Ветер. Потенциал энергии ветра подсчитан более менее точно: по оценке Всемирной
метеорологической организации ее запасы в мире составляют 170 трлн кВт·ч в год.
Ветроэнергоустановки разработаны и опробованы настолько основательно, что
вполне прозаической выглядит картина и сегодняшнего небольшого ветряка,
снабжающего дом энергией вместе с фермой, и завтрашних тысяч гигантских
сотнеметровых башен с десятиметровыми лопастями, выстроенных цепью там, где
постоянно дуют сильные ветры, вносящих тоже свой немаловажный "процент” в
мировой энергобаланс. У энергии ветра есть несколько существенных недостатков, которые затрудняют
ее использование, но отнюдь не умаляют ее главного преимущества - экологической
чистоты. Она сильно рассеяна в пространстве, поэтому необходимы
ветроэнергоустановки, способные постоянно работать с высоким КПД. Ветер очень
непредсказуем - часто меняет направление, вдруг затихает даже в самых ветреных
районах земного шара, а иногда достигает такой силы, что ломает ветряки.
Ветроэнергостанции не безвредны: они мешают полетам птиц и насекомых, шумят,
отражают радиоволны вращающимися лопастями. Но, как мы увидим дальше эти
недостатки можно уменьшить, а то и вовсе свести на нет. В настоящее время разработаны ветроэнергоустановки, способные эффективно
работать при самом слабом ветре. Шаг лопасти винта автоматически регулируется
таким образом, чтобы постоянно обеспечивалось максимально возможное
использование энергии ветра, а при слишком большой скорости ветра лопасть столь
же автоматически переводится во флюгерное положение, так что авария
исключается. Разработаны и действуют так называемые циклонные электростанции мощностью до
ста тысяч киловатт, где теплый воздух, поднимаясь в специальной 15-метровой
башне и смешиваясь с циркулирующим воздушным потоком, создает искусственный
"циклон”, который вращает турбину. Такие установки намного эффективнее и
солнечных батарей и обычных ветряков. Чтобы компенсировать изменчивость ветра, сооружают огромные "ветряные
фермы”. Ветряки при этом стоят рядами на обширном пространстве, потому что их
нельзя ставить слишком тесно - иначе они будут загораживать друг друга. Такие
"фермы” есть в США, во Франции, в Англии, но они занимают много места; в Дании
"ветряную ферму” разместили на прибрежном мелководье Северного моря, где она
никому не мешает, и ветер устойчивее, чем на суше. Положительный пример по использованию энергии ветра показали Нидерланды и
Швеция, которая приняла решение на протяжении 90-х годов построить и разместить
в наиболее удобных местах 54 тысячи высокоэффективных энергоустановок. В мире
сейчас работает более 30 тысяч ветроустановок разной мощности. Германия
получает от ветра 10% своей электроэнергии, а всей Западной Европе ветер дает
2500 МВт электроэнергии. 2.4 Водород. На данный момент водород является самым разрабатываемым «топливом будущего».
На это есть несколько причин: при окислении водорода образуется как побочный
продукт вода, из нее же можно водород добывать. А если учесть, что 73%
поверхности Земли покрыты водой, то можно считать, что водород неисчерпаемое
топливо. Так же возможно использование водорода для осуществления термоядерного
синтеза, который вот уже несколько миллиардов лет происходит на нашем Солнце и
обеспечивает нас солнечной энергией. Управляемый термоядерный синтез. Управляемый термоядерный синтез использует ядерную энергию, выделяющуюся при
слиянии легких ядер, таких как ядра водорода или его изотопов дейтерия и
трития. Ядерные реакции синтеза широко распространены в природе, будучи
источником энергии звезд. Ближайшая к нам звезда - Солнце - это естественный
термоядерный реактор, который уже многие миллиарды лет снабжает энергией жизнь
на Земле. Ядерный синтез уже освоен человеком в земных условиях, но пока не для
производства мирной энергии, а для производства оружия он используется в
водородных бомбах. Начиная с 50 годов, в нашей стране и параллельно во многих
других странах проводятся исследования по созданию управляемого термоядерного
реактора. С самого начала стало ясно, что управляемый термоядерный синтез не
имеет военного применения. В 1956
г. исследования были рассекречены и с тех пор проводятся
в рамках широкого международного сотрудничества. В то время казалось, что цель
