Глава 2

Глава 2

Время свершений

Сегодня много говорят о получении энергии с помощью Солнца, ветра, морских волн, об извлечении энергии из недр, за счет использования внутреннего тепла Земли, о приручении морских приливов и о выведении электростанций за пределы атмосферы. Но пока… Пока что более 80 процентов всей электрической энергии дают обыкновенные тепловые станции — ТЭС, ГРЭС и ТЭЦ, работающие на сжигаемом топливе и выбрасывающие в атмосферу не только газы и вредные примеси, но и большую часть получаемого тепла. И у специалистов есть предположение, что в предвидимом будущем, в ближайшие 20-25 лет, существующее положение в энергетике практически не изменится. А если и изменится, то незначительно.

У нас в стране долгое время развитие сети тепловых, электростанций осложнялось тем, что промышленные центры — главные потребители энергии были сосредоточены в европейской части государства, а энергетические ресурсы — преимущественно в азиатской. Поэтому топливный баланс был очень напряженным. Экономисты старались ориентировать его на большее потребление нефти и газа, а также мазута. Их легче было доставлять.

В последние годы положение изменилось. Газ и нефть все больше используются на технологические нужды промышленностью. Вместе с тем осваиваются топливные ресурсы Тюменской области, Канско-Ачинские разработки для энергетики Сибири. Значит снова должен повыситься интерес строителей электростанций к углю. Тем более что геологические ресурсы твердого топлива почти в Зо раз превосходят запасы нефти. Но жидкое топливо во всех отношениях лучше твердого. В нем меньше вредных примесей, больше водорода. Да и сжигать жидкое топливо значительно удобнее. Не говоря уж о том, что оно не оставляет после себя гор золы и шлака. Все эти соображения привели к тому, что уже чуть не полвека назад был в принципе известен пропдес получения из угля синтетического топлива. Напомню, что для превращения органической массы угля в вещество подобное нефти специалистам-химикам пришлось последовательно решать три задачи: первая заключалась в удалении лишнего кислорода, а вместе с ним и таких вредных для топлива примесей, как сера и азот; второе — добавление в органическую массу водорода, до соотношения водорода и углерода, имеющихся в нефти; третья аадача заключалась к разукрупнении больших молекул, составляющих органическую массу угля.

Все эти обстоятельства, требовавшие достаточно сложной технологии, приводили к росту себестоимости синтетического топлива. В 40-х годах способ был признан нерентабельным. Большинство предприятий реконструировали в нефтеперерабатывающие и нефтехимические заводы.

Но прошло время, и ситуация изменилась. Природное жидкое топливо дорожает. И снова на повестку дня встает синтетическое топливо. Конечно, промышленные предприятия по его производству целесообразно строить только в районах месторождений угля, позволяющих организовать дешевую открытую добычу. В нашей стране создана программа использования дешевых углей Канско-Ачинского бассейна и в этом направлении. Она предусматривает в течение 80-х годов разработку технико-экономических обоснований на сооружение первого крупного промышленного предприятия, с тем чтобы приступить к его строительству в двенадцатой пятилетке.

Ну, а что же представляет собой современная теплоэлектростанция? Давайте вспомним ее упрощенную схему: прежде всего — топка, в нее подаются топливо и окислитель. Затем — котел. В нем вода превращается в пар с температурой около 550° С. Этот температурный предел считается наиболее выгодным. Пар под высоким давлением поступает в неподвижно укрепленные металлические каналы сопла турбины. В них температура и давление пара уменьшаются, но зато увеличивается скорость движения его потока. Теперь струя пара с огромной скоростью, часто превышающей скорость звука, вырывается из coпел и, меняя направление по криволинейному каналу, давит на лопатки турбины, приводя весь ротор во вращение. На одном валу с ротором турбины сидит и ротор электрического генератора. Следовательно, приходит во вращение вся система и раскручивается до постоянной скорости, равной, как правило, 3 тысячам оборотов в минуту. Такая скорость определяется выбранным стандартом частоты переменного тока. В нашей стране она равна пятидесяти периодам в секунду. Пятьдесят периодов, помноженное на шестьдесят секунд, как раз и дают 3 тысячи оборотов в минуту. Все понятно.

Сейчас паровые турбины стали настолько быстроходны, высокозкономичны и обладают таким значительным ресурсом работы, что они вполне конкурентоспособны с гидрогенераторами, работающими в значительно более щадящем режиме. Мощность современных паровых турбин в одновальном исполнении достигает 1 миллиона 200 тысяч киловатт! И это еще не предел…

После турбогенератора, совершив полезную работу, пар уже под низким давлением уходит в конденсатор, охлаждается, превращается в воду и снова насосами подается в котел. Обычно тепловые электростанции строят поблизости от крупных водных источников — рек или озер, Дело здесь в том, что на каждый килограмм конденсируемого пара приходится расходовать около 60 килограммов холодной воды. Когда впервые знакомишься с этими цифрами, то думаешь — какая расточительность! Получается, что мы сжигаем драгоценное топливо, чтобы большую часть тепла не превратить в полезные виды энергии, а выбросить в атмосферу, нагреть воздух. Невольно возникает вопрос: неужели ничего нельзя сделать, чтобы уловить это тепло и все, до последней, калории использовать по назначению? Увы, сначала опыт, а потом и наука дают на этот вопрос категорический ответ: всю полученную от сгорания топлива тепловую энергию превратить полностью ни в какой иной вид энергии невозможно! На этом настаивает второй закон термодинамики,

В начале XIX века во Франции жил гениальный ученый Сади Карно. В 1824 году он написал любопытное сочинение — «Размышления о движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу». Никого из современников его работа особенно не заинтересовала, и автору пришлось издавать ее за собственный счет.

