Текст книги "...И до 1990 года"
Автор книги: В. Федченко
сообщить о нарушении
Текущая страница: 4 (всего у книги 13 страниц)
Все это фундаментальные работы, глубокие исследования в области физики твердого тела, но цели у них вполне конкретные – электростанции, например, в пустынных районах, где с площади в несколько квадратных километров снимается энергетический «урожай», достаточный для среднего города. Крупномасштабная солнечная энергетика многим специалистам представляется делом далекого будущего. Однако есть область, где уже сегодня широко используются солнечные электростанции, созданные на основе достижений физики полупроводников. Это установки, обеспечивающие электропитание космических аппаратов, и прежде всего долговременных орбитальных станций, телевизионных ретрансляторов, межпланетных лабораторий.
Размышляя о солнечной энергетике, мы неизбежно затрагиваем экологические аспекты потребления и производства энергии, о которых сейчас так много пишут во всем мире. Здесь, видимо, нужно выделить две главные проблемы. Одна из них состоит в определении того количества энергии, которое потребуется человечеству, и того количества, которое можно использовать без опасности для окружающей природной среды. Вторая проблема связана со способами добывания энергии, с использованием таких ее источников, которые не оказывали бы недопустимо вредного влияния на нашу среду обитания.
Вопрос о количестве потребляемой энергии на первый взгляд может показаться неуместным – какая вроде бы разница, сколько мы будем топить печей, зажигать электрических лампочек или сколько километров будут покрывать наши самолеты, поезда и автомобили? Земля находится как бы в холодильнике; она окружена ледяным космосом, и даже августовским днем температура за бортом реактивного самолета, летящего на высоте всего 10 километров, около минус 40 градусов. И сколько бы тепла ни выделяли все наши механизмы, оно ведь должно быть безболезненно поглощено бездонным космическим радиатором!
Но вот оказывается, что для планеты такого типа, как наша Земля, имеющей атмосферу, величина выделяемого тепла, которое определяется общим количеством потребляемой энергии, очень сильно влияет на тепловой режим тех самых областей, где живет и работает человек. Причем влияет не столько непосредственно, сколько через сложный усилительный механизм, главную роль в котором играет все тот же парниковый эффект. Сущность его не раз описывалась в печати, и я лишь скажу, что на поверхности Венеры в основном из-за сильного парникового эффекта температура достигает плюс 500 градусов Цельсия – для земной жизни малопривлекательная перспектива. Однако именно ее и нужно иметь в виду, развивая земную энергетику. Ведь сравнительно небольшой подъем температуры, связанный с чрезмерным производством и потреблением энергии, может привести к некоторому увеличению плотности облачного слоя, и за ним последует лавинообразное повышение температуры из-за парникового эффекта, который сам себя усиливает, повышая плотность облаков.
Если для оценок всеобщего потребления энергии пользоваться традиционными единицами измерения – калориями, джоулями или киловатт-часами, то придется оперировать очень большими и потому не очень наглядными числами – многими миллионами миллиардов и даже миллиардами миллиардов. Поэтому в мировой литературе для глобальных оценок и прогнозов часто употребляют новую единицу измерения, сокращенно обозначенную буквой Q и связанную со «старыми» единицами таким соотношением: Q – 2,5-1017 килокалорий = 1021 джоулей = 3•1014 киловатт-часов тепловой энергии. Чтобы представить то количество энергии, которое стоит за единицей Q, приведем такой пример: всего 0,3 Q тепла понадобилось бы, чтобы вскипятить все Азовское море; приблизительно столько же потребляет энергии все население планеты в год, а по прогнозам, годовое потребление энергии в 2000 году достигнет 0,8 Q; эксперты Десятой международной энергетической конференции оценили все геологические запасы угля примерно в 240 Q, запасы нефти и газа примерно в 60 Q (разведанные запасы примерно в 8—10 раз меньше); согласно оценкам тех же экспертов солнечное излучение приносит на Землю в год примерно 2000 Q.
