Глава 4

ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИКА

1. ПЛАН ГОЭЛРО- ПЕРВЫЙ В МИРЕ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ПЛАН РАЗВИТИЯ НАРОДНОГО ХОЗЯЙСТВА

Основоположники научного коммунизма К. Маркс и Ф. Энгельс видели в открывающихся перспективах элек­троэнергетики новый этап в экономическом, политиче­ском и культурном развитии человечества. Так, вспоми­ная о своей беседе с К. Марксом, В. Либкнехт писал: «Вскоре у нас зашла речь об естествознании, и Маркс издевался над победоносной реакцией в Европе, кото­рая воображает, что революция задушена, и не догады­вается, что естествознание подготавливает новую рево­люцию. Царствование его величества пара, перевернув­шего мир в прошлом столетии, окончилось; на его место

прерывной 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

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 не­зависимости 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

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

целесообразно использовать сверхпроводящие мате­риалы.

МГД-генераторы 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.