Но прошли годы, и выводы Карно приобрели статут закона природы, одного из тех, что лежат в основе существования окружающего нас мира — от космической пылинки и до галактик. В те времена ученые представляли себе тепло в виде некоторой невесомой, невозникающей и неуничтожимой жидкости — теплорода. Перетекая от одного тела к другому, теплород охлаждал первое и нагревал второе. И чем больше его накапливалось в теле, тем горячее оно становилось. В общем, теплород был похож на воду, которая под действием сил земного притяжения способна течь только в одном направлении — с высоких гор в низины и по пути производить работу механическую. Точно так же, по мнению Карно, должен был производить механическую работу и теплород. И как для того, чтобы поднять воду на гору, нужно затратить энергию, так и для передачи тепла от менее нагретого тела к более нагретому требовалась затрата энергии. Сам по себе теплород мог переходить лишь от горячего тела к холодному.

Прошло время, и идея теплорода была отвергнута наукой. Но выводы Карно остались. Они прочно вошли в теорию и сыграли важную роль в развитии тепловых двигателей. По современным взглядам, тепловая энергия — это просто сумма энергий мельчайших частиц вещества. И в этом кроется сущность отличия тепловой энергии от энергии других видов. Частицы вещества, например горячего пара или газа, непрерывно движутся. И тепловая энергия пара не что иное, как результат этого неупорядоченного движения его частиц. А возьмем, к примеру, электрическую энергию: это результат строго упорядоченного движения электронов. Ощущаете разницу? Так же и любые другие виды энергии — результат движения всегда строго упорядоченного.

Вы понимаете, что превратить порядок в беспорядок, в хаос — проще простого. И совсем не так легко этот хаос упорядочить. Вот вам и причина, по которой так легко любой вид энергии перевести в тепловую и так трудно, а порой и невозможно, превратить тепло в иные виды энергии. Тем более полностью.

Термодинамика учит, что для получения механической энергии из тепловой нужно иметь прежде всего источник тепла, приемник с разностью температур и, кроме того, рабочее тело. Рабочее тело переносит тепло от источника к приемнику, превращает тепловую энергию в механическую, но само по себе никаких изменений не претерпевает. Оно лишь инструмент, с помощью которого происходит преобразование энергий, и теоретически процесс этого преобразования не должен зависеть от того, какое вещество мы в качестве рабочего тела возьмем. Но это — теоретически. На практике же свойства его весьма ощутимо влияют на коэффициент полезного действия системы.

За каждый цикл рабочее тело — будь то пар или газ в турбине, продукты сгорания в двигателе внутреннего сгорания или фреон и аммиак в холодильниках — переносит часть тепла от источника к приемнику. Процесс этот происходит непременно с потерями (вспомните хорошо всем знакомый пример с трением). Из-за потерь реально получаемая механическая энергия оказывается всегда меньше разности количеств тепла, участвующих в процессе.

Коэффициент полезного действия при этом зависит от разности температур источника и приемника тепла. С приемником дело обстоит однозначно — это, в конечном счете, окружающая среда. А вот источник желательно подогреть посильнее. Например, если принять температуру окружающей среды равной 20° С, то от источника, нагретого до 120° С, из одного джоуля тепловой энергии можно получить не более 0, 25 джоулей энергии механической. Семьдесят пять процентов уйдут в воздух. Если источник будет нагрет до 720° С, из одного джоуля тепловой энергии можно будет уже получить до 0, 7 джоуля энергии механической. Получается, что тепловые электростанции — устройства неэкономичные и довольно консервативные, не говоря уж обо всех других недостатках экологического характера, И все-таки их строят и будут строить. Потому что пока они самые экономически рентабельные сооружения. Пока их энергия дешевле любой другой, и строительство ТЭС окупается раз в десять быстрее, чем строительство, например, гидроэлектростанций.

Ну а есть ли какие-нибудь перспективы их развития? Конечно, есть. Прежде всего — повышение КПД за счет увеличения начальной температуры водяного пара. Я уже говорил, что сейчас стандарт 540° С. А вот если бы повысить температуру до 1000, 1500° С? Что мешает? Прежде всего прочность материалов. Пока нет металлов, способных достаточно надежно длительное время работать при таких высоких температурах в условиях больших механических нагрузок. Вы скажете: делают же двигатели ракет из жароупорных сплавов. Но двигатели ракет работают короткое время и к тому же стоят значительно дороже. Нет, для турбин нужны качественные, но дешевые материалы, так же как для топок котлов тепловых электростанций нужно дешевое, недефицитное топливо.

Большое значение имеет также и комплексное использование топлива и самого тепла. В нашей стране энергостроители добились больших успехов в проектировании и сооружении теплоэлектроцентралей — ТЭЦ. От обычных тепловых электростанций они отличаются тем, что снабжают потребителей не только электроэнергией, но и теплом. Скажем, так: «температурный интервал» от 540° С и до 100° С используется для выработки электрической энергии, а остывшую воду отправляют для отопления. На этом примере особенно хорошо должен быть понятен выигрыш от повышения верхнего температурного предела.

ТЭЦ значительно экономичнее обычных тепловых электростанций. Коэффициент использования топлива на них приближается к 60-70 процентам, тогда как коэффициент полезного действия ТЭС не выше 40 процентов.

