Текст книги "Беседы о физике и технике"

Автор книги: Николай Глухов

Соавторы: Петр Самойленко,Николай Камышанченко
сообщить о нарушении

Текущая страница: 6 (всего у книги 12 страниц)

8. Полупроводниковая техника

Стоит ли здесь говорить о том, что в целом ряде электрических приборов теперь применяют полупроводники?

Едва ли для кого-нибудь это является открытием.

С первых шагов изучения электрических явлений и применения их на практике использовали материалы двух категорий: проводники и изоляторы.

Были известны и такие материалы, которые по своим свойствам не подходили ни к той, ни к другой категории. Их назвали полупроводниками, хотя с таким же успехом могли назвать и полуизоляторами. Подобными свойствами обладают чистые элементы: кремний, селен, германий, теллур. Такие же свойства имеют оксиды и сплавы некоторых металлов.

Свойства полупроводников были известны давно. Но ни электротехника, ни электроника долгое время не проявляли к ним интереса.

РАССКАЖИТЕ О ПЕРВЫХ ПРИМЕНЕНИЯХ ПОЛУПРОВОДНИКОВ

Сначала нашли себе применение некоторые оксиды, в частности два кристалла: цинкит и халькопирит. Было обнаружено (1874), что эти кристаллы обладают чудесным качеством – они могут выпрямлять переменный электрический ток.

В самых первых радиоприемниках для детектирования использовали настоящие полупроводники. Так, А.С.Поповым в 1895 г. был применен порошковый когерер, в котором использовались нелинейные свойства зернистых систем. Однако объяснить, почему только отдельные точки кристалла могли выделять звуковые сигналы и вообще почему эти кристаллы детектировали сигналы, долгое время не удавалось.

В этот период успешно развивалась техника электровакуумных приборов, которые позволяли выпрямлять и усиливать электрические сигналы.

Очень долго ламповые диоды и триоды удовлетворяли запросы всех областей техники. Но по мере перехода в высокочастотный диапазон так называемая паразитная емкость, существующая между катодом и анодом и другими составными элементами вакуумных ламп, оказывала все большее и большее влияние на их работу. Вот тут и вспомнили о кристаллах.

Впрочем, был еще один эпизод, когда кристаллы нашли практическое применение. В 1922 г. сотрудник Нижегородской лаборатории Бонч-Бруевича О. В. Лосев впервые в истории электроники получил усиление без применения ламп. Основой прибора, который Лосев назвал кристодином, был полупроводниковый кристалл.

Американский журнал «Радио Ньюс» и другие называли кристодин «изобретением, делающим эпоху», и предрекали, что кристаллы со временем займут место вакуумных ламп.

Но в те годы этого не случилось. Электронная лампа удовлетворяла запросы, период расцвета вакуумной техники еще только начинался.

Что касается полупроводниковых кристаллов, то наука в то время только приступала к изучению их структуры, а техника еще не могла создать для нужд электроники чистые, лишенные примесей кристаллы.

СНАЧАЛА СТАЛИ ИСПОЛЬЗОВАТЬ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ?

В годы Великой Отечественной войны были разработаны точечные высококачественные и сверхвысококачественные германиевые и кремниевые диоды. Это позволило значительно повысить качество работы радиолокационных станций. В 1942 г. в СССР был начат выпуск полупроводниковых термоэлектрических генераторов для непосредственного преобразования тепловой энергии в электрическую. Термогенераторы использовали для питания переносных радиостанций партизанских отрядов.

Создание и производство этих и многих других приборов стало возможным благодаря фундаментальным теоретическим и экспериментальным исследованиям свойств полупроводников, проведенным группой ученых под руководством академика А. Ф. Иоффе, а также учеными Ториката и Йокояма (Япония), К.Брауном (Германия) и Иклзом (Англия). Физики уже понимали, что в кристаллах можно создать ток разной природы: либо поток отрицательных электронов, либо движение «положительных зарядов».

