Владимир Карцев - Магнит за три тысячелетия (4-е изд., перераб. и доп.)

• Название: Магнит за три тысячелетия (4-е изд., перераб. и доп.)
• Автор: Владимир Карцев
• Издательство: Энергоатомиздат
• Жанр: Физика
• Год: 1988
• ISBN: 5-283-02929-8

В популярной и занимательной форме рассказывается об истории решения проблемы, волнующей в равной степени и ученых, и инженеров. Эта проблема — получение сильных магнитных полей. Известно, что чем большее магнитное поле удается создать в машине, тем меньшие габариты она имеет и дешевле стоит. Ученые разработали несколько эффективных способов получения сильного магнитного поля. Об успехах и неудачах на этом пути и рассказывается в книге.

Для учащихся старших классов, читателей, интересующихся историей и современными достижениями науки и техники.

---

магнитного поля, затрудняющие создание таких систем, то следует признать, что

имеющиеся ловушки — большое техническое достижение.

Последние годы стали временем дальнейшего развития исследований с помощью

токамаков. В СССР, США, Европе, Японии создаются все новые конструкции,

призванные повысить параметры плазмы до значений, соответствующих термоядерной

реакции. К числу наиболее характерных токамаков, введенных в строй в последние

годы, следует отнести Т-15 (СССР), JET (пущен в Англии, но создан совместными

трудами ученых стран СЭВ), TFTR (США), JT-60 (Япония).

Токамак Т-15 интересен сверхпроводящей тороидальной обмоткой, что является

перспективным техническим решением. Токамаки JET, TFTR, JT-60 также

предназначены дать первые нейтроны термоядерной реакции. Для всех этих

конструкций характерны крупные размеры: радиус камеры в пределах 2,6…3 м и

радиус поперечного сечения камеры 0,85…1,25 м. Медные тороидальные обмотки

создают круговое магнитное поле 3,5…5 Тл. Мощность генераторов, питающих эти

обмотки во время режима работы, длящегося несколько секунд, составляет несколько

сотен тысяч киловатт.

Специалисты СССР, США, Японии и европейских стран провели проектную проработку

интернационального токамака-реактора — ИНТОР. Согласно проекту, опытный реактор

содержит тороидальную камеру радиусом 5,2 и 1,4 м. В этом "бублике" объемом 320

м3 горит плазма плотностью 1,4 1014 част./см3 с температурой 100 млн. градусов,

"зажигаемая" током 6,4 млн. А, который наводится от индуктора, расположенного в

центре камеры.

Стенка из нержавеющей стали охлаждается водой, за стенкой размещен "бланкет"

толщиной полметра, в котором за год вырабатывается 7 кг трития. Магнитная

система, колпаком укрывающая камеру, выполнена из медненных сверхпроводящих лент

ниобия с оловом и ниобия с титаном. Она создает поле на обмотках 11,6 и 8 Тл, а

в центре рабочей камеры — 5,5 Тл. В магнитном поле запасена энергия, равная 10

тыс. кВт-ч.

В проекте предусмотрено выделение 620 тыс. кВт термоядерной энергии в течение

200 с, импульсные нагрузки оборудования будут покрываться из электросети и от

генератора мощностью 1 млн. кВт. Токамак типа "Интор" еще не может быть

динамически выгодным источником энергии, он станет прообразом будущего реактора

термоядерной электростанции.

На программу токамаков делается сегодня главная ставка, но не следует забывать,

что ведутся исследования по другим вариантам термоядерных реакторов. Весьма

перспективна дочерняя ветвь токамаков — открытые магнитные ловушки. Здесь

результаты не так высоки, но еще далеко не все резервы исчерпаны.

Нет сомнений в том, что мы живем в преддверии энергетического господства ядерных

реакторов синтеза. Из многих альтернативных конструкций наверняка удастся

выбрать что-то подходящее. Конечно, "чистые" реакторы-синтезаторы, производящие

электричество из водорода, появятся не сразу. Сначала термоядерные реакторы,

видимо, будут помогать обогащать уран на нынешних АЭС. Со временем энергия

нейтронов синтеза частично пойдет на осуществление своего электрогенераторного

цикла. И уж тогда-то можно будет начать постепенный демонтаж урановых котлов.

К энергетике XXI века

Энергетическая Программа СССР специально предусматривает создание необходимого

научно-технического потенциала для производства электрооборудования на основе

эффекта сверхпроводимости. Чем вызвано такое внимание к вопросам

сверхпроводникового электрооборудования?

Сверхпроводники часто называют ключом к электротехнике будущего. Это объясняется

их поистине удивительными свойствами.