С каждым годом все большую роль в общем балансе энергетики играют атомные электростанции — АЭС. Строго говоря, это те же тепловые, только с другим котлом и работающие на ином топливе. Сегодня хорошо известно, что ядерные реакторы бывают двух типов: на медленных (тепловых) нейтронах и на быстрых. Последние еще называют реакторами-размножителями, или бридерами. В них при переработке ядерного горючего одного вида накапливается еще большее количество новых делящихся материалов. Применение реакторов на быстрых нейтронах, естественно, выгоднее, и потому будущее промышленных установок для АЭС за ними.

Если говорить о схеме атомной электростанции, то она распадается на две части: в одной — та же паровая турбина, электрический генератор, конденсатор, водяной насос — все, как в схеме уже известной нам тепловой электростанции. А вот другая часть резко отличается: пар производится в теплообменнике-парогенераторе или в самом реакторе за счет тепла ядерной реакции.

Первый крупный атомный реактор на быстрых нейтронах в нашей стране был запущен в 1973 году в городе Шевченко, на берегу Каспийского моря. Здесь большое количество тепла требуется для опреснения морской воды, и потому устройство такой станции было особенно целесообразно. Еще более крупный реактор такого же типа введен в действие на Белоярской АЭС имени И.В. Курчатова, на Урале. В нем на каждый килограмм «сгоревшего» ядерного топлива воспроизводится 1, 5-1, 6 килограмма нового, готового к дальнейшей работе.

Однако в основном пока что на АЭС используются энергетические реакторы на медленных нейтронах. Здесь рядом с ядерным топливом в активной зоне реактора должен размещаться замедлитель. 3десь же происходят ядерные реакции, сопровождаемые. выделением огромной энергии, быстрые нейтроны замедляются, и тепло отводится теплоносителем, который в следующей ступени передает свое тепло и превращает воду в пар.

Чем же лучше атомная электростанция обычной ТЭС? Прежде всего дело заключается в топливе. Знаете ли вы, сколько нужно топлива современной достаточно мощной теплоэлектростанции? Несколько железнодорожных составов в сутки! Кроме того, что надо привезти и выгрузить уголь, необходимо вывезти золу и шлак.

Сколько дополнительной работы, сколько испорченной земли! Чтобы добыть уголь, нужно вскрыть земную поверхность, устроить карьеры — незаживающие раны. Чтобы убрать золу, нужно засыпать бесплодными отходами опять же часть земной поверхности.

А что атомная электростанция? Одной заправки реактора ядерным топливом — плутонием и природным ураном — хватает ему больше чем на год работы. И никакой золы, никакого шлака.

Выработка электроэнергии — важнейшая задача современности, но не единственная. Растет потребность в промышленном и отопительном тепле, металлургическая и химическая промышленность с каждым годом требуют все больше энергии и тепла, В нашей стране на эти нужды расходуется до 3/4 всех добываемых горючих ископаемых. Атомное тепло могло бы здесь сыграть решающую роль. Представьте себе металлургию… Ведь это редкий случай, когда топливо и руда лежат в непосредственной близости друг от друга. Чаще их приходится куда-то доставлять. Насколько же огромная энергоемкость ядерного горючего снизила бы загрузку железных дорог! Кроме того, современный технологический процесс выплавки чугуна или стали с помощью сжигаемого органического топлива сопровождается немалыми выбросами в атмосферу углекислого газа и сернистого ангидрида. Технологическое тепло от ядерных реакторов освободит металлургические комбинаты отзолы в пыли, от копоти, загазованности, завесы пыли и дыма. Количество вредных отходов, отравляющих землю, воду и воздух, уменьшится в тысячи раз.

А ведь кроме заводов по выплавке чугуна и стали существуют энергоемкие производства, где получают алюминий, цинк, осуществляют крекинг и реформинг нефти и нефтепродуктов, синтез хлорвинила, этилена и аммиака.

Не менее важно внедрение атомной энергетики и в систему теплофикации городов, создание атомных электроцентралей — АТЭЦ и атомных станций теплоснабжения — ACT. Естественно, что при их постройке должны быть учтены дополнительные требования по безопасности населения и обеспечению радиоактивной чистоты на любых режимах работы реакторов. Ведь АТЭЦ и ACT будут сооружаться непосредственно в черте города.

Первые такие станции уже работают, обеспечивая теплом и электроэнергией дома. Особенно целесообразны они в отдаленных местах, лишенных дешевых транспортных путей, куда стоимость доставки топлива делает его поистине золотым, как, например, в северо-восточную часть Сибири.

Атомная энергетика в последние годы развивается особенно быстро. Сегодня общая мощность АЭС во всех странах еще не очень велика — она не превышает 100 миллионов киловатт. Но единичная мощность (электрическая) ядерных реакторов уже достигает 1 миллиона киловатт и больше, а в недалеком будущем она поднимается до 1, 5 и 2 миллионов киловатт, а может быть, будет и еще больше.

Принцип работы гидравлических электростанций (ГЭС) понятен, наверное, каждому. С незапамятных времен научились люди использовать энергию падающей воды и стали строить водяные колеса мельниц на реках, сооружая на равнинных участках плотины, чтобы получить разность уровней. Струи воды направлялись на плицы колеса, ударяли в них и заставляли крутиться все колесо, с которым был соединен жернов. Вот и вся конструкция.

По идее сегодня все то же самое. Только вода с верхнего уровня перетекает на нижний либо по специальным трубам — турбинным трубопроводам, либо движется по водоводам, проложенным прямо в теле плотины. Под напором струи приобретают большую скорость. С силой бьют они по лопастям гидротурбины, приводя ротор во вращение. На одном валу с ротором сидит электрогенератор. Та же мельница.

В 1980 году по заданию редакции журнала «Звезда» я побывал на строительстве крупнейшей гидроэлектростанции Советского Союза — Саяно-Шушенской ГЭС. Перед тем как лететь, познакомился вкратце с основными этапами развития энергосистем в этом регионе.