Сопоставление приведенных данных может породить чувство полной успокоенности: мол, человечеству ни сейчас, ни в будущем не грозят неприятности типа парпикового эффекта или иные беды, связанные с перегревом планеты за счет чрезмерного производства энергии нашим индустриальным обществом.
Действительно, если сравнить потребляемую, а значит, и производимую в наше время энергию 0,3 Q в год с 2000 Q Солнца, то окажется, что человек вносит в тепловой баланс планеты всего чуть больше сотой доли процента. Величина эта вряд ли может испортить более или менее стабильно работающую природную тепловую машину.
Сегодня в развитых странах на каждого человека приходится в среднем 4—7 киловатт мощности. Эти цифры – очень важный показатель производства материальных благ, они говорят о том, насколько энергично помогают нам разного рода машины, сколько энергии потребляют фабрики и заводы, чтобы обеспечить людей обувью, одеждой, телевизорами, удобрениями для выращивания богатых урожаев и многим другим.
Можно ориентировочно прикинуть, чему равна средняя мощность самого человека, когда он, скажем, выполняет достаточно тяжелую физическую работу. Она равна примерно 2 ваттам. А средняя мощность помогающих ему машин, еще раз напомним, – 4—7 киловатт. Это значит, что на одного работающего человека приходится 2—3 тысячи тепловых, электрических, механических и иных «железных» работников.
Общее энергопотребление в ближайшие десятилетия будет расти. Но по поводу средней потребляемой мощности мнения разных экспертов сильно расходятся, что вполне объяснимо: прогнозирование этого показателя – проблема не только и даже не столько техническая, сколько социальная. Чаще других называют две возможные граничные величины, при которых произойдет стабилизация роста средней потребляемой мощности, – минимальную 10 киловатт и максимальную 20 киловатт. Причем предполагается, что такая стабилизация произойдет где-то в конце следующего столетия, когда население планеты достигнет 11 миллиардов человек. Исходя из этих прогнозов и имея в виду их условность, можно подсчитать максимальную энергию, которую будет производить человечество в конце будущего столетия, – она составит около 7Q, то есть 0,3 процента от получаемой планетой солнечной энергии. Допустима ли такая цифра? Не угрожает ли она установившемуся температурному равновесию? Не вызовет ли серьезных климатических катастроф?
Подобные вопросы в последнее время интенсивно обсуждаются, к ним приковано серьезное общественное внимание, но, судя по всему, удовлетворительного ответа пока нет. Потому что таким ответом должно быть допустимое количество энергии, которое можно производить без опасений. Причем величина эта должна быть абсолютно надежно обоснована, ошибка здесь недопустима – планета у нас одна, и с ней нельзя производить рискованные эксперименты.
Сейчас проблема пределов энергопотребления исследуется на высоком теоретическом уровне, в ее решение включились квалифицированные математики и физики, вместе с метеорологами они строят математические модели сложнейшей машины, «детали» которой Солнце, разогреваемая Солнцем и изнутри Земля, океаны и материки, льды, дожди и ветры, многослойные облачные массивы. Но если вопрос о том, сколько энергии может производить человечество, еще нужно обсуждать, то вопрос о том, каким способом должна добываться эта энергия, уже сейчас достаточно ясен. Во всяком случае, понятно, что то огромное количество энергии, которое потребуется нашей планете уже в первые десятилетия следующего века, нельзя будет получать основным применяемым ныне способом – сжигая органическое топливо, то есть уголь, газ, нефть.
Во-первых, потому, что запасы этого топлива не бесконечны, исчерпав их до конца для нужд энергетики, мы лишим химическую промышленность ценнейшего и незаменимого сырья – вспомните прекрасное образное предостережение Д. Менделеева, напоминавшего, что топить нефтью – это все равно что топить ассигнациями. Но ограниченность ресурсов еще не все – продукты сгорания органического топлива, такие, например, как окись углерода, углекислый газ, сернистый ангидрид и ряд других соединений, уходят в атмосферу, и одновременно из нее извлекается кислород.