Вообще-то, сверхпроводников как особых материалов не существует. Это обычные

материалы из элементов таблицы Менделеева, у которых в определенных условиях

появляются необычные свойства. Алюминий, например, считается хорошим

проводником, неплохо пропускает тепло и в своей толще чуть усиливает магнитное

поле (парамагнетик). При охлаждении ниже 1,2 К электропроводность алюминия

возрастает бесконечно (сверхпроводник), теплопроводность так же сильно

ухудшается (теплоизолятор), а магнитное поле в него уже не может проникнуть

(диамагнетик).

Казалось бы, что за достижение столь полезных качеств надо платить слишком

дорого — достижение низких температур — удовольствие недешевое. Оказалось,

однако, что стоимость рефрижераторов и тепловой защиты холодных зон несравнима с

достигаемыми преимуществами. Стало возможным без чрезмерных затрат получать

огромные токи (в несколько тысяч раз большие, чем в обычных проводниках) и

огромные магнитные поля при скромных сечениях токонесущих шин: именно это

является чрезвычайно важным при создании мощных электроэнергетических устройств.

Единая энергетическая система СССР объединяет более 900 электростанций общей

мощностью почти 300 тыс. МВт, но продолжается рост числа электрогенераторов и их

единичной мощности. Выгода от создания крупных машин очевидна: при мощности 300

МВт нужен 1 кг металла на 1 кВт, а для машины мощностью 800 МВт — только 0,58

кг/кВт! Вот почему генераторы становятся все крупнее: в США созданы генераторы

на 1050 МВт, во Франции — на 660; в Англии, ФРГ — на 600…1300 и в СССР — на

1200 МВт. Работают крупнейшие в мире гидрогенераторы на Саяно-Шушенской ГЭС

мощностью 800 МВт.

Допустим, необходимо построить электростанцию мощностью 2400 МВт. Обычно такую

мощность обеспечивают восемь блоков по 300 МВт. А если взять более мощные

машины? Укрупнение мощности энергоблоков на ГРЭС общей мощностью 2400 МВт с 300

до 800 МВт уменьшает удельные капиталовложения на 10,6 %, снижает трудозатраты на

30 %, повышает производительность труда в эксплуатации на 42 % и уменьшает расход

условного топлива на 4 %.

Этим в основном и объясняется невиданный рост мощностей турбогенераторов: в 2

раза за каждые 7…10 лет. Так быстро растут мощности разве что у двигателей

ракет и самолетов. "Гигантомания" имеет, оказывается, прочную экономическую

основу.

Дальнейший рост единичной мощности турбогенераторов существенно ограничивает

техническую мощность роторов и бандажных колец. При частоте вращения 3000 об/мин

на них действуют громадные центробежные усилия, тем большие, чем больше диаметр

ротора. Так, в турбогенераторе на 100 МВт при частоте вращения 3000 об/мин

диаметр ротора составляет 1000 мм, а в генераторе мощностью 1200 МВт — "всего"

1250 мм. При увеличении мощности в 12 раз диаметр ротора изменится лишь в 1,25

раза. При дальнейшем увеличении диаметра ротора его могут разорвать центробежные

силы.

В настоящее время на Костромской ГРЭС успешно работает крупный советский

двухполюсный турбогенератор ТВВ-1200-2. Его ротор цельнокованый из

высококачественной легированной стали. Охлаждение обмоток ротора производится

водородом, статора — водой. Сооружение этой машины стало для советской и мировой

техники весьма знаменательным событием. Из числа многих технических трудностей,

которые пришлось преодолеть машиностроителям, назовем лишь одну — создание

цельной поковки ротора значительных габаритов. Инженеры и рабочие Ижорского

завода имени А.А.Жданова с честью вышли из этого затруднения: металл для

заготовки массой 230 т варили одновременно в мартеновской и двух электрических

печах; сталеваром удалось обеспечить синхронность плавок. Так был создан самый

крупный слиток в истории отечественной металлургии.

Технические данные советских турбогенераторов находятся сегодня на уровне

характеристик лучших зарубежных машин, а зачастую и превосходят их. Одно из

наиболее значительных зарубежных достижений — построенный в последние годы

фирмой "Броун-Бовери" (ФРГ) турбогенератор мощностью 1300 МВт для АЭС "Библис".

В отличие от большинства советских турбогенераторов у него невысокая частота

вращения (1500 об/ /мин), что позволяет резко увеличить диаметр ротора

(уменьшились центробежные усилия!), сделать его составным и увеличить объем

машины. Вот некоторые данные этого крупнейшего в мире турбогенератора: мощность

его 1300 МВт, КПД = 98,65 %, статор и ротор охлаждаются водой, масса ротора 204

т, статора 371 т, диаметр ротора 1,8 м, длина 7,5 м.

Разобравшись в наиболее современных конструкциях турбогенераторов, можно

заметить, что увеличение их мощности (повышающее экономичность электростанции и