д.дэвинс
Перевод с английского
Под редакцией
кандидата
экономических наук
Д.Б.ВОЛЬФБЕРГА
МОСКВА ЭНЕРГОАТОМИЗДАТ 1985

ББК31
Д 94
УДК 620.9: 621.31
Рецензенты: Н. Г. РАССОХИН, В. И. ДОБРОХОТОВ
D. DEVINS
ENERGY: ITS PHYSICAL IMPACT ON THE ENVIRONMENT
JOHN WILEY AND SONS, NEW YORK, 1982
Дэвинс Д.
Д 94 Энергия: Пер. с англ. —М.: Энергоатомиздат,
1985. — 360 с: ил.
Представлены проблемы и перспективы развития энергетического
хозяйства и его взаимодействия с окружающей средой. В простой и
доступной форме рассмотрены физические основы, прикладные и
экономические аспекты производства, распределения и потребления
энергии, охраны воздушного и водного бассейнов. Приведены примеры
расчетов и даны задачи для самостоятельного решения.
Для инженерно-технических работников топливно-энергетического
комплекса, а также для преподавателей и студентов вузов и
техникумов всех энергетических специальностей.
2301000000-418
Д 32-85 ББК 31
051(01)-85
Д. Дэвинс
ЭНЕРГИЯ
Редакторы: Д. Б. Вольфберг, В. И. Владимиров
Редактор издательства Э. К. Биленко
Художественный редактор А. Т. Кирьянов
Технический редактор Н. П. Собакина
Корректор Г. CL. Полонская
ИБ 1205
Сдано в набор 17.04.85. Подписано в печать 10.12.85. Формат 84X1087i6.
Бумага кн.-журн. имп. Гарнитура литературная. Печать высокая.
Усл. печ. л. 37,8. Усл. кр.-отт. 37,8. Уч.-изд. л. 43,74. Тираж 10 000 экз.
Заказ 188. Цена 3 р. 50 к.
Энергоатомиздат, 113114, Москва, М-114, Шлюзовая иаб., 10
Владимирская типография Союзполиграфпрома при Государственном
комитете СССР по делам издательств, полиграфии и книжной торговли
600000, г. Владимир, Октябрьский проспект, д. 7
© 1982, by John Wiley and Sons, Inc.
© Перевод на русский язык. Энергоатомиздат, 1985

СОДЕРЖАНИЕ
Предисловие к русскому изданию
Предисловие
6
8
Глава 1
ЭНЕРГЕТИКА И ОКРУЖАЮЩАЯ СРЕДА
Сущность проблемы 10
Тенденции и прогнозы 10
Определение понятия энергии . ... 13
Время удвоения 14
Воздействующие факторы 15
Население 15
Технология 16
Задания для аудитории 18
Упражнения 18
Глава 2
ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ РЕСУРСЫ
Энергетическиее ресурсы Земли 19
Органические топлива 19
Нефтяное топливо . ....... 21
Природный газ 23
Уголь 26
Синтетические нефтепродукты .... 27
Геофическая энергия 29
Гидроэнергия .... ь ... . 29
Ветровая энергия 30
Геотермальная энергия 32
Солнечная энергия 34
Ядерная энергия 36
Ядерное деление 36
Реакторы-размножители на быстрых нейтронах 39
Термоядерный синтез 41
Задания для аудитории 43
Упражнения 43
Глава 3
ЭЛЕМЕНТЫ ТЕРМОДИНАМИКИ
Первый закон термодинамики 45
Сохранение энергии 45
Температура 45
Теплота 47
Приложение первого закона термодинамики 49
Работа 49
Внутренняя энергия 50
Идеальный газ 51
Основные термодинамические процессы . . 51
Второй закон термодинамики 53
Обратимость 53
Цикл Карно 54
Энтропия 55
Внутренний относительный КПД ... 56
Задания для аудитории 57
Упражнения . . . 58
Глава 4
ТЕПЛОВЫЕ ДВИГАТЕЛИ
Двигатели внутреннего сгорания 59
Цикл Отто 60
Загрязнение окружающей среды .... 62
Каталитические конвертеры 66
Дизельные двигатели . . . . 67
Роторные двигатели 69
Турбины 70
Течение жидкостей и газов 71
Свойства реальных газов 72
Цикл Ренкина 73
Газотурбинные установки 76
Двигатели внешнего сгорания .... 77
Холодильные машины 79
Холодильный цикл ....... 80
Тепловые насосы 83
Задания для аудитории 85
Упражнения 85
Глава 5
МЕТОДЫ ПРЯМОГО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ
ЭНЕРГИИ
Химические методы преобразования энергии . 87
Электрические батареи 87
Усовершенствованные электрические батареи 91
Топливные элементы . . . . 92
КПД электрохимического преобразования
энергии 93
Фотоэлектрический метод преобразования . 95
Солнечная энергия 95
Некоторые сведения из физики твердого тела 96
Солнечные батареи .99
МГД-метод преобразования энергии .... 03
Ветроэнергетика }06
Принцип работы ветродвигателей .... J06
Потенциальные возможности ветроэнергетики 109
Задания для аудитории П1
Упражнения Ш
Глава 6
ИСТОЧНИКИ ПОЛУЧЕНИЯ ТЕПЛОТЫ
Органические топлива ИЗ
Физика процесса горения ИЗ
Синтетические углеводороды 114
Водород . . 120
Спирты . . . 124
Топливо из отходов 128
Геотермальная энергия 133
Геотермальные ресурсы 122
Проблемы, связанные с использованием
геотермальной энергии . . . ^ . . 136
Производство теплоты на базе солнечной энергии 139
Инсоляция 139
Солнечное излучение 141
3

Солнечная электростанция башенного типа . 144
«Солнечные энергетические фермы» . . . 147
Солнечная энергия, аккумулированная океаном 148
Солнечная энергия для отопления и горячего
водоснабжения 151
Упражнения 157
Глава 7
ЯДЕРНАЯ ЭНЕРГЕТИКА
Введение 159
Политика в отношении ядерной энергетики 159
Цепная ядерная реакция деления. . . . 159
Классификация реакторов 162
Реакторы на тепловых нейтронах 163
Коэффициент размножения 163
Физика нейтронов 165
Управление реактором 167
Энергетические реакторы 169
Реакторы-размножители на быстрых нейтронах 174
Физика расширенного воспроизводства
ядерного топлива 174
Параметры реакторов БН 175
Управление реактором БН 177
Современные конструкции
реактора-размножителя 177
Реактор-размножитель на быстрых нейтронах
с жидкометаллическим теплоносителем . . 177
Реактор-размножитель с газовым
охлаждением 179
Реактор-размножитель с расплавленной солью 180
Безопасность реактора 181
Гарантия безопасности 181
История безопасности 185
Ядерный топливный цикл 188
Добыча и обогащение руды 188
Обогащение 189
Завершение топливного цикла .... 193
Управляемый термоядерный синтез .... 200
Физика управляемого термоядерного синтеза 201
Магнитное удержание 203
Инерционное удержание 203
Упражнения 205
Глава 8
УТИЛИЗАЦИЯ ИЗБЫТОЧНОЙ ТЕПЛОТЫ
Тепловые воздействия на окружающую среду . 207
Повышение температуры воды под
воздействием сбросной теплоты 208
Воздействие повышения температуры воды
на живущие в ней организмы .... 209
Рассеивание теплоты 210
Механизмы теплопередачи 211
Прямоточное охлаждение 214
Градирни 216
Методы утилизации сбросной теплоты . . . 220
Качество теплоты 220
Транспортировка теплоты 221
Опреснение воды 222
Комбинированное производство
электроэнергии и теплоты 224
Сокращение количества сбросной теплоты . . 224
Задания для аудитории 227
Упражнения 227
Глава 9
ПЕРЕДАЧА ЭНЕРГИИ
Варианты передачи энергии 228
Критерии выбора 228
Передача электроэнергии 229
4
Электропередачи высокого напряжения . „ 229
Сверхпроводящие системы 232
Передача электроэнергии подземными
кабелями 235
Передача жидкого топлива 237
Транспортировка танкерами 237
Трубопроводы 239
Трансаляскинский нефтепровод .... 240
Задания для аудитории 241
Упражнения 241
Глава 10
АККУМУЛИРОВАНИЕ ЭНЕРГИИ
Варианты аккумулирования энергии .... 244
Механические системы аккумулирования энергии 245
Аккумулирование энергии на ГАЭС . . . 245
Сжатые газы 245
Маховики 247
Химические системы аккумулирования энергии . 249
Обратимые химические реакции .... 249
Водород 250
Электрические системы аккумулирования энергии 251
Электростатические системы 251
Индуктивные системы аккумулирования энергии 252
Аккумулирование теплоты 254
Аккумулирование явной теплоты . . . 254
Аккумулирование скрытой теплоты . . „ 255
Задания для аудитории 256
Упражнения 256
Глава 11
ЭФФЕКТИВНОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЭНЕРГИИ
Энергосбережение в жилом секторе и сфере
обслуживания 259
Политика экономии энергии 259
Строительство 260
Промышленность 267
Промышленные процессы 268
Транспорт ^ 271
Задания для аудитории 282
Упражнения . . 282
Глава 12
ТЕПЛОВОЙ БАЛАНС ЗЕМЛИ
Естественные источники и цоглотители теплоты 284
Источники энергии 285
Поглотители теплоты 287
Механизмы поглощения излучения .... 290
Поглощение 290
Рассеяние 291
Тепловые машины земли 294
Воздушные течения 294
Океанские течения 296
Воздействие человека на климат 297
Производство теплоты 297
Образование частиц 299
Образование газов 300
Стратосферный озон 305
Задания для аудитории ....... 309
Упражнения 309
Глава 13
ЛОКАЛЬНОЕ ВОЗДЕЙСТВИЕ ЭНЕРГЕТИКИ
НА КЛИМАТ
Изменения микроклимата 310
Городской климат 310
Влияние крупных городов на климат
окружающей местности 313

Первичные загрязнители воздуха . . . . 317
Окись углерода 317
Углеводороды 318
Взвешенные частицы 318
Окислы серы 321
Окислы азота 321
Загрязнение воздуха в помещениях . . . 322
Вторичные загрязнители воздуха .... 323
Инверсии температуры 323
Фотохимические реакции 326
Борьба с загрязнением воздушной среды . . 327
Методы и технические средства
предотвращения загрязнения воздушной среды . . 328
Тенденции в области загрязнения
воздушного бассейна 330
Задания для аудитории 331
Упражнения 331
Глава 14
РАДИАЦИОННАЯ ЭКОЛОГИЯ
Воздействие излучения на вещество
Природа излучений ....
Механизмы передачи энергии . . . .334
Радиационная химия 339
Единицы измерения излучений 339
Активность радионуклида в источнике . .339
Экспозиционная доза излучения . . „ .340
Поглощенная доза излучения . . . .340
Эквивалентная доза ионизирующего излучения 341
Естественный фон излучения 342
Поток солнечного излучения . . . .342
Природные радиоактивные вещества . .343
Радиация, возникающая в результате
деятельности человека 344
Биологическое воздействие ионизирующего
излучения 345
Соматические эффекты 346
Генетические эффекты 349
Малые дозы облучения 351
Нормы радиационной безопасности . . . .352
Действующие нормы 352
Соотношение польза — риск 354
Упражнения , 359
332
332

ПРЕДИСЛОВИЕ К РУССКОМУ ИЗДАНИЮ
В последние годы в связи с обострением
мировой энергетической ситуации за рубежом
появилась большая серия публикаций,
посвященных современному состоянию и
перспективам развития энергетического хозяйства.
Некоторые из них представляют собой попытку
обратить внимание широкой общественности
на необходимость по новому оценивать
сущность происходящих в мире событий в сфере
энергетики. Авторы других книг главное
внимание уделяют прогнозированию развития
энергетического хозяйства на ближайшие 20—
30 лет и более отдаленную перспективу.
Основу третьей категории книг составляют
вопросы повышения энергетической
эффективности экономики, методы и пути экономии
топлива, электроэнергии и теплоты в
промышленности, на транспорте, в сельском и
жилищно-коммунальном хозяйствах, в строительстве и
быту. Наконец, существует целый ряд книг по
различных аспектам энергетики, которые
рекомендуются в качестве учебников и учебных
пособий для подготовки специалистов по
отдельным конкретным проблемам энергетики,
охраны окружающей среды и
энергосбережения.
Книга профессора физики университета
американского штата Индиана Д. Дэвинса
«Энергия» в силу своей многоплановости не
может быть отнесена ни к одной из
перечисленных выше категорий. Ее можно назвать
справочным пособием, в котором, в отличие от
многих других зарубежных публикаций,
нашли отражение практически все аспекты
современного энергетического хозяйства — от
изложения его роли в жизни человеческого
общества до оценки уровня обеспеченности
населения нашей планеты первичными
энергетическими ресурсами; от их производства,
преобразования и аккумулирования до
конечного потребления и экономии топлива,
электроэнергии и теплоты; от общих проблем
взаимодействия энергетики с окружающей средой
до конкретных технических мер по
предотвращению или снижению масштабов
отрицательного влияния все возрастающего
энергопотребления на воздушный и водный бассейны,
на человека, животный и растительный мир.
Наряду с рассмотрением конкретных
проблем развития энергетики, энергосбережения
и охраны биосферы в книге излагаются многие
фундаментальные аспекты энергетики, как-то
важнейшие положения первого и второго
начал термодинамики, теоретические основы
ядерной и термоядерной энергетики,
рассмотрены вопросы работы двигателей внутреннего
сгорания, паровых и газовых турбин,
холодильных машин, тепловых насосов и многие
другие вопросы теории, имеющие прямое
отношение к процессам преобразования и
использования энергии в различных ее формах, к
влиянию энергетики на климат и условия жизни в
глобальном, региональном и местном
масштабах.
Именно в комплексном подходе к
изложению широкого круга конкретных проблем
энергетики, энергосбережения и охраны
окружающей среды, в глубине и доходчивости их
рассмотрения с пояснением физической
сущности отдельных процессов и состоит
основная ценность книги.
Современное энергетическое хозяйство
сложно и многогранно, оно быстро развивается.
Создаются и внедряются принципиально
новые типы энергетических установк,
совершенствуется структура энергетического баланса,
используется энергия новых, так называемых
«нетрадиционных» источников энергии, в том
числе энергия возобновляемых источников:
энергия Солнца, геотермальная и ветровая
энергия, энергия биомассы. Все это требует
от современного молодого специалиста
глубоких теоретических и экономических знаний во
всех сферах энергетического хозяйства. Он
должен уметь правильно оценивать
энергетическую ситуацию, выбрать оптимальные пути
(технические и экономические)
энергоснабжения, в должной мере учитывая при этом
экологические проблемы создания новых и
эксплуатации существующих энергетических
объектов.
Книга профессора Д. Дэвинса,
представляющая собой обобщение многолетней
работы по обучению студентов, направлена на то,
чтобы молодой специалист, приступающий к
работе на объектах и в области управления
6

современным энергетическим хозяйством,
владел наряду с необходимыми знаниями в
области проектирования, строительства и
эксплуатации энергетических установок достаточно
широким представлением о большинстве
задач, которые приходится решать в области
энергоснабжения, энергосбережения и
охраны окружающей среды от загрязнения,
возникающих при работе энергетических установок.
Ознакомление с книгой Д. Дэвинса
поможет получить ценные сведения по многим из
перечисленных вопросов. Однако нельзя не
отметить, что именно из-за многообразия
затронутых тем изложение их в некоторых
случаях носит скорее научно-популярный, чем
научный характер. Поэтому читателю не
следует искать в книге обоснованных
технических решений по целому ряду проблем
энергетики.
Книга разделена на 14 глав. В конце
каждой главы приведены упражнения, решение
которых облегчает усвоение изложенного
материала. Рассмотрение наиболее сложного
теоретического материала сопровождается
примерами расчетов, что также содействует лучшему
его пониманию. Всего в книге насчитывается
более 300 упражнений и около 40 групповых
заданий, а также большое число примеров
расчетов. В этом — одно из больших ее достоинств.
Однако книга Д. Дэвинса «Энергия» имеет
и ряд недостатков и погрешностей. Имеется в
виду в первую очередь то, что большая часть
фактического материала, иллюстрирующая те
или иные положения или тенденции в
энергетическом хозяйстве, основана на опыте США.
Вместе с тем хорошо известно, что многие
звенья современного энергетического
хозяйства США во многом уступают по своему
технико-экономическому уровню достижениям
други»х промышленно развитых стран и в
первую очередь Советского Союза. Достаточно
отметить серьезное отставание США от СССР
в области масштабов и техники
комбинированного производства электроэнергии и теплоты
и развития на этой базе теплофикации,
обеспечивающей высокоэффективное
использование топлива на электростанциях. Крайне
неблагополучно обстоят дела в американской
атомдой энергетике, в энергосистемах США
наблюдается большое число крупных
системных аварий, в процессе которых отключаются
целые районы с большим числом населения
и т.д.
Книга издана на русском языке с
незначительными сокращениями, которые ни в коей
мере не нарушили ее целостность.
Перевод гл. 1, 2, 9— 11 выполнен В. А. Ми-
ролюбовым, гл. 3—5—Ю. А. Горшковым и
А. В. Крымасовым, гл. 6, 8, 12, 13 —М. А. Ви-
ровлянским, гл. 7 —С. М. Зеньковичем,
гл. 14 —В. К. Поповым. Редактирование
гл. 3 — 5 выполнено В. И. Владимировым.
Канд. эконом, наук Д. Б. Вольфберг

ПРЕДИСЛОВИЕ
В начале 70-х гг. в США пробудился
интерес к проблемам взаимосвязи между
энергетикой и экологией; по этим дисциплинам были
составлены многочисленные учебные
программы для колледжей. Настоящая книга —
результат появления одной из подобных
программ. У меня возник соблазн предложить
студентам колледжей такой курс, который
привил бы им нечто большее, чем чисто
поверхностное представление об упомянутых
проблемах, а именно — дал бы учащимся
возможность попробовать свои силы и позволил бы
им применять на практике только что
приобретенные навыки самостоятельной научной
работы. Однако в процессе подготовки к
преподаванию этого курса физики я вскоре
обнаружил, что не только совершенно отсутствует
более или менее подходящая учебная
литература, из которой можно было бы выбирать,
но и сама информация, которая мне
требовалась, разбросана в громадном количестве
печатных изданий, посвященных нескольким
различным областям знаний. Вместе с тем
было отрадно сознавать, что имеется много
областей, где можно без труда применять
законы физики для решения насущных проблем,
и что реальные проблемы вполне по плечу
студентам, только начавшим изучать
естественные науки.
Предлагаемая книга появилась в
результате продолжавшегося несколько лет сбора
информации и идей во мнргих областях,
относящихся к энергетике и окружающей среде,
областях, в которых физика находила
применение прежде и находит его теперь. Самые
разнообразные отрасли знаний — например,
теория горения, метеорология, ядерная
энергетика, устройство солнечных батарей и многие
другие освещены в этой книге. Однако целый
ряд интереснейших проблем так и не удалось
затронуть из-за их многочисленности. В
книге содержится гораздо больше материала, чем
для программы, рассчитанной на один или
даже два семестра. Благодаря этому курс
менее систематизирован, чем обычно, и его
даже можйо приспособить к текущим запросам
как студентов, так и самого преподавателя.
В каждой главе основы физики, положения
прикладной науки и различные проблемы
охраны окружающей среды тесно
переплетаются между собой и последовательно связаны
логически. Нелегко добиться равновесия
между формальной математической трактовкой
материала и описанием случаев применения
теории; должно быть, мои собственные
пристрастные взгляды наложили известный
отпечаток на характер построения книги.
Включение в текст некоторых расчетных формул
может представить определенные трудности для
отдельных студентов, но это с лихвой
окупается большим объемом информации и более
глубоким усвоением предмета благодаря
такому уровню математических расчетов. По
словам многих студентов, этот учебный
материал впервые помог им осознать, что от
законов физики, изложенных в учебниках, может
и на самом деле быть какой-то прок в
реальной жизни!
Каждая глава содержит задания для
аудитории; они могут быть использованы для
того, чтобы легче было применять идеи,
излагаемые на страницах учебного пособия, в
повседневной жизни. По ходу изложения
материала представлен ряд конкретных примеров,
а в конце каждой главы дается большое
количество индивидуальных домашних заданий.
Эти упражнения наиболее эффективны в
случае, когда необходимо продемонстрировать,
насколько реальными по своей сути
являются физические формулы. Время от времени
вам придется разыскивать необходимые
данные в библиотеках, чтобы решить проблему;
иногда вы не сможете найти ничего
подходящего. В этом случае поступайте так, как
поступили бы в реальной обстановке —
призовите на помощь воображение.
Надеюсь, эта книга поможет вам прийти
к выводу, что, хотя в США, несомненно,
существует масса проблем, связанных с поисками
источников энергии и с ее использованием,
имеются также и пути решения этих проблем.
Кроме того, вы, возможно, убедитесь, что ни
одна проблема не является настолько простой,
насколько это могло бы показаться в свое
время; не бывает так, чтобы все было или на
100 °/о хорошо, или из рук вон плохо. За каж-
3

дое наше действие (либо бездействие) мы
обязаны расплачиваться. Главное заключается в
том, чтобы мы были в состоянии решить,
стоит ли овчинка выделки. Предлагаемый
учебник не всегда облегчит вам принятие такого
решения, но подскажет необходимые
компромиссы и альтернативы.
Книгу, подобную этой, никто не смог бы
написать, не прибегая к помощи других. За
последние несколько лет я встретил многих
студентов, без чьей поддерх<ки эта задача
оказалась бы невыполнимой. Они подготовили
краткое изложение разделов рукописи,
составили домашние задания. Эффект обратной
связи, возникший благодаря помощи этого
самоотверженного коллектива, неоценим.
Весьма плодотворной была также помощь моих
коллег, в особенности Д. Д. Махена, А. Д. Ба-
кера, Д. Б. Лихтенберга и Т. А. Уорда. Они
взяли на себя критический разбор отдельных
частей рукописи, высказали ряд полезных
рекомендаций, обеспечили меня необходимыми
сведениями.
Благодарю Д. Пирсон, К. Клавиттер,
С. Блу, М. Элсуорт и Д. Чепл за их поистине
творческий вклад в перепечатку различных
вариантов рукописи.
Д. Дэвинс

(Глава И
Энергетика и окружающая среда
СУЩНОСТЬ ПРОБЛЕМЫ
В наше время на каждом шагу приходится
сталкиваться с различными противоречиями.
Почти ежедневно приходится читать о
нехватке топлива или дефицитного сырья и
одновременно о том, что имеющихся запасов угля и
ядерного горючего хватит для обеспечения
энергоснабжения мира на сотни лет, хотя
расширение масштабов их использования может
вызвать серьезные последствия для
окружающей среды. Говорят, что необоснованные
решения, принимаемые правительствами
зарубежных стран, являются причиной перебоев в
снабжении населения США топливом и что
рост цен на топливо приведет к увеличению
его производства в США. Говорят также, что
государственное регулирование охраны
воздушного и водного бассейнов влияет на рост
цен на энергию, но что без этого состояние
здоровья людей существенно ухудшилось бы.
Жизнь, кажется, действительно становится все
сложнее.
Неожиданно мы осознали, что живем в
«эпоху ограничений», что земные ресурсы
ограничены и что Земля — это «космический
корабль», призванный обеспечить всеми
необходимыми жизненными ресурсами население
Земли на вечные времена. Вместе с этим
осознанием приходят сомнение относительно
традиционных представлений об экономическом
росте и потреблении и обеспокоенность
относительно технологического развития и
стремление к освоению экологически чистых
источников энергии. Широкое обсуждение
средствами массовой информации «альтернативных
путей» развития энергетики привело к
лучшему пониманию влияния жизни общества на
окружающую среду.
Одним из результатов новой ступени
общественного понимания проблемы явилось
возникновение скоординированной
государственной политики в области энергетики и
охраны окружающей среды. Ответственным
руководителям приходится принимать трудные,
иногда вызывающие протест у части
населения решения, но информированная часть
населения поддерживает эти решения. Одним из
препятствий в осуществлении решений
такого характера является почти очевидное
отсутствие понимания у многих людей физических
принципов, лежащих в основе процессов
производства и преобразования энергии. Во
многих книгах, журналах и статьях содержится
различная информация об энергетических
ресурсах, влиянии их использования на
окружающую среду, альтернативных технологиях,
энергосбережении и других вопросах, к
которым в настоящее время проявляется
повышенный интерес. Даже ученым, не говоря уж
о простых людях, трудно получить, обобщить
и сопоставить данные, необходимые для
принятия рациональных решений.
В книге приводятся сведения, необходимые
для понимания физической сущности
взаимодействия энергии и окружающей среды. Все
проблемы не могут быть детально
исследованы в одной книге—слишком сложно взаимное
влияние образа жизни общества и
нормального функционирования окружающей среды и
невозможно охватить проблемы этого
взаимовлияния полностью. Цель данной книги —
дать основу для понимания физических основ
взаимодействия энергетики и окружающей
среды, исследовать некоторые специфические
проблемы этого взаимодействия, выделить
нерешенные или трудно решаемые задачи и дать
импульс для обдумывания их с научной точки
зрения.
Тенденции и прогнозы
Как правило, прогнозы разрабатываются
на 20 лет с учетом тенденций, которые были
характерны за прошлые 20 лет. Рассмотрение
недавнего прошлого может помочь в
предсказании ближайшего будущего* И хотя
большинство усилий подобного рода пока не
увенчалось особым успехом, попытаемся установить,
что можно узнать, изучая последние
тенденции.
В качестве первого шага исследуем
суммарное потребление энергии в Соединенных
Штатах за предшествующие 200 лет (рис. 1.1).
Кривая потребления энергии отклоняется от
кривой роста населения примерно на рубеже
10

1800 WW 1880 1920 1950 2000
Годы
Рис. 1.1. Динамика роста численности населения США
(/) и потребления энергии (2) с 1800 по 2000 г.
нашего столетия. С того времени потребление
энергии на 1 жителя постоянно увеличивалось
(за исключением периода экономической
депрессии в 30-е годы). Эти кривые
характеризуют прошлые тенденции, но могут ли они
помочь в оценке будущего? Фактические данные
графика порождают больше вопросов, чем
дают ответов.
Каковы были источники этой энергии?
Является ли рост потребления энергии на 1
жителя неизбежным следствием
индустриализации? Происходили ли в Соединенных Штатах
в последние годы изменения в структуре
конечного энергопотребления? Имеет ли
аналогичную дюйму кривая, описывающая оост
загрязнений? Как долго может поддерживаться
устойчивый рост населения и потребления
энергии одновременно?
На некоторые из этих вопросов легко дать
ответ, на другие сложнее, а на отдельные
вопросы ответить невозможно. В течение этих
лет произошли существенные сдвиги в
структуре потребления энергоносителей (рис. 1.2).
Распространение двигателей внутреннего
сгорания, работающих на нефтепродуктах, дало
толчок росту потребностей в этих продуктах.
Крупные океанские танкеры сделали дешевой
зарубежную небть (до недавнего времечиП.
Создание в 30-х годах общенациональной
сети газопроводов позволило широко
использовать природный газ для отопления жилых
домов и производства электроэнергии.
Возрастание трудностей в добыча рысокосортного угля
и стоимости его транспортировки к местам
использования способствовало сокращению
обитего спроса на него. Все « больших
количествах использовались нефтепродукты для
производства химической продукции, в том
Рис. 1.2. Структура потребления энергоресурсов в
период с 1850 по 2000 г. (пунктир — оценка потребления
после 1978 г.):
/ — гидроэнергия; 2 — атомная энергия; 3 — природный газ;
4 — нефть и сжиженный природный газ; 5 — уголь; 6 —
древесное топливо
числе синтетического волокна, аммиака,
лекарств и т. д.
Переход от угля и дров к нефти и
природному газу, который начался в нашем
столетии, вызвал большое количество социально-
экономических проблем. До этого
загрязнение воздуха и воды происходило в основном
в зон&х размещения крупных промышленных
городов, где уголь, использовавшийся для
отопления, в промышленности и на относительно
небольшом числе тепловых электростанций,
был основным источником загрязнений.
Сейчас очень незначительную часть всех
загрязняющих веществ, поступающих в воздушный
бассейн промышленных городов, составляют
загрязнения за счет отопления жилых домов.
Можно значительно уменьшить негативное
влияние электростанций на окружающую
среду. Главными источниками загрязнений в
настоящее время являются промышленность и
автотранспорт. Число несчастных случаев на
угольных шахтах за последние 70 лет
значительно сократилось, частично благодаря
совершенствованию законодательства в области
безопасности работы на шахтах и улучшению
охраны труда шахтеров и частично за счет
сокращения подземной добычи угля с
одновременным увеличением открытой добычи,
при которой, однако, возникают свои
проблемы. Из-за чрезмерного увлечения нефтью
возросло загрязнение мирового океана
нефтепродуктами, что косвенно влияет на нашу
жизнь, нарушая биологический цикл океана.
По мере приближения к концу XX в. все
большее число исследователей приходит к выводу,
что использование нефти и природного газа в
и

энергетических целях должно начать
уменьшаться, а использование угля и ядерного
горючего должно увеличиваться.
Понять такой вывод нетрудно. В
настоящее время невосполнимые запасы нефти
расходуются быстрыми темпами. Несомненно,
нефтяные месторождения распространены
очень широко, но во многих районах разведка
запасов нефти производилась мало, например
на береговом шельфе Атлантического океана.
Запасы нефти никогда не иссякнут полностью.
Но наступит время, когда добыча нефти
станет слишком дорогостоящей, чтобы ее
продолжать, и, следовательно, слишком дорогой,
чтобы использовать нефть. Когда точно наступит
это время, определить нелегко (позже будут
обсуждены оценки энергетических
потребностей). Следует заметить, что существует
различие между терминами «ресурсы» и
«запасы». Ресурсы минерального сырья иногда
представляются только как интуитивная
количественная оценка, тогда как запасы составляют
ту часть ресурсов минерального сырья,
которая, как считается, может быть извлечена из
недр. Оценка запасов обычно основана на
топографической съемке. Существуют и другие
более точные методы количественной оценки.
Оценка суммарных запасов нефти,
приводимых ниже, вероятно, не слишком далека от
действительности.
Оценка разведанных запасов нефти в мире
по состоянию на начало 1980 г., млрд. т:
Западная Европа 1,9
Африка 7,9
Ближний Восток 49,2
Азия, Дальний Восток 3,2
Океания 2,2
Соединенные Штаты Америки . . 3,7
Латинская Америка 9,2
Следует учитывать также, что нефть в
промышленных масштабах начала добываться с
середины прошлого столетия и что почти треть
всех первоначальных мировых ресурсов нефти
уже извлечена из недр Земли. Следующая
треть будет добыта к 1990 г. Следовательно,
исчерпание ресурсов уже близко1.
Для многих потребителей энергии могут
быть найдены заменители нефти. Нефть по
высокой цене можно получить из угля.
Ядерное топливо и уголь можно использовать для
производства той части электроэнергии,
которая вырабатывается сейчас при сжигании
мазута. Кроме того, можно выработать
дополнительное количество электроэнергии, на базе
которой можно произвести теплоту, идущую
на отопление и технологические нужды и про-
1 Автор несколько противоречат только что
сделанному им выводу, что «запасы никогда не иссякнут
полностью» (Примеч. ред.)
изводимую сейчас с использованием жидкого
топлива. Как будет видно из дальнейшего
материала, электроэнергия представляет собой
очень качественный энергоноситель и поэтому,
вероятно, нерационально ее тратить там, где
не могут быть использованы все ее
преимущества. Следует вместе с тем иметь в виду, что
нужды целого ряда потребителей энергии
будет трудно удовлетворить в условиях, при
которых электроэнергия стала бы единственным
энергоносителем.
Разработано много прогнозов
относительно будущей энергетической ситуации в США.
Однако маловероятно, что какой-либо из них
окажется точным, поскольку трудно учесть
все действующие факторы, в особенности
политического и экономического характера,.
Возможно, полезно проанализировать
энергетический баланс США, например, за 1970 г.,
его приходную и расходную части (рис. 1.3) и
попытаться оценить, как он изменится в
будущем. Ясно, что по сравнению с 1970 г., когда
импортировалось лишь 480 тыс. т нефти в
сутки, ситуация с нефтью к настоящему времени
сильно изменилась и что дальнейшее
наращивание импорта нефти нежелательно и вряд ли
возможно. Добыча угля увеличивается
относительно медленными темпами. Вклад
геотермальной, ветровой и солнечной энергии в
общее энергопотребление весьма
незначителен, хотя и мог бы быть больше при
благоприятных условиях. В период с 1972 по
1979 г. непрерывно из года в год падала
добыча природного газа. В этот период был
частично снят контроль над ценами на газ и его
добыча несколько увеличилась, но ждать
существенного улучшения ситуации здесь
нереально.
Все больше электроэнергии производится
на атомных электростанциях и, как следствие,
можно ожидать увеличения доли ядерной
энергии в общем энергопотреблении. Вероятно
увеличится разрыв между потреблением
энергоресурсов, особенно нефти, и возможностью
обеспечения потребления за счет
собственного производства. Потребители энергетических
ресурсов настаивают на смягчении
ограничений на использование угля с высоким
содержанием серы и на ослаблении требований по
защите окружающей среды от загрязнения,
что, по их мнению, позволит повысить
надежность энергоснабжения. Перед нами
небольшой, но дорогостоящий выбор: сокращать
потребление энергии (за счет снижения темпов
экономического роста); ускорять освоение
возобновляемых источников энергии (по очень
высокой стоимости); повышать зависимость
от внешних источников энергоснабжения
(допуская серьезный политический риск?);
существенно увеличивать эффективность использо-
12

2451,3 Гранслорт (562,0)
Рис. 1.3. Структура энергобаланса США в 1970 г., млн. т условного топлива
вания энергии (да, но как?). Можно найти
вариант, при котором будут реализовываться все
эти направления.
Определение понятия энергии
Выше уже обсуждались проблемы
энергоснабжения и энергопотребления, но само
понятие энергии пока еще не было дано. Оно
служит мощным инструментом при решении
физических задач. Правильное определение
этого понятия дает возможность точно
описать физические явления, связанные с
преобразованием одной формы энергии в другую.
Существует много видов энергии, в
частности кинетическая энергия, потенциальная
энергия гравитации, электрическая и
электромагнитная энергия, химическая энергия и др.
Возможно различное преобразование одних
форм энергии в другие, и изучению этих
преобразований, их эффективности и
сопутствующим фактором будет посвящена
значительная часть этой книги. Однако для того, чтобы
придать нашим исследованиям
количественное выражение и тем самым сделать их
полезными для практических задач, необходимо
принять систему единиц, в которых могут
быть выражены измеряемые величины.
В физике принята Международная система
единиц или система единиц СИ. В этой
системе единицей энергии является джоуль. I Дж
эквивалентен I ньютон X метр (Н-м).
Многие из расчетов, относящихся к окружающей
среде, имеют инженерный характер, но
метрическая система используется не всегда.
В английской системе, используемой в
инженерных расчетах, единицей энергии является
фут-фунт, но эта единица измерения широко
не используется. Более распространенной
является британская тепловая единица (БТЕ).
Многие важные расчеты связаны с теплотой,
и приверженцы как метрической, так и
британской систем единиц обычно в качестве
единицы энергии используют калорию (кал) для
расчетов, связанных с теплотой,
биологической, электрической и многими другими
видами энергии. Следует также отметить, что во
многих тепловых расчетах используется
килокалория.
Что касается энергетических ресурсов,
поскольку их количества очень велики, то для
их измерения были приняты другие единицы1:
1 квад=1015 БТЕ = 1,055-1018 Дж и 1Q=1018
БТЕ= 1,055-1021 Дж. К сожалению, эти
единицы имеют распространение, что неудобно
не только из-за того, что их легко перепутать,
но и потому, что они не включены в СИ.
Отметим, что количества энергии, эквивалентного
1 Q= 1,055- 1015МДж, достаточно, чтобы
вскипятить и выпарить озеро Мичиган (суммарное
потребление энергии в США в 1970 г.
составило 0,07Q = 73,85-1018 Дж). Отметим также,
что ТВт-год* = 29,9ХЮ15 БТЕ = 31544,5х
ХЮ12 Дж.
1 1 квад = 36 млн. т условного топлива, 1 Q —
=36 млрд. т условного топлива. (Примеч. ред.)
* ТВт-год — единица, также широко применяемая
при оценке энергоресурсов. (Примеч. ред.)
13

Время удвоения
Теперь, когда определена система
измерения, для изучения проблемы «энергетика —
окружающая среда» рассмотрим более
детально кривую потребления энергии в США за
последние несколько десятилетий (рис. 1.4).
За исключением 1973—1974 гг. потребление
энергии в США постоянно росло. Часть
кривой фактически может быть заменена прямой
линией, как это показано на рис. 1.4. В
декартовой системе координат прямые линии могут
быть описаны уравнением
у = тХ-\-Ь. (1.1)
Поскольку ось ординат является
логарифмической шкалой, уравнение принимает вид
logC = mt + В,
(1.2)
где С — суммарное потребление энергии; т —
коэффициент наклона прямой; t — время, лет;
В — делитель шкалы ординат. Можно было
бы записать это уравнение в виде
\og{Clb)=mt, (1.3)
где log b = B, или
In (C/b) = mt,
(1.4)
Рис. 1.4. Динамика роста потребления энергии в США
с 1920 по 1980 г.
Рис. 1.5. Оценка изменения численности населения
Земли в период с 8000 г. до н. э. по 2000 г. н. э.
где 1п6 = В. Из него, находя числа по
антилогарифмам, получим
С = bemt. (1.5)
Из этого можно сделать вывод, что любые
значения, образующие прямую линию в
полулогарифмической системе координат, могут
быть представлены в виде (1.5).
Можно также считать (1.5) решением
дифференциального уравнения
dC/dt = mC. (1.6)
Это уравнение может быть использовано для
описания широкого спектра физических и
биологических явлений.
Пример 1.1. В данный момент времени культура
бактерии Escherichia Coli1 содержит 200 мг/мл
бактерий. Через 40 мин этот показатель возрастет до
400 мг/мл. Известно, что рост бактерий происходит в
соответствии с (1.4). Каково значение постоянной т?
В (1.5) Ь = С, когда t=0 (е^^=\). Поэтому
400 мг/мл= (200 мг/мл) ew40 (если принять время
первого наблюдения *=0). Тогда 400/200=е™40.
Взяв натуральные логарифмы обеих частей,
получим
In 2 = 40/л.
Отсюда
т = 0,0173, или 1,73%/мин.
Как долго этот рост может продолжаться?
Важным параметром является время
удвоения. Если решить (1.6) для С:
C(t)=C(t = 0)em\
(1.7)
четко определяется зависимость С от времени.
Время удвоения определяется как время,
необходимое для удвоения первоначального
значения С при ?=0.
Пусть Т2 будет временем удвоения. Тогда
С(Г2) = С(0)ехр(тГ2), (1.8)
(1.9)
(1.10)
(1.Н)
но
С(Г2) = 2С(0).
Следовательно, имеем
2 = ехр (mTJ или mT2 = In 2,
или
Т2 = In 21m = 0,693/m.
О любом явлении, которое описывается с
помощью (1.7), говорят, что оно
характеризуется экспоненциальным ростом. Хотя многие
физические системы могут быть описаны
таким уравнением, это справедливо для них
лишь ограниченное время. Бесконечный
экспоненциальный рост, очевидно, невозможен, в
чем можно легко убедиться.
1 Так называется кишечная палочка. Способна
вызвать острые инфекционные заболевания. (Примеч.
ред.)
14

воздействующие факторы
Множество неблагоприятных факторов
воздействует на людей. Человек сам поставил
себя в почти полную зависимость от
предметов потребления, возможности снабжения
которыми весьма ограничены. Здесь
анализируются некоторые факторы, вызывающие
ухудшение положения, и сделана попытка
определить, до какой степени действие этих
факторов может быть ограничено или смягчено
путем целенаправленных действий.
Население
Численность населения Земли постоянно
увеличивалась, хотя и имели место
непродолжительные отклонения от этой общей
тенденции. Примерно до 1750 г. среднегодовые
темпы роста численности населения составляли
0,07 %. Этот показатель роста был получен на
основе довольно скупых данных о
численности населения в прошлом. Эти темпы
соответствуют времени удвоения, равном примерно
1000 годам, т. е. в период до 1750 г. каждые
1000 лет население Земли увеличивалось
примерно вдвое. В середине XVIII в. произошло
относительно резкое увеличение темпов роста
численности населения мира — в среднем
примерно 0,4 % в год. Каждые последующие 50
лет эти темпы увеличивались настолько, что
во второй половине XX в. они достигли 1,8 %
в год, что соответствует удвоению населения
Земли за 39 лет (рис. 1.5).
Демография — изучение
народонаселения— превратилась в сложную науку. В
результате оценки численности населения,
которые делаются в настоящее время, вероятно,
более точны, чем они были ранее, даже в
таком недавнем прошлом, как 20 лет назад.
Прогнозы, которые делались во время второй
мировой войны и в течение 10 лет после
войны, оказались крайне неточными.
Численность населения США, например, по
прогнозу, сделанному в 1943 г., в 2000 г. оценивалась
примерно в 154 млн. чел. Сравним ее с
современной «правильной» оценкой, равной
примерно 220 млн. чел. Устойчивый послевоенный
всплеск рождаемости оказался совершенно
неожиданным для специалистов, как, впрочем,
и падение рождаемости в Соединенных
Штатах после 1958 г. Демографы сейчас весьма
осторожны в своих предсказаниях, они
предпочитают давать ряд альтернативных оценок,
охватывающих довольно широкий диапазон
показателей численности населения.
Но даже такой осторожный прогноз может
оказаться неточным. Бюро цензов США
ежегодно дает опенку населения и рождаемости,
основанную на данных за предшествующие 10
лет и оценке тенденций в демографии.
В 1964 г. были составлены четыре варианта
прогноза рождаемости. На рис. 1.6 приведен
показатель рождаемости — число
новорожденных на одну женщину, способную к
деторождению. В 1967 г. фактические данные о
населении и рождаемости настолько разошлись с
этими вариантами, что был подготовлен новый
пятый вариант прогноза. В 1972 г. к ним был
добавлен шестой вариант, поскольку между
прогнозами и фактическими данными вновь
было обнаружено расхождение. В 1976 г.
фактическая рождаемость по оценке достигла
абсолютного минимума, составив 1,768 рождений
на одну женщину, способную к деторождению
Это значительно ниже значения 2,09,
необходимого для поддержания нулевого прироста
населения. Эти данные свидетельствуют о том,
что если ничего не изменится, то население
США достигнет максимума по численности
примерно к 2040 г. и затем начнет
уменьшаться.
Разумеется, это произойдет, если ничего не
изменится. Никто точно не знает мотивов,
побуждающих семьи заводить детей. В
некоторых странах превалируют сильные
религиозные и исторические тенденции. В США
довольно большое число женщин
трудоспособного возраста в силу необходимости может
быть против рождения детей. Современное
поколение женщин вообще, кажется,
предпочитает иметь меньше детей, вести другой
образ жизни.
Сокращение численности населения хотя и
имеет некоторые очевидные преимущества в
отношении ослабления остроты проблемы
энергетика — окружающая среда, но выдвигает
тем не менее ряд проблем. Среди них отметим
экономические трудности, вызываемые
структурными изменениями в жизни общества.
Вероятно, снизится объем производства в
отраслях промышленности, производящих товары
vi 1
it,o\ Г* Ж^^ . 1
\1Л
о\ i , i i,„ i 1 J
1930 1950 1970 1990
Годы
Рис. 1.6. Показатель рождаемости в США в период с
«1930 по 1978 г-
1—6 "- варианты прогнозов
15

для населения, таких как автомобилестроение,
строительная промышленность и т. п. Сильно
изменяются также и внешние связи США.
Вместо того, чтобы, как сейчас, быть
четвертой страной в мире по населению и
крупнейшим потребителем природных ресурсов, США
станут вскоре шестой или седьмой страной ь
мире по численности населения и, вероятно,
третьей или четвертой страной по
потреблению ресурсов. С такой переменой трудно будет
примириться.
Хотя эти проблемы еще впереди, они
отнюдь не являются неразрешимыми. Многие
исследования экономических и социальных
последствий нулевого прироста населения и
соответствующего нулевого экономического
роста показывают, что могут быть найдены
удовлетворительные способы перехода к
подобной экономической структуре. Разумеется,
эти выводы сделаны для США, но эта
страна— не единственная в мире. Проблема
энергетика— окружающая среда существует
повсеместно. Среднегодовые темпы роста
мирового населения, составляющие сейчас 1,8%,
все еще имеют тенденцию к росту, несмотря на
падение рождаемости, наблюдаемое во многих
странах. Прямая взаимосвязь между
рождаемостью и валовым национальным продуктом,
которая прослеживалась прежде, кажется,
начинает исчезать, — по крайней мере, характер
взаимовлияния этих двух показателей сейчас
неочевиден. Например, в США, Японии и в
большинстве стран Западной Европы темпы
прироста численности населения снизились и
ожидается их дальнейшее уменьшение до
конца столетия. В развивающихся странах,
однако, темпы роста численности населения все
еще увеличиваются, и по оценкам ООН
ожидается, что к 2000 г. население мира
достигнет 5,5—7 млрд. чел. при все
увеличивающейся рождаемости.
Технология
Мы верим в эпоху технического прогресса.
Многие из нас могут подвергать серьезным
сомнениям некоторые технические новшества,
однако никто из здравомыслящих людей не
станет призывать к возврату тех дней, когда
не существовало рентгена, пенициллина,
противостолбнячной вакцины, отвечающей
современным требованиям системы отопления,
почти всеобщей грамотности, надежд на
увеличение срока жизни и множества других
преимуществ, т. е. того, что принес с собой научно-
технический прогресс.
В то же время узкие задачи, решаемые с
помощью определенных технологий,
заслоняют собой более крупные проблемы,
возникающие ври внедрении этих технологий. Для
иллюстрации этого можно было бы
проанализировать множество технологий, но выберем
только две области: сельское хозяйство и
кондиционирование воздуха. Этот выбор
объясняется просто тем, что одно из этих направлений
является старым, другое — новым и что в них
отчетливо проявляется развитие
нежелательных побочных эффектов даже в тех случаях,
когда первоначальные цели превосходно
достигаются.
Исторически развитие экономики США
складывается так, что в производстве
сельскохозяйственной продукции участвует все
меньше населения, а продукции производится все
больше. Основу этого процесса составляют:
механизация; экономия, обусловленная
ростом масштаба производства; генетическая
селекция и выведение новых сортов и пород;
контроль за произрастанием зеленой массы.
Механизация сельскохозяйственных работ
явилась следствием широкого внедрения
сельскохозяйственных машин с двигателями
внутреннего сгорания в период, когда было
дешевым моторное топливо. Внедрение
механизации привело к тому, что 1 л бензина,
использованный в двигателе мощностью 735 Вт,
обеспечивает выполнение работы, эквивалентной
физическому труду 7 чел. в течение 1 дня
(в ценах 1979 г. при стоимости 1 чел-дня в
12 центов). Машины являются особенно
эффективными и экономичными при их
интенсивном ежедневном использовании. Это явилось
одной из причин процветания крупных ферм
в последние годы.
Генетическая селекция сделала возможным
развитие высокоурожайных сильных сортов
зерновых, восприимчивых к удобрениям, но
требующих интенсивного их внесения в почву.
В 1945 г. зерновые удобрялись азотными,
фосфорными и калийными удобрениями в
пропорции 8; 8 и 6 кг на 1 га посевной площади
соответственно. В 1970 г. эти показатели
составляли уже 127, 35 и 68 кг на 1 га
соответственно. Новые сорта требовали также ирригации
и интенсивной обработки пестицидами и
гербицидами. Многие сорта стали иметь более
продолжительный период вызревания, при
котором зерно получает больше влаги, в связи
с чем для обеспечения сохранения урожая
зерно необходимо подвергать сушке. Для сушки
используется теплота, вырабатываемая на
базе органического топлива, как правило, газа
пропана.
В 1945 г. на каждую единицу
энергосодержания выращенного зерна расходовалось 0,25
единицы энергии органического топлива.
К 1970 г. это соотношение изменилось в
сторону увеличения расхода органического
топлива до 0,35 единицы. Потребление
органического топлива в 1970 г. по энергетическому эк-
16

виваленту составляло около 1,26%
поступающей солнечной энергии в расчете на 1 га
площади под зерновыми. На созревание самого
хлебного злака идет лишь около 40 % всей
поступающей солнечной энергии, поэтому
общее потребление органического топлива
непосредственно на вызревание зерна составляет
около 11 % суммарного потребления энергии
(из расчета урожая около 65 центнеров с 1 га).
Если этот метод энергоинтенсивного
ведения сельского хозяйства, возможно, и дает
удовлетворительные результаты в США, это
совсем не означает, что подобная «зеленая
революция» может быть успешно перенесена
в другие, менее развитые страны. В
действительности, становится все более очезидным,
что фактические результаты существенно
отличаются от ожидавшихся. Потребности США
в зерне можно рассматривать как
стабилизировавшиеся, хотя из рис. 1.7 это не следует.
В США большая часть зерна используется
как фураж для крупного рогатого скота. В
других странах зерно употребляется в основном
в пищу, что является более эффективным с
точки зрения использования энергии.
В остальном мире потребность в зерне
растет. США являются ведущим экспортером
зерна в мире. Потребность в зерне в разных
частях земного шара выросла настолько, что
выполнение программы сокращения посевных
площадей и сохранения почвы в США, по
которой фермеры должны были получать
субсидии за то, что они не ведут хозяйство в
полном объеме, было отложено с целью
увеличения урожая. Другие страны не могут
позволить себе тратить «нефтедоллары» на
«зеленую революцию».
Другим примером того, как техника может
изменить нашу зависимость от энергии,
служит недавнее широкое распространение
кондиционирования воздуха. Холодильная
техника возникла вместе с развитием паровых
двигателей и познанием законов термодинамики
реальных газов в конце XIX в. Однако
широкое применение холодильной техники
началось лишь с середины XX в.
Развитие вакуумной техники в 20-х годах
дало импульс зарождению электроники как
науки. По мере совершенствования технологии
возникла существенная потребность в
создании средств по рассеянию больших количеств
теплоты, создаваемых электронными
устройствами. Особенно важным это стало с
появлением сразу после второй мировой войны
крупных ЭВМ, имевших тысячи различных
электронных ламп. Но холодильная техника в то
время не была достаточно безопасной, чтобы
использовать ее в домашних или
производственных условиях, поскольку в качестве
охладителя s основном рщшетался токсичный и
Ш8-1950 195^-1955 1960-1962 1966-1968
1951-W3 1957-1959 1963-1953 1970
Годы
Рис. 1.7. Потребление зерна на 1 жителя в некоторых
странах и регионах мира:
•' — США; 2— Западная Европа; 3 — Япония; 4 — Индия
взрывоопасный аммиак. В конце 30-х —
начале 40-х годов были получены фторуглеродные
компаунды, которые как нельзя более
подходили для холодильников: они химически
инертны (они, однако, не инертны в стратосфере,
см. гл. 12), нетоксичны и обладают
необходимыми термодинамическими характеристиками.
Домашняя холодильная (кондиционирующая)
техника сделалась безопасной, экономичной и
необходимой в быту для большинства людей.
Нельзя утверждать, что лишь благодаря
развитию электроники распространилось
кондиционирование воздуха, но электроника
безусловно внесла свой вклад в этом
направлении.
Однако летом в результате
кондиционирования воздуха перегружаются некоторые
электроэнергетические сети и нарушается их
работа— свидетельством тому являются
крупные аварии, имевшие место в энергосистеме,
обслуживающей Нью-Йорк. Строится больше
электростанций для производства большего
количества электроэнергии, что ведет к
увеличению сопутствующих выбросов (дым,
углекислый газ, теплота и т.п.). Более того, многие
установки по кондиционированцю воздуха,
особенно мощные, очень неэффективны.
Из сказанного не следует делать
заключение, что кондиционирование воздуха
является неправильным или необоснованным
экономически. Действительно, большинству людей,
17

