История электротехники

А первые годы были полны исключительно оптимистических публикаций, докладов, монографий. Большое число ученых вплоть до 1986 г. связывали будущее энергетики с АЭС. До конца 60-х годов шли интенсивные поиски приемлемых форм использования энергии ядерного распада, и в этом большую роль сыграла Обнинская АЭС. К концу 60-х годов первый этап поиска рациональных решений по ядерному реактору был закончен и наступил период широкого строительства АЭС на тепловых нейтронах как в СССР, так и за рубежом. Так, к 1986 г. в 38 странах мира было построено 360 АЭС общей мощностью 260 тыс. МВт (для сравнения 267 тыс. МВт — установленная мощность всех электростанций Минэнерго СССР в 1980 г.). Погоня за удешевлением АЭС и недооценка неизученности процессов в ядерных реакторах в СССР привели к крупнейшей катастрофе XX в. — чернобыльской аварии 26 апреля 1986 г.

Несмотря на все ужасные последствия чернобыльской аварии, и в настоящее время полагают, что альтернативы атомной энергетике не существует. Наступает следующий период развития АЭС — разработка АЭС с реакторами нового типа, безопасных и конкурентоспособных с КЭС, а также с реакторами на быстрых нейтронах.

Концентрация производства электроэнергии на мощных агрегатах имеет и свои отрицательные стороны — прежде всего это малая маневренность мощных блоков, особенно на АЭС. К этому фактору добавилось и другое явление — рост неравномерности потребления электроэнергии в течение суток, недели, года. В связи с этим возникла в отдельных случаях острая необходимость создания агрегатов, обладающих высокой скоростью набора нагрузки — высокими маневренными свойствами. Такими в энергосистемах являются агрегаты ГЭС, если в водохранилищах имеется запас воды для снятия больших колебаний нагрузки. Но как раз в большинстве энергосистем таких запасов либо вообще нет, либо их явно недостаточно. Для решения задачи регулирования графика нагрузки в его переменной части появились газотурбинные агрегаты и гидроаккумулирующие электростанции, что расширило спектр энергоагрегатов в современной энергетике.

Рассматривая этапы развития электростанций, нельзя обойти стороной большой объем работ, выполненных как в России, так и за рубежом по внедрению в практическую энергетику МГД (магнитогидродинамического)-преобразования тепловой энергии в электрическую и соответственно созданию МГД-электростанций.

Привлекательность этого направления состоит прежде всего в том, что МГД-преобразование дает возможность, минуя стадию преобразования теплоты в механическую энергию, сразу получать электроэнергию — прямое преобразование теплоты в электричество. К тому же начальные температуры рабочего тела при МГД-преобразовании весьма высоки, откуда возникает надежда на достижение высокого КПД.

Основные схемы энергетических МГД-установок были запатентованы еще в начале века. Углубленное изучение их с проработкой проектов и создание опытных установок начинается в начале 60-х годов в ряде стран: США, СССР, Японии, Китае и др.

Разработано довольно большое количество разных типов МГД-генераторов. Всего в мире было построено около 20 опытных МГД-установок. Наиболее широкие исследования были проведены в СССР.

В 1964 г. в Институте высоких температур АН СССР (МВТ АН СССР) была построена первая в мире комплексная МГД-установка У-02 мощностью 200 кВт. На основе опыта ее работы, а также исследований, проведенных ИВТ, Энергетическим институтом им. Г.М. Кржижановского, Институтом электродинамики АН УССР и др., в 1971 г. была сооружена промышленная электростанция с опытным МГД-генератором мощностью 25 МВт. На основе опыта работы этой станции было принято решение о проектировании МГД-электростанции мощностью 500 МВт.

