Анатолий Томилин - Заклятие Фавна
Вы понимаете, что превратить порядок в беспорядок, в хаос — проще простого. И совсем не так легко этот хаос упорядочить. Вот вам и причина, по которой так легко любой вид энергии перевести в тепловую и так трудно, а порой и невозможно, превратить тепло в иные виды энергии. Тем более полностью.
Термодинамика учит, что для получения механической энергии из тепловой нужно иметь прежде всего источник тепла, приемник с разностью температур и, кроме того, рабочее тело. Рабочее тело переносит тепло от источника к приемнику, превращает тепловую энергию в механическую, но само по себе никаких изменений не претерпевает. Оно лишь инструмент, с помощью которого происходит преобразование энергий, и теоретически процесс этого преобразования не должен зависеть от того, какое вещество мы в качестве рабочего тела возьмем. Но это — теоретически. На практике же свойства его весьма ощутимо влияют на коэффициент полезного действия системы.
За каждый цикл рабочее тело — будь то пар или газ в турбине, продукты сгорания в двигателе внутреннего сгорания или фреон и аммиак в холодильниках — переносит часть тепла от источника к приемнику. Процесс этот происходит непременно с потерями (вспомните хорошо всем знакомый пример с трением). Из-за потерь реально получаемая механическая энергия оказывается всегда меньше разности количеств тепла, участвующих в процессе.
Коэффициент полезного действия при этом зависит от разности температур источника и приемника тепла. С приемником дело обстоит однозначно — это, в конечном счете, окружающая среда. А вот источник желательно подогреть посильнее. Например, если принять температуру окружающей среды равной 20° С, то от источника, нагретого до 120° С, из одного джоуля тепловой энергии можно получить не более 0, 25 джоулей энергии механической. Семьдесят пять процентов уйдут в воздух. Если источник будет нагрет до 720° С, из одного джоуля тепловой энергии можно будет уже получить до 0, 7 джоуля энергии механической. Получается, что тепловые электростанции — устройства неэкономичные и довольно консервативные, не говоря уж обо всех других недостатках экологического характера, И все-таки их строят и будут строить. Потому что пока они самые экономически рентабельные сооружения. Пока их энергия дешевле любой другой, и строительство ТЭС окупается раз в десять быстрее, чем строительство, например, гидроэлектростанций.
Ну а есть ли какие-нибудь перспективы их развития? Конечно, есть. Прежде всего — повышение КПД за счет увеличения начальной температуры водяного пара. Я уже говорил, что сейчас стандарт 540° С. А вот если бы повысить температуру до 1000, 1500° С? Что мешает? Прежде всего прочность материалов. Пока нет металлов, способных достаточно надежно длительное время работать при таких высоких температурах в условиях больших механических нагрузок. Вы скажете: делают же двигатели ракет из жароупорных сплавов. Но двигатели ракет работают короткое время и к тому же стоят значительно дороже. Нет, для турбин нужны качественные, но дешевые материалы, так же как для топок котлов тепловых электростанций нужно дешевое, недефицитное топливо.
Большое значение имеет также и комплексное использование топлива и самого тепла. В нашей стране энергостроители добились больших успехов в проектировании и сооружении теплоэлектроцентралей — ТЭЦ. От обычных тепловых электростанций они отличаются тем, что снабжают потребителей не только электроэнергией, но и теплом. Скажем, так: «температурный интервал» от 540° С и до 100° С используется для выработки электрической энергии, а остывшую воду отправляют для отопления. На этом примере особенно хорошо должен быть понятен выигрыш от повышения верхнего температурного предела.
ТЭЦ значительно экономичнее обычных тепловых электростанций. Коэффициент использования топлива на них приближается к 60-70 процентам, тогда как коэффициент полезного действия ТЭС не выше 40 процентов.
С каждым годом все большую роль в общем балансе энергетики играют атомные электростанции — АЭС. Строго говоря, это те же тепловые, только с другим котлом и работающие на ином топливе. Сегодня хорошо известно, что ядерные реакторы бывают двух типов: на медленных (тепловых) нейтронах и на быстрых. Последние еще называют реакторами-размножителями, или бридерами. В них при переработке ядерного горючего одного вида накапливается еще большее количество новых делящихся материалов. Применение реакторов на быстрых нейтронах, естественно, выгоднее, и потому будущее промышленных установок для АЭС за ними.
