Александр Проценко - Энергия будущего

• Название: Энергия будущего
• Автор: Александр Проценко
• Жанр: Прочая научная литература

Технический прогресс невозможен без энергии. О путях обеспечения человека энергией, об энергетических ресурсах планеты, о той роли, которую должна сыграть термоядерная энергия в будущем, идет речь в книге доктора наук А. Проценко. Издание рассчитано на самые широкие круги читателей.

---

В качестве теплоносителя в нем используется гелий, инертность которого обеспечивает работу различных его конструкций при довольно высокой температуре. Пожалуй, самое оригинальное в этом реакторе — это тепловыделяющие элементы — шарики из графита, внутри которых размещено ядерное топливо в виде двуокиси урана. Такое использование графита и урана позволило достичь высоких температур гелия. В активную зону реактора, выполненного в виде цилиндра из графита, засыпаются, словно горох в банку, сферические тепловыделяющие элементы. Там они раскаляются до 1200–1300 градусов и разогревают гелий до 1000 градусов.

Затем перекачиваемый газодувками гелий направляется в теплообменники, где и отдает свое тепло технологическому процессу.

Применительно к проектируемому в СССР реактору химиками разрабатывается процесс паровой конверсии природного газа для производства из него водорода, а затем аммиака. На существующих обычных заводах для проведения этого процесса энергию получают, сжигая тот же природный газ. Ядерный же реактор позволяет сэкономить почти половину этого ценного сырья.

На химическом комбинате с ядерным реактором природный газ будет использоваться только как химическое сырье, но не как топливо.

Кстати, именно совмещение процесса паровой конверсии с ядерным реактором может решить проблему обеспечения теплом и паром рассредоточенных потребителей энергии. Вот суть этого способа. Соединяя метан и водяной пар, с затратой, конечно, тепла от ядерного реактора, получим смесь водорода и окиси углерода. В охлажденном виде эта смесь передается по газопроводу к потребителю. На месте, на специальном катализаторе при температуре 400–600 градусов, проводится обратная реакция — соединение окиси углерода и водорода. При этой реакции выделяется энергия и восстанавливаются исходные вещества, то есть метан и вода. Затем цикл повторяется. Так тепло от реактора в химически связанном виде может быть передано на любое необходимое расстояние без потерь ценных продуктов.

Мы затронули лишь некоторые отрасли народного хозяйства, где в тех или иных масштабах может быть использована энергия атома. А как быть с транспортом?

Ведь исчерпайся сейчас нефть, и мир останется без бензина. Как в таком случае воспользоваться энергией атома?

Очевидно, поможет лишь удобный вторичный энергоноситель. Ведь и сейчас энергия органического топлива в большей мере используется не непосредственно, а через вторичный энергоноситель: горячую воду, пар, электричество. Когда нефть, а затем и газ постепенно начнут исчезать с энергетического рынка, по мнению многих специалистов, наиболее удобным вторичным энергоносителем окажется водород. Он весьма универсален и может использоваться как топливо в авиации, в наземном транспорте, на судах. Водород может служить восстановителем в металлургии и химическим сырьем во многих отраслях промышленности. Возможно, что будет признано эффективным использование этого легкого газа и в качестве топлива в электроэнергетике. Водород почти так же легко транспортировать по газопроводам, как и природный газ. По сравнению с ним он менее взрывоопасен и наиболее удобен с точки зрения экологии.

В общем, всем хорош водород, нужно только найти и разработать высокоэффективный способ его получения.

Конечно, сырьем останется вода, а источником энергии — ядерная энергия и уголь.

Сейчас для получения водорода пользуются электролизом. Однако этот способ далеко не самый эффективный. Судите сами: коэффициент полезного действия современного электролизера, в котором с помощью электроэнергии разлагается вода, 60–65 процентов. При производстве электроэнергии с эффективностью 40 процентов, общий коэффициент преобразования первичной энергии в водород не превысит 25 процентов. Конечно, это слишком дорогая цена за продукт, каким бы ни был он прекрасным энергоносителем. Нужны другие пути его получения. И они есть. Во-первых, усовершенствуется сам электролиз. Если этот процесс проводить при температуре примерно 1000 градусов в ячейках с твердым электролитом, то появляется возможность получать водород путем прямого использования тепла от высокотемпературного ядерного реактора. В этом случае полная общая эффективность электролизного метода преобразования ядерной энергии в водород может возрасти до 65–70 процентов, что уже приемлемо.

