Карпенков С. Концепции современного естествознания: Учебник для вузов

ОГЛАВЛЕНИЕ

9.7 Гелиоэнергетика

Солнце обладает колоссальным запасом энергии. Земля получает лишь небольшую долю солнечной энергии, равную 2·1017 Вт, и ее вполне достаточно для обеспечения большого многообразия форм жизни и биосферных процессов на Земле.
Предполагается, что широкое применение солнечной энергией начнется после воспроизведения природного процесса – фотосинтеза. В лабораторных условиях вне растительной клетки уже осуществлена первая фаза данного процесса – произведено фотохимическое разложение воды на элементы. Образующийся водород – превосходный энергоноситель: из известных нерадиоактивных веществ он обладает самой высокой плотностью энергии – 33 кВт/кг (плотность энергии углерода равна всего 9,1 кВт/кг). В процессе фотосинтеза, в зеленых растениях из энергетически бедных соединений – углекислого газа и воды – образуется более сложный по структуре и богатый энергией крахмал, из которого синтезируются жиры, белки, целлюлоза и другие органические компоненты. Как следует из периодической печати, несколько необычный способ использования солнечной энергии предложили японские ученые. Смесь, состоящую из размолотого магнетита и угольного порошка, они подвергли облучению концентрированным солнечным светом и нагрели ее до 1200° С. В результате химической реакции образовались водород и угарный газ. Из данных газов можно синтезировать, например, метиловый спирт, который может служить превосходным горючим для автомобилей. КПД такого процесса достигает 47,6%.
В последние десятилетия гелиоэнергетика – солнечная энергетика, во всем мире развивается быстрыми темпами и в самых разных направлениях. Гелиоэнергетические программы разрабатываются более чем в 70 странах – от северной Скандинавии до выжженных пустынь Африки. Солнечные устройства служат для отопления и вентиляции зданий, опреснения воды, производства электроэнергии. Используются такие устройства в различных технологических процессах. Появились транспортные средства с «солнечным приводом»: гелиовелосипеды, гелиомопеды, моторные лодки, яхты, солнцелеты и дирижабли с солнечными панелями. Солнцемобили, сравнивавшиеся вчера с забавным автоаттракционом, сегодня пересекают страны и континенты со скоростью, почти не уступающей скорости обычных автомобилей. Уже в течение трех лет немецкий поселок Франитцхютте, расположенный на окраине Баварского леса, полностью питается энергией от гелиоэнергетической установки из 840 плоских солнечных батарей общей площадью 360 м2. Мощность каждой батареи – 50 Вт. Ночью и в пасмурную погоду ток обеспечивает батарея свинцовых аккумуляторов, заряженных в те часы, когда солнца в избытке.
Самая крупная гелиоэлектростанция мира начала работать в Швейцарии. Площадь ее солнечных батарей – 4500 м2, при полном освещении мощность электростанции достигает 500 кВт. Этого хватает на поселок из двухсот одноквартирных коттеджей. В Штутгартском университете (Германия) сконструирован самолет, мотор которого питается энергией солнечных батарей, расположенных на его крыльях с размахом 25 м. С грузом до 90 кг он взлетает со взлетной площадки, покрытой травой, и развивает скорость до 120 км/ч. Швейцарские ученые запатентовали прозрачные солнечные батареи, которые можно вставлять в оконные рамы вместо стекла. Между двумя слоями стекла, покрытого тончайшей пленкой двуокиси титана со столь же тонким слоем светочувствительного пигмента, находится слой электролита с содержанием йода. Свет, падая на пигмент, выбивает из него электроны, которые через электролит попадают на слой двуокиси титана. Все слои такой солнечной батареи настолько тонки, что прозрачность стекла практически не уменьшается. Такие стекла дешевле, чем кремниевые солнечные панели.
Быстрое развитие гелиоэнергетики в Швейцарии стало возможным благодаря снижению стоимости фотоэлектрических преобразователей в расчете на 1 ватт установленной мощности с 1000 в 1970 г. до 5–8 долл. в 1990 г. и повышению их КПД с 5–6 до 20–30%. В ближайшее время предлагается уменьшить стоимость солнечного ватта на 50%, что позволит гелиоустановкам вполне конкурировать с другими автономными источниками энергии, например, с дизельными электростанциями. Одним из мировых лидеров практического использования гелиоэнергетики стала Швейцария: более 700 гелиоустановок на кремниевых фотопреобразователях мощностью от 1 кВт до 1 МВт и солнечных коллекторных устройств для получения солнечной энергии. Гелиоэлектрическая программа Швейцарии внесет заметный вклад в решение экологических проблем и в энергетическую независимость страны, импортирующей сегодня более 80% энергии из-за рубежа.
Гелиоустановку на кремниевых фотопреобразователях чаще всего мощностью 2–3 кВт нередко монтируют на крышах и фасадах зданий (20–30 м2). Такая установка вырабатывает в год в среднем 3000 кВт·ч электроэнергии, что достаточно для обеспечения бытовых нужд, а иногда и зарядки бортовых аккумуляторов электромобиля. Дневной избыток энергии в летнюю пору направляют в электрическую сеть общего пользования. Зимой энергия может быть бесплатно возвращена владельцу гелиоустановки. Крупные фирмы монтируют на крышах производственных корпусов гелиостанции мощностью до 300 кВт. Однако такая станция может покрыть потребности предприятия в энергии лишь на 55–70%. В районах альпийского высокогорья, где нерентабельно прокладывать линии электропередач, строятся автономные гелиоустановки с аккумуляторами-накопителями энергии.
По опыту эксплуатации и согласно некоторым расчетам Солнце в состоянии обеспечить энергопотребности по меньшей мере всех жилых зданий в стране. Гелиоустановки, располагаясь на крышах и стенах зданий, на шумозащитных ограждениях автодорог, на транспортных и промышленных сооружениях не требуют для размещения дорогостоящей сельскохозяйственной или городской территории.
Автономная солнечная установка у поселка Гримзель дает электроэнергию для круглосуточного освещения автодорожного тоннеля. Вблизи города Шур солнечные панели, смонтированные на 700-метровом участке шумозащитного ограждения, ежегодно дают 100 кВт электроэнергии. Солнечные панели мощностью 320 кВт, установленные на крыше производственного корпуса, почти полностью покрывают технологические потребности предприятия в тепле и электроэнергии. КПД кремниевых фотопреобразователей при сильном нагреве заметно снижается, и поэтому под солнечными панелями проложены вентиляционные трубопроводы для прокачки наружного воздуха. Нагретый воздух работает как теплоноситель коллекторных устройств. Один из крупных разделов гелиоэлектрической программы Швейцарии – развитие транспортных средств, использующих солнечную энергию, ибо автотранспорт потребляет около четверти энергетических ресурсов, необходимых стране. Ежегодно в Швейцарии проводится международное ралли солнцемобилей.
В последнее время интерес к проблеме использования солнечной энергии резко возрос. Потенциальные возможности энергетики, основанной на использовании непосредственно солнечного излучения, чрезвычайно велики. Заметим, что использование всего лишь 0,0125% количества энергии Солнца могло бы обеспечить все сегодняшние потребности мировой энергетики. К сожалению, вряд ли когда-нибудь эти огромные потенциальные ресурсы удастся реализовать в больших масштабах. Одно из наиболее серьезных препятствий такой реализации – низкая интенсивность солнечного излучения. Даже при наилучших атмосферных условиях (южные широты, чистое небо) плотность потока солнечного излучения относительно невелика. Поэтому, чтобы коллекторы солнечного излучения «собирали» энергию, необходимую хотя бы для частичного удовлетворения потребностей населения, нужно разместить их на громадной территории.
Необходимость использовать коллекторы огромных размеров, кроме того, влечет за собой значительные материальные затраты. Простейший коллектор солнечного излучения представляет собой зачерненный металлический (как правило, алюминиевый) лист, внутри которого располагаются трубы с циркулирующей в них жидкостью. Нагретая за счет солнечной энергии, поглощенной коллектором, жидкость поступает для непосредственного использования. Согласно расчетам на изготовление коллекторов солнечного излучения идет довольно много алюминия.
Солнечная энергетика относится к наиболее материалоемким видам производства энергии. Крупномасштабное использование солнечной энергии влечет за собой гигантское увеличение потребности в материалах, а следовательно, и в трудовых ресурсах для добычи сырья, его обогащения, получения материалов, изготовления гелиостатов, коллекторов, другой аппаратуры, их перевозки.
Пока еще электрическая энергия, рожденная солнечными лучами, обходится намного дороже, чем получаемая традиционными способами. Ученые надеются, что эксперименты, проводимые на опытных установках и станциях, помогут решить не только технические, но и экономические проблемы широкого применения гелиоэнергии.