Техники научились получать чистые кристаллы кремния и германия, а затем добавлять в них нужные примеси, создающие n– и р-проводимости.

Чтобы представить себе, чего стоила эта победа, достаточно привести следующие цифры: в кристаллах, употребляемых для создания полупроводниковых приборов, допускается лишь один атом примесей на один миллиард атомов германия или один атом примесей на 1000 миллиардов атомов кремния!

ПОТОМ ПРИШЛА ОЧЕРЕДЬ ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО ТРИОДА?

Первый полупроводниковый триод был создан в 1948 г. американскими учеными Д. Бардином и В. Браттейном. В кристалл германия, обладающий n-проводимостью, были впаяны два точечных контакта с р-проводимостью. Впоследствии такие триоды получили название точечных. Первый образец плоскостного триода был создан В. Шокли в 1951 г. (рис. 36).

Рис. 36. Плоскостной (а) и точечный (б) полупроводниковые триоды

Мир оценил значение этих открытий. Нобелевская премия, выданная создателям первых полупроводниковых триодов, ознаменовала этот важный этап. В 50-х годах были разработаны разнообразные типы транзисторов, мощных германиевых и кремниевых выпрямительных диодов, тиристоров, фотодиодов, кремниевых фотоэлементов, туннельных диодов и других полупроводниковых приборов.

Полупроводниковые приборы нашли широкое применение в различных отраслях народного хозяйства. В настоящее время трудно представить жизнь современного человека без телевидения, радио. В телевизорах, радиоприемниках, магнитофонах и других бытовых приборах нашли широкое применение полупроводниковые приборы.

ГДЕ ПРИМЕНЯЮТ ФОТОДИОДЫ?

Полупроводниковый диод нашел себе применение во множестве областей. Так, фотодиоды используют для преобразования световой энергии в электрический ток. На многих установках и обрабатывающих станках стоят фотодиоды, обеспечивающие безопасность рабочего: стоит лишь по рассеянности протянуть руку в опасную зону, как световой луч прерывается и сигнал фотодиода мгновенно останавливает станок.

Фотодиоды в сочетании с электрическими счетчиками ведут учет изготовленной продукции или количества пассажиров в метро. Они могут вести контроль за некоторыми параметрами изготовляемой продукции. С помощью полупроводниковой техники в настоящее время электроэнергию можно получать непосредственно из различных форм лучистой энергии – радиоактивной или тепловой. Солнечные батареи очень удобны для спутников: в космосе никогда не бывает пасмурно. Если полупроводниковый диод расположить рядом с радиоактивными материалом, получим атомную батарею, которая способна давать электрическую энергию в течение многих лет.

НЕТ ТАКОГО МЕСТА, ГДЕ НЕ ИСПОЛЬЗУЮТ ПОЛУПРОПРОВОДНИКИ?

До изобретения полупроводникового триода физика твердого тела была главным образом теоретической университетской наукой и являлась областью исследований специализированных институтов и лабораторий. На примере стремительного развития исследований полупроводников видно, как могут взаимно обогатить друг друга «чистая» наука и практические разработки. Областей применения полупроводников существует сейчас так много, что даже простой перечень их занял бы много страниц.

Полупроводниками интересуются специалисты множества областей. И не только специалисты. Полупроводники нужны всем. Научно-технический прогресс немыслим без электроники, использующей полупроводниковые приборы. В свою очередь, интенсивное развитие электроники связано с появлением новых разнообразных полупроводниковых приборов и интегральных схем, которые находят широкое применение в автоматике, радиотехнике, телевидении, в измерительной технике, биологии, в вычислительной технике и т. д.

ЧЕМ ЖЕ ОБУСЛОВЛЕН ТАКОЙ ИНТЕРЕС К ПОЛУПРОВОДНИКОВОЙ ТЕХНИКЕ?

