<< Пред.           стр. 12 (из 16)           След. >>

Список литературы по разделу

 Контрольные вопросы
 1. Что такое технология?
 2. В чем различие естественно-научных знаний и технологий?
 3. Что представляют собой современные информационные технологии?
 4. Для чего нужна унификация информационных технологий?
 5. Какова история развития вычислительных средств?
  6. Охарактеризуйте поколения электронных вычислительных машин и их функцио
 нальные возможности.
 7. Назовите характеристики первых отечественных ЭВМ.
 8. Назовите параметры самого мощного суперкомпьютера.
 9. В чем заключается ограниченность возможностей персональных компьютеров?
 
 10. Каковы возможные пути повышения информационной плотности записи?
 11. Как устроен Интернет и каковы его возможности?
 12. Где применяются вычислительные средства?
  13. Приведите цифры, характеризующие объем накапливаемой человечеством инфор
 мации.
 14. Каковы сходства и различия между памятью человека и памятью ЭВМ?
 15. Как можно повысить информационную плотность записи?
 16. От чего зависит качество записи и воспроизведения звука и изображения?
 17. Охарактеризуйте топографическую память.
 18. Что такое нейронные сети?
  19. При каких условиях мультимедийные системы способствуют развитию интел
 лекта?
 20. Дайте краткую характеристику микроэлектронных и наноэлектронных технологий.
 21. Назовите основные этапы развития твердотельной электроники.
 22. Охарактеризуйте способы повышения степени интеграции.
  23. Какой закономерности подчиняется темп роста числа элементов интегральных
 схем?
 366
 
 24. Какие операции составляют основу нанотехнологий?
 25. Назовите основные особенности лазерного излучения.
 26. В чем заключается специфика работы различных лазеров?
 27. Как осуществляется волоконно-оптическая связь?
 28. Где применяются лазерные технологии?
 29. В чем сущность голографического изображения?
 30. Что такое распознание образов?
 31. На чем основаны биотехнологии?
 32. Поясните механизм превращения растительных отходов в ценные продукты.
 33. В чем заключается метод иммобилизации ферментов?
 34. Из каких операций состоит генная технология?
 
 35. Приведите примеры, подтверждающие реальную пользу от генных технологий.
  36. В чем заключается потенциальный риск при внедрении в практику генных техноло
 гий?
 
 37. Что такое клонирование?
 38. К каким последствиям может привести, клонирование человека?
 9. ЕСТЕСТВЕННО-НАУЧНЫЕ ПРОБЛЕМЫ СОВРЕМЕННОЙ ЭНЕРГЕТИКИ
 9.1. ЭНЕРГИЯ - ИСТОЧНИК БЛАГОСОСТОЯНИЯ
  Слово "энергия" в переводе с греческого означает действие, деятельность. Согласно современным представлениям, энергия - это общая количественная мера разных форм движения материи. Различают механическую, тепловую, химическую, ядерную и другие виды энергии. Превращение энергии из одного вида в другой подчиняется фундаментальному закону сохранения, из которого следует невозможность создания вечного двигателя. В большинстве случаев полезная работа совершается только в результате определенных изменений состояния материальных систем (горения топлива, падения воды и т.п.). Работоспособность системы, т.е. способность ее совершать определенную работу при переходе из одного состояния в другое, определяется энергией. Благодаря потреблению энергии движется транспорт, улетают в космос ракеты, готовится пища, обогреваются жилища, освещаются улицы и т.д.
  В природе существует множество форм энергии: ею обладают люди и животные, камни и растения, ископаемое топливо и деревья, реки и озера, Мировой океан, атмосфера, земные недра, Солнце, атомные ядра и т.п. (рис. 9.1). Несмотря на огромное разнообразие форм энергии, для ее производства используются в основном три вида источников: ископаемое топливо (нефть, природный газ, уголь), ядерное топливо и восстанавливаемые источники: вода, ветер, Солнце (рис. 9.2).
 367
 
 
  Развитие экономики, уровень благосостояния людей находятся в прямой зависимости от количества потребляемой энергии. Многие виды трудовой деятельности основаны на потреблении энергии. Для добычи руды, выплавки из нее металла, для строительства дома и т.д. - везде нужна энергия. Энергетические потребности постоянно растут, потребителей энергии становится все больше - все это приводит к необходимости увеличения объемов производимой энергии.
  Природные энергоресурсы - один из основных источников процветания жизни. В качестве примера можно назвать нефть, добываемую в Арабских Эмиратах. Эту когда-то отсталую страну нефтяные энергоресурсы вывели на современный уровень развития. Построены большие города, по внешнему облику и инфраструктуре очень похожие на многие города такой развитой страны, как США. Проезжая, например, по городу Абу-Даби - столице Арабских Эмиратов, утопающей в ковровой зелени и многокрасочных цветах, - трудно поверить, что этот город, как и многие другие города Эмиратов, вырос на пустынной земле, сквозь песчаную толщу которой с большим трудом пробивается верблюжья колючка. Такие города - эдемские уголки Арабских Эмиратов - выросли очень быстро, за каких-то двадцать-тридцать лет. Было бы ошибочно думать, что только благодаря нефти - основному источнику энергии можно преобразовать пустынную землю. Продуманное государственное управление вместе с хорошо отлаженной системой образования, включающей ре-368
 
 
 лигиозное воспитание, играют при этом не менее важную роль в развитии Арабских Эмиратов.
  Очевидно, невозобновляемые энергоресурсы: нефть, газ, уголь - небезграничны. В естественных условиях они формировались сотни миллионов лет, а будут исчерпаны в течение десятков-сотен лет при современных темпах их потребления. Поэтому наряду с рациональным использованием энергии необходимо искать ее новые виды источников и повышать эффективность преобразования и потребления энергии.
 9.2. ПРЕОБРАЗОВАНИЕ ЭНЕРГИИ
  Способы преобразования энергии. Потребляемая энергия производится в результате преобразования других видов энергии. Существуют три основных способа ее преобразования. Первый из них заключается в получении тепла при сжигании топлива (ископаемого или растительного) и потреблении его для обогревания жилых домов, школ, предприятий и
 24 - 3290 369
 
 
 т.п. Второй способ - преобразование заключенной в топливе тепловой энергии в механическую работу, например при сжигании продуктов нефти для обеспечения движения различного оборудования, автомобилей, тракторов, поездов, самолетов и т.д. Третий способ - преобразование тепла, выделяемого при сгорании топлива или деления ядер, в электрическую энергию с последующим ее потреблением для различных целей. Электроэнергия производится и при преобразовании энергии падающей воды, ветра, Солнца и т.п. Она играет роль своеобразного посредника между источниками энергии и его потребителями (рис. 9.3). Как деятельность посредника на рынке ведет к повышению цен, так и потребление энергии в форме электричества приводит к росту цен из-за потерь при преобразовании одного вида энергии в другой. В то же время в ряде случаев просто невозможно эффективно использовать энергию, не превратив ее в электрическую. До открытия электричества энергия падающей воды (гидроэнергия) приводила в движение прядильные машины, мельницы, лесопилки и т.д. После преобразования гидроэнергии в электрическую сфера ее применения значительно расширилась: стало возможным потребление ее на 370
 