После пуска крупнейших в мире ГЭС — Братской и Красноярской, после завершения создания к 1963 году единой энергосистемы Сибири — от Омска до Улан-Удэ край получил возможность развивать промышленность, особенно энергоемкие производства.

К концу пятой пятилетки 8, 5 процентов всей установленной мощности гидростанций приходились на европейскую часть СССР и только 15 процентов — на азиатскую. В стране работало множество карликовых энергосистем, которые состояли из электростанций небольшой и средней мощности, раздельно обслуживающих близлежащие промышленные районы. Когда экономисты подсчитали затраты на их сооружение, выяснилось, что на те же капиталовложения можно было бы создать в 2 — 3 раза большую мощность, если бы строить гидростанции с более крупными агрегатами.

Еще одним резервом развития энергетики оказалось создание магистральных сетей сверхвысоких напряжений — для увеличения пропускной способности линий электропередач и перехода в будущем к Единой объединенной энергосистеме. Основой для объединения энергосистем Советского Союза стали в наше время линии с напряжением в 500 и 750 киловольт. Уже ведутся работы по повышению и этого напряжения до 1150 киловольт.

Помните какая была борьба в начале века за постояннный ток? Оказалось, что он имеет в ряде случаев немало преимуществ перед переменным, и в 1962-1965 годах была введена в эксплуатацию линия передачи постоянного тока на 800 киловольт — Волгоград — Донбасс длиной 493 километра. Начались разработки и проектирование двух таких же линий на 1500 киловольт (+/ — 750 кВ). Одна — Экибастуз — Тамбов длиной 2400 километров, воторая — из района Итата в Красноярском крае до Объединенной энергосистемы Юга протяженностью около 3500 километров![36].

В 1970 году самая большая Единая энергетическая система европейской части СССР охватывала Зауралье и Закавказье. Она объединяла около 400 электростанций разного типа. Тут были тепловые конденсационные и теплофикационные, гидравлические… Их общая мощность превышала 50 миллионов киловатт. В то же время начинали развиваться и другие объединенные системы: в Центральной Сибири, Северном Казахстане, Средней Азии, в Забайкалье и на Дальнем Востоке. Крупнейшая из них — объединенная система Центральной Сибири включает Иркутскую, Красноярскую, Кузбасскую, Новосибирскую, Томскую, Омскую, Бурятскую и Барнаульскую энергетические системы. В ней будут работать не только такие гиганты, как Саяно-Шушенская ГЭС, но еще и целый куст тепловых электростанций, располагающихся непосредственно у мест добычи топлива.

О строительстве Саяно-Шушенской ГЭС немало писали. Но полное впечатление о грандиозности содеянного руками человека получаешь только тогда, когда видишь плотину своими глазами.

От ее подножия и до верхней кромки вполне уместятся два Исаакиевcких собора, поставленные друг на друга. Сравнение для ленинградцев достаточно наглядное. Две террасы идут вдоль всего тела плотины. По обеим ходят «БелАЗы». Снизу те, чта ползут по второму горизонту, кажутся божьими коровками, А ведь это машины, каждое колесо которых в рост человека.

Два лифта последовательно поднимают большую клеть. Сначала на первый горизонт, на первую террасу, потом на вторую. Но и это еще не все. Дальше предстоит взбираться по хлипким лесенкам-этажеркам, сваренным из тонного — металлического прута и окруженным узкими металлическими дугами безопасности.

Внизу тихо; а здесь, наверху, свистит, задувает ветер, прохватывая сквозь одежду. Тяжело хлопают полотнища брезентовых шатров — бригады плотников-бетонщиков работают в укрытиях. Иначе не выдержать: не людям — бетону…

Двумя могучими ступенями уходит вниз тело плотины. Клубится водяная пыль над водосбросами. Посреди потока на нижнем бьефе чуть выступает над водой вершина одинокой красной от сурика сваи. Это знаменитая отметка. Если воткнуть в нее ножку огромного циркуля и очертить дугу радиусом в 600 метров, то пройдет эта дуга как раз по гребню плотины. Выгнувшись навстречу течению плотина, как спиной, заткнула междугорье, подняла воду верхнего бьефа на 150 метров, затопила берега, и создала море.

Почему место для плотины выбрали именно здесь? От Шагонара в Туве и до выхода Енисея в Минусинскую котловину перепад высот больше 200 метров. Енисей течет, как в каньоне. Крутые берега сопок, поднимаются вверх без малого на километр. Вот тут-то, у старой заимки — Черемушки у Карлова створа, и заложили плотину. Произошло это в 1968 году. В журнале стройки мы прочли историческую запись: "12 сентября 1968 года началась отсыпка перемычек котлована первой очереди строительства Саяно-Шушенской ГЭС. Первую мраморную глыбу с надписью: «Идем на вы, Енисей!» — сбросил в реку победитель социалистического соревнования водитель Илья Васильевич Кожура… Почему "мраморную? Оказалось, тут мрамор вокруг. Целые горы мрамора. Да какого!

22 декабря 1980 года на стройке ГЭС состоялось большое торжество: вводился в действие пятый гидроагрегат. Чтобы представить себе это сооружение, приведу еще одно свидетельство из своей следующей поездки на строительство летом через год с лишним. Мы сидели в гостинице, когда мимо окон вверх по Енисею деловито пропыхтел буксир, толкая перед собой лихтер-баржу. На барже, перекрывая всю ее ширину, от борта к борту лежало колесо гидротурбины. Оно плыло сюда из Ленинграда, с Ленинградского Металлического завода, которому принадлежит ведущая роль в отечественном гидротурбостроении. Еще в 1928 году на заводе была организована гидротурбинная лаборатория со специальными стендами для экспериментальных исследований моделей мощных турбин.