Главным достоинством полупроводниковых устройств, вызвавшим такой большой интерес практиков, является возможность создания в малом пространстве многофункциональных элементов и целых схем, работающих практически безынерционно. Компактность и быстродействие полупроводников позволили перейти на качественно новый уровень исследований и работы, просто невозможный до «полупроводниковой эры». Яркий тому пример – ЭВМ. Только с использованием в них элементной базы на полупроводниках стали они тем, чем являются сейчас, – подлинным катализатором научно-технического прогресса.

Использование полупроводников позволило уменьшить размеры, а также вес радиоэлектронной аппаратуры в десятки и сотни раз, резко увеличить ее надежность.

При создании полупроводниковых устройств с заданными свойствами можно управлять распределением электроактивных примесей (мышьяка, бора, алюминия и т. д.) в кристаллических решетках чистых кристаллов и тем самым создавать в них микрозоны, выполняющие роль диодов, триодов, конденсаторов, сопротивлений, т. е. размещать всю сложнейшую радиоэлектронную схему в одном миниатюрном кристалле. Когда эта задача будет осуществлена полностью, представится возможность не собирать из отдельных деталей, а, что называется, выращивать целиком электронно-вычислительные машины, телевизоры и средства связи.

Влияние, которое оказала полупроводниковая электроника на столь многие отрасли науки и техники, явилось, как мы уже говорили, прямым результатом появления возможности обработки с ее помощью огромного количества информации любого сорта. На первых этапах автоматизация производства и процессов контроля развивалась медленно из-за опасения, что производство окажется в зависимости от центральной ЭВМ, и из-за высокой стоимости управляющих звеньев.

И ЭТУ СТОИМОСТЬ УДАЕТСЯ ПОНИЗИТЬ?

Непрерывное понижение стоимости одной вычислительной операции достигается путем размещения на одной пластинке кремния все большего числа компонентов – диодов, транзисторов, конденсаторов и резисторов. Этому способствуют развитие физики твердого тела и совершенстование технологических процессов изготовления кремниевых пластин, на некоторых из них сейчас можно разместить больше действующих элементов, чем их содержало самое сложное электронное устройство в 60-е годы. Так, если в 1960 г. монокристалл кремния содержал одну деталь схемы, в 1965 г. – 10, в 1970 г. – 1000, то к 1975 г. – уже 32 000. И если нынешние темпы повышения сложности схем будут сохраняться, то через 20–30 лет могут появиться схемы (из называют интегральными) с числом элементов порядка 10⁹.

При этом стоимость одного монокристалла повышалась весьма умеренно и стоимость одного элемента резко упала. Поэтому легко понять, почему полупроводниковая электроника не только сделала возможным создание очень больших вычислительных машин, но и проникла во многие отрасли народного хозяйства. Это позволило контролировать и собирать информацию даже от отдельных небольших этапов технологического процесса.

ЭТИМ ЗАНИМАЮТСЯ МАЛЫЕ И ПЕРСОНАЛЬНЫЕ КОМПЬЮТЕРЫ?

Малые компьютеры, скомпонованные, приспособленные и запрограмированные для выполнения конкретных задач, стали теперь повсеместной принадлежностью лабораторий, промышленных предприятий. Однако возможности одного персонального компьютера ограничены. В инженерной практике существуют задачи различной, в том числе и большой, сложности.

Персональный компьютер можно сделать частью вычислительной системы (сети), включающей в себя много компьютеров. Каждый из них будет что-то делать сам, а другие данные получать от других частей системы.

Компьютеризация большинства сфер нашей деятельности – необходимейшая и неотложная задача. Для ее решения нам предстоит ликвидировать так называемую компьютерную неграмотность и научить практически все население страны пользоваться вычислительной техникой.

КАКОВЫ ОСОБЕННОСТИ СОВРЕМЕННОГО ЭТАПА РАЗВИТИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВОЙ ТЕХНИКИ?

Этот этап характеризуется в нашей стране большим объемом научно-исследовательских и технологических работ, направленных на дальнейшее совершенствование имеющихся и создание новых полупроводниковых приборов.