 значительных расстояниях от источника. Электрическая энергия как посредник играет важную роль и при преобразовании ядерной энергии.
  Ископаемые виды топлива в отличие от гидроисточников долгое время применялись лишь для отопления и освещения, а не для работы различных механизмов. Дрова и уголь, нередко и высушенный торф сжигались для обогревания жилых, общественных и промышленных зданий. Уголь, кроме того, применялся и применяется для выплавки металла. Угольное масло, полученное путем перегонки угля, заливалось в лампы. Только после изобретения паровой машины в XVIII в. был по-настоящему раскрыт потенциал угля как бесценного ископаемого топлива, ставшего источником не только тепла и света, но и работы различных механизмов и машин. Появились паровозы, пароходы с паровыми двигателями на угле. В начале XX в. уголь стали сжигать в топках котлов электростанций для производства электроэнергии.
  В настоящее время ископаемое топливо играет исключительно важную роль. Оно дает тепло и свет, является одним из основных источников электроэнергии и механической энергии для обеспечения огромного парка многочисленных машин и различных видов транспорта. Не следует забывать, что ископаемое органическое сырье в огромных количествах потребляется химической промышленностью для производства многих видов полезной и ценной продукции.
  Химические процессы и преобразование энергии. В недалеком прошлом во многих странах основным источником энергии был каменный уголь. Однако с течением времени добыча нефти возрастала и к середине XX в. потребление нефти и угля сравнялось. Трехкратное увеличение населения в XX в. сопровождалось приблизительно десятикратным увеличением потребления всех видов энергии.
  Химические процессы - сжигание нефти, природного газа и угля - обеспечивают производство значительного объема энергии во всем мире. Световая и тепловая энергии преобразуются в электрическую также путем химических превращений. Химические технологии лежат в основе создания высококачественных теплоносителей и термостойких материалов для современных энергетических установок. Следовательно, прогресс в развитии энергетики во многом зависит от достижений современной химии.
  Первой энергетической установкой промышленного масштаба была
 паровая машина, созданная во второй половине XVIII в. английским изо
 бретателем Джеймсом Уаттом (1736-1819). Тепловая энергия в ней пре
 вращалась в механическую работу. С паровой машиной долгое время
 конкурировало водяное колесо. Гораздо позднее - к середине XIX в. -
 была создана гальваническая батарея - первый источник электрическо
 го тока. В поисках более эффективных источников тока для телеграфной
  371
 
 
 связи в 1866 г. немецкий электроник Вернер Сименс (1816-1892) изобрел динамомашину - генератор тока, ставший отправной точкой для новых исследований и разработок многочисленных источников электрического тока. Электроэнергия в те времена производилась в небольших количествах и была слишком дорогой. Так, например, алюминий и магний, полученные электрохимическим путем в середине XIX в., стоили дороже золота и платины. С модернизацией генератора электрического тока энергия постепенно дешевела, что способствовало бурному развитию химической промышленности.
  При превращении электрической энергии в тепловую была достигнута довольно высокая температура - около 3500 °С, что ранее не удавалось получить никакими другими способами. Это позволило выплавить в чистом виде многие металлы и синтезировать не существующие в природе соединения металлов с углеродом - карбиды. Кроме того, на химических заводах стало осуществляться электрохимическое разложение вещества в крупных промышленных масштабах. Применение электрического тока способствовало развитию разных отраслей химической промышленности, производящей многообразные синтетические неорганические материалы. 372
 
  В настоящее время химическая промышленность - одна из самых энергоемких отраслей. Количество энергии, необходимое для промышленного производства различной продукции, зависит от ее вида, что наглядно представлено на рис. 9.4, где даны энергозатраты Q, выраженные в тоннах природной нефти на 1 т продукта. Например, для производства 1 т карбида кальция или хлора требуется не менее 3500 кВт • ч на электроэнергии. Расход электроэнергии на производство алюминия и магния составляет 14-18 кВт • ч на 1 т. В общих затратах на производство многих видов промышленной продукции на долю электроэнергии приходится 18-25%. Для карбида кальция затраты на электроэнергию составляют почти половину его себестоимости, для поливинилхлорида и полиэтилена 35-50%, для ацетальдегида 45-70%. С каждой тонной азотного удобрения в землю "закапывается" почти 14 000 кВч • ч энергии.
  Быстрое развитие химической промышленности и материального производства вообще требует не только роста выработки электроэнергии, но все в большей степени ее рационального потребления.
 9.3. ЭФФЕКТИВНОСТЬ ПРОИЗВОДСТВА И ПОТРЕБЛЕНИЯ ЭНЕРГИИ
  Долгое время невысокая эффективность преобразования тепловой энергии в полезную работу связывалась с несовершенством самого механизма преобразования. С развитием термодинамики стало ясно, что существует принципиальное ограничение полного преобразования всей тепловой энергии в полезную работу. Такое ограничение следует из фундаментальных законов термодинамики и обусловливается необратимостью тепловых процессов. К настоящему времени значительная часть всевозможных усовершенствований, направленных на повышение эффективности производства электроэнергии с использованием пара, в основном уже осуществлена. Если КПД первых паровых машин составлял 2-5%, то КПД современных энергетических систем - тепловых электростанций, работающих на том или ином виде топлива и вырабатывающих пар для последующего преобразования его энергии посредством турбогенератора в электрическую, составляет более 40%. Атомные электростанции также вырабатывают пар, подаваемый в турбогенераторы. Их КПД не превышает 32%, а это означает, что только 32% тепловой энергии, выделяющейся при делении урана, преобразуется в электрическую.
  Производство электрической энергии даже с применением современных энергетических систем сопровождается большими потерями тепла. Особенно велики потери тепла, когда электрическая энергия снова преоб-
 373
 
 разуется в тепло либо другие виды энергии на месте потребления. Существенными потерями сопровождается и передача электроэнергии, особенно на большие расстояния. В последние десятилетия ведутся работы по синтезу электропроводящих материалов проводников для передачи электроэнергии с минимальными потерями. Уже синтезированы высокотемпературные сверхпроводящие материалы. Однако для передачи электроэнергии нужны такие проводники, сверхпроводящее свойство которых проявлялось бы не при низких, а при обычных температурах.
  К большим потерям приводит и потребление электроэнергии в химической промышленности. Например, энергетический КПД для процесса синтеза аммиака составляет 25-42%, для обычных способов получения винилхлорида - 12%, а для его синтеза из N0 - всего лишь 5-6,5%. В некоторых случаях высокотемпературные химические процессы сопровождаются потерями энергии до 60-70%. Энергетические потери в химическом производстве обусловливаются чаще всего объективными причинами, связанными с уровнем развития не только химических технологий, но и естествознания в целом. Однако есть и субъективные причины. Одна из них - сравнительно недавно разрабатывались методы превращения веществ с высоким процентом выхода конечной продукции без учета энергетической эффективности технологических процессов.
  Повышение энергетического КПД процессов и аппаратов - одна из важнейших задач совершенствования химических технологий. Возможны разные способы ее решения: оптимизация химических реакций, уменьшение числа стадий технологического процесса, снижение температуры и давления реакционного процесса, приближение химических процессов к биологическим и, наконец, разработка новых технологий. Проблема энергосбережения охватывает не только химические процессы, но и весь технологический цикл производства конечного продукта, включающий весьма важные стадии - добычу и первичную переработку природного сырья.
  Новые методы, модифицированные установки и аппараты, новейшие технологии позволяют постепенно решать проблему энергосбережения. Конечно, на всех действующих предприятиях всеми возможными мерами необходимо сокращать бесполезное рассеяние энергии. Такие меры известны - это оптимизация производственных процессов, утилизация рассеянного тепла, улучшение изоляции и герметичности, оптимизация процессов испарения и конденсации и т.д. Сохранение энергетических ресурсов - неотъемлемая и значимая задача всех отраслей материального производства. 374
 
 9.4. ТЕПЛОВЫЕ ЭЛЕКТРОСТАНЦИИ
  Существенная доля электроэнергии производится на тепловых электростанциях, где при сжигании ископаемого топлива получаются тепло и пар, подаваемый на турбогенераторы, вырабатывающие электроэнергию. В качестве топлива используются уголь, нефть или природный газ, а на атомных электростанциях - ядерное горючее.
  Принципы работы различных электростанций во многом совпадают и отличаются способом получения тепла от первичного источника - органического либо ядерного топлива. В результате сжигания топлива или ядерных реакций выделяется тепло, используемое для нагревания воды и получения пара (рис. 9.5). Полученный пар с высокими температурой и давлением подается на турбину, вращающую якорь генератора электрического тока. Отработанный пар с пониженными температурой и давлением, покидая турбину, направляется в конденсатор, через который пропускается охлаждающая вода для превращения пара в воду. В процессе конденсации пара охлаждающая вода нагревается и сбрасывается в водоем, откуда она вначале забиралась, либо пропускается через градирни для охлаждения и повторного использования в конденсаторе. Вода, образовавшаяся из сконденсированного пара, возвращается в котел, и тепловой цикл снова повторяется.
  375
 
