Генрих Бурмин - Штурм абсолютного нуля
Тороидальная камера — это, грубо говоря, гигантский пустотелый бублик. В такую камеру вводится газообразный водород сравнительно небольшой плотности, в ней возбуждается кольцевой электрический ток силой в сотню тысяч ампер.
Внутри тороидальной камеры образуется кольцевой плазменный виток, или, как его называют физики, плазменный шнур. По этому витку течет ток.
Однако такой виток с током сам по себе неустойчив. Для того чтобы его стабилизировать, на поверхности камеры устанавливаются катушки, возбуждающие сильное магнитное поле, силовые линии которого направлены параллельно току в плазменном шнуре.
«Токамак» для собственных нужд потребляет очень много энергии. Например, для питания экспериментальной установки «Токамак 10» потребовалась подстанция на 180 тысяч киловатт.
Расчеты показывают, что для запуска промышленного термоядерного реактора типа «Токамак» понадобилось бы два миллиона киловатт, то есть мощность Куйбышевской ГЭС.
Существенное уменьшение энергии для питания «Токамаков» достигается при использовании сверхпроводящих магнитов.
В нашей стране была спроектирована и построена первая в мире сверхпроводящая электромагнитная система для установки «Токамак 7». В ней почти вплотную встретились самые низкие и фантастически высокие температуры: в нескольких сантиметрах от охлажденных почти до абсолютного нуля температуры сверхпроводящих витков бушует водородная плазма с температурой в десятки миллионов градусов. На сверхпроводящие катушки действуют электромагнитные силы в сотни тонн, а давление на центральный сердечник превышает 10 тысяч тонн.
Создателям этой системы пришлось решить уникальные по своей сложности инженерные задачи.
Еще более мощной сверхпроводящей электромагнитной системой оснащена новая установка «Токамак 15», которая введена в действие в конце 1988 года. Здесь накапливается магнитная энергия 600 миллионов джоулей, в 50 раз больше, чем в «Токама- ке 7». А по объему плазмы (25 кубических метров) «Токамак 15» превосходит свою предшественницу — установку «Токамак 10» в пять раз.
Одновременно в Советском Союзе проектируется опытный термоядерный реактор. По инициативе советских ученых, под эгидой Международного агентства по использованию атомной энергии (МАГАТЭ), разрабатывается международный проект токамака — реактора ИТЭР, в котором принимают участие ученые СССР, Западной Европы, США и Японии.
Строительство установок типа «Токамак» сегодня стало одним из главных направлений в мировой науке.
Во Франции планируется запустить в ближайшее время токамак «Тор — сюпра», оснащенный, как и наш «Токамак 15», сверхпроводящими магнитами.
В США введен в действие испытательный реактор — токамак ТФТР, на котором впервые достигнута температура плазмы свыше 300 миллионов градусов.
В Калэмской лаборатории, вблизи английского города Оксфорда, запущен токамак «Джет», сооруженный объединенными усилиями стран — участниц Европейского экономического сообщества. Токамак JT-60 строится в Японии.
С освоением управляемых термоядерных реакций глобальная проблема номер один будет окончательно решена. Человечество будет обеспечено практически неисчерпаемым источником энергии, так как запасы водорода в Мировом океане безграничны.
В отличие от атомных электростанций в процессе работы термоядерного реактора не происходит накопление радиоактивных шлаков.
Рентабельное производство электроэнергии требует строительства все более мощных электростанций вне зависимости от того, какие это станции: атомные, термоядерные, тепловые или гидроэлектростанции.
Мощности строящихся или уже построенных электростанций исчисляются миллиардами ватт.
Электростанции вырабатывают энергию, разумеется, не для собственных нужд. Необходимо эту энергию передать потребителям, расположенным зачастую на больших расстояниях от места ее производства.
Здесь вступает в действие хорошо знакомый нам со школьной скамьи закон Ома. Чем длиннее линия передачи, тем больше ее электрическое сопротивление, а следовательно, тем большая часть выработанной энергии рассеивается, переходит в тепло и не доходит до потребителя.