В последние десятилетия были проведены фундаментальные исследования тонких поликристаллических полупроводниковых пленок. Особенно обещающим является внедрение полупроводниковых пленок, созданных методом облучения подложки в высоком вакууме раздельными атомными и молекулярными пучками от нескольких источников, интенсивность которых позволяет выращивать пленки с заданным составом и свойством.

Такой метод нашел широкое применение при изготовлении полупроводникового материала для специальных диодов – полевых транзисторов, лазеров и интегральных оптических схем.

Современные интегральные схемы отличаются весьма незначительными размерами составных элементов. Дальнейшая миниатюризация включает в себя уменьшение линейных размеров размещенных на пластинке элементов, ширины соединительных линий и диаметров отверстий. Для размещения всех составных элементов на пленке применяют литографический способ. Наиболее употребительная форма литографии – фотолитография, при которой фотоэкспозиция меняет свойств, а светочувствительного вещества пленки. Световая экспозиция, естественно, не может передавать изображение, размеры которого меньше, чем длина волны используемого света. Поэтому еще недавно размеры порядка 1 или 0,5 мкм были крайним пределом размеров микроструктуры интегральной схемы.

В настоящее время в качестве метода, обеспечивающего создание значительно более тонкой структуры схемы, используют электронный или протонно-ионный пучки.

Увеличение плотности элементов на единичной площади монокристаллов приводит к уменьшению времени, необходимого для распространения сигнала от одной цепи к другой. Однако при этом возникают новые сложности. Известно, что каждая схема превращает определенное количество энергии в теплоту. Теплота в конечном итоге должна быть передана какому-то потоку, обычно воде или воздуху, которые выносят ее из системы. При миниатюризации процесс теплоотвода усложняется. Для обеспечения нормального охлаждения монокристаллы должны быть разнесены, но это увеличивает время прохождения сигнала от одного кристалла к другому.

А КАКОВЫ ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭТОЙ ОТРАСЛИ?

Существует несколько интересных предложений для устранения вышеуказанных проблем. Среди них – переход от полупроводниковой к сверхпроводящей электронике, предполагающий, что работа кремниевых устройств будет происходить при низких температурах (обычно при 77 К), т. е. при температуре кипения жидкого азота.

При низких температурах прежде всего возрастает проводимость. Понижение сопротивления металлов позволит сделать более узкими соединительные линии и снизит, таким образом, пространственные требования.

При низких температурах уменьшается мощность рассеяния энергии. А это значит, что для обеспечения тепло– отвода потребуется меньшая площадь. Еще над одним направлением в совершенствовании полупроводниковой техники работают физики. Это замена кремния и германия полупроводниковыми элементами III и V групп таблицы Менделеева. Подвижность электронов в полупроводниковых элементах этих групп значительно выше, чем в других. Так, в сравнении с кремнием подвижность электронов в них в 20 раз больше. В настоящее время арсенид галлия и фосфид индия уже применяют в микроволновых транзисторах и интегральных микроволновых схемах.

Полупроводниковую технику все шире и шире внедряют во все отрасли народного хозяйства. Особенно это показательно для развития микропроцессорной техники и ЭВМ, которые стали важным и надежным инструментом в организации производства, технологических процессов и в конструировании. Это обусловливает необходимость ускоренного развития малых ЭВМ высокой производительности, а также персональных ЭВМ, которые призваны автоматизировать не только производственные процессы, но сделать более производительными и инженерный труд, и учебный процесс на всех уровнях, и быт людей.

9. Электроэнергетика

Все больше и больше времени проходит с того дня 1921 г., когда в нетопленном зале Большого театра, заполненном молодыми бойцами Красной Армии, рабочими и крестьянами, где проходил VIII Всероссийский съезд Советов, прозвучали слова В. И. Ленина о том, что план, разработанный Государственной комиссией по электрификации России (ГОЭЛРО), является второй программой партии. Это были не менее неожиданные слова, чем другое знаменитое высказывание В. И. Ленина: «Коммунизм – это есть Советская власть плюс электрификация всей страны».