При диаметре рабочего колеса турбины 6, 5 метра и при напоре воды, падающей с высоты в 194 метра, каждая гидротурбина будет развивать мощность примерно в 650 тысяч киловатт. Для сравнения напомню, что это мощность десяти Волховских гидростанций. Она сравнима со всей мощностью Днепрогэса.

Митинг шел прямо в машинном зале электростанции. Железобетонный каркас, постоянная крыша, а вот стены пока временные — из профилированных металлических листов. Но тепло и светло: Народу собралось много. Приехали гости, пресса, телевидение и кинохроника. Посредине круглая металлическая площадка размером чуть меньше цирковой арены. Это крышка колодца, в котором работает агрегат. На белом колпаке — выразительная цифра "5" и металлическая пластинка с надписью: «ЛМЗ — гидравлическая турбина, „Электросила“ — генератор трехфазного тока». Табличка означает содружество двух крупнейших ленинградских предприятий.

Строго говоря, пятый агрегат поставили под нагрузку еще вчера. Поэтому сегодня никакой особенной нервозности нет. К тому же ведь и не первый, а пятый…

Глубоко внизу крутится турбина. Ровное гудение доносится из колодца, служит фоном уверенности, солидности, что ли. Ведь десять Волховстроев в одном агрегате!

Советское энергомашиностроение уверенно лидирует в мире, ставя на серийное изготовление уникальные конструкции. Мощность и скорость вращения гидрогенераторов устанавливаются заводами — изготовителями гидротурбин и зависят от напора и расхода воды. Принципиально схема турбины и гидрогенератора за последние годы не изменилась, но каждая новая машина требует решения сложного комплекса технических проблем. Тут и усовершенствование компоновки гидрогенератора, и создание наиболее рациональной системы вентиляции и охлаждения, применение новой изоляции и новых типов обмоток, снижение добавочных потерь в зонах перегрева и многие другие вопросы. Например, одно время было никак не решить вопрос о нагрузке на пяту опорного подшипника-подпятника. Следовало так его сконструировать, чтобы он спокойно нес на себе нагрузку до 3500 тонн. В мире подобных аналогов не имелось. И снова выручила ленинградская «Электросила». В содружестве с инженерами производственного объединения «Уралэлектротяжмаш» был сконструирован оригинальный подпятник, обеспечивший спокойную работу гигантской машины.

Успехи гидрогенераторостроителей привели к тому, что наши заводы не только выполняют заказы по постройке машин на экспорт, но и производят разработку проектов для зарубежных предприятий. Мощное энергомашиностроение — ведущая отрасль советской промышленности.

Термояд

Управляемый термоядерный синтез — одна из ключевых проблем современной физики. А поскольку она тесным образом связана с энергетикой, то естественно предположить, что термоядерный синтез выдвигается на одно из первых мест среди нерешенных проблем НТР.

Ученые занимаются изучением условий управляемого термоядерного синтеза более 30 лет. Преодолено немало трудностей, многое стало понятно. И все-таки даже сегодня, считает академик В.Л. Гинзбург, еще рано говорить о превращении задачи из физической в инженерную.

Но чем же привлекает энергетиков — эта сложная проблема?

Еще в 1939 году немецкий физик X. Бете предположил, что в недрах нашего светила при температуре свыше 10 миллионов градусов ядра легкого водорода — протоны, из которых на 90 процентов состоит Солнце, сливаются, превращаются в ядра гелия и выделяют при этом массу энергии.

Гипотеза пришлась по вкусу физикам-теоретикам и получила широкое распространение. Вспомните знаменитое уравнение Эйнштейна Е = МС2, связывающее энергию — Е с массой — М и скоростью света — С. Если подставить цифры, то получится весьма впечатляющее решение. Грамм солнечного вещества, обращенный в энергию, дает ее столько, сколько мы получаем на Земле, сжигая тысячи тонн (!) первоклассного бензина. Из одного килограмма изотопов водорода выделяется в 10 миллионов раз больше энергии, чем при сжигании одного килограмма угля. И это при нынешнем-то, энергетическом кризисе и растущих ценах на нефть и уголь… Естественно, мысль: «А нельзя ли зажечь солнце на Земле?» — просто не могла не возникнуть у ученых. Дело оставалось за небольшим — получить солнечное вещество и научиться превращать его в энергию,

Если открыть последний энциклопедический словарь, то можно прочесть: «Солнце… раскаленный плазменный шар… Химический состав, определенный из анализа солнечного спектра: водород — около 90%, гелий — 10%, остальные элементы — менее 0, 1% (по числу атомов)». А что такое «плазма»?

Если, услыхав слово «плазма», вы подумаете о чем-то исключительном, то непременно ошибетесь. В состоянии плазмы находится подавляющая часть вещества Вселенной. Тут и звезды, и галактические туманности, межзвездная среда и даже внешняя оболочка нашей собственной земной атмосферы. Не говоря уж о том, что Земля просто купается в плазме в виде солнечного ветра. Правда, искать природную плазму на поверхности нашей планеты — занятие безнадежное. Ее не существует. Но исследователи довольно давно научились получать ее искусственно в лабораториях, свое же название она получила совсем недавно.

Все в тех же 20-х годах нашего века два американских физика Ленгмюр и Tонкс, изучая газовый разряд, назвали его греческим словом «plasma», что означало — ионизованный электрически нейтральный газ, содержащий равное количество положительных и отрицательных зарядов. Этот газ-плазма оказался настолько отличающимся от всех известных физикам состояний вещества, что стал самостоятельным объектом исследования.