близка, и что первые крупные экспериментальные установки, построенные в конце
50 годов, получат термоядерную плазму. Однако потребовалось более 40 лет
исследований для того, чтобы создать условия, при которых выделение
термоядерной мощности сравнимо с мощностью нагрева реагирующей смеси. В 1997 г. самая крупная
термоядерная установка - Европейский токамак, JET, получила 16 МВт термоядерной
мощности и вплотную подошла к этому порогу. Что же явилось причиной такой задержки? Оказалось, что для достижения цели
физикам и инженерам пришлось решить массу проблем, о которых и не догадывались
в начале пути. В течение этих 40 лет была создана наука - физика плазмы,
которая позволила понять и описать сложные физические процессы, происходящие в
реагирующей смеси. Инженерам потребовалось решить не менее сложные проблемы, в
том числе научиться создавать глубокий вакуум в больших объемах, разработать
большие сверхпроводящие магниты, мощные лазеры и источники рентгеновского
излучения, разработать инжекторы способные создавать мощные пучки нейтральных
атомов, разработать методы высокочастотного нагрева смеси и многое другое. Первое поколение термоядерных реакторов, которые пока находятся в стадии
разработки и исследований, по-видимому, будет использовать реакцию синтеза
дейтерия с тритием D + T = He + n, в результате которой образуется ядро гелия, Не, и нейтрон. Необходимое условие
для того, чтобы такая реакция пошла - это достижение высокой температуры смеси
(сто миллионов градусов). Только в этом случае реагирующие частицы могут
преодолеть электростатическое отталкивание и при столкновении, хотя бы на
короткое время, приблизиться друг к другу на расстояние, при котором возможна
ядерная реакция. При такой температуре смесь изотопов водорода полностью
ионизируется и превращается в плазму - смесь электронов и ионов. Кроме высокой
температуры, для положительного выхода энергии нужно, чтобы время жизни плазмы,
t, помноженное на плотность реагирующих ионов, n, было достаточно велико nt
> 5*1 000 000 000 000 000 c/см3. Последнее условие называется
критерием Лоусона. Основная физическая проблема, с которой столкнулись
исследователи на первых шагах на пути к термоядерному синтезу - это многочисленные
плазменные неустойчивости, приводящие к плазменной турбулентности. Именно они
сокращали время жизни в первых установках до величины на много порядков меньше
ожидаемой и не позволяли достигнуть выполнения критерия Лоусона. За 40 лет
исследований удалось найти способы борьбы с плазменными неустойчивостями и
построить установки способные удерживать турбулентную плазму. Существуют два принципиально различных подхода к созданию термоядерных
реакторов, и пока не ясно, какой подход окажется наиболее выгодным. В так называемом инерционном термоядерном синтезе несколько миллиграмм
дейтериево-тритиевой смеси сжимаются оболочкой, ускоряемой за счет реактивных
сил, возникающих при испарении оболочки с помощью мощного лазерного или
рентгеновского излучения. Энергия выделяется в виде микровзрыва, когда в
процессе сжатия в смеси дейтерия с тритием достигаются необходимые условия для
термоядерного горения. Время жизни такой плазмы определяется инерционным
разлетом смеси и поэтому критерий Лоусона для инерционного удержания принято
записывать в терминах произведения rr, где r - плотность реагирующей смеси и r
- радиус сжатой мишени. Для того, чтобы за время разлета смесь успела выгореть,
нужно, чтобы rr Ё 3 Г/см2. Отсюда сразу следует, что критическая
масса топлива, М, будет уменьшаться с ростом плотности смеси, М ~ rr3 ~ 1/r2 ,
а следовательно и энергия микровзрыва будет тем меньше, чем большей плотности
смеси удастся достичь при сжатии. Ограничения на степень сжатия связаны с
небольшой, но всегда существующей неоднородностью падающего на оболочку
излучения и с несимметрией самой мишени, которая еще и нарастает в процессе
сжатия из-за развития неустойчивостей. В результате появляется некая
критическая масса мишени и, следовательно, критическая энергия, которую нужно
вложить оболочку для ее разгона и получения положительного выхода энергии. По
современным оценкам, в мишень с массой топлива около 5 миллиграмм и радиусом 1-2 миллиметра нужно
вложить около 2 МДж за время 5-10410-9 с. При этом энергия микровзрыва будет на