привыкших жить и работать в условиях
кондиционирования воздуха, будет очень трудно
обходиться без него, особенно летом, — в
США, например, живущим к востоку от
Скалистых гор. Этот пример был использован
лишь для иллюстрации факта, что появление
одной технологии вызывает появление других
технологий.
Поэтому, когда возникает намерение
ввести в общественное пользование еще одну
технологию, возможно, следует задаться
несколькими вопросами: каковы будут энергетические
издержки за срок ее службы? Каковы будут
издержки на защиту окружающей среды?
Каковы будут экономические издержки?
Необходима ли она? Нет ли лучшего способа сделать
то, для чего она предназначена?
В данной книге исследуются различные
физические процессы, используемые для
извлечения энергии из первичного топлива и
преобразования ее в форму, пригодную для
использования. Исследуется влияние этого
преобразования на окружающую среду с позиций,
изложенных выше. Неизбежно будут
проводиться сопоставления, встретятся неясности и
неопределенности. Для их разъяснения
возникнет необходимость рассмотреть некоторые
фундаментальные понятия как в области
энергетических ресурсов, так и в области Физики.
ЗАДАНИЯ ДЛЯ АУДИТОРИИ
1. Проанализируйте рост числа учащихся в вашем
институте. Характеризуется ли какой-либо период
экспоненциальным ростом? Каково время удвоения?
Существует ли какая-либо связь с общим ростом
численности населения? Какова нынешняя тенденция?
Можно сделать экстраполяцию до 2000 г.? Обсудите смысл
ваших выводов.
2. Определите возрастное распределение среди
учащихся группы (класса) и их семей, включая
родителей и более дальних родственников. Сравните с
общим возрастным распределением населения. Будут ли
различия? Отличается ли коэффициент рождаемости
этой микрогруппы от общего коэффициента
рождаемости? Обсудите полученные результаты.
УПРАЖНЕНИЯ
1. Схему энергетического баланса, показанную на
рис. 1.3 и построенную на основе данных за 1970 г.,
приведите в соответствие с современным его
состоянием. Оцените тенденции.
2а) В середине 1975 г, среднегодовые
коэффициенты рождаемости и смертности для ряда стран
составляли, %
Страна Рождаемость Смертность
Бельгия » . . . 1,5 1,1
Ки-afi 2,7 1,0
Мексика 4,2 0,9
Новая Зеландия 2,2 0,8
Норвегия lt7 1,0
Венесуэла 3,6 0,7
Jpr 1,39 1,24
Замбия 5,1 2,0
Эмиграция в этих странах была пренебрежимо мала.
Определите для каждой страны естественный прирост
численности населения и сроки его удвоения. Попадут
ли эти страны в одну из определенных категорий?
26) Среднегодовой коэффициент рождаемости в
США составил 1,62 % и смертности 0,94 %, а
среднегодовой коэффициент прироста численности
населения— 0,9 %. Каков естественный коэффициент прироста
численности населения США? Отчего возникла
разница между естественным и фактическим приростом
численности населения? Каковы сроки удвоения
численности населения в США?
3. Объясните следующие утверждения:
а) для поддержания неизменной численности
населения семьи не должны иметь более двух детей;
б) улучшение медицинской диагностики и лечения
внесло большой вклад в рост численности населения за
счет продления продолжительности жизни старших
поколений.
4. Чтобы лучше представить соотношение между
энергетическими единицами, выразите результаты
следующих примеров в джоулях, млн. электрон-вольт,
британских тепловых единицах, калориях и киловатт-часах:
энергию падающего с высоты 2 м шарика массой
500 г;
энергию, высвобождаемую при расщеплении
одного атома урана U235;
энергию тостера мощностью 2 кВт (тепл.) при
работе в течение 2 мин;
энергию, необходимую для кондиционирования
воздуха в одной комнате в течение одного дня;
тепловую энергию, содержащуюся в 1 г спирта.
5. Выразите энергию 1 МВт-год в баррелях нефти,
тоннах нефти (1 т= 1000 кг = 7,4 барреля), тысячах
куб. метров природного газа, тоннах угля
(битуминозного) и миллионах Q (Ю18 МДж).
6. Сколько времени потребуется электростанции
мощностью 1000 МВт для производства 1520 кВт-ч
электроэнергии? Для производства 1520 кВт-ч
электроэнергии требуется 453 кг угля1. Сколько железнодорожных
вагонов понадобится для обеспечения углем работы
электростанции в течение суток, если типовой вагон
может перевезти 100 т угля?
Ответы: 5,47 с; 72 железнодорожных вагона.
7. Для снабжения электростанций мощностью
1000 МВт (КПД = 0,4) должен быть построен
нефтепровод. Если скорость перемещения в нем нефти не
должна превосходить 0,2 м/с, каков должен быть
диаметр этого нефтепровода?
8. В 1980 г. для производства 1 кВт-ч
электроэнергии требовалось 21 МДж теплоты. В настоящее время
требуется 9 МДж. Каково значение соответствующих
КПД? Объясните, за счет чего достигнуто более чем
двукратное увеличение КПД?
9. Если сложить большой лист бумаги толщиной 75
мкм 25 раз (если удастся), какой толщины будет
сложенный лист?
10. Если на каждые 1000 МВт мощности
электростанций необходим участок земли площадью около
4,047-105 м2 (40 га), какая территория потребуется для
всех электростанций США в 2072 г. при постоянных
темпах ее прироста?
11. Коллоидный раствор концентрацией 200 мг/мл
при уменьшении температуры через 40 мин изменил
концентрацию до 225 мг/мл. Каково время удвоения
концентрации этого раствора?
Ответ: 235,4 мин.
12. Энергия солнечного излучения, поступающего
на Землю, равна около 178 ПВт. Предположим, что
среднегодовые темпы прироста общей мощности
электростанций США, составлявшей в 1978 г. около
1 Автор, очевидно, имеет в виду уголь с теплотой
сгорания выше 29,3 МДж. (Примеч. ред.)
18

579 ГВт, в перспективе будут равны 4 %. В каком
году США смогут выработать столько электроэнергии,
сколько Земля получает от Солнца?
Ответ: 2294 г.
13. Процесс распада радиоактивных материалов
может быть представлен уравнением типа (1.7): N(t) =
= N(0)e~ht, где N(t) —число атомов в данный момент
времени. Если в каком-либо ядерном реакторе за год
работы образуется около 40 кг элемента Cs137 (изотоп
цезия), сколько его накопится через 100 лет? (ядерный
распад характеризуется «периодом полураспада» т0, т. е.
временем, за которое половина вещества распадается:
1 #(т0) / «. ч л
~7Г = "ТГТТГ' =ехр(—ято). При заданном т0 можно
2 /V (0)
определить к.)
14. За год работы атомной электростанции
мощностью 1000 МВт образуется около 30 г элемента Кг85.
Гдаю
Существует большое разнообразие
энергоресурсов и технологий по их преобразованию
в полезную работу. В данной главе дан обзор
используемых и потенциальных источников
энергии без обсуждения самих процессов
преобразования (что будет сделано позже),
описаны их общие характеристики, определены
возможности их применения, а также
сделана попытка установить роль каждого из них в
будущем.
ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ РЕСУРСЫ ЗЕМЛИ
Почти вся энергия поступает на
поверхность Земли от Солнца, за исключением
небольшого количества теплоты за счет
радиоактивности земной коры, наличия
раскаленного земного ядра, а также гравитационной
энергии взаимодействия Земли с Луной и
Солнцем. Даже органическое топливо,
используемое сегодня, обязано своим происхождением
фотосинтезу растительности болот
доисторической эпохи. Однако не весь поток энергии
солнечного излучения, интенсивность
которого составляет примерно 1,4 кВт/м2,
утилизируется; примерно 30—40 % этого потока
энергии рассеивается прямым отражением.
Коэффициент отражения (альбедо) зависит от
характерных особенностей поверхности, на
которую падают лучи Солнца, т.е. от того,
является ли она песчаной пустыней, снежной
равниной, водной гладью, облачностью и т.д.
Большие изменения в характеристике
отражающей способности земной поверхности,
вызванные, например, поступлением в
атмосферу больших количеств твердых частиц, мо-
Сколько времени понадобится для распада этого
количества криптона до 0,3 г?
15. Покажите, что время, необходимое для полного
исчерпания ресурса, имеющего первоначальное
количество Qoo, при современных темпах потребления,
отвечающих уравнению C=C0eht, может быть записано как
1 / «во \
т-т*(-сг+ч-
16. Предположим, что увеличение расхода
органического топлива на производство зерна представляет
собой линейную функцию времени. В каком году
потребление органического топлива станет
эквивалентным по энергии поступлению солнечной теплоты на
единицу посевной площади (1 га) зерновых? Может ли
это произойти? Объясните.
гут оказать серьезное влияние на
энергетический баланс Земли. Часть потока солнечной
энергии, которая не отражается,
абсорбируется и затем частично вновь отражается.
Проблема обеспечения возрастающих
потребностей в электроэнергии намного облег*
чилась бы, если бы стало возможным
эффективное прямое преобразование солнечной
энергии в электрическую. Такое преобразование
может осуществляться и уже осуществляется,
но его КПД очень низкий и получаемая при
таком КПД энергия служит лишь
незначительным добавлением к основному количеству
энергии, производимой с помощью
органического топлива, геофизических источников и
ядерных реакторов деления. Однако
возможности снабжения от этих источников энергии
могут оказаться ограниченными.
ОРГАНИЧЕСКИЕ ТОПЛИВА
Поскольку органические топлива, т. е.
уголь, нефть и природный газ, составляют
сейчас и будут составлять в перспективе
подавляющую часть всего энергопотребления, они
рассматриваются первыми. Образование
органических топлив является результатом
теплового, механического и биологического
воздействия в течение многих столетий на
останки растительного и животного мира,
откладывавшиеся во всех геологических формациях.
Все эти топлива имеют углеродную основу, и
энергия высвобождается из них, главным
образом, в процессе образования двуокиси
углерода.
Энергетические ресурсы

На рис. 2.1 представлен поток энергии и
продуктов сгорания органического топлива
при получении полезной энеогии. Удельная
теплота сгорания различных видов
органического топлива приводится ниже:
Бензин, Дж/кг 4,6-107
Сырая нефть, Дж/кг 4,3-107
Природный газ, Дж/м3 3,7-107
Газовый конденсат, Дж/кг . . . . 3,5-107
Уголь, Дж/кг (3,0—5,5)-107
Взаимодействие топлива с окружающей
средой происходит в нескольких точках (рис.
2.2). Оно порождает ряд проблем. В
некоторых публикациях, правда, содержится
беспокойство по поводу увеличивающегося расхода
кислорода при сжигании органического
топлива в сочетании с продолжающимся
уничтожением лесов. Однако многолетние измерения
не подтвердили изменений в уровне
содержания кислорода в атмосфере. Но с другими
газами дело обстоит не так.
Извлечение из недр Земли органических
топлив оказывает серьезные негативные
воздействия на окружающую среду. Проблемы,
связанные с открытой и подземной добычей
угля, известны практически каждому. Но
существуют также и проблемы, связанные с
извлечением нефти и природного газа. В
первую очередь — это оседание почвы. Нефть и
газ, скопившиеся в пористых породах под
поверхностью Земли, служат «подушкой»,
поддерживающей лежащую сверху породу.
Когда эта «подушка» извлекается, земная
поверхность в районе залегания нефти и газа
опускается на глубину до Юм, как это имело место
на месторождении Лонг-Бич в штате
Калифорния.
В процессе сжигания топлива образуется
много побочных веществ. При сжигании угля
образуется значительное количество золы и
шлака. Большую часть золы можно уловить,
Кислород!
ГассеиОание
L_
Аккумулирование
теплоты Землей
Совершение
полезной работы
Сжигание
Сбросная теплота
Выбросы \
в атмосферу
ca,co2;H2o,No/7sox
Золоунос
>
ЛШлак
Залежи органического топлива
Рис. 2.1. Распределение потока энергии и продуктов
сгорания от сжигания органического топлива
но не всю. Все отходящие газы потенциально
вредны, даже пары воды и двуокись углерода.
Эти газы поглощают инфракрасное излучение
земной поверхности и часть его вновь
отражают на Землю, создавая так называемый
«парниковый эффект» (см. гл. 6). Если уровень
концентрации С02 в атмосфере Земли будет
увеличиваться, могут произойти глобальные
климатические изменения.
При сжигании топлива образуется
теплота, часть которой трансформируется в
конечные энергоносители, например в
электроэнергию либо в механическую энергию, как в
автомобиле. Следует, однако, отметить, что вся
произведенная полезная работа в конечном
счете превращается в теплоту. Ни один
процесс преобразования энергии не может иметь
КПД, равный 100 %. У обычной тепловой
электростанции КПД преобразования не
превышает 40%. Во всяком случае, КПД ограничен
максимальной и минимальной температурой
рабочего тела. Позже будет дан расчет
теоретически возможного максимального КПД
электростанций. Но вся сбросная теплота
может быть рассеяна в окружающем
пространстве. Часть ее аккумулируется путем
повышения температуры водного и воздушного
бассейнов, таяния ледников и тому подобных
явлений. Весь этот процесс накопления теплоты
может привести к ощутимому повышению
температуры на Земле, если использование
энергии будет продолжать расти такими же
темпами, как сейчас. В свою очередь
повышение температуры может вызвать глубокие
изменения климата на всей Земле.
Таким же катастрофическим может быть
эффект от поступления в атмосферу большого
количества твердых частиц. Ниже приводятся
количественные данные о различных
веществах, образующихся при работе типовой ТЭС
мощностью 1000 МВт на органическом
топливе. Предполагается работа с полной
загрузкой при КПД=40%.
Количество загрязняющего вещества (за год):
SOx, т* 1100
N*Ox. т 350
С02, т 72 500
СО 94
Твердые частицы, т 300
Радиоактивность**, Бк 2,59-102
Дымовые газы, Дж 1,35-101а
Теплота от конденсата, Дж .... 4,05* 1012
* Выброс SO х дан для стандартного битуминозного угля.
** Радиоактивность дают, главным образом, изотопы
радия 226Ra и ^Ra. Приводятся данные для угля. Для нефти
этот показатель в 50 раз меньше.
Легко экстраполировать результаты
оценки масштабов загрязнения, вызываемого
продуктами сгорания, на будущее, если
предположить, что растущие потребности в электро-
20

энергии будут удовлетворяться полностью за
счет ТЭС на органическом топливе. Также
легко можно оценить и потребности в топливе, а
это, в свою очередь, незамедлительно
поставит на повестку дня вопрос, достаточны ли
запасы органического топлива.
Нефтяное топливо
Для того, чтобы оценить запасы
органического топлива, целесообразно разделить его на
три группы: жидкое, газообразное и твердое.
Физические и химические характеристики этих
групп сильно различаются. Сырая нефть,
поступающая из скважин, представляет собой
смесь углеводородов от летучих газолинов (не
путать с автомобильным бензином) до очень
вязких гудронов. Она обычно представляет
собой смесь молекул из трех основных
углеводородных групп: парафинов, циклопарафинов
или лигроинов и ароматических смол. В
небольших количествах в ней содержатся также
другие элементы, химически связанные с
молекулами углеводородов: сера (до 6 %),
кислород (до 4 %), азот (до 1 %) и следы
некоторых металлов. Кроме основных
углеводородных молекулярных структур в нефти
присутствует много компаундов со значительно
большей молекулярной массой, образованных
удлинениями или соединениями основных
молекулярных блоков. Например, в одной из
проб сырой нефти, взятой в штате Оклахома,
было обнаружено более 300 различных
углеводородов.
По своим характеристикам нефть
неоднородна и эта неоднородность обусловлена
различным растительным происхождением ее.
Содержание парафина, серы, вязкость, цвет и
многие другие характеристики значительно
различаются, что оказывает влияние на
возможность производства тех или иных
нефтепродуктов.
Нефть в сыром виде не находит широкого
применения, но она может быть превращена
в исключительно ценные нефтепродукты путем
ее переработки. Это общее понятие включает
три основных процесса: физическое
разделение смеси, риформинг и ректификацию. На
рис. 2.2 показана схематическая диаграмма
завода по переработке нефти и природного
газа, на котором осуществляют эти процессы.
Производство различных видов продукции на
таких заводах должно регулироваться в
соответствии с потребностью в них в зависимости
от сезона, колебания спроса и их расходом в
качестве сырьевых материалов. Большинство
перерабатывающих заводов сооружается для
переработки какого-либо одного
определенного вида сырья, и сырье других сортов, имеющее
иные характеристики, например повышенное
содержание серы, для них не подходит.
Именно благодаря столь широкому
разнообразию исходных материалов,
содержащихся в сырой нефти (рис. 2.2), последняя стала
высоко цениться. Однако, несмотря на
исключительно широкий ассортимент продукции,
получаемой из нефти и имеющей широкий
спрос на рынке, — от нейлона до красителей,
от медикаментов до пластиков, — доля нефти,
используемой в качестве сырья для
нефтехимии, составляет менее 3 % ее суммарной
добычи. Большая часть произведенных из нефти
цродуктов сжигается. Представляется, что в
ближайшем будущем такое положение
сохранится,— по крайней мере, до того, пока
затраты на энергию, получаемую таким путем,
будут ниже, чем на энергию, получаемую на
базе других источников.
Нефть в жидком состоянии залегает в
геологических осадочных породах, которые
широко распространены. Поскольку этот тип
геологических формаций и их размещения на земном
шаре хорошо изучены, можно произвести
оценку суммарных мировых ресурсов нефти.
Оценки такого рода существуют, и согласно им
общие геологические ресурсы нефти
составляют 180—290 млрд. т. Вероятно, суммарная
мировая добыча нефти с 1857 г., — года
начала добычи, — до того момента в будущем,
когда промышленная эксплуатация
месторождения перестанет быть экономически
рентабельной, будет находиться в рамках этих двух
крайних оценок. Если темпы добычи нефти
заданы функцией dQp/dt% а конечная величина
ее добычи Q<x>, то
т
QoQ=z Г dQ^dt (2Л)
.1 dt
То
Для функции dQp/dt нет аналитического
выражения и неизвестно, как она будет
изменяться в будущем. Но можно установить, как
она не будет изменяться!
Пример 2.1. Предположим, Qoo=270 млрд. т и
размер добычи нефти удваивается каждые 10 лет, а
начальное значение при Т0 равно 137 тыс. т. Если за Т0
принять 1857 г., какому значению Т будет
соответствовать (2.1)?
т т
Qoo= \ b(t)dt=\ Q0emtdt =
т0 о
= Qo emt \T = Qo 6mT Qo = _?o_ imT _ j\.
m |o m m m
m \ Q0 /
Из (1.7) следует, что m«0,07. Тогда 7=169 годам.
21

Рис. 2.2. Структурная схема процесса переработки нефти в светлые нефтепродукты

1880 1S00 1Э20 mo 1960 1S80
Годы
Рис. 2.3. Динамика мировой добычи нефти
с 1880 по 1977 г.
Статистика мировой добычи нефти
показывает почти экспоненциальный рост добычи в
период с 1900 по 1973 г. (рис. 2.3). Если
область изменения функции dQp/dt от t
гранична, то кривая должна достигнуть
максимального значения и затем возвратиться к нулю.
Не представляется возможным точно
предсказать поведение кривой после того, как она
пройдет свой максимум. Однако вполне
резонно предположить, что форма кривой будет
симметрична. Таким образом, если определить
максимум не только по значениям имеющихся
данных о добыче, но и по расчетному
предельному значению Q<x>, получим кривые,
представленные на рис. 2.4. Заметим, что согласно
этим кривым для нижней оценки Qoo 80 %
всех мировых ресурсов нефти будет извлечено
из недр Земли за 58 лет — в период с 1962 по
2020 г. и для верхней оценки Qoo—за 64
года— в период с 1962 по 2026 г. Если
предположения, сделанные в этом анализе, верны, то
мировые ресурсы нефти представляются
действительно небольшими.
США являются одним из крупных
производителей нефтепродуктов. Какова функция
dQp/dt для Соединенных Штатов?
Аналогичный анализ для Соединенных
Штатов дает значение Q оо, равное примерно
27 млрд. т. На рис. 2.5 представлен график
добычи для данного значения величины
ресурсов, исходя из динамики добычи нефти за
прошлый период. Поскольку ситуация с
перспективной добычи нефти в США даже хуже,
чем для мира в целом, представляется
логичным, что Соединенным Штатам следует
импортировать нефть до тех пор, пока
зарубежные экспортеры нефти захотят ее продавать.
1900 1925 1950 1975 2000 2025 2050 2075 2100
Годы
Рис. 2.4. Полные циклы мировой добычи нефти для
двух значений Qoo
Рис. 2.5. Полный цикл добычи нефти в США для Q» =
= 27 млрд. т
Разумеется, есть и другие соображения, о
которых уже упоминалось. Наиболее
важными из них являются влияние импорта нефти на
экономическую стабильность страны и
стратегические последствия зависимости от внешних
источников энергии. Однако нефть — не
единственный вид органического топлива.
Природный газ
Природный газ, в основном метан,
обнаруживается вместе с месторождениями нефти в
пропорции примерно J 300 м3 газа на 1 т сырой
нефти (в среднем для условий добычи США).
Некоторые специалисты полагают, что эта
оценка ошибочна и месторождения газа и
нефти не связаны между собой. Однако за
неимением лучшего ориентира воспользуемся
тем, что есть, и, следовательно, будем иметь
в виду, что любые прогнозы о предельной
добыче газа столь же неопределенны, как и
прогнозы для нефти. Дополнительная сложность
заключается в том, что большая часть
добытого в прошлом газа (и в настоящем — на
Ближнем Востоке) сжигалась в факелах у
23

скважин, из-за отсутствия подходящих рынков
сбыта и систем для его транспортировки1.
В 1970 г. в штате Колорадо под
наблюдением комиссии по атомной энергии был
произведен атомный взрыв с целью проверки
возможности отбора природного газа из
слабопроницаемых скальных пород. Газ
действительно был получен, но он оказался слишком
радиоактивным, чтобы можно было его
сразу же подать потребителям. Однако
эксперимент был признан удачным и был произведен
второй взрыв трех 30-килотонных ядерных
устройств (в мае 1973 г.).
Новейшие достижения в области
энергетики, а также создание газопроводов большого
диаметра и больших океанских танкеров, в
которых можно поддерживать достаточно
низкую температуру, чтобы перевозить
сжиженный газ, обеспечивают хорошие перспективы
для использования большей части всего
имеющегося в недрах Земли газа. Используя
приведенное выше соотношение и оценки
мировых конечных ресурсов нефти, для предельной
добычи газа Qoo получим диапазон от 235 до
380 трлн. м3, а для США соответствующее
значение Qoo = 30 трлн. м3. Добыча
природного газа в США достигла максимума в 1972 г.
и затем стала ежегодно снижаться вплоть до
1979 г., когда добыча вновь начала возрастать,
что явилось следствием снятия контроля цен
на газ в торговле между штатами.
Более тяжелые компоненты природного
газа— этан, бутан, пропан и другие — при
нормальных температуре и давлении (т.е. 20°С и
0,1 МПа) находятся в жидком состоянии. При
выходе природного газа из скважины они
удаляются из газового потока для того, чтобы их
конденсат не затруднял передачу газа;
добыча газового конденсата регистрируется в
газовой промышленности отдельно. В среднем по
США соотношение добычи газового
конденсата и сырой нефти составляет 220 кг конденсата
на 1 т сырой нефти. Используя это
соотношение и значение Qoo для нефти в США,
получим для газового конденсата Qoo~5 млрд. т.
Экстраполируя данные по добыче конденсата
в прошлом и принимая приведенное выше
значение Qoo, получим, что пик добычи газового
конденсата был в 1979 г. Такой же анализ
для мировой добычи газового конденсата дает
следующее значение: 41 млрд. t^Q<x>^
^63 млрд. т и достижение пика добычи в
период между 1990 и 2010 гг. Несмотря на
наличие в прогнозе такого типа большого числа
неопределенностей, совершенно очевидно, что
вскоре возникнет дефицит в снабжении
традиционным нефтяным топливом. Однако, преж-
1 Здесь, очевидно, автор имеет в виду попутный
нефтяной газ, а не природный газ. (Примеч. ред.)
де чем это произойдет, вероятно станет
экономически целесообразной эксплуатация
залежей менее традиционных видов жидкого
топлива.
Нефть в природе существует также в
твердом состоянии — в веществе, называемом «ке-
роген». Разница между ним и жидкой нефтью
состоит в неодинаковой молекулярной
структуре, поскольку в керогене содержатся более
длинные цепочки углеводородных молекул,
образующие скрещивающиеся структуры,
являющиеся более устойчивыми в молекулярном
отношении. Е бассейне Грин-Ривер в штатах
Юта, Вайоминг и Колорадо находятся
огромные залежи керогена, образовавшиеся в
пластах, составлявших дно озера,
существовавшего в эоценской эре. При определении запасов
нефти эти залежи сланцев должны
учитываться, поскольку при прямой дистилляции
сланцев обеспечивается достаточно большой выход
жидкого топлива. Процесс дистилляции
сланцев не вызывает принципиальных технических
трудностей, однако его широкое применение
сдерживается рядом факторов. Основным
среди них является высокая стоимость
получаемой путем дистилляции нефти по сравнению
с обычной сырой нефтью. Нефть, получаемая
путем дистилляции, имеет по сравнению с
обычной более высокое содержание
соединений азота и серы, что вызывает
дополнительные экономические проблемы при ее
переработке и использовании у потребителей.
Однако все возрастающие трудности добычи
достаточного количества традиционной сырой
нефти, возможно, сделают получение нефти из
сланцев более целесообразным, несмотря на
все ее недостатки. Согласно данным
геологической службы США, только в одном этом
районе западной части страны ресурсы нефти,
содержащейся в сланцах, оцениваются в
110 млрд. т, а мировые ресурсы составляют
330 млрд. т. Если бы разработка этих
ресурсов стала экономически оправданной, то
такое количество нефти могло бы в перспективе
значительно улучшить положение со
снабжением жидким топливом. Действительно, если
бы стоимость традиционной нефти
существенно возросла, то залежи сланцевой нефти
затмили бы собой ничтожно малые размеры
запасов традиционной, легко извлекаемой из
недр Земли нефти.
Потенциально очень крупные ресурсы
нефти содержатся в битуминозных породах, заЛе-
гаемых в районе Атабаски, провинция
Альберта, Канада. Они представляют собой не
просто затвердевшую нефть, а скорее очень
вязкий битум, который играет роль связующего
материала для песчинок, образуя плотную
твердую массу. Происхождение этих залежей
точно не установлено. Согласно одной из ги-
24

потез, они образовались в результате
просачивания нефти из нижних проницаемых слоев
в пески, расположенные у поверхности
Земли,— в 320 км южнее расположены
месторождения традиционной нефти. Промышленная
разработка этих залежей битуминозных
песков развивается довольно медленно. Затраты
на добычу и транспортировку сырья на
перерабатывающий завод относительно велики, в
результате себестоимость конечной продукции
этого завода более высокая, чем себестоимость
обычной сырой нефти. Внедрение технологии
отбора нефти из битуминозных песков
непосредственно в месте их залегания затруднено
из-за необходимости использования в этом
удаленном районе большого количества
горячей воды. Один из проектов, отвергнутый
правительством Канады, предусматривал
использование ядерного взрыва для отбора нефти.
Тенденции энергопотребления и
энергоснабжения таковы, что в будущем битуминозные
пески могут стать ценным' источником получения
энергии. Содержание нефти в них
оценивается примерно в 41 млрд. т (15—25 %
известных мировых ресурсов нефти).
Показатели по общей возможной добыче
нефти в США, приводившиеся до сих пор, не
учитывали залежи нефти на Аляске. Недавние
открытия месторождений нефти на северном
склоне Аляски, получившие широкую
известность, свидетельствуют о том, что в этом
районе находятся большие ресурсы нефти. Было
сделано несколько оценок этих ресурсов.
Наиболее оптимистическая оценка составляет
примерно 7 млрд. т. Масштабы других
источников получения жидкого топлива близки к
показателям, приведенным ранее. Сравнив эти
показатели со значением Q«> в целом по США,
можно обнаружить, что открытие запасов
нефти на Аляске не дает значительного
увеличения возможных конечных запасов нефти в
Соединенных Штатах.
Все эти оценки были сделаны на основе
современного представления о возможном
развитии добычи. Представляется, что затраты
на бурение глубоких нефтяных скважин в
расчете на 1 м проходки в последние 20 лет
возрастали примерно такими же темпами, какими
увеличивался индекс оптовых торговых цен,
даже несмотря на то, что максимальная
глубина бурения возросла с 4,5 до более чем
6 тыс. м. С помощью современных методов
добычи можно извлечь из недр лишь около 35 %
содержащейся в месторождении нефти. Для
того, чтобы поднять добычу, используются
вторичные методы добычи, такие, например,
как закачка воды или С02 под давлением
(рис. 2.6). Эта технология будет
совершенствоваться, и ее использование будет
расширяться. В ближайшие несколько лет будет увели-
Рис. 2.6. Условное изображение некоторых методов
вторичной добычи нефти
чиваться объем бурения на нефть с морских
платформ, хотя из-за недостаточной
надежности уже дает о себе знать негативное влияние
этой технологии на окружающую среду.
Существенное влияние на объем собственной
добычи нефти будет оказывать снижение
стоимости производства нефти из сланцев и
битуминозных песков. Предположение, что в
ближайшие три десятилетия коэффициент
нефтеотдачи пластов может возрасти в 1,5—2 раза,
вероятно, недалеко от истины. Повышение
нефтеотдачи пластов соответствующим
образом увеличило бы величину разведанных
извлекаемых запасов нефти.
Возникшее в последнее время
беспокойство по поводу энергообеспечения проистекает,
главным образом, из-за того, что современные
оценки мировых разведанных запасов нефти
малы по сравнению с прогнозируемыми
потребностями. Однако седует задаться
вопросом, насколько правильны эти оценки.
Начиная с 1920 г. оценки специалистами-
нефтяниками оставшихся в недрах запасов
нефти, которые могут быть извлечены
современными методами, регулярно, раз в
несколько лет, пересматривались в сторону их
повышения. В результате оценка оставшихся
запасов нефти, сделанная в 1920 г., была
превышена объемом уже добытой нефти за
период, прошедший с того времени, примерно
в 9 раз. Интересно, что зависимость Q оо ОТ
времени выполнения очередных оценок
различными специалистами имеет значительный
разброс, однако без больших погрешностей
она может быть представлена прямой линией.
В период с 1959 по 1976 г. прирост
разведанных запасов также увеличивался, хотя и не
столь быстрыми темпами, как прежде. На
рис. 2.7 показан ряд оценок, сделанных одним
и тем же специалистом, но в разное время.
Увеличение оценки запасов является в одних
случаях результатом новых открытий, в
других — появления новой технологии добычи или
новой интерпретации геологических наблюде-
25

Рис. 2.7. Масштабы мировых ресурсов и разведанных
запасов нефти в оценках различных лет:
/ — разведанные запасы и кумулятивная добыча; 2 —
разведанные мировые запасы
ний. Иногда оценка увеличивается без
видимых причин.
В нефтяной промышленности почти
повсеместно отсутствует единство мнений
относительно достоверности этих оценок. Это
отсутствие единства мнений является следствием
сложности методов получения данных.
Особенно противоречивым оказался метод
прогнозирования будущей продуктивности
месторождений путем построения геологических
аналогий. Так, например, судя по основным
осадочным геологическим формациям,
Австралия должна была бы располагать
богатейшими запасами нефти, однако на ее
территории обнаружены лишь незначительные
месторождения жидкого топлива. Некоторые
специалисты полагают, что единственным
путем узнать истиное значение является бурение
скважин на каждом квадратном метре
поверхности земли до глубины 20 тыс. м. Однако
гипотеза, состоящая в том, что, продолжая
разведочное бурение, можно открывать новые
месторождения нефти, представляется
неверной. Удельный прирост запасов нефти в
расчете на метр пробуренных скважин упал со
128 т в 1930 г. до 18 тв 1965 г.
Разумеется, в оценках ресурсов нефти
существуют неточности, и если оценки на
порядок ниже того, что есть на самом деле,—а это
маловероятно,—то максимум функции dQ/dt
от t на рис. 2.5 сместится к 2060 г. Но ясно,
что какими бы ни были запасы нефти на
земле, они конечны.
Уголь
Уголь имеет принципиально иное
происхождение, чем нефть. Происхождение
последней связывают с осадочными отложениями в
морской воде, в то время как уголь
образовался из осадков органических веществ в пресной
воде доисторических болот. Уголь обнаружи-
Рис. 2.8. Классификация угля по теплоте сгорания и
содержанию углерода (большая час^ть запасов антрацита
в США уже исчерпана)
вается в пластах всех геологических эпох —
от нижнего палеозоя (350 млн. лет тому назад)
до сравнительно недавнего четвертичного
периода (1 млн. лет тому назад).
Последовательность возникновения угля (торф, лигнит,
бурый уголь, суббитуминозный и
битуминозный уголь, антрацит)—от недавних
растительных образований до наиболее твердых,
с высоким содержанием углерода, сортов угля.
Есть множество способов классификации
угля, но для целей данной книги использована
классификация по содержанию углерода и
теплоте сгорания (рис. 2.8). Высокая теплота
сгорания угля определяется высоким
содержанием в нем водорода и количеством углерода.
Поскольку содержание водорода до какой-то
степени зависит от содержания углерода,
очевидно, что воздействие бактерий разрушает
углеводородные молекулярные структуры,
составляя химически активный водород и
углерод. Следовательно, чем дольше происходит
это воздействие, тем вероятнее повышение
теплоты сгорания угля. Вообще, чем старее
уголь, тем выше его качество (или сортность,
если использовать терминологию, принятую в
промышленности). Большая разница в
теплоте сгорания различных сортов угля очень
затрудняет оценку угольных ресурсов,
поскольку нужно знать не просто количество
извлекаемого угля, но, что важнее, количество
энергии, которое можно получить из него.
Уголь добывается более 1000 лет, а его
использование в крупных масштабах
насчитывает по меньшей мере 200 лет. Хорошо изучено
и расположение угольных пластов. Задача
оценки извлекаемрго объема угля
значительно проще, чем аналогичная задача для нефти.
Но, как и для нефти, процессы, происходящие
в недрах, не изучены и никогда не смогут
быть изучены полностью. Как следствие, оцен-
26

Рис. 2.9. Оценка мировых извлекаемых запасов угля
Рис. 2.10. Полный цикл добычи угля в США для двух
значений Q«>
ки запасов угля по прошествии определенного
периода времени по мере поступления новой
информации должны пересматриваться в
сторону их повышения. На рис. 2.9 графически
представлены результаты оценки мировых
извлекаемых запасов угля. В табл. 2.1
приведены обобщенные данные по разведанным
запасам и геологическим ресурсам угля в США.
Масштабные оценки этой таблицы приведены
в условном топливе и из них исключен уголь
с высоким содержанием серы. Из этой
таблицы следует, что запасы угля в США заметно
меньше, чем можно было бы ожидать.
На рис. 2.10 графически представлены
результаты оценки обобщенной ситуации с
углем в США. Оба значения Qoo рассчитаны
для геологических ресурсов, а не для
разведанных запасов и потому имеют явно большие
пределы. Однако если бы этот график был
построен на основе данных по ресурсам угля,
пересчитанных в условное топливо, и без
учета угля с высоким содержанием серы (как это
сделана в правой части табл. 2.1), то
полученные результаты были бы совершенно другими:
пик кривой пришелся бы примерно на 2000 г.!
Это еще один фактор, который, возможно,
повлияет на продолжительность
использования полезных запасов угля.
Таблица 2.1. Сравнительная оценка запасов и ресурсов
угля с малым содержанием серы, млн. т*
Районы залежей угля
Аппалачи:
битуминозный
антрацит
Центральный район:
битуминозный
уголь
Скалистые горы:
битуминозный
уголь

суббитуминозный уголь
лигнит
Западное побережье:
битуминозный
уголь

суббитуминозный уголь
Всего
Оценки в
абсолютных количествах
33 590/3695
11300/1470
400/63
40 695/4125
163 505/17 525
310 160/34 115
810/72
3400/305
563 850/61 370
Оценки,
приведенные к
стандартным показателям
по теплоте
сгорания и содержанию
серы
40 310/4430
12 650/1640
425/65
43 720/4435
41 700/4170
770/70
0/0
139 575/14810
* В числителе — ресурсы в знаменателе — запасы.
Синтетические нефтепродукты
Для того, чтобы долгосрочная программа
достижения независимости страны от
внешних источников энергоснабжения увенчалась
успехом, необходимо создать экономически
приемлемые технологии производства
синтетической нефти из угля и нефтеносных
сланцев западных штатов. Необходимо также
найти замену природному газу. Уже создан
ряд технологических процессов для
производства так называемого синтетического
жидкого и газообразного топлива (СЖТ и СГТ
соответственно) .
Если бы получаемое с помощью этих
процессов топливо не было слишком дорогим и
выдерживало конкуренцию на рынке, то
заводы по его производству могли бы быть
построены и в США. И хотя цены на импортную
нефть продолжают расти, они еще не
превысили затрат на производство синтетической
нефти. А поскольку фактические аатраты на
добычу нефти намного ниже цены, по которой
она продается, то перед инвестором
открывается перспектива затратить более 2 млрд.
долл. на строительство завода по
производству СЖТ, не имея возможности в
последующем окупить эти затраты1.
1 Стоимость нефти завышается отчислениями и
налогами типа «ройалти». Фактическая стоимость добычи
1 т аравийской нефти у порта отправки составляет
около 2,5 долл.
27

Придет время, когда СЖТ и СГТ могут
конкурировать с природными топливами, и
тогда темпы роста использования угля
стремительно возрастут. Основываясь на
современной оценке разведанных запасов, легко
рассчитать кривую темпов увеличения добычи
угля, предположив, что все потребности в
нефти и газе будут удовлетворяться за счет
синтетического топлива. На рис. 2.11 показана
такая кривая, построенная в предположении,
что к 2000 г. все нефтепродукты будут
производиться синтетическим путем из угля. Эти
данные поражают тем, какое огромное
количество угля необходимо для этих целей:
суточная потребность в нем только для
производства СГТ, достаточного для
удовлетворения потребностей США в газообразном
топливе, составила бы 4,8 млн. т, что в три раза
превышает уровень добычи угля в США в
1978 г.! Ситуация с производством СЖТ еще
более сложна: для удовлетворения нужд в
жидком топливе потребовалось бы поднять
уровень современной добычи угля в 10 раз!
Однако путей для того, чтобы поддерживать
такой уровень добычи, не существует. В
действительности пока нет возможности даже
удвоить современный объем добычи.
Отсутствуют финансовые и трудовые ресурсы, нет
транспортной и распределительной системы,
которые позволили бы справиться с таким
ростом потребностей в угле. Но даже если бы
была возможность обеспечить такой рост
потребности, запасы угля были бы исчерпаны
значительно быстрее, чем ожидается.
Ни один источник энергии не будет
использован в промышленных масштабах, если есть
Рис. 2.11. Оценка масштабов годовой добычи угля в
США из предположения, что с 1990 г. начнется
производство из него синтетического углеводородного
топлива
более дешевый источник. В настоящее время
такая ситуация часто наблюдается с углем.
Несмотря на то, что по стоимости добычи он
может конкурировать с другими видами
топлива, во многих случаях транспортные
издержки исключают возможность его
использование в качестве котельного топлива.
Однако эту ситуацию могут изменить некоторые
факторы. Существует, например,
возможность транспортировки угольно-водяной
пульпы по трубопроводу большого диаметра от
места добычи непосредственно к
потребителям. Развитие линий электропередачи
сверхвысокого напряжения позволяют размещать
электростанции непосредственно около
угольных шахт, которые в большинстве случаев
располагаются вдали от крупных центров
потребления электроэнергии. Стремление к
независимости от зарубежных источников
энергии вызвало значительное увеличение спроса
на уголь. Производство заменителей
природного газа и нефти из угля хотя и дорого, но
технически возможно, и будущая конъюнктура
цен на топливном рынке могла бы сделать
эти заменители конкурентоспособными.
Ограничения, наложенные правительственными
органами, внезапно проявившими интерес к
охране окружающей среды, на использование
топлива с высоким содержанием серы,
которое обычно дешевле малосернистого, ставят
это топливо в невыгодное положение1. АЭС
во многих случаях строились из-за того, что
себестоимость вырабатываемой на них
электроэнергии была ниже, чем на
электростанциях, работающих на любом другом виде
топлива.
В настоящее время не существует точных
методов оценки запасов органического
топлива, а неопределенность, по существу, всегда
вызывает сомнение в надежности таких
оценок. Существует мнение, что запасы угля,
нефти или газа являются условными
величинами и что в недрах Земли больше угля,
нефти или газа, чем когда-нибудь будет
использовано.
Для образования органического топлива
потребовались миллионы лет, и процесс этот
продолжается поныне. Но оно не возмещается
теми же темпами, какими расходуется.
В какой-то момент через 200—300 лет
человечество вынуждено будет отказаться от
использования органического топлива в крупных
масштабах для энергоснабжения, и должно
Зудет освоить альтернативные источники
энергии.
1 Многие штаты настаивают на использовании
местного угля на своих предприятиях, несмотря на
высокое содержание в нем серы.
28

ГЕОФИЗИЧЕСКАЯ ЭНЕРГИЯ
Для того чтобы узнать, какие источники
энергии относятся к альтернативным, следует
вначале тщательно проанализировать схему
энергетического баланса Земли. Рассмотрим
сначала геотермальную, гравитационную и
солнечную энергии; эти источники энергии мы
назовем геофизическими. По сравнению с
органическим топливом количество энергии,
которое можно получить от этих трех источник
ков, относительно легко оценить.
Проанализируем методы, с помощью которых
геофизическая энергия может быть преобразована в
полезную работу, оценим конечные ресурсы
каждого вида энергии и обсудим некоторые
экологические последствия их использования.
Гидроэнергия
Преобразование потенциальной энергии
воды, накопленной в водоемах, в
механическую энергию вращения с целью приведения
в действие мельниц и других механизмов
применялось со времен Римской империи.
Преобразование гидроэнергии в электрическую
энергию стало возможным в конце XIX в.
благодаря открытиям физики и техническому
прогрессу. Крупные гидроэлектростанции начали
появляться на рубеже XIX и XX вв. В
настоящее время в США насчитывается пять
гидроэлектростанций (ГЭС) мощностью каждая
свыше 1000 МВт.
Физические принципы процесса
преобразования энергии падающей воды в
электроэнергию в действительности просты, однако
технические детали достаточно сложные, Вода под
напором, создаваемым плотиной, направляется
в водовод, который заканчивается
турбиной. Турбина вращает вал, к которому
присоединен ротор генератора, вращающийся в
магнитном поле статора. Выработка
электроэнергии зависит от потенциальной энергии воды,
запасенной в водоеме, и КПД ее
преобразования в электроэнергию.
Мощность ГЭС зависит как от количества
воды, так и от перепада между водной
поверхностью водохранилища и уровнем установки
гидроагрегата; этот перепад называется
напором. Вода, поступающая на турбину под
высоким напором, имеет большую
потенциальную энергию, чем при малом напоре, и поэтому
на высоконапорной электростанции
требуется меньший расход воды для получения
одинаковой мощности. Чем выше напор, тем
меньше необходимые габариты турбины, что
удешевляет стоимость всего сооружения. Но
высокий напор не всегда удается создать;
мощность ГЭС и количество вырабатываемой ею
электроэнергии в основном зависят от
топографических условий в районе размещения водо-
19ЧО 1950 1960 1970 1980 1990 2000
Годы
Рис. 2.12. Динамика роста суммарной установленной
мощности ГЭС США:
/ — перспектива в оценке федеральной энергетической комиссии
хранилища и ГЭС. К числу высоконапорных
приплотинных ГЭС можно отнести ГЭС Гувер
в штате Аризона (США) и ГЭС Асуанской
плотины в Египте; Бонневильская ГЭС на р.
Колумбия и гидростанции, входящие в
энергосистему Управления долины р. Теннесси, в
частности ГЭС Кентукки, относятся к
категории низконапорных гидростанций.
В настоящее время в США сооружаются
ГЭС на бытовом стоке1. На рис. 2.12
показана динамика роста установленной мощности
гидростанции в США, а Р«> представляет
собой оценку федеральной энергетической
комиссией гидроэнергетического потенциала рек.
Гидроэнергетический потенциал всех рек
мира оценивается в 2857 ГВт; однако
маловероятно, что этот потенциал когда-либо будет
полностью освоен.
Водохранилища, образованные плотинами^
могут оказывать вредное воздействие на
окружающую среду. Они могут приводить к
уничтожению уникальной флоры и фауны
(например, на реке Ред-Ривер в штате
Кентукки), затоплению плодородных почв
(гидроэнергетический узел Глен Каньон),
сокращению стока реки, прекращению сезонных па-
водкоэ (Асуанский гидроузел), нанесению
ущерба ландшафту района расположения
водохранилища. Кроме того, все водотоки несут
с собой наносы, которые, оседая в
водохранилищах, снижают их полезную емкость.
Поэтому полезное использование водохранилищ
продолжается всего от 50 до 200 лет. Многие
гидроэлектростанции были построены в засуш-
ливцхрайонах. Создание в таких районах
крупных водных поверхностей в долгосрочной
перспективе должно вызывать климатические
изменения, иногда желательные. И, наконец,
образование крупного водохранилища создает
1 ГЭС, не располагающие крупным
водохранилищем, обеспечивающим аккумулирование стока реки и,
следовательно, его регулирование.
29

очень большое давление на малый участок
поверхности земли. Образующиеся в результате
этого напряжения в породах, слагающих дно
водохранилища, если их не снимать, могут
создать потенциальную угрозу землетрясения.
Страны и регионы с высоким уровнем
выпадения осадков и, следовательно, с большим
речным стоком, как правило, имеют малую
плотность населения и в промышленном отношении
развиты слабо. К таким регионам и
странам могут быть, в частности, отнесены
Южная Америка, Африка, северо-западные
районы США и Канады. Поскольку
воспользоваться преимуществами электроэнергии в таких
районах некому, нет и стимула развивать
гидроэнергетический потенциал до его полного
освоения. Возможность передачи
электроэнергии от удаленных электростанций к крупным
промышленно-городским центрам
электрической нагрузки имеется, но существуют и
ограничивающие факторы. Они будут
рассмотрены в гл. 9.
Таким образом, для использования энергии
падающей воды необходимо создание
водохранилища. Выше были рассмотрены только
водохранилища, создаваемые на реках. Вместе
с тем существуют и другие возможности
использования водной энергии — приливные
гидростанции (ПЭС). В некоторых районах
мирового океана наблюдается очень большая
амплитуда приливной волны и разность
между верхней и нижней отметками прилива
достигает 10 м. Если открыть шлюз в дамбе в то
еремя, когда приливная волна набирает
высоту, дать возможность заполниться
водохранилищу и затем в высшей точке прилива шлюз
закрыть, то накопленную воду можно во
время отлива пропустить через турбины и таким
образом выработать электроэнергию. Еще
лучше, если турбины могут быть
сконструированы реверсивными; в этом случае они будут
работать как при заполнении водохранилища,
так и при его опорожнении. Совершенно
очевидно, однако, что выработка электроэнергии
на ПЭС возможна лишь в определенные
промежутки времени суток, и это затрудняет
использование приливной энергии в крупной
энергосистеме.
Значение суммарного энергетического
потенциала приливов мирового океана по оценке
составляет 13 ГВт, что очень немного по
сравнению с гидроэнергетическим потенциалом
речного стока. Конечно, данная оценка может
иметь серьезные погрешности, но
маловероятно, чтобы их устранение внесло
принципиальные изменения в вывод о гом, что приливная
энергия не может внести существенного
вклада в покрытие энергетических потребностей
человечества в будущем. Вместе с тем
следует отметить, что использование энергии
приливов в целях выработки электроэнергии для
местных нужд имеет явные преимущества.
Энергия приливов не образует вредных
отходов и не растрачивает невосполнимых
минеральных ресурсов, наносимый его ущерб
экологии и эстетике местности невелик.
Представляется логичным осваивать энергию приливов
там, где сочетание топографического и
энергетического факторов делают это экономически
целесообразным и технически возможным.
В настоящее время во Франции, в
провинции Бретань, в устье р. Ране, действует ПЭС
мощностью 240 МВт. Плотина с
установленными в ней гидроагрегатами показана на рис.
2.13. В Советском Союзе действует небольшая
ПЭС мощностью 400 кВт. Канадское
правительство в 1980 г. подписало контракт на
строительство ПЭС на р. Аннаполис в провинции
Новая Шотландия. Несколько совместных
американо-канадских исследований было
проделано в районе залива Фанди, знаменитом
своими высокими приливами. Но проект
строительства ПЭС еще не утвержден, главным
образом из-за его высокой стоимости.
Гидроэнергетический потенциал речного
стока и приливов таков, что его практически
хватило бы, чтобы обеспечить все
потребности мира в энергии примерно до 2000 г.
Однако освоению в полной мере этого потенциала
препятствует несоответствие размещению
населения промышленно-городских центров.
Общая установленная мощность ГЭС в
ближайшие десятилетия, вероятно, будет расти,
однако их доля в суммарной выработке
электроэнергии в мире будет снижаться. Гидроэнергия
будет преимущественно использоваться для
покрытия пиковой части графика нагрузки
объединенных энергосистем с целью
улучшения работы базисных электростанций, которые
должны эксплуатироваться практически
постоянно на полную мощность. Исключение
могут составить лишь те районы, где существуют
исключительно благоприятные условия для
эксплуатации ГЭС в базисном режиме.
Ветровая энергия
Ветровая энергия продолжительное время
использовалась в мореплавании, а также для
приведения в движение мельничных колес.
В последнее время она начала использоваться
для выработки электроэнергии. Большинство
ветроэнергетических установок имеет
мощность несколько киловатт, и используются они
в отдаленных местах, например на морских
маяках. Во время второй мировой войны на
холме Грандпа в штате Вермонт, США, была
построена ветроэнергетическая установка
(рис. 2.14) мощностью 1,25 МВт, которая
успешно работала несколько недель, в течение
30