У этого процесса есть несколько весьма неприятных последствий. Вот одно из них, многим уже знакомое по собственному опыту, – резко ухудшается состав воздуха, которым дышит человек. Недаром на улицах некоторых столиц есть автоматы, примерно такие же, какие у нас продают газированную воду. Торгуют эти автоматы чистым воздухом – опустил монету и можешь немного подышать на задымленной стадами автомобилей улице. Хирурги знают, как отличаются легкие человека, живущего на лоне природы, от легких горожанина, – у одного легочная ткань нормальная, розоватого цвета, у другого – просто-таки серая, закопченная. По поводу наших взаимоотношений с дымящей техникой очень хорошо высказался один американский метеоролог в книге с многозначительным названием «Загрязненное небо». Он сказал: «Или люди сделают так, что станет меньше дыма, или дым сделает так, что станет меньше людей».
Нисколько не умаляя значения серьезных исследований и крупномасштабных практических работ, направленных на то, чтобы уменьшить загрязнение атмосферы энергетическими установками, работающими на органическом топливе, нужно сказать, что главный источник оптимизма все-таки связан с изменением самой структуры производства энергии. Конкретно – со всевозрастающей ролью атомной энергетики.
Для начала нужно отметить, что уже освоенные процессы добывания энергии из атомного ядра – процессы, использующие деление ядер тяжелых элементов, прежде всего урана, на многие десятилетия и даже столетия обеспечены исходным сырьем. Сейчас, правда, в ядерных реакторах в основном «сжигается» лишь один из изотопов урана, уран-235, которого в природном уране сравнительно мало – всего 0,7 процента. Но уже имеется успешный опыт эксплуатации так называемых реакторов-размножителей, в частности, реакторов на быстрых нейтронах, в которых используется значительно более распространенный уран-238. Наряду с энергией эти реакторы дают другой вид ядерного «горючего», как бы размножают исходный источник энергии. Первой в мире мощной установкой на быстрых нейтронах был реактор БН-350 мощностью 150 мегаватт в городе Шевченко; сейчас в стране созданы и значительно более мощные реакторы этого класса.
Широкое освоение реакторов на быстрых нейтронах позволит использовать уже не доли процента, а примерно 30—40 процентов природного урана. Огромное значение работ этого направления видно уже по тому, что они особо отмечены в документах XXVI съезда партии.
Что же касается атомной энергетики в целом, то в конце одиннадцатой пятилетки, то есть в 1985 году, на ее долю придется 220—225 миллиардов киловатт-часов электроэнергии, почти столько же вырабатывают все гидроэлектростанции страны. А вместе эти оба вида чистой энергетики дадут почти треть всей электроэнергии, которая будет выработана в стране.
То, что атомная энергетика, так же как гидроэнергетика, названа чистым видом производства энергии, кое у кого, видимо, вызовет недоумение. К сожалению, использование энергии атомного ядра в сознании некоторых людей связано с предрассудками, скорее всего порожденными зловещим дебютом этого источника энергии в атомном оружии. Вместе с тем ядерная энергетика в действительности является чистой, во всяком случае значительно более чистой, безвредной для человека и среды его обитания, чем энергетика тепловая, основанная на сжигании угля и нефти.
Проблема безопасного захоронения радиоактивных отходов решается на высоком научном уровне, решается надежно. Попутно заметим: количество отходов, которое подлежит изолированию, сравнительно невелико. Американские физики подсчитали, что даже если вся энергия в их стране будет производиться на атомных электростанциях, то для захоронения радиоактивных отходов понадобится участок земли площадью всего в один квадратный километр. Что же касается разного рода неуправляемых утечек радиоактивных веществ, то на современных атомных электростанциях они настолько малы, что ими вполне можно пренебречь. Во всяком случае, эти утечки значительно меньше, чем выброс радиоактивных веществ, которым неизбежно сопровождается сжигание любого химического топлива. Тем, кому слово «меньше» покажется недостаточно убедительным, сообщим цифры – современная атомная электростанция выбрасывает в атмосферу в 500—1000 раз меньше радиоактивных веществ, чем тепловая электростанция такой же мощности.
