Рис. 9.4.1. Принцип термоядерной цепной реакции

Рис. 9.4.1. Принцип термоядерной цепной реакции

Для осуществления синтеза дейтерия и трития необходимы

• 
  достаточно высокая температура (не менее 50 MK),
  
• 
  достаточная плотность ионов,
  
• 
  достаточное время удерживания плазмы.
  

Последние два требования могут заменяться требованием: произведение плотности ионов n и времени удерживания плазмы  _E должно быть больше, чем некоторое минимальное значение, определяемое температурой. Наименьший нижний предел этого произведения (приблизительно 10²⁰ s/m³) имеет место при температуре 300 MK.

Принцип устройства токамака представлен на рис. 9.4.3. Высокотемпературная плазма, образующаяся в тороидальным канале, представляет собой вторичную обмотку мощного трансформатора, состоящую только из одного витка. В ней индуцируется ток до нескольких мегаампер, обеспечивающий нагрев плазмы до желаемой температуры (в строящемся реакторе ИТЭР предусматривается получить ток до 15 MA). Плазменный шнур удерживается на оси канала при помощи сверхпроводящих магнитных катушек, создающих индукцию магнитного поля приблизительно до 5 Т. В плазму подают дейтерий и тритий, которые соединяются там в гелий. Нейтроны поглощаются во многослойной внутренней обкладке канала, состоящей из нескольких десятков или сотен модулей, в которых аккумулируется и из которых отводится возникающее тепло. Теплоносителем для отвода тепла может служить вода или гелий (рис. 9.4.4). Некоторые модули содержат жидкий литий и предусмотрены для получения трития. Первая стенка модуля, обращенная к плазме, должна быть из жаростойкого материала, не поглощающего нейтронов, например, из бериллия или ванадия, наносимого обычно тонким слоем на медную основу. Толщина этой основы, чтобы избегать перегрева или расплавления, обычно не превышает 3 mm. Сечение канала обычно имеет форму, похожую на букву D, и в его нижней части предусматриваются устройства для удаления отходов реакции (рис. 9.4.5).

На существующих опытных реакторах достигались мощность до 30 MW и продолжительность реакции приблизительно до 30 s. Учитывая приобретенный опыт, в 1985 году Европейский Союз, США и Япония договорились построить опытный прототип промышленного токамака ИТЭР (ITER, International Thermonuclear Experimental Reactor, ’Международный экспериментальный термоядерный реактор’). Позже к этой программе присоединились Россия, Китай и Корейская Республика, а в 2005 году было принято решение соорудить этот реактор, тепловая мощность (мощность ядерной реакции) которого составляет 500 MW, а продолжительность импульса (время удержания плазмы) – не менее 400 s, в Кадараше (Cadarache, Южная Франция). Диаметр тороида этого реактора равен приблизительно 10 m, а эффективный диаметр канала – приблизительно 3 m. Мощность, требуемая для предварительного подогрева плазмы, составляет 50 MW. Реактор обходится приблизительно в 10 миллиардов евро и должен вступить в строй в 2018 году. Уже начато и проектирование промышленного реактора Демо (Demo) тепловой мощностью в 2 GW и длительностью термоядерной реакции до 90 min, который может вступить в строй предположительно в 2035 году и впервые будет отдавать получаемую энергию в электрическую сеть.

• 
  использование гидроэнергии (см. разделы 2.6, 6.4 и 9.3),
  
• 
  использование ветряной энергии (см. разделы 2.7, 6.6 и 9.3),
  
• 
  использование геотермальной энергии (см. разделы 2.8 и 6.5),
  
• 
  использование энергии излучения Солнца (см. разделы 2.2 и 6.7),
  
• 
  использование горючих промышленных отходов, бытового мусора, древесных и других растительных отходов, отопительной древесины и биогаза для выработки электроэнергии и тепла (см. раздел 2.4),
  
• 
  применение тепловых насосов (см. раздел 3.14).
  

Для получения электроэнергии и тепла исследуются и возможности использования разностей температуры океанской воды (см. раздел 2.8).

• 
  биомасса 13,0 %
  
• 
  ветряная энергия 2,4 %
  
• 
  гидроэнергия 2,1 %
  
• 
  тепловое преобразование излучения Солнца 1,5 %
  
• 
  геотермальная энергия 0,8 %
  
• 
  электрическое преобразование излучения Солнца 0,2 %
  

По данным, приведенным на этом рисунке, можно сказать, что цели, поставленные на 2010 год, вполне выполнимы даже с учетом развития одних только ветряных и солнечных электростанций.

• 
  этанола, применяемого вместо бензина,
  
• 
  биодизеля, применяемого вместо дизельного топлива, получаемого из нефти.
  