Рис. 2.13. Приливная электростанция в устье р. Ране во Франции
которых она выработала 61,78 МВт-ч
электроэнергии, затем одна из лопастей ротора
сломалась и установку не стали восстанавливать,
по-видимому, из-за дефицита материалов и
экономии средств в военное время.
Со времени энергетического кризиса 1973—
1974 гг. в развитие ветровой энергетики были
вложены значительные средства. Было
построено несколько экспериментальных
установок разной конструкции. Стоимость
электроэнергии, вырабатываемой
ветроэнергетическими установками, все еще высока по
сравнению с электроэнергией, получаемой на базе
органического топлива. Кроме того,
выявились некоторые проблемы, связанные с
электрическими помехами. Тем не менее ветровую
энергию следует рассматривать как
энергетический ресурс, и поэтому попытаемся
определить ее общий потенциал, оценить
нежелательные экологические последствия.
Ветроэнергетическая установка
предназначена для того, чтобы превращать
кинетическую энергию ветра в энергию вращения
ротора генератора, который и вырабатывает
электроэнергию. Легко показать, что выходная
мощность установки пропорциональна
площади лопастей ветрового ротора и скорости
ветра (в кубе). Поэтому ветроэнергетические
установки большой мощности, в мегаваттном
диапазоне, должны быть по своим габаритам
очень крупными, поскольку скорость ветра в
среднем не бывает очень большой.
Одной из самых сложных проблем,
препятствующих широкому распространению
ветроэнергетических установок, является постоянно
меняющаяся скорость ветра. Даже высоко в
горах нельзя рассчитывать на стабильную
скорость ветра. Кроме того, электроэнергия
начинает вырабатываться этими установками
тогда, когда дует ветер, а не тогда, когда она
необходима. К сожалению, удобного,
эффективного и экономичного способа запасать
31

Рис. 2.14. Агрегат «Смит — Путнэм» мощностью
1,25 МВт на холме Грандпа, штат Вермонт, США
электроэнергию в большом количестве еще
нет. Был выдвинут ряд предположений по
использованию получаемой в часы внепиковой
части графика нагрузки электроэнергии для
электролиза воды и создания запаса
получаемого таким образом водорода и кислорода с
тем, чтобы потом использовать реакцию
соединения этих газов в топливном элементе для
производства электроэнергии. Развитие этой
технологии находится в начальной стадии, но,
возможно, через несколько лет она станет
экономически приемлемой, и тогда ветровую
энергию можно будет использовать в крупных
масштабах в равнинных районах Среднего
Запада США.
Одно из предложений сводится к
строительству 150 тыс. башен высотой по 260 м с
трехлопастными роторами, приводящими во
вращение генераторы мощностью примерно по
1,5 МВт. Эти ветроустановки предлагается
разместить по одной на квадратную милю.
В результате предусматривается получить
общую установленную мощность около 225 ГВт,
что составило бы существенную долю
суммарной установленной мощности всех
электростанций США. В настоящее время
использование подобных электроэнергетических
установок, вероятно, менее целесообразно, чем
применение других способов производства
электроэнергии, в частности потому, что пока
еще не решена удовлетворительно проблема
аккумулирования электроэнергии,
выработанной во внепиковое время. Кроме того,
инженерно-техническое исполнение
высокоскоростных, с переменной частотой вращения и
мощных ветрогенераторов, валов, регуляторов и
т. п. еще несовершенно. Против реализации
этого проекта, вполне возможно, возникнут
также возражения эстетического порядка.
Многим не нравятся с этой точки зрения и
нефтяные буровые вышки, а тут башни
высотой 260 м!
Вместе с тем крупномасштабное
применение ветроэнергетических установок на каком-
то ограниченном участке может вызвать
глубокие климатические изменения в данном
районе. Отбор существенной части ветровой
энергии при типовом шторме в районе Среднего
Запада США (примерно 4-Ю12 Дж),
возможно, сократил бы периодичность сильных
штормов в этих широтах и силу их ветра.
Разумеется, в этом есть положительная сторона —
никто не выступает за ураганы. С другой
стороны, остальные особенности климата на
Среднем Западе могут зависеть от штормовых
ветров в той форме, в которой они сейчас
существуют. Снижение силы штормовых ветров
могло бы изменить режим выпадения осадков
до такой степени, что некоторые территории в
восточных районах Среднего Запада США
могли бы стать непригодными для сельского
хозяйства, а для остальных районов могла бы
стать необходимой ирригация, как на
Дальнем Западе страны. Взаимодействие
различных атмосферных явлений является очень
сложным процессом и до конца не изучено.
Следует быть абсолютно уверенным в том,
что любые крупномасштабные изменения
последовательности природных явлений на
Земле осуществляются осторожно и с полным
учетом того, какие последствия для окружающей
среды они за собой повлекут.
Обобщая, отметим, что вопрос, может ли
ветровая энергия быть полезна в качестве
дополнительного источника для производства
электроэнергии, остается открытым. В
настоящее время она может найти лишь
ограниченное применение. Научно-технический прогресс,
особенно в области аккумулирования
электроэнергии, может изменить ситуацию, но тогда
нужно будет оценивать взаимосвязь
крупномасштабного отбора энергии ветра с
серьезными климатическими изменениями.
Геотермальная энергия
Этот вид энергии иногда причисляли к
неисчерпаемому, экологически чистому
источнику энергии будущего. Чтобы понять, на-

сколько это соответствует действительности,
необходимо внимательно проанализировать
принципы использования геотермальной
энергии. На рис. 2.15 показана схема потоков
вещества и энергии на современной
геотермальной электростанции (ГеоТЭС). Принцип
выработки электроэнергии тот же, что и на ТЭС,
работающей на органическом топливе:
теплота, получаемая в данном случае из недр
Земли, используется для выработки пара,
который вращает турбоагрегат. КПД ГеоТЭС из-
за низкой температуры пара меньше, чем ТЭС
на органическом топливе. Кроме того, пар,
поступающий из недр Земли, загрязнен, иногда
значительно, растворенными в нем солями.
Для удаления нежелательных химических
примесей в схеме ГеоТЭС предусмотрен
сепаратор пара. В последующем эти химические
вещества могут быть использованы в
качестве промышленного сырья. Из конденсатора
поступает чистая вода, которая в таких
районах, как, например, долина Империал, штат
Калифорния (США), может использоваться в
хозяйственных целях. Для конденсации
отработавшего пара используется внешнее
охлаждение — возможно охлаждение с помощью
градирен, а получаемая вода может вновь
закачиваться через скважины в недра Земли для
ее дальнейшего включения в процесс
теплообмена. В более простых схемах отдельные
компоненты могут отсутствовать.
Если бы земная кора, мантия и ядро были
однородными, тепловой поток повсюду был бы
равномерным и составлял 7,3-Ю-6 Дж/(см2Х
Хс), тепловое излучение земного ядра было
бы непригодно для использования. Однако
земная кора неоднородна, и вулканическая
деятельность и наличие горячих источников
во многих районах служат доказательством
того, что магма в этих местах относительно
близко подступает к поверхности земли. В
отдельных районах, где магма близко подходит
к водонесущим породам, которые к тому же
сверху перекрыты непроницаемой скальной
Геотермальная
паровая
скважина
Скбажина
для обратной
закачки воды
Рис. 2.15. Схема потоков вещества и энергии
геотермальной электростанции
породой, создаются благоприятные условия
для образования пара. Путем бурения
скважин этот пар, часто имеющий температуру от
100 до 300 °С, можно извлекать из недр
земли для использования. Иногда такой пар
через естественные трещины или расщелины
выходит на поверхность в форме гейзеров.
Эта гипотеза образования пара не доказана,
поскольку еще не проводились
соответствующие исследования процесса теплообмена
между источником теплоты и водоносными
пластами.
Энергетические фирмы начали проявлять
серьезный интерес к геотермальной энергии
лишь в последние несколько лет, и в
настоящее время технология разведки и освоения
геотермальных источников энергии только
начинает интенсивно развиваться.
Геотермальная энергия уже используется
в ряде стран мира:
Установленная мощность ГеоТЭС в мире на
1977 г., МВт
В том числе:
США 504
Италия 405
Новая Зеландия 202
Мексика 75
Япония 43
СССР 6
Исландия 3,4
Всего 1238,4
Оценить ресурсы геотермальной энергии —
задача трудная; любая количественная оценка
на сегодняшний день, вероятно, неточна,
однако не настолько, чтобы серьезно изменить
сделанные выводы. Использованный метод
оценки состоял в обследовании всех известных в
мире районов геотермальной активности и
определении количества теплоты, содержащейся
в этих районах на глубине до 19 км. При этом
методе геотермальные ресурсы были оценены
в 4-Ю22 Дж. (В США сосредоточено около
10 % суммарных мировых ресурсов
геотермальной энергии, в основном в западных
штатах). Допустим, что из этого количества
энергии 1 % может быть преобразован в
электроэнергию при КПД = 25%. В этом случае
общее производство электроэнергии составит
1020 Дж. Для выработки такого количества
электроэнергии, скажем за 50 лет,
понадобилось бы построить геотермальные
электростанции общей установленной мощностью 60 ГВт.
Это в 120 раз больше всей установленной
мощности действующих геотермальных
электростанций США. Однако эта мощность
одного порядка с мощностью, которую можно
получить при освоении всего потенциала
приливной энергии.
Чтобы приступить к освоению этого
относительно небольшого источника энергии, необ-
33

ходимо сначала решить несколько
технологических и экологических проблем. Широкое
освоение геотермальной энергии будет
возможно, когда она станет конкурентоспособной по
сравнению с другими энергоресурсами.
Большая часть затрат на ее освоение связана в
настоящее время с бурением скважин,
необходимых для извлечения из недр пара или горячей
воды. Эти скважины не столь глубокие, как
нефтяные, однако их диаметр больше
(достигает 60 см). Высокое содержание солей в
геотермальной воде приводит к тому, что через
несколько лет работы происходит закупорка
скважин. В результате их необходимо
прочищать или требуется пробуривать новые
скважины в другом месте, что связано с
дополнительными расходами. По большинству
скважин поступает не пар, а горячая вода; в этом
случае КПД процесса выработки
электроэнергии меньше. Отбор теплоты из
геотермального источника происходит обычно быстрее, чем
ее возмещение за счет естественного
процесса. В результате со временем температура
пара или горячей воды начинает снижаться,
уменьшается также их поступление на
поверхность. Это означает, что наступает исчерпание
источника геотермальной энергии. Чтобы
предотвратить этот процесс, под землю под
высоким давлением должна закачиваться вода, что
связано с определенным риском. Такая
закачка вызывала сдвиги земной коры вдоль линий
разрывов. Например, в районе г. Денвера
несколько лет назад возникло подряд
несколько землетрясений, вызванных закачкой под
землю жидких отходов производства военных
заводов армии США, расположенных в
Скалистых горах. В настоящее время проводятся
исследования возможности снятия
напряжений в земной коре путем регулируемой
закачки воды для того, чтобы вызвать
искусственным путем небольшие землетрясения, что
исключит возникновение крупных. Были
предложения взорвать в районе геотермального
источника энергии ядерный заряд на глубине
несколько тысяч метров с целью образования
подземной полости, в которой могла бы
скапливаться горячая вода. С точки зрения
окружающей среды это предложение очень
рискованно. Необходимо тщательно сопоставить
масштабы возможного получения энергии с
риском, который при этом возникает для
окружающей среды.
На пути к широкомасштабному
использованию геотермальной энергии стоит много
нерешенных проблем, которые необходимо
преодолеть до того, как будут сделаны крупные
капитальные вложения в освоение этого
источника энергии. Руководствуясь
историческими фактами, можно прийти к выводу, что
если крупные капиталовложения будут сделаны,
то эксплуатация геотермального источника
будет осуществляться вне зависимости от
того, какими будут последствия для
окружающей среды 1.
Солнечная энергия
Рассмотренные выше геофизические
источники энергии могут обеспечить в
последующие десятилетия лишь незначительную часть
потребностей в энергии и оказаться
неприемлемыми для освоения в крупных масштабах.
Органическое топливо, рассмотренное ранее,
является невозобновляемым ресурсом, и его
использование связано с нанесением
значительного ущерба окружающей среде.
Необходимо располагать неисчерпаемым
дешевым и возобновляемым источником
энергии, не загрязняющим окружающую среду.
Таким источником является Солнце. Поток
солнечного излучения составляет около 3,8Х
ХЮ26 Вт и представлен всем спектром
электромагнитных волн. Однако основная его
масса приходится на ультрафиолетовую, видимую
и инфракрасную части спектра.
Энергетическая освещенность земной атмосферы
составляет примерно 1,4 кВт/м2, а поверхности
Земли— около 1 Вт/м2. Пока не существует
экономичного способа преобразования этой
энергии в электрическую; в настоящее время
проходят испытания несколько маломасштаб-
йых установок для отработки такой
технологии преобразования.
Наиболее подходящим направлением
преобразования солнечной энергии в полезную
работу является ее использование для
замещения органического топлива при получении
теплоты в парогенераторе. Однако, как и при
применении органического топлива, КПД
преобразования ограничивается диапазоном
температуры рабочего тела, в данном случае —
пара. Поскольку создание и эксплуатация
очень крупных коллекторных систем для
концентрации солнечных лучей является делом
сложным, в настоящее время в таких
системах удается получить пар, как правило, с
относительно небольшой температурой. Как
следствие, КПД преобразования солнечной
энергии в электроэнергию в таких установках
может составлять около 10%. Чтобы
получить 1 ГВт электрической мощности,
потребовалось бы 10 ГВт мощности солнечного
излучения.
1 Здесь автор не упомянул о том, что основная часть
ресурсов геотермальной энергии, использование которой
еще не начато, сосредоточена в нагретой скальной
породе. В настоящее время в ряде стране ведутся
исследования и разработки этого источника энергии, в том
числе в целях определения возможного ущерба
окружающей среде. (Примеч. ред.)
34

В создании системы таких масштабов и
связанного с ней другого оборудования
имеются определенные технические трудности.
Кроме того, непомерщ) высока ее стоимость
по сравнению с ТЭС на органическом топливе
и даже АЭС. Подсчитано, что стоимость
электроэнергии, производимой опытной солнечной
установкой башенного типа в Барстоу, почти
в 10 раз превышает стоимость электроэнергии,
производимой ТЭС на органическом топливе.
Следует рассмотреть еще два «узких»
места крупных солнечных электростанций —
аккумулирование энергии и ее передача. Для
обеспечения круглосуточного энергоснабжения
от солнечной электростанции требуется
обеспечить аккумулирование энергии (рис. 2.16).
Одним из вариантов решения этой проблемы
является создание аккумулятора теплоты в
химически связанном виде. Если бы был найден
подходящий и легко доступный материал с
высокой теплотой плавления и низкой точкой
плавления, то избыточная теплота,
вырабатываемая в дневное время, могла бы
аккумулироваться, а в ночное время — использоваться
для покрытия нагрузки.
Другим вариантом является
аккумулирование электроэнергии. Экономичность
аккумуляторных батарей недостаточна высокая, и
более приемлемым способом является
сооружение гидроаккумулирующих электростанций
(ГАЭС). При этом избыточная
электроэнергия, вырабатываемая в дневное время на
солнечных электростанциях, может
использоваться для подачи воды в верхнее водохранилище
ГАЭС (рис. 2.17), а в ночное время эта вода
срабатывается на обычной гидротурбине.
Обе рассмотренные системы
аккумулирования энергии имеют недостатки — высокую сто-
Рис. 2.16. Схема
преобразования солнечной энергии
в электрическую с
аккумулированием энергии
имость и низкий КПД. Однако ГАЭС уже
широко используются в сочетании с ТЭС и АЭС,
что говорит о целесообразности такого
решения.
Все рассмотренные выше системы
преобразования солнечной энергии могут быть
названы непрямыми системами преобразования,
поскольку в них энергия солнечного
излучения преобразуется в электрическую энергию в
несколько стадий. На этих стадиях
неизбежны потери энергии, в частности на трение.
Однако существует возможность
непосредственного преобразования солнечной энергии в
электрическую без использования промежуточных
стадий. Теоретически КПД таких систем
может быть очень высоким. Этот процесс,
называемый фотоэлектрическим преобразованием,
а также другие технологии прямого
преобразования некоторых видов энергии в
электрическую энергию подробно рассмотрены в гл. 5.
Здесь следует отметить, что в результате
воздействия ряда факторов КПД
фотоэлектрического преобразования получается довольно
низким — от 0,05 до 15%. Кроме того, для
обеспечения прохождения такого процесса
преобразования требуются главным образом
химически чистый кремний или арсенид
галлия, трудоемкость производства которых очень
высока, что делает их весьма дорогими.
В настоящее время появились два
направления крупномасштабного использования
принципа фотоэлектрического
преобразования. Одно из них предусматривает
использование искусственных спутников Земли,
выведенных на геосинхронные орбиты и
оборудованных солнечными панелями из фотоэлементов.
Рис. 2.17. Схема аккумулирования гидроэнергии:
а — работа в дневное время; б — работа в ночное время
36

Вырабатываемая ими электроэнергия
преобразуется в электромагнитные волны в
микроволновом диапазоне частот и
направляется на Землю. Приемная антенна площадью
около 3 км2 могла бы обеспечить прием
мощности примерно 3 ГВт* при интенсивности
излучения 1 кВт/м2. Поскольку эта
интенсивность близка к освещенности при солнечном
излучении, в случае нарушений в системе
микроволнового излучения существенного вреда
не будет. Единственным биологическим
эффектом микроволнового изучения, определенно
установленным на сегодняшний день, является
нагрев. Человек может продолжительно
переносить воздействие теплового потока
интенсивностью 10 Вт/см2, что примерно соответствует
уровню энергии у приемной антенны. Однако
считается, что необходимо проводить
дальнейшие исследования биологического влияния
микроволнового излучения. Следует отметить,
что энергия микроволнового излучения при
трансформации в полезную работу переходит
во вторичную теплоту и, рассеиваясь, будет
вызывать постепенное повышение
температуры земной поверхности. О практической
реализации этого направления в ближайшие годы
еще рано говорить, поскольку созданные к
настоящему времени преобразовательные
устройства обладают очень малым КПД, а их
масса и стоимость слишком велики.
Второе направление предусматривает
монтаж сборных панелей солнечных
фотоэлектрических элементов в малонаселенных и малоис-
пользуемых пустынных районах Земли.
Реализация этого направления не приведет к
дополнительному нагреву Земли, поскольку
при этом сохраняется неизменным естественное
солнечное излучение. Однако
продолжительное использование солнечных панелей может
вызвать даже в районе пустыни серьезные
экологические изменения, поскольку
меняется альбедо поверхности данного района.
В настоящее время ведутся исследования в
этом направлении. Считается, что результаты
будут экономически приемлемыми, если будут
созданы установки с КПД преобразования
примерно 30 % при удельной стоимости
производства панелей с фотоэлементами не более
60 долл/м2.
Известны и другие направления
использования солнечной энергии в крупных
масштабах для производства электрической энергии.
Одним из них является использование
температурного градиента океана (см. гл. 6). Всем
остальным направлениям присущ, по крайней
* В оригинале ошибочно указано 30 ГВт, что на
порядок больше, что может быть принято антенной
площадью 3 млн. м2 при плотности потока 1 кВт/м2.
(Примеч. ред.)
мере в настоящее время, один крупный
недостаток: все они слишком дороги для того,
чтобы их можно было широко использовать.
Солнечную энергию для производства
электроэнергии будут продолжать использовать в
малых масштабах для специальных целей,
например для энергообеспечения спутниковых
систем. Несмотря на то что солнечная энергия
является возобновимым и неисчерпаемым
источником энергии, по крайней мере в
обозримом будущем, для того чтобы этот источник
смог заменить собой органическое топливо
или ядерное горючее в производстве
электроэнергии, потребуется технологический
«прорыв».
Солнечная энергия может использоваться
и используется для отопления как дополнение
к традиционным видам энергоресурсов.
Преимущества и недостатки солнечных
отопительных систем будут отмечены далее при
рассмотрении способов их применения.
ЯДЕРНАЯ ЭНЕРГИЯ
Если предположить, что начнется более
широкое использование угля, то органических
топлив, возможно, хватит на четыре-пять
десятилетий для обеспечения потребностей
человечества в энергии. После этого периода
основным энергоресурсом может стать или не
стать солнечная энергия. Практически уже
сейчас ощущается необходимость иметь
источник энергии на этот переходный период,
причем этот источник должен быть практически
неисчерпаемым, дешевым, возобновляемым и
не загрязняющим окружающую среду. И
хотя ядерная энергия не отвечает полностью
всем перечисленным требованиям, она
развивается быстрыми темпами. Очень вероятно,
что именно она будет этим «переходным»
источником энергии по той простой причине, что
никакой другой вид энергии, который был бы
столь же доступным, пока не найден. Чтобы
достоверно оценить общие ресурсы ядерной
энергии, рассмотрим коротко два известных
ядерных процесса — деление и синтез.
Ядерное деление
Ядерные реакторы используют избыточную
энергию деления изотопа урана с массой 235,
которая в среднем составляет 210 МэВ на
один распад (1 эВ = 1,6-10-19 Дж).
Устройство реактора само по себе достаточно сложно,
если говорить о технических деталях, однако
по своей сути это всего лишь паровой котел,
производящий пар для вращения турбины.
На рис. 2.18 показана схема потоков
энергии и вещества в типовом американском
легководном реакторе LWR. Быстрые нейтроны с
Ж

Рис. 2.18. Схема потоков вещества и энергии в реакторе на тепловых нейтронах
(легководный — LWR).
энергией больше 1 МэВ, образующиеся в
ходе реакции деления в ядерном топливе, — до
последнего времени в качестве такового в
промышленных масштабах использовался только
235U — отдают свою кинетическую энергию
замедлителю в виде теплоты. Отдавшие свою
энергию нейтроны (замедленные нейтроны)
используются для поддержания цепной
реакции в ядерном топливе. Продукты распада
являются носителями кинетической энергии,
которая преобразуется в теплоту в
тепловыделяющих элементах (твэл). Температура твэла,
как правило, превышает 1000 °С. В
американских реакторах с повышением температуры
замедлителя (воды) его способность замедлять
энергию нейтронов снижается, доля быстрых
нейтронов в общем потоке увеличивается и
реакция деления в ядерном топливе
замедляется.
На рис. 2.19 показаны две схемы,
используемые в настоящее время: реактор с кипящей
водой (BWR), в котором образование
пузырьков пара происходит в активной зоне
реактора (рис. 2.19, а), и реактор с водой под
давлением (PWR), в котором вода сохраняется
под высоким давлением, что препятствует
образованию пара (2.19,6). В реакторе BWR
образующийся в активной зоне пар
используется для вращения турбины. В реакторе PWR
применяется теплообменник и поэтому
турбину вращает пар вторичного контура.
Образование высокой температуры в активной
зоне реактора является следствием того, что
продукты реакции деления теряют
кинетическую энергию в твэлах. В ядерном реакторе
температура производимого пара существенно
ниже, чем в парогенераторе ТЭС на
органическом топливе, поскольку при температурах
охладителя выше 300 °С эффективность
замедления становится слишком низкой. В
результате термический КПД АЭС только 30%, в
то время как для электростанций на угле,
нефти или газа он достигает 40 %. А это
означает, что при одинаковом производстве
электроэнергии на АЭС образуется примерно в
полтора раза больше сбросной теплоты, чем на
электростанции на органическом топливе.
Потенциально опасные отходы производства
образуются на электростанциях обоих типов. На
АЭС — это отходы с высоким уровнем
радиоактивности, значительная часть которых
имеет длительное время полураспада. Ниже
перечислены среднесуточные выбросы
загрязняющих веществ АЭС с реактором BWR
мощностью 1000 МВт при работе на полную
мощность и КПД 32 %.
Активность выбросов, Бк1:
в атмосферу2 , 1,48-1013
в теплоноситель 3,70-108
в тепловыделяющие элементы3 . , . 1,1Ы014
Теплота, Дж, через конденсатор .... 7,67-1012
1 Единица радиоактивности (см. гл. 14).
2 От реактора BWR без внешнего газонакопителя.
8 Не попадает в окружающую среду, остается в твэлах.
Эти данные могут быть сопоставлены с
данными на стр. 20, где приводятся выбросы ТЭС
1000 МВт на органическом топливе.
Радиоактивные отходы, содержащиеся в
отработавшем ядерном горючем,
представляют собой проблему в развитии ядерной
энергетики, которую еще предстоит решать.
Современные планы развития ядерной энергетики
требуют создания заводов по переработке
отработавшего ядерного топлива, на которых
можно было бы выделять из него уран и
плутоний для их последующего использования.
Остальная часть отработавшего топлива
должна быть надежно изолирована от биосферы
на многие годы. Связанные с этим операции—
транспортировка, переработка и хранение
радиоактивных отходов — представляют собой
сложные технические проблемы, которые пока
37

Рис. 2.19. Упрощенные схемы реактора с кипящей водой BWR (а) и реактора с водой под давлением
PWR (б)
1 — реактор; 2 — паропровод; 3 — турбогенератор- 4 — охлаждающая вода; 5 — конденсатор; 6 — насос; 7 —
активная зона; 8 — регулирующие стержни; 9 — первичный контур; 10 — парогенератор
не нашли удовлетворительного решения. В
настоящее время не существует промышленных
предприятий по переработке ядерного
топлива. Намечаемые на перспективу масштабы
развития ядерной энергетики могут представлять
определенный риск для окружающей среды.
По оценке министерства энергетики США
к 2000 г. на долю АЭС будет приходиться
около 27 % общего производства электроэнергии
в стране. При условии, если потребности в
энергии в США будут расти такими же
темпами, как в 70-е годы, суммарная
установленная мощность АЭС к концу века может
достигнуть примерно 690 ГВт1. В активной зоне
обычного реактора мощностью 1000 МВт
содержится около 1 тыс. т урана, 3 % из
которых составляет 235U. Из этого количества
ежесуточно расходуется 3 кг 235U. Это означает,
что из-за низкой концентрации 235U в
природном уране ежесуточно для снабжения
реактора топливом должно перерабатываться 430 кг
уранового концентрата, т. е. для каждого
реактора мощностью 1000 МВт должно
добываться в сутки 2150 т урановой руды.
По оценке комиссии АЕС 2 США,
сделанной в 1968 г., потребности в ядерном топливе
1 По последним прогнозам этот показатель снижен
в 3—4 раза. (Примеч. ред.)
2 Комиссии по атомной энергии. (При меч, ред.)
на 80-е годы, включая восьмилетний запас,
должны были составить 5,9-108 т руды со
стандартным содержанием урана (5,9-105т
очищенной окиси U308 или «черной окиси»).
Столь крупные масштабы потребностей в
уране вызвали необходимость в проведении
тщательной оценки запасов делящихся
материалов, чтобы определить, могут ли эти запасы
обеспечить развитие ядерной энергетики в
предполагаемых размерах.
Большинство неорганических соединений
урана растворимо в воде, и поэтому уран в
низких концентрациях очень широко
распространен по всему земному шару. В большей
части гранитов и сланцев его концентрация
колеблется в пределах Ю-5—Ю-4 %.
Концентрированная руда, в основном уранит,
карнотит, давидит и конгломераты, встречается во
многих районах земного шара. Во время
второй мировой войны уран добывался на
рудниках уранита в Заире. В последующем
разведочные работы в США выявили крупные
залежи урановой руды в районах плато
Колорадо, бассейна Вайоминг и равнин Техаса на
побережье Мексиканского залива.
Происхождение этих крупных залежей до сих пор
является предметом серьезных разногласий среди
специалистов-геохимиков, но большая часть
гипотез связывает их с отложениями в руслах
38

рек палеозойской эры. В этих залежах
концентрация урана в среднем составляет 10~3%.
Такие месторождения разрабатываются не
только в США, но и в Канаде, Южной
Америке, Южной Африке и в Европе.
Оценки запасов урана имеют те же
недостатки, что и оценки любого минерала, а
именно недостаточный уровень знаний
геологических процессов, происходящих в недрах Земли.
Однако сделать такие оценки геологических
запасов необходимо, несмотря на большую
степень их неопределенности.
Оценки запасов урана даже еще более
противоречивы, чем нефти. Это происходит
оттого, что оценка размеров полезных запасов
урановой руды по существу зависит от того, как
они используются — в частности, от того, как
происходит обогащение урана и в каких
реакторах уран применяется. Подробнее об этом
будет сказано в гл. 7. Ясно одно — с
запасами урана существуют такие же проблемы, как
и с запасами нефти. На рис. 2.20 показана
зависимость темпов роста запасов «дешевой»
окиси U308 от суммарной глубины бурения.
В 1974 г. дешевой считалась окись урана по
цене 17 долл/кг, а в 1980 г.— уже 66 долл/кг,
и этот показатель продолжает повышаться.
Темпы прироста запасов в расчете на
единицу объема разведочных буровых работ имеют
неуклонную тенденцию к падению.
Рассчитанный для Qoo на основе
приведенных данных график полного цикла для
«дешевой» окиси из08 показан на рис. 2.21.
Согласно этому графику запасы сравнительно
недорогой окиси U3Os относительно велики.
Реакторы-размножители на быстрых
нейтронах
Запасы дешевого урана в США не
безграничны, и их недостаток может сказаться уже
через 5—6 лет. С другой стороны, США
располагает большими залежами руды с низкой
концентрацией урана, однако их освоение
требует значительно больших затрат, поэтому
разработка таких залежей не начнется до тех пор,
пока стоимость электроэнергии,
вырабатываемой на органическом топливе, в основном на
угле, не возрастет настолько, что
электроэнергия АЭС, работающих на таком дорогом
уране, не станет конкурентоспособной. Даже
если бы ситуация с запасами урана и не была
столь критической, во внимание необходимо
было бы принять другой фактор. Состоит он в
том, что изотоп 235U, являясь единственным
встречающимся в природе делящимся
изотопом, относится к невозобновимым ресурсам.
Этот изотоп не образуется в природе и, если
экономически извлекаемые запасы 235U
использовать полностью в тепловых реакторах, он
исчезнет навсегда. Поэтому необходимо создать
такую технологию, которая позволила бы
использовать встречающийся в гораздо больших
количествах изотоп 238U. Этот изотоп не
поддерживает цепную реакцию под воздействием
нейтронов, но может быть преобразован в
такой элемент, который такую реакцию
поддерживает,
39
Рис. 2.20. Зависимость темпов роста R запасов новых
месторождений «дешевой» окиси U308 от суммарной
глубины бурения:
/ — при отсутствии времени запаздывания между открытием
месторождения и сообщением об этом; 2 — при времени
запаздывания, разном I году; 3 — при значении Qo=490 тыс. т (при
43 млн. м) и Q --=560 тыс. т
Рис. 2.21. Полный цикл для ресурсов урана в США:
/ — суммарная добыча 243 тыс. т; 2 — запасы 245 тыс. т; 3 —
неразведанные извлекаемые ресурсы 78 тыс. т

Ядра 238U поглощают быстрые нейтроны,
т, е. нейтроны с энергией в несколько
килоэлектронвольт. В образующихся ядрах 239U
начинается р-распад, имеющий период
полураспада 23,5 мин, после чего получается элемент
нептуний, не образующийся в природе
естественным путем. Этот изотоп также распадается,
испуская р-частицы, и превращается в
плутоний. Период полураспада равен 2,35 сут.
Символически это можно записать так:
238JJ + n->239U
^239Np + p- + v (2.2)
_^239Pu + p- + v
Этот процесс представляет собой
расширенное воспроизводство ядерного горючего.
Изотоп плутония относительно стабилен и имеет
период полураспада более 24 тыс. лет. Но
поскольку плутоний также не встречается в
природе, этот период тоже не так уж долог. 239Ри
даже в большей степени, чем 235U подвержен
тепловой нейтронной реакции деления, и на
одно деление у него образуется в среднем
большее число нейтронов. Эти свойства 239Ри
были открыты на самых начальных этапах
исследований ядерного деления, и во время
второй мировой войны предпринимались
интенсивные усилия наладить с помощью реакторов
получение плутония в количествах,
измеряемых килограммами. Первая ядерная бомба
была взорвана 16 июля 1945 г. в Нью-Мехико
около г. Аламогордо. Она представляла собой
устройство, созданное на принципе деления
плутония.
Физические свойства плутония делают его
очень интересным и весьма опасным
материалом. Для специалистов, занимающихся
физикой твердого тела, этот металл в чистом виде
интересен тем, что имеет шесть различных
кристаллических форм, называемых аллотро-
пами, каждая из которых имеет собственные
явно выраженные физические характеристики.
Рис. 2.22. Схема потока вещества и энергии в реакторе-
размножителе на быстрых нейтронах
А опасен он по нескольким причинам.
Во-первых, в нем очень легко начинается реакция
деления— большая масса чистого металла
испускает такое количество нейтронов в
результате самопроизвольных распадов ядер, что
вероятность возникновения без воздействия
извне неконтролируемой цепной реакции деления
становится очень высокой. Величина
«критической массы», при которой начало реакции
становится практически неизбежным,
исчисляется несколькими килограммами и зависит от
конфигурации, состояния металла и других
факторов. Плутоний также очень токсичен.
Из-за его высокой радиоактивности попадание
в организм даже очень небольшого
количества этого элемента может нанести весьма
большой вред. По нормам министерства
энергетики США максимально допустимая
концентрация плутония в воздухе составляет 0,00003
мкг/м3. Кроме того, нагретый плутоний в
металлическом состоянии очень активно
реагирует со многими газами, например
воспламеняется в кислородной среде. Эти свойства, а
также непрерывный самонагрев металла под
воздействием собственной радиоактивности и
его хрупкость делают его трудными в
производстве, обработке и обращении. По этим
причинам правительство США не проявляло
последовательной приверженности к реакторам-
размножителям. Соображения в пользу
реакторов-размножителей будут рассмотрены
ниже, пока же заметим, что правительства могут
сменять друг друга, но энергетическая
ситуация от этого, к сожалению, не меняется.
Схематически действие
реактора-размножителя на быстрых нейтронах показано на
рис. 2.22. В результате реакции деления в
ядерном горючем 239Ри образуются быстрые
нейтроны, а продукты деления выделяют в
топливных элементах теплоту. Затем теплота
поглощается теплоносителем и используется
для производства пара. В защитном слое из
воспроизводящего материала 238U быстрые
нейтроны образуют новое ядерное горючее.
Выделение плутония из защитного слоя
осуществляется химическим путем. Поскольку в
данном случае меньшее число нейтронов
делящегося материала идет непосредственно на
поддержание цепной реакции, его
концентрация в ядерном топливе
реактора-размножителя на быстрых нейтронах выше, чем в
обычном реакторе на тепловых нейтронах, — около
30 % по сравнению с 3 % в последнем. В
реакторе-размножителе на быстрых нейтронах в
качестве теплоносителя нельзя использовать
воду, поскольку замедление нейтронов в
данном случае нежелательно. Вместо нее в
современных конструкциях в качестве
теплоносителя используется жидкий натрий. При таком
теплоносителе внезапная потеря теплоносите-
4Ь

ля может привести к расплавлению активной
зоны, увеличению радиоактивности и
образованию критической массы. С другой стороны,
поскольку в качестве теплоносителя вода не
используется, реактор может работать при
более высоких температурах, увеличивая тем
самым термический КПД электростанции до
40 % и более, что даже лучше КПД на
электростанциях, использующих органическое топливо.
Некоторое количество плутония образуется
и в реакторах на тепловых нейтронах. Однако
в этих реакторах количество образующихся
атомов плутония меньше, чем количество
использующихся атомов 235U.
Несмотря на свойственные им недостатки,
реакторы-размножители на быстрых
нейтронах могут в перспективе иметь большое
значение, поскольку их внедрение обеспечит
многократное увеличение запасов урана. Это, в
свою очередь, может достаточно далеко
отодвинуть наступление такого времени в
будущем, когда производство энергии на АЭС
станет настолько дорогим, что понадобится
широкое использование альтернативных
источников энергии, например солнечной, применение
которых в результате станет экономически
оправданным.
Успешное внедрение
реакторов-размножителей на быстрых нейтронах позволило бы
использовать руду с низким содержанием
урана, что в настоящее время не может быть
осуществлено. Например, можно было бы думать
об использовании сланцев, залегающих на
большей части территории штатов Теннесси,
Кентукки, Огайо, Индиана и Иллинойс.
Предположим, можно было бы извлечь и
использовать слой скального грунта плотностью
2,5 г/см3 с содержанием урана 150 г/м3. Если
с каждого квадратного метра поверхности
земли можно было бы получить 5 м3 такой руды,
то потребовалось бы разрабатывать залежи
этой руды на площади менее 5 км2, чтобы
получить столько энергии, сколько содержится
во всех имеющихся в США запасах нефти.
Еще более эффективной оказалась бы
разработка таких месторождений, если бы удалось
использовать содержащийся в скальном
грунте торий для производства в
реакторе-размножителе на быстрых нейтронах
расщепляющегося изотопа 233U. Единственным
ограничивающим фактором в суммарном производстве
ядерного топлива для
реакторов-размножителей на быстрых нейтронах была бы глубина,
до которой экономически оправдано и
технически возможно вести добычу
воспроизводящих материалов. Таким образом, хотя
реакторы-размножители на быстрых нейтронах и
могут расширить в будущем энергетические
ресурсы, они не могут стать тем направлением,
на котором человечество окончательно
остановит свой выбор для обеспечения неограш-
ченного энергоснабжения в будущем.
Необходима система, основанная на использования
более широко распространенного сырья.
Термоядерный синтез
Наиболее широко встречающимся в
природе элементом является водород. Несмотря на
то, что в свободном состоянии в атмосфере
Земли водорода очень мало, огромное его
количество содержится на ее поверхности в
различных устойчивых соединениях, в частности в
воде. Существуют и изотопы водорода — *Н,
2Н, 3Н. Ядро первого из них представляет
собой протон. Дейтерий устойчив и встречается
в природе в количестве примерно 0,015 %
количества изотопа 1Н. Третий изотоп,
называемый тритием, неустойчив и имеет период
полураспада 12,26 лет. Его легко получить в
ходе различных ядерных реакций. Эти изотопы
могут воспроизводить такие ядерные реакции,
при которых суммарная масса конечных
продуктов реакции получается меньше, чем
суммарная масса веществ, вступивших в
реакцию. Разница в массах, как и в случае
реакции деления, составляет кинетическую энергию
продуктов реакции. Наибольший интерес
представляют следующие реакции:
2Н + 2Н_^зН + п + 3,2 МэВ; (2.2)
и 2Н + 2Н_^зН + р + 4,0 МэВ (2.3)
2Н + 3Н^4Не + п + 17,6 МэВ. (2.4)
Такой тип ядерной реакции, при котором по
крайней мере одно из образующихся ядер
имеет массу, большую, чем масса любого из
первоначальных ядер, называется реакцией
термоядерного синтеза.
Несмотря на то, что количество энергии,
получаемой в результате единичной реакции
синтеза, меньше по сравнению с реакцией
деления, энергия в расчете на 1 кг вещества
сопоставима и составляет 2,37-1013 Дж. Такое
количество энергии можно получить примерно
из 3 м3 воды при помощи реакции синтеза по
типу уравнений (2.2), (2.3), (2.4). Энергия,
содержащаяся в 1 км3 морской воды,
эквивалентна энергии, запасенной в 180 млн. т сырой
нефти, что составляет около 1/1000 всех
мировых геологических ресурсов нефти. Суммарный
объем океанской воды по оценке равен
примерно 1,5-109 км3. Если удастся овладеть
термоядерным синтезом, можно будет получить
поистине неограниченный источник энергии.
Термоядерный синтез — не просто
теоретическая возможность. Считается, что это
основной механизм излучения энергии звезд.
Термоядерный синтез лежит в основе водородной
бомбы. Однако поддержание реакции синтеза
41

в течение какого-либо продолжительного
периода времени в замкнутом пространстве, из
которого можно было бы отводить теплоту для
производства пара, является совершенно иной
задачей. Попытайтесь найти такой ящик, в
который можно было бы спрятать звезду! На рис.
2.23 показана схема потока вещества и
энергии в термоядерном реакторе. Для того чтобы
заставить ядра вступать в реакцию синтеза,
требуются высокие температуры, но
удовлетворительного способа создания и поддержания
таких температур до сих пор не найдено.
Много усилий затрачено на развитие системы
магнитного удержания плазмы. Последние
исследования с использованием интенсивного
лазерного излучения также дают обнадеживающие
результаты. Если предположить, что со
временем проблема поддержания реакции
термоядерного синтеза будет решена, то возникает
проблема отбора и преобразования
избыточной энергии, проявляющейся главным образом
в форме кинетической энергии нейтронов.
Для этого потребуется теплоноситель с
высокой теплоемкостью и в то же время мало
подверженный влиянию интенсивного
нейтронного облучения в реакторе. Подходящим для
этой цели является металл литий — он имеет
высокую точку кипения и отличные
характеристики теплопроводности. Два
встречающихся в природе устойчивых изотопа лития
вступают в реакцию с нейтронами по следующим
формулам:
6Li + п->3Н + 4Не + 4,8 МэВ; (2.5)
Чл + n-^Н +4Не + п — 2,5 МэВ. (2.6)
Энергия отдачи продуктов реакции — трития и
гелия — поглощается металлическим литием,
выделяя тем самым теплоту. Образующийся
тритий является весьма опасным для
окружающей среды из-за возможности его попадания
Рис. 2.23. Схема потока вещества и энергии в
термоядерном реакторе
в организм при дыхании, но его образование в
теплоносителе имеет и свои преимущества.
Наибольшее количество избыточной
энергии на килограмм реагентов приходится на
реакцию синтеза дейтерий — тритий,
представленную в (2.4). Но в природе обычно третий не
встречается, и потому желательно получать
требуемое количество трития в самом
реакторе. В этом смысле термоядерный реактор
является реактором-«размножителем», и это его
свойство является наиболее опасным для
окружающей среды. Согласно оценке уровень
радиоактивности в термоядерном реакторе
мощностью 5 ГВт в любой момент времени будет
составлять 7-Ю18 Бк трития. Такая
радиоактивность сопоставима с наиболее опасной
радиоактивностью изотопа йода 1311, который
образовался бы в реакторе деления
аналогичной мощности, но биологическое воздействие
радиоактивности трития существенно
отличается от воздействия радиоактивности изотопа
йода 1311. Проблема обращения с тритием
должна решаться весьма тщательно. Это, однако,
не означает, что ее решение представляет
такие же технические сложности, какие
возникают при решении проблемы удержания
высокотемпературной плазмы.
С наступлением энергетического кризиса
исследования в области термоядерного
синтеза стали усиленно развиваться. Однако
прежде, чем термоядерный синтез сможет внести
существенный вклад в энергоснабжение мира,
необходимо решить многие фундаментальные
научные и технические проблемы.
Большинство специалистов в своих оценках сходится на
том, что промышленное использование энергии
термоядерного синтеза начнется далеко за
пределами нынешнего века.
В настоящее время на ядерную энергию
приходится сравнительно небольшая доля
суммарного мирового производства энергии. В
течение следующих 50 лет ее доля может
возрасти до 30 % и более, несмотря на то что
многие экологические проблемы, связанные с
использованием ядерной энергии, еще
предстоит решить. Отсутствуют необходимые по
условиям технологии материалы для производства
экономичных и безопасных
реакторов-размножителей, что влияет на решимость
правительства США развивать это направление.
Отметим, что во Франции, Великобритании и СССР
продолжают создавать
реакторы-размножители, но имеющиеся проекты пока не
выдерживают конкуренции с другими технологиями.
В США ведутся исследования и в области
решения значительно более трудной
технологической проблемы, а именно поддержания
реакции термоядерного синтеза. Потенциально
термоядерный синтез может служить
источником эффективного вдвдэвавдеш анергии,

оказывающего минимальное вредное
воздействие на окружающую среду. В истории
развития ядерной энергетики можно найти
много противоречий, однако ни одно из них не
носило принципиально технического характера.
Проблемы, связанные с ядерной энергетикой,
возникают, возможно, потому, что
политические и экономические факторы оказывают
столь же важное воздействие при принятии
решений, касающихся развития энергетики,
как и технические факторы. Но энергетическая
проблема приобрела очень большое значение,
и поэтому развитие альтернативных
источников энергии с использованием средств,
которые еще не так давно можно было бы назвать
необычными, продолжается.
Ряд ответственных представителей
политических и деловых кругов указывает на другие
возможности, которые имеются у общества, а
именно: сокращение до минимума темпов
экономического роста и более эффективное
использование энергоресурсов, а также
сочетание этих двух направленй. Некоторые
средства достижения этого будут рассмотрены в гл.
11. Здесь следует лишь признать, что в
настоящее время структура потребления
энергоресурсов нерациональна и еще какое-то время
будет оставаться такой.
В последующие четыре-пять десятилетий
органическое топливо станет значительно
дороже, и необходимые затраты на расширение
промышленности или даже на простое
поддержание ее существующего уровня будут
намного больще, чем в настоящее время.
Разрыв в валовом национальном доходе между
промышленно развитыми и развивающимися
странами продолжает увеличиваться с
каждым годом. Более дорогостоящая
энергетическая база будет означать возможность
образования еще большего неравенства между этими
странами. Проявившиеся в последнее время
последствия неблагоприятного воздействия на
окружающую среду процессов производства
энергии, высокомеханизированного сельского
хозяйства и автомобильного транспорта будут
оказывать дополнительное сдерживающее
влияние на развитие энергетики. Уже сейчас
развиваются различные альтернативные
источники энергии. Возможно, при приемлемой
стоимости за счет ядерной энергии можно будет
обеспечивать мир энергией, но прежде, чем
создавать широкую сеть АЭС большой'
мощности, необходимо решить множество серьезных
экологических проблем.
Энергия, получаемая непосредственно от
Солнца, может стать конкурентоспособной в
ближайшие несколько десятилетий, и в этом
случае вопрос о земных энергетических
ресурсах приобретет лишь теоретический интерес.
В любом случае понимание физических
принципов преобразования, транспортировки,
хранения и использования энергии является
важной основой, на которой можно начинать
анализ проблем влияния развития энергетики на
окружающую среду.
ЗАДАНИЯ ДЛЯ АУДИТОРИИ
1. Проанализируйте одно из расположенных
поблизости от вашего района месторождений сырья,
например угля, железной руды, лесоматериалов или
строительного камня. Каковы суммарные запасы
месторождения? Какая их часть уже использована? Как
изменилась их ценность за прошедшее десятилетие? Кто
является первичным потребителем этого сырья?
Каково наличие запасов сырья с худшими качественными
характеристиками?
2. Определите среднее количество солнечной
энергии, которую можно получить в вашей местности.
Учтите при этом метеорологические наблюдения, т. е.
среднее число солнечных и пасмурных дней и т. д.
УПРАЖНЕНИЯ
1. Если цена на нефть составляет 293 долл/т, по
какой цене следует продавать природный газ для того,
чтобы обеспечить одинаковую цену на оба топлива в
условном исчислении? Дайте ответ в долларах за
1000 м3. Сравните полученный ответ с ценой, по
которой газ продается в вашем районе. Проделать тот же
расчет для электроэнергии, используя соответствующие
единицы.
2. Кривая добычи нефти, изображенная на рис. 2,6,
может быть приближенно представлена гауссовым
распределением
^ = (irlexp[-a2('-'o)2b
где а — параметр, характеризующий ширину плошади,
ограниченной кривой; tQ — значение времени, в течение
значение функ-
-т.-
которого кривая симметрична,
ции при t = t0. Площадь Q^,, ограниченная кривой,
может быть рассчитана с помощью интеграла:
J dt
равен 85 годам.
При а^О.ОЗ форма кривой приближается к
представленной на рисунке. Найдите значение Qoo и покажите,
что промежуток времени, при котором значение функции
Г dQ 1
становится больше 0,2 —;—
L dt \
Ответ: 23,3 млрд. т; 84,58 лет.
3. Предположим, что значение Q^ для нефти в
США составляет 280 млрд. т, т. е. на порядок выше,
чем наша оценка. Предположим также, что максималь-
" dQ "
ный уровень добычи
dt
равен 550 млн.т в год и
функция имеет вид кривой упражнения 2, но значение
параметра а не равно 0,03. Определите год, в котором
функция достигнет максимума.
4. Кривая добычи нефти может быть также
приближенно рассчитана как разница между двумя
кривыми
У =
\ + еа
43