  КПД современной тепловой электростанции - около 40%. На электростанциях на органическом топливе охлаждающей воде передается около 75% тепловых отходов, а остальное неиспользованное тепло отводится через дымовые трубы. Тепловые сбросы на атомных электростанциях передаются в основном воде, охлаждающей конденсаторы.
  Громадное количество производимой электрической энергии неизбежно влечет за собой сброс чрезвычайно больших объемов тепловых отходов в окружающую среду - реки, водоемы и атмосферу. Сбрасываемое тепло приводит к тепловым загрязнениям окружающей среды. Тепловое загрязнение (преимущественно воды) сопровождает процесс охлаждения открытого типа, при котором охлаждающая вода поступает из внешнего резервуара (бассейна реки, водоема) и затем в нагретом состоянии после использования для конденсации пара возвращается опять в тот же резервуар, откуда она поступала. Охлаждение другого типа - с замкнутым циклом, когда тепло, получаемое охлаждающей водой, рассеивается в атмосфере при помощи градирен (башен, в которых вода охлаждается путем разбрызгивания и испарения) - приводит к тепловому загрязнению в основном атмосферы. Тепловое загрязнение и воды, и атмосферы нарушает жизнедеятельность экосистем. Кроме того, тепловые электростанции - источник колоссального количества углекислого газа, двуокиси серы и других газов, загрязняющих атмосферу. Все это означает, что производство энергии на тепловых станциях - не самый лучший и эффективный способ. В этой связи продолжается поиск более эффективных источников энергии.
 9.5. ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ЭНЕРГОСИСТЕМ
  Способы повышения эффективности производства энергии. Известно несколько способов повышения эффективности производства электроэнергии: создание тепловых электростанций с утилизацией тепловых отходов, применение комбинированного способа производства электроэнергии, создание магнитогидродинамических установок (МГД-генераторов), разработка энергосистем с прямым преобразованием энергии.
  На тепловых электростанциях с утилизацией тепловых отходов тепло, полученное при сжигании топлива или цепной реакции деления и энергетически невыгодное для превращения в электрическую энергию, используется для обогревания жилых, общественных и промышленных зданий и т.п. Такие станции производят и электроэнергию, и тепло.
  При комбинированном способе получения электроэнергии в парогазовых установках (ПГУ) к обычной тепловой системе подключается газовая турбина (рис. 9.6), применяемая в двигателях самолетов. В ПГУ она
 376
 
 
 приводится в движение потоком газов - продуктов сгорания керосина или природного газа - и вращает якорь электрогенератора, вырабатывающего электрический ток. При этом в электричество преобразуется около 25% тепловой энергии сжигаемого топлива. Горючие газы, покидающие газовую турбину, нагревают паровые котлы, и полученный пар подается на паровую турбину. Эффективность ПГУ достаточно высока. Например, построенная в 1999 г. в Коттаме (Великобритания) ПГУ ТЭС на 350-400 МВт имеет термический КПД около 60% (планируется получить и выше 60%). Для сравнения отметим, что термический КПД введенного в эксплуатацию в 1980 г. Костромского энергоблока на 1200 МВт составляет около 39 %. Специалисты считают, что к 2005-2010 гг. термический КПД удастся повысить для угольных энергоблоков до 60% (сейчас он не превышает 50%) и до 75% для энергоблоков на газе с минимальными выбросами оксидов азота, серы и золы. Такие довольно высокие показатели будут достигнуты при дальнейшей модернизации газовых турбин, систем газификации и горячей очистки синтез-газа, топливных элементов и комбинированных технологий, при разработке перспективных материалов и систем эффективного управления всеми технологическими процессами производства электроэнергии.
  Один из способов повышения эффективности производства энергии - применение МГД-генераторов. Сущность его заключается в следующем. В образующиеся при сгорании топлива горячие газы добавляет-
 
 ся металлический калий, который легко ионизируется с образованием заряженных частиц. Поток горячего газа с заряженными частицами в виде низкотемпературной плазмы направляется в специальный канал, окруженный катушками с током, создающими магнитное поле. При движении и перераспределении заряженных частиц в магнитном поле возникает электрический ток, который снимается электродами, расположенными вдоль канала. После выхода из канала горячие газы используются для получения пара, направляемого в турбину, соединенную с генератором, дающим электрический ток. В МГД-системе происходят два процесса: один из них - энергия электропроводящей низкотемпературной плазмы напрямую преобразуется в электрическую, а второй - тепловая энергия превращается в электрическую. Предполагается, что комбинация МГД-ге-нератора с обычной теплоэлектричсской системой позволит получить КПД до 65%. Работы по практическому применению МГД-генераторов для производства электроэнергии ведутся с конца 50-х годов XX в. Однако пока достигнут КПД не выше 40%, поэтому они не нашли широкого промышленного применения для производства электроэнергии.
  Проблемы прямого преобразования энергии. Прямое преобразование химической энергии в механическую происходит, например, при сокращении мышц. Подобное преобразование удалось имитировать в лабораторных условиях: синтезирована пластмассовая пленка, которая под влиянием щелочей растягивается вдвое и увеличивается в объеме в 8 раз, а под действием соляной кислоты сокращается. В результате такой деформации пленка может совершать полезную механическую работу. Для возбуждения процессов сжатия и расширения в лабораторных моделях применялись коллагенные белковые волокна в сочетании с растворами солей различных концентраций. Прямое преобразование химической энергии в электромагнитную происходит в разработанных сравнительно недавно химических лазерах, в которых атомы возбуждаются за счет энергии химических реакций. Однако КПД такого преобразования очень низок. Приведенные способы прямого преобразования энергии, конечно, не являются примерами промышленного производства энергии.
  Электроэнергия на тепловых электростанциях производится по известной схеме: химическая энергия топлива тепловая энергия механическая энергия электроэнергия. При прямом преобразовании химической энергии в электрическую повышается КПД и экономятся материальные ресурсы. Поэтому по мере истощения ископаемых энергоресурсов и повышения требований к экологической чистоте энергетических установок и транспорта, как одного из основных потребителей энергоресурсов вклад химических источников электроэнергии с прямым преобразованием в общие энергоресурсы с течением времени будет возрастать. 378
 
 
 Предполагается, что производство, например, автомобилей с электрохимическими источниками энергии существенно возрастет уже в ближайшем будущем (рис. 9.7).
  Устройства с прямым преобразованием энергии известны давно. Это и батареи для карманного фонарика, и различного рода аккумуляторы. В предложенных сравнительно недавно топливных элементах также происходит прямое преобразование химической энергии в электрическую. Принцип их действия аналогичен принципу действия электрохимических элементов. Однако электроды топливных элементов служат катализатором и не принимают непосредственного участия в выработке электроэнергии. Например, в водород-кислородном топливном элементе топливо окисляется на аноде, высвобождая электроны (рис. 9.8). В результате между анодом и катодом возникает разность потенциалов. Анод изготавливается из пористого никель-керамического сплава с включением никелевых частиц, а катод - из того же сплава с включениями частиц серебра. Из 1 кг водорода в водород-кислородном элементе можно получить энергии в 10 раз больше, чем при сгорании 1 кг бензина в двигателе внутреннего сгорания. В таком элементе образуется вода, а не вредные выхлопные газы. Почему же они широко не внедряются и не приходят на смену бензиновым двигателям? Ответ на этот вопрос включает пока нерешенные проблемы, связанные с ценой и надежностью. Во-первых, водород должен быть дороже бензина не более чем в 10 раз, чтобы успешно с ним конкурировать. Во-вторых, безопасные хранение и транспортировка водорода требуют дальнейших технических усовершенствований. Тем не менее в 1999 г. фирма BMW выпустила первые модификации автобусов и легковых автомобилей на водороде и построила для них в аэропорту
 379
 