Однако дальнейшие работы были свернуты как по социально-экономическим условиям в стране, так и по ряду причин технического и технологического характера. Прежде всего ожидания высокого КПД не оправдались: снижение потерь теплоты в громадном канале оказалось технически сложным. Заметными были и потери теплового потенциала вследствие инжекции ионизирующих присадок. Главное, не удалось создать канал — основной элемент МГД-генератора с приемлемым сроком службы: несмотря на все усилия, срок службы канала до выхода из строя оказался не более 1100–1200 ч. Это примерно в 5 раз меньше, чем требуется для промышленной установки.

Поэтому некоторые специалисты считали возможным работу МГД-электростанций в пиковом режиме (для снятия пиковых нагрузок в энергосистеме), т.е. с числом часов работы в году примерно 1000. После года работы канал необходимо было бы демонтировать и ставить новый. Это, конечно, дорого и неудобно в эксплуатации.

Газотурбинные агрегаты, решают проблему снятия пиков нагрузки без указанных затруднений. А получившие в 80–90-х годах на Западе широкое развитие парогазовые установки показали возможность достижения КПД 60% и без МГД-электростанций. Проекту МГД-электростанций 500 МВт не дано было свершиться, хотя дальнейшие работы в этом направлении продолжаются, но не в прежних масштабах.

Вот уже более 40 лет будущее энергетики связывается с управляемым термоядерным синтезом (УТС) и электростанциями, главной частью которых по предполагаемым проектам будут реакторы, в которых протекает управляемая реакция синтеза ядер легких изотопов.

Начало исследований по управляемому термоядерному синтезу имело место в СССР еще до реализации неуправляемого синтеза — испытания водородной бомбы (начало 50-х годов XX столетия). Возглавлял исследования академик Л.А. Арцимович. Исследования по УТС интенсивно вели в то же время и американские ядерщики. Позже к таким исследованиям подключились и физики Западной Европы. Проблема чрезвычайно сложная и, как и в МГД-преобразовании, упирается в необходимость создания высоких плотностей энергии с применением сильных магнитных полей. Удержать же горячую плазму до возникновения реакции чрезвычайно трудно, хотя и можно. Какие воздействия требуются — грубо, но достаточно образно можно представить по взрыву водородной бомбы. Вся история работ по УТС состоит в погоне за повышением параметров плазмы и времени ее удержания.

Предложен довольно широкий набор различных реакторов (в которых возможна реакция синтеза), отличающихся способами создания плазмы, ее нагрева и удержания. Одним из наиболее перспективных реакторов представляется, по современным воззрениям, реактор с тороидальной магнитной камерой — ТОКАМАК, предложенный впервые в СССР в Институте атомной энергии им. И.В. Курчатова и детально разрабатывавшийся под руководством академика Л.А. Арцимовича. Этот тип реактора принят международным сообществом для совместной разработки.

На первых порах разработки по УТС в разных странах велись независимо, но уже к концу 70-х годов термоядерщики стали объединяться, так как была в полном масштабе осознана фундаментальность и сложность проблемы, невозможность ее решения в рамках отдельно взятой страны. Основой такого сотрудничества кроме широкой взаимной информации стала идея разработки интернационального концептуального проекта термоядерного реактора и всех сопряженных с ним научно-технических проблем.

Совокупность таких проблем получила название инженерных проблем термоядерного синтеза. Один из последних концептуальных проектов реактора УТС разработан странами Евроатома, США, России и Японии в 1989 г.

Наиболее сложная и дорогая часть сооружения — электромагнитная система. Доказано, что приемлемая система может быть создана только с применением сверхпроводников. Общая масса сверхпроводника в реакторе превышает 720 т. Однако, по мнению академика В.А. Глухих, проведенные в России исследования свидетельствуют о возможности создания электромагнитной системы реактора такого масштаба.

Рассмотренные выше новые виды электростанций (МГД-преобразование, УТС) имеют характерные особенности: широкое применение в них электромагнитных устройств, являющихся ключевыми для их функционирования. Это вполне соответствует современным представлениям об электромагнитной структуре материи и способах управления большими потоками энергий. По-видимому, в электростанциях будущего роль электрической части будет все больше и больше возрастать.