Первая кривая соответствует кумулятивному росту
запасов открываемых месторождений нефти со значением
& = 575 млн. т/год и постоянными а—101,6 и 6=0,0523.
Вторая кривая соответствует кумулятивной добыче
нефти со значениями ?=575 млн.т/год при а =122,4 и
6=0,061. Постройте эти две кривые для периода с
1900 по 2060 г., а также функцию разности, оцените
значение QTO и определите год максимума.
5. Часто трудно оценить время исчерпания
энергоресурсов, поскольку оно зависит от темпов их
потребления и размеров разведанных запасов. Оцените
абсолютный максимум ресурсов нефти, исходя из
следующих предположений:
ресурсы нефти по объему эквивалентны объему
земного шара;
среднегодовые темпы роста добычи нефти
составляют 7 % (что равно значению этих темпов в период
с 1890 по 1970 г.);
в 1970 г. добыча нефти составила 2,3 млрд. т.
Насколько хватит этих ресурсов? Можно ли улучшить
оценку, внеся коррективы в предположения?
6. Тепловая электростанция мощностью 1000 МВт
с КПД 40 % работает на нефтяном топливе. Нефть
производится путем дистилляции нефтеносных сланцев
при среднем удельном выходе ПО л на тонну сланцев.
Если плотность сланцев после отбора нефти составляет
103 кг/м3 и если эти «хвосты» укладываются в форму
прямоугольника шириной 50 м и высотой 25 м, то
какой длины будет этот прямоугольник после 100 сут
работы электростанции?
Ответ: 180 м.
7. Уголь, имеющий содержание углерода 80 % и
теплоту сгорания 7,4-106 Дж/кг, используется в
качестве топлива на электростанции мощностью 1000 МВт с
КПД 40 %. Если КПД горения 85 % (т.е. 85 %
углерода превращается в углекислый газ С02), сколько
углекислого газа С02 образуется ежесуточно?
8. Если скорость ветра в функции от времени в
какой-либо местности задана уравнением, км/с,
1» = 20 sin» (я-^-),
где t — время, ч, считая от 0,0 ч пополуночи, какова
будет максимальная средняя электрическая мощность,
которую можно получить от ветроустановки в этой
местности в среднем за 24 ч?
9. Средняя плотность солнечной энергии у
поверхности земли в юго-западной части США составляет
около 250 Вт/м. Если солнечные фотоэлементы имеют
КПД 13 %, какова должна быть общая площадь
солнечного коллектора для электростанции мощностью
J000 МВт? Какова будет ее суммарная стоимость, если
удельная стоимость материала, из которого
изготовляются солнечные элементы, составляет 10 тыс. долл/м2?
Сравнить полученные результаты с угольной ТЭС
аналогичной мощности, стоимость которой около 1,5 млрд.
долл.
Ответ: 3,08-107 м2.
10. В 1973 г. суммарное производство
энергоресурсов в США составило 76,8-1021 Дж. Из этого
количества 7-Ю21 Дж приходилось на электроэнергию.
а) Предположим, что 2 % площади штата
Аризона выделено для размещения солнечных установок.
Принимая среднюю освещенность равной 250 Вт/м2 и
КПД преобразования 13 %, определите, какую часть из
приведенных выше данных о количестве всех
производимых в США энергоресурсов и отдельно
электроэнергии можно получить с этой площади с помощью
солнечных электростанций.
б) Согласно одному из проектов в районе Великих
равнин США можно разместить 150 тыс. ветровых
энергетических установок на башнях высотой 260 м.
Если каждая из них имела бы мощность 1,5 МВт,
какую долю из приведенных выше количеств
энергоресурсов и электроэнергии можно получить от этих
установок?
11. Земля в среднем поглощает четвертую часть
солнечного потока интенсивностью 1,4 кВт/м2. Часть
этой энергии отражается в количестве,
соответствующем коэффициенту отражения, и часть вновь
излучается поверхностью Земли. Процесс может быть описан
уравнением
Q = 0,35Q + sr4,
где Q — средняя норма поглощения; 0,35Q —
коэффициент отражения, а выражение sP характеризует
излучение предметов в зависимости от температуры, К.
Для Земли s составляет примерно 6-Ю-8 Дж/(м2- с-К4).
Найдите уравнение температуры у поверхности Земли
и сравните найденное значение температуры со средним
ее значением, равным 20 °С. Чем можно объяснить
разницу температур?
12. На электростанции, работающей на разности
температур поверхностных и глубинных слоев воды,
отбор теплоты от поверхностной более теплой воды
составляет около 3000 МВт, при этом температура воды
понижается на 2°С. Допустим, что КПД
теплообменника 100 %. Каков при этом должен быть расход воды?
13. Предположим, требуется разработать проект
ГАЭС для покрытия 20 % суммарных потребностей в
электроэнергии западного района штата Массачусетс, в
котором проживает примерно 1,4-106 чел. Если в
среднем на человека приходится 1 кВт (что характерно для
большинства населения США), какой объем воды
необходимо закачивать ежедневно в верхнее
водохранилище при напоре 240 м (при КПД преобразования
100 %)? Если водохранилище имеет площадь 130 га,
какой должна быть в среднем его глубина?
14. ГЭС с напором 30 м имеет установленную
мощность 500 МВт. Какова должна быть площадь
зеркала водохранилища для того, чтобы уровень
водохранилища не снижался более чем на 5 см за день ее
работы? Предположите, что в водохранилище нет
притока воды и что КПД преобразования составляет 90 %.
Ответ: 2,94-109 м2.
15. Приливная электростанция имеет
водохранилище прямоугольной формы площадью 100 км2 и высоту
прилива и отлива 8 м. Прилив продолжается 12 ч. КПД
преобразования энергии приливной волны в
электрическую 90 %. Напряжение с шин генератора повышается
трансформатором со 100 В до 500 кВ с КПД 95 %.
Электроэнергия передается в город на расстоянии 30 км
по линиям электропередачи, имеющим удельное
сопротивление 0,0003 Ом/м. Понижающий трансформатор,
имеющий КПД также 95 %, снижает напряжение на
нагрузке до 100 В. Определите значение мощности,
подведенной к потребителю. Сколько энергии теряется при
производстве, преобразовании и передаче
электроэнергии? В какой форме проявляются потери?
(Предположим, что подведенная энергия и потери в сумме равны
аккумулирующей способности водохранилища, куда
поступает вода во время прилива.)
16. Если бы тепловое излучение Земли
распределялось равномерно, то плотность теплового потока была
бы 7,3-Ю-6 Дж/(см2-с). Однако из-за
неравномерности излучения есть районы, где имеет место более
интенсивный тепловой поток. В одном таком районе, а
именно в долине Гейзеров, штат Калифорния, есть Гео-
ТЭС, которые используют такой тепловой поток и
преобразуют его в электрическую энергию. Суммарная
мощность этих электростанций около 400 МВт при
КПД 25 %. Предположим, что площадь, занимаемая
геотермальным источником, составляет 30 км2 и только
10 % этой площади непосредственно используется
электростанциями. Какова концентрация теплового потока
в данном районе?
17. Из геотермальной скважины в теплообменик по.
ступает вода при температуре 250 °С. Температура во-
44

ды на выходе нз теплообменника составляет 90 ФС
Турбоагрегат имеет мощность 200 МВт при КПД 30 %.
Если содержание растворенных в воде минеральных
солей составляет 20 г/л и они выпариваются, то какое
количество минеральных солей будет образовываться
за сутки?
18. Сколько энергии можно получить при полном
расщеплении 1 кг урана 235U? Сопоставима ли она с
энергией, которую можно получить при сжигании 1 кг
угля? (Дать соотношение двух значений!)
Ответ: 8.6Ы010 Дж.
19. ТЭС на органическом топливе имеет мощность
1000 МВт и КПД 42 %. АЭС той же мощности имеет
КПД 31 %. Каково соотношение между количеством
сбросной теплоты АЭС и ТЭС при одном и том же
объеме производства электроэнергии?
Многие задачи, возникающие при
рассмотрении энергетических объектов и связанных с
ними вопросов охраны окружающей среды,
можно свести к рассмотрению
последовательности процессов передачи энергии от одной
системы к другой. На рис. 3.1 стрелками
указаны основные стадии преобразования энергии
органического и ядерного топлива в
электрическую. Такие стадии преобразования
присутствуют в различных типах энергетических
установок, речь о которых пойдет в последующих
главах. Для преобразования энергии в
работу в этих установках используются газы:
реальные, такие как водяной пар, или
псевдогазы, такие как электроны в твердых телах.
Закономерности преобразования энергии
являются предметом термодинамики. Эта
область науки сложилась в XIX в. еще до того,
как возникли современные представления о
строении вещества. Позднее, с развитием
статистической механики и квантовой теории,
были поняты связи между макро- и
микропараметрами термодинамической системы. Мы не
будем, однако, останавливаться на этих
вопросах. Ниже нам потребуется делать количест-
(Химическая энергия внутренняя энергия рабочего тела
V ЛГсжигание mon/ruffa / Кинетическая Электрическая
^—^ ^ч— х^" / \ энергия Ч энергия
f >^Распадядерноготоплида Расширение ^s.
\Ядерная энергия вращение ротора турбогенератора
Рис. 3.1. Преобразование некоторых видов энергии в
электрическую
20.а) Предположим, что современные реакторе яв*
пользуют только изотоп 235U (в природном уране era
содержится 0,7 %) и энергия, выделяемая при каждом
делении ядра, равна 150 МэВ. Насколько хватит
запасов урана в США (около 106 т), если выработка
электроэнергии будет сохраняться на уровне 1973 г.
(7*1018 Дж) и будет обеспечиваться полностью АЭС?
б) Реактор-размножитель на быстрых нейтронах,
использующий уран 238U и плутоний 23Фи,
обеспечивает получение одинаковой энергии в расчете на 1 атом
каждого из видов топлива. Насколько хватит в этом
случае запасов урана, если объем производства
электроэнергии на АЭС с такими реакторами будет
находиться постоянно на уровне 1973 г.? Насколько их
хватит, если темпы роста потребления электроэнергии
составили бы 5 % в год, начиная с 1973 г.?
венные оценки, позволяющие сравнивать
эффективность различных методов
преобразования энергии. Простейшим критерием такого
сравнения является КПД:
x\ = WIE, (3.1)
где W — совершаемая работа; Е —
затрачиваемая энергия.
В предыдущей главе было сказано, что
КПД ТЭС, работающих на органическом
топливе, составляет около 40%, а КПД АЭС—
около 30 %. Это объясняется не только
недостатками существующих технологий, но и тем,
что существуют фундаментальные
ограничения, связанные с самой природой процессов
преобразования энергии.
В данной главе рассматривается характер
этих ограничений и формулируются общие
принципы, позволяющие исследовать
процессы преобразования энергии и машины,
реализующие эти процессы, а также возникающие
при этом вопросы охраны окружающей среды.
ПЕРВЫЙ ЗАКОН ТЕРМОДИНАМИКИ
Начнем изложение основ термодинамики с
простейшей модели энергетической установки
(рис. 3.2). Совокупность элементов внутри
контура, обозначенного пунктиром, будем
называть системой; она включает парогенераторы,
трубопроводы, турбины, генератор,
конденсатор, насосы. Мы не будем сейчас
останавливаться на конструкциях отдельных элементов
системы. Отметим главное — в системе
совершаются три основных процесса: испарение,
расширение и конденсация рабочего тела.
Жирными стрелками, связывающими эти три
процесса, показано направление движения ра-
Элементы термодинамики
45

Подвозимая
энергия '
1
1
Испарение
1 А
1
В
Конденсация
Совершаемая
Расширение
1
1
С 1
1
I
Отводимая энергия
Рис. 3.2. Простейшая модель энергетической установки,
в которой ©существляется три процесса: испарение,
расширение и конденсация рабочего тела
бочего тела между отдельными элементами
системы. На электростанциях работающих на
органическом топливе, и ядерных
энергетических установках рабочим телом в
подавляющем большинстве случаев является вода,
хотя другие вещества могут использоваться и
используются.
Принцип работы рассматриваемой
установки очень прост: подводимая к системе энергия
расходуется на испарение рабочего тела.
В точке В рабочим телом является пар с
высокими температурой и давлением1. Затем
рабочее тело расширяется, вызывая вращение
турбогенератора, т. е. производя
электрическую энергию, которая может быть
преобразована в работу. В точке С рабочее тело еще
пар, но с более низкой температурой и очень
низким давлением. В конденсаторе рабочее
тело переводится вновь в жидкое состояние и
приобретает исходные температуру и
давление. Энергия, которую необходимо вывести
при этом из системы, обычно отбирается
охлаждающей водой. Важно подчеркнуть, что
рабочее тело после выполнения цикла А—В—
С—А возвращается в точку А без каких-либо
изменений.
Сохранение энергии
Используем закон сохранения энергии для
анализа рассмотренной системы. Если в
системе не произошло изменений, то количество
подведенной к ней энергии
^вх = ^вых "Г И^вых» (3.*)
где ?Вых — отведенная от системы энергия;
№вых — совершенная системой работа. Это,
однако, еще не позволяет рассчитать КПД,
поскольку мы не знаем соотношения между ве-
1 При движении рабочего тела между отдельными
элементами системы его параметры состояния не
меняются и характеризуются автором, как это принято в
термодинамике, точками Л, В, С. Число независимых
параметров рабочего тела, которые и определяют указанные
точки, равно числу степеней свободы
термодинамической системы. Рассматриваемая система (рабочее тело—
чистое вещество) имеет две степени свободы или в
случае фазового равновесия жидкость — пар одну. (П р и-
м еч. ред.)
личинами ?вых и WBhlx для данной Евх. Не
очевидно также, должна ли отводиться энергия
?Вых в общем случае. В рассмотренном
случае энергия отводится. Это становится
очевидным при рассмотрении подвода и отвода
энергии на каждой стадии. Очевидно также, что
для изменения агрегатного состояния
рабочего тела, например его испарения или
конденсации, нужно подвести или отвести
определенное количество энергии. Таким образом,
рабочее тело обладает свойством запасать
энергию. Будем характеризовать изменение
внутреннего состояния рабочего тела количеством
запасенной им энергии, которое обозначим Д?А
В табл. 3.1 указаны количества
подводимой, запасаемой и отводимой энергии на
каждой стадии.
Таблица 3.1. Энергобаланс преобразования энергии в
модельной энергетической установке
Стадия
Испарение
Расширение
Конденсация
Итого


водимая

энергия
?вх
0
0
^вх

Совершаемая
работа
0
^вых
0
^вых

Отводимая
энергия
0
0
^вых
?вых
Изменение
энергии
системы
Шг
ш2
Шъ
Количество подводимой энергии в сумме
равняется количеству отводимой энергии и
совершаемой работы, а сумма Д?/ должна
равняться нулю, поскольку рабочее тело возвратилось
в исходное состояние.
Можно сделать вывод, что для
рассмотренной модели энергетической установки
справедливо (3.2). Однако мы по-прежнему не можем
рассчитать ее КПД. Подведенная и
отведенная энергия ?Вх и ?Вых представляют собой
теплоту. К понятию теплоты уже обращались
в предыдущих главах, но связь ее с иными
физическими процессами не рассматривалась.
Эта связь в XIX в. занимала умы многих
физиков и сегодня она достаточно ясна.
Давайте убедимся в этом. Будем сначала исходить
из интуитивного представления о том, что в
горячих телах содержится больше теплоты, чем
в холодных. Можно уточнить эти понятия, но
для этого нам потребуется определить
количественную меру понятий «горячее» и
«холодное».
Температура
Из целого ряда температурных шкал в
настоящее время широко используются две —
шкала Цельсия и Фаренгейта. В шкале
Цельсия за нуль принята точка плавления льда, а
46

за 100е—точка кипения чистой воды1. В
шкале Фаренгейта температура плавления льда
принята равной 32°. В качестве второй репер-
ной точки раньше использовалась температура
человеческого тела, которая принималась
равной 100°. Это неудобно, поскольку
температура тела даже у одного человека не постоянна.
В настоящее время за единицу шкалы
Фаренгейта принята Vieo разности температур
между точкой кипения чистой воды и точкой
плавления льда, причем последняя принята за 32°.
Значения температур в шкалах
Фаренгейта и Цельсия связана соотношением:
Гр=-5-Гс + 32. (3.3)
В температурных шкалах Цельсия и
Фаренгейта температуры могут принимать
отрицательные значения, что усложняет
интерпретацию температурных зависимостей. Нулевые
значения двух принятых температурных шкал
хотя и связаны с физическими свойствами
веществ, но по своему смыслу отличны от
нулевой скорости, нулевого давления или объема.
Нули шкал Фаренгейта и Цельсия не
являются абсолютными. Для того, чтобы определить
абсолютный нуль температуры, нужно
выбрать такой параметр вещества, значение
которого обращается в нуль с понижением
температуры и который связан с температурой
определенной зависимостью.
Таким параметром является средняя
кинетическая энергия поступательного движения
молекул
Ecv = -jkT, (3.4)
где k — коэффициент пропорциональности,
называемый постоянной Больцмана, &=1,38Х
ХЮ-23Дж/К.
В (3.4) температура 0 К имеет четкий
физический смысл — это значение, при котором
?ср=0. Однако это всего лишь одна точка
температурной шкалы. Чтобы определить
полностью эту шкалу, требуется задать величину
градуса. Удобно воспользоваться
температурной шкалой Цельсия, в которой интервал
температур от точки плавления льда до точки
кипения воды разбит на сто равных частей
(градусов). Определенная таким образом шкала
носит название абсолютной шкалы или шкалы
1 Точку плавления льда в качестве реперной точки
ввел в 1664 г. Гук, а точку кипения в 1665 г. — Гюйгенс.
Цельсий с 1740 г. стал обозначать точку плавления льда
через 100°, а точку кипения воды через 0°. Таким
образом он ввел стоградусную шкалу, однако направление
этой шкалы было противоположно употребляемому в
настоящее время. (Примеч. ред.)
Кельвина (градус шкалы Кельвина носит
название келъвин). 0,0 К=—273,15 вС!.
Существует также абсолютная
температурная шкала, которая использует градус шкалы
Фаренгейта. Она носит название шкалы Рен-
кина и нашла применение в инженерной
практике в США:
0, 0 °R=— 459,67 °F. (3.5)
Теоретические и экспериментальные
вопросы измерения температур подробно
рассматриваются в соответствующей учебной
литературе 2.
Теплота
Из опыта известно, что если два тела,
имеющие первоначально различные
температуры, привести в тепловой контакт3, энергия
будет передаваться от более нагретого тела к
менее нагретому до тех пор, пока их
температуры не станут равными. Этот процесс
называется теплопередачей. Она представляет
собой передачу средней кинетической энергии
атомов, молекул и электронов одного тела
атомам, молекулам и электронам другого. Подве-
1 Абсолютная температурная шкала или шкала
Кельвина или термодинамическая температурная шкала
признана Международным комитетом мер и весов в
качестве основной. Определение термодинамической
температурной шкалы базируется на втором законе
термодинамики и использует цикл Карно. Одним из важнейших
свойств термодинамической шкалы является
независимость ее от термометрического вещества. Для
определения градуса шкалы используется одна реперная точка —
тройная точка воды, а нижней границей температурного
промежутка является точка абсолютного нуля. Тройной
точке воды присваивается температура 273,15 К точно,
и таким образом градус Кельвина равен 727злв части
термодинамической температуры тройной точки воды.
Термодинамическая температура может быть выражена
и в градусах Цельсия с помощью формулы
t = T~T0,
где Т — абсолютная температура; t — температура, °С:
70 = 273,15 К (температура плавления льда в градусах
Кельвина).
Экспериментальные трудности, присущие
измерениям термодинамической температуры, привели к
принятию международной температурной шкалы.
Международная практическая температурная шкала (МПТШ-68)
основана на определенных воспроизводимых реперных
точках (т. е. легко реализуемых состояний того или
иного вещества, температура которых точно известна) и
построена таким образом, что разница между
термодинамической шкалой и МПТШ-68 меньше погрешности
современных средств измерения температуры. (П р и-
меч. ред.)
2 В. А. Кириллин, В. В. Сычев, А. Е. Шейндлин.
Техническая термодинамика. М.: Энергия, 1968. 472 с.
(Примеч. ред.)
3 Про тела говорят, что они находятся в тепловом
контакте, если тем или иным способом
(теплопроводностью или с помощью излучения) для них обеспечена
возможность теплообмена, причем вещество, входящее в
состав одного тела, не может проникать внутрь
другого. (Примеч. ре д.)
47

Таблица 3.2. Удельные теплоемкости некоторых твердых
веществ при постоянном давлении (Г = 20оС, р=\05 Па)
Таблица 3.3. Молярные теплоемкости некоторых газов
Вещество
Алюминий
Углерод
Медь
Лед
Железо
Свинец
Серебро
Вольфрам
Дж/(кг-К)
899,6
510,4
386,6
2301,2
472,8
131,8
236,0
134,3
с **
Дж/(моль- К)
24,35
6,11
24,48
41,42
31,17
26,44
25,48
24,77
* Удельная теплоемкость.
** Молярная теплоемкость.
денная к системе теплота будет обозначаться
+Q, а отведенная из системы —Q. Теплота в
системе единиц СИ измеряется в единицах
энергии — джоулях.
Коэффициент пропорциональности между
количеством подведенной (отведенной) к телу
теплоты и соответствующим изменением его
температуры Д7 называется теплоемкостью:
Q = САГ. (3.6)
Этот коэффициент согласно такому
определению является не просто свойством материала,
но также зависит от размеров тела.
Поэтому удобнее пользоваться понятием
теплоемкости, отнесенной к единице массы или
удельной теплоемкости с, Дж/(кг-К), которая
зависит только от свойств материала:
с=±-%г. (3.7)
т AT
Часто с используют для обозначения
молярной теплоемкости — теплоемкости одного
моля вещества1. Значения удельных и
мольных теплоемкостей некоторых твердых тел
приведены в табл. 3.2.
Пример 3.1. К двум сковородам при нагреве
подведено по 41 840 Дж теплоты. Сковороды имеют массу
по 1 кг каждая, но одна — алюминиевая, а вторая —
железная. Требуется определить, на сколько градусов
нагреется каждая сковорода?
с= — ; AT = ;
m AT mc
A7\i =
^Fe =
41 840
lcA\
41 840
= 46,5 К;
Id
Fe
= 88,5 К.
В табл. 3.2 приведены значения удельной
теплоемкости с индексом р. Это означает, что
1 Молем, или грамм-молекулой, называют
количество вещества в граммах, численно равное его
молекулярной массе (количество молекул в 1 моле равно числу
Авогадро — 6,022-1023). Так, грамм-молекула вбды
имеет массу 18 г. (Примеч. п е р е в.)
Газ
Дж/(мольХ
К)
Дж/(мольХ
К)
Дж/(моль«К)
v=Vc„
Одноатомные газы
Не
Аг
Н2
О;
N2
С12
20,79
20,79
12,47
12,47
8,32
8,32
Двухатомные газы
28,74
29,41
29,08
34,68
20,42
21,04
20,75
25,73
8,32
8,37
8,32
8,95
1,67
1,67
1,41
1,40
1,40
1,35
со2
so2
СгНв
NH3
Многоатомные газы
36,94
40,37
51,67
36,82
28,45
31,38
43,09
27,82
8,49
8,99
8,58
8,99
1,30
1,29
1,20
1,31
они определены при постоянном давлении.
Теплоемкость можно измерять также и при
постоянном объеме (ее обычно обозначают
cv). Теплоемкость твердых тел, объем которых
меняется с температурой очень мало, можно
принять равной ср. У газов объем сильно
зависит от термодинамических параметров
системы, и поэтому нельзя путать ср и су.
Значения молярных теплоемкостей некоторых газов
приведены в табл. 3.3.
Возвращаясь к модели энергетической
установки, можно обобщить результаты,
приведенные в табл. 3.1 для отдельных процессов, с
помощью выражения1:
Q = MJ + W. (3.8)
В зависимости от характера процесса те
или иные члены в (3.8) могут обращаться в
нуль. Это уравнение носит название первого
закона термодинамики. Он представляет
собой математическое выражение закона
сохранения энергии для системы, которая
обменивается с внешней средой энергией в форме
теплоты и работы. Уравнение (3.8) можно
также записать в дифференциальной форме2:
dQ = dU + dW, (3.9)
1 В термодинамике принято считать работу W
положительной, если она производится системой над
внешней средой, а количество теплоты Q считается
положительным, если энергия передается системе извне без
изменения ее внешних параметров. (Примеч. ред.)
2 В этой форме записи только dU является полным
дифференциалом, dQ и dW следует рассматривать как
исчезающе малые количества Q и W соответственно. Это
связано с тем, что в отличие от внутренней энергии
получаемая системой теплота и совершаемая ею работа
определяются не только термодинамическими
параметрами системы, но и процессом их изменения. (Примеч,
ред.)
48

ПРИЛОЖЕНИЕ ПЕРВОГО ЗАКОНА
ТЕРМОДИНАМИКИ
Работа
Каким образом термодинамическая
система обменивается энергией с окружающей
средой при совершении работы? Ранее (рис. 3.2)
уже упоминалась работа расширения. При
этом речь шла об увеличении объема
рабочего тела (пара). Это лишь один из многих
способов совершения работы; так, например, в
гл. 5 термодинамический подход будет
использован при рассмотрении систем, в которых
работа совершается электрическими силами.
Наиболее простым случаем, когда
производится работа расширения, является
расширение газа под поршнем. При перемещении
поршня (рис. 3.3) на расстояние ds
совершаемая газом работа равна
dW = pAds;
dW = pdV,
(3.10)
(3.11)
где p = F/A — давление газа; F — сила,
действующая на поршень; А — площадь поршня.
При конечном изменении объем а газа от Vн
до VK получаем:
W
=-\p{V)dV.
(3.12)
Зная функцию p(V), можно вычислить W по
(3.12). Эта функциональная связь определяет
«путь» интегрирования. Если VK>VHi W
положительно и работа совершается системой.
Если VU>VK, W отрицательно и работа
совершается над системой.
Пример 3.2. Пусть p=k/V\ определим W,
совершаемую системой на участке от VH до Ук. Из (3.12)
получаем
w
= f -^dV = k\nV\ =k\n(-^-)
Поскольку логарифмы чисел меньше единицы
отрицательны, работа, совершаемая над системой, имеет
знак минус.
в&
: А ¦
^^Ш^^^^^
Рис. 3.3. Сжатие газа под
поршнем (совершение
работы над газом)
На рис. 3.4 показаны отдельно два
процесса и составленный из них замкнутый цикл.
Площадь под кривой процесса
(заштрихованная область на рис. 3.4, а) равна работе
расширения, выполняемой системой при
переходе из начальной точки н в конечную k. На
рис. 3.4, б показан процесс сжатия, поэтому
интеграл (3.12) будет отрицательным, но по
модулю равным площади под кривой
процесса. Интеграл вдоль замкнутой кривой (рис.
3.4, в) равен сумме двух интегралов:
$pdV=$ Pl(V)dV + $ p2(V)dV. (3.13)
Таким образом, работа цикла равна площади,
заключенной внутри цикла в р, V-диаграмме1.
Важно подчеркнуть, что работа является
функцией не только конечных состояний с
объемами VH и VK> но также и пути, по
которому осуществляется процесс. Это
утверждение эквивалентно тому, что интегрирование в
(3.12) можно выполнить, лишь зная
зависимость p(V). Графические диаграммы
процессов типа показанной на рис. 3.4 (р, К-диаграм-
мы) играют в термодинамике очень важную
роль. Однако р, V-диаграмма не дает еще
представления о том, обменивается ли
система в процессе расширения или сжатия
энергий с окружающей средой за счет отличия ъ
температурах.
Функциональная зависимость p(V) может
иметь весьма простой вид, например р =
=const. В этом случае из (3.11) следует
W = pW = p(VK-Vn).
(3.14)
что значительно упрощает расчеты.
Пример 3.3. Пусть диаметр поршня (рис. 3.3)
равен 0,1 м. Насколько изменится объем цилиндра при
перемещении поршня на 0,04 м? Если сила,
действующая на поршень, равна 104 Н, какая работа
затрачивается на этот процесс и каково давление под поршнем?
AV = VK — Va = AAs = я(0' 1)2 -0,04 м3 =
4
= 3,142-Ю-4 М«;
W = FAs= 10*-0,04 = 4,0-Ю2 Дж;
W = pAV, р = -^—= 4,0,102 =13.i06H/M2
^ AV 3,142-10-*
В качестве проверки можно убедиться, что
р = FIA.
Процесс, в котором выполняется условие р =
= const, называется изобарным. В р, К-диаг-
рамме этот процесс имеет вид горизонтальной
прямой.
1 Из этой диаграммы (рис. 3.4, в) видно, что для
того, чтобы работа цикла была положительной, нужно,
чтобы кривая процесса сжатия была расположена
ниже кривой расширения. (Примеч. ред.)
49

Рис. 3.4. Процессы, изображенные в
координатах р, V:
а — расширение; б — сжатие; в — замкнутый
цикл, включающий расширение и сжатие
Внутренняя энергия
Можно в принципе построить
термодинамическую систему, изолированную от внешней
среды так, что теплота не будет передаваться
вовне или поступать в систему (Q = 0).
Процесс, в котором Q = 0, носит название
адиабатического. Отличительная особенность
такого процесса состоит в том, что
совершаемая работа однозначно зависит от начального
и конечного состояния системы. Кривая,
отображающая адиабатический процесс в р, V-
диаграмме, носит название адиабаты.
Легко показать, что работа в этом случае
действительно не зависит от пути процесса. Из
(3.9) при dQ = 0 следует
И7 =
- f dU = UR-
UK
(3.15)
соответственно работа определяется только
значениями Un и UK.
Выше под U понималась неопределенная
величина: или запасенная энергия системы, или
изменение этой энергии. Эта
неопределенность вынужденная, поскольку не всегда
очевидно, с какой формой энергии мы имеем
дело. Это может быть изменение температуры
системы, изменение ее химического состава
либо фазового состояния, например
затвердевание жидкости, и т. п. Прямое определение
Д?/ является довольно сложной задачей; в
каждой конкретной системе оно зависит от
физического механизма протекающих
процессов. Однако известно, что (3.9) во всех
случаях остается справедливым и что в
адиабатическом процессе оно принимает вид (3.15). В
дальнейшем будем называть U внутренней
энергией системы.
Пример 3.4. К куску льда массой 1 кг при О °С
подводится 334,7 кДж теплоты и при этом получается 1 кг
воды при 0°С. Изменение объема при этом
оказывается малым. Как объяснить этот результат?
Запишем выражение первого закона
термодинамики: dQ=dU+dW. Поскольку изменение объема мало,
то член, учитывающий работу, можно положить
равным нулю. Это означает, что все подведенное
количество теплоты пошло на изменение внутренней энергии
системы. Отсюда следует, что для плавления льда при
0°С затрачивается количество энергии, равное
334,7 кДж/кг.
Рассмотрим, как меняется внутренняя
энергия, если во время процесса объем
системы остается постоянным. Такой процесс носит
название изохорного. При dV=0 первый
закон термодинамики сведется к виду:
dQ = dU(dV = 0). (3.16)
Разделив обе части на dT, получим:
dQ/dT = dU/dT. (3.17)
Согласно определению dQ/dT представляет
собой теплоемкость Cv (поскольку речь идет
о процессе при постоянном объеме):
dQ/dT = С у. (3.18)
Теперь можно переписать (3.17) в виде:
dU = CvdT(dV = 0). (3.19)
Выражение (3.19) может оставаться в ряде
случаев справедливым даже при dV^O.
Фактически оно выполняется во всех системах,
которые рассмотрены в данной книге, поэтому
ниже, не останавливаясь на строгом
обосновании, будем использовать выражение для
первого закона термодинамики в виде:
dQ = CvdT + pdV.
(3.20)
Это существенно упрощает задачу, поскольку
теперь все члены уравнения первого закона
термодинамики имеют четкий физический
смысл и выражены через измеряемые на
практике величины.
Пример 3.5. В сосуде под поршнем содержится
10 г 02 при атмосферном давлении 99 341 Па. К газу
подводится 562 Дж теплоты; при этом его
температура возрастает с 30 до 91,1 °С. Требуется определить,
насколько изменился объем газа?
Из (3.20) следует:
dQ = CvdT + pdV;
dV= — (dQ — ncv dT)
(Cv — ncv, где n — число молей газа). Тогда
AV =
1
99 341
562— -21,04-(91,1
32
= 1,61-10-» м.
-30)] =
50

Идеальный газ
Основные термодинамические процессы
Из данных, приведенных в табл. 3.3,
следует интересное свойство газов: для каждого из
трех типов газов значения теплоемкости, а
также ср—cv остаются примерно постоянными.
Это означает, что теплоемкости не зависят от
характера взаимодействия молекул в газе.
Выше было отмечено, что Cv зависит только
от температуры и не зависит от давления и
объема. Это может быть только тогда, когда
молекулы не взаимодействуют друг с другом
и, следовательно, могут рассматриваться как
математические точки. Такое представление,
естественно, является идеализацией, однако в
весьма широкой области температур и
давлений большинство газов ведут себя как
идеальные и их внутренняя энергия зависит только
от температуры.
Для идеального газа справедливо
соотношение, которое приблизительно выполняется
и для реальных газов:
pV = nRT,
(3.21)
где п — число молей газа; R — постоянная,
равная 8,314 Дж/(моль-К). Соотношение
(3.21) называют уравнением состояния
идеального газа. Для реальных газов также
получено несколько уравнений состояния, которые
весьма точно описывают связь р, V и Т в
широком интервале этих параметров.
Теплоемкости Cv и Ср связаны
соотношением Майера:
Cp = Cv + nR.
(3.22)
Из (3.21) и (3.22) с учетом приведенных
определений теплоемкостей можно получить
еще одну формулировку первого закона
термодинамики1
dQ = CpdT — Vdp.
(3.23)
Итак, рассмотрены основные способы опи-
сайия термодинамических процессов и расчета
совершаемой работы, передаваемой энергии,
изменения температуры и других величин,
представляющих интерес в задачах,
касающихся энергетических установок и их влияния
на окружающую среду.
В термодинамической системе при
произвольных внешних воздействиях могут
проходить самые различные процессы, однако
можно выделить четыре основных процесса,
которые играют фундаментальную роль в
энергетических установках, особенно в двигателях.
1 Не следует ошибочно идентифицировать первый
член в правой части с dU, а второй — с dW.
В адиабатическом процессе dQ = 0, что
позволяет, решая совместно (3.20) и (3.23),
получить:
pVy = const, (3.24)
где y=Cp/Cv.
Аналогично можно получить уравнения
относительно р и Г, Т и v (см. упражнение 8),
которые позволяют рассчитать, как меняются
термодинамические параметры системы при
адиабатическом процессе. Они особенно
интересны применительно к тепловым двигателям.
Работу, совершаемую в адиабатическом
процессе, можно вычислить по (3.20):
O^CydT+pdV, (3.25)
или
W=— CV\T.
(3.26)
Пример 3.6. На входе в цилиндр низкого давления
турбины пар имеет температуру 260 °С, а на выходе
35°С; cv=2008 Дж/(кг-К). Какую работу совершает
пар, если потери теплоты в окружающую среду
отсутствуют? Процесс показан в р, V-диаграмме на рис. 3.5.
Из (3.26) для 1 кг пара получаем
w =— 2008 (35 — 260) = 452 кДж/кг.
Изохорный процесс изображается в р, V-
диаграмме вертикальной прямой. Для него
также просто записывается уравнение первого
закона термодинамики. Поскольку dV=0, то
работа в этом процессе не совершается и из
(3.20) следует:
dQ = CvdT (3.27)
или
(3.28)
Зная количество подведенной в процессе
теплоты (3.28), можно с помощью (3.23) вычис-
Рис. 3.5. Адиабатический процесс, изображенный в
координатах /?, V
51

лить изменение давления:
CvdT = CpdT—Vdp; (3.29)
dp = —dT*. (3,30)
Пример 3.7. При сгорании порции топлива в
цилиндре автомобильного двигателя объем над поршнем
практически остается постоянным. Пусть температура
меняется от 400 до 2180°С. Как изменяется давление
в цилиндре?
Будем считать, что рабочее тело — воздух
(давление 0,1 МПа). Из (3.21) получаем**:
0,1(2453 — 673)
*Р = —^ZZ = 0,264 МПа.
673
Изотермический процесс. При I=const из
(3.20) получаем
dQ = pdV, (3.31)
откуда
Q = $pdV. (3.32)
Для вычисления этого интеграла
необходимо знать функциональную зависимость р от
V, что существенно усложняет решение задач
для реальных систем. В нашем случае будем
считать рабочее тело идеальным газом. Тогда,
выполняя интегрирование, как в примере 3.2,
получаем:
Q = nRT\n(VJVH). (3.33)
Используя (3.23), можно получить
аналогичное соотношение, выраженное через давления.
Пример 3.8. Пусть большая естественная полость
заполняется сжатым воздухом с целью
аккумулирования энергии. Сжатие нужно проводить изотермически.
Какое количество теплоты из расчета на 1 моль
необходимо при этом отвести, если начальное давление
равно 0,1 МПа, а конечное — 2,5 МПа? Считаем, что Г =
= 303 К.
Используем уравнение, аналогичное (3.33):
получаем количество теплоты
q= Ь8,31 -303-ln —— =—8105 Дж/моль.
Знак минус указывает, что теплота
отводится от системы. Если теперь сжатый газ
будет использован для получения работы при
адиабатическом расширении в турбине, его
температура существенно снижается.
* Уравнение (3.30) непосредственно следует из
уравнения состояния идеального газа (3.21). Подставив
его в (3.29), легко получить соотношение Майера (3.22).
(Примеч. ред.)
** Р0 и То — давление и температура воздуха до
воспламенения топлива. (П р и- м е ч. ред.)
Рис. 3.6. Схема потоков охлаждающей воды в водово-
дяном реакторе:
/ — ядерный реактор; 2 — активная зона реактора; 3 —
компенсатор; 4 — нагреватель; 5 — парогенератор; 6 — насос
Изобарный процесс часто встречается на
практике; например, при постоянном давлении
протекает большинство химических реакций.
Для изобарного процесса легко вычислить
количество теплоты и работу. Из (3.23)
получаем:
dQ = CpdT. (3.34)
Отсюда можно легко найти количество
теплоты:
<2 = СрД7\ (3.35)
Подставляя это выражение в (3.20),
определяем работу:
Cp/±T = Cv/ST + pAV. (3.36)
Пример 3.9. На рис. 3.6 условно показана схема
водо-водяного ядерного реактора, теплоносителем в
котором служит вода под давлением. В рабочем
состоянии около половины объема парового компенсатора
давления заполнено паром. Вода (и соответственно пар)
в нем автоматически подогревается для компенсации
падения давления, вызванного сменой пакетов
топлива, образованием пузырей и т. д. Давление
воды-теплоносителя в реакторе равно 17,2 МПа. Если
температура теплоносителя в реакторе 370 °С, а объем
компенсатора 50 м3, насколько необходимо поднять
температуру *, чтобы скомпенсировать уменьшение объема
воды на 0,1 %?
Прежде всего определим количество молей пара в
компенсаторе
pV 17,2-25,0
п = пгшч = п nt ,п„Л , мпк = 80,5 кмоль.
Из (3.36):
RT 8,31(370 + 273)
ДГ-80,5.103.8,31 = 17 200-0,025-103
Д7 = 0,64 К (или 0,64 °С).
1 Следует отметить, что изменение температуры
пара в компенсаторе при подводе теплоты при постоянном
давлении возможно лишь в очень идеализированных
условиях— когда пар отделен от воды и обмена массы
между ними не происходит. В действительности
стабилизация давления происходит за счет испарения
дополнительного количества воды с подводом теплоты при
постоянной температуре (поскольку речь идет о
фазовом равновесии жидкость — пар). (Примеч. п е р е в.)
52

Выше рассмотрены процессы, из которых
составляются термодинамические модели
реальных агрегатов. Некоторые из таких
моделей рассмотрены в последующих главах.
Остается решить вопрос, который был поставлен в
самом начале,— как рассчитать КПД
энергетической установки? Это можно сделать,
располагая моделью, составленной из
циклической последовательности рассмотренных
процессов. Однако этого недостаточно, чтобы
выяснить, является ли полученный КПД
наибольшим для установки данного типа и есть
ли другие установки, способные выполнять ту
же работу с большей экономичностью.
ВТОРОЙ ЗАКОН ТЕРМОДИНАМИКИ
КПД энергетической установки всегда
меньше единицы. При КПД=1 вся
подводимая к системе энергия превращается в работу.
Возможно ли практически получить такой
КПД? Да, но только не в циклическом
процессе. Примером может служить
изотермическое расширение газа. Оно может идти лишь
до того момента, пока давление не станет
равным атмосферному. Можно ли осуществить
циклическую последовательность процессов,
для которой Q = W и Д?/ = 0? Первому закону
термодинамики это не противоречит, но
осуществление такого цикла привело бы к
интересным следствиям. Можно было бы,
например, извлекать теплоту из любого источника,
скажем, мирового океана, и превращать его в
работу в двигателях судов. Это очень похоже
на вечный двигатель, который пытались
создать в прошлом веке. Реализовать эту идею,
как в любой другой тип вечного двигателя, не
удастся по одной и той же причине. Это
противоречит закону природы, который носит
название второго закона термодинамики1.
Имеется целый ряд формулировок этого
закона.
Формулировка Р. Клаузиуса. «Невозможно
построить периодически действующую
машину, все действие которой сводилось бы только
к передаче теплоты от менее нагретого тела к
более нагретому».
Формулировка В. Томпсона (лорда
Кельвина). «Невозможно построить периодически
1 Отрицая возможность записать первый закон
термодинамики для циклических процессов в виде Q=Wy
автор имеет в виду, что система, совершая циклический
процесс, не может теплоту Q полностью превратить в
работу W. В отечественной литературе эта форма
записи используется, при этом в величины Q и W
вкладывается» другой смысл:
Q=j)dQnW = j>dW.
Интегрирование проводится по пути процесса с учетом
правила знаков. (Примеч. ред.)
действующую машину, все действие которой
сводилось бы только к превращению теплоты,
получаемой от источника, целиком в работу».
Следует подчеркнуть, что второй закон
термодинамики не имеет доказательства, он
сформулирован на основе опыта. Он связан с
тем, что не существует способа упорядочить
хаотическое тепловое движение
микроскопических элементов. Можно изменять средние
характеристики совокупности молекул, но
нельзя регулировать поведение отдельно
взятых молекул.
Теперь, воспользовавшись вторым законом
термодинамики, можно, наконец, ввести
понятие экономичности преобразования энергии.
Отвод определенного количества теплоты
от рабочего тела к холодному источнику
является необходимым условием осуществления
цикла любого теплового двигателя. Обратное
противоречит второму закону в формулировке
Томпсона.
Работа в цикле равна разности количества
теплоты, подводимого при температуре Т\ и
отводимого при температуре Т2:
W = QX-Q2. (3.37)
КПД цикла
т) = Ql~Q2 . (3.38)
Qi
Значение КПД максимально при С?2 = 0,
однако это неосуществимо. Каково же его
реально достижимое максимальное значение?
Обратимость
Термодинамические параметры могут быть
рассчитаны лишь для таких процессов,
которые можно представить в виде
последовательности бесконечно малых изменений состояния
системы, при условии, что в каждом из
промежуточных состояний отклонение системы от
термодинамического равновесия бесконечно
мало.
Значения термодинамических параметров
системы имеют смысл лишь при условии, что
система находится в равновесном состоянии1.
Эти параметры являются результатом
осреднения некоторых микроскопических
переменных, характеризующих состояние системы,
поэтому необходимо, чтобы она подчинялась
определенным статистическим законам
осреднения. Как правило, эти законы нарушаются,
если система находится в процессе перехода из
одного равновесного состояния в другое, т.е.
1 Состояние системы, в котором все ее параметры
постоянны во времени и нет никаких стационарных
потоков за счет действия внешних источников, называется
равновесным или состоянием термодинамического
равновесия. (Примеч. ред.)
53

в ней происходят химические превращения,
имеют место неустановившиеся потоки или
переход теплоты от системы в окружающую
среду за счет трения. В неравновесных условиях
состав, давление и температура газа могут
быть различными от точки к точке и им не
могут быть приписаны определенные значения,
относящиеся к системе в целом. Только при
условии, что в газе отсутствуют эти три типа
неоднородности, можно определить значения
его термодинамических параметров; в этом
случае принято считать, что система находится
в термодинамическом равновесии.
С этим определением тесно связана идея,
что система может пройти одну и ту же
совокупность равновесных состояний как в
прямом, так и в обратном направлениях, т. е.
процесс является обратимым. Все реальные
процессы являются необратимыми. Тем не
менее понятие «обратимый процесс» оказывается
исключительно полезным в термодинамике.
Пользуясь им, можно определить
максимальный КПД цикла энергетической установки.
Цикл Карно
Вопрос о максимально достижимом КПД
преобразования теплоты в работу был впервые
исследован в начале XIX в. французским
инженером С. Карно. Он рассмотрел работу
идеального двигателя, который в начальной фазе
находится в термодинамическом равновесии с
холодным источником при температуре Т2.
Двигатель работает следующим образом:
рабочее тело обратимо сжимается; процесс
идет по адиабате (кривая ab, рис. 3.7) и при
этом его температура возрастает от Т2 до Ти
равной температуре горячего источника;
рабочее тело, находящееся в тепловом
контакте с горячим источником, имеющим
температуру Ти обратимо расширяется; процесс
Рис я 7 Цикл Карно для идеального
газа
идет по изотерме (кривая Ьс), совершая при
этом работу;
подвод теплоты к рабочему телу
прекращается и процесс дальнейшего расширения
происходит (обратимо) по адиабате (кривая cd),
до тех пор, пока температура рабочего тела не
станет равной Т2\
находясь в тепловом контакте с холодным
источником, рабочее тело обратимо
сжимается; процесс идет по изотерме (кривая da),
вплоть до состояния, в котором его
внутренняя энергия принимает первоначальное
значение.
Любая машина, в которой процессы
происходят в указанной последовательности
(цикл Карно), носит название тепловой
машины Карно. Этот цикл является идеализацией,
однако понятие цикла Карно широко
используется. Можно рассчитать термический КПД
цикла Карно и показать, что никакая другая
машина не может иметь больший КПД при
тех же условиях. Зная максимальное значение
КПД для заданных условий, можно судить о
целесообразности или нецелесообразности
исследований, направленных на улучшение
КПД реальной машины, работающей в этих
условиях.
Термический КПД цикла Карно, как и
любого другого, определяется по (3.38).
Поскольку все процессы в цикле Карно обратимы, то
можно выразить Q\ и Q2 через
термодинамические параметры системы. Между тем,
говоря об этом цикле, мы даже не упомянули, о
каком рабочем теле идет речь, и поэтому
единственным термодинамическим параметром,
который можно связать с работой такой
машины, является температура. Легко показать
(см. упражнение 10), что термический КПД
цикла Карно
Значение 100 % может быть достигнуто лишь
при условии Т2 = 0, однако, как известно,
абсолютный нуль температуры недостижим.
Любая реальная тепловая машина всегда имеет
КПД ниже КПД цикла Карно для тех же
граничных температур.
Пример 3.10. Эффективный КПД автопогрузчика,
работающего на пропане, составляет около 20 %.
Сравним это значение с КПД цикла Карно для того же
интервала температур. (Температура горения пропана
равна 2000 °С.)
Для цикла Карно:
293
ч]г = 1—— =87,1 %.
,с 2273
Таким образом, КПД автопогрузчика
значительно ниже, чем КПД цикла Карно.
Покажем, что г\с является максимальным
значением КПД для данного интервала темпе-
54

Рис. З.8. Обратимый тепловой двигатель /, приводящий
в действие обратимую холодильную машину R
ратур. Рассмотрим две тепловые машины / и
R, реализующие обратимый цикл между
одними и теми же тепловыми источниками с
температурами Тх и Г2| где ТХ>Т2 (рис. 3.8).
Тепловые машины отличны друг от друга, но в
силу обратимости можно заставить машину 7?1
совершать обратный цикл, т. е. работать как
холодильную машину. Тепловая машина /
отбирает от горячего источника теплоту Qj,
выполняет работу и отдает теплоту Q[ — W
холодному источнику.
КПД этого цикла y]I=W/Q[. Предположим,
что п/>т1* и что работа W, совершаемая
машиной /, используется в машине R для отбора
теплоты Q\—W от холодного источника и
передачи теплоты Qx горячему источнику. При
этом r\R=W/Q{.
Однако если согласно предпосылке г\/?<tj/,
то
WIQt<WIQ[ (3.40)
и
l/Qi < l/Q; (3.41)
или
Qi > Qi. (3.42)
Это означает, что горячий источник
получает больше теплоты, чем отдает, т. е.
совместная работа тепловых машин обеспечивает
передачу теплоты от холодного источника к
горячему. Это противоречит второму закону в
формулировке Клаузиуса. Таким образом,
предпосылка r\j>y\R неверна для тепловых машин,
работающих по обратимому циклу, и,
следовательно, при заданных температурных преде-
1 Тепловая машина R работает по циклу Карно
{ПрИМвЧ, р«Д,}
Рис. 3.9. Произвольный цикл в координатах р, V,
аппроксимируемый набором адиабат и изотерм
лах цикл Карно в сравнении со всеми
остальными циклами обратимых машин имеет
наибольший КПД 1.
Ниже мы сформулируем второй закон
термодинамики в более строгой математической
форме, введя новую термодинамическую
функцию.
Энтропия
Любой обратимый цикл произвольной
конфигурации можно представить себе как
совокупность элементарных циклов, состоящих из
двух адиабат и двух изотерм (рис. 3.9). Таким
образом, произвольный цикл можно
аппроксимировать последовательностью элементарных
циклов Карно типа a—b—c—d—a. Для
элементарного цикла из (3.38) и (3.39) получаем1:
7i Г2
(3.43)
Используя это выражение для всех
элементарных циклов Карно, составляющих
произвольный цикл, запишем:
2dQ/T = 0,
(3.44)
или, если элементарные циклы бесконечно
малы,
§ dQ/T = 0.
(3.45)
' Так как при приведенных выше рассуждениях не
требовалось обратимости тепловой машины /, то можно
сделать более общий вывод, называемый теоремой
Карно^ о том что КПД любой тепловой машины,
работающей в заданном интервале температур, не может быть
больше КПД машины Карно, работающей в этом же
температурном интервале.
Важный вывод о том, что КПД цикла Карно
зависит только от температур горячего и холодного
источника теплоты и не зависит от свойств рабочего тела,
легко получить, считая, что тепловая машина /, так же
как и R, — обратимая тепловая машина Карно.
(Примеч. ред.)
2 Qi отрицательно,
55