Развитие и современное состояние производства этанола и биодизеля подробно рассмотрены в разделе 2.4. Наиболее существенными проблемами в случае расширения производства этих видов моторного топлива должны считаться

• 
  отвод больших площадей сельскохозяйственных угодий под культуры, служащие сырьем для производства этанола и биодизеля, часто за счет плошадей для выращивания зерна и другой традиционной растительной продукции сельского хозяйства, а также путем вырубки лесов;
  
• 
  относительно большой (прямой и косвенный) расход энергии при производстве необходимых сельскохозяйственных работ, часто превышающий количество энергии, содержащейся в этих биологических видах моторного топлива;
  
• 
  вред, наносимый естественным экологическим системам и биологическому разнообразию природы.
  

По этим причинам переход на использование биотоплива взамен моторного топлива, получаемого из нефти, может обеспечить некоторую независимость от импорта нефтепродуктов и повысить энергобезопасность стран – импортеров нефти, но не может считаться эффективной мерой по защите окружающей среды или по уменьшению выбросов парниковых газов.

• 
  аккумулирование энергии путем производства водорода (см. раздел 5.6),
  
• 
  использование водорода как энергоносителя при передаче энергии,
  
• 
  потребление водорода как топлива в топливных элементах и в других преобразователях для получения электрической или механической энергии и/или тепла.
  

Предполагают, что в таком комплексном виде водородная энергетика может начать развиваться после того, когда будут разработаны технически и экономически более эффективные способы выделения водорода из его химических соединений (прежде всего из воды).

Данные, приведенные на рис. 9.6.4 и 9.6.5, основываются на стоимости топлива в 2005 году. Быстрый рост стоимости нефтепродуктов (см. раздел 9.2) приводит к повышению конкурентоспособности водорода относительно бензина.

• 
  на гидравлические и солнечные электростанции, находящиеся далеко от центров потребления электроэнергии,
  
• 
  на ветряные электростанции в качестве одного из способов аккумулирования энергии,
  
• 
  на атомные электростанции с ядерными реакторами, которые могут использоваться для получения как электроэнергии, так и водорода (такая электростанция могла бы, например, вырабатывать днем электроэнергию, а ночью водород).
  

Так как передача водорода в больших количествах может оказаться намного дешевле, чем передача электроэнергии, то в будущем вместо электрических сетей высокого и сверхвысокого напряжения могут появиться трубопроводные сети водорода (рис. 9.6.6).

Расход энергии для электролиза воды составляет приблизительно 200 MJ/kg. Так как теплота сгорания получаемого водорода равна 142 MJ/kg, то кпд элекролиза может считаться равным приблизительно 70 %. Если водород используется в топливных элементах с кпд, например, 60 %, то результирующий кпд преобразования электроэнергии в химическую энергию водорода и обратно в электрическую составляет приблизительно 40 %, что обычно считается приемлемым.

• 
  сжатие при давлении от 5 MPa до 10 MPa,
  
• 
  сжижение при температуре около –250 ^oC,
  
• 
  металлические гидриды (например, MgH₂ ), из которых водород легко выделяется при нагреве.
  

Наиболее простым следует считать аккумулирование в виде сжатого газа, наименьший объем аккумулирующего устройства достигается при сжижении водорода, наиболее безопасным (но и наиболее дорогим) является применение металлических гидридов.

• 
  замедляет изменения климата, вызванные интенсивным потреблением энергии (прежде всего, в результате уменьшения выбросов двуокиси углерода и других парниковых газов),
  
• 
  отодвигает срок исчерпания невозобновляемых энергоресурсов и увеличивает тем самым продолжительность надежного энергообеспечения как в отдельных государствах, так и во всем мире,
  
• 
  повышает энергополитическую независимость государств, энергохозяйство которых в какой-то мере основывается на импорте топлива и других видов энергии,
  
• 
  позволяет отодвигать инвестиции на развитие топливной промышленности, на сооружение новых электростанций и на повышение мощности систем передачи энергии,
  
• 
  уменьшает потери энергии и затраты, связанные с передачей энергии,
  
• 
  позволяет снизить емкость и стоимость устройств аккумулирования энергии и продливает их срок службы,
  
• 
  уменьшает производственный расход энергии в промышленности, сельском хозяйстве и других сферах народного хозяйства, снижая этим себестоимость процукции и повышая ее рыночную конкурентоспособность.
  

Иногда необходимость ограничения энергопотребления вызывается дефицитом энергии. Строгие лимиты потребления энергии могут быть установлены, например, законодательным путем во время войны или других кризисных ситуаций.

