Анатолий Томилин - Заклятие Фавна

4. Что такое токамак?

Тороидальная камера с магнитным полем — семейство советских тороидальных магнитных ловушек для получения контролируемой термоядерной реакции в высокотемпературной плазме. Слово «токамак», как и слово «спутник», принято во всех языках мира.

5. Когда физики получат термоядерную энергию?

…

Какой видится завтрашняя энергетика сегодня? Пожалуй, я бы разделил все имеющиеся способы получения электрической энергии на две большие группы. Поскольку наша книга не является специализированным руководством по энерготехнике, думаю, такая вольность допустима. К первой группе можно отнести, так сказать, электрическую энергию рукотворную. Тут и ГЭС, и ТЭС, и АЭС, тут термояд, МГД-генераторы, термоэлектрогенераторы, термоэмиссионные преобразователи и топливные элементы. Ко второй — энергию, которую нам дарит природа: то есть гелиоэнергетика, энергия геотермальная, энергия ветра, волн и приливов.

Мы уже рассмотрели способы получения электрической энергий традиционным путем и даже познакомились с управляемым термоядерным синтезам. Теперь пора перейти к тому, что будет завтра. Давайте начнем с одного из главных способов получения энергии будущего — с МГД генератора.

Когда-то Фарадей заметил, что коль скоро в проводе, который движется между полюсами магнита, течет электрический ток, то оный же должен возникнуть и в потоке проводящей электричество жидкости, помещенной там же. Казалось бы ничего нового в том высказывании нет, но именно в нем заключена идея МГД-генератора.

Сначала суть: при сгорании органического топлива, к примеру природного газа, при достаточно высокой температуре (не менее 2500° С) газ сей должен, как мы с Вами уже знаем, перейти в состояние частично ионизованной плазмы, то есть стать электропроводным, Если же к потоку плазмы добавить какое-нибудь легко ионизирующееся вещество, ну хотя бы пары щелочных металлов — калия, натрия или цезия, то электропроводность низкотемпературной плазмы резко возрастет.

Теперь представьте себе, что мы стали продувать эту горячую проводящую плазму через достаточно мощное магнитное поле. В плазме тут же появился электрический ток. Если при этом к стенкам канала, по которому сквозь магнитное поле стремится поток плазмы, приделать электроды, замкнутые на внешнюю депь, то по цепи пойдет ток.

Ну что? Просто? В принципе работа МГД-генератора не отличается от работы генератора Фарадея классической схемы. Только в электромеханическом генераторе проводником служит обмотка ротора, а в МГД-генераторе — поток подогретой плазмы. Электрический ток в плазме, взаимодействуя с магнитным полем, тормозит движение плазмы. И её кинетическая энергия превращается в тепловую. Конечно, все не так просто в реализации, как в идее. Газ приходится подогревать, то есть сжигать. А это та же ТЭЦ. Да еще добавлять в него металлические пары. А чтобы канал, по которому мчит струя плазмы в 2500° С, не развалился, его нужно делать, жаропрочным, как содао ракеты. Кроме того, отработанную плазму, сохраляюшую свою температуру, нужно тоже на что-то употребить. Хотя бы на подогрев пара для обычной турбины…

Э! — скажет экономически подкованный читатель. Чем она, плазма, лучше обычного топлива в ТЭЦ?

Не нужно торопиться. Какой КПД у самих лучших ТЭЦ? Не более 40 процентов, остальные 60 — летят в трубу, нагреаая и обильно засоряя атмосферу, МГД-установки позволят 25 процентов от этих шестидесяти, выбрасываемых в трубу, сэкономить. Это сейчас — 25, а в будущем, может быть, и 50 процентов." Более того, магнито-гадродинамическое преобразование энергии сможет применяться и в ядерной энергетике, поскольку позволит исключить паровой котел как промежуточное звено, а следовательно, и повысить КПД,

Пока, конечно, на пути к МГД-генератору взяты еще не все карьеры. Непонятно, из чего делать канал для пляамы. Тут дело упирается в надежность материалов. Кроме того, нужно создавать на всем протяжении плазменного канала, а это метров двадцать, магнитное поле очень большой интенсивности. Наконец, постоянный ток, получаемый от МГД-геяерагора, придется преобразовывать в переменный.