Во-вторых, в последние годы усиленно разрабатываются термохимические способы, при которых вода разлагается под действием тепла без использования электричества. При температуре ядерного источника энергии для разложения воды, равной, скажем, 1000 градусам, можно ожидать достаточно высокого коэффициента преобразования ядерной энергии в энергию водорода, равного 50–60 процентам.

На этом закончим нашу краткую экскурсию в будущее атомной энергетики. Атомная энергия, используемая сегодня лишь для получения электроэнергии, в будущем станет основным поставщиком тепла, пара, искусственного топлива для двигателей. Залог этого — практически не ограниченные ресурсы ядерного топлива и почти полная ее безвредность для окружающей природы и людей.

Через несколько десятилетий атомная энергия будет такой же обыденной, какой в наши дни является энергия гидроэлектростанций или теплоэлектростанций. Возможно, тогда люди с удивлением будут узнавать, что когда-то использовались неядерные источники энергии.

Имея в виду именно такую ситуацию, Отто Фриш, физик-теоретик из Кембриджа, написал шуточную статью о далеком будущем. Выдержками из нее я хотел бы закончить эту главу.

«Недавно найденный сразу в нескольких местах уголь (черные, окаменевшие остатки древних растений) открывает интересные возможности для создания неядерной энергетики.

Возможность использования угля в энергетике связана с тем фактором, что он окисляется, причем создается высокая температура с выделением удельной энергии, близкой к 0,0000001 мегаватт-суток на грамм.

Это, конечно, очень мало, но запасы угля, по-видимому, велики.

Главным преимуществом угля следует считать его маленькую по сравнению с делящимися материалами критическую массу. Атомные электростанции, как известно, становятся неэкономичными при мощности ниже 50 мегаватт, а угольные электростанции могут оказаться вполне эффективными в маленьких населенных пунктах с ограниченными энергетическими потребностями.

Главная трудность заключается в создании самоподдерживающейся и контролируемой реакции окисления топливных элементов. Кинетика этой реакции значительно сложнее, чем кинетика ядерного деления, и изучена еще слабо. Правда, дифференциальное уравнение, приближенно описывающее этот процесс, уже получено, но решение его возможно лишь в простейших частных случаях. Поэтому корпус угольного реактора предлагается изготовить в виде цилиндра с перфорированными стенками. Через эти отверстия будут удаляться продукты горения. Необходимость закрывать цилиндр на концах торцовыми плитами создает трудную, хотя и разрешимую математическую задачу.

Изготовление тепловыделяющих элементов, по-видимому, обойдется дешевле, чем в случае ядерных реакторов, так как нет необходимости заключать горючее в оболочку, которая при этом даже нежелательна, поскольку затрудняет доступ кислорода.

Были рассчитаны различные типы решеток, и уже самая простая из них плотноупакованные сферы, — по-видимому, вполне удовлетворительна. Расчеты оптимального размера этих сфер и соответствующих допусков находятся сейчас в стадии завершения. Уголь легко обрабатывается, и изготовление таких сфер, очевидно, не представит серьезных трудностей.

Чистый кислород идеально подходит для окисления, но он дорог, и самым дешевым заменителем является воздух. Однако воздух на 78 процентов состоит из азота. Если даже часть азота прореагирует с углеродом, образуя ядовитый газ циан, то он будет источником серьезной опасности для здоровья обслуживающего персонала.

Выделение ядовитых газов из угольного реактора представляет серьезную угрозу. В их состав, помимо исключительно токсичных окиси углерода и двуокиси серы, входят некоторые канцерогенные соединения. Их выбрасывание непосредственно в атмосферу недопустимо, поскольку приведет к заражению воздуха в радиусе нескольких миль. Эти газы необходимо собирать в контейнеры и подвергать химической детоксификации.

При обращении как с газообразными, так и с твердыми продуктами реакции необходимо использовать стандартные методы дистанционного управления. После обеззараживания эти продукты лучше всего топить в море.

Существует возможность, хотя и весьма маловероятная, что подача окислителя выйдет из-под контроля.

Это приведет к расплавлению всего реактора и выделению огромного количества ядовитых газов. Последнее обстоятельство является главным аргументом против угля в пользу ядерных реакторов, которые за последние несколько тысяч лет доказали свою безопасность. Пройдут, возможно, десятилетия, прежде чем будут разработаны достаточно надежные методы управления угольными реакторами».