть вас не обольщает легкость, с которой сейчас многие говорят о деталях электростанции будущего. Пока еще не решена самая главная проблема – не удается практически получить и удержать в реакторе устойчивый «шнур» горячей плазмы. Некоторые ученые даже высказывают сомнение, удастся ли людям в принципе осуществить управляемую термоядерную реакцию. Ведь время, на которое нам удается ее растянуть, смехотворно мало. Как великую победу физики отметили случай, когда плазменный «шнур» продержался в реакторе не миллионную, а стотысячную долю секунды. Положение осложняется неустойчивостью самого объекта исследований.

Иногда сравнивают открытие физиками термоядерной энергии с подвигом Прометея, который украл огонь у богов и научил людей, как с ним обращаться. Что можно сказать об этом сравнении? Если уж пускаться в рискованные аналогии, то нужно прямо и недвусмысленно поставить все на место: физики сделали меньше чем половину дела. Они «украли» у природы огонь, которым светит и греет солнце, но принесли его на землю не в виде спокойного управляемого пламени, а в виде взрывов термоядерных бомб. Физики еще не научили людей, как использовать этот огонь для мирных дел, потому что сами этому пока не научились. Но научатся! И тогда орел, прилетающий терзать печень прикованного к скале Прометея, улетит и не вернется. Тогда совесть всех честных ученых мира будет спокойна. Их уже не будет мучить сознание, что величайшее открытие науки XX века может быть использовано во вред человечеству. Термоядерная энергия – огонь нового Прометея – станет служить миру и созиданию.

Как видите, впереди еще огромная и трудная работа. Но цель ее бесконечно заманчива!