Сегодня, по данным Международного агентства по атомной энергии, более чем в 20 странах мира работает почти 250 атомных электростанций, они производят почти 6 процентов всей мировой электроэнергии. Любые прогнозы развития энергетики сходятся на том, что доля атомных электростанций в энергопроизводстве будет расти. Эта тенденция отражена и в «Основных направлениях экономического и социального развития СССР на 1981—1985 годы и на период до 1990 года»: наряду с необходимостью улучшать использование топливно-энергетических ресурсов и сокращать потребление нефти и нефтепродуктов в качестве печного топлива отмечается необходимость развивать атомную энергетику опережающими темпами.
По многим прогнозам через 30—50 лет почти всю электрическую энергию, производимую на планете, будут вырабатывать именно атомные станции. Но, как писал в журнале «Коммунист» президент Академии наук А. Александров, даже такая полная «атомизация» электроэнергетики лишь на 20 процентов уменьшит потребление природного топлива, а нефти и газа – и того меньше. Поэтому «наступило время подумать и о других сферах применения атомной энергии. Выработка промышленного и отопительного тепла, включение атомной энергетики в металлургию и химическую промышленность являются задачами значительно более крупными, чем электроэнергетика. В ближайшие годы человечество, конечно, станет свидетелем проникновения ядерной энергетики в эти области».
Советские физики, занимающиеся расширением сфер использования атомной энергии, работают, в частности, над двумя крупными проблемами. Одна из них – создание реакторов, вырабатывающих тепло при температуре 800—1000 градусов, – это примерно в два раза выше, чем в типичных реакторах, используемых ныне на атомных электростанциях. Чтобы пояснить важность создания высокотемпературных реакторов, достаточно сказать, что они найдут применение в такой прогрессивной технологии, как бездоменное производство металла.
Не менее значительны работы по производству низкотемпературного тепла в ядерных реакторах. На основе этих работ создаются атомные станции теплоснабжения, сокращенно ACT, Такие станции будут использоваться для централизованного теплоснабжения крупных городов, то есть они будут отапливать жилища и предприятия, обеспечивать горячее водоснабжение.
То, что от реактора ACT нужно получать сравнительно низкую температуру, примерно 150 градусов, резко упрощает всю систему, отпадает необходимость в мощных насосах, парогенераторах, конденсаторах, работающих к тому же в контуре, связанном непосредственно с самим реактором, вся система получается исключительно простой, надежной, удобной в эксплуатации.
В нашей стране уже строятся довольно крупные ACT, в частности, в Воронеже и Горьком они будут снабжать теплом районы этих городов, имеющие по 300—400 тысяч населения. Предполагается, что уже через 10—15 лет потребление низкотемпературного тепла в стране достигнет 6 миллиардов гигакалорий; для получения такого количества тепла пришлось бы сжечь практически всю нефть, добываемую в стране в течение года. Отсюда ясно, какой огромный экономический эффект могут дать атомные станции теплоснабжения.
Все, что говорилось до сих пор об атомной энергетике, относится к получению энергии в реакциях ядерного деления. Но это не единственный способ поставить на службу человеку энергию, скрытую в недрах вещества.
Надежды на энергетическое изобилие вот уже несколько десятилетий связаны с возможностью зажечь на Земле рукотворное и надежно управляемое мини-солнце – использовать энергию, выделяющуюся при синтезе (соединении) ядер водорода в ядро гелия. Любопытно, что возможность получения энергии из этой термоядерной реакции учеными была понята на несколько лет раньше, чем возможность использования энергии, выделяемой при делении ядер урана. Но вот урановые реакторы уже много лет работают, их вклад в энергетику с каждым годом резко возрастает, а энергию синтеза водородных ядер (термоядерную энергию, термояд) пока реально использовать не удается.
История термоядерных исследований сама по себе достойна внимания, в ней можно найти немало интересного, поучительного. Увидеть, в частности, как природа последовательно ставила на пути физиков одно сложное препятствие за другим и как у исследователей находились силы и даже мужество, чтобы эти нескончаемые препятствия преодолевать.