9.8 Энергия ветра

Ветер служит человеку с древних времен. Первобытные люди поднимали паруса над неустойчивым челноком, выдолбленным из бревна. Преобладающие западные ветры несли испанскую армаду к открытиям и победам. Пассаты надували паруса больших клиперов, помогли открыть Индию и Китай и наладить торговлю с Западом. Древние персы заставили ветер размалывать зерно. Наиболее широкое распространение ветряные мельницы (рис. 9.10) получили в Голландии. Некоторым из них уже более 500 лет, и они находятся в рабочем состоянии. Было время, когда вода и ветер служили едва ли не основными источниками энергии. Еще в 1910 г. в России насчитывалось примерно миллион ветряных мельниц и приблизительно столько же водяных. А сегодня всю эту энергетику с легкой руки называют нетрадиционной.

Концепции современного естествознания

В 50-х годах XIX в. в США был изобретен многолопастный ветряк, который получил широкое распространение. С помощью подобных ветряков вначале поднималась вода из колодцев и заполнялись водой паровые котлы. Позднее ветряки стали использовать для получения электроэнергии. Многолопастный ветряк с ветроколесом диаметром до 9 м может вырабатывать до 3 кВт электроэнергии при скорости ветре около 25 км/ч. В 30-х годах XX в. на территории США было сооружено около 6 млн многолопастных ветроустановок. Во многих сельских районах до строительства крупных электростанций основным поставщиком электроэнергии были различные ветроустановки.
Энергия движущихся воздушных масс огромна. Запасы энергии ветра более чем в сто раз превышают запасы гидроэнергии всех рек планеты. Постоянно и повсюду на земле дуют ветры – от легкого ветерка, несущего желанную прохладу в летний зной, до могучих ураганов, наносящих неисчислимый урон и разрушения. Всегда неспокоен воздушный океан, на дне которого мы живем. Ветры, дующие на просторах нашей страны, могли бы легко удовлетворить все ее потребности в электроэнергии! Климатические условия позволяют развивать ветроэнергетику на огромной территории от наших западных границ до берегов Енисея. Особенно богаты энергией ветра северные районы страны вдоль побережья Северного Ледовитого океана.
В наши дни ветроустановки вырабатывают лишь небольшую часть производимой электроэнергии во всем мире. Техника XX в. открыла совершенно новые возможности для электроэнергетики. Созданы высокопроизводительные установки, способные вырабатывать электроэнергию даже при очень слабом ветре. Предлагается множество проектов ветроагрегатов, несравненно более совершенных, чем старые ветряные мельницы. В новых проектах используются самые последние достижения многих отраслей естествознания. К созданию совершенной конструкций ветроколеса – сердца любой ветроэнергетической установки – привлекаются специалисты-самолетостроители, умеющие выбрать наиболее целесообразный профиль лопасти и исследовать его в аэродинамической трубе. Усилиями ученых и инженеров созданы разнообразные конструкции современных ветровых установок.
Можно привести примеры необычного использования энергии. Один из американских изобретателей, наблюдая за тем, как пролетающие по шоссе автомобили вздымают по обочинам тучи пыли и гонят вдоль дороги легкий мусор, пришел к мысли, что можно использовать энергию ветра, возникающего от движения транспорта. Он предложил встроить в бетонный разделительный барьер, идущий по середине самых оживленных автомагистралей, ветряные турбины с вертикальной осью, что позволит улавливать энергию от автомобилей, несущихся в обоих направлениях. Выработанная энергия должна либо поступать в общую сеть, либо запасаться в аккумуляторах и использоваться для освещения дороги по ночам. Измерения на обочине оживленного шоссе показали, что искусственный ветер дует около 18 ч в сутки со средней скоростью 4,5–5,5 м/с. Это больше, чем в районе крупных ветровых электростанций, работающих в Калифорнии. Сейчас исследователи продолжают измерения на разных дорогах и собираются приступить к испытаниям разных типов ветряных турбин. Еще один пример. На западном побережье Дании, у городка Райсбю, построена электростанция из 40 ветродвигателей. Общая мощность ее составляет 24 МВт. Ветродвигатели оборудуются электронными регуляторами немецкой фирмы «Сименс», в которых впервые применены полупроводниковые тиристоры. Это позволило отказаться от громоздких конденсаторов и дросселей. Система регулировки обеспечивает ровную отдачу мощности независимо от скорости ветра.
Каждый источник энергии должен работать там, где дает наибольшую отдачу, максимальную выгоду. На севере у нас огромные труднодоступные территории. Вырабатывать здесь энергию очень сложно, и цена ее более высокая, чем в центре страны. Здесь то и могут найти применение ветроустановки. Скорость ветра на побережье морей и океанов составляет в среднем за год более 6 м/с. При работе ветроустановки мощностью в 1 МВт в течение шести месяцев потребитель энергии может получить около 2,5 млн кВт, что вполне достаточно для обеспечения теплом и светом поселка в 150 жилых домов.
Современная ветроустановка мощностью в 1 МВт состоит из ветроколеса диаметром 48 м, установленного на стальной конической башне высотой 40 м, на которой смонтированы агрегат для передачи мощности от ветроколеса к генератору, система управления и тормозной механизм. Ветроустановка полностью автоматизирована: сама «ловит ветер» и проверяет перед запуском состояние всех узлов и агрегатов. При скорости ветра 3,5–4 м/с развивается мощность 40–50 кВт, а при скорости 13,5 м/с – 1000 кВт. Срок службы установки – 20–25 лет. Стоит она примерно 1 млн долл.
К 1998 г. насчитывалось в России около полутора десятков крупных и примерно 100 мелких ветроустановок, в то время как за рубежом их общее число составило более 130 тысяч. Сегодня почти все развитые страны строят ветроустановки. В строительстве ветроустановок лидирует маленькая страна Дания. Около двух десятилетий назад именно она дала толчок развитию современной ветроэнергетики. В этой стране работают более четырех тысяч самых эффективных установок с лучшими показателями в мире. Датчане построили заводы по производству ветроустановок в Индии, Китае и США. Производятся ветроустановки и в России. По своим техническим показателям они не уступают зарубежным аналогам.
Ветроустановки порождают вибрации и шум, неблаготворно влияющие на живые организмы. Поэтому их строят обычно вдали от населенных пунктов. Металлические лопасти могут создавать помехи для радио- и телепередач. Но все же в целом ветроэнергетику принято считать экологически безопасной.
Многие страны активно развивают ветроэнергетику. Например, Германия по выработке ветроэнергии в последние годы приблизилась к США, а по числу фирм, производящих ветроустановки догнала Данию. Немецкие ветроустановки наполняют рынок Бразилии, Мексики, Китая и других стран.