Но кое-какие успехи на этом пути уже имеются. Несколько лет назад жителя московского района Ховрино стали получать электроэнергию не от городской линии электроснабжения, а от расположенного неподалеку Института высоких температур АН СССР. Это заработала пока единственная на всей Земле установка У-25 мощностью 20 мегаватт для магнитогидродинамического преобразования энергии. А москвичи между тем этого события-то и не заметили.

Недавно МГД-генератору нашли новое и совершенно необЫчное применение. Его использовали для глубинного эяектремагнитного зондирования земной коры и верхней мантаи, Сначала с помощью передвижного генератора геологи экспериментировала на Урале, потом установку перевезли на Кольский полуостров. На этом участие Балтийского щита на поверхность выходят древнейшие образования Земли, Именно здесь открываегся возможность наиболее полно изучить строение кристаллического фундамента, скрытого обычно под осадочными породами.

Года два тому назад мне довелось побывать на Кольской сверхглубокой скважине, которую вот уже не один год бурят неподалеку от города Заполярного. Это самая глубокая скважина в мире — двенадцать с лишним километров. Еще когда буровики вышли только на десятикилометровый рубеж, министр геологии, рассказывая о научных достижениях Кольской сверхглубокой, образно говорил о «десяти тысячах метров открытий». И вот теперь у геологов появилась возможность сравнить результаты МГД-зондирования с кернами, добытыми буровиками с разных горизонтов.

Глубинное электромагнитное зондирование земной коры и верхней мантии в принципе метод не новый. Но раньше как у нас, так и за рубежом, использовались главным образом естественные источники электромагнитного поля. Чаще всего вариации магнитного поля Земли, которые возникают в результате взаимодействия солнечного ветра с магнитосферой и ионосферой нашей планеты в царстве полярных сияний, то есть на высотах 100-200 километров. Эти вариации возбуждали в теле планеты вторичные поля, которые, проникая на десятки и даже сотни километров в глубину, приносили оттуда информацию о строении недр. Это так называемые магнитотеллурические методы геофизических исследований. Непростое дело. Лучше, конечно, иметь дело с искусственными источниками тока. Некоторое время так и делали. Устанавливали на автомобилях генераторы, которые позволяли зондировать землю до глубин в несколько километров. Мало!

Лишь когда по инициативе Института атомной энергии имени И.В. Курчатова в геоэлектрику стали внедрять мощные импульсные МГД-генераторы, в описываемых методах наметился существенный поворот.

Научный эксперимент «Хибины», проведенный на Кольском полуострове, в Северной Карелии и на территории Финляндии, позволил по-новому подойти к проблеме исследования глубинной электропроводности земной коры. Геофизики сделали немало новых интересных открытий, перечеркнули некоторые прежние представления. Перед геологами открылась новая перспектива в исследованиях глубинного строения рудных полей.

В 1821 году немецкий врач Томас Иоганн Зеебек состоятельный человек, не утруждающий себя медицинской практикой, а отдающий время физическим опытам, случайно открыл удивительное явление. Он воспроизводил опыты Эрстеда и, размышляя о результатах подумал: «Не мог ли магнетизм, возбуждаемый током родиться из прямого соприкосновения двух разнородных металлов без помощи слоя жидкости между ними?» Эта мысль, пришла в голову герру Зеебеку не без помощи описаний опытов Вольты. Он замкнул медную катушку мультипликатора висмутовым диском и заметил, что каждый раз, когда нажимает рукой на один из контактов, стрелка мультипликатора слегка отклоняется.

Опыт за опытом, серия за серией… Зеебек нажимал на контакты через мокрую бумагу, через стекло, нажимал короткое время, нажимал долго… В конце концов, он убедился, что эффект обусловлен нагреванием одного из контактов. И тогда он опубликовал результаты исследования, написав, «что теплота, которая сильнее передается одному из мест контакта металлов является причиной магнетизма». Обратите внимание — «магнетизма», а не электричества. Исходя из этих соображений, Зеебек назвал открытое им явление «термомагнетизмом».

Эрстед и Фурье, повторившие в 1823 году опыты Зеебека, собрали столбик из нескольких пар контактов, произвели с помощью полученного тока электролиз и предложили назвать новое явление, открытое Зеебеком, «термоэлектричеством». Зеебек долго и упрямо спорил, возражая против такой замены. Но целесообразность предложенного была столь очевидной что никто его не слушал. Термоэлементы получили широкое распространение, так как давали постоянную ЭДС.