 
 Мюнхена (Германия) первую водородную автозаправочную станцию. Совсем недавно фирма "Дженерал Моторс" разработала легковой автомобиль с двигателем на водороде. Одна его заправка обеспечивает пробег 800 км. Такой двигатель отличается высокой экономичностью - его КПД достигает 85%, что примерно в 2 раза превышает КПД бензинового двигателя. При этом водородный двигатель не дает вредных выбросов - отработанным продуктом является вода.
  Для широкого внедрения водородных двигателей необходимо решить проблему дешевого производства водорода. Возможно, в ближайшем будущем ее удастся решить, если водород подобно нефти будет извлекаться из недр Земли. Проведенные недавно исследования наших соотечественников-геологов показали, что в результате электромагнитного зондирования на глубине 5-6 км наблюдается аномальное явление, которое, как предполагается, связано с наличием бескислородных сплавов и соединений на основе кремния, магния и железа. Если такое предположение подтвердится при глубинном бурении, то откроется возможность качать горячий водород прямо из Земли, ведь при взаимодействии кремния и магния с водой выделяются водород и тепло. Для этого достаточно пробурить две скважины - в одну закачивать воду, а из другой извлекать нагретый водород. Это позволит в большом количестве производить дешевые энергоресурсы - водород и сопутствующее тепло, и тогда водородная автозаправка станет обычным делом. 380
 
  В последние годы все больше внимания уделяется не только автомобилю с водородным двигателем, но и электромобилю. Не так давно фирма BMW продемонстрировала новый электромобиль на основе серно-на-триевого аккумулятора. Он набирает за 20 с скорость 96 км/ч, и пробег между подзарядками составляет 270 км. Однако рабочая температура серно-натриевого аккумулятора сравнительно высокая - около 350 °С, что сопряжено с дополнительными мерами безопасности. Первые электромобили появились не сегодня, не вчера, а гораздо раньше. Например, в США к началу XX в. выпускалось 38% автомобилей с электрическим приводом и питанием от батарей. К 1912 г. американские компании ежегодно производили примерно 6000 электромобилей. Длина их пробега без подзарядки была не так уж мала и для нашего времени - 80 км. Своеобразный электропривод нашел применение в современном самом большом грузовике мира - самосвале с грузоподъемностью 330 т и общей массой 500 т. Мощный двигатель (3000 л.с.) вращает электрогенератор, а в ступицах его колес смонтированы электродвигатели. Такой гигант успешно работает в одном из карьеров Вайоминга (США).
  Разрабатываются и легкие электротранспортные средства: электромопеды, электророллеры, мини-электромобили - на никель-металло-гидридных аккумуляторах, обладающих в 2-3 раза большей удельной энергоемкостью, чем свинцово-кислотные.
  В настоящее время создаются топливно-гальванические элементы, в которых катодом служит пористая угольно-графитовая пластина с поступающим в него кислородом воздуха, анодом - алюминиевая пластина, а электролитом - водный раствор поваренной соли. Электрический под-заряд такому элементу не нужен, энергию он вырабатывает сам в процессе окисления (электрохимического сжигания) металла. КПД такого процесса около 80%, и при окислении при обычной температуре 1 кг алюминия выделяется примерно столько энергии, сколько при сгорании на воздухе при очень высокой температуре 1 кг каменного угля. Достоинств у таких источников энергии много - простота конструкции, полная безопасность эксплуатации и хорошие удельные энергетические характеристики. Недостаток в основном один - дороговизна анодного материала, которая определяется главным образом большой энергоемкостью его процесса производства. Такой недостаток можно свести к минимуму при внедрении новой технологии производства алюминия (рис. 9.9). При ее промышленном освоении алюминий и его сплавы станут намного дешевле.
  Сравнительно недавно разработаны литий-иодные батареи с прямым преобразованием химической энергии в электрическую. Литий-иодные батареи работают на твердом иодном электролите, что позволяет при минимальных размерах батареи получить сравнительно большую емкость и
 381
 
  ¦
 увеличить срок их службы. Такие батареи применяются в электрокардиостимуляторах. Срок их службы - около 10 лет, что гораздо больше, чем у обычных батарей.
  При разработке новых модификаций преобразователей химической энергии в электрическую уделяется большое внимание повышению их мощности при снижении себестоимости вырабатываемой электроэнергии.
 9.6. ГИДРОИСТОЧНИКИ И ГЕОТЕРМАЛЬНЫЕ ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ
  В последнее время возрастает интерес к неорганическим источникам энергии, т.е. источникам, в которых не принимает участие химический процесс - горение. К ним относятся гидроисточники (гидроэлектростанции, гидроаккумулирующие электростанции, приливные электростанции), геотермальные источники, гелиоисточники, ветроустановки и атомные электростанции.
  Гидроэлектростанции. Принцип работы гидроэлектростанций основан на преобразовании потенциальной энергии падающей воды в кинетическую энергию вращения турбины, связанной с генератором, преобразующим кинетическую энергию в электрическую. Первые гидроэлектростанции относились к проточному типу: вода реки не подпруживалась, а просто пропускалась через турбину. Для них требуется большой перепад уровней реки, например, как на Ниагарском водопаде, где и была построена первая гидроэлектростанция подобного типа. На современных гидроэлектростанциях возводятся громадные плотины для увеличения объема воды, равномерно пропускаемой через турбины (рис. 9.10). Плотина не только создает вместилище для накопления воды, но и повышает ее уровень. При этом увеличивается потенциальная энергия воды, что 382
 
 
 приводит к возрастанию кинетической энергии вращения турбины и в конечном результате - к увеличению вырабатываемой электроэнергии. Вода из водохранилища по напорному трубопроводу направляется на горизонтально вращающиеся лопасти турбины, соединенной с генератором. Обычно на гидроэлектростанции используется много турбогенераторных агрегатов. КПД гидроэлектростанций равен 60-70%, т.е. 60-70% энергии падающей воды преобразуется в электрическую энергию.
  В России построено более 100 гидроэлектростанций, которые вырабатывают существенную часть всей производимой электроэнергии. Современные гидроэлектростанции - это сложнейшие технические сооружения. Построенная при содействии российских специалистов Асуанская плотина (Египет) включена в список выдающихся инженерных сооружений XX в. Плотина Асуанской гидроэлектростанции обеспечивает 90% потребностей Египта в воде и 50% в электроэнергии.
 383
 
  Сооружение гидроэлектростанций обходится дорого. Они требуют эксплуатационных расходов, но зато работают на "бесплатном топливе". Первоисточником гидроэнергии служит Солнце, испаряющее воду из океанов, морей, озер и рек. Водяной пар конденсируется в виде осадков, выпадающих в возвышенных местах, с которых конденсированная вода стекает вниз, в моря. Гидроэлектростанции встают на пути стока и преобразуют энергию движущейся воды в электрическую.
  Однако гидроэлектростанции, особенно большие, нарушают экологическое равновесие. Плотины и водохранилища выводят из сельскохозяйственного оборота затопленные земли, площадь которых при строительстве гидроэлектростанций на равнинных реках чрезвычайно велика, так как естественный перепад уровней воды в них небольшой. Громадные площади водохранилищ способствуют образованию необычно большого количество паров воды в атмосфере, что неизбежно приводит к нарушению естественных погодных условий. Плотины отрицательно влияют на качество воды, накапливаемой в водохранилищах. В зависимости от сезона накопленная вода может содержать мало растворенного кислорода и оказаться неблагоприятной средой для рыб и других живых организмов. Кроме того, спускаемая вода разрушает русло реки. Тем не менее гидроэлектростанции, построенные на реках с естественным перепадом уровня воды - на реках с водопадами, горных реках, - наносят гораздо меньший ущерб окружающей среде.
  Гидроаккумулирующне электростанции. Такие электростанции служат для аккумулирования избыточной энергии, когда потребление электроэнергии падает, например, ночью. При аккумулировании вода перекачивается из нижнего водоема в верхний (рис. 9.11). При этом поступающая извне электрическая энергия преобразуется в потенциальную энергию воды в верхнем водоеме. В часы пиковой нагрузки в электросети вода из верхнего водоема через гидроагрегаты перетекает в нижний, и запасенная потенциальная энергия воды преобразуется в электрическую.
 