Рис. 3.10. Переходы системы из начального состояния в
конечное по необратимой адиабате, по двум обратимым
адиабатам (i = /) и (&=/) и обратимой изотерме (/=
=А)
Введем н.овую функцию
2
S2 — S1=^dQ/T. (3.46)
1
Функция S носит название энтропии. Заметим,
что (3.46) определяет лишь разность энтропии
Двух термодинамических состояний. Энтропия
отдельно взятого состояния может быть
определена, если в качестве начала отсчета
используется энтропия произвольно выбранного
стандартного состояния системы. В
термодинамике, однако, чаще приходится сталкиваться не
с энтропией какой-либо системы, а с
изменением энтропии в каком-либо процессе.
Если две точки в (3.46) стремятся друг к
другу, можно записать
dS = dQ/T. (3.47)
Это соотношение часто называют
математической формулировкой второго закона
термодинамики1. Для пояснения понятия «энтропия»
рассмотрим необратимый адиабатический
процесс, показанный штриховой полосой на рис.
3.10. Этот процесс не показан сплошной
линией, поскольку параметры состояния не могут
быть однозначно определены в необратимом
процессе. Выполним следующую
последовательность обратимых процессов, начиная
сточки /:
адиабатическое сжатие f—&(AQ=AS = 0);
изотермический процесс k—j [Q = T (S/—
Sk) ], в котором совершается работа;
адиабатическое расширение /—t(AQ =
=AS = 0).
Пусть требуется рассчитать ASIR=Sf—Si
для необратимого процесса. Это то же самое,
1 Только для равновесных процессов, для
неравновесных процессов содержание второго начала
определясь
ется неравенством dS> ~z~" (Примеч. ред.)
что рассчитать результирующее изменение
энтропии для последовательности перечисленных
обратимых процессов:
Д5К = (Sk-Sf) + (S-Sk) + {St-St), (3.48)
или с учетом характера первого и третьего
процессов
bSR = S,— Sk=-bSIR- (3.49)
Понятие энтропии находит приложение в
вопросах, далеко выходящих за рамки
классической термодинамики. В настоящей книге мы
остановимся лишь на нескольких сравнительно
простых случаях. Пользуясь определением
энтропии, перепишем уравнение первого закона
термодинамики
TdS = dU + dW. (3.50)
Для замкнутого цикла
§TdS = §dW. (3.51)
Графическое представление T(S) (Г, S-диаг-
рамма) играет столь же важную роль, что и
Р(У) (Ру V-диаграмма): площадь,
ограниченная замкнутой кривой процессов, образующих
цикл, равна результирующей работе,
совершаемой системой или внешней средой над
системой. Изображение цикла Карно имеет
наиболее простой вид в Г, S-диаграмме.
Внутренний относительный КПД
Итак, не существует тепловой машины,
которая всю теплоту, получаемую ею,
преобразует в работу—часть теплоты теряется. Кроме
того, чем выше температура, при которой
тепловая машина получает энергию, тем выше
КПД преобразования. Поэтому теплоту,
передаваемую при высокой температуре, принято
называть высокопбтенциальной; она может
быть использована для совершения работы с
большим термическим КПД К Следует
подчеркнуть, что именно высокопотенциальная
теплота является наиболее ценной, и
необходимо принимать все меры для ее сохранения в
технологическом цикле преобразования
энергии.
Термический КПД характеризует
экономичность тепловой машины, реализующей
конкретный цикл. В ряде случаев, однако, бывает
важно определить экономичность выполнения
одной и той же функции с помощью различных
машин. В задачах, связанных с
энергетическими установками и их влиянием на
окружающую среду, часто приходится сталкиваться с
необходимостью определить, какое решение
является оптимальным, или искать
компромиссные решения. Например, что выгоднее, элек-
1 Термический КПД —это КПД обратимого цикла.
(Примеч. ред.)
56

трический обогреватель или газовый? Имеет ли
тепловой насос преимущества по сравнению с
этими приборами? Ответ можно получить,
пользуясь критерием экономичности, который
следует из второго закона термодинамики и
называется внутренним относительным КПД.
Согласно определению он равен количеству
полезной теплоты или работы, отдаваемой
данной тепловой машиной или системой,
отнесенной к максимальному полезному количеству
теплоты или работы, отдаваемой для той же
цели тепловой машины или системой при
одной и той же подводимой от одного и того же
источника энергии.
Для теплоты это определение понятно.
Требуется пояснить, что понимается под
«максимальной работой». Какое максимальное
количество теплоты, подводимой от горячего
источника, тепловая машина может превратить в
работу? Естественно—не всю теплоту,
поскольку это противоречило бы второму закону.
Работу, совершаемую системой, можно
представить в виде двух слагаемых—полезной
работы Wnx и работы против атмосферного
давления Wa. Уравнение первого закона
термодинамики при этом можно записать в виде:
Q = AU + WU + W^ (3.52)
Используя определение изменения энтропии
(3.46), можно выразить количество
переносимой теплоты суммой изменений энтропии
атмосферы и системы ASca и изменением
энтропии только системы AS:
AQ = T0ASca-T0AS. (3.53
Если вспомнить, что Wa=p0AV, то (3.52)
можно записать через изменение энтропии с
помощью (3.53):
Wu =- T0 ASca - (AU +PoW- T0 AS) (3.54)
Определим функцию
В =— (AU + p0AV — T0 AS). (3.55)
Тогда (3.54) примет вид:
B = Wn + T0ASca. (3.56)
Если предположить, что полезная работа,
совершаемая системой, потребляется одной
или несколькими другими системами, которые
не взаимодействуют никаким иным способом
с первой системой или атмосферой, то
согласно второму закону термодинамики
А5са>0, (3.57)
так что
Wn<B. (3.58)
J Под полезной работой понимается та часть
произведенной работы, которая может быть использована по
нашему усмотрению. (Примеч. ред.)
Отсюда видно, что В можно назвать
располагаемой работой. Эту работу можно определить
следующим образом. В — это максимальная
полезная работа, которую можно получить от
системы (или от топлива) при ее переходе (по
любому пути) в состояние равновесия с
атмосферой.
Для теплового двигателя с двумя
источниками теплоты получаем
5 = Qi(l-7y7\). (3#59)
Понятие максимальной полезной работы,
которая может быть произведена системой,
дает достаточно точное представление о
работоспособности теплоты. Чем ниже
температура 7*1, при которой подводится теплота, тем
меньше максимальная полезная работа.
Пользуясь понятием максимальной
полезной работы, выражение для внутреннего
относительного КПД можно записать в виде:
^Д- = ^п (з 60)
В Wu + T0ASca #
Эта формула может быть непосредственно
использована для оценки внутреннего
относительного КПД конкретных процессов.
Понятия максимальной полезной работы и
внутреннего относительного КПД более
подробно раскрываются в последующих главах
при рассмотрении конкретных систем и
процессов преобразования энергии1. Выше лишь
кратко были рассмотрены законы
термодинамики. Этой области науки посвящена
многочисленная специальная литература. Более
подробно затронутые выше вопросы
великолепно изложены в целом ряде книг. Некоторые
вопросы термодинамики обсуждаются также
ниже в приложении к различным устройствам
преобразования энергии, начиная с тепловых
двигателей.
ЗАДАНИЯ ДЛЯ АУДИТОРИИ
1. Определите теплоемкость данного аудиторного
помещения. Оцените мощность, рассеиваемую всеми
источниками теплоты — осветительными приборами,
людьми и т. п. Сформулируйте требования к обогреву
данного помещения во время отопительного сезона.
Сравните с официальной документацией, имеющейся на
предприятии.
2. Найдите опытным путем ответ на вопрос: чтобы
несколько охладить горячий кофе и сделать это быст-
1 В отечественной литературе для анализа
эффективности циклов используются кроме термического и
внутреннего относительного КПД понятия внутреннего
(внутреннего абсолютного) КПД и эффективного КПД.
Внутренний абсолютный КПД определяется как КПД
реального необратимого цикла и равен произведению
термического КПД на внутренний относительный.
Эффективный КПД характеризует эффективность
теплосиловой установки в целом и равен работе, отданной
установкой внешнему потребителю, отнесенной к количеству
теплоты, подведенной к установке. (Примеч. ред.)
57

ро, следует ли добавлять в него сливки сразу же или
непосредственно перед употреблением? Как можно
объяснить результат?
УПРАЖНЕНИЯ
1. Кусок алюминия, имеющий массу 10 кг, падает
с высоты 1 м на железную плиту с массой 5 кг.
Плита теплоизолирована. Насколько увеличится
температура плиты?
Ответ: 8,6.10-3°С.
2. Солнечное излучение, падающее на 1 м2
поверхности ледника, отдает мощность 90 Вт. Начальная
температура льда —9°С. Сколько времени потребуется,
чтобы нагреть верхний слой льда толщиной 2,5 см до
температуры 30 °С, если теплоотдачу от этого слоя не
учитывать?1
3. Какой объем занимал газ в примере 3.5 в
начальный момент?2
4. Будем рассматривать здание как предмет,
обладающий определенной теплоемкостью. При солнечном
освещении здание, имеющее наружную поверхность
150 м2, поглощает в среднем 400 Вт/м2 за 8 ч. За этот
период температура внутри здания возрастает с 20 до
26 °С. Какова эффективная теплоемкость здания? Что
не учитывается при расчете? Каковы должны быть
размеры железного куба, обладающего той же
теплоемкостью? 3
5. Удельная теплоемкость скальной породы,
используемой в качестве аккумулятора солнечной энергии,
составляет 580 Дж/(кг-К). Какая масса породы
необходима для накопления энергии, получаемой в течение
суток (24 ч по 200 МДж в час), при условии, что
температура породы меняется от 21 до 66 °С?
Ответ: 184 т.
6. Покажите, что для идеального газа теплоемкости
связаны соотношением:
СР = cv + *«•
Указание: Рассмотрите два процесса — изохорный
и изобарный между Тх и Т2\ сравните AU для этих
процессов.
7. Используя приведенную в тексте методику,
покажите, что уравнение адиабатического процесса для
идеального газа имеет вид
pVy = const.
8. Покажите, что в адиабатическом процессе
параметры идеального газа связаны уравнениями
TVv""1 == const и 7>(1-Y)/V = const.
9. Выведите (3.23).
10. Если в примере 3.6 расход составляет 10 т/ч, а
КПД преобразования мощности на валу турбины в
мощность на шинах генератора 0,9, то какова мощность
генератора?
Ответ: 1,13- 10е Вт.
11. Если в примере 3.7 начальное давление равно
0,8 МПа, какое количество воздуха (в молях)
содержится в цилиндре? Если подводимое в такте
количество теплоты равно 21,7 кДж, сколько бензина сгорает
в цилиндре за 1 такт? Объем принять равным
0,5- Ю-3 м3 *.
12. Сжатый воздух из подземного накопителя
энергии с параметрами 2,5 МПа, 30 °С расширяется
адиабатически до 0,1 МПа. Какова температура воздуха в
конце процесса? (Для воздуха у~1>4)4.
1 Ответ: 36,8 ч. (Примеч. ред.)
2 Ответ: 7,87-Ю-3 м3.
3 Ответ: Теплоемкость здания 2,9-108 Дж/К,
железный куб с ребром 4,3 м имеет такую же теплоемкость.
* Ответ: В цилиндре содержится 0,07 моль воздуха
и сгорает 0,5 г бензина.
4 Ответ: 12 °С.
Р\
Г2~600К
ТГ=300К
Тд=455К
Рис. 3.11. р, У-диаграмма
Майера
цикла
13. Сколько энергии затрачивается на нагрев воды
в паровом компенсаторе давления ядерного реактора
(пример 3.9) с помощью электронагревателя в течение
1 мин? Откуда можно получить необходимую для
этого мощность в случае отключения турбины?
Ответ: 1260 кДж.
14. Постройте в координатах р, V-диаграммы
следующих процессов для идеального газа:
изохорного процесса V=const;
изобарного процесса р=const;
изотермического процесса АГ=0;
адиабатического процесса AQ==0.
15. Вычислите работу, совершаемую идеальным
газом в каждом из перечисленных в упражнении 14
четырех процессов.
16. Рабочим телом в цикле, показанном на рис. 3.11,
служит 1 моль идеального одноатомного газа:
процесс 1-+2 — при постоянном объеме; процесс 2->
->-5 — адиабатический; процесс 3-+1 — при постоянном
давлении.
Определите численные значения теплоты AQ,
изменения внутренней энергии А?/ и выполняемой работы
для каждого из процессов и всего цикла.
17. КПД котельных на природном газе,
используемых для отопления домов, обычно принимают равным
65 %. Это означает, что 65 % теплоты, выделяющейся
при сжигании газа, идет на обогрев здания. Какое
максимальное значение КПД использования этого газа для
отопления можно обеспечить, если сжигать его на ТЭС
при температуре 2100 °С.
18. В цикле Карно изотермическое расширение
происходит при 400 К, а изотермическое сжатие —при
300 К. В процессе расширения к газу подводится
теплота 2000 Дж. Определите следующие величины:
работу* совершаемую газом1 в процессе
изотермического расширения; количество теплоты, отбираемое
от газа в процессе изотермического сжатия;
работу, совершаемую над газом в процессе
изотермического сжатия; КПД цикла.
19. Какой из двух альтернативных путей —
уменьшение нижней температуры цикла Карно на ДГ или
увеличение верхней температуры на AT — является
более эффективным для увеличения КПД цикла Карно?
Постройте математическое доказательство выбранного
пути.
20. Для цикла Карно
4 = 1—Q2/Qi-
Покажите, что
Q2/Qi = Т2/Тг
Газ считать идеальным. (Примеч. ред.)
58

и соответственно
1\ = \—Т2/Тг.
Указание: Рассмотрите цикл Карно, изображенный на
рис. 3.7 (a->b^c^d-+a). Для изотермических
процессов Qi и Q2 определяются выражением
qj = W1=\ pdV = nRTx In -^ .
Далее следует связать значения объема в точках а, Ь, с
и d с помощью формулы
ТУУ~1 = const — для адиабатических процессов.
21. Используя выражение первого закона
термодинамики, записанное для идеального газа, и определение
энтропии, получите следующее соотношение:
5 = СР In Г — nR\np + S0,
Тйвшв 4
Тепловые двигатели
В этой главе мы рассмотрим более
подробно ряд устройств, осуществляющих
преобразование энергии, в которых используется
высокотемпературное рабочее тело. Все они
относятся к классу тепловых двигателей.
Тепловым двигателем называется любая
машина периодического действия, которая,
потребляя теплоту от источника с одной
температурой, совершает работу и отдает теплоту
источнику с другой температурой.
ДВИГАТЕЛИ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
Около 25 % общего количества
потребляемой энергии в США приходится на легковые и
грузовые автомобили. В подавляющем
большинстве случаев в машинах используются
двигатели внутреннего сгорания (ДВС),
работающие на бензине или на дизельном топливе.
Так как доля энергии, потребляемой ДВС, в
общем потреблении энергии значительна,
рассмотрим их работу более подробно с тем,
чтобы оценить проблемы и посмотреть, как
можно было бы улучшить либо заменить эти
двигатели.
Автомобили, работающие на дизельном
топливе, составляют в США менее 1 % общего
их количества и потребляют около 5 %
топлива. Малое количество вредных выбросов
дизельного двигателя делает весьма
перспективным использование этих автомобилей для
массовых перевозок. Ниже анализируется
работа и этого типа двигателей, рассмотрен ха-
где So=Ss—Сф In Ts+nR In pSy а индекс 5 означает
стандартное состояние.
22. Покажите, что при нагреве вещества (1 моля
вещества с молярной теплоемкостью ср) от
температуры Та до температуры Ть изменение энтропии вещества
составит
ASab =cp In Tb/Ta.
23. Докажите, что результирующая работа,
совершаемая в замкнутом цикле1, равна
j>TdS.
Постройте Т, 5-диаграмму цикла Карно; выразите
площадь цикла через Qb Q2, Tx и Т2.
24. Выведите (3.64).
25. Какое количество работы теряется, если 1 л
бензина окисляется в каталитическом реакторе при
43 °С, а не при обычном сгорании при температуре
пламени 2200 °С?
Ответ: 2,75-107 Дж.
рактер его вредных выбросов и возможные
меры по их снижению.
Принцип работы
возвратно-поступательного (бензинового) четырехтактного ДВС с
искровым зажиганием хорошо известен.
Схематически он показан на рис. 4.1. При
движении поршня вверх в цилиндре происходит
сжатие смеси воздуха с парами бензина (рис.
4.1,а). Затем следует зажигание, быстрое
расширение газа и передача энергии
коленчатому валу (рис. 4.1,6). При следующем
перемещении поршня вверх происходит
вытеснение отработанного газа из цилиндра (рис.
4.1, в), затем происходит перемещение
поршня вниз, при котором в цилиндр поступает
следующая порция топливно-воздушной смеси
(рис. 4.1,г). Каждый из этих процессов
является необратимым; каждый сопровождается
трением, турбулентностью, химическими
превращениями и т. п.
Цикл работы реального двигателя с
истинными рабочими параметрами в р, У-диаграм-
ме изображен на рйс. 4.2 (Процессы впуска и
выпуска смеси не показаны.) Видно, что в
реальном цикле отсутствуют какие-либо прямые
участки (адиабаты и изотермы). Точные
расчеты работы, совершаемой в цикле, тепловых
параметров и КПД являются весьма сложной
задачей. Поэтому потребуется упрощенная
расчетная модель, приближенно описывающая
цикл, но составленная из обратимых процес-
1 Рассматривается обратимый цикл. (Примеч.
Ред.)
59

П Q
Рис. 4.1. Работа четырехтактного двигателя внутреннего сгорания с искровым зажиганием
Рис. 4.2. р, V-диаграмма цикла реального ДВС:
1-*2 — процесс сжатия; 2^-3 — процесс горения смеси; 3->4 —
процесс расширения (рабочий такт); 4^-1 — процесс охлаждения
сов. Такая модель была создана в конце
прошлого века и названа по имени ее автора
циклом Отто.
Цикл Отто
Теоретический цикл Отто основывается на
следующих предпосылках. Рабочим теплом
является воздух1, не претерпевающий в цикле
химических превращений. Трение поршня о
стенки цилиндра отсутствует, равно как и
турбулентность, ускорения и иные диссипатив-
ные процессы в газе. Имеют место следующие
процессы:
обратимое адиабатическое сжатие,
сопровождающееся ростом температуры от Та до Ть
(процесс а—Ь на рис. 4.3.);
1 Воздух рассматривается как идеальный
(Примеч. ред.)
газ.
Рис. 4.3. Теоретический цикл Отто
обратимый изохорный рост температуры
от Ть до Тс и давления от рь до рс (процесс
Ь-с)\
обратимое адиабатическое расширение,
сопровождающееся падением температуры от
Тс до Та (процесс с—d);
обратимое изохорное уменьшение
температуры от Та до Та и давления от ра до ра
(процесс d — а).
Кривая ае соответствует такту выпуска при
давлении ро, которое, как правило, близко к
атмосферному, а линии еа — такту впуска
топливно-воздушнои смеси также при
давлении ро.
Из сравнения ]Ьис. 4.2 и 4.3 видно, что
рассмотренные выше четыре процесса в
некотором приближении эквивалентны процессам,
протекающим в реальном двигателе. Следует
отметить, что эти четыре процесса описывают
только два такта реального двигателя—такт
сжатия и рабочий такт.
Для расчета КПД рассматриваемого
цикла необходимо выяснить, каким образом под-
60

веденное количество теплоты Qi и отданное Q2
зависят от параметров системы. Из (3.18) для
изохорного процесса получаем
(4.1)
Q2 = cv(Ta-Td).
Произведенная работа
W = Ql + Q2,
причем <Эг<0;
КПД определяется выражением
П = W/Q, --= (Q, + Qj/Qlt
или
Т) = 1
Td-Ta
Тс-П '
(4.2)
(4.3)
(4.4)
(4.5)
если положить, что значение, Cv в течение
всего цикла постоянно. Используем также
соотношения, связывающие координаты двух
точек, расположенных на адиабате в р, V-диаг-
рамме:
TdVT-=Te]fi
Tavr=Tbvr\
(4.6)
(4.7)
где у — отношение теплоемкостей рабочего
тела, в данном случае воздуха. Комбинируя
написанные соотношения, окончательно
получаем:
•П = 1
1
(Vi/Vj)
v-i
Величина
R. = VJV2
(4.8)
(4.9}
носит название степени сжатия для данного
двигателя. Таким образом, КПД цикла Отто
зависит лишь от степени сжатия и
теплоемкостей рабочего вещества и не зависит от
других параметров системы:
т| = 1 — 1/ЯГ1.
(4.Ю)
Как правило, степень сжатия автомобильных
двигателей имеет значение около 9.
Используя это значение, а также у = 1,4 для горячего
воздуха, получаем значение КПД rj = 0,58.
КПД реального ДВС составляет примерно
половину этого значения. При этом
термодинамические процессы отличаются от
рассмотренных для цикла Отто. Из опыта известно,
что при переходе от точки а к точке Ь работа,
затрачиваемая на сжатие топливно-воздуш-
ной смеси, примерно на 33 % больше, чем
следует из расчета. Например, работа WBXi
совершаемая на участке а — b в цикле Отто,
равна:
^« = Cv АГ, (4.11)
а в реальном двигателе
^вх.р = ^вх-1,33. (4.12)
Отличие реально совершаемой работы от
расчетного значения равно потерям теплоты в
процессе сжатия смеси. Аналогично следует
изменить процесс между точками с, d, чтобы
учесть диссипативные процессы, при этом
реально совершаемая работа оказывается
меньше расчетного значения примерно на 25 %.
Пример 4.1. Вычислим Qlf WBX, WBblx, Q2 и г) для
цикла Отто при Га = 60°С, Гь=400°С, 7С = 2180°С и
7d = 855°C. Рабочее тело — 1 моль идеального газа,
Y=l,4. Затем проведем вычисление значений техже ве.
личин для реального двигателя по приведенной выше
методике.
Для цикла Отто:
Qx = Cv (Тс — Ть)=\2 (2453 — 673) = 21 360 Дж;
<22 = Cv (Та — Т ) = 12 (333 — 1128) =—9540 Дж;
Wbx = Су (Ть—Та) = 12 (673 — 333) = 4080 Дж;
^выж = С1^-^= 12(1128-2463) =
=—15 900 Дж;
Ql-Q2 д 21360-9540
Qi 21 360
Для реального двигателя:
^вх.р = ИРвх-1 >33 = 5426 Дж;
^вых.р = ^вых'0,75 =- 11 925 Дж.
Количество подводимой теплоты Q{ остается
таким же, что и в цикле Отто, но отдаваемая теплота
увеличивается на сумму разностей между
теоретическими и реальными значениями WBx и WBUX
q'2 =— 9540 + (4080 — 5426) + (— 15 900 —
— [—11 925]) =— 14 861 Дж;
Q1 + Q2 21360—14 861
Т) =
Qi
21360
= 30,4%.
Пример 4.2. Пользуясь р, V-диаграммой идеализи-.
рованного цикла Отто, оценим влияние отказа свечи
на работу одноцилиндрового двигателя.
В рассматриваемом случае р, V-диаграмма будет
иметь наиболее простой вид, показанный на рис. 4.4.
Впуск тодливно-воздушной смеси — кривая процесса
е—а, сжатие — а—Ъ. Из-за отсутствия зажигания
теплота к системе не подводится, поэтому расширение
происходит по тому же пути Ъ—а. Выпуск
соответствует отрезку а—е.
Произведенная работа определяется площадью,
ограниченной замкнутой кривой а—Ъ—Ь—а, и
соответственно равна нулю.
Напрашивается вывод, что простейшим
способом улучшения работы ДВС является
увеличение степени сжатия /?с. Однако из-за
нагрева смеси при ее сжатии максимально
допустимое значение Rc составляет около 10.
Если топливно-воздушная смесь в реальном
61

Рис. 4.4. Цикл ДВС при отказе свечи
двигателе будет слишком нагретой,
произойдет преждевременное самовоспламенение,
которое сопровождается возникновением
детонаций в двигателе и ухудшает его работу. Для
борьбы с этим явлением широко используется
введение в бензин добавок, повышающих его
октановое1 число. Однако от этих добавок
существенно зависит характер эмиссии ДВС с
искровым зажиганием.
Загрязнение окружающей среды
Все сорта бензина, выпускаемые
промышленностью, представляют собой смеси летучих
углеводородов со специальными добавками.
В бензине одной и той же марки набор
компонентов не остается постоянным. Он меняется
Таблица 4.1. Государственные нормы на вредные выбросы автомобилей (США)
(в граммах на 1 км пробега) для различных периодов времени
мости от международной обстановки и
биржевых операций.
В свете этих обстоятельств не вызывает
удивления тот факт, что в США автомобили
составляют около 60 % всех источников
загрязнения окружающей среды. В основном
загрязнение окружающей среды связано с
эксплуатационными параметрами двигателей.
Ниже перечислены вредные вещества,
выбрасываемые автотранспортом, их источники и
размер выбросов, характерные для
автомобилей выпуска до 1968 г., не отвечающих
государственным нормам охраны окружающей
среды США.
Испарение углеводородов:
из бензобака и карбюратора .... 210/1, 5х
из картера 275/2
Выброс с выхлопными газами.
углеводородов 990/6,6
окиси углерода 3,52/48,1
окислов азота .... 1500/3,3
свинца 0,б3
фосфора 0,923
1 В числителе приведены данные по концентрации
выбросов, млн"" , в знаменателе ~ количество в граммах на 1 км
пробега. Цифры меняются в зависимости от режима работы
двигателя и условий вождения. Приведены усредненные
значения
2 В процентах по объему.
3 В процентах по массе.
В табл. 4.1 приведены нормы США на
вредные выбросы автомобильного транспорта
Выбросы
СН
со
NOx
1970-1971 *1
2,6
21,2
1972—1974*'
1,9
17,5
1,9
1975*2
0,9(0,5)*3
9,4(5,0)*3
1,9
1976**
0,9
9,4
1,9
1977*5
0,9
9,4
1,25
1978*'
0,26
2,1
0,25
1980
0,26
4,4
1,25
1981
0,26
2,1
0,6
*' Введены административным путем министерством охраны окружающей среды США (ЕРА).
*2 Перспективные нормы на 1977 г., введенные законом Clean Air Act (США) в 1970 г.
** В скобках указаны цифры для штата Калифорния.
*4 Дополнения к закону Clean Air Act (США) 1974 г.; также перспективные цифры на будущее.
*8 Временные нормы, введенные ЕРА, за исключением норм на NOx •
Нормативы утверждены конгрессом США.
*б Нормы, установленные ЕРА от 1 июля 1977 г., в дальнейшем отменявшиеся и дополнявшиеся.
в зависимости от сезона и географических
особенностей рынка сырья, используемого для
производства бензина. Этот рынок также
подвержен значительным колебаниям в зависи-
1 Измерение октанового числа топлива выполняется
с помощью эталонного испытательного двигателя,
позволяющего сравнить испытуемое топливо с эталонным
топливом заданного состава. Например, октановое число
95 означает, что степень сжатия, при которой возникает
детонация в эталонном двигателе, для данного топлива
та же, что и для эталонной смеси, состоящей из 95 %
изооктана и 5 % гептана.
и их изменение с момента введения закона об
охране окружающей среды Clean Air Act в
США в 1970 г. Наводит на грустные
размышления тот факт, что в силу тех или иных
причин технологического либо политического
характера нормы на вредные выбросы,
предложенные еще в 1970 г., не удалось
удовлетворить и в 1980 г.
Эмбарго на нефть 1973—1974 гг. и
понимание того, что энергетические ресурсы отнюдь
не неисчерпаемы, которое сформировалось к
концу 70-х годов, вызвали значительный на-
62

жим со стороны энергетических фирм на пра*
вительство США в сторону смягчения норм на
загрязнение воздушного бассейна. Однако
меры правительства, направленные на снижение
потребления бензина за счет повышения
экономичности транспорта, оказались успешными,
поэтому этот нажим силен не столько по линии
автомобильного транспорта, сколько по линии
электростанций, работающих на угле. Тем не
менее некоторые тенденции отмирают весьма
медленно и можно ожидать, что всегда будут
существовать мнения о необходимости
послабления либо отмены государственных норм по
вредным выбросам автомобилей.
В табл. 4.1 указаны три источника вредных
выбросов автомобиля. Видно, что около 15 %
загрязнения углеводородами обусловлено
испарением топлива. Его можно снизить,
изменив летучесть топлива путем введения
добавок или перехода на полностью новые виды
топлива. Первое уже внедрено в районе
г. Лос-Анджелеса (США), второе же в
ближайшем будущем маловероятно. Для
дизельного топлива испарение не является столь
существенной проблемой, поскольку его точка
кипения значительно выше, чем у бензина
(175—400 °С по сравнению с 30—200 °С).
Несгоревшее топливо может проникать в
атмосферу из картера автомобиля. При
сжатии топливо может просачиваться из
цилиндра в картер через уплотнительные
поршневые кольца. Вентиляция картера,
применяемая в автомобилях, изготавливаемых в
США, в обязательном порядке, начиная с
моделей 1968 г. (в шт. Калифорния с 1963 г.),
эффективно решает эту проблему.
Вентиляция картера в дизельных двигателях не
требуется, поскольку у этих двигателей в такте
сжатия в цилиндре топлива нет.
Выхлопные газы обусловливают около
65 % эмиссии автомобилей, они содержат С02,
Н20, СО, NO*, частично или полностью несго-
ревшие углеводороды, компоненты свинца и
следы других веществ.
В случае полного сгорания топлива
выхлопные газы должны состоять только из Н20
и С02, которые в обычном смысле не
рассматривают как загрязняющие вещества.
В гл. 12, однако, показано, что в
значительных количествах и эти вещества могут
привести к серьезным глобальным
изменениям окружающей среды.
Окись углерода (СО) образуется при
сжигании топлива с недостатком воздуха.
Зависимость выбрасываемого количества СО от
соотношения воздух — топливо показана на
рис. 4.5. Доля СО становится очень малой при
соотношении воздух — топливо, близком к
15:1. Стехиометрическое соотношение
составляет 14,5: 1 и определяется из уравнения
химических реакций для отдельных
компонентов топлива:
сх ну + (* + -Ly j o2 = *со2 + -L уи2о.
(4.13)
Пример 4.3. Чему равно стехиометрическое
соотношение воздух — топливо для полного сгорания метана
(СН4)?
Для этого топлива в (4.13) х=\, у = 4, т.е.
СН4 + 202 = С02 + 2Н20.
Соответственно на каждый моль метана требуется
два моля кислорода. Поскольку в воздухе содержится
около 20 % 02, соотношение воздух — топливо будет
составлять около 10:1.
В двигателях моделей, выпускаемых после
1968 г., обеспечивается нужное соотношение
воздух — топливо без существенного снижения
эксплуатационных характеристик. Однако
даже после усовершенствования двигателя вряд
ли можно ожидать, что в продуктах сгорания
ДВС долю СО удается снизить ниже 0,5 %
[2]. Окись углерода можно также удалять из
выхлопных газов с помощью различных
уловителей, фильтров и т. п.
Как видно из рис. 4.5, при стехиометричес-
ком соотношении воздух — топливо
уменьшаются выбросы СО, но усиливается
образование NO*. Процесс образования окиси азота
(NO) и двуокиси азота (N02) в ДВС весьма
сложен, тем не менее необходимо
остановиться на основных моментах, поскольку эти
вещества играют значительную роль при обра-
10 1Z 74 16 18 20
Соотношение топлибо-воздух
Рис. 4.5. Зависимость выбросов ДВС от соотношения
«топливо—воздух»
63

Рис. 4.6. Упрощенный механизм образования
фотохимического смога
зовании фотохимического смога. При
высокотемпературном сжигании образуется
фактически только N0, однако все окислы азота на
воздухе самопроизвольно переходят в N02.
Механизм образования смога еще
детально не изучен, однако его можно условно
представить схемой, показанной на рис. 4.6. Более
подробно этот процесс рассмотрен в гл. 13.
Без углеводородов или N0*, выбрасываемых в
основном автомобилями, смог не являлся бы
столь сложной проблемой, каковой он
является сегодня.
При работе ДВС на очень обедненных
смесях, скажем при соотношении воздух —
топливо более 18: 1, выбросы N0* уменьшаются без
заметного возрастания выбросов НС. Однако
обеспечить нормальную работу автомобиля в
таком режиме очень трудно, учащаются
перебои зажигания (у двигателей более старых
конструкций значительная доля вредных
выбросов обусловлена как раз перебоями
зажигания). Образование N0* сильно зависит не
только от соотношения воздух — топливо, ной
от температуры сгорания в цилиндре. Чем
выше температура, тем интенсивнее
образование окислов азота.
Пламя распространяется от искры к
стенкам цилиндра и к поршню фронтом. Время его
полного распространения естественно зависит
от частоты вращения вала двигателя и
составляет от 10 до 50 мс. Температура в самом
фронте пламени значительно выше, чем в
остальном объеме газа,— около 2700 °С по
сравнению с 830 °С. Именно в
высокотемпературном фронте пламени и образуются N0*.
Механизм, в силу которого высокая
концентрация N0* сохраняется после прохождения
фронта пламени, еще не вполне изучен и
является сегодня предметом исследования.
Единственным очевидным средством
снижения образования N0* представляется
снижение температуры фронта пламени.
Естественно, что при этом не должна ухудшаться
работа двигателя. Это можно обеспечить добавкой
в топливно-воздушную смесь некоторого
количества негорючего материала, который играл
бы роль поглотителя теплоты, снижая тем
самым только температуру фронта пламени, но
не температуру объема газа в цилиндре. В
экспериментах, в которых во впускной коллектор
подавалось до 25 % выхлопных газов либо
впрыскивалась вода (около 1,4 кг воды на
1,0 кг топлива), удалось добиться снижения
выбросов N0* примерно на 80 %. Однако эти
эксперименты одновременно выявили
трудности, возникающие с экономией топлива и
рабочими параметрами двигателя. Разработка
фильтров для улавливания N0* из выхлопных
газов является сложной и дорогостоящей. И
тем не менее проблема фотохимического
смога требует удаления этих компонентов.
Другое решение проблемы N0* в ДВС
было предложено японской фирмой Honda
Motors. В разработанном ею двигателе, носящем
название двигателя со слоистым зарядом,
используются две камеры сгорания. В малой
камере (формкамере) очень богатая топлив-
но-воздушная смесь при горении формируется
в вихреобразный поток. Фронт пламени затем
расширяется в основную камеру сгорания над
поршнем, заполненную обедненной топливно-
воздушной смесью. В каждой из камер состав
смеси существенно отличается от стехиомет-
рического (рис. 4.7). Формирование фронта
горения в форкамере улучшает процесс
горения в основной камере, обеспечивая рабочие
параметры двигателя и исключая перебои за-
Рис. 4.7. Двигатель со слоистым зарядом Honda CVCC:
/ — цилиндр; 2 — рабочая камера сгорания; 3 — формкамера с
богатой топливно-воздушной смесью; 4 — свеча; 5 — клапан
впуска; 6 — клапан выпуска; 7 — поршень; 8 — выхлопной
патрубок; 5 —коленчатый вал
64

Жйганйя, Такой двигатель может удовлетЁо»
рить текущим нормам ЕРА (США) по
загрязнению воздуха без установки дополнительных
устройств. Двигатель типа CVCC (камера
сгорания с регулируемым вихревым потоком)
был создан и аттестован ЕРА в том же году,
когда автомобилестроительные фирмы США
заявили о необходимости отмены норм 1975 г.,
поскольку они «недостижимы на современном
уровне технологии». Роторный двигатель
марки Mazda и дизельный двигатель фирмы
Peugeot, выпущенные в том же году, также
удовлетворяют нормам ЕРА 1975 г. Фирма
Ford Motor Company для своих небольших
легковых автомобилей разрабатывала
вариант двигателя со слоистым зарядом,
названного PROCO (сокращенно от «программируемое
сгорание»—programmed combustion). He
ясно, однако, как будут работать такие системы,
если увеличить габариты двигателя.
Возможно, однако, что в будущем появятся более
мощные надежные двигатели, работающие на
обедненных горючих смесях.
При этом остается неясным, начнет ли
фирма Ford Motor Company производство
двигателей PROCO, поскольку нормы по
загрязнению воздуха и экономии топлива и без того
оказались удовлетворенными.
Следует отметить, что впрыск топлива,
используемый в двигателе PROCO, в некотором
смысле обеспечивает создание слоистого
заряда; вблизи форсунки формируется область
очень богатой смеси. Фронт пламени
возникает в облаке капель топлива и затем
распространяется в участки камеры сгорания с
обедненной смесью. Однако двигатели с впрыском
топлива, как правило, имеют худшие
характеристики с точки зрения загрязнения среды,
чем двухкамерные двигатели тех же
размеров.
Трудно объяснить наличие в выхлопных
газах углеводородов (НС) с малой
молекулярной массой. При правильном соотношении
воздух — топливо в принципе должно
осуществляться полное сгорание. Тем не менее
исследования показывают, что до 50 %
фотохимически активных углеводородов,
присутствующих в выхлопных газах, имеют малую
молекулярную массу и отсутствуют в топливе.
Причины образования этих углеводородов
были выяснены в серии исследований,
проведенных фирмой General Motors. Было
обнаружено, что в процессе распространения фронта
пламени газ в цилиндре образует отдельные
зоны. Вблизи стенки цилиндра в слое
толщиной около 25 мкм до и после прохождения
фронта горения содержится чистое несгорев-
шее топливо. На расстояниях от 25 до 125 мкм
от стенки были обнаружены продукты
крекинга топлива — углеводороды с малой
молекулярной массой. На расстояниях более 125 мкм
от стенки сгорание было более или менее
полным. Зона неполного горения была
названа зоной закалки. Остается не ясным,
объясняется ли ее наличие разностью температур
газов и стенки или иными причинами. Это
явление безусловно нуждается в дальнейшем
исследовании. В настоящее время
единственным средством эффективного снижения
автомобильных выбросов НС остаются внешние
реакторы выхлопной системы.
Более 80 % свинца, содержащегося в
топливе, выбрасывается с выхлопными газами в
виде соединений — в основном PbClBr и
NH4Cl(PbCl)2Br. Остальные 20% оседают в
двигателе и выхлопной системе либо
смешиваются с маслом в картере. На эти соединения
приходится значительная доля твердых частиц
в выхлопных газах.
Способов удаления свинца из выхлопных
газов нет, более того, соединения свинца
активно «отравляют» каталитические системы
очистки, предназначенные для удаления СО и
НС. Таким образом, единственным средством
борьбы с этими явлениями является удаление
свинца из топлива.
В 1970 г. ЕРА постановило, что к 1979 г.
содержание свинца в бензине должно быть
снижено до 0,1 г/л (по сравнению с 0,5 г/л в
табл. 4.1). Однако в 1974 г. апелляционный
суд округа Колумбия (США) аннулировал это
постановление по иску фирмы Ethyl
Corporation, которая заявила, что это постановление
лишено научной основы — и это несмотря на
более чем очевидный факт, что свинец
токсичен и источниками его присутствия в среде
обитания почти исключительно являются
старые краски и содержащее его топливо.
В 1976 г. совет по охране природных
ресурсов National Resources Defence Council
выиграл иск, возбужденный против ЕРА по
вопросу нормы свинца в атмосферном воздухе. Эти
нормы не устанавливают непосредственно
допустимого предела содержания свинца в
бензине, тем не менее они создают трудности,
связанные с их выполнением для
корпораций, поставляющих бензин с добавками
свинца.
Наибольшим стимулом производства
бензина без добавок свинца явилось требование
установки на автомобилях каталитических
конвертеров, обеспечивающих низкие уровни
эмиссии загрязняющих вещертв. Эти
устройства выходят из строя под действием соединений
свинца и необходим поиск
агентов-противоядий. Предлагавшиеся уже для этих целей
вещества сами в свою очередь представляют
опасность для среды обитания, что показало
сравнение прозрачности выхлопных газов
ДВС, работающих на топливе с добавками и
без добавок свинца.
65

Каталитические конвертеры
Чтобы удовлетворить нормам 1975 г. (еще
не вошедшим в действие),
автомобилестроительные фирмы США отказались от решений,
сопряженных с большим риском, но малыми
затратами, и предпочли ориентироваться на
установку каталитических конвертеров, что
дает большие гарантии, но при больших
затратах.
Как правило, при протекании химической
реакции концентрация одного из реагентов
меняется во времени. Поскольку молекулы могут
вступать в реакцию только при условии
достаточно тесного физического контакта,
катализатор должен обеспечивать увеличение
интенсивности контактирования. Точный механизм
этого не вполне ясен, поэтому выбор
наилучшего катализатора для конкретных условий
проводится чаще всего методом проб и
ошибок.
Катализаторы нашли широкое применение
в нефтехимической промышленности в
качестве активаторов процессов крекинга и
полимеризации. Они также широко применяются для
гидрогенизации, десульфуризации и в
реакциях с участием азота.
В качестве возможных катализаторов для
очистки выхлопных газов автомобилей
испробованы практически все элементы
периодической таблицы. В типовых устройствах
катализатор состоит из пористых гранул опорного
материала, которые покрыты тонким слоем
активного вещества. В качестве опорного
материала используются термостойкие
неорганические окислы, например окись алюминия,
двуокись кремния или кальцинированная глина.
Активное вещество, как правило, металл или
окисел металла, наносится на гранулы
опорного материала в виде пленки толщиной в
несколько молекулярных слоев. Столь малая
толщина покрытия необходима для того,
чтобы исключить забивание пор поверхности
опорного материала. Высокая пористость
играет полезную роль, поскольку она
увеличивает контактную поверхность катализатора,
однако необходимо найти оптимум между
пористостью и механической прочностью. У
каталитической засыпки массой 20 кг
эффективная площадь составляет около 106 м2 (около
100 га).
Используемые сегодня каталитические
конвертеры служат для окисления СО и
НС:
2СО + 02-^2С02; (4.14)
4НС + 502^4С02 + 2Н20. (4.15)
66
Очевидно, что окислительные реакции мало
интересны для борьбы с эмиссией N0*, в то
время как каталитическое восстановление
представляет сложную задачу и не достигло
еще стадии промышленного внедрения.
В настоящее время для очистки от N0*
применяются в основном системы
рециркуляции выхлопных газов (РВГ). С помощью
такой системы часть выхлопных газов
возвращается в цилиндры двигателя, смешиваясь своз-
духом, идущим на горение. Температура
фронта пламени при этом понижается, что снижает
образование N0*. Чтобы удовлетворить
нормам 1981 г. по эмиссии N0*, в автомобилях
придется использовать РВГ, применять
двигатели, работающие на обедненных смесях, и
системы каталитической очистки выхлопных
газов.
В каталитических конвертерах,
используемых сегодня, применяется довольно
дорогостоящий металл — платина [3]. Однако это
является не единственной причиной, которая
затрудняет применение катализаторов.
Катализатор становится эффективным, лишь будучи
нагретым выше некоторой минимальной
температуры. Соответственно во время прогрева
двигателя через выхлопную систему
загрязняющие вещества выбрасываются в атмосферу в
повышенных дозах. С другой стороны, если
температура становится слишком высокой,
площадь койтактной поверхности гранул
опорного материала начинает уменьшаться за счет
структурных изменений. Поры могут также
забиваться твердыми частицами,
присутствующими в выхлопных газах — в особенности
соединениями свинца. Именно поэтому так
важно удаление свинца из бензина. Ранее
появлялись определенные опасения, что в
каталитическом конвертере будут
интенсифицироваться процессы фиксации кислотных
соединений серы, однако позже эти опасения не
подтвердились.
Катализаторы в сочетании с РВГ и
другими методами могут, правда с большими
затратами, обеспечить снижение вредных выбросов
автомобилей до определенного уровня. В
перспективе можно ожидать либо замены
бензина метаном, пропаном или иным топливом,
либо перехода от ДВС к двигательным
установкам с меньшей эмиссией. Каждое из этих
решений означает кардинальное изменение
современного технологического уровня и
повлечет за собой серьезные экономические
последствия— уже по одной этой причине
принятие таких решений можно ожидать лишь в
далекой перспективе.
Не касаясь пока экономических
соображений, рассмотрим возможные альтернативы
ДВС с искровым зажиганием.