9.9. Атомная энергетика

Развитие атомной энергетики

Сегодня примерно 17% мирового производства электроэнергии приходится на атомные электростанции (АЭС). В некоторых странах ее доля значительно больше. Например, в Швеции она составляет около половины всей электроэнергии, во Франции – около трех четвертей. Недавно согласно принятой в Китае программе вклад энергии атомных электростанций предусмотрено увеличить в пять – шесть раз. Заметную, хотя пока не определяющую, роль АЭС играют в США и России.
Более сорока лет назад, когда дала ток первая атомная станция в мало кому известном в то время городке Обнинске, многим казалось, что атомная энергетика – вполне безопасная и экологически чистая. Авария на одной из американской АЭС, а затем катастрофа в Чернобыле показали, что на самом деле атомная энергетика сопряжена с большой опасностью. Люди напуганы. Общественное сопротивление сегодня таково, что строительство новых АЭС в большинстве стран практически остановлено. Исключение составляют лишь восточно-азиатские страны – Япония, Корея, Китай, где атомная энергетика продолжает развиваться.
Специалисты, хорошо знающие сильные и слабые стороны реакторов, смотрят на атомную опасность более спокойно. Накопленный опыт и новые технологии позволяют строить реакторы, вероятность выхода которых из-под контроля хотя и не равна нулю, но крайне мала. На современных атомных предприятиях обеспечен строжайший контроль радиации в помещениях и в каналах реакторов: сменные комбинезоны, специальная обувь, автоматические детекторы излучений, которые ни за что не откроют шлюзовые двери, если на вас есть хотя бы небольшие следы радиоактивной «грязи». Например, на атомной электростанции в Швеции, где чистейшие пластиковые полы и непрерывная очистка воздуха в просторных помещениях, казалось бы, исключают даже мысль о сколь-нибудь заметном радиоактивном заражении.       
Атомной энергетике предшествовали испытания ядерного оружия. На земле и в атмосфере проводились испытания ядерных и термоядерных бомб, взрывы которых ужасали мир. В то же время инженеры разрабатывали и ядерные реакторы, предназначенные для получения электрической энергии. Приоритет получили военное направление – производство реакторов для кораблей военно-морского флота. Военным ведомствам особенно перспективным представлялось использование реакторов на подводных лодках: такие суда имели бы практически неограниченный радиус действия и могли бы годами находиться под водой. Американцы сосредоточили свои усилия на создании корпусных водо-водяных реакторов, в которых замедлителем нейтронов, и теплоносителем служила обычная («легкая») вода и которые обладали большой мощностью на единицу массы энергетической установки. Были сооружены полномасштабные наземные прототипы транспортных реакторов, на которых проверялись все конструктивные решения и отрабатывались системы управления и безопасности. В середине 50-х годов XX в. первая подводная лодка с атомным двигателем «Наутилиус» прошла под льдами Ледовитого океана.
Аналогичные работы велись и в нашей стране, только наряду с водо-водяными реакторами разрабатывался канальный графитовый реактор (в нем теплоносителем тоже служила вода, а замедлителем – графит). Однако по сравнению с водо-водяным реактором у графитового мала удельная мощность. В то же время такой реактор обладал важным преимуществом – уже имелся значительный опыт сооружения и эксплуатации промышленных графитовых реакторов, отличающихся от транспортных установок главным образом давлением и температурой охлаждающей воды. А наличие опыта означало экономию времени и средств на опытно-конструкторские работы. При создании наземного прототипа графитового реактора для транспортных установок стала очевидной его бесперспективность. И тогда было решено использовать его для атомной энергетики. Реактор AM, а точнее, его турбогенератор мощностью 5000 кВт 27 июня 1954 г. подключили к электрической сети, и весь мир узнал, что в СССР пущена первая в мире АЭС – атомная электростанция.
Наряду с канальными графитовыми реакторами в нашей стране, как и в США, с середины 50-х XX в. годов развивалось направление, основанное на использовании водо-водяных энергетических реакторов (ВВЭР). Их характерная особенность – огромный корпус диаметром 4,5 м и высотой 11м, рассчитанный на высокое давление – до 160 атм. Производство и транспортировка таких корпусов к площадке АЭС – чрезвычайно сложная задача. Американские фирмы, приступив к развитию атомной энергетики на базе реакторов PWR, возвели на берегах рек заводы для производства реакторных корпусов, построили баржи для их перевозки к месту строительства АЭС и краны грузоподъемностью в 1000 т. Этот продуманный подход позволил США не только удовлетворить собственные потребности, но и захватить в 70-х годах внешний рынок по производству атомной энергии. СССР не мог столь широко и быстро развивать промышленную базу для АЭС с реакторами ВВЭР, В начале лишь один Ижорский завод мог изготавливать по одному корпусу реактора в год. Пуск Аттоммаша состоялся только в конце 70-х годов.