 384
 
 Первая в нашей стране мощная гидроаккумулирующая электростанция введена в эксплуатацию в 2000 г. в Подмосковье.
  Эффективность гидроаккумулирующих электростанций не очень высокая: только примерно две трети энергии, потраченной на накачку воды, возвращается обратно в электросеть. Строительство таких станций требует больших капиталовложений, поэтому они не получили широкого распространения. Обсуждаются идеи гидроаккумулирования энергии с использованием подземных водоемов естественного происхождения.
  Приливные электростанции. Морские приливы, долгое время оставаясь загадкой, приводили к мысли, что их громадную энергию можно использовать. Морские приливы - это периодические колебания уровня моря, обусловленные силами притяжения Луны и Солнца вместе с центробежными силами, вызванными вращением системы Земля - Луна и Земля - Солнце. Характер морских приливов определяет в основном самая большая из таких сил - лунная. Обычно приливы и отливы бывают два раза в сутки. Максимальный уровень воды называется полной водой, минимальный - малой водой. Полная вода в открытом океане составляет около 1 м, у берегов - до 18 м (залив Фанди в Атлантическом океане).
  Приливные электростанции преобразуют энергию морских приливов в электрическую. Одна из разновидностей приливных электростанций состоит из плотины с встроенными в ее придонной части турбогенераторами. Подобная приливная электростанция сооружена в 1967 г. на реке Ране во Франции, где полная вода достигает 13 м. При открытых донных затворах плотины уровень полной воды по обе стороны плотины одинаков. В начале отлива поток воды, обращенный к суше, пропускается через турбогенераторы, вырабатывающие электроэнергию. При малой воде затворы закрываются до тех пор, пока разница уровней не станет достаточной для эффективной работы турбогенераторов. Затем поток полной воды пропускается через турбогенераторы в направлении к суше. Цикл повторяется, и таким образом энергия вырабатывается при отливе и приливе.
  Построенные приливные электростанции во Франции, России, Китае доказывают, что приливную электроэнергию можно производить в промышленных масштабах. Выработка энергии на них не требует топлива, и себестоимость ее сравнительно низкая. Однако стоимость строительства приливных электростанций относительно высока: она примерно в 2,5 раза больше стоимости сооружения гидроэлектростанции той же мощности. Одно из преимуществ приливных электростанций в том, что они наносят минимальный ущерб окружающей среде.
  Геотермальные источники энергии. С давних пор люди знают о
 стихийных проявлениях гигантской энергии, таящейся в недрах земного
 шара. Память человечества хранит предания о катастрофических извер-
 25 - 3290 385
 
 жениях вулканов, унесших миллионы жизней и неузнаваемо изменивших облик некоторых мест обитания на Земле. Достаточно вспомнить гениальную картину К. Брюллова, изобразившего гибель античного города Помпеи при извержении вулкана Везувий в 79 г. от Рождества Христова. Мощность извержения даже сравнительно небольшого вулкана колоссальна, она многократно превышает мощность самых крупных энергетических установок, созданных руками человека. Правда, о непосредственном использовании энергии вулканических извержений говорить не приходится: человек пока не может обуздать такую непокорную стихию, да и, к счастью, извержения происходят не везде и не так уж часто. Но все же это проявления неисчерпаемой энергии, таящейся в земных недрах, крохотная доля которой находит выход через огнедышащие жерла вулканов.
  Маленькая европейская страна Исландия (в переводе - "страна льда") полностью обеспечивает себя помидорами, яблоками и даже бананами! Многочисленные исландские теплицы получают энергию от Земли, других источников энергии в Исландии практически нет. Но эта страна очень богата горячими источниками и знаменитыми гейзерами - фонтанами горячей воды, вырывающейся из-под земли. И хотя не исландцам принадлежит приоритет в использовании тепла подземных источников (еще древние римляне к знаменитым баням - термам Каракал-лы - подвели воду из-под земли), жители этой маленькой северной страны эксплуатируют подземную котельную очень интенсивно.
  Но не только для отопления черпают люди энергию из глубин земли. Уже давно работают электростанции, использующие горячие подземные источники. Первая такая электростанция, совсем еще маломощная, была построена в 1904 г. в небольшом итальянском городке Лардерелло, названном так в честь французского инженера Лардерелли, который в 1827 г. составил проект использования многочисленных в этом районе горячих источников. Постепенно мощность электростанции росла, в строй вступали все новые агрегаты, использовались новые источники горячей воды, и в наши дни мощность станции достигла уже внушительной величины - 360 тыс. кВт. В Новой Зеландии подобная электростанция работает в районе Вайракеи, ее мощность 160 тыс. кВт. В 120 км от Сан-Франциско в США производит электроэнергию геотермальная станция мощностью 500 тыс. кВт.
  В нашей стране горячими источниками особенно богаты Камчатка и Курильские острова - районы современного вулканизма. Источники, фонтанирующие паром и кипятком, известны в этих краях давно (некоторые из них описаны еще в 40-х годах XVIII в. С. Крашенинниковым), однако разведочное бурение началось там лишь в 1958 г. В районе реки Па-ратунки была сооружена первая в нашей стране геотермальная электростанция, а с 1967 г. на Паужетских термальных источниках в 200 км от 386
 
 Петропавловска-Камчатского действует геотермальная электростанция мощностью 15 тыс. кВт. Верхне-Мутновская геотермальная электростанция на Камчатке рассчитана на мощность 12 МВт.
  По весьма приближенным оценкам, запасы термальных вод (от 50 до 250°С) нашей страны составляют не менее 20 млн. м3 воды в сутки. Этот огромный резерв экологически чистой и возобновляемой тепловой энергии может заменить чрезвычайно большое количество органического топлива. Одна из самых мощных скважин в Дагестане (в селе Берикей) дает огромный приток горячей воды, используемой для обогрева. В год эта скважина выносит с водой 330 т иода и 450 т брома (это примерно 3% мирового производства брома). В нашей стране практически весь бром и большую часть иода добывают из подземных вод. Все это свидетельствует о больших перспективах развития геотермальной энергетики.
 9.7. ГЕЛИОЭНЕРГЕТИКА
  Солнце обладает колоссальным запасом излучаемой энергии. Земля получает лишь небольшую ее часть - около 2 • 1017 Вт, и ее вполне достаточно для обеспечения многообразных форм жизни и биосферных процессов на Земле. Предполагается, что эффективное использование солнечной энергии начнется после воспроизведения природного процесса - фотосинтеза. В лабораторных условиях вне растительной клетки уже производится фотохимическое разложение воды. Образующийся при этом водород - превосходный энергоноситель: из известных нерадиоактивных веществ он обладает самой высокой энергоемкостью. В процессе фотосинтеза в зеленых растениях из энергетически бедных соединений - углекислого газа и воды - образуются сложные по структуре и богатые энергией органические вещества, из которых синтезируются жиры, белки, целлюлоза и т.п.
  Совсем недавно предложен несколько необычный способ использования солнечной энергии. Смесь, состоящую из размолотого магнетита и угольного порошка, облучали сфокусированным солнечным светом и нагревали до 1200 °С. В результате химической реакции образовались водород и угарный газ СО. Из них можно синтезировать, например, метиловый спирт - превосходное топливо. КПД такого процесса довольно высок - 47,6%.
  В последние десятилетия гелиоэнергетические программы разраба
 тываются более чем в 70 странах - от северной Скандинавии до вы
 жженных пустынь Африки. Создаются различные устройства для преоб
 разования солнечной энергии. Появились транспортные средства с "сол
 нечным приводом": гелиовелосипеды, гелиомопеды, моторные лодки,
 яхты, солнцелеты и дирижабли с солнечными панелями. Солнцемобили,
  387
 