И сейчас еще можно услышать вопросы: почему именно электрификация стала частью этой формулы? Почему не машиностроение? Не металлургия?

Ленин так обосновал названную формулу:

«Коммунизм предполагает Советскую власть как политический орган, дающий возможность массе угнетенных вершить все дела… Этим обеспечена политическая сторона, но экономическая может быть обеспечена только тогда, когда действительно в русском пролетарском государстве будут сосредоточены все нити крупной промышленной машины, построенной на основах современной техники, а это значит – электрификация…».

Так начинает раскрываться перед нами глубина формулы: не одна какая-нибудь отрасль экономики, а вся экономика, вся индустрия, все ее ключевые отрасли должны получить развитие на базе новой техники и высшей производительности труда, причем развитие максимальное, комплексное, основанное на глубоко продуманном размещении производительных сил в стране.

ИНТЕРЕСНО БЫЛО БЫ ПРОСЛЕДИТЬ ЗА ТЕМ, КАК РЕАЛИЗОВЫВАЛСЯ ЭТОТ ПЛАН.

Планом, рассчитанным на 10–15 лет, предусматривалось сооружение 30 электростанций общей мощностью 1750 МВт. Мощности эти должны были «набираться» из агрегатов колоссальной по тем временам единичной мощности – до 25 МВт. Таких машин не знала еще ни российская, ни европейская практика, но к их разработке смело приступили инженеры ленинградского завода «Электросила». Среди первенцев наших электростанций были Шатурская ГРЭС (1922) мощностью 5 МВт, Волховская ГЭС (1928) мощностью 30 МВт, Каширская ГРЭС (1922) и др. Самой крупной электростанцией была Днепровская ГЭС мощностью 200 МВт.

Практически каждые 10 лет в стране утраивается мощность электростанций. Соответственно выработка электроэнергии растет на 11 %. И если в 1913 г. выработка электроэнергии в России составила 8 % от выработки в США, то в 1973 г. – 44 %, а в 1984 г. – более 50 %. За время 1913–1974 гг. США увеличили производство электроэнергии в 74 раза, СССР – в 457 раз.

Выдвинутая Лениным задача «сэкономить труд централизацией», задача всемирной концентрации производства электроэнергии, создания мощных высокопроизводительных машин нашла свое развитие в тенденции роста мощностей станции и единичных мощностей агрегатов. Если в начале осуществления плана ГОЭЛРО на станциях устанавливались в основном турбогенераторы мощностью 10–16 МВт, то уже в 1927 г. их единичная мощность достигла 24 МВт. В 1937 г. был создан турбогенератор с рекордной для того времени мощностью 100 МВт, а в 1980 г. на Костромской ГРЭС был запущен блок мощностью 1200 МВт.

Дальнейшее повышение мощностей агрегатов будет связано с широким использованием достижений современной науки – физики и техники сверхнизких температур, физики твердого тела, физики плазмы.

Мы вправе гордиться успехами советской энергетики. В СССР построены крупнейшие в мире тепловые, атомные и гидравлические электрические станции, эксплуатируются и сооружаются линии высокого и сверхвысокого напряжения, ведутся разработки новых способов производства, преобразования и передачи электроэнергии.

КАКАЯ ОТРАСЛЬ ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИКИ СЕЙЧАС ЯВЛЯЕТСЯ ОСНОВНОЙ?

Основная доля электроэнергии вырабатывается на тепловых электростанциях (ТЭС). В последние годы количество выработки электроэнергии на ТЭС уменьшается (84 % в 1970 г. и 80 % в 1980 г.). Однако их роль в энергетике будет еще долгое время оставаться определяющей. Основным химическим топливом на ТЭС являются уголь, нефть, газ, торф, сланец и др.

Большинство крупных тепловых электрических станций в настоящее время работает на угле. Особенно богаты угольные запасы в Сибири. Так, балансовые запасы угля в Канско-Ачинском бассейне составляют 115 млрд. т. На базе этого месторождения планируется построить ТЭС общей мощностью в 5∙10⁴ МВт. Экибастузское месторождение располагает запасами угля в 9,2 млрд. т. На базе этого бассейна планируется строительство ТЭС общей мощностью (1,6÷2,0). 104 МВт.