уровне всего 54108 Дж (эквивалентно около 100 кг обычной взрывчатки) и
может быть легко удержана достаточно прочной камерой. Предполагается, что
будущий термоядерный реактор будет работать в режиме последовательных
микровзрывов с частотой в несколько герц, а выделяемая в камере энергия будет
сниматься теплоносителем и использоваться для получения электроэнергии. За прошедшие годы достигнут большой прогресс в понимании физических
процессов происходящих при сжатии мишени и взаимодействии лазерного и
рентгеновского излучения с мишенью. Более того, современные многослойные мишени
уже были проверены с помощью подземных ядерных взрывов, которые позволяют
обеспечить требуемую мощность излучения. Было получены зажигание и большой
положительный выход термоядерной энергии, и поэтому нет сомнений, что этот
способ в принципе может привести к успеху. Основная техническая проблема, с
которой сталкиваются исследователи, работающие в этой области - создание
эффективного импульсного драйвера для ускорения оболочки. Требуемые мощности
можно получить, используя лазеры (что и делается в современных
экспериментальных установках ), но к.п.д лазеров слишком мал для того, чтобы
можно было рассчитывать на положительный выход энергии. В настоящее время
разрабатываются и другие драйверы для инерционного синтеза основанные на
использовании ионных и электронных пучков, и на создании рентгеновского
излучения с помощью Z пинчей. За последнее время здесь также достигнут
существенный прогресс. В настоящее время в США ведется строительство большой лазерной
установки, NIF, рассчитанной на получение зажигания. Другое направление в управляемом термоядерном синтезе - это термоядерные
реакторы, основанные на магнитном удержании. Магнитное поле используется для
изоляции горячей дейтериево-тритиевой плазмы от контакта со стенкой. В отличие
от инерционных реакторов магнитные термоядерные реакторы - это стационарные
устройства с относительно низким объемным выделением энергии и относительно
большими размерами. За 40 лет термоядерных исследований были предложены
различные системы для магнитного удержания, среди которых токамак занимает
сейчас лидирующее положение. Другая система для магнитного удержания плазмы -
это стелларатор. Крупные стеллараторы строятся в настоящее время в Японии и
Германии. В токамаке горячая плазма имеет форму тора и удерживается от контакта со
стенкой с помощью магнитного поля создаваемого как внешними магнитными
катушками, так и током, протекающим по самой плазме. Характерная плотность
плазмы в токамаке 100 000 000 000 000 частиц в см3 , температура Т = 10-20 кэВ
(1 эВ ¦ 12000¦C) и давление 2-3 атм. Для того, чтобы удержать это давление
требуется магнитное поле с индукцией В ¦ 1 Т. Однако плазменные неустойчивости
ограничивают допустимое давление плазмы на уровне нескольких процентов от
магнитного давления и поэтому требуемое магнитное поле оказывается в несколько
раз выше, чем то, которое нужно для равновесия плазмы. Для избежания
энергетических расходов на поддержание магнитного поля, оно будет создаваться в
реакторе сверхпроводящими магнитами. Такая технология уже имеется в нашем
распоряжении - один из крупнейших экспериментальных токамаков, Т-15,
построенный несколько лет назад в России, использует сверхпроводящие магниты
для создания магнитных полей. Токамак реактор будет работать в режиме самоподдерживающегося термоядерного
горения, при котором высокая температура плазмы обеспечивается за счет нагрева
плазмы заряженными продуктами реакции альфа-частицами (ионами Не). Для этого,
как видно из условия Лоусона, нужно иметь время удержания энергии в плазме не
меньше 5 с. Большое время жизни плазмы в токамаках и других стационарных
системах достигается за счет их размеров, и поэтому существует некий
критический размер реактора. Оценки показывают, что самоподдерживающаяся
реакция в токамаке возможна в том случае, если большой радиус плазменного тора
будет 7-9 м.
Соответственно, токамак-реактор будет иметь полную тепловую мощность на уровне
1 ГВт. Удивительно, что эта цифра примерно совпадает с мощностью минимального
инерционного термоядерного реактора. За прошедшие годы достигнут впечатляющий прогресс в понимании физических
явлений, ответственных за удержание и устойчивость плазмы в токамаках.