Дизельные двигатели
Одно из альтернативных решений
известно довольно давно. Дизельный двигатель
был создан в конце XIX в. в качестве замены
парового двигателя. Весьма малый КПД
паровой машины — в те времена около 7%—и
потребности развивающейся промышленности
послужили стимулом создания новых типов
двигателей. Дизельный двигатель, паровая
турбина и даже бензиновый ДВС,— такой,
каким мы его знаем,— все обязаны своим
появлением этим более ранним техническим
достижениям.
Дизельный двигатель не нашел широкого
применения в легковых автомобилях,
поскольку до последнего времени он был значительно
тяжелее и имел большие габариты, чем
бензиновые ДВС той же мощности. Однако
достижения в области конструкционных материалов
изменили эту картину. Автомобили с
дизельным двигателем появились на рынке. Этот
двигатель может составить серьезную
конкуренцию бензиновым ДВС, поскольку
автомобили, оборудованные им, удовлетворяют
существующим нормам по выбросам без
применения каталитических конверторов. Поэтому
рассмотрим работу дизельного двигателя
несколько подробнее.
Камера сгорания этого двигателя в течение
такта сжатия остается заполненной только
воздухом. В определенный момент, когда
воздух достаточно нагревается за счет сжатия, в
камеру сгорания вспрыскивается топливо.
Происходит спонтанное зажигание и поршень
выталкивается вниз, выполняя рабочий такт.
При запуске двигателя температура может
оказаться слишком низкой для спонтанного
зажигания. В этих случаях используется
запальная свеча, показанная на рис. 4.8.
Термодинамический дизельный цикл эквивалентен
циклу Отто, за исключением того, что
зажигание происходит за счет сжатия и условия, при
которых происходит горение, другие. В
теоретическом цикле Дизеля примем, что горение
идет в изобарных условиях. На рис. 4.9
процесс Ь—с — сгорание, с—d — рабочий ход,
а—е — выпуск, е—а — впуск воздуха.
Можно легко рассчитать КПД такого
идеализированного цикла:
Qi = Cp(Tc-Tb) (4.1l>
и
Q» = Cv(Ta-Ttd; (4.17)
Ч = (Qi + Qa)/Qi (4.18)
(где Q2 < 0);
Рис. 4.8. Дизельный двигатель:
/ — клапан впуска; 2 — магистраль подачи воздуха; 3 — камера
предварительного сгорания; 4 — топливная форсунка; 5 —
вспомогательная запальная свеча; 6 — клапан выпуска; 7 —
выхлопной патрубок; 8 — камера сгорания; 9 — поршень; 10 — цилиндр;
// — коленчатый вал
или
Рис. 4.9. Теоретический цикл Дизеля
(4.20)
<?2
(4.19)
где rp= VJVz— степень предварительного
расширения; rc=V\/V2—степень сжатия.
Аналогично циклу Отто КПД дизельного
цикла выражается через степень сжатия и
степень предварительного расширения.
Однако в последнем случае допустимая степень
сжатия значительно выше, поскольку
сжимается только воздух и опасность
преждевременного зажигания отсутствует. Теоретически при
67

гс~'5, rp~5 и V—1»5 можно получить КПД =
= 64 %. Однако, как и в двигателе с
искровым зажиганием многочисленные
необратимые процессы в реальных условиях приводят к
занижению этой цифры примерно вдвое. Тем
не менее дизельный двигатель оказывается
экономичнее, чем бензиновый двигатель той
же мощности.
Пример 4.4. В реальном дизельном двигателе
воздух, находящийся при нормальных условиях,
сжимается до Vis первоначального объема. Пусть процесс
сжатия носит обратимый адиабатический характер.
Определите конечную температуру.
Используя соотношение TVy~ = const или TiViy~ =
= 7,2V2v—1^ находим:
T2 = tJ -^-V""1 = 293 (15)0'4 = 866 К.
Чтобы выдержать значительно большие
степени сжатия, двигатель должен быть
существенно тяжелее и массивнее. При его
использовании во многих отраслях
промышленности и транспорта (например, на тяжелых
грузовиках, кораблях, электростанциях)
масса не столь существенна. На рис. 4.10 показан
в качестве примера крупный дизельный
двигатель морского судна. Высокий КПД, более
дешевое топливо и исключительная
механическая надежность дизельных двигателей дают
им в этих случаях очевидные преимущества.
Только в последнее время новые
конструкционные материалы позволили создать
компактные высокоэкономичные дизельные
двигатели, пригодные для легковых автомобилей.
Дизельные легковые автомобили имеют и
ряд недостатков. Смазочные масла для
дизельных двигателей особенно чувствительны к
температуре. При смене сезона приходится
менять масло.
Дизельное топливо в основном состоит из
средней фракции продуктов перегонки нефти,
из которой удалены как летучие, так и более
тяжелые фракции. Это топливо должно быть
более тяжелым, чем бензин, в связи с тем, что
оно впрыскивается в цилиндры под высоким
давлением (более 3,5 МПа), образуя
мелкодисперсные частицы, процесс горения которых
оптимизируется. Дизельное топливо
характеризуется цетановым числом, которое служит
показателем воспламеняемости. Как и
октановое число для бензина, цетановое число
определяется сравнением работы эталонного
двигателя на аттестуемом и на эталонном
топливе, представляющем собой смесь цетана с
плохо воспламеняемым а-метилнафталином. В
табл. 4.2 приведены параметры разных видов
топлива, в том числе дизельного. Различия в
свойствах топлива и работе двигателей с
искровым зажиганием и зажиганием при сжатии
приводят к тому, что в дизельном двигателе
проблемы эмиссии носят существенно иной
характер. Выхлопные газы его содержат в десять
раз меньше СО, чем бензинового двигателя,
примерно одинаковое количество НС и,
видимо, несколько большее количество N0*. Эти
выбросы можно существенно снизить с
помощью РВГ. Остается проблема дыма и
запаха выхлопных газов, характерных для
дизельного двигателя. Согласно постановлению
правительства США от 1970 г. статические
выбросы дыма из дизельного двигателя не должны
снижать прозрачность воздуха более чем на
20 %. Добавка в топливо менее 0,25 % бария
позволяет снизить задымленность на 50 %•
Соответствующие химические реакции
недостаточно изучены, выяснено однако, что барий
присутствует в выхлопных газах в виде BaS04.
Таблица 4.2. Параметры дизельного топлива в
сравнении с другими видами топлив
Рис. 4.10. Крупнейший в мире дизельный
двигатель мощностью 47 300 л. с.
Топливо
Дизельное топливо
Бензин
Пропан
Бутан
Средняя
плотность,
кг/л
0,85
0,72
0,50
0,58
Средняя
теплота сгорания,
кДж/л
38,4-103
34,4-103
25,6-103
28,6-103
68

Это соединение нерастворимо, что затрудняет
его проникновение в продукты питания.
Растворимые соединения бария токсичны, но они
присутствуют в выхлопных газах дизельных
двигателей в дозах, которые представляются
безопасными. Одна из трудностей обеспечения
бездымности дизеля состоит в том, что он
очень критичен к условиям обслуживания.
Широко используется регулировка дизельных
двигателей с целью достижения большей
мощности за счет увеличения потребления
топлива, однако она увеличивает задымленность
выхлопа.
Причины характерного запаха дизельных
выхлопных газов сегодня неизвестны,
несмотря на то что этому вопросу был посвящен
значительный объем исследований. По-видимому,
он обусловлен углеводородами с высокой
молекулярной массой (содержащих более 10
атомов углерода), которые как-то образуются в
процессе сгорания топлива. Каталитические
реакторы обеспечивают уменьшение этого
запаха, однако очевидно, что необходимо
сначала направить усилия на поиск его
первопричины, что позволит найти более эффективные
средства его устранения.
Против использования автомобильных
двигателей выдвигают два аргумента:
загрязнение окружающей среды и малый КПД
преобразования как химической, так и
механической энергии.
В обычном поршневом двигателе
возвратно-поступательное движение поршня
преобразуется во вращательное движение приводного
вала посредством кривошипно-шатунного
механизма, связанного с коленчатым валом. При
этом неизбежны потери энергии на трение
поверхностей б многочисленных подшипниках.
Более того, из-за асимметрии движения
поршней серьезной проблемой являются вибрации,
из-за которых корпус и опоры двигателя
должны обладать большой массой и жесткостью.
Поиски лучших решений начались практиче-
Рис. 4.11. Двигатель Ванкеля:
а — впуск топливно-воздушной смеси; б — сжатие; в — рабочий ход;
ски тогда же, когда стали ясны недостатки
поршневого ДВС — в начале 20-х годов
нашего века.
Роторные двигатели
По сравнению с поршневым ДВС
роторный двигатель имеет следующие
преимущества:
практически полное отсутствие вибраций,
отсутствие потерь мощности в сложных
механизмах;
существенно меньшие габариты при той же
мощности двигателя. На протяжении многих
лет был спроектирован и изготовлен целый
ряд таких ДВС. Один из многих типов такого
двигателя был использован в серийно
изготавливаемом автомобиле марки Mazda,
выпускаемого фирмой Toyo Kogyo в Японии.
Появление этого автомобиля в начале 70-х годов
сопровождалось многообещающей рекламой,
однако сейчас продажа их в США не
производится. Двигатель этой машины
представляет собой усовершенствованный вариант
двигателя, впервые спроектированного Ф. Ванке-
лем. Поскольку этот двигатель в принципе
может иметь существенные преимущества по
сравнению с поршневым, равно как и ряд
определенных недостатков, остановимся на нем
более подробно. Принцип действия роторного
двигателя Ванкеля показан на рис. 4.11. В
этом двигателе четыре такта поршневого
двигателя реализуются при вращении
трехгранного ротора, связанного с валом через
шестеренчатую пару.
Топливно-воздушная смесь поступает в
зону АВ (рис. 4.11, а). Затем эта смесь
сжимается, при этом следующая порция подается в
зону С А (рис. 4.11,6). После воспламенения
газы начинают расширяться, совершая работу
(рис. 4.11, б). На следующем этапе (рис.
4.11, г) из первой зоны камеры сгорания
осуществляется выхлоп, в то время как за счет
расширения газа в зоне АС совершается
работа, а в зоне ВС идет сжатие рабочей смеси.
г — выхлоп
69

Двигатель Ванкеля размером в одну треть
обычного V-образного 8-цилиндрового
поршневого двигателя имеет ту же мощность при
вдвое меньшей массе и в три раза меньше
движущихся деталей. Обычный американский
V-образный 8-цилиндровый двигатель
мощностью 195 л. с. имеет массу около 1000 кг,
занимает около 1,6 м3 и состоит из 1000 деталей,
390 из которых — движущиеся. Двигатель
Ванкеля мощностью 185 л. с. должен иметь
массу около 500 кг, занимать 0,5 м3 и состоять
из 600 деталей, из которых 150 движутся.
Ориентировочная себестоимость его
изготовления будет на 35 % меньше, чем у
аналогичного поршневого двигателя.
Двигатель Ванкеля автомобиля Mazda в
принципе имеет преимущество по выбросам
по сравнению с аналогичным поршневым
двигателем. Степень сжатия в нем равна 9,4,
однако он работает на дешевом низкооктановом
топливе. Используется богатая топливно-воз-
душная смесь, при этом потребление топлива
по имеющимся данным составляет от 6 до
6,7 км/л, т. е. несколько выше, чем можно
было бы ожидать от такого малогабаритного
двигателя. Это сделано намеренно, поскольку
при работе на богатой смеси имеется
тенденция снижения выбросов NO*, правда, при
одновременном росте выбросов СО и НС. В
автомобиле Mazda эффективная очистка
выхлопных газов от СО и СН осуществляется с
помощью тепловых реакторов. Очень важно с
этой точки зрения, что двигатель Ванкеля
имеет малые габариты, поскольку остается
достаточно много места для размещения
теплового реактора.
Тепловой реактор представляет собой
обычную камеру выдержки или печь, в
которую инжектируется воздух. Выбрасываемые
СО и углеводороды выдерживаются в
реакторе в течение некоторого времени,
достаточного для их окисления до получения менее
токсичных соединений. Эта система позволяет
легко удовлетворить существующим нормам
ЕРА для небольших двигателей. Остается,
однако, неясным, удастся ли, увеличив объем
камеры выдержки, очищать таким образом
выхлопные газы более мощных двигателей.
Самым слабым местом роторного
двигателя Ванкеля являются уплотнения в точках
контакта ротора с камерой. Эти уплотнения
должны иметь весьма большой ресурс
работы, поскольку их замена требует полной
разборки двигателя. В двигателе Mazda они
сделаны из сплава на основе карбида алюминия,
который, как ожидалось, должен был
обеспечивать без замены пробег 96 000—160 000 км.
Первые опыты эксплуатации автомобиля
Mazda нельзя назвать полностью
удовлетворительными. Уплотнения быстро
изнашиваются, что приводит к уменьшению ресурса и
увеличению вредных выбросов. Можно ожидать,
что в будущем при доработках конструкции и
использовании более совершенных конструк*
ционных материалов роторный двигатель
сможет стать конкурентоспособным. Однако
сегодня он не является выходом из положения.
Влияние ДВС на окружающую среду
огромно. По имеющимся оценкам в г.
Лос-Анджелесе (США) в 1968 г. автомобили
выбрасывали в атмосферу только за один день 1700 т
углеводородов, 9500 т СО и 620 т NO*. Борьба
с вредными выбросами ведется по трем
направлениям: усовершенствование технологии
топлива, технологии двигателей и технологии
очистки выхлопных газов. По-видимому, к ним
следует добавить четвертое — правильная
текущая эксплуатация и контроль за
состоянием автомобилей. Необходимо убрать с дорог
устаревшие, работающие «на пределе»
автомобили, что явится существенным шагом на
пути снижения уровня вредных выбросов.
Проблема эмиссии требует системного
подхода, направленного на улучшение всех
компонентов. В будущем возможно настанет момент,
когда усовершенствование ДВС достигнет
своего предела и потребуется замена ДВС
другими двигательными установками. Ряд
автомобилестроительных фирм уже занимался
или занимается поиском таких решений, В
качестве альтернативы рассматриваются
паровые и газовые турбины, двигатели внешнего
сгорания и электрические двигатели,
работающие от аккумуляторных батарей.
ТУРБИНЫ
Впервые созданные примерно в 1890 г.
турбины стали основным средством получения
электроэнергии и основным ти^ом судового и
авиационного двигателя. Турбина
обеспечивает очень высокий КПД преобразования
внутренней энергии нагретого рабочего тела в
энергию вращения вала турбины. Для турбин
характерны малые удельные капитальные
вложения на единицу мощности, снимаемой с
вала, экономичность обслуживания, высокий
КПД, а также равномерность вращения и
отсутствие вибраций при работе. Первые
турбины были небольшими, мощностью несколько
сот киловатт, и предназначались для военных
кораблей. Одна из самых крупных
современных турбин, используемая в качестве судового
двигателя, имеет мощность 1300 МВт (эл). В
автомобильной промышленности изучается
возможность использования турбин в
качестве автомобильных двигателей. Учитывая
широкое применение турбин, рассмотрим общий
принцип их работы.
70

Рабочее тело поступает в турбину и
выходит из нее с постоянным расходом, совершая
механическую работу W. Характер движения
рабочего тела в турбине весьма сложен и
прежде чем понять, как она работает,
потребуется уяснить некоторые основные свойства
течений жидкостей и газов.
Течение жидкостей и газов
Поток движущейся жидкости или газа
обладает запасом количества движения и
энергии. Такой поток может совершать работу,
количество которой зависит от его внутренней
энергии. К движущейся жидкости можно
также подводить теплоту или отводить ее.
На рис. 4.12 показан общий случай
течения. Рассмотрим общие закономерности этого
процесса, прежде чем перейдем к конкретным
системам. На рисунке приняты следующие
обозначения: W—работа на единицу массы
агрегата; q — количество теплоты, подводимое
на единицу массы; рВх и рВых— давления на
входе и выходе, которые будем считать
постоянными, a v — соответствующие средние по
сечению скорости потока. Выражение для
полной энергии потока на входе и выходе можно
записать в следующем виде:
на входе
?вх = ^вх + Рвх V„ + y mv\x + mgyBK; (4.21)
на выходе
?вых = ^вых + Ршык Увых + Y ^вых + *П8Ут ,
(4.22)
где рвх и f/вых — внутренняя энергия —
термодинамическая функция потока. Члены рВх ?Л$х
и /?вых Увых характеризуют работу, которую
Рвх
Увк
Рвы*
^вых > -Т
W1
Убых
Рис. 4.12. Течение произвольной формы
может совершать поток соответственно на
входе и выходе из системы. Остальные члены,
как легко видеть, представляют собой
кинетическую и потенциальную энергию. Согласно
первому закону термодинамики, изменение
полной энергии потока между входом и
выходом должно быть равно сумме совершенной
работы и количества теплоты, переданной
рабочему телу или отданной им:
щ-гш' = Евыт—Е№ (4.23)
Перепишем это соотношение в виде:
Q = ^вых — ^вх + mg увых — у
2g
2?
+ ЛшхПых-P**VBX + Vf (4.24)
где q = Q/m и w' = W/m.
Чтобы перейти к более ясным
количественным оценкам параметров потока рабочего
тела, рассмотрим три конкретных процесса:
дросселирование (рис. 4.13,а), истечение из
сопла (рис. 4.13,6) и расширение газа в
турбине (рис. 4.13, в). Будем считать, что
истечение через дроссель является обратимым
адиабатическим процессом; поток направлен
горизонтально, соответственно скорости потока
на входе и выходе равны. С учетом этих
условий из (4.24) получаем:
О
^вых ^вх г Рвых V вы
х-Рвх^в
ИЛИ
^вх + Рви Увх = ^вых + Рвых У
вых v вых*
(4.25)
При истечении через сопло скорость
потока меняется, поскольку поперечное сечение
канала изменяется. Пусть поток направлен
горизонтально, работа равна нулю и
теплообмен отсутствует. Тогда уравнение (4.22)
примет вид
О
= tf.H«-tf« + m*(-^-
2S
+ Рвых 'вых Рвх * вх»
(4.26)
В турбине работа отлична от нуля. Будем по-
прежнему считать, что поток горизонтален и
скорость потока столь велика, что теплообме-
VextPsx
VsxfTexl
Рис. 4.13. Частные случаи
течения:
а — дросселирование; б — истечение
из сопла; в — расширение газа в
турбине
-JU
Увых>Рбых
^УвЬ1Х>ЪыХ
\
и9их>Ршк
^w"W
Увых
а)
V3*J6K
W/ШШШ/М G)
МШ//ШШШ В)
71

на не происходит. Тогда из уравнения (4.22)
получим:
„2
0 = ?/.
^вх + т
2g
2g
+ PBbIXV
вых Y вых
¦P**V„ + W. (4.27)
Математическое описание движения газа в
трех рассмотренных случаях и
соответствующие расчеты несколько упрощаются, если
ввести еще одну термодинамическую
функцию — энтальпию.
Для процесса при постоянном давлении
уравнение первого закона термодинамики
имеет вид:
Q = U2-U1 + p(V2-V1). (4.28)
Введем новую термодинамическую функцию-
энтальпию:
H = U + pVt (4.29)
тогда первый закон можно переписать в виде:
Q = H2 — Ht. (4.30)
Приращение энтальпии в изобарном процессе
равно теплоте, подведенной к системе. В ряде
учебников недостаточно строго оговаривается,
что энтальпию можно считать мерой
подведенной к системе теплоты только при этом
условии. Понятие энтальпии широко используется
во многих расчетах параметров рабочих тел
энергетических установок; имеются подробные
таблицы энтальпий в широком интервале
температур и давлений для различных веществ,
например для водяного пара. Рассмотрим
кратко правило пользования таблицами воды
и водяного пара.
Согласно определению энтальпии (4.25)
для процесса дросселирования можно
записать в виде:
#вх = Явых. (4.31)
Это означает, что процесс дросселирования
является изоэнтальпийным. Для истечения
газа из сопла (4.26) примет вид:
Т^2ВЫх = 1-тУ- + Явх-^вых. (4-32)
Из уравнения неразрывности следует, что в
сопле жидкость ускоряется. Это означает,
что энтальпия должна падать.
В турбине неподвижные лопаточные
аппараты работают как сопло, направляющее
поток на вращающиеся лопатки. Работа,
совершаемая рабочим телом при прохождении
рабочих лопаток, определяется в соответствии с
(4.27):
W - "„ ~ "вЫХ + \™\% - \ ти]ых. (4.33)
В большинстве типов турбин потери
скорости рабочего тела невелики. С учетом этого
из (4.33) получим:
W = АН. (4.34)
Пример 4.5. Пар расширяется в сопле, при этом его
удельная энтальпия меняется от 2500 до 2300 кДж/кг.
Определить скорость пара на выходе, если начальная
скорость пара равна 300 м/с.
Запишем (4.32) для 1 кг пара:
Y Увых = Y *вх + (^вх - Явых) >
откуда находим:
Vf= [ (300)2 + 2 (2500-103 — 2300-103)]1/2 = 700 м/с.
СВОЙСТВА РЕАЛЬНЫХ ГАЗОВ
Чтобы подробнее уяснить, как работает
паровая турбина, необходимо ввести
некоторые понятия, поскольку впервые
рассматривается реальный газ (пар). Поведение реальных
газов существенно отличается от идеального
газа: реальное вещество может претерпевать
фазовые превращения, переходя из твердого
состояния в жидкость и в пар. На рис. 4.14
показана р, У-диаграмма состояний чистого
вещества (область низких температур,
соответствующая твердой фазе вещества, не
показана). Пунктиром обозначена линия
насыщения. Она отделяет области чистой жидкости
от двухфазной области и чистого газа. Выше
линии насыщения при любых значениях
давления и объема жидкость не образуется. Пар,
существующий в этой области, представляет
собой газ.
Если небольшое количество воды
поместить в большой предварительно вакуумирован-
ный объем, то вода будет находиться в
состоянии, соответствующем точке А на рис. 4.14.
Если полученный в результате пар сжимать
при постоянной температуре, то его давление
Р \
Критическая
точка
/Левая
'пограничная
кривая
Правая
пограничная "
кривая
Рис. 4.14. Вид изотерм в р, V-координатах для чистого
вещества
72

будет расти вплоть до точки В. В этой точке
содержание пара в объеме становится
максимально возможным при данной температуре.
Такой пар называют насыщенным. При
дальнейшем сжатии начнется конденсация пара,
так что при перемещении от точки В к точке
D все большая часть пара переходит в
жидкость. В точке D существует только жидкость,
а пар отсутствует. При дальнейшем сжатии
объем будет мало меняться, поэтому линия
D—Е идет почти вертикально.
Процесс будет иметь тот же характер для
любой изотермы, лежащей ниже критической.
На любых двух изобарах-изотермах внутри
области фазового перехода всегда можно
найти две точки, в которых доля пара будет
одинаковой. Линии, проведенные через такие
точки, как, например, С—С' на рис. 4.14, носят
название линий постоянной сухости.
Точки В и В' на рис. 4.14 лежат на линии
насыщенного пара. Если нагревать пар при
постоянном давлении до состояния,
соответствующего точке У, то пар становится
перегретым. Разность температур между двумя
изотермами, на которых лежат точки В и V,
носит название температуры перегрева. Точки
У и У', в которых значения перегрева
одинаковы по отношению к линии насыщения,
лежат на линии постоянного перегрева.
Характер р, У-диаграммы, показанный на
рис. 4.14 для реального газа, принципиально
отличает его от идеального. В критической
точке наклон критической изотермы должен
быть равным нулю:
¦^ ' -л (4.35)
dV
т=т,
= 0.
кр
Кроме того, точка с координатами рКр, УКр,
Гкр является точкой перегиба изотермы:
-Р ' -" (4.36)
dV2
т=т,
= 0.
кр
Для идеального газа единственной
температурой, при которой выполняется (4.35), является
Т=0К. Для реального газа известны
различные более или менее точные уравнения
состояния.
Цикл Ренкина
Некоторые свойства реальных газов были
рассмотрены потому, что в паровой турбине
рабочее тело дважды переходит из одного
фазового состояния в другое. Теоретический цикл
паровой турбины или парового двигателя
носит название цикла Ренкина. Этот цикл, как и
циклы Отто и Дизеля, носит приближенный
характер и используется для расчета КПД.
Цикл, показанный на рис. 4.15, составлен из
последовательности обратимых процессов:
жидкость подается насосом в
парогенератор (отрезок а—с). Предполагается, что эта
операция включает два процесса: изохорный
процесс (кривая а—?>), в котором
затрачивается работа 1УВх, и изобарный процесс (Ь—с),
в котором подводится некоторое количество
теплоты;
вдоль линии с—d происходит изобарно-
изотермическое испарение жидкости, на
которое затрачивается теплота QBX;
адиабатическое расширение d—/
сопровождается совершением полезной работы №выХ;
рабочее тело конденсируется при r=const,
отдавая некоторое количество теплоты QBbix.
КПД преобразования энергии в данном
случае, как и для прочих двигателей, равен
отношению полезной работы к затраченной
теплоте:
Л = ^вых/Qbx = (Qbx- QbHx)/Q.x. (4.37)
Для изобарных процессов Ъ—d и f—а
передаваемое количество энергии QBX и С?Вых
можно выразить через энтальпии конечных
состояний, пользуясь выражением:
_ (Hd-Hb)-(Hf-Ha)
Hd — Hb
Значения удельных энтальпий воды и
водяного пара, а также для других веществ хорошо
изучены в широком диапазоне температур и
давлений.
Значения Н для точки / в таблицах не
приводятся, поскольку в этой точке вода
представляет собой двухфазную смесь жидкости и
пара. Необходимо, следовательно, вычислить
долю воды, находящуюся в газообразном
состоянии. Это легко сделать, если имеется такая
термодинамическая функция, которая не
меняется в адиабатическом процессе и легко
вычисляется для чистых веществ.
Такая функция была уже рассмотрена
ранее — это энтропия. Из (3.47) следует, что
если dQ = 0, то dS=Q, т. е. адиабатический
процесс является изоэнтропийным. Соответствен-
Л
(4.38)
Рис. 4.15. р, К-диаграмма цикла с
использованием реального газа
73

р\ Ъ
Рис. 4.16. 7, s-диаграмма цикла Рен-
кина
но, если энтропия пара в точке d равна Snd,
содержание пара в точке / равно у, а
энтропия воды в точке / равна SBf, то:
ySnf + (l-y)SBf = Sud. (4.39)
Используя значение содержания пара у,
вычисляем энтальпию Hf.
Hf = yHuf + {\-y)Hbf. (4.40)
На рис. 4.16 показан цикл Ренкина в Г, S-ди-
аграмме. Как правило, в таблицах свойств
воды и водяного пара вместе со значениями
энтальпии приводятся также значения энтропии,
что позволяет непосредственно определить па-
росодержание в точке /. Вычисляя КПД
приведенного на рисунке цикла, получаем, что для
характерных значений Та и Ть он должен
составлять около 45 %. В реальных системах он
обычно близок к 30 %. Эти цифры дают
представление о степени совершенства машины,
реализующей циклы Ренкина. В реальной
машине все процессы необратимы и необходимо
учитывать потери на трение, потери теплоты
за счет излучения и теплопроводности. Тем не
менее, если добиться увеличения площади,
охватываемой циклом, на р, V-диаграмме,
можно получить КПД, близкий к пределу,
определяемому циклом Ренкина.
Пример 4.6. Тепловая машина, работающая по
циклу Ренкина (рис. 4.16), имеет следующие параметры:
pd = 1555,099 кПа; Тг = 200 °С;
Pi = 1,7055 кПа; Т2 = 15 °С.
Необходимо определить влажность в точке f.
По таблицам воды и водяного пара находим
для насыщенного пара
sd = s/ = 6,4321 кДж/(кг-К)
и
Sfc = 8,78 кДж/(кг.К);
для насыщенной жидкости
sa= 0,2244 кДж/(кг-К).
Влажность в точке f, Xf определяется из соотношения
sd = sf = Xf sa + (1 — Xf) sk
a) V
Рис. 4.17. p, V- и Г, s-диаграммы цикла Ренкина с
перегревом пара
Рис. 4.18. Характерные параметры
цикла Ренкина с перегревом пара
или
6,4321 = 0,2244Х/ + 0—Х/)8>78> откуда Xf = 0,274.
Если точка d (рис. 4.16) будет находиться
значительно правее, в области пара, то цикл
в р, V- и Г, s-диаграммах приобретет вид,
показанный на рис. 4.17. Для этого требуется,
чтобы пар был перегретым. Максимальная
температура цикла ограничена стойкостью
паропровода, по которому пар поступает от
парогенератора к турбине.
Перегрев пара увеличивает КПД цикла.
На рис. 4.18 цикл Ренкина представлен в
виде суммы трех независимых циклов. Цикл А
можно назвать циклом сжатия, он
добавляется к циклу Карно В; цикл С — цикл
перегрева пара. Используя значения, приведенные на
диаграмме, можно показать, что на цикл
перегрева приходится около 12,7 % всей
расходуемой теплоты и 16,1 % работы, а суммарный
КПД цикла, изображенного на рис. 4.18,
равен 40 %. Без перегрева пара КПД составлял
бы 38,4%.
Перегрев пара не только несколько
увеличивает термический КПД, но также помогает
бороться с основной проблемой эксплуатации
паровых турбин — паровой эрозией.
Пароводяная смесь в хвостовой части турбины,
соответствующей участку h—/ Г, s-диаграммы
цикла (рис. 4.17), обладает сильными эрози-
74

Рис. 4.19. Г, s-диаграмма цикла
Ренкина с промежуточным перегревом
онными свойствами, что вызывает разрушение
лопаток и трубопроводов.
Другим средством улучшения качества
работы системы является отбор пара и его
вторичный промежуточный нагрев после
частичного срабатывания в начальной части турбины
(ступени высокого давления). В Г, s-диаграм-
ме цикл с промежуточным перегревом пара
показан на рис. 4.19. Прирост КПД за счет
промежуточного перегрева пара может быть и
небольшим, но позволяет уменьшить зону
влажного пара в цикле (линия h—k на рис. 4.19),
что является крайне важным.
Пример 4.7. Пусть значения р, 7\ h и s в точках
а и е те же, что на рис. 4.18, а s/i=6,711 кДж/(кг-К)
(положим, что точка h расположена на правой
пограничной кривой, рис. 4.19), ph=650,4 кПа, 7л=162°С и
hh=2,753 МДж/кг. Значения параметров пара в точке
i: Pi = 650,4 кПа, hi = 3,247 МДж/кг и s* =
= 7,628 кДж/(кг-К). Требуется найти суммарный КПД
цикла A + B + C+D.
Количество теплоты, затрачиваемое в процессе
/г-к, равно #=A/i=495 кДж/кг. Количество теплоты,
отдаваемое в процессе j-*-k, равно qr = TAs (процесс
/-»-/ адиабатический, т.е. изоэнтропийный), ^г =
=—2,647 МДж/кг. Совершенная работа q-\-qr—
= 104,7 кДж/кг. Используя эти значения и
приведенные выше данные, получаем:
Л = (6,72-105)/(1,643-106) = 0,409.
Если рассчитать КПД отдельно для
каждого из циклов, показанных на рис. 4.18, то
получим, что наибольший КПД у цикла С, а
наименьший — у цикла Л. Это объясняется тем,
что в цикле А подвод теплоты осуществляется
при более низкой температуре. Положение
можно улучшить, если отбирать пар из
турбины и использовать его для предварительного
подогрева конденсата, прежде чем последний
возвращается в парогенератор.
Схема, включающая такой процесс,
который носит название регенеративного
подогрева, показана на рис. 4.20. На рис. 4.21
изображен цикл этой установки в Г, 5-диаграмме.
За счет использования промежуточного
перегрева пара и регенеративного подогрева со-
Рис. 4.20. Отбор пара из турбины для подогрева
конденсата в регенеративных подогревателях-теплообменниках:
/ — регенеративные подогреватели; 2 — линия под&чи воды в
парогенератор; 3 — линия подачи пара в регенеративные
подогреватели; 4 — линия подачи пара от аароперегревателей; 5 —
турбина; 6 — конденсатор
Рис. 4.21. Г, s-диаграмма цикла Ренкина с
регенеративным подогревом конденсата
временные теплоэнергетические установки
могут обеспечивать КПД, близкий к КПД цикла
Карно, соответствующего данному интервалу
температур. Благодаря низким удельным
затратам, высокой эксплуатационной надежности
и сравнительно высокому КПД паровые
турбины будут, видимо, и в будущем широко
применяться для выработки электроэнергии, по
крайней мере на крупных электростанциях.
В системах, работающих при более высоких
температурах, в качестве рабочего тела
вместо пара могут быть использованы другие
вещества. Ниже перечислены те из них, которые
уже используются или же рассматриваются
как потенциально пригодные для этой цели:
Be щество
Вода
Дифенил . ...
Бромистый алюминий
Ртуть
Сера
Рубидий . ...
Натрий
Температур
авления
0
70
98
—39
113
38
98
а. °С
кипения
100
254
264
357
480
700
881
75

Наряду с термическим КПД, который, как
уже было сказано, у турбин довольно высок,
важно знать также и их полный КПД, равный
произведению термического на внутренний
относительный КПД, определенный в гл. 3 и
характеризующий совершенство машины. Для
оценки этой величины необходимо знать
минимальное количество работы, необходимое
для выполнения того же самого процесса.
В большинстве электростанций более 90 %
энергии топлива идет на производство пара,
системы с парогенератором имеют довольно
высокий полный КПД, практически равный
термическому КПД. Единственным путем
дальнейшего увеличения эффективности
использования топлива является переход к
методам прямого преобразования теплоты в
электрическую энергию. Такие методы
существуют и будут рассмотрены в гл. 5.
Газотурбинные установки
С созданием паровых турбин паровые
поршневые машины практически полностью
перестали использоваться, поэтому их работа здесь
не рассматривается. Однако необходимо
отметить, что существуют мнения о возможности
их применения в качестве автомобильного
двигателя. Турбина позволила перейти на более
высокие температуры, а соответственно
повысить КПД и производительность. В конце
XIX — начале XX вв. в условиях интенсивного
развития техники применение турбин
совершило переворот в области создания корабельных
двигателей и в энергетике. Несколько позднее
появилась новая отрасль промышленности —
авиация, которая также остро нуждалась в
легких и мощных двигателях. Паровая
турбина в этом случае не могла стать выходом из
положения: большая масса, большие расходы
воды и топлива, необходимость конденсации
отработанного пара, медленный темп
изменения частоты вращения делали ее непригодной
для авиации. Эти требования и проблемы
привели к созданию высокоскоростной
авиационной газовой турбины. Недавно были сделаны
попытки использовать газовую турбину в
качестве автомобильного двигателя. Процессы,
протекающие в газовой и паровой турбинах,
существенно отличаются. Рассмотрим
термодинамический цикл газовой турбины, а затем
особенности ее влияния на окружающую среду.
Типовая схема газовой турбины показана
на рис. 4.22. Воздух предварительно
сжимается в компрессоре У, затем смешивается с
топливом и смесь воспламеняется. Горячие
выхлопные газы расширяются, проходя через
одну или несколько ступеней турбины. Эти
турбины имеют в основном ту же конструкцию,
что и паровые турбины, но отличаются от них
Топливо
Отработанные
газы
Рис. 4.22, Схема газотурбинного двигателя открытого
цикла:
/ — компрессор; 2 — камера сгорания; 3 — первая ступень
турбины; 4 — вторая ступень турбины
р
а)
V
Рис. 4.23. р, V- и Г, s-диаграммы цикла Брайтона
размерами и конструкционным материалом.
Первая ступень турбины служит приводом
компрессора. Последующие ступени
вырабатывают механическую энергию, которая
используется для производства электроэнергии
или — в турбовинтовом авиационном
двигателе— для вращения пропеллера. В
турбореактивном двигателе разница между количеством
движения воздуха на входе в компрессор и
количеством движения газов, имеющих высокую
скорость, на выходе из турбины создает
реактивную тягу. Чтобы проанализировать работу
газовой турбины, построим, как и раньше, ее
теоретический цикл (рис. 4.23). Этот цикл
носит название цикла Брайтона.
Процесс а—Ь — адиабатическое (изоэнтро-
пийное) сжатие. Затем следует нагрев при
постоянном давлении Ъ—с. Сжатый газ,
нагретый до высокой температуры, расширяется в
турбине (процесс с—d). В точке d
температура газа выше, чем в точке а, но давление то
же. В замкнутом цикле затем следует
охлаждение до Та и процесс повторяется. В открытом
цикле атмосфера играет роль холодного
источника для изобарного процесса охлаждения
d—a.
Термический КПД, как и для других типов
двигателей,
л = (Свх-<2вых)/<гвх. (4.41)
Поскольку подвод и отвод теплоты осуществ-
вляется по изобаре, для вычисления КПД
можно было бы, как для цикла Ренкина, пе-
76

рейти к энтальпии. Однако интереснее
непосредственно рассмотреть зависимость КПД от
температуры. Считая, что теплоемкость Ср
рабочего тела постоянна, запишем:
Q„ = Cv(Te-TJ (4.42)
и
QB^ = Cp(Td-Ta). (4.43)
Выражение для КПД при этом примет
следующий вид:
1 (тс-ть)
Давления в точках а, 6, с и d на диаграмме
связаны соотношением
PjPb=PJPc (4-45)
Если считать рабочее тело идеальным газом,
то температуры в этих точках будут связаны
следующим образом:
TJTd = ТЪ1ТС. (4.46)
Используя эти соотношения, получаем
выражение для термического КПД, зависящее
только от температуры:
r\ = (Tc-Td)/Tc. (4.47)
Как правило, для данного двигателя
значения Td и pc/pd известны, а Тс можно
рассчитать по уравнению состояния идеального газа.
В частном случае для идеального газа,
имеющего y=1,4, при ГС=820°С и отношении
давлений 5: 1 получаем rd=415°C и КПД =
=37%. Если начальная температура равна
21 °С, то для цикла Карно в этом интервале
температур получаем КПД = 73%. Это
означает, что КПД цикла Брайтона весьма далек
от максимально возможного. При этом
необходимо еще учесть, что был рассмотрен
теоретический цикл, не учитывающий потери
давления и теплоты, механические потери в
компрессоре турбины и необратимость процессов.
Экономические показатели газовой
турбины можно улучшить, используя те же
способы, что и в паровой турбине. Регенеративный
подогрев воздуха (т. е. его подогрев за счет
теплоты, отдаваемой выхлопными газами,
перед смешением с топливом) позволяет
увеличить Тъ и Гс, при этом Та остается прежней.
Как правило, этот прием обеспечивает
существенное увеличение КПД. При Tb = Td и
значениях параметров, взятых для только что
рассмотренного примера, КПД возрастет до
58 %. Известно, что работа на сжатие газа
зависит от его температуры: чем меньше
температура газа, тем меньше работа,
затрачиваемая на сжатие. Поэтому для увеличения КПД
сжатие в компрессоре проводят в несколько
ступеней, дополнительно охлаждая газ после
каждой ступени. Использование
регенеративного подогрева в сочетании с промежуточным
охлаждением может обеспечить увеличение
КПД до 65 %. У газовой турбины легко
получить КПД выше, чем у паровой турбины той
же мощности. Это объясняется тем, что в
первом случае температура газа может быть
достаточно высокой. Значение максимально
допустимой температуры рабочего тела
является основным параметром, от которого зависит
КПД всех тепловых двигателей. В ДВС,
паровых и газовых турбинах максимально
допустимая температура ограничена стойкостью
конструкционных материалов. В результате
проводимых исследований технологические
свойства материалов непрерывно улучшаются,
и можно не сомневаться, что в ближайшие
годы будет наблюдаться дальнейшее
усовершенствование всех типов двигателей.
Изучалась возможность использования
газовой турбины и в качестве автомобильного
двигателя. Основным определяющим
фактором в этом вопросе является стоимость
головных вариантов такого автомобиля. 80-летний
опыт эксплуатации и исследования позволили
добиться очень низкой себестоимости ДВС.
Еще один недостаток газовых турбин состоит
в том, что они предназначены для работы в
стационарном режиме. При режиме движения
с частыми остановками, характерном для
городских условий, возрастет расход газа и
затраты на обслуживание. Несмотря на то, что
опыты фирмы Chrysler проведенные
несколько лет назад, дали, по-видимому,
отрицательные результаты, не исключено, что
необходимость снижения допустимых норм загрязнения
воздушного бассейна заставит
автомобилестроительные фирмы вновь вернуться к этой
идее1.
Двигатели внешнего сгорания
Двигатели, в которых сгорание топлива
осуществляется с внешней стороны цилиндра,
содержащего замкнутую газовую систему л
механические поршни, носят название
двигателей внешнего сгорания. Этот тип двигателя
сегодня приобретает важное значение,
поскольку он, как и газовая турбина замкнутого
цикла, позволяет снизить до минимума или даже
совсем исключить вредные выбросы продуктов
сгорания. Более того, термический КПД
двигателя внешнего сгорания равен КПД цикла
Карно.
Двигатель внешнего сгорания был
изобретен еще в 1816 г., но, несмотря на высокий
1 Опыт использования газовых турбин в авиации
США с точки зрения охраны окружающей среды
рассмотрен в книге «Образование и разложение
загрязняющих веществ в пламени». Пер. с англ. под ред.
Н. А. Чигира. М.: Машиностроение, 1981.
77

Рис. 4.24. p, V- и Г, 5-диаграммы цикла Стирлинга
КПД, он оказался значительно более
громоздким и тяжелым, чем другие двигатели той же
мощности. В результате он не выдерживал
конкуренции с изобретенными позже
турбинами и ДВС. Некоторые европейские фирмы
вновь заинтересовались идеей двигателя
внешнего сгорания после второй мировой войны.
Успехи в области технологии
конструкционных материалов позволили сделать двигатель
экономичным, компактным и бесшумным.
Учитывая возросший интерес к двигателю
внешнего сгорания, рассмотрим принцип его
работы и применимость в качестве источника
энергии.
Цикл Стирлинга, теоретически
описывающий процессы, протекающие в реальном
двигателе внешнего сгорания, включает (рис.
4.24) изотермическое сжатие а—Ь, подвод
теплоты в изохорном процессе Ь—с, расширение
по изотерме с—d и еще один изохорный
процесс d—а, замыкающий цикл.
Как и для любого другого цикла,
термический КПД цикла Стирлинга равен отношению
совершенной в цикле полезной работы к
количеству теплоты, затраченной на совершение
этой работы. В данном случае теплота
подводится в двух процессах Ь—с и с—d, а
отбирается в процессах d—а и а—Ь.
На рис. 4.24 отдельно показаны количества
теплоты QR для процессов сжатия и
расширения. Если количество теплоты, выделяемое в
двигателе при сжатии газа, равно количеству
теплоты, поглощенному газом при
расширении, то этот обмен теплоты можно считать
внутренним процессом и не учитывать при
расчете КПД. Воспользуемся далее этим
условием. Тогда остается рассчитать только QBX и
Увых»
Выражение первого закона термодинамики
для изотермического процесса имеет вид:
dQ = pdV, (4.48)
или для идеального газа с учетом pV=RT
(для одного моля):
dq =* RTdV/V. (4.49)
Отсюда для двух рассматриваемых процессов
Qcd = RTc\n(Vd/Vc) (4.50)
И
-Qab = RTa\n(VJVb). (4 51)
Термический КПД цикла
4 = (Qb*-|Qbh*I)/4»* (4.52)
можно записать в виде:
г\^(Тс-Та)/Тс
(4.53)
что эквивалентно КПД цикла Карно для тех
же температур. Естественно, чтобы получить
такое значение КПД в реальном двигателе,
необходимо разработать агрегат, рабочий цикл
которого был бы близок к циклу Стирлинга.
Такие двигатели уже создаются. На рис. 4.25
условно показана конструкция двигателя
внешнего сгорания. Газ в горячей зоне
цилиндра расширяется, проходя через регенератор,
охлаждается, затем попадает в пространство
между двумя поршнями и толкает силовой
поршень вниз (в идеализированном цикле это
соответствует обратимым процессам — кривые
cd и da, однако в реальном двигателе оба
процесса идут одновременно и не могут быть
отделены один от другого). Силовой поршень
связан механически с поршнем-вытеснителем
так, что при движении силового поршня вниз
последний движется вверх. При этом он
выталкивает газ из горячей зоны через
регенератор, в котором газ охлаждается, нагревая
керамическую засыпку регенератора. Достигнув
крайнего нижнего положения, силовой поршень
движется вверх, вытесняя уже охлажденный
газ назад в горячую зону через регенератор, в
котором тот нагревается до температуры Ть
(рис. 4.24). При этом поршень-вытеснитель
достигает крайнего нижнего положения. В
горячей зоне газ вновь разогревается и
выполняется новый цикл.
Хотя рабочий цикл реального двигателя
внешнего сгорания отличается от
идеализированного цикла, можно получить очень
высокий КПД. Двигатель внешнего сгорания
имеет и еще ряд преимуществ. Поскольку процесс
горения топлива (в автомобильном двигателе
внешнего сгорания) идет непрерывно, а не
вспышками как в ДВС, и при атмосферном
давлении, а цилиндры хорошо
сбалансированы, вибрация и шум практически отсутствуют.
Двигатель можно использовать фактически
без глушителя. Автобус с двигателем
внешнего сгорания легко удовлетворяет нормам по
шуму тех европейских стран, где эти нормы
существуют. Выше уже упоминалось о
преимуществах применения двигателя внешнего
сгорания для уменьшения вредных выбросов.
В нем в принципе может быть использован
78

Рис. 4.25. Упрощенная схема работы двигателя внешнего сгорания:
/—регенератор; 2 — горелки; 3 — горячая зона; 4 — поршень-вытеснитель; 5 — охладитель; 6 — силовой
поршень; 7 — коленчатый вал; 8 — холодная зона
вершенствованной конструкции. Им
интересуются и частные корпорации. Фирма Ford
Motor Company закупила лицензию у одной
европейской фирмы, выпускающей эти
двигатели. В министерстве энергетики США
полагают, что в случае продолжения исследований
массовое использование двигателей внешнего
сгорания может начаться в конце 80-х годов.
В табл. 4.3 сравниваются параметры
различных двигателей.
Основным слабы м местом двигателя
внешнего сгорания является конструкция
нагреваемой стенки цилиндра. Именно по этой
причине такой двигатель начинает внедряться
только сейчас, когда благодаря достижениям в
металлургии созданы материалы,
выдерживающие длительную работу при высоких
температурах.
ХОЛОДИЛЬНЫЕ МАШИНЫ
Рассмотрение холодильных машин в главе,
посвященной тепловым двигателям, вполне
уместно. Они являются такими же тепловыми
машинами, в которых рабочее тело совершает
обратный термодинамический цикл. При этом
некоторое количество теплоты отбирается от
холодного источника, а большее количество
теплоты отдается горячему источнику; разность
этих количеств представляет собой работу,
совершаемую внешними силами над рабочим
телом.
Для реализации такого цикла необходимо
подобрать рабочее тело (хладагент), поглоща-
любой источник теплоты: солнечная энергия,
ядерный реактор и даже радиоизотопы, хотя
конечно трудно представить использование
таких источников в автомобиле. Количество
выбросов от автомобилей с двигателями
внешнего сгорания так мало, что министерством
энергетики США в 1979 г. был изготовлен
экспериментальный автомобиль с таким
двигателем—«Генезис-1». В настояще время проходят
испытания двигателя внешнего сгорания усо-
Таблица 4.3. Сравнительные характеристики дизельного
двигателя и двигателя внешнего сгорания
Характеристика
Масса испытуемого
двигателя, кг
Мощность, кВт
Вид топлива
Длина пробега на 1 л
топлива, км
Количество выбросов
загрязняющих веществ для
городских условий (в
среднем), г/км:
СО
НС
N0*
Двигатель
внешнего
сгорания
«Гене-
зис-Ь
1259
33
Бензин
8,1
0,27
0,08
0,23

Дизельный
двигатель
1275
44

Дизельное
топливо
10,4
1
0,20
0,93


шенствованный
двигатель
внешнего
сгорания
1156
63

Дизельное*
топливо
18,6
—0,27
—0,08
-0,23
* Разновидность дизельного топлива wide-^cut.
79

ющее теплоту при низкой температуре. Это
возможно лишь при условии, что рабочее
тело имеет более низкую температуру, чем
температура холодного источника. Обратимся к
рис. 4.14. В изобарном процессе, совершаемом
в диапазоне выбранных температур, реальное
рабочее тело обязательно претерпевает
фазовый переход. Таким образом, работа
холодильной машины должна быть связана с
изменением агрегатного состояния рабочего тела —
плавлением твердого вещества либо испарением
жидкости вблизи холодного источника и
обратным процессом вблизи горячего источника.
Какие же требования предъявляются к
рабочему телу холодильной машины? Оно
должно быть недефицитным и дешевым, должно
конденсироваться при температуре, близкой к
комнатной, должно иметь довольно низкую
температуру кипения, чтобы исключить
необходимость работать под вакуумом, хотя это
требование в ряде случаев можно обойти. Оно
также должно иметь большую скрытую
теплоту парообразования. В существующих
холодильных машинах используется целый ряд
хладагентов. Рассмотрим некоторые из них,
получившие наибольшее распространение.
Обезвоженный аммиак является одним из
традиционных и наиболее распространенных
хладагентов. Он обладает высокой скрытой
теплотой парообразования, не требует
больших затрат мощности на прокачку и работает
при умеренном давлении. Так, например, в
обычном холодильнике, где не требуется
охлаждение ниже—33 °С, давление в
испарителе выше атмосферного. Что касается
недостатков аммиака, то, во-первых, он коррозион-
но-активен по отношению к латуни и бронзе,
хотя и инертен к черным металлам, во-вторых,
он токсичен и раздражает слизистую
оболочку глаз, носа и гортани.
Галогенозамещенные углеводороды
(обычно называемые в соответствии с одной из
торговых марок фреонами) составляют основную
группу хладагентов. По химическому составу
они представляют собой углеводороды, в
которых водород полностью или частично
замещен хлором или фтором (галогенами). Фреоны
негорючи и малотоксичны. Наиболее
распространен фреон-12. Несмотря на то что
скрытая теплота парообразования у него низкая,
что требует увеличения расхода хладагента,
его применение не менее эффективно, чем
применение аммиака.
Двуокись углерода (С02) довольно
широко использовалась в качестве хладагента в
судовых установках благодаря нетоксичности.
К недостаткам холодильных машин,
использующих С02, следует отнести высокие рабочие
давления и сравнительно низкий холодильный
коэффициент1. Поэтому с появлением фреонов
С02 в основном стала использоваться только
для производства сухого льда.
Аммиак, обладающий высокой скрытой
теплотой парообразования, обычно
применяется в крупных промышленных установках, в
которых требуется создание температур ниже
0°С. В бытовых холодильниках и
кондиционерах воздуха используется фреон. В крупных
стационарных установках кондиционирования
воздуха, а также в некоторых типах бытовых
холодильников используется иной принцип
охлаждения — абсорбционный. Рассмотрим
более подробно термодинамические принципы
работы холодильных установок этих двух
типов.
Холодильный цикл
Теоретический холодильный цикл
изображен в р, V- и Т, 5-диаграммах на рис. 4.26 и
включает в себя процесс дросселирования
(истечение через сужение в канале), который был
рассмотрен выше. Термодинамическая систе -
ма при этом проходит необратимо через
последовательность неравновесных состояний.
Было бы неверным сказать, что энтальпия в
течение этого процесса остается неизменной,
однако можно утверждать, что значения
энтальпии в начале и конце процесса равны.
В силу необратимости процесс
дросселирования на рис. 4.26 показан условно пунктирной
кривой.
Особенностью чистого реального вещества
является то, что дросселирование его
влажного пара всегда сопровождается понижением
температуры и частичным испарением. Это
видно из диаграмм. В процессе, соответствующем
участку Ь—с на диаграммах, происходит
отбор теплоты при нижней температуре цикла
за счет полного испарения рабочего тела.
Сухой пар затем адиабатически сжимается
(участок с—d) и после конденсируется при верхней
температуре цикла в изобарном процессе
Рис. 4.26 я, v- и 71, s-диаграммы холодильного цикла
Парокомпрсссионной установки (vi s — удельные
значения объема и энтропии)
1 Определение холодильного коэффициента — см.
ниже, (Примеч. ред.)
80

(участок d—е—а), превращаясь вновь в
насыщенную жидкость.
Такой цикл, естественно, является
идеализацией, поскольку все реальные процессы
необратимы. Тем не менее, как и любая другая
модель, он позволяет оценить предельные
рабочие параметры системы.
Поскольку холодильная машина не
совершает никакой полезной механической работы,
она не может характеризоваться обычным
КПД. Введем другую величину,
характеризующую эффективность холодильной машины.
Эффективно работающей можно считать такую
холодильную машину, которая для отбора
заданного количества теплоты от системы
требует минимальной работы внешних сил. Это
можно записать в виде следующего
выражения:
<*=q2IW = q2l{qi^q2), (4.54)
где q2 — количество теплоты, отобранной от
холодильного источника; q\ — количество
теплоты, отданной горячему источнику; W —
количество теплоты, эквивалентное работе,
совершаемой внешними силами над рабочим телом
в цикле. Величину со обычно называют
холодильным коэффициентом. Для бытовых
холодильников характерные значения со
составляют от 2 до 5.
Для холодильного цикла Карно
<* = TJ{T1 — TJ. (4.55)
Пользуясь понятием энтропии, можно
показать, что работа, затрачиваемая в
холодильном цикле, совершаемом в данном диапазоне
температур, минимальна для холодильного
цикла Карно.
Холодильный коэффициент реальной
холодильной машины со можно выразить через
энтальпии системы для состояний а, Ь, с и d.
Поскольку процесс Ь—с изобарный,
q2 = hc — hb. (4.56)
Аналогично дяя процесса d—с имеем:
4i = hd-ha. (4.57)
Для процесса дросселирования а—Ь запишем:
К = К
Итак,
® = (he-ha)/(hd-hc). (4.58)
Теперь можно рассчитать холодильный
коэффициент, пользуясь термодинамическими
данными для используемого хладагента.
Пример 4.8. Пусть температура испарителя
аммиачной холодильной машины (точка с на рис. 4.26) равна
—15°С, а температура, при которой конденсируется
аммиак в конденсаторе (точка а), равна 30 °С.
Требуется определить холодильный коэффициент данной
установки, степень сухости пара в точке и количество
работы, совершаемой компрессором. Из таблицы
термодинамических свойств аммиака имеем:
ha = 322,2 кДж/кг (насыщенная жидкость при
30 °С, 1166,6 кПа);
hc = 1422,8 кДж/кг (насыщенный пар при —15°С,
236,5 кПа);
sc=5,534 кДж/(кг-К).
Из таблиц видно, что при 30 °С s=5,534. Это
соответствует перегреву пара более чем на 200 °С.
Абсолютное значение температуры перегрева, которое в
данном случае равно 100 °С, найдено из i, s-диаграммы.
Это соответствует точке d на диаграмме, значение
энтальпии для которой равно:
hd = 1,797 МДж/кг.
С помощью этих данных получаем значение
холодильного коэффициента:
1,423 — 0,322
со =— ! = 3,17.
1,797—1,423
Определим степень сухости х из соотношения
ha = *hc + {\ —x)hk,
где hh = h насыщенной жидкости при — 15°С. Тогда
Работа компрессора
W = hd-hc,
поскольку процесс сжатия изоэнтропийный.
Соответственно для данного цикла:
W = 1797 — 1423 = 374 кДж/кг.
Из этого примера видно, что работа,
совершаемая компрессором, довольно значительна.
Это характерно для парокомпрессорной
установки. Естественно, нужно стремиться снизить
эту величину, оставляя неизменным значение
холодильного коэффициента.
В США государственные нормы на
эффективность кондиционеров воздуха,
холодильников (как промышленных, так и бытовых)
отсутствуют. Соответствующие оценки, однако,
сделать нетрудно. В США производительность
холодильников и кондиционеров воздуха
измеряется в британских тепловых единицах в час
(БТЕ) или тоннах холода. (Одна тонна
холода равна количеству энергии, необходимому,
чтобы расплавить 1 англ. т * льда при 0°С. Это
составляет 288 000 БТЕ. В коммерческой
практике речь идет о единице мощности —
288 000 БТЕ за 24 ч). Одна коммерческая
тонна холода эквивалентна 12 000 БТЕ/ч, или
3,5 кВт. Это мера отбора теплоты q2 в (4.56).
Затрачиваемую работу можно оценить по
току, потребляемому агрегатом. Хотя от фирм-
изготовителей не требуется выпускать агрегаты
с высоким со, они обязаны указывать в
паспорте значение «энергетической
эффективности» (EER)**—отношение отбираемого
количества теплоты в единицу времени к потреб-
* 1 англ. т= 1016,047 к/.
** EER — Energy Efficiency Ratio .
81