Значительная часть электрической энергии передается сейчас с помощью воздушных высоковольтных линий. С растущей потребностью в энергии возникает необходимость строительства и новых энергетических сетей. Однако, по крайней мере в густо населенных промышленных районах, уже становится практически невозможным прокладывать все новые воздушные линии.
…Если вы, гуляя за городом, будете проходить мимо воздушной линии электропередачи, то убедитесь, насколько она портит окружающий ландшафт. А сколько урожая недодает нам земля из‑за невозможности ее продуктивного использования вблизи высоковольтных трасс, сосчитать трудно!
Казалось, сама природа борется с нарушением ее гармонии. Нередки случаи, когда при обрыве проводов воздушных линий электропередачи в результате бурь и ураганов или их обледенения при сильных морозах селения или даже целые города на длительное время остаются без электроэнергии.
Уже сегодня часть электроэнергии передается по подземным кабелям.
Мысль об использовании для этой цели сверхпроводящих кабелей является весьма заманчивой.
Казалось, проводник без омического сопротивления является идеальным средством для передачи электрической энергии. Но здесь еще в большей степени, чем для сверхпроводящих магнитов, имеет значение экономическая целесообразность. Одно дело — охлаждать до гелиевых температур аппарат, имеющий ограниченный объем, другое дело — поддерживать при температуре вблизи абсолютного нуля линии протяженностью в десятки и сотни километров. При этом через каждые несколько километров необходимо устанавливать станции охлаждения, обеспечивающие непрерывную циркуляцию жидкого гелия, и гарантировать надежность их работы.
Насколько же сверхпроводящий кабель с неотъемлемой от него достаточно сложной системой охлаждения с помощью жидкого гелия является экономичным? Над этими проблемами усиленно работают во многих научно — исследовательских институтах и лабораториях мира.
По мнению советских специалистов, сверхпроводящий кабель, охлаждаемый жидким гелием, целесообразно применять для передачи электрической энергии большой мощности, начиная от двух — трех миллиардов ватт.
Несравненно более широкие перспективы откроются, когда инженеры освоят изготовление сверхпроводящих кабелей, охлаждаемых жидким азотом. Такие кабели способны заменить воздушные линии электропередач.
График суточного потребления энергии похож на рельеф сильно пересеченной местности, где высокие холмы перемежаются глубокими оврагами. Так, например, зимой пик мощности приходится на 6–7 часов вечера, а в 2–3 часа ночи потребление электрической энергии становится мизерным.
Чтобы выпрямить график суточного потребления электрической энергии, всем людям пришлось бы не спать, а предприятиям и учреждениям работать круглосуточно.
Но стоит ли превращать ночь в день, даже в угоду энергетикам?
А что, если при электростанции построить «склад» электрической энергии, подобно тому как существуют склады готовой продукции на промышленном предприятии?
Ночью склад будет пополняться избытком электрической энергии, а днем потребители смогут получать электроэнергию со склада.
Предложено несколько проектов «складов», или, как их называют, накопителей электрической энергии. Пожалуй, наиболее перспективным из них является проект, основанный на использовании сверхпроводимости., Действительно, сверхпроводящее кольцо, по которому месяцы и годы непрерывно течет незатухающий электрический ток, чем не идеальное хранилище электрической энергии?
Сверхпроводящий индуктивный накопитель электрической энергии представляет собой, по сути, трансформатор, первичная обмотка которого выполнена из нормального, то есть не сверхпроводящего, провода. Вторичная, сверхпроводящая, обмотка такого трансформатора имеет вид гигантского «бублика» диаметром в несколько сот метров.
Постоянный ток, поступающий в первичную обмотку периодически (циклически), прерывается. В результате в сверхпроводящей обмотке индуцируется незатухающий электрический ток.
Подсчитано, что экономически выгодным может быть индуктивный накопитель с запасом энергии не менее 27 миллиардов ватт — часов.
Эксплуатация такого накопителя требует особо тщательных предосторожностей.
Склад электрической энергии. Проект сверхпроводящего накопителя электрической энергии, разработанный учеными Висконсинского университета (США). Эта установка содержит сообщающиеся каналы (1), в которых находятся сверхпроводники. В них из холодильного устройства (2) накачивается жидкий гелий.