 сравниваемые вчера с забавным автоаттракционом, сегодня пересекают страны и континенты со скоростью, почти не уступающей скорости обычных автомобилей.
  Одно из перспективных направлений гелиоэнергетики связано с разработкой фотоэлектрических элементов, преобразующих энергию электромагнитного излучения в электрическую. Первыми преобразователями, созданными около сорока лет назад, были полупроводниковые элементы, названные солнечными батареями. На ярком солнечном свете 1 м2 современных солнечных батарей обеспечивает мощность 100-200 Вт. Солнечные батареи обладают высокой надежностью и долговечностью, особенно при эксплуатации на борту космических аппаратов. Они используются и в земных условиях, однако их широкое внедрение сдерживается относительно высокой себестоимостью.
  В настоящее время разрабатываются энергоустановки с высокоэффективными преобразователями на основе монокристаллического кремния и арсенида галлия с концентраторами солнечного излучения и системой слежения за Солнцем, которые позволят существенно уменьшить их себестоимость.
  Можно привести немало примеров применения солнечных батарей. В течение нескольких лет немецкий поселок Франитцхютте, расположенный на окраине Баварского леса, полностью питается энергией от гелио-энергетической 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, которые подзаряжаются в те часы, когда солнца в избытке. В Штутгартском университете (Германия) сконструирован самолет с мотором на солнечных батареях, расположенных на его крыльях с размахом 25 м. С грузом до 90 кг он взлетает с покрытой травой взлетной площадки и развивает скорость до 120 км/ч. Швейцарские ученые запатентовали прозрачные солнечные батареи, которые можно вставлять в оконные рамы вместо обычного стекла. Самая крупная гелиоэлектростанция мира работает в Швейцарии. Площадь ее солнечных батарей - 4500 м2 и мощность - 500 кВт, что вполне достаточно для обеспечения электроэнергией небольшого поселка. В этой стране введено в строй более 700 гелиоустановок мощностью от 1 кВт до 1 МВт.
  В последнее время интерес к проблеме использования солнечной энергии резко возрос: потенциальные возможности гелиоэнергетики чрезвычайно велики. Заметим, что всего лишь 0,0125% энергии Солнца могло бы обеспечить все сегодняшние мировые потребности в энергии. К сожалению, вряд ли когда-нибудь такие огромные потенциальные ресурсы удастся реализовать. Одно из наиболее серьезных препятствий - низкая интенсивность солнечного излучения; даже при оптимальных при-388
 
 родных условиях (южные широты, чистое небо) плотность потока солнечного излучения относительно невелика. Поэтому коллекторы солнечного излучения нужно размещать на громадной площади. Кроме того, сооружение коллекторов огромных размеров влечет за собой значительные материальные затраты. Простейший коллектор солнечного излучения представляет собой затемненный металлический (как правило, алюминиевый) лист, сопряженный с трубами с циркулирующей жидкостью. Нагретая за счет солнечной энергии жидкость поступает потребителю. На изготовление подобных коллекторов солнечного излучения расходуется довольно много алюминия.
  Гелиоэнергетика относится к наиболее материалоемким и трудоемким видам производства энергии. К сожалению, пока электрическая энергия, рожденная Солнцем, обходится намного дороже производимой другими способами. Одна из важнейших задач ученых заключается в разработке способов и устройств более эффективного преобразования солнечной энергии.
 9.8. ЭНЕРГИЯ ВЕТРА
  Ветер служит человеку с древних времен (рис. 9.12). Первобытные люди поднимали паруса над неустойчивым челноком из бревна. Преобладающие западные ветры несли испанскую армаду к открытиям и побе-
 
 389
 
 дам. Пассаты, надувая паруса больших клиперов, помогли открыть Индию и Китай и наладить торговлю с Западом. В древней Персии появились первые мельницы. Некоторым мельницам в Голландии уже более 500 лет, и они находятся в рабочем состоянии. Когда-то ветер был едва ли не единственным источником энергии. В 1910 г. в России насчитывалось примерно миллион ветряных мельниц и приблизительно столько же водяных. А сегодня такую энергетику называют нетрадиционной.
  В 50-х годах XIX в. в США изобретен многолопастный ветряк. С его помощью вначале поднималась вода из колодцев и заполнялись водой паровые котлы. Позднее их стали использовать для производства электроэнергии. Многолопастный ветряк с ветроколесом диаметром до 9 м вырабатывает до 3 кВт электроэнергии при скорости ветра около 25 км/ч. В 30-х годах XX в. на территории США сооружено около 6 млн. многолопастных ветроустановок. Во многих сельских районах до введения в строй крупных электростанций основным источником электроэнергии были различные ветроустановки.
  Энергия движущихся воздушных масс огромна. Ее запасы 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 разрушающих ураганов. Всегда неспокоен воздушный океан, на дне которого мы живем. Климатические условия позволяют развивать ветроэнергетику в разных регионах нашей страны и особенно вдоль побережья морей.
  В настоящее время ветроустановки вырабатывают лишь незначительную часть производимой электроэнергии во всем мире. Техника XX в. открыла новые возможности для развития ветроэнергетики. Созданы высокопроизводительные ветроустановки, способные вырабатывать электроэнергию даже при очень слабом ветре. Предлагается множество проектов ветроагрегатов, несравненно более совершенных, чем старые ветряные мельницы, и в них используются самые последние достижения многих отраслей естествознания.
  Можно привести примеры и необычного использования энергии. Один из американских изобретателей, наблюдая за тем, как движущиеся по шоссе автомобили вздымают по обочинам тучи пыли и гонят вдоль дороги легкий мусор, пришел к мысли, что можно использовать энергию потока воздуха. Он предложил встроить в бетонный разделительный барьер на оживленных автомагистралях ветряные турбины, соединенные с электрогенератором, улавливающие энергию потока воздуха. Выработанную таким образом энергию можно запасать в аккумуляторах и использовать для освещения дороги в темное время суток.
  На западном побережье Дании, у городка Райсбю, построена одна из последних модификаций электростанций с 40 ветроустановками общей
 390
 
 мощностью 24 МВт. Ветроустановки оборудованы электронными регуляторами, обеспечивающими равномерную выработку энергии независимо от скорости ветра. Датские энергетики планируют в ближайшие 30 лет полностью перейти на энергию Солнца, воды, ветра и биомасс. В их проекте особое внимание уделяется ветроэнергетике: из 5300 МВт планируемой мощности 4000 Мвт составит мощность ветроустановок, расположенных в море. Такое их расположение позволит более эффективно использовать энергию ветра. Над поверхностью моря ветер не встречает препятствий, и его скорость больше, чем над сушей. Поэтому в море можно получить в полтора-два раза больше энергии, чем на суше.
  Каждый источник энергии необходимо располагать там, где он дает наибольшую отдачу, максимальную выгоду. С этой точки зрения для ветроэнергетики вполне подходят труднодоступные территории Севера и побережье морей, где скорость ветра в среднем за год не менее 6 м/с, при которой ветроустановка мощностью в 1 МВт в течение шести месяцев может произвести около 2,5 млн. кВт энергии, что вполне достаточно для обеспечения теплом и светом небольшого поселка.
  Современная ветроустановка мощностью в 1 МВт состоит из ветро-колеса 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 она развивает мощность 40-50 кВт, а при скорости 13,5 м/с -1000 кВт. Срок службы установки - 20-25 лет.
  К 1998 г. в России насчитывалось около полутора десятков крупных и примерно 100 мелких ветроустановок, в то время как за рубежом их общее число - более 130 тыс. В 1999 г. суммарная мощность действующих в 42 странах мира ветроустановок - примерно 9800 МВт. Из них 66% приходится на страны Европы, 20% - на Северную Америку, 12% - на государства Азии. В США планируют к 2020 г. увеличить производство ветроэнергии в 50 раз - она будет составлять около 5% всей вырабатываемой в этой стране энергии (в 1999 г. она не превышала 1%).
  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.
 391
 