КАКОВ ВКЛАД ГИДРОЭЛЕКТРОСТАНЦИЙ?

Вторым по значению источником электрической энергии в общем балансе страны являются гидравлические электрические станции (ГЭС).

Электрическая энергия ГЭС самая дешевая, а мобильность ГЭС, т. е. способность в считанные минуты входить в режим, во много раз выше, чем у тепловых и атомных станций. Это особенно важно при автоматизированном уровне управления энергосистемами. Немаловажную роль имеет, несмотря на существенные первичные затраты и длительность строительства, самоокупаемость.

Так, Братская ГЭС дала первый ток в 1961 г. Полная мощность после пуска всех агрегатов составила 4,425∙10³ МВт. В 1977 г. станция уже в 67 раз окупила затраты на свое сооружение. Одновременно произошло сокращение обслуживающего персонала почти на 50 %.

Образование водохранилищ при бережном учете всех факторов должно способствовать улучшению обработки земель, принести воду в засушливые районы. К сожалению, развитие гидроэнергетики далеко не всегда сопровождалось у нас бережным отношением к природе. Печальные результаты этого хорошо известны: затопление большого количества плодородных земель при строительстве равнинных гидроэлектростанций, нарушение водного баланса целых регионов, например Арала и др.

Важное достоинство ГЭС заключается в неиссякаемости энергоресурсов рек и весьма низкой себестоимости вырабатываемой ими электроэнергии. Уже построены Красноярская (6∙10³ МВт), Братская (4,5∙10³ МВт), Иркутская (0,65∙10³ МВт), Богучанская (4∙10³ МВт), Усть-Илимская (4,3∙10³ МВт), Саяно-Шушенская (6,4∙10³ МВт) и др. Вводится ряд крупных ГЭС в Средней Азии и на Дальнем Востоке. Для обеспечения электроэнергией промышленных районов в пиковые часы вводятся гидроаккумулирующие станции – Чебоксарская (2,2∙10³ МВт), Загорская (1,2∙10³ МВт), Днепровская (0,21∙10³ МВт).

И все же энергия рек, видимо, не сможет стать основой энергетики будущего. Специалисты считают, что уже через сто лет практически все гидроресурсы в развитых странах будут задействованы. Даже при этом гидроэлектростанции дадут не более 1/5 всей потребной энергии.

ВЫ СКАЗАЛИ О НЕИСЧЕРПАЕМОСТИ ЭНЕРГИИ РЕК. ЭТОГО НЕ СКАЖЕШЬ О ТОПЛИВЕ ДЛЯ ТЕПЛОВЫХ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЙ.

К сожалению, и запасы нефти, газа, угля – наиболее популярных в современной энергетике топлив – отнюдь не бесконечны.

Миллионы лет понадобились природе, чтобы создать эти запасы, расходуются же они несравненно быстрее. По оценкам экспертов, всех разведанных на Земле запасов угля, нефти и газа хватит примерно на 175 лет. Конечно, могут быть разведаны новые месторождения, могут быть разработаны новые методы извлечения топлива из земных недр, но скорее всего возрастет и потребление энергии.

ЗНАЧИТ, НУЖНЫ НОВЫЕ ИСТОЧНИКИ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ?

В поисках новых источников ученые давно исследуют ресурсы, таящиеся в водах Мирового океана. Одно из направлений – использование энергии приливов. Советские исследователи считают, что современное состояние техники в СССР позволяет построить приливные электростанции с общей годовой выработкой 10⁸ МВт электроэнергии.

В 1968 г. дала первый ток советская приливная электростанция (ПЭС) мощностью 0,4 МВт в заливе Кислая Губа вблизи Мурманска. Она стала прообразом приливных электростанций, проектируемых в нашей стране.