Сейчас работы ведутся в двух основных направлениях: на установках с магнитным удержанием высокотемпературной плазмы – в «токамаках» и «стелараторах», и в так называемых инерциальных системах, где микроскопические порции горючего должны непрерывно подаваться в реактор и нагреваться до необходимых сотен миллионов градусов за счет сильнейшего сжатия с помощью мощных лазерных лучей, электронных или ионных пучков.
Естественно, что специалисты, работающие на каждом из этих направлений, лучше других видят его достоинства, и не исключено, что в будущем будут мирно сосуществовать термоядерные установки с реакторами разных типов. Но сегодня, пожалуй, больше других продвинулись к заветной цели, к самоподдерживающейся термоядерной реакции, «токамаки» – установки, родившиеся в нашей стране и ныне широко развиваемые во всем мире. В нескольких странах проектируются или уже начали создаваться достаточно большие «токамаки», в которых можно будет осуществить зажигание самоподдерживающейся термоядерной реакции не с целью получения энергии, а для начала с целью исследования этого процесса. Пока же на «токамаках» идет уточнение ряда важных деталей, идет подготовка к постройке больших реакторов.
Интересные результаты получены в Институте атомной энергии имени И. В. Курчатова на установке «Токамак-7», где впервые использованы сверхпроводящие магнитные системы.
Пуск этой установки ожидался с некоторым трепетом – очень хотелось знать, насколько устойчиво она будет работать. Оказалось, что «Токамак-7» работает устойчиво, надежно, его непрерывно эксплуатируют месяцами, включают для проведения исследований на целый день без перерывов, в то время как более ранние машины таких масштабов включались для кратковременных экспериментов на считанные секунды. За счет сверхпроводящих магнитов «Токамак-7» несравненно экономичнее своих предшественников.
Надежность установки, которую можно считать прообразом реального реактора, вселяет оптимизм, главный источник которого – полученные на «токамаках» параметры плазмы, уже близкие к тем, что должны обеспечить непрерывную реакцию с выделением энергии.
Можно предположить, что термоядерный реактор на основе «токамака» будет работать или непрерывно, или многоминутными циклами с примерно секундными перерывами для выполнения некоторых вспомогательных операций. Чтобы получить устойчивую самоподдерживающуюся реакцию, которая будет выделять больше энергии, чем потребляет установка, нужно иметь достаточно плотную водородную (точнее, дейтерий-тритиевую) плазму (то есть само термоядерное горючее) и удерживать ее длительное время без заметного снижения начальной температуры.
Сейчас на разных установках получены параметры, довольно близкие к требуемым, но добыты они раздельно, не комплексно. Если, например, температура близка к термоядерной, то при этом плотность плазмы или время сохранения нужной температуры в несколько раз меньше, чем требуется. Уже само это «в несколько раз меньше», огорчительное для человека непосвященного, говорит о заметном прогрессе физики – еще не так давно параметры плазмы в «токамаках» в сотни и даже в тысячи раз отличались от того, что нужно для самоподдерживающейся реакции.
Четыре группы исследователей сейчас создают установки, в которых они надеются зафиксировать весь необходимый комплекс параметров, – в СССР, США, Японии и в Объединении европейских стран. Совместными усилиями этих групп по инициативе Советского Союза разработан проект крупнейшего международного «токамака» «Интор», который мог бы заметно превзойти не только существующие, но и проектируемые национальные установки, сделав таким образом важный шаг от экспериментов к термоядерной электростанции.
Интенсивно развиваются и работы по исследованию инерциальных систем, где энергию предполагается получить, так сказать, в пулеметном режиме – от непрерывной очереди термоядерных микровзрывов в сильно сжимаемых микроскопических дейтерий-тритиевых мишенях, которые одна за другой поступают в реактор.
Сейчас исследуются три основные сжимающие системы для инерциальных установок – мощное лазерное излучение, интенсивные пучки электронов или ионов и сильные магнитные поля. Исторически раньше других начались работы в области лазерного термоядерного синтеза, причем здесь много интересных пионерских работ выполнено в ФИАНе – Физическом институте имени П. Н. Лебедева.