Реактор РБМК (реактор большой мощности, канальный), в котором вода, охлаждающая тепловыделяющие элементы, находится в состоянии кипения, появился как очередной этап последовательного развития канальных графитовых реакторов: промышленный графитовый реактор, реактор первой в мире АЭС, реакторы Белоярской АЭС. Ленинградская АЭС на РБМК проявила свой норов. Несмотря на наличие традиционной автоматической системы регулирования, оператор должен был по мере выгорания топлива все чаще и чаще вмешиваться в управление реактором (до 200 раз в смену). Это было связано с возникновением или усилением в процессе эксплуатации реактора положительных обратных связей, приводящих к развитию неустойчивости с периодом в 10 минут. Для нормального стабильного функционирования какого-либо устройства с положительной обратной связью необходима надежная система автоматического регулирования. Однако всегда существует опасность аварии из-за отказа подобной системы. С проблемой неустойчивости столкнулись и в Канаде, когда пустили в 1971 г. канальный реактор с тяжелой водой в качестве замедлителей нейтронов и кипящей легкой водой в качестве теплоносителя. Канадские специалисты решили не испытывать судьбу и закрыли установку. Сравнительно быстро была разработана новая, приспособленная к РБМК, система автоматического регулирования. Ее внедрение обеспечило приемлемую устойчивость реактора. В СССР развернулось серийное строительство АЭС с реакторами РБМК (нигде в мире подобные установки не использовались).
Несмотря на внедрение новой системы регулирования, страшная угроза осталась. Для реактора РБМК характерны два крайних состояния: в одном из них каналы реактора заполнены кипящей водой, а в другом – паром. Коэффициент размножения нейтронов при заполнении кипящей водой больше, чем при заполнении паром. При таком условии возникает положительная обратная связь, при которой рост мощности вызывает появление дополнительного количества пара в каналах, что в свою очередь приводит к увеличению коэффициента размножения нейтронов, и следовательно, к дальнейшему росту мощности. Это известно давно, еще со времен проектирования РБМК. Однако только после Чернобыльской катастрофы в результате тщательного анализа выяснилось, что возможен разгон реактора на мгновенных нейтронах. В 1 час 23 мин 26 апреля 1986 г произошел взрыв реактора 4-го блока Чернобыльской АЭС. Ее последствия ужасны.
Так нужно ли развивать атомную энергетику? Выработка энергии на АЭС и ACT (атомных станциях теплоснабжения) – это наиболее экологически чистый способ производства энергии. Энергия ветра, Солнца, подземного тепла и т.д. не может сразу и быстро заменить атомную энергию. Согласно прогнозу в США в начале XXI в. на все подобные способы производства энергии будет приходиться не более 10% вырабатываемой во всем мире энергии.
Спасти нашу планету от загрязнения миллионами тонн углекислого газа, окиси азота и серы, которые постоянно выбрасываются ТЭЦ, работающими на угле, мазуте, перестать сжигать в огромных количествах кислород, можно лишь с помощью атомной энергетики. Но только при выполнении одного условия: «Чернобыль» не должен повториться. Для этого необходимо создать абсолютно надежный энергетический реактор. Но в природе не бывает ничего абсолютно надежного, все процессы, не противоречащие законам природы, происходят с большей или меньшей вероятностью. И противники атомной энергетики рассуждают примерно так: авария маловероятна, но нет никаких гарантий, что она не случится сегодня или завтра. Задумываясь над этим, нужно учесть следующее. Во-первых, взрыв реактора РБМК в том состоянии, в котором он эксплуатировался до аварии, отнюдь не маловероятное событие. Во-вторых, при таком подходе мы все должны жить в постоянном страхе, что Земля не сегодня - завтра столкнется с крупным астероидом – вероятность такого события ведь тоже не равна нулю. Думается, можно считать абсолютно безопасным реактор, для которого вероятность крупной аварии достаточно мала.
В СССР накоплен многолетний опыт сооружения и эксплуатации АЭС с реакторами ВВЭР (аналогичными американским PWR), на базе которых может быть в относительно короткие сроки создан в большей степени безопасный энергетический реактор. Такой, что в случае аварийной ситуации все радиоактивные осколки деления ядер урана должны остаться в пределах защитной оболочки.
Развитые страны с большой численностью населения в обозримом будущем не смогут из-за приближающейся экологической катастрофы обойтись без атомной энергетики даже при некоторых запасах обычных видов топлива. Режим экономии энергии может лишь на некоторое время отодвинуть проблему, но не решить ее. Кроме того, многие специалисты считают, что в наших условиях даже временного эффекта добиться не удастся: эффективность предприятий по энергоснабжению зависит от уровня развития экономики. Даже США потребовалось 20–25 лет со дня внедрения в промышленность энергоемких производств.
Вынужденная пауза, возникшая в развитии атомной энергетики, должна быть использована для разработки достаточно безопасного энергетического реактора на базе реактора ВВЭР, а также для разработки альтернативных энергетических реакторов, безопасность которых должна находиться на том же уровне, а экономическая эффективность значительно выше. Целесообразно построить демонстрационную АЭС с подземным размещением реактора ВВЭР в наиболее удобном месте, чтобы проверить ее экономическую эффективность и безопасность.
В последнее время предлагаются различные конструктивные решения атомных станций. В частности, компактную АЭС разработали специалисты Санкт-Петербургского морского бюро машиностроения «Малахит». Предлагаемая станция предназначается для Калининградской области, где проблема энергоресурсов стоит достаточно остро. Разработчики предусмотрели использование в АЭС жидкометаллического теплоносителя (сплава свинца с висмутом) и исключают возможность возникновения на ней радиационно-опасных аварий, в том числе при любых внешних воздействиях. Станция отличается экологической чистотой и экономической эффективностью. Все ее основное оборудование предполагается разместить глубоко под землей – в проложенном среди скальных пород туннеле диаметром в 20 м. Это дает возможность свести к минимуму число наземных сооружений и площадь отчуждаемых земель. Структура проектируемой АЭС – модульная, что тоже очень существенно. Проектная мощность Калининградской АЭС – 220 МВт, но может быть по мере необходимости уменьшена или увеличена в несколько раз при помощи изменения числа модулей.