В СССР используют и другие источники для получения электрической энергии. К ним относятся тепло подземных вод, энергия Солнца, ветра и др. Уже сейчас по стоимости киловатта мощности установки, использующие энергию ветра, могут конкурировать с энергией, вырабатываемой на тепловых электростанциях. Однако названные источники энергии вряд ли в ближайшем будущем смогут удовлетворить все возрастающие потребности в электроэнергии.

ВЫ НИЧЕГО НЕ СКАЗАЛИ ОБ АТОМНОЙ ЭНЕРГЕТИКЕ. ЧТО, ПОСЛЕ ЧЕРНОБЫЛЯ В НЕЙ ПОЯВИЛИСЬ СОМНЕНИЯ?

Катастрофа на Чернобыльской АЭС показала, как далеко зашло человечество во взаимоотношениях с тем миром, в котором оно существует, насколько высокой бывает цена халатности и ошибки. Какой вывод из этого надо сделать? – Остановиться в движении вперед? Или двигаться так, чтобы исключить подобные ошибки?

Использование энергии расщепления атомного ядра – естественный шаг на пути расширения энергетической базы, попытка уменьшить непроизводительную трату невозобновляемых земных ресурсов: нефти и газа.

В некоторых случаях атомная электростанция – единственная возможность создания промышленной энергетической базы (например, в условиях Заполярья). Уже сейчас атомная энергетика, хотя и является молодой отраслью науки и техники, составляет заметную долю в энергетическом комплексе страны. Первая в мире атомная электростанция (АЭС) мощностью около 5 МВт была пущена в СССР в 1954 г. Мощность станции небольшая, но с ее пуском была доказана возможность мирного использования энергии атома.

В СССР разработана долговременная программа строительства АЭС. В конце 1985 г. в СССР построено или находится в стадии строительства свыше 30 АЭС общей мощностью 26 803 МВт, среди которых Ленинградская имени В. И. Ленина, Нововоронежская имени 50-летия СССР, Курская, Смоленская и др.

Ведутся разработка и освоение производства энергоблоков мощностью 800 тыс. кВт с реакторами на быстрых нейтронах. Решаются научно-технические проблемы, связанные с созданием энергоблоков мощностью 1500 тыс. кВт с реакторами на тепловых нейтронах и мощностью 1600 тыс. кВт с реакторами на быстрых нейтронах.

Нет сомнений в том, что атомная энергетика заняла прочное место в энергетическом балансе. Но надолго ли хватит урана? Не встанет ли перед человечеством та же проблема, что и сейчас, – проблема ограниченности запасов природных источников энергии? По подсчетам ученых, атомного топлива хватит очень надолго. На несколько сотен лет хватит урана, находящегося в земной коре. А дальше? Около 4 млрд. т урана растворено в воде Мирового океана. Правда, извлечение его из морской воды пока еще недостаточно освоено. Однако нет никаких сомнений, что эта техническая задача будет решена.

И ВСЕ ЖЕ НЕОБХОДИМ НЕИССЯКАЕМЫЙ ИСТОЧНИК ЭНЕРГИИ.

Наиболее перспективным источником электроэнергии станет использование термоядерного синтеза. Теоретическая схема высвобождения термоядерной энергии совершенно ясна. Да и практически ядерный синтез осуществлен в земных условиях при взрывах водородных бомб. Получить же управляемый термоядерный синтез оказалось крайне сложной задачей. Плазма оказалась очень капризной субстанцией, сопротивляющейся всем попыткам ограничить ее свободу. Большие трудности предстоит преодолеть ученым при осуществлении термоядерной реакции. Солнце на Земле пока еще остается мечтой ученых. Но многие достижения последнего времени свидетельствуют о том, что эта мечта станет явью. Видимо, уже в XXI в. человечество получит в свое распоряжение неиссякаемый источник энергии.