Сейчас уже можно сказать, что результаты, которые получат на инерциальных установках, будут определяться мощностью, вложенной в мишень. Судя по всему, это должна быть внушительная величина – примерно 1014 ватт, то есть сто миллионов мегаватт. Как известно, увеличить мощность можно двумя путями: повышая энергию или уменьшая время, в течение которого она действует. Сейчас на всех трех направлениях – лазеры, пучки частиц и магнитные поля – получены довольно большие мощности, но при разных соотношениях энергии и длительности импульса: в лазерных системах при сравнительно небольшой энергии и рекордно коротких импульсах, в системах с магнитным сжатием, наоборот, при большой энергии и довольно продолжительном импульсе и, наконец, в установках с пучками частиц, таких, например, как советская «Ангара-1», при некоторых промежуточных параметрах. Ведущиеся работы позволят решить, какой из трех, как сейчас принято говорить, драйверов имеет основные достоинства.
Размышляя об успехах и проблемах современной физики, о том, насколько исследования в этой обширной области продвигают вперед наши знания, неизбежно обращаешься и к другим областям науки. Физика, исследуя наиболее фундаментальные, глубинные процессы и структуры материи, создает фундамент практически для всех отраслей естествознания и входит в эти области в виде таких, например, важнейших научных направлений, как биофизика, геофизика, химическая физика, металлофизика, радиофизика и др. Каждое из этих направлений достойно отдельного подробного обзора, и довольно трудно представить себе, как можно было бы объединить в одной статье даже короткие упоминания о них. Однако есть такая взаимодействующая с физикой область, о которой непременно следует сказать несколько слов. Речь идет о математике.
Так сложилось, что в сознании многих людей физика и математика бытуют неразрывно, о чем свидетельствует, в частности, узаконенное словосочетание «физико-математический». Эта ситуация вполне объяснима: исторически физика раньше других областей науки начала широко использовать математические методы, да и сама методология современной физики в огромной мере опирается на применение и даже на разработку математического аппарата. Но желание сказать несколько слов о математике связано совсем не с этим, не с той важной ролью, которую она играет в прогрессе физики. Побудительная причина – совершенно новый уровень математизации всей нашей научной и практической деятельности, на который мы поднимаемся с появлением доступных электронно-вычислительных машин. Нам необходимо во многих случаях изменить сам строй нашего мышления в отношении этих машин, научиться более четко организовывать, алгоритмизировать свои рассуждения и размышления, используя технику, особенно для выполнения рутинных вычислительных или логических операций. Должна произойти определенная ломка нашей психологии. Процесс этот непростой, но неизбежный.
Физика, несмотря на свою фундаментальность, никогда не отгораживалась стеной, академизма от нужд практики, от запросов техники, химии, биологии и других областей, опирающихся на физические исследования. Сильна связь физики с практической деятельностью человека в нынешнее время, особенно в нашей стране, где использование научных открытий всегда, без каких-либо исключений, согласуется с интересами общества и возведено в ранг государственной политики. Но конечно же, поиск новых направлений использования результатов тех или иных фундаментальных работ, развитие прикладных исследований с учетом реальных интересов практики, передача научных достижений промышленности, то, что обычно называют внедрением, – все это области, в которых ученый всегда может изыскать резервы инициативы, творческой и деловой активности. Именно об этом напоминают нам слова Леонида Ильича Брежнева, произнесенные с трибуны XXVI съезда КПСС: «Страна крайне нуждается в том, чтобы усилия «большой науки», наряду с разработкой теоретических проблем, в большей мере были сосредоточены на решении ключевых народнохозяйственных вопросов, на открытиях, способных внести подлинно революционные изменения в производство».
Советские физики, как и все наши ученые, концентрируют свои усилия на разработке ключевых научных проблем, на продвижении вперед по всему фронту фундаментальных исследований. В то же время они всегда ищут и будут искать возможность прийти на помощь технике, промышленности, народному хозяйству страны, видят в этом свою первейшую профессиональную обязанность, свой высокий гражданский долг.
