Электростанции будущего, я убежден, откажутся от необходимого сегодня длинного ряда преобразований энергии. Вспомните: химическая энергия угля превращается в тепловую энергию пара, затем эта тепловая— в кинетическую: сначала струй пара, затем ротора турбогенератора. И только эта механическая энергия превращается в электрическую.
Наши сегодняшние атомные электростанции являются, по существу, такими же тепловыми электростанциями, в которых паровой котел заменен атомным реактором. Вместе с принципиальной схемой работы они унаследовали и низкий коэффициент полезного действия. Ведь у первой в мире атомной электростанции он менее 17 процентов…
Я думаю, что вторая половина XX века ознаменуется двумя революционными открытиями в энергетике: открытием простого, дешевого по первоначальным затратам и экономичного (я бы даже сказал — самого рационального из всех возможных) способа непосредственного превращения химической энергии топлива, с одной стороны, и атомной энергии, с другой, в электрическую энергию.
Такие превращения принципиально возможны. Напомню, что в настоящее время уже существуют — правда, еще только в лабораториях — полупроводниковые элементы, в которых энергия ядерного распада непосредственно превращается в электрический ток.
В принципе химическая энергия, заключенная и в обычном топливе» не ядерном, может непосредственно трансформироваться в электрическую, минуя стадию тепловой энергии, совершенно аналогично тому, как это происходит в обычной батарейке карманного фонаря. Но от принципов до практической реализации большого масштаба лежит долгий, трудный и захватывающе интересный путь поисков.
Я представляю себе тепловую и атомную электростанции будущего без многочисленных цехов, в которых обычно располагаются различные машины. По всей вероятности, это будет какой-то закрытый реактор, в который будут постепенно подавать «горючее», а по медным шинам в электрические линии будет литься из этого реактора постоянный ток. Коэффициент полезного действия таких электростанций будет не ниже, чем у сегодняшних ГЭС…
Ученый подошел к карте страны, покрывающей целую стену его кабинета. Острие указки замелькало над зелеными пятнами равнин и коричневыми — горных хребтов.
— Мне хочется остановиться еще на одной технической проблеме — создании единой высоковольтной сети, в которую отдадут энергию все электростанции страны и из которой будут брать ее потребители. Эта сеть охватит всю территорию нашей страны.
Я не думаю, что техника будущего, техника коммунизма пойдет по пути «индивидуальных» атомных или термоядерных батарей. Выгоды централизованного электроснабжения от ультрамощных установок сохранят свою силу. Следовательно, значение дальних и мощных электропередач не уменьшится, а возрастет.
В настоящее время максимальная дальность передачи электроэнергии не превышает 1000 километров. Передача энергии будущей энергосети станет осуществляться на значительно большие расстояния. Соответственно должно будет вырасти и напряжение в линиях электропередач. Сегодня нам кажется удивительной энергопередача Волгоград — Москва с напряжением переменного тока 500 тысяч вольт. А к XXI веку обычным будет, вероятно, напряжение постоянного тока в 1,5–2 миллиона вольт. Дальние же линии смогут работать при еще более высоком напряжении.
Как будут выглядеть линии таких электропередач? Бесспорно, придется совершенно по-новому решать вопрос электроизоляции: нужно заставить и электроматериалы, и, главное, воздух, окружающий электроустановки, и Провода линии выдерживать такое напряжение. Можно уверенно сказать, что наряду с воздушными линями будут применяться для дальних передач и подземные кабельные линии. Наряду с переменным током будут действовать передачи и на постоянном токе…
…Я занимаюсь проблемами высокого напряжения, это моя узкая область в науке. Для меня сегодня terra incognita — неисследованная область— напряжения в несколько миллионов вольт. А для ученого XXI века, занимающегося этой же областью науки, мои сегодняшние искания будут давно пройденным этапом. Десятки миллионов вольт получает и исследует он в своей лаборатории…
Тайна солнечной реакции
— Термоядерные электростанции?.. Да, несомненно, они будут построены, — сказал академик Лев Андреевич Арцимович. — И, может быть, не в XXI веке, а в нашем.
Всего четверть века понадобилось человеку, чтобы научиться расщеплять, раскалывать тяжелые ядра атомов радиоактивного урана. Уже дают ток первые атомные электростанции, вышел в плавание первый в мире советский атомный ледокол.
Но сегодня атомная энергетика, основанная на делении ядер тяжелых элементов, уже не является последним словом науки. По общему мнению физиков, следующим шагом энергетики должно быть промышленное использование термоядерных процессов, реакций синтеза, «пережигания» водорода в гелий.
Вопрос стоит так: удастся ли заменить термоядерный взрыв спокойным, управляемым «горением»? Можно ли найти способы постепенного высвобождения термоядерной энергии, чтобы использовать ее не для разрушения, а для мирного созидания? Скажем прямо, за все время своего существования человечество впервые столкнулось со столь сложной научно-технической задачей.
Коротко о топливе для термоядерных реакций. Как известно, у водорода три изотопа — обычный водород, дейтерий, имеющий вдвое больший атомный вес, и тритий — втрое более тяжелый. При соединении ядер этих изотопов друг с другом получаются ядра другого элемента — гелия и выделяются огромные количества энергии.