Если говорить о схеме атомной электростанции, то она распадается на две части: в одной — та же паровая турбина, электрический генератор, конденсатор, водяной насос — все, как в схеме уже известной нам тепловой электростанции. А вот другая часть резко отличается: пар производится в теплообменнике-парогенераторе или в самом реакторе за счет тепла ядерной реакции.
Первый крупный атомный реактор на быстрых нейтронах в нашей стране был запущен в 1973 году в городе Шевченко, на берегу Каспийского моря. Здесь большое количество тепла требуется для опреснения морской воды, и потому устройство такой станции было особенно целесообразно. Еще более крупный реактор такого же типа введен в действие на Белоярской АЭС имени И.В. Курчатова, на Урале. В нем на каждый килограмм «сгоревшего» ядерного топлива воспроизводится 1, 5-1, 6 килограмма нового, готового к дальнейшей работе.
Однако в основном пока что на АЭС используются энергетические реакторы на медленных нейтронах. Здесь рядом с ядерным топливом в активной зоне реактора должен размещаться замедлитель. 3десь же происходят ядерные реакции, сопровождаемые. выделением огромной энергии, быстрые нейтроны замедляются, и тепло отводится теплоносителем, который в следующей ступени передает свое тепло и превращает воду в пар.
Чем же лучше атомная электростанция обычной ТЭС? Прежде всего дело заключается в топливе. Знаете ли вы, сколько нужно топлива современной достаточно мощной теплоэлектростанции? Несколько железнодорожных составов в сутки! Кроме того, что надо привезти и выгрузить уголь, необходимо вывезти золу и шлак.
Сколько дополнительной работы, сколько испорченной земли! Чтобы добыть уголь, нужно вскрыть земную поверхность, устроить карьеры — незаживающие раны. Чтобы убрать золу, нужно засыпать бесплодными отходами опять же часть земной поверхности.
А что атомная электростанция? Одной заправки реактора ядерным топливом — плутонием и природным ураном — хватает ему больше чем на год работы. И никакой золы, никакого шлака.
Выработка электроэнергии — важнейшая задача современности, но не единственная. Растет потребность в промышленном и отопительном тепле, металлургическая и химическая промышленность с каждым годом требуют все больше энергии и тепла, В нашей стране на эти нужды расходуется до 3/4 всех добываемых горючих ископаемых. Атомное тепло могло бы здесь сыграть решающую роль. Представьте себе металлургию… Ведь это редкий случай, когда топливо и руда лежат в непосредственной близости друг от друга. Чаще их приходится куда-то доставлять. Насколько же огромная энергоемкость ядерного горючего снизила бы загрузку железных дорог! Кроме того, современный технологический процесс выплавки чугуна или стали с помощью сжигаемого органического топлива сопровождается немалыми выбросами в атмосферу углекислого газа и сернистого ангидрида. Технологическое тепло от ядерных реакторов освободит металлургические комбинаты отзолы в пыли, от копоти, загазованности, завесы пыли и дыма. Количество вредных отходов, отравляющих землю, воду и воздух, уменьшится в тысячи раз.
А ведь кроме заводов по выплавке чугуна и стали существуют энергоемкие производства, где получают алюминий, цинк, осуществляют крекинг и реформинг нефти и нефтепродуктов, синтез хлорвинила, этилена и аммиака.
Не менее важно внедрение атомной энергетики и в систему теплофикации городов, создание атомных электроцентралей — АТЭЦ и атомных станций теплоснабжения — ACT. Естественно, что при их постройке должны быть учтены дополнительные требования по безопасности населения и обеспечению радиоактивной чистоты на любых режимах работы реакторов. Ведь АТЭЦ и ACT будут сооружаться непосредственно в черте города.
Первые такие станции уже работают, обеспечивая теплом и электроэнергией дома. Особенно целесообразны они в отдаленных местах, лишенных дешевых транспортных путей, куда стоимость доставки топлива делает его поистине золотым, как, например, в северо-восточную часть Сибири.
Атомная энергетика в последние годы развивается особенно быстро. Сегодня общая мощность АЭС во всех странах еще не очень велика — она не превышает 100 миллионов киловатт. Но единичная мощность (электрическая) ядерных реакторов уже достигает 1 миллиона киловатт и больше, а в недалеком будущем она поднимается до 1, 5 и 2 миллионов киловатт, а может быть, будет и еще больше.