Ядерное топливо

Цепная реакция деления ядер сопровождается выделением огромного количества энергии. Так, при делении тяжелого ядра на два осколка освобождается энергия, равная примерно 1,1 МэВ на один нуклон. Расчеты показывают, что 1 кг урана выделяет в миллионы раз больше энергии, чем 1 кг каменного угля. Следовательно, ядерное топливо – чрезвычайно энергоемкий источник энергии. В то же время ядерный топливный цикл – сложнейший технологический процесс (рис. 9.11).

Концепции современного естествознания
В отличие от утлеродосодержащих носителей энергии, применяемых и в то же время и как сырье для  химической промышленности, ядерное топливо представляет практический интерес преимущественно для производства электрической и тепловой энергии. Огромные возможности для развития атомной энергетики открываются с созданием реакторов-размножителей на быстрых нейтронах (бридеров), в которых выработка энергии сопровождается производством вторичного горючего – плутония, что позволит кардинально решить проблему обеспечения ядерным топливом. Как показывают оценки, 1 т гранита содержит примерно 3 г урана-238 и 12 г тория-232 (именно они используются в качестве сырья в бридерах). При потреблении энергии 5 . 108 МВт (на два порядка выше, чем сейчас) запаса урана и тория в граните хватит на 109 лет. Первый опытно-промышленный реактор на быстрых нейтронах мощностью до 350 МВт построен в г.Шевченко на берегу Каспийского моря. Он производит электроэнергию и опресняет морскую воду, обеспечивая пресной водой город и прилегающие район нефтедобычи с численностью населения около 150000 человек.
Колоссальной энергией обладает термоядерный синтез. При термоядерном синтезе выделяемая энергия на один нуклон значительно больше, чем в реакции деления тяжелых ядер. При делении ядра урана 238 высвобождается энергия около 0,84 МэВ на один нуклон, а при термоядерном синтезе дейтерия и трития – примерно 3,5 МэВ. Термоядерные реакции дают наибольший выход энергии на единицу массы «горючего», чем любые другие превращения. Например, по энергетической емкости количество дейтерия в стакане простой воды эквивалентно приблизительно 60 л бензина. В этой связи весьма заманчива перспектива осуществления управляемого термоядерного синтеза.
Трудность практической реализации управляемого термоядерного синтеза заключается в том, что он возможен только при очень высокой температуре – 107–108 К. При такой сверхвысокой температуре любое синтезируемое вещество находится в плазменном состоянии, и возникает техническая проблема удержания горячей плазмы в ограниченном объеме.
Впервые искусственная термоядерная реакция осуществлена в СССР в 1953 г., а затем через полгода в США в виде взрыва водородной (термоядерной) бомбы, представляющего неуправляемую реакцию синтеза. Взрывчатое вещество в водородной бомбе представляет собой смесь дейтерия и трития. Запалом в ней служит обычная атомная бомба, при взрыве которой возникает сверхвысокая температура, необходимая для синтеза легких ядер.
Над решением проблемы управляемого термоядерного синтеза усердно работают ученые многих стран в течение нескольких последних десятилетий. Один из путей решения данной проблемы – это удержание горячей плазмы в ограниченном объеме сильными магнитными полями. Для этого создаются сложнейшие в техническом исполнении термоядерные реакторы. Один из первых таких реакторов – Токамак-10– был собран в 1975г. в Институте атомной энергии им. И.В. Курчатова.
Управляемый термоядерный синтез открывает человечеству доступ к неисчерпаемой кладовой ядерной энергии, заключенной в легких элементах. Извлечение энергии возможно из дейтерия, содержащегося в обычной воде. Расчеты показывают, что количество дейтерия в Мировом океане составляет примерно 4·1013 т, что соответствует энергетическому запасу 1017 МВт·год, который можно считать практически неограниченным. Остается только надеяться, что проблема управляемого термоядерного синтеза в недалеком будущем будет успешно решена.