Изотопы водорода — поистине волшебное по своим качествам топливо, но мы еще не знаем двигателя, в котором мы могли бы это топливо использовать. Мало того, если не считать яростный клубок взрыва водородной бомбы, никому никогда не удавалось осуществить водородную реакцию.
Главная трудность осуществления водородной реакции — создание и поддержание высокой температуры.
Для того чтобы два ядра изотопа водорода, слившись в одно, образовали ядро гелия и выделили при этом энергию, надо их сблизить друг с другом. А сближаться они «не хотят». Ведь оба ядра обладают положительными зарядами, и силы электрического отталкивания не позволяют им сблизиться. Для того чтобы преодолеть эти силы отталкивания, надо разогнать ядра и с очень большой скоростью столкнуть их. Разогнать ядра, сообщить им большую скорость и означает, что их надо нагреть до высокой температуры. Даже при температуре в миллион градусов термоядерная реакция тючти неощутима, ядра почти не сталкиваются между собой. Только при температуре в несколько сот миллионов градусов можно сделать выделение термоядерной энергии заметным.
Но нагреть газ, состоящий из изотопов водорода, до температуры в несколько сот миллионов градусов — это только полдела. Надо этот газ — он имеет совершенно особые свойства, и поэтому его называют плазмой — и удержать при такой температуре, не дать ему охладиться. А плазма охлаждается удивительно легко и быстро. Ее теплопроводность в миллион раз больше, чем у самого теплопроводного металла — серебра;
Конечно, ни одно из известных нам веществ не может выдержать, оставаясь в твердом состоянии, температуру, например, в 100 миллионов градусов. Уже при четырех-пяти тысячах градусов они плавятся и испаряются. Да если бы и нашлось твердое вещество, способное выдержать температуру в миллионы градусов, мы не смогли бы сделать из него сосуд для «хранения» высокотемпературной водородной плазмы. Ведь едва эта плазма пришла бы в соприкосновение со стенкой нашего сосуда, она сразу бы остыла, и термоядерная реакция в ней прекратилась. Как же быть? Из чего сделать сосуд для хранения плазмы, имеющей стомиллионноградусную температуру?
Советские ученые предложили применить для этой цели сосуд из электромагнитных полей — своеобразную магнитную бутыль.
Действительно, ведь плазма состоит из заряженных частиц, и можно создать такое замкнутое электромагнитное поле, сквозь которое частицы плазмы уже не смогут прорваться.
Представьте трубу, которая под очень малым давлением наполнена тяжелым водородом — дейтерием. Пропустим сквозь дейтерий вдоль оси трубы электрический заряд. Он не только раскаляет водород до состояния горячей плазмы, но и заставляет плазму сжаться, собирает ее к оси разрядной трубы в плотно стиснутый «шнур». Ведь при прохождении тока вокруг него возникает концентрическое электромагнитное поле. Оно-то и сжимает дейтерий в «шнур», отодвигает его от стенок трубы к ее центральной оси.
Нужно пропустить через плазму как можно более мощный электрический разряд за возможно более короткий промежуток времени. Тогда брошенные к оси цилиндра ядра водорода получат такой разгон, что смогут сблизиться, преодолеть силы взаимного отталкивания и слиться, вступить в термоядерную реакцию. До этого мы только тратим энергию, а с момента начала реакции будем получать ее. Сейчас уже ставятся опыты, в которых импульсный ток нарастает с очень большой скоростью— 10 миллиардов и даже 100 миллиардов ампер в секунду. Мы наблюдаем излучение нейтронов, которые служат признаком приближения термоядерной реакции.
Надо увеличить силу и быстроту импульсного разряда, чтобы продвинуться дальше в область сверхвысоких температур.
Но тут возникают новые трудности.
Первая и самая главная — неустойчивость плазменного «шнура». Колоссальная теплопроводность и малая теплоемкость плазмы приводят к мгновенному падению температуры, стоит только «шнуру» коснуться стенки цилиндра. Здесь страшен уже не разгон реакции, как в урановом котле, а, наоборот — ее затухание. Затухание это происходит мгновенно, в миллионные доли секунды, и не поддается пока управлению.
Можно и постепенно наращивать величину тока.
Установка, в которой ток нарастает медленно, должна иметь вид не цилиндра, а бублика. Трубу согнули в кольцо. Теоретическое исследование такого «бублика» было широко развернуто в Институте атомной энергии под руководством академика М. А. Леонтовича.
Все шло хорошо до тех пор, пока от этих установок не потребовалась работа на полную мощность. В действие вступили новые факторы, которые нельзя было полностью предвидеть и учесть. Выяснилось, что даже тогда, когда плазменный «шнур», казалось бы, должен быть полностью изолирован от стенок, энергия из плазмы уходит. Потери ее настолько велики, что поднять температуру плазмы до того уровня, который нужен для хода термоядерной реакции, не удается. И мы не знаем точно пока тех лазеек, в которые ускользает энергия. Но, безусловно, и эта загадка будет решена.