Давайте попробуем каким-нибудь способом постепенно разогревать кусок обычного, вполне земного вещества, хоть железку. Сначала она раскалится, засветится. Затем связи в ней ослабнут, и она расплавится. Потом жидкость испарится и перейдет в газ. При дальнейшем нагреве молекулы газа не выдержат и разорвутся на атомы. Еще дальше — газ станет атомарным. А там начнут сдаваться и атомы. Электроны будут отрываться от ядер, и газ начнет переходить в плазму.

Примерно к температуре десять миллионов градусов плазма окажется полностью ионизованной. То есть вещество будет состоять из «голых» ободранных ядер и свободных электронов, которые мечутся в разные стороны, стремясь во что бы то ни стало сбросить возбуждение, отдать сообщенную энергию и обрести, образно говоря, покой.

При ста миллионах градусов частицы плазмы обретают такую скорость, что при встречах ядра могут начать разрушатьея. Здесь мы подошли к границе ядерных превращений.

При миллиарде градусов вещество будет состоять уже только из протонов и электронов. Ядра распадутся. А при температурах более десяти триллионов (10 E13) градусов элементарные частицы получат возможность превращаться одна в другую.

Правда, представить себе все эти градусы довольно трудно. Нужно быть физиком-теоретиком.

Чем ближе знакомились физики с плазмой, тем больше убеждались в ее вздорном характере. Посудите сами: мы говорам, что плазма нейтральна. Но шустрые электроны куда более подвижны, чем массивные ионы, и потому они первыми, норовят удрать из дружного коллектива. Образуются нестабильные электрические поля. Под их влиянием частицы меняют свои направления, путают расчеты, делают поведение сгустка плазмы труднопредсказуемым. Плазма изо всех сил стремится расшириться, коснуться стенок камеры, отдать энергию и… погибнуть.

Просто какая-то страсть к самоубийству. И чем выше температура плазмы, тем она норовистее. А при миллионах градусов, необходимых термоядерщикам, она становится просто бешеной.

Когда-то считали, что в недрах нашего светила горят запасы серы, каменного угля и прочих горючих ископаемых. Однако проверили поточнее, прикинули, оказалось, что будь Солнце даже просто из лучшего донецкого антрацита, его хватило бы лишь на несколько тысячелетий. Этого было явно мало. Следовало поискать другой, более долговечный источник. И он нашелся…

Если представить себе зарождающуюся звезду облаком холодной плазмы, сжимающейся под действием сил притяжения, то постепенно ее температура станет подниматься. Сначала немного нагреются недра, а там, глядишь, и весь шар покраснеет, засветится и засверкает. Превратится сжимающийся плазменный шар в пылающую звезду…

Впрочем, не надо, как говорится, эмоций! Посчитаем, прикинем… Если бы Солнце под действием собственной силы тяжести сжималось со скоростью 30 метров в год, оно бы «просветило» лет этак миллионов тридцать. Опять мало! По новым данным науки, Солнечная система существует, по крайней мере, четыре с половиной миллиарда лет. Миллиарда! Представляете?

Долго, очень долго источник солнечной энергии оставался для ученых загадкой. А потом в лабораториях физиков началось его постепенное разгадывание. В 1896 году французский физик А. Беккерель открыл радиоактивность. Помните — так мы называем самопроизвольное превращение неустойчивых атомных ядер в ядра других элементов. Потом А. Эйнштейн установил зависимость массы и энергии. Это позволило английскому астроному и иностранному члену-корреспонденту Академии наук СССР А. Эддингорну выдвинуть идею прямого перехода массы Солнца в энергию. Правда, как это могло происходить, никто не знал.

Примерно в ту же пору неистовый и громоподобный Э. Резерфорд наблюдал первые искусственные превращения ядер. На лабораторной установке ядра атомов азота при бомбардировке их ядрами гелия иногда вдруг глотали эти «микробомбы» и превращались в ядра атомов кислорода, излучая лишний протон. Это было чудесно и совершенно непонятно. Картина стала проясняться, когда ученик Резерфорда Дж. Чедвик открыл нейтрон, а советский и немецкий физики Д. Иваненко и В. Гейзенберг независимо друг от друга построили модель атомного ядра из протонов в нейтронов. В 1939 году немецкий физик X. Бете, бежавший от фашистов сначала в Англию, а затем в США, теоретически показал, что в солнечных недрах должны существовать, по крайней мере, два вида реакций превращения водорода в гелий. Первая и основная — слияние двух протонов и образование тяжелого изотопа водорода — дейтерия, с излучением позитрона и нейтрино. И затем переход дейтерия в гелий с образованием новых свободных протонов. При этом количество высвобождающейся энергии оказывалось примерно в миллион раз больше, чем при химической реакции горения. Вторым типом реакции был углеродно-азотный цикл, который шел при более высоких температурах, очевидно, в самом солнечном ядре.

Прекрасно! Отныне, казалось, тайна Солнца разгадана. Ядерные реакции обеспечивали нашему светилу десять миллиардов лет жизни, что вполне устраивало физиков. Так что можно было успокоиться. Кстати, а что будет через оставшиеся пять миллиардов лет? Ядро Солнца к тому времени сожмется до такой степени, что температура и плотность в нем позволят ядрам гелия объединяться и образовывать углеродные ядра. Солнечная оболочка при этом распухнет до орбиты Венеры. И наше светило превратится в красного гиганта. На Земле к этому времени станет, увы, слишком жарко для жизни. Но до этого катастрофического периода время еще есть.