  Ветроустановки производят небольшой шум, и их металлические лопасти могут создавать помехи для радио- и телепередач. Все это можно свести к минимуму, удачно выбрав место их расположения. В целом ветроэнергетику принято считать экологически безопасной.
 9.9. АТОМНАЯ ЭНЕРГЕТИКА
  Развитие атомной энергетики. В настоящее время примерно 17% объема мирового производства электроэнергии приходится на атомные электростанции (АЭС). В некоторых странах ее доля значительно больше. Например, в Бельгии и Швеции она составляет около половины всей производимой электроэнергии, во Франции и Литве - около трех четвертей. Согласно принятой в Китае программе, вклад энергии АЭС предполагается увеличить в пять-шесть раз (сейчас он составляет около 1%). Заметную, хотя пока не определяющую роль, АЭС играют в США и России, где на долю атомной энергии приходится соответственно 20 и 15%.
  Более сорока лет назад, когда дала ток первая в мире атомная станция в мало кому известном в то время городке Обнинске Калужской области, считалось, что атомная энергетика вполне безопасна. Аварии на американских АЭС, а затем катастрофа в Чернобыле показали, что на самом деле атомная энергетика сопряжена с опасностью. Люди напуганы. Общественное мнение 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.
  Однако накопленный опыт и новые технологии позволяют строить ядерные реакторы, вероятность выхода которых из-под контроля хотя и не равна нулю, но крайне мала. На современных АЭС обеспечен строжайший контроль за уровнем радиации в помещениях и в каналах реакторов, налажена высокоэффективная система автоматического регулирования - все это позволяет повысить надежность работы АЭС и свести к минимуму вероятность возникновения аварии.
  Атомной энергетике предшествовали испытания ядерного оружия. На земле и в атмосфере испытывались атомные и термоядерные бомбы. В то же время инженеры разрабатывали и ядерные реакторы для производства электрической энергии. Приоритет получило военное направление - разработка реакторов для кораблей военно-морского флота и прежде всего подводных лодок с большим радиусом действия при длительном пребывании под водой. Американцы разрабатывали корпусные во-до-водяные реакторы, в которых замедлителем нейтронов и теплоносителем служила обычная ("легкая") вода. В середине 50-х годов XX в. пер-392
 
 вая американская подводная лодка с атомным двигателем "Наутилус" прошла под льдами Ледовитого океана.
  Аналогичные работы велись и в нашей стране, только наряду с во-до-водяными реакторами разрабатывался канальный графитовый реактор (в нем теплоноситель - вода, а замедлитель - графит). Однако по сравнению с водо-водяным реактором графитовый имел меньшую мощность и оказался бесперспективным для применения в транспортных установках. И тогда было решено использовать его для атомной энергетики. Ядерный графитовый реактор, 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, в разработке которой принимали участие выдающиеся ученые-физики Н.Н. Доллежаль (1899-2000), И.В. Курчатов (1902/03-1960), Д. И. Блохинцев (1907/08-1979) и др.
  Наряду с канальными графитовыми реакторами в нашей стране, как и в США, с середины 50-х годов XX в. разрабатывались водо-водяные энергетические реакторы (ВВЭР). Однако для них не была создана промышленная база. В то же время в СССР развертывалось серийное строительство реакторов большой мощности канальных (РБМК), которые были созданы в результате модернизации канальных графитовых реакторов. При эксплуатации реакторов РБМК была выявлена неустойчивость их работы. Для повышения устойчивости разработана специальная система автоматического регулирования. Несмотря на это, в результате нарушения регламентных работ на Чернобыльской АЭС в 1986 г. случилась авария.
  Так нужно ли развивать атомную энергетику? Выработка энергии на АЭС - это наиболее экологически чистый способ производства энергии. Энергия ветра, Солнца, подземного тепла и т.д. не может сразу и быстро заменить другие виды энергии. Спасти нашу планету от загрязнения миллионами тонн углекислого газа, оксидов азота и серы, выбрасываемыми тепловыми электростанциями, работающими на угле, мазуте и т.п., можно лишь с помощью атомной энергетики. Но только при условии: чернобыльская авария не должна повториться. Для этого необходимо повысить надежность работы реактора. Вынужденная пауза, возникшая в развитии атомной энергетики, должна быть использована для разработки достаточно безопасного энергетического реактора на базе реактора ВВЭР и других безопасных энергетических установок.
  С течением времени начинает меняться общественное мнение об атомной энергетике. Например, в Швеции, где существенную долю энергии вырабатывают АЭС, еще в 1980 г. (вскоре после серьезной аварии на АЭС в США) под давлением общественности принято решение о постепенном прекращении эксплуатации АЭС. Тем не менее в этой стране до
 393
 
 сих пор работают 12 ядерных реакторов. Предстоящее повышение цен на электроэнергию в связи с остановкой АЭС заставила большую часть населения переосмыслить свое отношение к атомной энергетике - примерно 80 % населения относятся к закрытию АЭС весьма сдержанно.
  В последнее время предлагаются различные конструктивные решения атомных электростанций, в том числе и модульные модификации при подземном расположении ядерного реактора.
  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 - это сложнейший технологический процесс (рис. 9.13).
  В отличие от углеродсодержащих носителей энергии, применяемых 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 то-рия-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 на берегу Каспийского моря. Он производит электроэнергию и опресняет морскую воду, обеспечивая пресной водой город и прилегающий район нефтедобычи с численностью населения около 150 000 человек.
  Колоссальная энергия выделяется при термоядерном синтезе. Если при делении ядра урана высвобождается энергия около 0,84 МэВ на один нуклон, то при термоядерном синтезе дейтерия и трития - примерно 3,5 МэВ. Следовательно, из всех реакций термоядерные дают наибольший выход энергии на единицу массы "горючего". Например, по энергетической емкости количество дейтерия в стакане простой воды эквивалентно приблизительно 60 л бензина. В этой связи весьма заманчива перспектива управляемого термоядерного синтеза, который открывает человечеству доступ к неисчерпаемой кладовой энергии, заключенной в ядрах атомов легких элементов. Расчеты показывают, что Мировой океан содержит примерно 4 • 1013 т дейтерия, что соответствует энергетическому 394
 
 
 только надеяться, что проблема управляемого термоядерного синтеза в недалеком будущем будет успешно решена.
 395
 
 9.10. ОСОБЕННОСТИ 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 гидроэлектростанций (ГЭС) при почти полном прекращении строительства тепловых станций привело к уродливой структуре распределения 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 (1984 - 1988) было сброшено воды в объеме, эквивалентном 40 млрд. кВт • ч. Иная, но столь же печальная картина наблюдается в маловодные годы. В 1982 г., 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 нашей страны не позволяет сооружать в ней гигантские ГЭС, поэтому строились тепловые и атомные электростанции. К сожалению, был взят курс на строительство тепловых электростанций (ТЭС) со сверхкритическими параметрами пара. А такие ТЭС не обладают маневренностью и, значит, не в состоянии обеспечить оптимальный график электрических нагрузок. А поскольку электричество на складе не сохранишь и его нужно вырабатывать в тот момент, когда в нем возникает потребность, то появляются нелепые противопотоки энергии. Ежегодно около 5 млрд. кВт • ч 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 XX в. 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 со-396
 
