Ветроэнергетическая установка (ВЭУ)

   Токамак реактор  будет работать в режиме самоподдерживающегося  термоядерного горения, при котором  высокая температура плазмы обеспечивается  за счет нагрева плазмы заряженными  продуктами реакции альфа-частицами  (ионами Не). Для этого, как видно  из условия Лоусона, нужно иметь  время удержания энергии в  плазме не меньше 5 с. Большое  время жизни плазмы в токамаках  и других стационарных системах  достигается за счет их размеров, и поэтому существует некий  критический размер реактора. Оценки  показывают, что самоподдерживающаяся  реакция в токамаке возможна  в том случае, если большой  радиус плазменного тора будет  7-9 м. Соответственно, токамак-реактор  будет иметь полную тепловую  мощность на уровне 1 ГВт. Удивительно,  что эта цифра примерно совпадает  с мощностью минимального инерционного  термоядерного реактора.

За прошедшие годы достигнут  впечатляющий прогресс в понимании  физических явлений, ответственных  за удержание и устойчивость плазмы в токамаках. Разработаны эффективные методы нагрева и диагностики плазмы, позволившие изучить в нынешних экспериментальных токамаках те плазменные режимы, которые будут использоваться в реакторах. Крупные нынешние экспериментальные машины - JET (Европа), JT60-U (Япония), Т-15 (Россия) и TFTR (США) - были построены в начале 80 годов для изучения удержания плазмы с термоядерными параметрами и получения условий, при которых нагрев плазмы сравним в полным выходом термоядерной мощности. Два токамака, TFTR и JET использовали DT смесь и достигли соответственно 10 и 16 МВт термоядерной мощности. В экспериментах с DT смесью JET получил режимы с отношением термоядерной мощности к мощности нагрева плазмы, Q=0.9, и токамак JT60-U на модельной DD смеси достиг Q = 1.06. Это поколение токамаков практически выполнило свои задачи и создало все необходимые условия для следующего шага - строительство установок нацеленных на исследование зажигания, Q Ё 5, и уже обладающих всеми чертами будущего реактора.

   В настоящее время  ведется проектирование такого  первого экспериментального термоядерного  реактора - ИТЭР. В проекте участвуют  Европа, Россия, США и Япония. Предполагается, что этот первый термоядерный  реактор токамак будет построен  к 2012г.

Существуют огромные запасы топлива для термоядерной энергетики. Дейтерий - это широко распространенный в природе изотоп, который может  добываться из морской воды. Тритий будет производиться в самом  реакторе из лития. Запасы дейтерия и  лития достаточны для производства энергии в течение многих тысяч  лет и это топливо, как и  продукт реакций синтеза - гелий - не радиоактивны. Радиоактивность  возникает в термоядерном реакторе из-за активации материалов первой стенки реактора нейтронами. Известны низкоактивирующиеся конструкционные  материалы для первой стенки и  других компонентов реактора, которые  за 30-50 лет теряют свою активность до полностью безопасного уровня. Можно представить, что реактор, проработавший 30 лет и выработавший свой ресурс, будет законсервирован на следующие 30-50 лет, а затем конструкционные материалы будут переработаны и вновь использованы в новом термоядерном реакторе. Кроме дейтерий- тритиевой реакции, которая имеет высокое сечение при относительно низкой температуре, и следовательно легче всего осуществима, можно использовать и другие реакции. Например, реакции D с Не3 и p с В11 не дают нейтронов и не приводят к нейтронной активации первой стенки. Однако условия Лоусона для таких реакций более жесткие и поэтому нынешняя термоядерная программа в качестве первого шага нацелена на использование DT смеси.

   Несмотря на большие  успехи, достигнутые в этом направлении,  термоядерным реакторам предстоит  еще пройти большой путь прежде, чем будет построен первый  коммерческий термоядерный реактор.  Развитие термоядерной энергетики  требует больших затрат на  развитие специальных технологий  и материалов и на физические  исследования. При нынешнем уровне  финансирования термоядерная энергетика  не будет готова раньше, чем  2020-2040 г.

1.11 Гидроэнергия

   Гидроэнергостанции - еще один из источников энергии,  претендующих на экологическую  чистоту. В начале XX века крупные  и горные реки мира привлекли  к себе внимание, а концу столетия  большинство из них было перегорожено  каскадами плотин, дающими баснословно  дешевую энергию. Однако это  привело к огромному ущербу  для сельского хозяйства и  природы вообще: земли выше плотин  подтоплялись, ниже - падал уровень  грунтовых вод, терялись огромные  пространства земли, уходившие  на дно гигантских водохранилищ, прерывалось естественное течение рек, загнивала вода в водохранилищах, падали рыбные запасы и т.п. На горных реках все эти минусы сводились к минимуму, зато добавлялся еще один: в случае землетрясения, способного разрушить плотину, катастрофа могла привести к тысячам человеческих жертв. Поэтому современные крупные ГЭС не являются действительно экологически чистыми. Минусы ГЭС породили идею “мини-ГЭС”, которые могут располагаться на небольших реках или даже ручьях, их электрогенераторы будут работать при небольших перепадах воды или движимые лишь силой течения. Эти же мини-ГЭС могут быть установлены и на крупных реках с относительно быстрым течением.