Как же работает Солнце? Во-первых, «ядерный котел» нашего светила занимает не так уж много места — примерно 2 процента объема в центре. Но в нем сосредоточено 50 процентов всей массы. Каждую секунду его топка потребляет около 5 миллионов тонн ядерного горючего, обеспечивая выход 4, 5 E33 эрг энергии. Много это или мало? Судите сами: Земля получает едва ли стомиллионную долю. И этого оказывается достаточно, чтобы обеспечить нашу жизнь!

Я не стану в деталях расписывать реакции внутри Солнца. Заинтересовавшийся сам их легко отыщет в Учебнике (например, Мартынов Д.Я. Курс общей астрофизики. М., 1971, с. 221-222). Скажу только, что ядра гелия чуть-чуть легче, чем сумма слившихся в них протонов. Этот-то крошечный избыток массы и превращается в энергию сначала в виде жестких гамма-квантов и нейтрино, Нейтрино тут же удирают, из Солнца, а гамма-кванты, сильно взаимодействуя с веществом, пробираются к поверхности и в конце концов превращаются в кванты оптического излучения. Они-то и греют, они-то и светят нам с вами. А теперь подведем предварительные итоги:

1. Сколько состояний вещества мы знаем?

Три обычных: твердое, жидкое, газообразное; и четвертое — плазма.

2. Что такое плазма?

Ионизованный газ, состоящий из «ободранных» атомных ядер и электронов.

3. Какую плазму мы знаем?

Низкотемпературную (Т=105 К), используемую в ионных приборах, газовых. лазерах, плазмотронах, МГД-генераторах, плазменных двигателях, а также в плазменной металлургии, обработке и в бурении. Высокотемпературную (Т=106-103 К) из смеси дейтерия и трития, которая предполагается быть использованной для управляемого термоядерного синтеза — термояда.

4. Чем отличается плазма от обычного газа?

Частицы плазмы не самостоятельны, а представляют собой единый коллектив, систему. Разреженная лабораторная плазма всегда является системой неравновесной и стремится к саморазрушению.

5. Почему устойчивы звезды, состоящие из плазмы? Потому что звездные условия не чета лабораторным. На Земле их так просто не достигнуть.

Советские физики-теоретики первыми высказали идею, согласно которой горячую плазму можно попробовать изолировать от стенок камеры, сжав собственным магнитным полем. Мысль была настолько простой и очевидной, и решение казалось таким красивым, что сомнениям просто не оставалось места.

Предположим, что нам удалось в разреженном газе создать мощный электрический разряд. Естественно, что на всем его пути молекулы и атомы ионизуются и газ превратится в плазму. Но плазма — сама великолепный проводник для электричества, и потому ток в ней будет нарастать. А вместе с током станет расти и его магнитное поле, охватывающее плазму, как обручами; и сдавливающее, сжимающее ее в тонкий шнур, отрывающее от стенок камеры.

Кажется, проще простого — частицы оторваны от стенок, ток нагревает плазму до звездных температур, ядра начинают сливаться, выделяя огромное количество тепла. Реакция становится самоподдерживающейся. Термоядерный «самовар» закипает…

В Институте атомной энергии имени И.В. Курчатова был создан Отдел плазменных исследований, во главе которого стал удивительный человек, один из бесспорных лидеров советской науки Лев Андреевич Арцимович.

Еще не прогремело эхо тзервого взрыва водородной бомбы, значит, не существовало и доказательства того, что даже неуправляемый термоядерный синтез возможен на Земле. А в лаборатории Арцимовича молодые энтузиасты готовились осуществить синтез управляемый.

Как они тогда работали! Все, от руководителя до лаборанта, были первыми в мировой науке. Они знали то, что хотели знать все, но не знал никто. И это знание было самым большим богатством — дороже золотых слитков и самородков, дороже самнх больших и чистых алмазов из голубых кимберлитовых трубок. Вот что такое наука! Вот чем она всегда привлекала и будет привлекать к себе людей! Лев Андреевич был необыкновенно обаятельной личностью. Острый ум, широчайшая эрудиция и необыкновенно развитое чувство юмора.

— Что такое наука? — спросили его как-то.

— Наилучший способ удовлетворения собственной любознательности за счет государства, — не моргнув глазом ответил он,

Именно под руководством Л. А. Арцимовича в институте были разработаны установки типа «токамак». Это звучное название, ставшее международным, произошло от сокращения длинной определяющей фразы — «тороидальная камера с магнитным полем». В токамаках ток, возбуждённый внешним индуктором и достигший огромной силы, протекает через плазму и нагревает ее до очень высокой температуры. Плазма как раз и находится в тороидальной вакуумной камере — этаком полом бублике. Мощная магнитная система охватывает этот «бублик», создает магнитное поле, которое отжимает горячую плазму от холодных сте-Нок камеры. В этом заключается основная идея токамака.

Для того чтобы термоядерная реакция протекала относительно спокойно и вместе с тем с большим выделением энергии, нужно удерживать плазму достаточной плотности в магнитном поле определенное время. Для каждой термоядерной реакции и температуры плазмы существует минимальное значение произведения концентрации ядер в единице объема — плотности плазмы на время ее удержания.

Так, к примеру, для термоядерной дейтерий-тритиевой реакции (ее часто называют просто Д+Т реакция) при температуре 100 миллионов градусов это произведение должно быть равно 3Е14. Как расшифровать эту цифру?

Если плотность плазмы 1Е14 атомных ядер в одном кубическом сантиметре объема, то достаточно удержать ее в нагретом состоянии всего одну секунду, чтобы реакция пошла как надо. Это произведение плотности на время называют критерием Лоусона.