9.10. Особенности развития отечественной энергетики

Желая непременно оказаться «впереди планеты всей», в бывшем СССР особое внимание уделяли гигантским электростанциям. Непрерывное строительство в 1960–1985 гг. в Сибири гигантских ГЭС при почти полном прекращении строительства конденсационных тепловых станций привело к уродливой структуре мощностей. Удельный вес ГЭС превышает 50%, а по отношению к годовому максимуму нагрузок – 75%. В итоге половина их мощности (до 10 млн кВт) никогда не используется: зимой из-за недостатка водных ресурсов, а летом из-за снижения потребности в энергии. Обычно в незасушливые годы, сбрасывается большой объем воды мимо недогруженных турбин. При этом не следует забывать о затопленных пойменных лугах, погубленной рыбе, исчезнувших селениях. Наглядный пример: за 5 лет с 1984 по 1988 г. было сброшено воды в объеме, эквивалентном 40 млрд кВт · часов. Иная, но столь же печальная картина наблюдается в маловодные годы. В 1982г., например, в конце многолетнего засушливого периода ГЭС Сибири обеспечили лишь 37,5% суммарной мощности вместо обычных 50%, и хотя тепловые станции работали с предельным напряжением, дело дошло до того, что пришлось останавливать ряд предприятий, в том числе алюминиевые заводы.
География европейской части страны не позволяет сооружать гигантские ГЭС, поэтому упор делался на тепловые станции и атомные электростанции (АЭС). К сожалению, в нашей стране был взят курс на строительство тепловых электростанций (ТЭС) со сверхкритическими параметрами пара. А такие ТЭС не обладают маневренностью и, значит, не в состоянии обеспечить нужный график электрических нагрузок. А поскольку электричество на складе не сохранишь и его нужно вырабатывать в тот самый момент, когда в нем возникает потребность, то появляются нелепые противопотоки энергии. Ежегодно около 5 млрд кВт . часов перебрасывается с северо-запада через центр страны на Урал, в Казахстан и Сибирь, где своя электроэнергия обходится в 2,5–3 раза дешевле, а оттуда, напротив, транспортируется в европейскую часть топливо для ее производства.
Идеология «великих строек», поддерживаемая решениями ЦК КПСС, распространилась и на другие энергетические объекты. В 70-е годы были созданы проекты сверхмощных энергетических комплексов государственных районных электростанций (ГРЭС) Канско-Ачинского (КАТЭК) и Экибастузского. По директивам партии и правительства к 1990 г. там должны были работать по четыре ГРЭС общей мощностью соответственно в 25 и 16 млн кВт. Но такая задача оказалась нереальной: в 1992 г. на КАТЭКе работало только 2 энергоблока общей мощностью 1,6 млн кВт, на Экибастузе – блок ГРЭС мощностью 4 млн кВт и блок на второй ГРЭС мощностью 500 тыс. кВт. Ориентация на такие сверхкрупные комплексы привела к прекращению строительства рассредоточенных ГЭС средней и слабой мощности. В результате ввод мощности на тепловых электростанциях, который в послевоенные годы быстро возрос до 40 млн кВт (8 млн кВт в год), в 9-й, 10-й и 11-й пятилетках резко упал до 22 млн кВт.
С определенным перекосом работали научно-исследовательские ведомственные и академические институты, огромные средства тратились без объективного обсуждения и анализа, возникли монопольно владеющие отраслью научно-партийные номенклатуры. В итоге тепловые электростанции (70% суммарной мощности всех электростанций) по своим технико-экономическим и экологическим показателям резко отстают от современного уровня, почти половина их требует замены или модернизации в связи с физическим износом. Некоторые атомные электростанции не отвечают международным стандартам безопасности и надежности.
Централизация отечественного теплоснабжения достигла гипертрофированных масштабов, не имеющих аналогов в мировой практике: мощности ТЭЦ превысили миллион киловатт, а диаметры теплопроводов остались прежними. Общая протяженность магистральной теплосети России превзошла 15400 км, причем состояние ее антикоррозийной защиты и теплоизоляции как правило, неудовлетворительно, чем объясняются непродолжительный срок службы трубопроводов, частые аварии и большие потери тепла.
В 1986–1990 гг. произошло дальнейшее падение прироста мощности тепловых электростанций до 15,3 млн кВт, т. е. до уровня пятой пятилетки, который был достигнут более 30 лет назад. Снизился и суммарный ввод мощностей до 27,5 млн кВт против 48,4 в предыдущей пятилетке, что явилось следствием приостановления строительства атомных станций после Чернобыльской катастрофы. Кстати, вводы мощности на ТЭС в Соединенных Штатах превышали вводы в СССР в те же годы более, чем в 2 раза.
Приведенные факты означают, что отечественная энергетика находится в кризисном состоянии, выход из которого возможен только при правильном, научно обоснованном стратегическом направлении ее развития.
Значение топливно-энергетического комплекса ощутилось в последнее время с особенной остротой. Стоило только поднять цены на энергоносители, как сразу вздорожали хлеб и транспорт, отопление квартир и металл, уборка улиц и обеды в столовой. Не так-то просто найти занятие или товар, которые не нуждались бы в энергии. А ведь нашим отечественным потребителям нефть, газ и уголь, не говоря об электричестве, отпускались по ценам, не идущим ни в какое сравнение с ценами на мировом рынке.
Дешевая энергия (точнее, искусственно заниженная цена на нее) сделала экономически невыгодными практически все энергосберегающие технологии. Нужно переходить на новые экономические технологии в промышленных масштабах, заменять изношенное оборудование более совершенным, применять высокоэффективные теплоизоляционные материалы и т. д. Другими словами, прежде чем сэкономить, необходимо крупно потратиться. Какое же предприятие пойдет на все эти хлопоты без крайней необходимости, без материальной заинтересованности? В результате к концу 80-х годов энергоемкость нашей экономики вдвое превысила этот показатель в ведущих западноевропейских странах. Да и сегодня треть первичных энергоресурсов можно было бы сократить или продать при рачительном их потреблении. Только в результате проведения последовательной энергосберегающей политики возможен переход к контролируемому энергетическому рынку. В ближайшее время в этой связи придется не столько строить, сколько реконструировать. На следующем этапе будет решаться задача технической и структурной перестройки топливно-энергетического комплекса, коренного повышения его экономической эффективности. Наряду с этим следует обратить особое внимание на разработку альтернативных источников энергии, с внедрением которых будет решен сразу целый комплекс многих проблем.