 ответственно в 25 и 16 млн. кВт. Но такая задача оказалась нереальной - в 1992 г. на КАТЭКе работало только два энергоблока общей мощностью 1,6 млн. кВт, на Экибастузе - блок ГРЭС мощностью 4 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 группировки. 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. В 1986-1990 гг. произошло существенное падение мощности тепловых электростанций до 15,3 млн. кВт, т.е. до уровня, достигнутого более 30 лет назад.
  В последнее время все отчетливее проявляются признаки энергетического кризиса, выход из которого возможен только при правильном, научно обоснованном развитии энергетики.
  Значение топливно-энергетического комплекса ощутилось в последнее время с особенной остротой. Стоило только поднять цены на энергоносители, как сразу подорожали хлеб и транспорт, отопление квартир и металл, уборка улиц и т.п. А ведь нашим отечественным потребителям нефть, газ и уголь, не говоря об электричестве, отпускались по минимальным 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. Очевидно, дальнейшее развитие не только отечественной, но и мировой энергетики возможно только при внедрении новых технологий, высокоэффективных энергетических систем, современных материалов и разработке новых источников энергии.
  За время развития цивилизации традиционные источники энергии уступали место новым. И не потому, что традиционный источник был исчерпан. Солнце светило и обогревало человека всегда, и тем не менее люди, однажды приручившие огонь, начали жечь древесину. Запасы древесины не исчезли, но паровые машины требовали более калорийного топлива, каким оказался каменный уголь. Уголь вскоре уступает свое лидерство нефти. В наши дни основные виды топлива - 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. Во второй половине XX в. освоен новый источник энергии - ядерное топливо, которое по своей энергоемкости превосходит все известные виды топлива.
 397
 
  Энергетика очень быстро аккумулирует все самые новейшие идеи, изобретения и достижения естествознания. Это позволит в ближайшем будущем не только повысить эффективность традиционных источников энергии, но и развивать энергохимию, водородную энергетику и постепенно переходить к возобновляемым и принципиально новым источникам энергии.
 Контрольные вопросы
 1. В чем заключается естественно-научное понимание энергии?
 2. Почему энергию считают источником благосостояния?
 3. Назовите основные способы преобразования 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 сущность комбинированного способа получения электроэнергии?
 13. Объясните принцип действия МГД-генератора.
 14. Приведите примеры прямого преобразования энергии. В чем его преимущества?
 15. Каков принцип работы водород-кислородных топливных элементов?
 16. В чем заключаются особенности водородного двигателя?
 17. Чем отличаются батареи на твердом иодном электролите от обычных?
 18. Назовите основные неорганические источники энергии.
 19. Охарактеризуйте преимущества и недостатки гидроисточников энергии.
 20. Каковы перспективы использования геотермальной энергии?
 21. Назовите причины медленного развития гелиоэнергетики.
 22. Объясните роль фотосинтеза в преобразовании солнечной энергии.
 23. Каковы перспективы развития ветроэнергетики?
 24. Где и когда была построена первая атомная электростанция?
 25. Чем отличаются друг от друга атомные реакторы разных типов?
 26. Какая доля мирового производства электроэнергии приходится на АЭС?
 27. Является ли перспективным ядерное топливо?
 28. Какова ближайшая перспектива развития атомной энергетики?
 29. В чем заключаются особенности развития отечественной энергетики?
  30. Охарактеризуйте кратко перспективы развития энергетики.
 398
  15.
 Когда я прохожу мимо крестьянских лесов, которые я спас от порубки, или, когда я слышу, как шумит мой молодой лес, посаженный моими руками, я сознаю, что климат немножко и в моей власти и что если через тысячу лет человек будет счастлив, то в этом немножко буду виноват и я.
 А.П. Чехов
 10. ЕСТЕСТВЕННО-НАУЧНЫЕ АСПЕКТЫ ЭКОЛОГИИ
 10.1. ГЛОБАЛЬНЫЕ КАТАСТРОФЫ И ЭВОЛЮЦИЯ ЖИЗНИ
  Сравнительно недавно ученые, изучая микроструктуру органической материи, сделали поразительный вывод: возникновение и развитие жизни на нашей планете, если считать по Дарвину, потребовало бы много больше времени, нежели действительная история, охватывающая период от первых на Земле живых организмов до вершины природы - человека. И тут пришлось вспомнить основоположников палеонтологии - науки о развитии жизни на Земле - французских зоологов Жоржа Кювье (1769-1832) и Жоффруа Сент-Илера (1772-1844).
  В 1812 г. Кювье опубликовал первые итоги изучения своих находок под названием "Исследования об ископаемых костях". Ученый обратил внимание на то, что в земле чередуются слои, бедные и богатые останками погибших животных. При этом он обнаружил, что в каждом новом слое останки принадлежат животным другого вида, а не тем, что найдены в предыдущем и последующем слоях, т. е. не тем, которые обитали на Земле раньше или позже, разумеется, в геологическом масштабе времени.
  В следующей книге Кювье - "Рассуждения о переворотах на поверхности земного шара и об изменениях, какие они произвели в животном царстве" - ученый утверждает, что ископаемые формы - это либо прямые предки нынешних животных, в сущности от них не отличающиеся, но сумевшие пережить все природные перевороты, либо останки форм, окончательно вымерших в результате случившихся переворотов и ничего общего с ныне живущими не имеющих. Он полагал, что развитие четырех видов животных (по его классификации - позвоночных, членистых, мягкотелых, лучистых) происходило изолированно. Однако отстаивая свои выводы, Кювье не смог убедительно показать, какие же силы вызывали на Земле столь грандиозные перевороты, чтобы быть способными оборвать ту или иную линию развития жизни. Он только напи-
 399
 
 сал: "Какие-то силы раздробили, приподняли слои Земли и опрокинули их на тысячу ладов".
  Заметил чередование ископаемых останков и Жоффруа. Однако объяснения, сделанные Кювье и Жоффруа, расходились настолько, что их многолетний спор привлек внимание ученых всего мира. В Париже не раз в те годы проводились диспуты соперничающих ученых, за которыми следил весь образованный мир. Известен интересный эпизод. Когда в 1830 г. к Гёте пришел гость с возгласом: "Великое событие в Париже!..", Гёте нетерпеливо прервал пришедшего: "Кто же одержал верх - Кювье или Жоффруа?" Гость же принес весть о революции в Париже, об уличных боях...
  Жоффруа считал, что гибель господствовавших в определенные периоды видов животных еще не означала повсеместной гибели жизни вообще. Некоторые виды, занимавшие ранее подчиненное место, выживали. Наделенные свойствами противостоять силам природы, которые уничтожали большую часть животного мира, они получали простор для своего дальнейшего развития. В отличие от Кювье он видел единство организации и развития животного мира.
  В одном лишь были едины Кювье и Жоффруа: какие-то грандиозные силы вмешивались в эволюцию жизни, и в результате такого вмешательства появлялись более совершенные формы животных. Казалось, эволюция время от времени подвергалась действию таинственного ускорителя. Впрочем, подобную же роль может сыграть и тормоз, который замедляет или вовсе сбрасывает с "конвейера эволюции" какие-то виды, например, владевших миллионы лет землей динозавров, мешавших развитию других видов, а именно - млекопитающих, так возникает больше простора для развития видов более жизнестойких.
  О действии некоего тормоза по существу говорит и палеонтология. Чередование богатых окаменелостями слоев с горизонтами, скудными на них (на что первыми обратили внимание Кювье и Жоффруа), сегодня есть истина, подтвержденная всей историей науки об ископаемых. Но что же могло послужить ускорителем или замедлителем эволюции? Мы не будем рассматривать вмешательство в дела развития природы ни инопланетян, ни провидения. Ограничимся известными науке естественными силами. Без сомнения, это были высокоэффективные, мощные воздействия, способные, например, в короткий срок уничтожить могучее и многочисленное стадо динозавров, насчитывающее несколько сот видов - среди них были малютки весом в единицы килограммов и гиганты - в десятки тонн. Динозавры господствовали на суше, в воде и воздухе.
  Еще в давние времена (до эры динозавров) высшие териодонты - те-рапсиды - приобрели многие черты строения и физиологические особенности, характерные для млекопитающих: лактация, способ дыхания и
 400
 

<< Пред.           стр. 12 (из 16)           След. >>

Список литературы по разделу