Как же обстоят дела у физиков сегодня? Плотность плазмы нужного предела уже достигла. Температура пока ниже. Время удержания доходит до одной десятой секунды. В общем, не так плохо.

Сегодня главное внимание физиков-термоядерщиков сосредоточено на токамаках как на наиболее перспективных установках. Но это вовсе не значит, что для осуществления управляемого термоядерного синтеза нет других путей.

Сейчас в нашей стране создан токамак-15. В нем плазма объемом в 23 кубометра будет нагрета уже до 70-80 миллионов градусов. И главный параметр удержания этого беспокойного детища современной физики совсем немного не дотянет до критерия Лоусона.

Еще ближе к заветному критерию предполагают подойти ученые объединения «Евратом» на строящемся токамаке «ДЖЕТ». Здесь объем высокотемпературной дейтериевой плазмы будет около двухсот кубических метров. По своим параметрам плазма должна выйти на рубеж реакторной. Таким образом, физики мира собираются продемонстрировать получение реакторной плазмы, а затем передать дело в руки инженеров.

Советские специалисты полагают, " что первые практические термоядерные генераторы должны использовать обмотки из сверхпроводников. Это сразу же снизит колоссальные затраты энергии на поддерживание магнитного поля, удерживающего плазму. Здесь нужно иметь в виду, что при работе токамак потребляет столь-. ко же электричества, сколько хватило бы на жизнь целому городу. Так что экономия — дело не лишнее.

Опыт работы с такими обмотками имеется. Магнитная система токамака-7 была выполнена с использованием сверхпроводников. Учитывая всемирную заинтересованность в решении проблемы управляемого термоядерного синтеза, Советский Союз предложил построить интернациональный термоядерный реактор «Интор». Его проект разрабатывается международной группой ученых и инженеров и уже прошел международное обсуждение. Предстоит решить, позволит ли политическая обстановка в мире осуществить задуманное.

А теперь еще раз подведем итоги;

1. Что такое термояд?

Управляемый термоядерный синтез, основанный на реакциях перестройки атомных ядер с большим энергетическим выходом.

2. Что нужно сделать, чтобы зажечь в плазме огонь термояда?

Нагреть до звездных температур, сжать до необходимой плотности, обеспечив критерий Лоусона.

3. Что такое критерий Лоусона?

Произведение времени удержания высокотемпературной плазмы на плотность ее частиц. Если это произведение превышает 1Е14 с*см-3, то выделяющаяся управляемым термоядерным синтезом энергия больше подводимой к системе.

4. Что такое токамак?

Тороидальная камера с магнитным полем — семейство советских тороидальных магнитных ловушек для получения контролируемой термоядерной реакции в высокотемпературной плазме. Слово «токамак», как и слово «спутник», принято во всех языках мира.

5. Когда физики получат термоядерную энергию?

…

Какой видится завтрашняя энергетика сегодня? Пожалуй, я бы разделил все имеющиеся способы получения электрической энергии на две большие группы. Поскольку наша книга не является специализированным руководством по энерготехнике, думаю, такая вольность допустима. К первой группе можно отнести, так сказать, электрическую энергию рукотворную. Тут и ГЭС, и ТЭС, и АЭС, тут термояд, МГД-генераторы, термоэлектрогенераторы, термоэмиссионные преобразователи и топливные элементы. Ко второй — энергию, которую нам дарит природа: то есть гелиоэнергетика, энергия геотермальная, энергия ветра, волн и приливов.

Мы уже рассмотрели способы получения электрической энергий традиционным путем и даже познакомились с управляемым термоядерным синтезам. Теперь пора перейти к тому, что будет завтра. Давайте начнем с одного из главных способов получения энергии будущего — с МГД генератора.

Когда-то Фарадей заметил, что коль скоро в проводе, который движется между полюсами магнита, течет электрический ток, то оный же должен возникнуть и в потоке проводящей электричество жидкости, помещенной там же. Казалось бы ничего нового в том высказывании нет, но именно в нем заключена идея МГД-генератора.

Сначала суть: при сгорании органического топлива, к примеру природного газа, при достаточно высокой температуре (не менее 2500° С) газ сей должен, как мы с Вами уже знаем, перейти в состояние частично ионизованной плазмы, то есть стать электропроводным, Если же к потоку плазмы добавить какое-нибудь легко ионизирующееся вещество, ну хотя бы пары щелочных металлов — калия, натрия или цезия, то электропроводность низкотемпературной плазмы резко возрастет.

Теперь представьте себе, что мы стали продувать эту горячую проводящую плазму через достаточно мощное магнитное поле. В плазме тут же появился электрический ток. Если при этом к стенкам канала, по которому сквозь магнитное поле стремится поток плазмы, приделать электроды, замкнутые на внешнюю депь, то по цепи пойдет ток.

Ну что? Просто? В принципе работа МГД-генератора не отличается от работы генератора Фарадея классической схемы. Только в электромеханическом генераторе проводником служит обмотка ротора, а в МГД-генераторе — поток подогретой плазмы. Электрический ток в плазме, взаимодействуя с магнитным полем, тормозит движение плазмы. И её кинетическая энергия превращается в тепловую. Конечно, все не так просто в реализации, как в идее. Газ приходится подогревать, то есть сжигать. А это та же ТЭЦ. Да еще добавлять в него металлические пары. А чтобы канал, по которому мчит струя плазмы в 2500° С, не развалился, его нужно делать, жаропрочным, как содао ракеты. Кроме того, отработанную плазму, сохраляюшую свою температуру, нужно тоже на что-то употребить. Хотя бы на подогрев пара для обычной турбины…

Э! — скажет экономически подкованный читатель. Чем она, плазма, лучше обычного топлива в ТЭЦ?