9.11. Энергии Мирового океана

Известно, что запасы энергии в Мировом океане колоссальны. Так, тепловая (внутренняя) энергия, соответствующая перегреву поверхностных вод океана по сравнению с донными, скажем, на 20° С, равна примерно 10 Дж. Кинетическая энергия океанских течений оценивается величиной порядка 1018 Дж. Однако пока используется лишь ничтожно малая доля этой энергии, да и то ценой больших и медленно окупающихся капиталовложений. Энергетика Мирового океана до сих пор кажется малоперспективной.
Происходит весьма быстрое истощение запасов ископаемого топлива (прежде всего нефти и газа), использование которою к тому же связано с существенным загрязнением окружающей среды (включая тепловое «загрязнение» и грозящее нежелательными климатическими последствиями повышение концентрации атмосферной углекислоты). Кроме того, ограниченность запасов урана (энергетическое использование которых к тому же порождает опасные радиоактивные отходы) и неопределенность как сроков, так и экологических последствий промышленного использования термоядерной энергии заставляют ученых и инженеров уделять все большее внимание поискам безвредных источников энергии не только перепадов уровня воды в реках, солнечного тепла, ветра, но и энергии Мирового океана.
Неожиданной возможностью энергетики Мирового океана оказалось выращивание с плотов в океане быстрорастущих гигантских водорослей, легко перерабатываемых в метан для энергетической замены природного газа. По имеющимся оценкам, для полного обеспечения энергией каждого человека-потребителя достаточно одного гектара плантаций таких водорослей. Большое внимание привлекает «океанотермическая энергоконверсия», т. е. получение электроэнергии за счет разности температур между поверхностными и засасываемыми насосом глубинными океанскими водами, например, при использовании в замкнутом цикле турбины таких легкоиспаряющихся жидкостей, как пропан, фреон или аммоний. В какой-то мере аналогичными, но пока, вероятно, более далекими представляются перспективы получения электроэнергии за счет различия между соленой и пресной водой, например морской и речной. Уже немало инженерного искусства вложено в макеты генераторов электроэнергии, работающих за счет морского волнения, причем обсуждаются перспективы электростанций с мощностями на многие тысячи киловатт. Еще больше сулят гигантские турбины на таких интенсивных и стабильных океанских течениях, как Гольфстрим.
Предполагается, что некоторые из преложенных океанских энергетических установок могут быть реализованы и стать рентабельными уже в ближайшем будущем. Вместе с тем следует ожидать, что творческий энтузиазм, искусство и изобретательность научно-инженерных работников способны улучшить существующие и создать новые перспективные разработки для промышленного использования энергетических ресурсов Мирового океана. Вполне вероятно, что при современных темпах научно-технического прогресса существенные сдвиги в океанской энергетике должны произойти в ближайшие десятилетия. Океан наполнен внеземной энергией, которая поступает в него из космоса. Она доступна и безопасна, не загрязняет окружающую среду, неиссякаема и свободна. Из космоса поступает энергия Солнца. Она нагревает воздух и образует ветры, вызывающие волны. Солнечная энергия нагревает океан, накапливающий тепловую энергию, и приводящий в движение течения, которые в то же время меняют свое направление под действием вращения Земли. Солнечное и лунное притяжения вызывают приливы и отливы. Океан – это не плоское, безжизненное водное пространство, а огромный источник энергии. В нем плещут волны, рождаются приливы и отливы, возникают течения и т. д.
Бакены и маяки, использующие энергию волн, уже усеяли прибрежные воды Японии. Сегодня вряд ли существует прибрежный район, где не было бы своего собственного изобретателя, работающего над созданием устройства, использующего энергию волн. Начиная с 1966 г. два французских города полностью удовлетворяют свои потребности в электроэнергии за счет энергии приливов и отливов.
Группа океанологов обратила внимание на то, что Гольфстрим несет свои воды вблизи берегов Флориды со скоростью 5 миль в час. Идея использовать этот поток теплой воды была весьма заманчивой. Возможно ли это? Смогут ли гигантские турбины и подводные пропеллеры, напоминающие ветряные мельницы, генерировать электричество, извлекая энергию из течений и волн? «Смогут» – таково мнение специалистов. В предложенном проекте нет ничего такого, что превышало бы возможности современной инженерной и технологической мысли. Предсказывают даже, что электричество, полученное при использовании энергии Гольфстрима, может стать конкурентоспособным уже в ближайшем будущем.
Океан – замечательная среда для поддержания жизни, в состав которой входят питательные вещества, соли и другие минералы. В такой среде растворенный в воде кислород питает всех морских животных от амебы до акулы. Растворенный углекислый газ точно так же поддерживает жизнь всех морских растений от одноклеточных диатомовых водорослей до достигающих высоты 200–300 футов (60–90 м) бурых водорослей. Морскому биологу нужно сделать лишь шаг вперед, чтобы перейти от восприятия океана как природной системы поддержания жизни к попытке начать на научной основе извлекать из этой системы энергию. При поддержке военно-морского флота США в середине 70-х годов XX в. группа специалистов в области исследования океана, морских инженеров и водолазов создала первую в мире океанскую энергетическую ферму на глубине 40 футов (12 м) под залитой солнцем гладью Тихого океана вблизи города Сан-Клемент. Ферма была небольшая. По сути своей это был лишь эксперимент. На ферме выращивались гигантские калифорнийские бурые водоросли. По мнению специалистов, до 50% массы таких водорослей может быть превращено в топливо – природный газ метан. Океанские фермы будущего, выращивающие бурые водоросли на площади примерно 100 000 акров (40 000 га), смогут давать энергию, которой хватит, чтобы полностью удовлетворить потребности американского города с населением в 50 000 человек.
В океане растворено огромное количество солей. Может ли соленость быть использована как источник энергии? Может. Большая концентрация соли в океане навела ряд исследователей океанографического института в Калифорнии на мысль о создании установки для получения большого количества энергии. Такую установку можно сконструировать в виде батареи, в которой осуществлялась бы реакция между соленой и несоленой водой.
В наши дни, когда возросла необходимость в новых видах топлива, океанографы, химики, физики, инженеры и технологи обращают все большее внимание на океан как на потенциальный источник энергии.