• 
  на повышение кпд всех преобразователей энергии,
  
• 
  на снижение потерь при передаче энергии,
  
• 
  на разработку более эффективного оборудования энергопотребления.
  

Например, за последние 30 лет прошлого столетия (с 1970 по 2000 год) средний кпд тепловых электростанций увеличился с 30 % до 40 % [9.5], а в Центральной Европе потребление тепла для отопления зданий (в соответствии с программой Дом пониженного энергопотребления) удалось снизить с 400 kWh/(m² a), до 50 kWh/(m² a) [9.7].

• 
  переработка попутного газа, получаемого вместе с нефтью на нефтеразработках, в товарное топливо (вместо сжигания в факелах, как это до сих пор практикуется),
  
• 
  использование энергетически более эффективных горных машин и транспортных средств при добывании твердого ископаемого топлива,
  
• 
  на топливосжигающих электростанциях – замена твердого или жидкого топлива, при возможности, природным газом,
  
• 
  применение на тепловых электростанциях паровых котлов и турбин с более высокими (в том числе сверхкритическими) параметрами пара,
  
• 
  расширение совместной выработки электроэнергии и тепла,
  
• 
  сооружение электростанций с комбинированным применением паровых и газовых турбин,
  
• 
  установка на теплоэлектроцентралях аккумуляторов тепла,
  
• 
  использование горючих отходов производства для получения электроэнергии и тепла.
  

Возможности энергосбережения при передаче энергии заключаются, главным образом

• 
  в выборе оптимального способа транспортировки топлива (трубопроводов, железнодорожных или судовых перевозок и т. д.),
  
• 
  в снижении потерь энергии (например, путем применения лучшей теплоизоляции в теплопроводных сетях городов),
  
• 
  при передаче электроэнергии – в выборе оптимального напряжения и рода тока, а также в минимизации передачи реактивной энергии.
  

В наибольших количествах и наиболее эффективно расход энергии может быть сокращен при ее потреблении. При этом обычно имеются в виду

• 
  выбор оптимальной разновидности энергии,
  
• 
  повышение кпд энергоприемников,
  
• 
  уменьшение числа ступеней преобразования энергии,
  
• 
  оптимальное регулирование двигателей внутреннего сгорания (обычно при помощи микропроцессорного управления), чтобы обеспечить максимально возможный кпд при любой нагрузке и любой скорости вращения,
  
• 
  использование электроприводов, регулируемых при помощи преобразователей частоты,
  
• 
  сокращение расхода тепла в отопительных системах и производственных процессах путем использования надлежащих устройств автоматического регулирования,
  
• 
  улучшение тепловой изоляции зданий,
  
• 
  активное и пассивное использование энергии солнечного излучения,
  
• 
  полезное использование тепла, отводимого из производственных установок,
  
• 
  использование тепла, отводимого вентиляцией зданий, для нагрева поступающего свежего воздуха,
  
• 
  местная аккумуляция энергии во время минимума нагрузки систем электроснабжения,
  
• 
  использование источников света с высокой световой отдачей, а также автоматическое регулирование уровня освещения.
  

Расход энергии уменьшают, кроме того,

• 
  повторное использование металлов и других материалов, которое в настоящее время предписывается и государственным или международным законодательством,
  
• 
  развитие техники связи и телекоммуникации.
  

Большинство вышеназванных мер более подробно рассмотрено в других главах настоящей книги. Среди мер, принятых в первые годы 21-го века, в первую очередь, заслуживают внимания

• 
  восстановление трамвайного и троллейбусного движения во многих крупных городах Европы,
  
• 
  развитие железнодорожного и судового транспорта при одновременном ограничении автомобильных перевозок,
  
• 
  широкое использование энергии солнечного излучения для снабжения теплой водой и отопления зданий,
  
• 
  повторное использование материалов, содержащихся в отходах,
  
• 
  использование маломощных рассредоточенных источников электроэнергии и тепла для уменьшения потерь, возникающих при передаче энергии на расстояние.
  

В энергопотреблении зданий наибольшее значение имеет отопление. В странах Центральной и Северной Европы его доля в общем энергопотреблении зданий составляет от 50 % до 75 %. Поэтому наибольшую экономию энергии можно получить при уменьшении отопительных нужд путем улучшения теплоизоляции зданий. Во многих странах приняты соответствующие законодательные акты, устанавливающие максимально допустимые значения годового расхода энергии отопления на единицу общей площади здания. Результативность такого законодательства можно проиллюстрировать, например, уменьшением отопительных нужд в новостройках Германии с 1970 года [9.7] и, в особенности, сравнение достигнутых результатов с расходом энергии на отопление зданий, построенных в это же время в Эстонии (рис. 9.7.1).