В настоящее время успешно продвигаются работы по управлению термоядерной реакцией на основе магнитного удержания высокотемпературной плазмы. В 80-е годы был достигнут большой прогресс в этой области, в особенности на установках типа ТОКАМАК, разработанных советскими учеными. Например, в ТОКАМАК Т-10 ведутся исследования физических свойств плазмы при температуре в девяносто миллионов градусов. Эта температура была получена в 1987 г.

Полным ходом сооружается более крупный ТОКАМАК Т-15, предназначенный для изучения плазмы с параметрами реального термоядерного реактора.

В отличие от существующей энергетики термоядерная энергетика будет работать на водороде, точнее, на изотопе водорода – дейтерии. Кроме того, в термоядерном реакторе будет использоваться литий.

Переработка воды и добыча из нее дейтерия будут производиться не на самой электростанции, а централизованно для всех станций страны. Процесс этот давно и хорошо отработан и уже сейчас настолько дешев, что затраты на дейтерий не идут ни в какое сравнение с затратами на добычу обычного топлива. А если учесть, что максимальная энергия, которую можно производить на Земле, не рискуя вызвать климатической катастрофы, ограничена примерно 1 % падающей на Землю солнечной энергии, то при такой мощности электростанций запасов дейтерия в воде океанов хватит примерно на 300 млн. лет.

ХОТЯ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИЮ ЛЕГКО ПЕРЕДАВАТЬ НА РАССТОЯНИЕ, ПРОБЛЕМЫ ЕЕ ПЕРЕДАЧИ ВСЕ ЖЕ СУЩЕСТВУЮТ?

Сегодня каждый школьник знает, что электроэнергия передается по проводам откуда угодно и куда угодно. Передавать электроэнергию приходится на большие расстояния. Это связано, во-первых, с тем, что около ³/₄ энергетических ресурсов находятся у нас на Востоке страны, более 70 % потребителей энергии и около 80 % населения – в европейской части. В ближайшем будущем это соотношение вряд ли существенно изменится.

Во-вторых, переработка больших количеств электроэнергии необходима нам из-за огромной протяженности страны с востока на запад. Когда на востоке страны наступает ночь, за Уралом начинается трудовой день и потребление энергии там резко возрастает. Как известно, электрическую энергию еще не научились запасать впрок в сколько-нибудь значительных количествах. Производственную энергию нужно сразу потребить. Да и выключить «на время» современную электростанцию невозможно.

Проблема передачи больших количеств электрической энергии на большие расстояния необычайно сложна. Часть энергии при передаче расходуется на нагревание проводов, т. е. теряется бесполезно. Чтобы уменьшить эти потери, приходится повышать напряжение, при котором передается энергия. После ввода в 1922 г. Каширской ГРЭС, а затем в 1925 г. Шатурской были построены первые в стране линии передачи напряжением 110 кВ. В годы первых пятилеток напряжение в линиях электропередачи повысилось до 220 кВ.

Ввод в действие Куйбышевской и Волгоградской ГЭС потребовал для передачи больших количеств энергии и перехода на новые напряжения. К 1958 г. была построена линия передачи на 500 кВ. Уже более 60 лет продолжается своеобразная «гонка напряжений»: каждые 10–15 лет напряжение в линиях передачи увеличивается в среднем в 1,75 раза.

ЧЕГО НАМ ЖДАТЬ В БЛИЖАЙШИЕ ГОДЫ?

Сейчас в СССР применяют линии передачи на переменном токе с напряжением 750 кВ и на постоянном – 80 кВ. Ведутся работы по созданию линии электропередачи Казахстан – Центр протяженностью 2,7 тыс. км на постоянном токе с напряжением 1,5-106 кВ и линии передачи на 1,15∙10⁶ кВ на переменном токе. Эта линия свяжет мощные тепловые электростанции, построенные в Экибастузском угольном районе, с энергопотребляющими районами Центра европейской части СССР. В дальнейшем для передачи электроэнергии из Восточной Сибири в европейскую часть страны, по всей вероятности, потребуется сооружение линий электропередачи на постоянном токе с напряжением 2,2–2,4 млн. кВ.