9.12. Энергетика будущего

За время существования нашей цивилизации много раз происходила смена традиционных источников энергии на новые, более совершенные. И не потому, что старый источник был исчерпан. Солнце светило и обогревало человека всегда, и тем не менее однажды люди приручили огонь, начали жечь древесину. Затем древесина уступила место каменному углю. Запасы древесины казались безграничными, но паровые машины требовали более калорийного «корма». Но и это был лишь этап. Уголь вскоре уступает свое лидерство на энергетическом рынке нефти. И вот новый виток: в наши дни ведущими видами топлива пока остаются нефть и газ. Но за каждым новым кубометром газа или тонной нефти нужно идти все дальше на север или восток, зарываться все глубже в землю. В этой связи нефть и газ будут с каждым годом стоить все дороже.
Замена? Нужен новый лидер энергетики. Им, несомненно, станут ядерные источники. Запасы урана в сравнении с запасами угля вроде бы не столь уж и велики. Но зато на единицу массы уран содержит в себе энергии в миллионы раз больше, чем уголь. А итог таков: при получении электроэнергии на АЭС нужно затратить намного меньше средств и труда, чем при извлечении энергии из угля. И ядерное горючее приходит на смену нефти и углю... Всегда было так: следующий источник энергии был более мощным.
В погоне за избытком энергии человек все глубже погружаются в стихийный мир природных явлений и до какой-то поры не очень задумывался о последствиях своих дел и поступков. Однако времена меняются. Сейчас, на рубеже тысячелетий начинается новый, этап земной энергетики. Появилась энергетика «щадящая», построенная так, чтобы человек не рубил сук, на котором сидит, заботился об охране уже сильно поврежденной биосферы. Несомненно, в будущем одновременно с интенсивным развитием энергетики получит широкие права гражданства и экстенсивное направление: рассредоточенные источники энергии не слишком большой мощности, но зато с высоким кпд, экологически чистые, удобные в обращении. Яркий пример тому – быстрый старт электрохимической энергетики, которую, видимо, дополнит энергетика солнечная.
Энергетика очень быстро аккумулирует, ассимилирует, вбирает в себя все самые новейшие идеи, изобретения, достижения естествознания. Это и понятно: энергетика связана буквально со всем, и все тянутся к энергетике, зависят от нее. Энергохимия, водородная энергетика, космические электростанции, энергия, запечатанная в антивеществе, кварках, «черных дырах», вакууме, – это всего лишь наиболее яркие вехи, штрихи, отдельные черточки того сценария, который пишется на наших глазах и который можно назвать завтрашним днем энергетики.

Контрольные вопросы

1. В чем заключается естественно-научное понимание энергии?
2. Почему энергию считают источником благосостояния?
3. Какими способами используются источники энергии?
4. Чем обусловливается необходимость преобразования тепловой и других видов энергии в электрическую?
5. Какую роль играют химические процессы в преобразовании энергии?
6. Приведите цифры, характеризующие затраты энергии на производство различной промышленной продукции?
7. От чего зависит эффективность производства энергии?
8. Чему равен КПД паровой машины, тепловых электростанций, МГД-генераторов, атомных электростанций?
9. В чем заключается принцип работы тепловой электростанции?
10. Что такое тепловое загрязнение окружающей среды ?
11. Назовите основные способы повышения эффективности энергосистем.
12. В чем заключается сущность комбинированного способа получения электроэнергии?
13. Каков принцип действия МГД-генератора?
14. Приведите примеры прямого преобразования энергии. В чем его преимущества?
15. Каков принцип работы водородкислородных топливных элементов?
16. Чем отличаются батареи на твердом йодном электролите от обычных?
17. Назовите основные неорганические источники энергии.
18. Охарактеризуйте преимущества и недостатки гидроисточников энергии.
19. Каковы перспективы использования геотермальной энергии?
20. Почему гелиоэнергетика не развивается быстрыми темпами?
21. Какова роль фотосинтеза в преобразовании солнечной энергии?
22. Где и когда была построена первая атомная электростанция?
23. Чем отличаются атомные реакторы разных типов?
24. Какая доля мирового производства электроэнергии приходится на атомные электростанции?
25. Является ли перспективным ядерное топливо?
26. Какова ближайшая перспектива развития атомной энергетики?
27. В чем заключаются особенности развития отечественной энергетики?
28. Назовите основные стратегические направления развития отечественной энергетики.
29. Как можно извлечь энергию Мирового океана?
30. Охарактеризуйте кратко энергетику будущего.
.

Обратно в раздел Наука