   Детально разработаны  центробежные и пропеллерные  энергоблоки рукавных переносных  гидроэлектростанций мощностью  от 0.18 до 30 киловатт. При поточном  производстве унифицированного  гидротурбинного оборудования “мини-ГЭС”  способны конкурировать с “макси”  по себестоимости киловатт-часа. Несомненным плюсом является  также возможность их установки  даже в самых труднодоступных  уголках страны: все оборудование  можно перевезти на одной вьючной  лошади, а установка или демонтаж  занимает всего несколько часов.

   Еще одной очень  перспективной разработкой, не  получившей пока широкого применения, является недавно созданная   геликоидная турбина Горлова  (по имени ее создателя). Ее  особенность заключается в том,  что она не нуждается в сильном  напоре и эффективно работает, используя кинетическую энергию  водяного потока - реки, океанского  течения или морского прилива.  Это изобретение изменило привычное  представление о гидроэнергостанции, мощность, которой ранее зависела  только от силы напора воды, то есть от высоты плотины  ГЭС.

1.12 Энергия приливов и отливов

   Несоизмеримо более  мощным источником водных потоков  являются приливы и отливы. Подсчитано, что потенциально приливы и  отливы могут дать человечеству  примерно 70 млн. миллиардов киловатт-часов  в год. Для сравнения: это  примерно столько же энергии,  сколько может дать использование  в энергетических целях разведанных  запасов каменного и бурого  угля, вместе взятых; вся экономика  США 1977 г. базировалась на производстве 200 млрд. киловатт-часов, вся экономика  СССР того же года - на 1150 млрд., при правлении  Хрущева к 1980 г. должен был быть построен на 3000 млрд. киловатт-часов. Образно говоря, одни только приливы могли бы обеспечить процветание на Земле тридцати тысяч современных “Америк” при максимально эффективном использовании приливов и отливов, но до этого пока далеко. Проекты приливных гидроэлектростанций детально разработаны в инженерном отношении, экспериментально опробованы в нескольких странах, в том числе и на Кольском полуострове. Продумана даже стратегия оптимальной эксплуатации приливной электростанции (ПЭС): накапливать воду в водохранилище за плотиной во время приливов и расходовать ее на производство электроэнергии, когда наступает “пик потребления” в единых энергосистемах, ослабляя тем самым нагрузку на другие электростанции.

   На сегодняшний  день ПЭС уступает тепловой  энергетике: кто будет вкладывать  миллиарды долларов в сооружение  ПЭС, когда есть нефть, газ  и уголь, продаваемые развивающимися  странами за бесценок? В тоже  время она обладает всеми необходимыми  предпосылками, чтобы в будущем  стать важнейшей составляющей  мировой энергетики, такой, какой  сегодня, к примеру, является  природный газ.

   Для сооружения  ПЭС даже в наиболее благоприятных  для этого точках морского  побережья, где перепад уровней  воды колеблется от 1-2 до 10-16 метров, потребуются десятилетия, или даже столетия. И все же процент за процентом в мировой энергобаланс ПЭС могут и должны начать давать уже на протяжении этого столетия.

   Первая приливная  электростанция мощностью 240 МВт  была пущена в 1966 г. во Франции  в устье реки Ранс, впадающей  в пролив Ла-Манш, где средняя  амплитуда приливов составляет 8.4 м. Открывая станцию, президент  Франции Шарль де Голль назвал  ее выдающимся сооружением века. Несмотря на высокую стоимость  строительства, которая почти  в 2.5 раза превосходит расходы  на возведение речной ГЭС такой  же мощности, первый опыт эксплуатации  приливной ГЭС оказался экономически  оправданным. ПЭС на реке Ранс  входит в энергосистему Франции  и в настоящее время эффективно  используется.

   Существуют также  проекты крупных ПЭС мощностью  320 МВт (Кольская) и 4000 МВт (Мезенская)  на Белом море, где амплитуда  приливов составляет 7-10 м. Планируется  использовать также огромный  энергетический потенциал Охотского  моря, где местами, например в  Пенжинской губе, высота приливов  достигает 12.9 м, а в Гижигинской  губе - 12-14 м .

   Благоприятные предпосылки  для более широкого использования  энергии морских приливов связаны  с возможностью применения геликоидной  турбины Горлова, которая позволяет  сооружать ПЭС без плотин, сокращая  расходы на строительство.