Разработаны эффективные методы нагрева и диагностики плазмы, позволившие
изучить в нынешних экспериментальных токамаках те плазменные режимы, которые
будут использоваться в реакторах. Крупные нынешние экспериментальные машины -
JET (Европа), JT60-U (Япония), Т-15 (Россия) и TFTR (США) - были построены в
начале 80 годов для изучения удержания плазмы с термоядерными параметрами и
получения условий, при которых нагрев плазмы сравним в полным выходом
термоядерной мощности. Два токамака, TFTR и JET использовали DT смесь и
достигли соответственно 10 и 16 МВт термоядерной мощности. В экспериментах с DT
смесью JET получил режимы с отношением термоядерной мощности к мощности нагрева
плазмы, Q=0.9, и токамак JT60-U на модельной DD смеси достиг Q = 1.06. Это
поколение токамаков практически выполнило свои задачи и создало все необходимые
условия для следующего шага - строительство установок нацеленных на
исследование зажигания, Q Ё 5, и уже обладающих всеми чертами будущего
реактора. В настоящее время ведется проектирование такого первого экспериментального
термоядерного реактора - ИТЭР. В проекте участвуют Европа, Россия, США и
Япония. Предполагается, что этот первый термоядерный реактор токамак будет
построен к 2010 г. Существуют огромные запасы топлива для термоядерной энергетики. Дейтерий - это
широко распространенный в природе изотоп, который может добываться из морской
воды. Тритий будет производиться в самом реакторе из лития. Запасы дейтерия и
лития достаточны для производства энергии в течение многих тысяч лет и это
топливо, как и продукт реакций синтеза - гелий - не радиоактивны.
Радиоактивность возникает в термоядерном реакторе из-за активации материалов
первой стенки реактора нейтронами. Известны низкоактивирующиеся конструкционные
материалы для первой стенки и других компонентов реактора, которые за 30-50 лет
теряют свою активность до полностью безопасного уровня. Можно представить, что
реактор, проработавший 30 лет и выработавший свой ресурс, будет законсервирован
на следующие 30-50 лет, а затем конструкционные материалы будут переработаны и
вновь использованы в новом термоядерном реакторе. Кроме дейтерий- тритиевой
реакции, которая имеет высокое сечение при относительно низкой температуре, и
следовательно легче всего осуществима, можно использовать и другие реакции.
Например, реакции D с Не3 и p с В11 не дают нейтронов и не приводят к
нейтронной активации первой стенки. Однако условия Лоусона для таких реакций
более жесткие и поэтому нынешняя термоядерная программа в качестве первого шага
нацелена на использование DT смеси. Несмотря на большие успехи, достигнутые в этом направлении, термоядерным
реакторам предстоит еще пройти большой путь прежде, чем будет построен первый
коммерческий термоядерный реактор. Развитие термоядерной энергетики требует
больших затрат на развитие специальных технологий и материалов и на физические
исследования. При нынешнем уровне финансирования термоядерная энергетика не
будет готова раньше, чем 2020-2040
г. 2.5 Гидроэнергия. Гидроэнергостанции - еще один из источников энергии, претендующих на
экологическую чистоту. В начале XX века крупные и горные реки мира привлекли к
себе внимание, а концу столетия большинство из них было перегорожено каскадами
плотин, дающими баснословно дешевую энергию. Однако это привело к огромному
ущербу для сельского хозяйства и природы вообще: земли выше плотин
подтоплялись, ниже - падал уровень грунтовых вод, терялись огромные
пространства земли, уходившие на дно гигантских водохранилищ, прерывалось
естественное течение рек, загнивала вода в водохранилищах, падали рыбные запасы
и т.п. На горных реках все эти минусы сводились к минимуму, зато добавлялся еще
один: в случае землетрясения, способного разрушить плотину, катастрофа могла
привести к тысячам человеческих жертв. Поэтому современные крупные ГЭС не
являются действительно экологически чистыми. Минусы ГЭС породили идею
"мини-ГЭС”, которые могут располагаться на небольших реках или даже ручьях, их
электрогенераторы будут работать при небольших перепадах воды или движимые лишь
силой течения. Эти же мини-ГЭС могут быть установлены и на крупных реках с
относительно быстрым течением. Детально разработаны центробежные и пропеллерные энергоблоки рукавных
переносных гидроэлектростанций мощностью от 0.18 до 30 киловатт. При поточном
производстве унифицированного гидротурбинного оборудования "мини-ГЭС” способны
конкурировать с "макси” по себестоимости киловатт-часа. Несомненным плюсом
является также возможность их установки даже в самых труднодоступных уголках
страны: все оборудование можно перевезти на одной вьючной лошади, а установка
или демонтаж занимает всего несколько часов. Еще одной очень перспективной разработкой, не получившей пока широкого
применения, является недавно созданная геликоидная турбина Горлова (по
имени ее создателя). Ее особенность заключается в том, что она не нуждается в
сильном напоре и эффективно работает, используя кинетическую энергию водяного
потока - реки, океанского течения или морского прилива. Это изобретение
изменило привычное представление о гидроэнергостанции, мощность, которой ранее
зависела только от силы напора воды, то есть от высоты плотины ГЭС. следующая