Прилив—это результат  гравитационного притяжения больших  масс воды океанов со стороны Луны и, в меньшей степени. Солнца. При  вращении Земли часть воды океана поднимается и некоторое время  удерживается в этом положении гравитационным притяжением. Когда «горб» подъема  воды под действием Луны достигает  суши, как это должно происходить  вследствие вращения Земли, наступает  прилив. Дальнейшее вращение Земли  ослабляет воздействие Луны на эту  часть океана, и прилив спадает. Приливы и отливы повторяются дважды в сутки, хотя их точное время изменяется в зависимости от сезона и положения Луны.

Средняя высота прилива составляет всего лишь 0,5 м, за исключением тех  случаев, когда водные массы перемещаются в относительно узких пределах. В  таких случаях возникает волна, высота которой может в 10—20 раз  превышать нормальную высоту приливного подъема. Приливы в заливе Фанди, наибольшие в мире, достигают высоты 16 м. Между Англией и европейским  побережьем (Франция, Бельгия, Голландия) тоже возникают такие приливы. Каждый год наиболее высокие приливы  случаются тогда, когда Луна и  Солнце находятся почти на одной  линии, так что их суммарное гравитационное воздействие увеличивает объем  перемещаемой океанской воды.

Приливная энергия используется для заполнения резервуара, образованного  дамбой. Отток воды при отливе может  быть использован для привода  турбины, в основном таким же образом, как на гидростанциях. В мире имеется  ограниченное число мест, где разница  высот воды при приливе и отливе достаточно велика, чтобы обосновать целесообразность приливной электростанции. Такая ситуация имеется во Франции  в устье реки Ранее, где в настоящее  время работает приливная электростанция. Имеются также предложения по использованию существенной энергии  волн, однако это более сложная  задача, потому что в данном случае энергия рассеяна на большом пространстве.

Возможное воздействие приливных  электростанций на окружающую среду  будет связано, в частности, с  увеличением амплитуды приливов на океанской стороне плотины. Это  может приводить к затоплению суши и сооружений при высоких  приливах или во время штормов  и к вторжению соленой воды в устья рек и подземные  водоносные слои. Водные пищевые цепи и сообщества организмов в приливной  зоне могут пострадать в результате изменения уровня воды и усилившихся  течений как за плотиной, так и перед ней; для водных организмов небезопасно также прохождение через турбины.

Океаны содержат потенциальную  энергию в виде тепла, энергии  течений, волн и приливов. Технический  энергопотенциал приливов оценивается  в 780 млн. кВт. В Канаде эксплуатируется  приливная станция мощностью 20 МВт (Аннаполис). В России имеется небольшая  станция в районе Мурманска мощностью 400 кВт, разрабатываются станции  для Дальневосточного района мощностью 87 млн. кВт.Потенциальная выработка  приливных электростанций в США  оценивается в 350 млрд. кВт/ч, во Франции  — в 40 млрд. кВт/ч в год.

 Первоисточником энергии  служит солнце, испаряющее воду  из океанов, озер и рек. Водяной  пар конденсируется в виде  дождя, выпадающего в возвышенных  местностях и стекающего вниз  в моря. Гидростанции встают на  пути этого стока и перехватывают  энергию движущейся воды—энергию, которая иначе была бы израсходована  на перенос отложений к морю.

Первые гидроэлектростанции  использовали реку в ее естественном виде, но сейчас в большинстве случаев  строят плотины, чтобы увеличить  высоту падения воды и выровнять  ее поступление. Сооружение гидроэнергетических  установок обходится дорого, но их эксплуатация сравнительно дешева, потому что «топливо» бесплатно.

Этот метод имеет преимущества: не загрязняет атмосферу, легко управляется  прием поворота механизированного  клапана на подаче воды, поэтому  проблем, связанных с пиковыми нагрузками, нет. Однако гидроэнергетика не безвредна  для окружающей среды, имеются трудности  в широком развитии гидроэлектрических ресурсов. Требуется накопление больших  объемов воды, затопление долин и  обширных площадей земли, часто ценной для коммерческого использования  и для отдыха людей, или ненарушенных заповедных земель, в которых происходят нежелательные экологические изменения. Это вызвало широкие протесты общественности в разных инстанциях, однако с ограниченным успехом. В частности, произошел подъем воды в оз. Пиддер в Тасмании, оз. Мэнапури в Новой Зеландии и затопление природного образования из песчаников Райбоу Бриджа Южной Юте. Плотины и водохранилища не только выводят из оборота затопляемые земли, но и влияют на качество воды, которая накапливается и постепенно спускается. Кроме того, страдает и русло реки ниже плотины. Утрата земельных угодий—это очевидное следствие, однако снижение качества воды—результат неожиданный. В зависимости от сезона вода, поступающая из водохранилища, может содержать очень мало растворенного кислорода, и тогда она окажется неблагоприятной средой для рыб и других обычных водных организмов. И наконец, спускаемая вода в большей степени размывает русло потока, чем это делала бы не запруженная река.