большая мощность, потребляемая
компрессором. Она была бы значительно меньшей, если
бы рабочее тело в течение всего цикла
находилось в конденсированном состоянии. Это
условие обеспечивается в абсорбционной
холодильной установке. Газообразный хладагент
абсорбируется жидкостью (рис. 4.27).
Обычно используется аммиак и вода. Полученный
концентрированный раствор аммиака
сжимается за счет внешней работы AW, затем в
парогенераторе за счет внешнего источника
теплоты аммиак испаряется из раствора. Для
нагрева часто используют отработанный пар с
низкими параметрами. Полученные пары
аммиака конденсируются, высвобождая теплоту
Рис. 4.28. Абсорбционная устанозка, использующая холодильный цикл МЕС:
/ — вращающийся осушитель; 2 — газовая горелка; 3 — вращающийся рекуперативный
теплообменник; 4 — увлажнители
AQh, которая отводится охлаждающей водой.
Жидкий аммиак по-прежнему находится при
высоком давлении за счет сжатия на
предыдущей ступени. Затем жидкость дросселируется
в редукционном вентиле, при этом ее
температура значительно падает. На следующей
стадии от низкотемпературного источника
поглощается количество теплоты AQa, при этом
аммиак испаряется, а затем поглощается слабым
водным раствором. Поскольку процесс
растворения экзотермичен, то от абсорбера
некоторая часть теплоты отводится наружу. В
реальной системе используется абсорбер
довольно сложной конструкции, обеспечивающей
минимальный расход воды. Бытовые
холодильники на природном газе работают практически
по тому же принципу.
Абсорбционные холодильные установки,
использующие низкопотенциальную теплоту,
должны в будущем найти более широкое
применение. В качестве источников энергии
могут быть использованы низкопотенциальная
теплота ТЭЦ или даже солнечная энергия от
батарей, устанавливаемых на крышах домов.
Одним из недостатков схемы с солнечными
Рис. 4.27. Абсорбционная холодильная установка:
/ — абсорбер; 2 — водяное охлаждение; 3 — генератор пара;
4 — подогрев; 5 — конденсатор; 6 — редукционный клапан; 7 —
испаритель
20 40 60 80 100 120 ПО
Температура сухого термометра7 "С
Рис. 4.29. Психрометрическая диаграмма холодильного
цикла МЕС
ляемой электрической мощности. Величина
EER отличается от со только размерностью
EER = 3,414co. (4.59)
Можно только удивляться тому, сколь
различны значения EER, указываемые разными
фирмами-изготовителями (см. рис. 1.10).
Приобретая кондиционер или холодильник, нужно
помнить, что мы платим за со, а не за q2.
Как мы убедились, недостатком пароком-
прессорных холодильных установок является
82

батареями является то, что система
одновременно потребляет значительное количество
охлаждающей воды, которая, как правило, в
районах, пригодных для использования
энергии солнца, имеется в ограниченных
количествах.
Оригинальный абсорбционный
холодильный цикл был предложен и исследуется в
настоящее время в Institute of Gas Technology
(Швеция). Принцип работы агрегата—цикл
МЕС* показан на рис. 4.28 и
психрометрической диаграмме (рис. 4.29). Теплый влажный
воздух, имеющий температуру 28 °С и
влажность 67 %, из помещения пропускается через
нагретый фильтр-осушитель из молекулярных
сит, где влага абсорбируется. За счет теплоты
абсорбции температура воздуха возрастает
до 84 °С, а влажность падает до 5 % (точка
b на диаграмме). Затем воздух охлаждается,
нагревая насадку вращающегося
теплообменника (точка с), дополнительно охлаждается
за счет увлажнения (точка d) до температуры
14 °С и влажности 53 %, что вполне
приемлемо для помещения.
Снаружи забирается воздух с
температурой 24—35 °С влажностью 75 % (точка е) и
увлажняется, так что в точке / влажность
становится равной примерно 90 %, температура
27 °С. При этом во вращающемся
рекуперативном теплообменнике отбирается теплота от
кондиционируемого воздуха. В этой точке
(точка g) температура воздуха равна 80°С.
Этого не вполне достаточно, чтобы осушить
воздух во вращающемся осушителе, и
дополнительная теплота получается за счет горения
топлива (обычно природного газа). В точке h
температура равна 143 °С, а влажность менее
3 %. Нагретый таким образом воздух
используется во вращающемся осушителе и затем
выбрасывается наружу, имея температуру
около 79 °С. Сообщается, что при расходе
теплоты от сжигания топлива 46,9-106 Дж/ч
агрегат обеспечивает кондиционирование
воздуха с производительностью 2,7 т/ч и со=0,73.
Поскольку весь процесс в цикле МЕС идет
при атмосферном давлении, рассмотренный
агрегат весьма перспективен. Если удастся
разработать более эффективные
теплообменники и снизить потребление энергии, то такие
системы окажутся вне конкуренции.
Тепловые насосы
Значения холодильного коэффициента на
практике превышают единицу. Это открывает
интересную возможность использования
холодильной машины для получения теплоты.
* МЕС — Munters Enviromental Control.
Пусть со=4, тогда
q2/W = 4. (4.60)
С учетом того, что
b = qi-Wf (4.61)
получаем:
или
^ = 5W.
Таким образом, получается, что количество
теплоты, сообщаемое горячему источнику, в
пять раз больше эквивалентной затраты
работы! Обычно речь идет о работе,
совершаемой приводным электродвигателем
компрессора. Если это же количество электроэнергии,
равное W, затратить на отопление с помощью
электронагревательного прибора, то в
помещении выделится количество теплоты, равное
W. Разница очевидна.
Идею такого применения холодильной
машины впервые предложил Кельвин еще в
1852 г. Сегодня агрегаты, носящие название
тепловых насосов, которые используются для
охлаждения летом и для отопления зимой,
серийно выпускаются промышленностью. Схема
такого агрегата условно показана на рис. 4.30.
На двух показанных схемах перепускной
клапан находится в двух различных
положениях. Зимой для обогрева (рис. 4.30, а)
рабочее тело под давлением подается в
конденсатор (отрезок d—а на рис. 4.26). Для
охлаждения в летнее время рабочее тело при низком
давлении поступает в тот же узел, который
теперь служит испарителем (отрезок а—с).
Одним из недостатков агрегата является
трудность подбора холодного источника, от
которого отбирается теплота в зимнее время. В
некоторых устройствах для этой цели
используется окружающий воздух, в других — почва
либо сетевая вода. Довольно трудно избежать
промерзания холодильных коммуникаций
испарителя и конденсации в них влаги, что
повлечет за собой падение расхода и
соответственно снизит количество вырабатываемой
теплоты.
Эффективность реально используемых на
практике тепловых насосов существенно ниже
приведенных выше цифр (рис. 4.31). При
падении температуры ниже —2 °С во многих
выпускаемых тепловых насосах
предусмотрено автоматическое переключение на
электрообогрев из-за резкого падения холодильного
коэффициента установки. Изучаются способы
усовершенствования теплового насоса,
поэтому можно ожидать, что в будущем его
технико-экономические показатели будут
значительно улучшены.
83

Рис. 4.30. Схема работы теплового насоса в зимнее (а) и летнее (б) время:
J — испаритель; 2 — конденсатор; 3 — воздуходувная машина; 4 — редукционный клапан; 5 — перепускной
клапан; б — линия низкого давления; 7 — линия высокого давления; 8 — компрессор; 9— двигатель
В данной главе мы рассмотрели работу
ряда машин, относящихся к тепловым
двигателям. В деталях мы охватили лишь немногие из
большого числа их разновидностей.
В настоящее время считается, что в
ближайшие 50 лет предстоит сокращение или
даже полное прекращение использования
ресурсов органического топлива для выработки
теплоты, однако эта перспектива не должна
вызывать опасений. Наиболее экономичным
способом выработки электроэнергии будут по-
прежнему оставаться турбогенераторы на
электростанциях в связи с тем, что для
выработки теплоты на них могут быть использова-
84

Рис. 4.31. Зависимость
холодильного коэффициента
от температуры
окружающего воздуха для
идеального (а) и реального (б)
тепловых насосов
ны ядерные реакторы, конвертеры, реакторы-
размножители на быстрых нейтронах и
термоядерные установки. Более трудная ситуация
складывается с энергетическими ресурсами
для аатотранспорта; по мере изучения
природы фотохимического смога и его воздействия
нормы по вредным выбросам автомобилей
могут стать жестче. Чтобы обеспечить снижение
уровня вредных выбросов и одновременно
приемлемую себестоимость автомобилей при
сохранении рентабельности производства,
автомобилестроительные фирмы обращаются к
менее традиционным типам двигателей —
роторным двигателям Ванкеля, двигателям
внешнего сгорания и газотурбинным
двигателям.
ЗАДАНИЯ ДЛЯ АУДИТОРИИ
1. Проанализируйте зависимость экономичности
двигателя от его габаритов. Соберите данные,
характеризующие зависимость расхода топлива на I км
пробега автомобиля от объема цилиндров для автомобилей
различных типов. От каких факторов зависят
полученные результаты? Можно ли описать одной
зависимостью данные, полученные для автомобилей разных лет
выпуска? Можно ли по полученным данным выявить
тенденции на будущее?
2. Посетите ближайшую ТЭЦ. Постройте Т, S-диа-
грамму цикла (аналогично рис. 4.16, 4.17, 4.19 или 4.21),
соответствующий по параметрам работе этой ТЭЦ;
рассчитайте значения QBX, <2вых и W. Сравните полученные
результаты с реальными технико-экономическими
показателями работы ТЭЦ. Обсудите отличия.
3. Сравните значения КПД для различных
кондиционеров воздуха. Постройте их графически аналогично
рис. 1.10. Оцените себестоимость использования этих
агрегатов в течение 10 лет. Какие с вашей точки зрения
технологические усовершенствования конструкции
кондиционеров необходимы, чтобы Вы сочли
целесообразным заменить имеющуюся у Вас сегодня модель?
УПРАЖНЕНИЯ
1. Рассчитайте степень сжатия для двигателя,
рассмотренного в примере 4.1.
2. Степень сжатия современного автомобильного
двигателя составляет обычно около 9. В 1920 г. степень
сжатия двигателей, как правило, не превышала 4.
Какому отличию в КПД это соответствует? К каким
последствиям привело повышение степени сжатия? Все ли
они благоприятны? Кратко поясните ответ.
Ответ: Отношение КПД =1,38.
3. С помощью р, У-диаграммы цикла Отто оцените
изменение работы двигателя при внесении следующих
усовершенствований (рассмотрите каждое отдельно):
установка нагнетателя для предварительного
сжатия топливно-воздушной смеси на впуске;
установка каталитического конвертера на выхлопе.
4. Какое количество молей 02 необходимо для сте-
хиометрического сжигания 1 моля пропана (С3Н6)?
Сколько воздуха необходимо для полного сжигания
этого количества пропана при нормальных условиях?
5. В ДВС на каждые 4 л бензина образуется около
2,4 кг окислов азота. Каждый автомобиль потребляет
в год в среднем 2850 л бензина, причем количество
автомобилей в США составляет около 100 млн. Какое
количество окислов азота производят они ежегодно?
Какой объем займет это количество при нормальных ус-
ловиях, если NO и N02 образуется в равных
пропорциях
Ответ: 1,71.10" кг/год NO,; 6,0-1013 л/год NO;
39-Ю13 л/год N02.
6. Если бы автомобильные двигатели работали на
чистом пропане или метане, количество вредных
выбросов уменьшилось бы. Почему?
7. При работе ДВС на бедной топливно-воздушной
смеси выброс загрязняющих веществ мал (см. рис. 4.4).
Чем объяснить, что при очень богатых топливно-воз-
душных смесях (например, при соотношении воздух —
топливо менее 13) выброс NO* также уменьшается?
8. Выведите уравнение (4.20).
9. Сравните значения №вых для дизельного
двигателя с гс = 15 и гР=5 и двигателя Отто с
параметрами, приведенными в примере 4.1. Значение QBx
положите равным для обоих двигателей.
10. Покажите, что первый закон термодинамики
можно записать в виде:
dH=dQ+Vdp.
11. Полная работа, совершаемая рабочим телом в
турбине, равна:
^полн= \pdV.
Ух
Покажите, что работа на валу турбины W
определяется соотношением
Рч
ЦГ=— ( Vdp.
Pi
12. Уравнение (4.24) для стационарного потока
несжимаемой жидкости при отсутствии работы на валу
имеет вид:
mgby + — mAo* + A (pV) = 0.
Это соотношение носит название уравнения Бер-
нулли. Пользуясь им, покажите, что для
горизонтальной трубы переменного' сечения справедливо
соотношение
р + — v2 = const,
2
где р — плотность рабочего тела.
13. Пользуясь соотношениями (4.35) и (4.36),
выразите критическую температуру Гкр через
коэффициенты уравнения Ван-дер-Ваальса:
И-*-).
\P+-jr)(V-b)=RT.
Ответ: Гкр = 8/27 (а/ЬЯ).
85

14. У паровой турбины параметры цикла (рис.
1.16) следующие:
Нь = 69 кДж/кг; sb = 0,232 кДж/кг
и Гкр = 200°С.
При каком давлении в точке а КПД цикла
составит 34,0 %?
15. Паротурбинвая установка имеет КПД 38 % и
мощность 1000 МВт (эл). Какой расход воды нужно
обеспечить, чтобы разница ее температур до и после
конденсатора составляла менее 8 °С?
16. Рассчитайте количество теплоты и работы для
циклов Л, В и С (см. рис. 4.18) при указанных
значениях р, Г, h и 5 (для энтальпии и энтропии приведены
удельные величины!). Вычислите суммарный КПД всего
цикла.
17. Убедитесь, что для цикла Брайтона
справедливо соотношение
18. а) Убедитесь, что для цикла Стерлинга
справедливо равенство
Тс —Та
г\ = — — .
1 с
б) Постройте цикл Стирлинга в Г, s-диаграмме и
покажите, что
^нетто = (Тс Ta)(Sd sc).
в) Покажите, что Qbx = Tc(S(1—s<>), и, пользуясь
этим соотношением, убедитесь в правильности
выражения ДЛЯ Г).
19. Принцип действия абсорбционной холодильной
установки можно представить с помощью упрощенной
схемы рис. 4.32.
а) Покажите, что выражение для холодильного
коэффициента в этом случае можно представить в виде:
б) Пусть вместо газовых горелок для получения
Qs используются солнечные коллекторы. Если о = 4 и
Q2=10 МДж/ч (типичные средние дневные значения
для системы кондиционирования воздуха в здании в
летнее время) какова требуемая площадь солнечного
коллектора?
/ Т2
20. Для теплового насоса Q2=W[ — —— ((индекс
2 относится к холодному источнику). Покажите, что
справедливо также соотношение:
>чнику)
Рис. 4.32. Упрощенная схема абсорбционной установки:
/ — горячий источник с температурой Г3 (пламя газовых
горелок); 2 — генератор пара; 3 — конденсатор; 4 — испаритель; 5 —
холодный источник с температурой Т2 (куски льда); 6 —
абсорбер; 7 — источник с комнатной температурой Т\
21. Рассмотрите идеальный холодильный цикл с
отбором теплоты Q2 при нижней температуре Т2 и
отводом теплоты Q\ при верхней температуре Т\ при
затрате работы W. Покажите, что
22. Различные способы отопления зданий можно
сравнивать по себестоимости эксплуатации и по
энергозатратам. Оцените себестоимость затрат получения
106 Дж теплоты в день при использовании:
нагревателя на мазуте с КПД=60 %;
нагревателя на природном газе с КПД = 60 %;
электронагревателя с КПД=100 %;
электрического теплового насоса, работающего с
КПД, равным 7з теоретического, с граничными
температурами цикла 4 и 20 °С.
Используйте следующие значения стоимости:
электроэнергия 4,1 цент/кВт; природный газ 8,8 цент/м3;
мазут 16,5 цент/л.
23. Рассчитайте со и степень сухости рабочего тела
в точке b цикла (рис. 4.26) аммиачной холодильной
установки, работающей с крайними температурами
цикла— 15 и 30 °С, если в точке d /t=854 кДж/кг.
Методы прямого преобразования энергии
Рассмотренные выше способы
преобразования энергии связаны с использованием
теплоты в процессе получения электроэнергии.
Однако существуют устройства, позволяющие
86
осуществлять прямое преобразование энергии
непосредственно в электрическую, минуя
стадию получения теплоты, сопряженную с
низким КПД преобразования. Устройства такого

рода (электрохимические, фотоэлектрические,
термоэлектрические, термоионные, магнито-
гидродинамические) не нашли пока широкого
практического применения.
В настоящее времй интерес к ряду систем
прямого преобразования энергии возрос, так
как стала ясна необходимость уменьшения
роли органического топлива в энергетике.
ХИМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ
ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЭНЕРГИИ
Сначала рассмотрим использование
энергии связи электронов с ядрами в атомах либо
энергию связи атомов в молекуле. Эту форму
энергии, которая имеет электрическую
природу, принято называть химической.
Устройство, позволяющее преобразовать эту энергию
непосредственно в электрическую, часто (не
совсем правильно) называют электрической
батареей. Если бы удалось обойти ряд
технических трудностей, то электрохимический
метод преобразования мог бы занять весьма
важное место в производстве электроэнергии.
Достаточно указать на идею использования
«электрического автомобиля» как средство
решения проблемы загрязнения воздушного
бассейна вредными выбросами ДВС, которая
имеет много приверженцев. Рассмотрим
использование различных типов
электрохимических устройств в качестве источников
энергии.
Электрические батареи
В электрохимическом элементе1 (рис. 5.1)
на одном из электродов (аноде) вещество,
служащее топливом, отдает электроны, а на
втором электроде (катоде) происходит
восстановление (поглощение) электронов
веществом-окислителем. Между электродами
находится электролит, обеспечивающий
перемещение ионов от одного электрода к другому, а
перенос электронов между электродами
осуществляется по внешней цепи. Электрической
батареей называется комбинация включенных
параллельно или последовательно двух или
более электрохимических элементов. Батареи
можно условно разделить на первичные и
вторичные в зависимости от того, носят ли
ионные реакции обратимый характер или нет.
Батареи являются удобными накопителями
энергии, которые в течение короткого периода
времени могут поддерживать довольно
большой ток при сравнительно стабильном
напряжении. Они отличаются компактностью, про-
1 Электрохимическим элементом называют
устройство из двух электродов, контактирующих с ионопроводя-
щим электролитом. (П р и м е ч, ред.)
Рис. 5.1. Принципиальная схема электрохимического
элемента
сты в эксплуатации и практически не
загрязняют окружающую среду.
В настоящее время некоторые типы
батарей нашли широкое применение. Тип батареи
для конкретных условий работы выбирается
по следующим показателям: количеству
запасаемой энергии на единицу массы; мощности
на единицу массы; номинальному
напряжению; дифицитности используемых материалов.
Для того чтобы подойти к оценке этих
показателей, рассмотрим принцип работы
батареи.
Еще в XIX в. Фарадеем было показано, что
при прохождении электрического заряда,
равного f=9,6485-104 Кл, через
электрохимический элемент на аноде выделяется 1 грамм-
молекула вещества ^Для одновалентных
веществ). Величина F называется числом Фара-
дея. Результаты экспериментов, выполненных
Фарадеем, описываются соотношением
A = IW/Fn, (5.1)
где А — выделившееся количество вещества,
г; / — ток, A; t — время работы, с; W —
молекулярная масса вещества; п — валентность.
Ниже приведен удельный теоретический
расход материалов1, рассчитаннный по (5.1)
для различных материалов анода и катода.
Значения, получаемые в действительности,
очень мало отличаются от расчетных, что
свидетельствует о высокой эффективности
электрохимического метода 2. Однако КПД преоб-
1 В связи с тем, что в численных значениях,
приведенных автором, были ошибки, в таблице приведены
данные из книги В. С. Багоцкого, А. М. Скундина
«Химические источники тока» М.: Энергия, 1980.
2 Фактический удельный расход выше
теоретического. Отношение теоретического удельного расхода к
фактическому называют коэффициентом использования
данного реагента. Этот коэффициент зависит от
конструктивных особенностей электрохимических элементов и от
условий их эксплуатации и может колебаться в
пределах от 0,2 до 0,98. (Примеч. ред.)
87

разования энергии, как будет показано, не
может быть столь высоким.
И-
Вещество
Водород . .
Литий
Кислород
Алюминий
Магний . .
Железо2* .
Хлор . , .
Аг/
(А-ч)
.0,038
. 0,259
. 0,298
.0,336
.0,454
. 1,042
. 1,323
Вещество
Окись меди
Кадмий . .
Окись серебра
Свинец
Окись ртути
Аг/
(А-ч)
1,484
2,097
.2,311
,3,865
4,041
Хлористое серебро 5,348
Пример 5.1. В течение какого времени на электроде
площадью 10-10 см2 при токе 100 А выделится слой
серебра толщиной 0,01 мм?
Объем выделяемого серебра равен 10X10ХЮ-3 см3;
плотность серебра 10,5 г/см3, соответственно Л = 1,05 г.
Из (5.1):
/ =
FnA
96485-1•1,05
= 9,39 с.
IW 100-107,87
Важным параметром при выборе
материала электродов является получаемая разность
электрических потенциалов между
электродами1. Значение разности потенциалов для
данного элемента можно вычислить из
термодинамических соображений. Важным отличием
электрохимического элемента от тепловых
двигателей, рассмотренных в гл. 4, является
его способность создавать электрический ток.
Это необходимо учесть при формулировке
первого закона термодинамики. Пусть ток
отводится от элемента обратимо и количество
переносимого между электродами заряда
равно dQ. Можно записать:
dQ - FdN, (5.2)
где F — число Фарадея; dN — эквивалентная
масса в грамм-эквивалентах переносимого
вещества2. Работа, совершаемая электрическим
током, равна произведению разности
потенциалов Е на величину переносимого з-аряда
dWe = EFdN. (5.3)
С учетом этого выражение первого закона
термодинамики примет бид:
dQ = dU + pdV + EFdN. (5.4)
Если можно для данной системы рассчитать
dQ—dU (в большинстве случаев dV=0)y то
можно определить Е.
Химические реакции в электрохимическом
элементе, как правило, идут при постоянных
температуре и давлении, поэтому используя
1 Для характеристики материала электродов
используют разность электрических потенциалов между
электродами при разомкнутой внешней цепи, называемой в
отечественной литературе напряжением разомкнутой
цепи. (Примеч. ре д.)
2 Грамм-эквивалент равен массе вещества,
выделяемой при прохождении заряда, численно равного числу
Фарадея F. (Примеч. ред)
88
JN
+
Си
Zn**
У
/i I
Zrr
""*—
ZnS0(,
1 I
Рис. 5.2. Электрохимический элемент Даниэля:
7 — анод; 2 — пористая мембрана; 3 — катод
термодинамические соотношения,
включающие dT и dp, можно упростить вычисления.
Введем новую термодинамическую функцию
G = H — TS, (5.5)
которую называют потенциалом Гиббса либо
свободной энергией системы1.
Используя определение энтальпии и (5.4),
из (5.5) получаем:
dG = — SdT + Vdp — EFdN. (5.6)
Отсюда при постоянных Тир
E=—AG/nF, (5.7)
где nF характеризует переносимый заряд.
Значения потенциала Гиббса,
отсчитываемые от стандартного состояния, можно найти
в таблицах термодинамических свойств
веществ. Это позволяет рассчитать разность
потенциалов для различных реагирующих
веществ.
Пример 5.2. В электрохимическом элементе Даниэля
(рис. 5.2) результирующее уравнение реакции имеет
вид:
Zn + CuS04 Z Си + ZnS04.
Валентность равна 2. Поскольку для чистого металла
AG = 0, то изменение AG в результате реакции
определяется выражением
AG (ZnS04) — AG (CuS04).
Пользуясь справочными данными, получаем2
AG = (— 871,6 + 661,8) кДж/моль =
="-209,8 кДж/моль
и, таким образом, ?/бат= 1,109 В.
Рассмотренная методика расчета
относится к электрохимическому элементу, ток в
котором пренебрежимо мал. В реальном элемен-
1 В отечественной литературе эту функцию
называют изобарно-изотермическим потенциалом системы, а
свободной энергией (F) наывают аналогичную функцию,
зависящую от V и Т (см., например, В. А. Кириллин,
В. В. Сычев, А. Е. Шейндлин. Техническая
термодинамика. М.: Энергоатомиздат, 1983).
2 См., например, справочник Карапетьянц М. X.,
Карапетьянц М. Л. Основные термодинамические
константы неорганических и органических веществ. М.:
Химия, 1968.

ном давлении.) ЭДС, создаваемая парой
электродов при разомкнутой внешней цепи, равна
алгебраической разности ЭДС материалов
анода и катода, измеренных по отношению к
водородному электроду
?0 = ?а~в — Ег-в. (5.8)
ЭДС в элементе при нагрузке отличается от
ЭДС разомкнутой цепи в основном из-за
наличия у элемента внутреннего сопротивления.
К снижению рабочего напряжения
электрохимического элемента приводит также
поляризация. Оба эти явления увеличивают и потери
энергии в элементе. Поляризация может
порождаться целым рядом причин как
химической, так и физической природы. Например,
концентрация молекул реагента в
непосредственной близости от электрода при работе
элемента становится ниже, чем при
разомкнутой цепи, и это замедляет перенос заряда.
Некоторые из видов потерь зависят от
скорости процесса, т. е. они значительно больше
сказываются при быстром разряде батареи,
чем при малых рабочих токах. Изучение
поляризационных потерь привело в последние годы
к созданию усовершенствованных
электрохимических элементов. Характеристики
некоторых типов элементов перечислены в табл. 5.1
и 5.2.
Наиболее, распространенным типом
электрохимической батареи в настоящее время
является свинцовый (кислотный) аккумулятор,
используемый в автомобилях. Анодом
(источником электронов) в такой батарее служит
пористый свинец, а катодом (поглотителем
электронов) — набор сеток, заполненных
перекисью свинца (РЬ02). Электролитом служит
слабо концентрированная серная кислота. При
разрядке аккумулятора протекают реакции 1:
1 Приведены упрощенные уравнения реакции, в
действительности механизм электродных реакций более
сложен,
Таблица 5.1. Параметры невосстанавливаемых электрохимических источников тока
Элемент
Воздушный
Щелочной
Индиевый
Элемент Лекланше
Хлоридсеребряно-магниевый
Серебряно-цинковый
С твердым электролитом
Термоэлемент
Напряжение
х. х., В
1,5
1,52
1,37
1.5—1,65
1,6
1,86
0,69
3,0
Среднее
рабочее
напряжение, В
1,25
1,25
1,15
1,25
1,3
1,5
Удельный энергозапас при
малых токах
Вт. ч/кг
315
213
112
210
194
315
7,3
1,94
Вт.ч/м8
8,537
14,634
7,927
13,415
11,586
17,683
366
Срок
хранения, лет
5*
2
1-3
1
3*
20
10
Рабочий
интервал
температур, °с
4,4—60
—404-60
—294-88
—184-49
—2,24-29
—294-71
—54^77
—544-74
* В сухом виде.
те разность потенциалов между электродами
будет несколько ниже; протекание тока в нем
приводит к уменьшению разности
потенциалов, поскольку электропроводность
электролита не бесконечна и элемент обладает конечным
внутренним сопротивлением.
Значения ЭДС для некоторых веществ
относительно стандартного водородного
электрода при 25 °С приведены ниже:
Реакция
Li+Li+-b?
К-К++*
Са-^Са2++2е
Na-Na++*
Mg+Mg2++2*
А1-А13++Зе
Mn->Mn2++2e
Н2+ОН-+2Н20+2е
Zn-*Zn2++2e
Cr-*Cr2++2e
Fe+Fe2++2e
Cd+Cd2++2e
Co-*Co*++2e
Ni+Ni2++2e
Sn+Sn2++2e
РЬ+РЬ2++2г
H2+2H++2e
Cu->Cu2++2e
2Ag+20H—*Ag20+H20+2*
Cu^Cu-+e
21-+I2+2e
H202+02+2H++2e
Fe2+-Fe3++e
A?-Ag++<?
Hg-*Hg2++2e
2Br--Br2+2e
2H20+02+4H++4e
Sn2+->Sn3++e
2C1—*Cl2+2e
Mn02+4H20-Mg04-+8H++5e
Ag+^Ag2++e
2F—>F2+2*
2H20->H202+2H++2H++2e
ЭДС.В
2,960
2,924
2,76
2,713
2,375
1,67
1,18
0,828
0,763
0,577
0,441
0,402
0,277
0,23
0,141
0,126
0,000
—0,346
—0,344
—0,522
—0,536
—0,582
—0,770
—0,800
—0,852
— 1,065
— 1,229
—1,256
—1,358
— 1,50
—1,987
—2,85
—1,77
Водородный электрод представляет собой
пластину из платиновой черни, у поверхности
которой барботирует водород при атмосфер-
89

Таблица 5.2. Параметры аккумуляторных элементов
Тип
Железоникелевый
Свинцовый (кислотный)
Никель-кадмиевый
Серебряно-кадмиевый
Серебряно-цинковый (герметичный)
Окисно-серебряно-цинковый (невос-
станавливаемый)
Среднее
напряжение, В
1,2
2,0
1,2
1,1
1,45
1,45
Напряжение
х. х„ В
1,34
2,14
1,34
1,34
1,86
1,86
Потеря
заряда, %/мес
30
25
2
3
3
Число циклов
зарядки
2000
300
2000
2000
100
Удельный энергозапас (при
малых токах)
Вт-ч/кг
24
33
26
53
44—100
121
Вт • ч/см3
0,06
0,08
0,06
0,15
0,08—0,20
0,23
на аноде
Pb + H2S04 -> PbS04 + 2e~+ 2H+; (5.9)
на катоде
2РЬ02 + 2H2S04 + 2e--*2PbS04 + 2H20 + Of~.
(5.Ю)
Аккумулятор может работать до тех пор,
пока оба электрода не покроются сульфатом
свинца. Восстановление аккумулятора
осуществляется его зарядкой, при которой
направления рассмотренных реакций меняют знак.
Источником электронов при зарядке,
естественно, служит внешняя сеть. К сожалению,
регенерируемые при зарядке свинец и
перекись свинца не распределяются в
первоначальном виде и это приводит к нарушению
конструкции аккумулятора после серии
циклов зарядки и разряда.
При разряде часть ионов Н+ и 0~ реком-
бинирует на соответствующих электродах с
образованием Н2 и 02, поэтому воду
приходится периодически заменять. Недавно было
обнаружено, что небольшие добавки кальция
в свинце позволяют эффективно бороться с
этим явлением и исключить необходимость
смены воды либо продувки. Это в свою
очередь позволило перейти к промышленному
изготовлению и использованию герметичных
аккумуляторных батарей.
Свинцовые аккумуляторы тяжелы и
громоздки, имеют низкую мощность на единицу
массы и малое количество запасаемой энергии
на единицу массы (удельную энергию).
В сущности они обладают только одним
преимуществом — низкой себестоимостью.
Применение аккумуляторных двигателей для
автомобилей в широких масштабах невозможно
без переворота в технологии изготовления
электрохимических элементов.
Свинцовые автомобильные аккумуляторы
обычно характеризуют по мощности
холодного запуска. Она определяется значением тока7
который может быть получен от аккумулятора
при —18 °С и напряжении не ниже 7,2 В для
90
батареи на напряжение 12 В и не ниже 3,6 В
для батареи на напряжение 6 В. Пользуясь
этим определением, можно оценить
количество вещества для данной батареи.
Пример 5.3. Аккумулятор1 с мощностью холодного
запуска, равной 500, имеет массу 20 кг. Сколько
вещества переносится от электрода к электроду за 30 с при
токе 500 А?
Из (5.1)
500-30.207,19
А= 96 485.2 =16'1Г'
Это лишь малая доля общей массы аккумулятора, и,
следовательно, он обладает значительным запасом,
если не по мощности, то по крайней мере по энергии.
На рис. 5.3 показаны соотношения между
удельной мощностью и удельным запасом
энергии для некоторых источников энергии.
Примеру 5.3 соответствует точка в верхней
левой части кривой для свинцового
аккумулятора. При слаботочной нагрузке, например при
10 100 1000
Удельная энергия, Вт-ч/к г
Рис. 5.3. Зависимость удельной мощности от удельной
запасаемой энергии для некоторых источников энергии:
/ — свинцовый аккумулятор; 2 — никель-кадмиечый
аккумулятор; 3 — никель-цинковый аккумулятор; 4 — двигатель
внешнего сгорания; 5 — двигатель внутреннего сгорания; 6 — ГТУ; 7 —
высокотемпературный электрохимический элемент на расплаве
солей; 8 — топливный элемент; 9 — воздушно-цинковый элемент
1 Свинцовый. (Примеч. ред.)

эксплуатации автомобиля на шоссейных
дорогах, возможно получение большой удельной
энергии аккумулятора. Однако при
использовании аккумуляторов в качестве
энергетических источников их рабочие параметры более
близки к приведенным в примере 5.3.
Усовершенствованные электрические батареи
Новые разработки направлены на создание
батарей с большими удельными запасами
энергии, большей удельной мощностью и
более малогабаритных либо более дешевых.
Батареи, используемые в автомобилях, должны
обладать не только высокой удельной
мощностью, обеспечивающей нужную разгонную
характеристику, но и большим удельным
запасом энергии, чтобы обеспечить достаточный
ресурс до подзарядки. Некоторые
промышленные фирмы в течение последних лет проводят
интенсивные исследования новых типов
батарей. В связи с потенциально широким рынком
сбыта большинство результатов этих
исследований держится «под сукном», поэтому нет
точных технических данных таких батарей.
В связи с этим рассмотрим только общие
принципы работы некоторых новых типов
батарей.
В последние годы исследования
концентрировались вокруг электрохимических
источников, электродами в которых являются
щелочные металлы и галогены (табл. 5.3).
Удельный расход вещества у таких
аккумуляторов значительно ниже, чем у обычных,
соответственно электрический ток в расчете
на 1 кг должен быть значительно большим.
С другой стороны, для эффективного
использования этих веществ потребуется решить ряд
проблем.
Таблица 5.3. Высокотемпературные электрохимические
батареи
Система
Na—S
Li—S
Li—Cl2

Температура, °C
300
400
650
Матер налов едческие проблемы,
требующие решения
Совместимость материалов
конструкции электродов
Выбор конструкции корпуса
элемента
Разработка новых изоляционных
материалов
Разработка новых материалов
уплотнений
Разработка керамических
материалов с ионной проводимостью
Проблема чистоты электролита и
реагентов
Коррозия
Растворимость реагентов
Ресурс электродов
Смачивание жидких компонентов
Во-первых, выбор электролита. Он должен
обеспечивать ионообмен между электродами
и не оказывать иных воздействий на работу
элемента.
Электролиты на основе водных растворов,
используемые в большинстве невосстанавли-
ваемых электрохимических элементов, бурно
реагируют со щелочными металлами, но слабо
растворяют галогены. Поэтому необходимо
подобрать не содержащее воду вещество,
обладающее малым сопротивлением при
перемещении ионов материала электродов, но с
высоким — электронов. Рассмотрены две такие
возможности.
В первом варианте в качестве электролита
используется соль, получаемая комбинацией
ионов электродов. Для увеличения ионной
проводимости ее необходимо использовать в
расплавленном состоянии при высокой
температуре. Для хлоролитиевого
электрохимического элемента на аноде протекает следующая
реакция:
Li->Li+ + е(фа = + 3,05 В); (5 Л1)
на катоде
С12 + 2е->2С1-(фк =— 1,36 В). (5.12)
Для обеспечения достаточно высокой
подвижности ионов в электролите рабочие
температуры должны быть выше 650 °С. У такого
элемента разность потенциалов в разомкнутой
цепи на первый взгляд доджна быть довольно
большой, однако температурная зависимость
функции Гиббса приводит к тому, что она
будет невелика (около 0,5 В). Плотность тока,
однако, может быть довольно большой
(примерно 10 А/м2).
Во втором варианте создаются твердые
электролиты с нужными свойствами.
Некоторые окислы из-за особенностей их
кристаллической структуры при высоких температурах
обладают очень хорошей анионной
проводимостью. Это явление известно уже более 80 лет.
Смесь, состоящая из 85 % Zr02 и 15 % Y203,
изучается начиная примерно с 1900 г. Точный
механизм увеличения анионной проводимости
стал ясен лишь в последнее время. Это
позволило получить кристаллическую структуру
бета-глинозема. С помощью рентгеноструктур-
ного анализа было установлено, что
кристаллическая структура бета-глинозема
представляет собой отдельные кристаллические
площадки, слабо связанные друг с другом, как в
графите. Зазоры между кристаллическими
площадками, по-видимому, обеспечивают
свободное перемещение ионов щелочного
металла внутри кристалла. Проводимость
возрастает, если в глиноземе имеется примесь
щелочного металла, например натрия. Атомы
натрия располагаются в промежутках между
91

атомами алюминия и кислорода. При этом
подвижность атомов натрия может быть
связана с перемещением дефектов
кристаллической структуры. К сожалению, технология
изготовления бета-глинозема весьма сложна, он
хрупок и подвержен фазовым изменениям.
Трудности с электролитом — это только
начало проблем, встающих на пути создания
такого элемента. Расплавленные электроды
обладают высокой коррозионной активностью,
это накладывает дополнительные требования
на уплотнения и корпус элемента. Подзарядка
этих элементов также сопряжена с
трудностями. При восстановлении металл не удается
надежно перевести в исходное состояние,
впрочем, это проблема общая для всех
аккумуляторов. Если говорить о широком
внедрении, необходимо учитывать возможность
разрушения аккумулятора.
Топливные элементы
Подробно исследован также другой тип
электрохимического устройства
преобразования энергии — топливный элемент. В
результате использования водородно - кислородных
топливных элементов в космических кораблях
серии «Аполло» для полетов на Луну, в
особенности в неудачном «Аполло-XIII»,
топливным элементам была создана реклама, они
разбудили воображение некоторых писателей.
Топливный элемент — это обычный
электрохимический элемент, отличающийся тем, что
активные вещества к нему подаются извне, а
электроды в электрохимических превращениях
не участвуют. Принцип его работы
проиллюстрирован на рис. 5.4: электроны отбираются
от активного вещества на аноде А и
переносятся ионами по электролиту и затем реком-
бинируют с окислителем на катоде, образуя
стабильные продукты реакции, которые
необходимо удалить из элемента.
В тоцливных элементах были опробованы
многие активные вещества, в большинстве
случаев газы, поскольку их подвод с
постоянным расходом к элементу осуществляется
наиболее просто.
В течение последних лет наиболее
подробно исследовался кислородно-водородный
топливный элемент. Он был использован в
космических аппаратах. Конструкция одного из
таких элементов, использованных в космическом
корабле «Джеминай», показана на рис. 5.5.
В топливных элементах этого класса в
качестве восстановительного активного вещества
используется нерастворимый газ.
Реакция на аноде:
Н2->2Н+ + 2е(Фа = 0,00 В);
(5ЛЗ)
реакция на катоде:
02 + 2H+ + 2e-vH20(cpK=— 1,23 В). (5.14)
Рис. 5.4. Схема топливного элемента:
/ — пористые электроды; 2 — электролит; 3 — нагрузка; 4 —
электроны; 5 — ионы
Рис. 5.5. Схема системы электропитания космического
корабля «Джеминай» с кислородно-водородными
топливными элементами:
/ — токооъемные шины; 2 — блок контроля и управления; 3 —
водосбросный бак; 4 — водяная магистраль; 5 — магистраль
теплоносителя; 6 — насос в магистрали теплоносителя; 7 —
радиатор; 8 — теплообменник-подогреватель реагентов; 9 —
магистраль подачи окислителя; 10 — магистраль подачи топлива;
И — трехсекдионная батарея топливных элементов
92

Плотность тока в такой ячейке может быть
довольно высокой (около 10 А/м2) при
разности потенциалов 0,7 В (в зависимости от
конструкции газовых электродов). В ранних
модификациях использовалась диффузия газов
через пористые углеродные мембраны в
электролит, как правило, гидроокись калия. Для
предотвращения попадания электролита на
углерод последний покрывался тонким слоем
парафина. Недостаток элемента этого типа —
плохая растворимость газа в электролите и
хрупкость электродов.
Конструкция этого топливного элемента
была затем улучшена за счет замены
угольных электродов никелевыми с пористым
внешним слоем, который служит катализатором в
реакции образования ионов водорода. Кроме
того, газы подавались в элемент при высоком
давлении, около 1 МПа, а для повышения
растворимости газов и ионной проводимости
рабочая температура составляла 400°С. Для
усовершенствованного
кислородно-водородного топливного элемента, называемого
элементом Бэкона, плотность тока составляла
90 А/м2 при 0,6 В. Кислородный электрод
подвержен коррозии, однако ее можно исключить
химической обработкой никеля. По
имеющимся оценкам топливный элемент Бэкона
обеспечивает пятикратный энергозапас на 1 кг по
сравнению с обычным свинцовым
аккумулятором.
В элементе Бэкона реакционная
способность активных веществ увеличивается путем
повышения рабочих температур и
использования катализаторов. Улучшения работы
топливного элемента можно добиться также
подбором нового топлива. Был разработан
топливный элемент, в котором используется весь
метановый ряд углеводородов. В этом
элементе, работающем при температуре около
1000 °С, из топлива получают ионы водорода:
СН4 + 2Н20 -» С02 + 8Н+ + 8е. (5.15)
В качестве электролита используется
твердая двуокись циркония, поскольку она
обладает хорошей проводимостью по отношению к
ионам водорода. На катоде идет реакция
8е + 8Н+ + 202->4Н20. (5.16)
Удалось получить плотность тока около
20 А/м2 при 0,7 В. Разработаны также
углеводородные элементы — керосиновый, гидрази-
новый и формальдегидный, в которых
электролитом служит расплав карбоната щелочного
металла.
Углеводородные топливные элементы
изучаются по меньшей мере 100 лет с целью
прямого использования органических топлив,
минуя стадию преобразования в теплоту. При
этом исходили из того, что прямое
преобразование позволяет достигнуть более высокого
КПД и обеспечить таким образом экономию
невозобновляемых ресурсов топлива. Это
особенно важно сегодня. Природный газ,
по-видимому, является ценным сырьем, где бы он
ни использовался. Поэтому использование в
топливных элементах газа, получаемого при
газификации угля, могло бы обеспечить
существенную экономию природного газа.
Для того чтобы топливные элементы стали
экономически конкурентоспособны по
сравнению с другими системами производства
электроэнергии, необходимо найти решение
целого ряда технических проблем. Потребуется
найти более эффективные и более дешевые
катализаторы электрохимических реакций, не
вступающие в побочные реакции с топливом
либо окислителем, получить электролиты с
высокой ионной проводимостью при
умеренных температурах, которые, кроме того, не
будут вызывать коррозию, и, наконец,
разработать методы переработки дешевых
природных ресурсов в топливо для топливных
элементов. Представляется интересным и даже
перспективным исследовать возможность
биохимического разложения мусора и опилок с
помощью микроорганизмов для производства
топлива.
Достижения в области внедрения
электрохимического преобразования энергии сильно
зависят от себестоимости выработки
электроэнергии этим способом по сравнению с
другими методами. Оценить ее довольно сложно,
во-первых, потому, что никто не задумывается
об истинной цене, в которую обходится
окружающей среде производство электроэнергии,
во-вторых, себестоимость производства
электроэнергии из органических топлив в
ближайшие несколько лет может сильно возрасти. При
прочих равных условиях, чем выше КПД
электрохимического преобразования энергии, тем
больше вероятность того, что оно станет
экономически выгодным.
КПД электрохимического преобразования
энергии
Существует мнение, что
электрохимические источники тока, в особенности топливные
элементы, позволяют достигнуть КПД
производства электроэнергии большего, чем у
цикла Карно. Утверждалось, что с помощью этих
устройств можно получить КПД, равный
100 %. Это неверно и подтверждает, что при
определении КПД электрохимического
преобразования принимается много ошибочных
допущений.
93

Введем для наглядности четыре различных
КПД. Первый характеризует долю химической
энергии реагентов, которую можно в
принципе извлечь с помощью электрохимического
элемента. Потенциал Гиббса AG для этих
систем равен работе, выполняемой элементом. Из
(5.7) получаем:
AG=—Я/батЛУ. (5.17)
Это выражение представляет собой
максимальную работу, которую может совершить
элемент, поскольку было принято, что
температура и давление постоянны. Если реакция
проходила бы без совершения работы при
постоянном давлении, то уменьшение общей
энергии равнялось бы изменению энтальпии
системы АН. Следовательно, можно
определить идеальный КПД в виде
Введенный таким образом КПД
характеризует совершенство топливного элемента как
тепловой машины с точки зрения второго
закона термодинамики. Заметим, что
соотношение (5.18) справедливо только в случае изо-
барно-изотермического процесса без подвода
или отвода веществ.
Термический КПД
кислородно-водородного топливного элемента можно вычислить,
пользуясь табличными данными AG и АН;
при температуре 298 К он составляет 0,94.
Величины AG и АН зависят от температуры,
поэтому при температуре 2000 К термический
КПД элемента упадет до 0,54.
В табл. 5.4 приведены значения идеального
КПД кислородно-водородного элемента при
различных температурах и КПД цикла Карно
для тех же предельных температур.
Теоретически возможный КПД
электрохимического преобразования энергии всегда
меньше единицы. Рассмотрим, какой
максимальный КПД этого преобразования можно
получить практически.
Таблица 5.4. Термодинамические параметры кислородно-
водородного топливного элемента
Г, К
298
400
500
1000
2000
кДж/моль
241,8
242,8
243,8
247,7
252,1
AG0, 1
кДж/моль
228,6
223,9
223,3
193,7
135,2
г).=ДС°/ДЯ0 1
0,94
0,92
0,90
0,78
0,54
КПД
эквивалентного* цикла Карно
\-TJT
0
0,26
0,40
0,70
0,85
* Температура среды Т =298 К.
94
Реальный КПД равен отношению
количества выработанной электрической энергии к
потребляемой химической энергии:
цас = W/AH = NFUJAH, (5.19)
где N — эквивалентная масса переносимого
вещества; ?/д—реальная разность
потенциалов в ячейке. Из-за различных
поляризационных эффектов реальная ЭДС элемента всегда
меньше максимального значения,
рассчитываемого по (5.7) для разомкнутой цепи. В
кислородно-водородном элементе реальные
значения напряжения составляют около 0,7 В,
хотя они могут меняться в зависимости от
тока нагрузки и рабочей температуры элемента.
КПД при этом равен 0,56. Эта цифра
значительно ниже, чем приводившееся в
научно-популярной литературе значение tj = 1, вместе с
тем оно значительо лучше, чем у любой
тепловой машины, работающей при комнатной
температуре (особенно если учесть, что
конечная температура цикла также равна
комнатной!).
В технической литературе часто
используются понятия КПД элемента по напряжению
и по току. Первый определяется выражением
Г1в = 1/д/Я, (5.20)
где Е для обратимого процесса
рассчитывается по (5.7). КПД элемента по току или КПД
Фарадея называют величину
i\, = Iw/NFM, (5.21)
где /вых — ток во внешней цепи элемента;
М — скорость электрохимической реакции,
моль/с. КПД элемента по напряжению
обычно составляет 50—60 %, а КПД по току
значительно выше. Последний характеризует пол-
ноту участия реагентов в токообразующей
реакции.
Создание дешевых топливных элементов с
высоким КПД (60 %), работающих на
органическом топливе, в широких масштабах
позволило бы сохранить топливные ресурсы на
многие столетия. Целый ряд проблем
размещения АЭС можно исключить, если
передавать на большее расстояние не
электроэнергию, а водород. Например, АЭС,
расположенная на плавающей в океане платформе, может
вырабатывать водород электролизом
морской воды. Полуденный водород затем
передавался бы по трубопроводам к топливным
элементам, расположенным у потребителя,
или централизованным станциям, как сегодня
транспортируется природный газ. Однако
прежде чем электрохимические генераторы
смогут играть такую роль, необходимо решить
целый ряд проблем, связанных с разработкой
материалов, конструкцией электродов,
выбором электролитов и т. п.

ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ МЕТОД
ПРЕОБРАЗОВАНИЯ
Ни одна из систем не соответствует так
полно термину «прямое преобразование
энергии», как «солнечная батарея».
Непосредственное преобразование энергии солнечного
излучения в электроэнергию известно уже не один
десяток лет. Тем не менее создание
крупномасштабных высокоэффективных и
экономичных систем остается делом будущего. В
настоящее время в связи с обострением проблем
охраны окружающей среды и истощением
запасов традиционных топливных ресурсов
исследования в области фотоэлектрического
преобразования энергии ведутся с еще
большей интенсивностью.
Солнечная энергия
В гл. 6 рассматриваются более подробно
вопросы использования солнечной энергии
для получения теплоты. В данной главе
остановимся только на системах, предназначенных
для преобразования солнечной энергии в
электрическую. Начнем поэтому с рассмотрения
тех характеристик, которые являются
наиболее важными при этих процессах, прежде
всего — спектр солнечного излучения. На рис. 5.6
показано, как распределена по длинам волн
энергия солнечного излучения, падающего в
единицу времени на единицу поверхности и
приходящегося на единичный интервал длин
волн. Спектр, измеренный на верхней границе
земной атмосферы, очень хорошо совпадает со
спектром излучения абсолютно черного тела
при температуре 6000 К. Абсолютно черным
телом называется физическое тело, которое
излучает энергию во всем спектре и
поглощает все падающее на него излучение
независимо от длин волн. Таких тел в природе не
существует, но существуют тела с очень
близкими свойствами. Понятие абсолютно черного
тела играет важную роль в физике. Так,
решая задачу о распределении излучения
абсолютно черного тела по длинам волн, Макс
Планк впервые сформулировал принципы
квантовой механики. В распределении
солнечного излучения по длинам волн, измеренном
вблизи поверхности Земли, имеются большие
провалы, обусловленные поглощением
излучения на отдельных частотах шп в отдельных
интервалах частот атмосфернъшн газами —
кислородом, озоном, двуокисью углерода — и
парами воды.
Значения энергии, указанные на рис. 5.6,
относятся к солнечному излучению,
направленному перпендикулярно поверхности. Чтобы
Рис. 5.6. Зависимость плотности излучения Солнца и
земной поверхности от длины волны излучения:
/ — спектр излучения абсолютно черного тела при температуре
6000 К; 2 — спектр солнечного излучения вблизи земной
поверхности; 3 — спектр излучения черного тела при температуре
300 К; 4 — спектр инфракрасного излучения земной
поверхности; А — ультрафиолетовая область; В ~ видимая область; С —
инфракрасная область
оценить действительные значения энергии,
необходимо учесть поправку на широту
местности. Кроме того, важную роль играет
состояние атмосферы, в первую очередь наличие
облачности.
Аналогичное действие оказывают дымка,
смог и высокая влажность. Они играют роль
фильтров, уменьшая интенсивность и сужая
диапазон длин волн излучения, прошедшего
сквозь атмосферу.
Свет, как известно, представляет собой
электромагнитные волны. Однако в отличие от
классических представлений, широко
распространенных в конце XIX в., энергия этих волн
не распределена равномерно по фронту волны,
а сконцентрирована в форме пучков или
пакетов, которые стали называть фотонами.
Именно понятие фотона позволило Эйнштейну
найти объяснение явлению фотоэффекта.
У некоторых металлов при попадании
света на их поверхность наблюдается эмиссия
электронов с этой поверхности. Число этих
электронов пропорционально интенсивности, а
максимальная энергия — частоте падающего
излучения. Такое поведение можно объяснить
лишь при условии, что излучение состоит из
фотонов, энергия которых пропорциональна
его частоте. При столкновении с электронами
фотоны передают им свою энергию. Чем
больше фотонов, тем больше эмиссия электронов,
при этом различным длинам волн излучения
соответствуют различные энергии электронов.
95

Как оказалось, длина волны света связана
с его энергией простым соотношением:
E = hf--= hc/K (5.22)
где коэффициент пропорциональности h =
= 6,63-10~34 Дж-с—постоянная Планка,
вычисленная исходя из представлений об
излучении абсолютно черного тела,
сформулированных Планком. Фотоны, соответствующие
области спектра с самыми короткими (рис.
5.6) длинами волн (менее 0,4 мкм), обладают
наибольшей энергией. Эта область спектра
называется ультрафиолетовой.
Ультрафиолетовое излучение (УФ) может оказывать
довольно сильное действие на живую ткань,
именно оно вызывает солнечные ожоги, а в
больших дозах и другие более тяжелые
последствия. Земная атмосфера сравнительно
плохо пропускает УФ-излучение, однако это
не исключает ряда проблем (см. гл. 12).
Пример 5.4. Какой энергией обладают фотоны
видимой области спектра?
Как показано на рис. 6.6, видимая область
соответствует длинам волн примерно 0,4—0,7 мкм. В
соответствии с соотношением E=hc/X получаем:
6,63-10-3-3-108
Е = 04Ш_6 = 4,97-10-" Дж (3,19 эВ).
Итак, в видимой области спектра энергия фотонов
лежит в пределах от 1,7 до 3,2 эВ.
Излучение в интервале длин волн, больших
0,8 мкм, носит название инфракрасного (ИК).
Фотоны этого диапазона несут меньше энергии,
поэтому оно менее опасно для организма.
Биологическое воздействие этого излучения
сводится к простому нагреву.
Инфракрасная область спектра с длинами
волн около 10 мкм типична для излучения
земной поверхности.
Основное направление развития
фотоэлектрических систем преобразования энергии —
разработка систем, имеющих низкую
себестоимость и воспринимающих энергию
солнечного излучения в максимально широком
спектральном диапазоне — от УФ до ИК области.
Прежде чем обсуждать вопросы выбора таких
систем, рассмотрим кратко физические
принципы, положенные в основу их работы.
Некоторые сведения из физики
твердого тела
Далеко не все вещества обладают
светочувствительностью, и только немногие из них
могут использоваться в качестве
фотоэлектрических преобразователей.
Светочувствительность веществ обусловлена рядом
особенностей их микроструктуры. Для уяснения этих
особенностей обратимся к некоторым
вопросам атомной физики в приложении к твердым
телам.
Характер распределения и движения
электронов атомов решетки твердого тела
определяют не только электрическую проводимость
вещества, но и его теплопроводность, модуль
упругости, прозрачность и другие физические
свойства.
Взаимосвязь между строением электронной
оболочки атомов и физическими свойствами
твердых веществ сегодня хорошо изучена. Это
означает, что разработаны математические
модели, позволяющие достаточно надежно
описать рассматриваемое явление.
Для описания систем на атомном уровне
используется квантовая механика. Ее
математический аппарат достаточно сложен и здесь
не рассматривается. Приведем только
некоторые результаты расчетов, хорошо
совпадающие с наблюдениями.
Энергия, которой может располагать
совокупность атомов, в заданном интервале
принимает только определенный набор дискретных
значений. Для каждого элемента имеется
свой набор таких значений энергии.
Энергетические состояния атома или совокупности
атомов можно характеризовать либо
квантовыми числами, либо значениями энергии.
Степени свободы (физические) — вращательная,
колебательная, спин и т. д. — характеризуются
квантовыми числами. Не существует систем
с идентичными квантовыми числами. Это, в
частности, означает, что в одном и том же
энергетическом состоянии могут находиться
только два электрона и только при условии,
что их спины имеют противоположную
ориентацию.
Когда атомы плотно упакованы в
кристаллической решетке твердого тела, их
квантовые уровни расщепляются на множество
подуровней, близко лежащих друг к другу. Эти
подуровни столь близки друг к другу, что в
результате образуются сплошные зоны
дозволенной энергии. Во многих твердых веществах
энергетические зоны отстоят друг от друга на
величину энергии, носящей название зоны
запрещенной энергии или просто запрещенной
зоны. Самые нижние уровни энергии всегда
заполнены электронами. Зона, которую
занимают внешние — валентные — электроны,
носит название валентной зоны. Электрические
свойства твердого тела определяются
структурой энергетических зон и заполненностью их
электронами. Типы расположения
энергетических зон показаны на рис. 5.7. Имеется
четыре типа расположения этих зон. В
первом случае нижняя зона заполнена не
полностью. Это означает, что число энергетических
состояний в этой зоне больше, чем число
электронов. Вследствие этого электроны могут
свободно перемещаться в кристаллической
решетке. При втором типе расположения
энергетических зон нижняя зона полностью заполне-
96

Рис. 5.7. Четыре типа распределения энергетических зон
в твердом теле:
а, в — проводник; б — диэлектрик; г — полупроводник;
/—разрешенная зона; 2 — запрещенная зона; 3 — часть разрешенной
зоны, заполненная электронами; 4 — область перекрывания
разрешенных зон, 5 — очень узкая запрещенная зона
на электронами, а вторая зона отделена от
нижней значительным энергетическим
барьером. Вероятность того, что в результате
столкновений электроны, находящиеся даже на
верхних заполненных уровнях, смогут
преодолеть этот барьер, исчезающе мала, поэтому
проводимость отсутствует. Вещества,
обладающие такой структурой энергетических зон,
являются диэлектриками. В третьем случае
две первые зоны перекрываются. При этом,
даже если нижняя зона заполнена, имеются
свободные энергетические уровни, что
обеспечивает проводимость вещества. В силу этого
вторую зону называют зоной проводимости.
Если зона запрещенных энергий очень узка
(четвертый тип структуры, показанный на рис.
5.7), то даже при комнатной температуре
некоторая часть электронов из-за теплового
возбуждения будет преодолевать барьер и
переходить на незаполненные верхние
энергетические уровни. Вещества этого типа носят
название полупроводников.
Ширина запрещенной зоны Её для
полупроводников, используемых в
фотоэлектрических преобразователях, показана на рис. 5.8,
из которого видно, что она слабо зависит от
температуры. С другой стороны, как видно из
рисунка, зависимость КПД
фотоэлектрического преобразования энергии от температуры
весьма сильна. Видно также, что запрещенные
зоны для всех фотоэлектрических
полупроводников лежат в видимой части спектра. Под
воздействием солнечного излучения в них
появляются свободные электроны. На месте,
откуда ушел свободный электрон, остается
положительно заряженный ион или, как
принято говорить, «дырка». Будет протекать и
обратный процесс — рекомбинация дырок и
электронов. За счет рекомбинации количество
фотоэлектронов, создающих ток во внешней
цепи, будет уменьшаться.
Образование электронно-дырочных пар
будет продолжаться и в отсутствие солнечного
излучения. Оно является следствием
теплового возбуждения, возникающего в любом
веществе при всех температурах выше О К. Веро-
Рис. 5.8. КПД фотоэлектрического преобразования
энергии и ширина запрещенной зоны Её для некоторых
полупроводниковых материалов при разных температурах
Рис. 5.9. Распределение электронов по состояниям для
трех значений температур
ятность заполненности энергетических уровней
задается функцией распределения Ферми:
где k — постоянная Больцмана; Т —
абсолютная температура; ?> — уровень Ферми. Эта
функция построена для нескольких
температур на рис. 5.9. Видно, что при достаточно
высокой температуре имеется конечная
вероятность заполненности более высоких уровней
энергии, которые при этом могут находиться
уже в зоне проводимости.
Разделение электронов и дырок
обеспечивается р-/г-переходом. Рассмотрим его на
примере кремния. Его четырехвалентные атомы
связаны друг с другом в кристаллической
решетке ковалентными связями, как показано на
рис. 5.10, а (+4 означает валентность атома
кремния). При нагреве или поглощении
фотона электроны могут высвобождаться, образуя
при этом дырки. На рис. 5.10 показан
кристалл кремния с разрывом одной ковалентной
связи за счет подвода теплоты или энергии из-
97
(5.23)

Рис. 5.10. Кристаллическая решетка кремния при
абсолютном нуле температуры (а), с разрывом одной кова-
лентной связи с примесью, обеспечивающей
проводимость я-типа (б), и с примесью, обеспечивающей
проводимость р-типа (г):
J — атом кремния; 2 — ковалентная связь; 3 — валентные
электроны; 4 — свободный электрон; 5 — дырка; 6 — атом примеси
с проводимостью л-типа; 7 — атом примеси с проводимостью
р-типа
лучения и образованием дырки, играющей
роль носителя положительного заряда. Если
вместо отдельных атомов кремния в решетке
присутствуют в виде примеси пятивалентные
атомы, например, фосфора или мышьяка, то
при образовании ковалентных связей в
решетке остается по одному неспаренному
электрону на каждый атом примеси. Энергия связи у
этих электронов очень мала (0,03 эВ), и они
фактически могут свободно перемещаться по
кристаллу. Поскольку пятивалентные примеси
(называемые донором) добавляют свободные
электроны, то кремний с такой примесью
называется кремнием я-типа.
При использовании в качестве примеси
трехвалентных атомов ситуация становится
обратной. Электронов становится
недостаточно для образования ковалентных связей, и
возникают дырки, свободно перемещаемые в
кристалле. Примеси этого типа, например бор
или галлий, позволяют получить кремний
р-типа. Электроны в кристалле с проводимостью
n-типа называются основными носителями, а
дырки — неосновными. Соответственно при
проводимости р-типа основные носители —
дырки, а неосновные — электроны.
Если пластины из кремния я- и р-типов
приведены в тесный контакт, то свободные
электроны и свободные дырки, диффундируя
к поверхности р-п перехода, будут рекомбини-
ровать, как показано на рис. 5.11, а, образуя
слой, обедненный носителями заряда, который
носит название обедненной зоны. При этом
атомы примеси в области перехода, лишенные
соответствующих дырок или элементов,
превратятся в ионы. Эти донорные или
акцепторные ионы, закрепленные в кристалле, создают
электрическое поле, образующее
электрический потенциальный барьер ?/б,
препятствующий дальнейшей миграции основных
носителей, как показано на рис. 5.11,6. На рисунке
показано, как меняется потенциал при
пересечении p-n-перехода. После того как два куска
вещества приведены в соприкосновение,
должно произойти выравнивание их уровней
Ферми. Ток неосновных носителей, не
встречающий потенциального барьера, достигает
значения тока насыщения /Ндс, а ток основных
носителей блокируется потенциальным
барьером ql)§. Значение потенциального барьера
невозможно измерить каким-либо прибором,
поскольку на измерительных контактах
формируется такой же барьер противоположного
знака.
Если р-я-переход .подсоединить к
внешнему источнику напряжения, как показано на
рис. 5.12, а, (направление ЭДС совпадает с
направлением потенциального барьера),
значение тока неосновных носителей при этом не
изменится, поскольку оно уже равно значению
тока насыщения, так как все возникающие
носители переходят через барьер. Если же знак
приложенного внешнего напряжения будет
Рис. 5.11. Образование потенциального барьера из-за поглощения свободных зарядов в области р-п-пе-
рехода (а) и соответствующее смещение энергетических уровней (б)
98

Рис. 5.12. Приложение внешнего потенциала к р-л-переходу, совпадающего по знаку с потенциальным
барьером (а) и противоположного по знаку (б)
Рис. 5.13. Вольт-амперные
характеристики р-м-перехода
обратным, как на рис. 5.12,6, то поток
основных носителей резко возрастает:
'оси — 'нас ^Хр
(5.24)
где U—результирующая разность
потенциалов перехода; /нас — ток насыщения.
Два последних вывода можно обобщить,
построив зависимость между разностью
потенциалов U и током / (рис. 5.13),
представляющую собой вольт-амперную
характеристику диода, которым в сущности и является р-п-
переход. В идеальном диоде результирующий
ток равен разности токов основных и
неосновных носителей:
(5.25)
*д - 'оси /неосн«
Солнечные батареи
При падении солнечного излучения на р-п-
переход с разомкнутой внешней цепью
произойдет смещение уровней Ферми (рис. 5.14).
Это связано с тем, что фотоны с энергиями,
превышающими ширину запрещенной зоны,
могут вызывать образование пар основных и
неосновных носителей в веществе с
проводимостью п- и р-типа. Возникающие
дополнительные носители заряда увеличивают уровень
Ферми в веществе, имеющем проводимость
Рис. 5.14. Смещение уровней Ферми /?-п-перехода под
влиянием падающего излучения (а) и эквивалентная
схема диода с р-п-переходом (б)
Рис. 5.15. Эквивалентная схема /?-п-перехода,
облучаемого солнечным светом и замкнутого на внешнюю
нагрузку
я-типа, и уменьшают его за счет
рекомбинации электронов и дырок в веществе с
проводимостью р-типа. Создаваемая разность уровней
Ф$рми qU0CH обусловливает возможность
перемещения основных носителей. Неосновные
носители по-прежнему могут
беспрепятственно пересекать барьер. Конечно, в разомкнутой
цепи результирующий ток будет равен нулю,
и перемещения основных и неосновных
носителей будут уравновешивать друг друга.
Эквивалентная цепь разомкнутой солнечной
батареи показана на рис. 5.14, б. Возникающую
разность потенциалов можно измерить
прибором.
Фототок равен разности тока основных
носителей и тока насыщения, поскольку при
отсутствии солнечного излучения и нагрузки
оба тока равны:
/ф = Ц=хр(^)-1].
(5.26)
При подключении к р-я-переходу внешней
нагрузки (рис. 5.15) разность потенциалов
уменьшится до значения U$, которое легко
99

измерить. Такое устройство может служить
источником тока. Ток, протекающий во
внешней цепи, равен фототоку за вычетом тока
диода:
/вп = /ф- /нас ехр [^ -\. (5.27)
Пример 5.5. Определить ток во внешней цепи, при
котором выходная мощность солнечной батареи будет
максимальной. Мощность батареи
Р = /вн U = {/ф - /нас [ехр (^) - l]} U.
Чтобы найти максимум, положим dP/d(J=Q:
?-/¦-,„.[-,(«2-)-,] +
+ итпах I — /нас Т^Г е*Р
¦/Hao-±-e4)|™±jj = 0.
Здесь Umax — напряжение при Ртах. Преобразуя
последнее выражение, получаем:
(qumax\
QUmax\ ii ^Ф
1 ^ /1 kT ) " ' /нас
Выражение (5.27) для режима максимальной выходной
мощности можно переписать в виде:
/внтаас = /нас ( 1 + 1 — /нас ехр ( ™*\ =
= /нас (qUmaxIkT) / /ф \
1 + ^тах/ет I + /нас/*
С помощью введенных понятий, используя
известные свойства вещества, можно
рассчитать выходные значения тока и напряжения
конкретной батареи в широком интервале
температур и условий освещенности.
Результаты расчетов для кремниевых
элементов площадью 2 см2 приведены на рис.
5.16 и 5.17. На рис. 5.16 освещенность принята
равной 16 мВт/см2; на рис. 5.17 температура
принята равной О °С. Показанные зависимости
позволяют сделать оценки для батарей с
различными параметрами. Видно, что
характеристики резко ухудшаются с ростом
температуры, а также с падением освещенности.
Из приведенных графиков трудно сделать
выводы о значении КПД. Теоретически КПД
кремниевой батареи составляет лишь 45 %.
Для кремния (?*=1,08 эВ) максимальная
длина волны излучения, создающего пары
дырок и электронов, Х=1150 нм. Энергия части
солнечного спектра с Я>1150 нм равняется
22 % полной энергии и составляет энергию
потерь. При 575^Х<1150 нм в батарее
используется только 1,08 эВ от каждого фотона
излучения. Результирующее значение этих
потерь составляет около 45 %. КПД равен
отношению полезной мощности батареи к энергии
излучения, падающего на ее поверхность:
О 0,1 0,2 0,3 0/h 0,5 U9,B
Рис. 5.16. Изменение вольт-амперных характеристик
солнечной батареи с температурой
Чтпах 'max
:ШФЕ,
(5.28)
Рис. 5.17. Изменение вольт-амперных характеристик
солнечной батареи с изменением освещенности
где Л^ф — число фотонов, падающих в
единицу времени; Е — средняя энергия этих
фотонов. Подставляя в (5.28) параметры батарей,
получаем:
Лтах » /ф {q'kT) Umax—-^2-, (5.29)
ф i + {g/kT)umax мфе ' К }
где Umax — выходное напряжение батареи при
максимальной мощности. Значение Ыф
зависит от Eg, так как с ростом Eg число фотонов,
имеющих энергию больше Eg, падает. С
другой стороны, с ростом Е§ ток насыщения
возрастает. Вследствие этих причин зависимость
КПД от ширины запрещенной зоны должна
иметь максимум, что и наблюдается в
действительности (см. рис. 5.8).
Значение фототока зависит от нескольких
факторов. Одним из важнейших факторов
является рекомбинация носителей заряда.
Интенсивность рекомбинации, за счет которой
уменьшается число зарядов, участвующих в
фототоке, является наряду с прочим
функцией толщины диодной матрицы и регулярности
ее кристаллической структуры. Дефекты
кристаллической решетки, границы зерен,
дислокации и т. п., приводящие к разрыву
химических связей, служат активными центрами
рекомбинации.
100

Следует учесть также некоторые
конструкционные соображения. Чтобы замкнуть
внешнюю цепь солнечного элемента, он
должен иметь две контактные поверхности —
фронтальную и тыльную. При этом
фронтальная поверхность должна быть прозрачной! За
неимением других способов в большинстве
элементов фронтальный контакт выполняют в
виде гребенки (рис. 5.18). Гладкая
кремниевая поверхность отражает до 40 %
падающего излучения. Использование многослойных
покрытий и текстурирование поверхности
обеспечивают снижение отражения до 5 % и
менее. В существующих конструкциях часть
тока теряется из-за чрезмерной толщины
элемента. Носители заряда, образующиеся вблизи
внешних поверхностей, могут рекомбинировать
на дефектах структуры поверхности, не
успевая пересечь потенциальный барьер. При
расположении перехода очень близко к
поверхности этот эффект должен уменьшиться. Были
предложены схемы батарей, позволяющие
увеличить КПД за счет более полного
использования фотонов во всем спектральном
диапазоне. Две из таких схем показаны на рис.
5.19. В настоящее время они не нашли еще
широкого применения, поскольку
возрастающая себестоимость не компенсируется ростом
КПД.
Рис. 5.18. Серийная солнечная батарея:
/ — р-л-переход; 2 — верхний слой (п-типа); 3 — прозрачный
клей на силиконовой основе; 4 — контактная пластина со
штифтами; 5 —покрытие, уменьшающее отражение света; 6 —
контакт; 7 — база (р — слой)
Рис. 5.19. Два способа увеличения доли использования
падающего излучения для кремниевого элемента:
а — система с последовательно расположенными элементами
(?р >? 2>Е 3); б — комбинация элементов и фильтров
(соотношение между энергиями фотонов ЕлФЕгФЕц)
Перечисленные трудности вместе с рядом
других приводят к тому, что на практике КПД
солнечных батарей составляет 10—15 %.
В процессе дальнейших разработок его можно
будет довести примерно до 20 %, однако
наибольшим недостатком солнечных батарей,
препятствующим их широкому внедрению,
является не низкий КПД, а высокая себестоимость.
Кремний — один из самых
распространенных в природе элементов, и может показаться,
что он должен быть сравнительно
экономичным. Это действительно так для технического
кремния. Однако чистый кремний,
используемый для солнечных батарей, получить очень
трудно.
Для изготовления солнечных элементов
часто используют пластины кремния,
вырезанные из монокристалла, что обеспечивает
высокую чистоту и, что не менее важно,
минимальное количество дефектов структуры.
Монокристаллические заготовки кремния
«выращивают» из расплава, медленно
вынимая из него зародышевый кристалл (процесс
Чохральского). Затем заготовку нарезают на
тонкие матрицы толщиной в сотню микрон
(поскольку режущий инструмент имеет такую
же толщину, то половина кремния
обращается в пыль!). После этого матрицы полируют,
что также приводит к потерям материала, и,
наконец, устанавливают в батарею.
Полная себестоимость этих операций с
течением времени значительно упала, но все
же остается довольно высокой. В 1980 г.
стоимость секции солнечной батареи составляла
около 10 долл/Вт (в ценах 1975 г.).
Министерством энергетики США выдвинут ряд
контрольных цифр на ближайшее десятилетие
по разработке солнечных элементов. Их
себестоимость в 1986 г. не должна превышать
0,5 долл/Вт (в ценах 1975 г.), а КПД должен
составлять 17 %. Если эти цели будут
достигнуты, то конкурентоспособность
фотоэлектрических преобразователей энергии будет
бесспорно высока.
Работы ведутся одновременно по
нескольким направлениям:
разработка технологии производства
кремния высокой чистоты в виде сплошной ленты;
разработка пластин поликристаллического
кремния, обеспечивающих высокий КПД
преобразования энергии;
использование других материалов (таких
как сульфиды меди и кадмия CdS/Cu2S и
GaAs);
использование схем, включающих
несколько последовательно расположенных ячеек или
спектральную оптику, позволяющую
воспользоваться различием запрещенных
энергетических полос у различных материалов (см. рис.
5.19),
101

Все перечисленные возможности изучались
в лабораторных условиях; каждая из них
имеет свои недостатки технологического либо
практического характера. КПД батарей на
основе сплошной кремниевой ленты пока не
превышает 12 %. У пластин
поликристаллического кремния имеется слишком много
центров рекомбинации, что также обусловливает
чересчур низкий КПД. Батареи на основе
сульфидов меди и кадмия обладают очень
низким КПД, они должны иметь очень малую
толщину, поскольку эти вещества не
пропускают солнечный свет.
Арсенид галлия (GaAs) — очень
перспективное вещество в силу более высокой Eg, a
значит, более высокого КПД. Однако галлий
не относится к распространенным элементам,
запасов его в природе в 104 раз меньше, чем
кремния. Далеко не ясно, удастся ли получать
достаточное количество галлия по
себестоимости, при которой батареи на основе арсенида
галлия станут конкурентоспособными даже
при условии, что они смогут обеспечить более
высокий КПД.
Интересное предложение, связанное с
использованием солнечных батарей на
орбитальной станции, было выдвинуто несколько лет
назад (рис. 5.20). Конгрессом США в 1980 г.
на ее начальные проработки были выделены
некоторые суммы. Установка включает
солнечную батарею площадью 65 км2,
вырабатывающую постоянный ток, который поступает
на мощные микроволновые генераторы,
создающие поток энергии, направляемый с
помощью антенны площадью 2,6 км2 к приемной
станции на земле. Длина волны
микроволнового излучения выбрана равной примерно
10 см, что позволяет использовать «окно» в
длинноволновом спектре поглощения земной
атмосферы (см. рис. 5.6). На земле требуется
Рис. 5.20. Солнечная электростанция — спутник Земли
102
установить приемную антенну площадью
93 км2. Поскольку для станции предполагается
использовать геосинхронную орбиту, то нужна
только одна приемная антенна.
По оценкам с помощью такой установки
можно получить мощность 10 000 МВт (эл.),
что достаточно для покрытия нужд
Нью-Йорка и ряда его окрестностей. Возможное ее
внедрение зависит во многом от ее
себестоимости. Когда проект был впервые выдвинут в
начале 70-х годов, называлась цифра
500 долл/кВт, что несколько больше
аналогичной цифры для электростанций на угле в
этот же период времени. Однако оценки
содержали некоторые необоснованные
предпосылки. Считалось, что масса элементов
конструкции будет на порядок меньше, чем у
существующих, предполагалось наличие
космического корабля типа «Шаттл» и высокий
КПД солнечных батарей.
Высказывались определенные опасения,
что микроволновой пучок может выйти из-под
контроля и начать перемещаться по земной
поверхности. Плотность энергии в таком
пучке должна составлять: 104/2,6 МВт/км2 =
=0,38 Вт/см2, чуо всего лишь в 2 раза больше
плотности солнечного излучения. Следует
учесть, что в потоке солнечной энергии,
составляющем 1,4 кВт/м2, на микроволновой
участок спектра приходится лишь малая доля
полного потока и значение 0,38 Вт/см2 по
меньшей мере на два порядка больше, чем
поток солнечного излучения на этом участке
спектра. Эту проблему можно в принципе
решить, либо увеличив диаметр пучка, либо
снизив его мощность.
Наряду с себестоимостью надо учесть и
другие вопросы. С помощью такой системы на
Землю будет поступать дополнительная
теплота, которая будет аккумулироваться в
среде обитания. Эта теплота, сконцентрированная
в густонаселенном районе, будет
неблагоприятно сказываться на окружающей среде.
Рассмотренный проект является характерным
примером того, как усовершенствованная
технология порождает высокую себестоимость
там, где следует остановиться на менее
дорогостоящих решениях (см. гл. 11).
Использование фотоэлектрического
преобразования для производства электроэнергии в
больших масштабах имеет многообещающие
перспективы. Для того чтобы это стало
реальностью, потребуется найти решение еще
многих вопросов. Потребность в
фотоэлектрических источниках энергии очевидна,
проблематика ясна, пути решения намечены и можно
надеяться, что уже в следующем десятилетии
они будут вносить заметный вклад в общий
баланс производства электроэнергии США.

МГД-МЕТОД ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЭНЕРГИИ
На протяжении последних 130 лет был
создан целый ряд энергетических устройств,
основанных на взаимодействии электрического
и магнитного полей с движущимися
электрическими зарядами. Метод прямого
преобразования энергии, рабочим телом в котором
является нагретый ионизированный газ, в
принципе может обеспечить очень высокий КПД и
потому вызывает большой интерес в качестве
альтернативы паротурбинным
теплоэнергетическим установкам для получения
электрической энергии — это магнитогидродинамический
генератор или сокращенно МГД-генератор.
Его работа основана на взаимодействии
рабочего тела с магнитным полем (рис. 5.21,6).
ЭДС создается за счет движения в магнитном
поле электронов и ионов нагретого газа.
Высокий КПД МГД-генератора
объясняется тем, что на входе в канал газ имеет очень
высокую температуру. На практике
промышленное внедрение этого метода потребует
преодоления ряда трудностей. Чтобы оценить
преимущества и недостатки МГД-генератора,
кратко рассмотрим происходящие в нем
процессы.
На частицу, имеющую заряд q и
движущуюся со скоростью и в магнитном поле с
индукцией В, действует сила
F = ?uXB. (5.30)
Эту силу можно представить как
результат взаимодействия заряда и индуцированного
электрического поля с напряженностью
Еинд = иХВ, (5.31)
создающего электрический ток плотностью
(5.32)
^инд — а*1инд»
где а — удельная электропроводность
продуктов сгорания.
Взаимодействие этого тока с магнитным
полем приводит к возникновению силы
Лоренца
Ринд='индХВ. (5.33)
Направления всех перечисленных векторных
величин показаны на рис. 5.22.
Индуцированный ток с плотностью /Инд ортогонален
внешнему магнитному полю, а также направлению
потока заряженных частиц. С помощью
ориентированных соответствующим образом
электродных пластин, замкнув их на внешнюю
цепь, можно получить ток в этой цепи (рис.
5.23). Если бы на практике все оказалось так
просто, то МГД-генераторы бесспорно
использовались бы во всем мире уже сегодня.
Рассмотрим картину подробнее. В
действительности электроны в газе, имеющем высо-
Рис. 5.21. Сравнение принципов действия
турбогенератора (а) и МГД-генератора (б)
Рис. 5.22. Векторные величины, связанные с
перемещением заряженной частицы в магнитном поле
Рис. 5.23. Упрощенная схема МГД-канала со
сплошными электродными стенками:
/ — электроды; 2 — изоляционные стенки; 3 — нагрузка
кую температуру и скорость, не удается
непосредственно отклонить к электродным
пластинам — они движутся со слишком большой
скоростью. Если они имеют достаточно высокую
103

подвижность й газе (т. е. газ обладает
высокой электропроводностью), они будут
вовлекаться в движение по круговым орбитам в
объеме МГД-канала. Образованный ими
плотный экран отрицательных зарядов будет
служить при этом преградой для перемещения
более тяжелых положительных ионов. При
этом электроны вытесняются к электродным
поверхностям. Заряженные частицы плазмы,
взаимодействующие с магнитным полем,
сталкиваются с нейтральными частицами и тем
самым тормозят течение потока в целом.
В результате происходит процесс отбора
энергии от газа во внешнюю электрическую цепь.
На электродных пластинах создается
электрическая разность потенциалов, равная
разности внешнего поля и индуцированного поля
с напряженностями Е и ?цнд соответственно.
Плотность результирующего тока
•*и„д = ст(Еиид-Е) (5.34)
или
•»инд = <т(иХВ-Е). (5.35)
МГД-генератор можно рассматривать как
источник постоянного тока, мощность которого
W --= EJ. (5.36)
Соответственно коэффициент нагрузки этого
устройства равен энергии, отдаваемой в
единицу времени во внешнюю цепь, отнесенной к
полной энергии, преобразуемой в канале в
единицу времени:
w
Л* = — , (5.37)
где /2/g — член, учитывающий потери теплоты
при прохождении электрического тока.
Используя (5.35) и (5.36), получаем из
этих выражений
% = Е/иВ. (5.38)
Зависимость удельной вырабатываемой
мощности от параметров показана на рис.
5.24; видно, что зависимость выходной
мощности МГД-генератора от плотности тока носит
параболический характер.
Отметим также, что мощность,
потребляемая на создание магнитного поля и другие
собственные нужды, следует вычесть из
вырабатываемой мощности W, поэтому в
действиРис. 5.24. Электрические характеристики
МГД-генератора:
1 — КПД; 2 — удельная мощность
104
Рис. 5.25. Зависимость
степени термической ионизации
воздуха от температуры
тельносТи КПД будет зн&чителньо ййЖе
расчетного значения (5.38).
Более точное вычисление КПД
преобразования теплоты в электрическую энергию в
МГД-генераторе является довольно сложной
задачей и здесь не рассматривается. Отметим,
что КПД такого преобразования энергии
будет достаточно высоким при следующих
условиях:
высокой электропроводности рабочего
тела;
коэффициенте нагрузки, равном 0,5;
высокой индукции магнитного поля;
больших значениях Ср и у рабочего тела;
максимально возможной температуре
газа на входе в МГД-канал и минимально
возможной на выходе;
высокой скорости потока рабочего тела
(большие значения числа Маха).
Значения большинства из этих параметров
в реальных условиях ограничены, а некоторые
из перечисленных условий носят
противоречивый характер и требуют компромиссного
подхода. Во-первых, электропроводность
нагретого газа крайне низка, за исключением
электропроводности при очень высоких
температурах (рис. 5.25). Используемые
конструкционные материалы не позволяют рассчитывать на
рабочие температуры выше 3000 К. Для
увеличения электропроводности рабочего тела
используется метод введения в него
ионизирующейся присадки—щелочного металла в
форме карбоната или хлорида. Выбрасывать
присадку экономически очень невыгодно, это
привело бы к существенному увеличению
стоимости вырабатываемой электроэнергии. Поэтому
присадку необходимо улавливать и снова
использовать в цикле.
Возникает и ряд проблем, связанных с
высокой температурой в МГД-канале.
Изоляционные материалы должны сохранять свои
свойства при очень высокой температуре, а
проводники также должны сохранять
проводимость в весьма агрессивной среде. Трудности
в этом вопросе очевидны: при очень высоких
температурах проводники теряют
проводимость, а изоляторы становятся проводниками.
Кроме того, не удается получить большой
разности температур на входе и выходе МГД-

Рис. 5.26. Комбинированный энергоблок с МГД- установкой и паротурбинной частью
канала, необходимой для достижения
высокого КПД. При температурах существенно ниже
2000 К электропроводность газа даже при
наличии присадки слишком низка.
Соответственно температура на выходе должна
оставаться высокой. Фактически она оказывается
достаточной для того, чтобы использовать
энергию рабочего тела после МГД-генератора
в обычном паротурбинном цикле, т. е.
использовать МГД-генератор в качестве
«надстройки» к паротурбинным установкам.
Получение сильных магнитных полей с
помощью обычного магнита связано с
большими потерями энергии на геплоту, выделяемую
в проводнике при прохождении тока. Более
экономичным является использование
сверхпроводящих магнитных систем; они
обеспечивают большую индукцию поля и имеют
несравнимо меньшие потери. Естественно,
необходимо учесть энергозатраты на криогенные
установки.
При учете всех факторов
эксплуатационные затраты на использование
сверхпроводящих магнитов значительно меньше, чем для
обычных.
Значения чисел Маха рабочего тела также
должны быть ограничены. Слишком большие
скорости связаны с нежелательным
дросселированием и возникновением нежелательных
скачков уплотнения.
В принципе МГД-электростанция может
работать на любом энергетическом топливе,
однако по ряду причин чаще всего
планируется использование угля1. Сжигание угля в
1 В СССР планируется создание МГД-генераторов
как на угле, так и на природном газе. (Примеч. п е-
рев.)
МГД-установке позволяет добиться большей
полноты сгорания, включая коксовый остаток;
для обеспечения чистоты дымовых газов
потребуется очистка от SO*, но ее можно
провести на стадии подготовки топлива. Большие
количества N0*, образующиеся вследствие
очень высоких температур процесса горения
топливно-воздушной смеси, можно
использовать для производства азотной кислоты,
пригодной для промышленного применения. На
рис. 5.26 показана структурная схема
энергоблока с высокотемпературной МГД-надстрой-
кой и паротурбинной частью.
Длина МГД-канала составляет 13 м;
используется сверхпроводящий магнит,
обеспечивающий индукцию магнитного поля 6 Тл.
Средняя по длине канала плотность тока
должна составлять 4000 А/м2 при средней
разности потенциалов 5400 В (постоянный ток).
Мощность, вырабатываемая МГД-генерато-
ром, 800 МВт. Расход продуктов сгорания
составит 583 кг/с, с 0,7 %-ным обогащением
присадкой в виде Cs2C03. Температура на
входе в канал 2650 К, а на выходе — 2300 К.
КПД энергоблока должен составлять 52 %.
Более высокий КПД энергоблока,
работающего по бинарному циклу, по сравнению с
традиционной энергетической установкой той
же мощности имеет два существенных
преимущества: экономия топливных ресурсов и
снижение выбросов теплоты в биосферу.
В настоящее время исследования в области
МГД-преобразования энергии ведутся как в
США, так и в других странах, в первую
очередь в Советском Союзе. Построено несколько
экспериментальных установок (мощностью
50—200 МВт), которые успешно работают.
iJJi

Рис. 5.27. Часть МГД-генератора 200 МВт со снятой
крышкой магнита
Ресурс этих установок, однако, ограничен1. На
рис. 5.27 показана часть МГД-генератора
200 МВт, впервые запущенного в 1978 г. и
проработавшего 500 ч. Сегодня ясно, что для
обеспечения надежной работы системы многое
еще предстоит сделать в области разработки
материалов. Высокие температуры в
сочетании с коррозионным воздействием продуктов
сгорания и присадки существенно снижают
ресурс МГД-канала. Для перехода к
промышленному использованию необходимо добиться
существенного улучшения конструкции
воздухоподогревателей и камер сгорания.
Рассматриваются и иные типы МГД-сис-
тем, включая системы замкнутого цикла и
жидкометаллические МГД-генераторы. Они
обладают тем преимуществом, что не
загрязняют воздух продуктами сгорания, но рабочие
температуры у них ниже, что снижает
суммарный КПД. Итак, можно сказать, что МГД-
преобразование в принципе может не только
стать в один ряд с традиционными системами
производства электроэнергии, но и превзойти
их в отношении уменьшения загрязнения
окружающей среды и экономии органического
топлива. МГД-энергетика,еще не достигла уровня
промышленного развития, но если в
ближайшие годы исследования и финансирование
будут достаточными, этот уровень будет
достигнут.
ВЕТРОЭНЕРГЕТИКА
Из истории развития техники хорошо
известно, что использование энергии ветра име-
1 В СССР на базе нескольких крупных
экспериментальных МГД-установок выполнен комплекс научных
исследований, позволивший начать создание первого в мире
опытно-промышленного МГД-энергоблока мощностью
500 МВт. (Примеч. пер ев.)
ет старые, сложившиеся традиции. Еще
задолго до открытия электричества в середине
XIX в. ветер служил источником энергии для
судов и мельниц. В XX в., когда
электроэнергия стала играть доминирующую роль в
энергобалансе, центр тяжести был перенесен на
такие энергетические ресурсы, как нефть и
уголь. Энергия ветра, в сущности
«бесплатная», изменчива и не концентрирована, что
привело со временем к тому, что применение
ее стало обходиться все дороже. До
последнего времени ветроагрегаты применялись в
отдаленных труднодоступных районах. Повышение
цен на нефтяном рынке вызвало
возобновление интереса к разработке как крупных
ветроэлектрических станций (ВЭС), так и
ветроэнергетических установок (ВЭУ) для
местного энергоснабжения.
Ниже рассматриваются физические
основы использования потенциальной энергии
ветра и некоторые из существующих ВЭУ, а
также вопрос, повлияет ли широкое
использование ВЭУ неблагоприятно на окружающую
среду и, производится оценка перспектив
развития ветроэнергетики США.
Принцип работы ветродвигателей
Физические процессы в ветродвигателе с
горизонтальной осью вращения можно
рассмотреть, записав уравнение количества
движения для потока идеального газа. Пусть
поток идеального газа с плотностью р и
скоростью V воздействует на ветроколесо, которое
ометает площадь А (рис. 5.28). Пусть
невозмущенные значения скорости и давления
слева от ветроколеса равны V, ро, а справа —
V—V\ и /?о- При подходе к ветроколесу
скорость воздушного потока падает до V—v и
при его пересечении меняется плавно.
Значения изменения скорости v и V\ не равны друг
другу. Запишем уравнение Бернулли для
потока:
р + — pV2 - const, (5.39)
Это уравнение можно записать отдельно
для потока до и после ветроколеса. При
прохождении через ветроколесо давление в
отличие от скорости меняется скачком. Слева,
непосредственно у ветроколеса, давление па-
Рис. 5.28. Поток воздуха,
набегающий на ветроколесо
106

дает до р, а справа — р—р'. Количество
движения, отданное потоком, воспринимается
ветроколесом и равно произведению массы
потока, обтекающего ветроколесо, на
изменение скорости потока. Для единичного периода
времени количество движения равно:
[Ap(Y—v)]vu (5.40)
где Ap(V—v) —массовый расход. В этом
выражении V\ является полным изменением
скорости.
Изменение количества движения в
единицу времени должно быть равно подъемной
силе, действующей на ветроколесо, причем
ветроколесо поступательно не перемещается.
За счет этой подъемной силы к нему
приложен крутящий момент, обеспечивающий
преобразование в механическую энергию.
Количество этой энергии в единицу времени
(мощность);
P = FV = Ap(V—v)vL(V — v), (5.41)
где F — подъемная сила; V — скорость.
В данном случае в качестве скорости
потока, определяющей его мощность,
используется величина V—vt которая является истинным
значением скорости потока у ветроколеса.
Изменение скорости невозмущенного
потока vx можно связать с ее изменением
непосредственно за ветроколесом v. Для этого
обратимся опять к уравнению Бернулли. Пусть
необходимо выразить полученные
соотношения не через v, а через vx. Значение v зависит
от конструкции лопастей ветроколеса, их
числа, размеров и формы. Приравняем
динамическое давление невозмущенного потока
динамическому давлению набегающего потока
непосредственно у ветроколеса (динамическое
давление равно сумме статического давления
и 0,5рУ2:
#о = А> + 0,5р1/2 = р + y p (V - v)\ (5.42)
Аналогично справа от ветроколеса:
#i = ft + \ Р(V- vxf = p-p' +
+ Yp(y-V)2-
(5.43)
Тогда
р' = #0 _ Нг = р (V - ± i^ Vl. (5.44)
Заметим, что р' равно подъемной силе,
отнесенной к единице поверхности, ометаемой
ветроколесом. Сравнивая (5.40) и (5.44)
получаем, что 72^1 = &. Соответственно
выражение для мощности, снимаемой с вала
ветроколеса, можно записать в виде:
PM = Mp<y-v)*v.
(5.45)
КПД преобразования ветровой энергии в
механическую равен отношению энергии,
воспринятой ветроколесом, к полной энергии
потока, имеющего сечение, равное площади,
ометаемой ветроколесом:
Л = ^вал/Яв, (5.46)
где Рв — мощность ветра. С учетом (5.45)
получим:
г, = 2W-')'' , (5.47)
или
л v(V — v)2
т] = 4—- -
1 уз
(5.48)
Легко показать, что КПД имеет максимум
при условии v = l/zV, а его максимальное
значение раВНО 16/27-
Сказанное, конечно, не означает, что все
ветродвигатели с горизонтальной осью
вращения, параллельной направлению ветра,
могут работать с таким КПД. Даже у
наиболее удачно сконструированных агрегатов с
трудом удается достичь КПД немногим более
70 % этого значения. Сравнивая выражения
(5.45) и (5.47), легко выразить максимально
возможную мощность ветродвигателя с
горизонтальной осью вращения, параллельной
направлению ветра, через диаметр ветроколеса
D и скорость набегающего потока V:
D __ 8дР2 рУ3
27
(5.49)
При конструировании ветродвигателя
ставится задача получить агрегат, который
может работать при больших скоростях ветра и
одновременно обеспечивать высокий КПД
преобразования, т.е. срабатывать около 7з
скоростного напора ветра. Выполнение
последнего условия зависит от двух факторов:
формы лопастей и быстроходности.
У ветроколес с горизонтальной осью,
параллельной потоку, в зависимости от рабочих
параметров и условий работы обычно имеется
либо две, либо три лопасти.
Результирующая мощность на валу
складывается из составляющих, развиваемых по
плоскости лопастей:
Рвал =/<*/> = J Шт, (5.50)
где Q — угловая скорость движения лопасти;
dx — элементарный момент вращения,
приложенный к участку лопасти. Значения Q
зависят от тангенциальной скорости движения
отдельных участков лопасти. Поскольку можно
считать, что конец лопасти двигается с
достаточно большой скоростью, то можно ожидать,
что значение интеграла по всей ее длине
также будет достаточно большим.
107

Двухлопастное ветроколесо обеспечивает
большую экономичность, чем трехлопастное,
однако первое в ряде случаев подвержено
значительным вибрационным нагрузкам,
отсутствующим во втором случае.
Центростремительную силу, действующую на лопасть,
можно свести к минимуму, уменьшив ее массу. Для
изготовления лопастей пригодны дерево,
пластик и в особенности армированное
стекловолокно, обладающее хорошими прочностными
характеристиками. Стекловолокно
выдерживает штормы, рабочие нагрузки и, кроме того,
исключительно технологично. Ветродвигатели,
используемые для привода водяных насосов,
снабжены большим количеством лопастей и
поэтому имеют больший КПД при малых
скоростях ветра. Из (5.49) на первый взгляд
следует, что максимальная мощность будет
неограниченно возрастать с ростом скорости
ветра. Однако это верно лишь теоретически,
на практике же еще необходимо, чтобы КПД
также имел максимальное значение, что
выполняется при условии v = V/3. Для ветроко-
леса с горизонтальной осью вращения, форма
и размеры которого заданы, это условие
выполняется лишь при одном значении скорости.
Таким образом, в конструкции
ветродвигателя заложено некоторое максимальное
значение скорости Vmax, при котором он должен
работать. При скоростях ветра ниже Vmax
выходная мощность ветродвигателя меньше
номинальной, а При СКОРОСТЯХ, бОЛЬШИХ Vmax,
падает КПД преобразования энергии ветра
в механическую. Так, при увеличении
скорости ветра на 33 % вырабатываемая мощность
удвоится, а при ее уменьшении на 33 % упадет
вдвое. Еще большее падение мощности
произойдет при уменьшении скорости на 50 % •
будет вырабатываться лишь 12,5 %
первоначального значения энергии.
Для ветродвигателя существует также
минимально допустимая скорость ветра.
Ветроколесо с горизонтальной осью вращения
должно вращаться, начиная с некоторой
минимальной скорости ветра, но максимальная
мощность вырабатывается лишь при номинальном
значении скорости, которое выбирается на
9—16 км/ч больше среднегодовой скорости
ветра для данной местности. При еще
больших скоростях ветра выходная мощность
удерживается на номинальном уровне, для чего
на практике используется принцип
управления, который называется «удержанием
плато». Этот принцип обеспечивает постоянство
мощности при всех скоростях ветра,
превышающих заданное номинальное значение, что
достигается в большинстве систем
механическим регулятором либо изменением угла
атаки лопасти, при котором снижается КПД
преобразования ветровой энергии в
механическую. Защита от разрушения лопастей
при черезмерной силе ветра осуществляется
с помощью поворотного механизма, который
при заданной предельной скорости ветра
разворачивает лопасти во флюгерное положение.
Из рис. 5.29 видно, что при удачном выборе
места установки ветродвигателя в течение
более 50 % времени своей работы он выдает
требуемую мощность.
Выше рассматривались только
ветродвигатели с горизонтальной осью вращения,
параллельной потоку. Этот тип ветродвигателя
разработан лучше, чем второй тип двигателей
с вертикальной осью. У ветродвигателей с
горизонтальной осью имеется один главный
недостаток: для получения оптимальной мощности
они должны быть установлены на башне. Это
связано не только с обеспечением свободного
пространства для лопастей, а главным
образом с тем, что скорость ветра с ростом
высоты, как правило, возрастает. Необходимость
строительства башни становится при этом
важнейшим фактором, влияющим на
экономическую целесообразность установки
ветродвигателя в том или ином месте. Ветродвигатель
с вертикальной осью вращения в этом смысле
имеет преимущество, однако и у него есть ряд
своих недостатков.
Имеется несколько типов ветродвигателей
с вертикальной осью вращения. На рис. 5.30
схематически показана конструкция ротора
Савониуса. Он, как правило, изготовляется
из цилиндрической трубы, разрезанной вдоль
и закрепленной между верхним и нижним
фланцами. Обе половины этой трубы несколь-
Рис. 5.29. Располагаемая мощность ветра в
«благоприятном» районе
Рис. 5.30. Схема ротора Савониуса (вид сверху):
/ — область разрежения; 2 — область повышенного давления
108

ко раздвинуты (рис. 5.30, б), так что зазор
между ними может меняться. При отсутствии
зазора (рис. 5.30, а) зона низкого давления,
создаваемая за «крылом», тормозит вращение
и тем самым уменьшает крутящий момент.
Развиваемая мощность будет максимальной,
если расстояние между половинами цилиндра
равно примерно половине диаметра трубы.
Несмотря на выгоды, связанные с простотой
конструкции, такой агрегат не может
сравниться по мощности с ветродвигателем с
горизонтальной осью вращения, работающей
с хорошим КПД.
Другим типом ветроприемного устройства
с вертикальной осью вращения, который был
исследован, является ротор Дарье. Он
оснащен двумя или тремя тонкими лопастями,
напоминающими по форме венчик для сбивания
белка, который вращается с очень большой
скоростью (в три-четыре раза превышающей
скорость ветра). Ветродвигатель с ротором
Дарье сам не запускается, для выхода на
нормальный режим работы его раскручивают до
рабочих скоростей с помощью
вспомогательного двигателя.
Ветродвигатели с вертикальной осью
вращения обладают тем преимуществом, что они
допускают установку непосредственно на
земле, не требуя сооружения башни и
необходимых опорных конструкций.
Почему этого не было сделано и почему
сегодня нет крупных ВЭУ? Ответ один —
высокая себестоимость 1 кВт-ч вырабатываемой
ВЭУ электроэнергии. По оценкам
удельные капитальные затраты на строительство
ВЭУ в Новой Англии в 1945 г. составляли
205 долл/кВт, в то время как удельные
капитальные затраты на создание
электростанций на мазуте и угле составляли менее
100 долл/кВт. Это еще раз показывает, что
экономические стимулы доминируют над
технологическими.
Однако сегодня удельные капитальные
вложения при строительстве ТЭЦ,
работающих на угле, и АЭС составляют более
1000 долл/кВт (в ценах 1980 г.) и имеет смысл
возвратиться к рассмотрению
ветроэнергетики как альтернативного источника
электроэнергии. Министерство энергетики США
совместно с агентством NASA в
исследовательских целях построили серию головных
образцов ВЭУ. Опытная ветроустанока с
горизонтальной осью вращения мощностью
200 кВт, установленная на острове Кулебра,
Пуэрто-Рико, показана на рис. 5.31.
Потенциальные возможности
ветроэнергетики
ВЭУ использовались для производства
электроэнергии в сравнительно широких
масштабах в различных местах. Наиболее
крупной установкой, построенной до настоящего
времени в США, является ветроустановка
Smith-Putnam.
Ветроприемным устройством в ней служит
двухлопастное ветроколесо с горизонтальной
осью вращения. Диаметр ветроколеса 53 м.
Устройство установлено на башне высотой
33,5 м. Масса одной лопасти равна 8 т.
Каждая из лопастей сделана из листа
нержавеющей стали с ребрами жесткости,
изготовленными также из нержавеющей стали. Угол
атаки, как и угол раскрытия двух лопастей
(обычно он выбирается равным 180°), можно
регулировать. Установка была пущена в 1941 г. и
работала достаточно надежно в течение двух
с половиной лет. Затем она была остановлена
для замены основного подшипника, что в годы
войны было нелегкой задачей. Ее работа
возобновилась в марте 1945 г., но спустя три
недели у одной из лопастей была повреждена
втулка, в результате чего она была
отброшена на расстояние 228 м от башни. После этого
агрегат не восстанавливали.
Рис. 5.31. Экспериментальная ВЭУ 200 кВт на острове
Кулебра, Пуэрто-Рико
109

Параметры установки приведены ниже:
Диаметр ветрового колеса, м 38,1
Материал лопастей Алюминий
Масса одной лопасти, кг 1045
Скорость ветра, необходимая для
включения агрегата, км/ч 15,2
Номинальная скорость ветра, км/ч ... 35,8
Предельная скорость ветра, при которой
агрегат выключается, км/ч „ 64,0
Эти установки пока не вселяют
уверенности, что произойдет промышленная
ориентация на использование энергии ветра.
Возможность этого зависит от ряда факторов: точки
зрения правительства США; удельных
капитальных затрат на производство
электроэнергии традиционными методами; удельных
капитальных затрат для ВЭУ; освоения
технологии изготовления нетрадиционных
источников энергии.
В настоящее время в США отсутствует
какой-либо четкий план развития
ветроэнергетики и ее внедрения в энергетику в
масштабах страны. Частные фирмы вряд ли
согласятся осуществлять финансирование этих
работ, в особенности при столь
неопределенной ситуации в энергетике. По мере того как
цены на уголь и нефть растут, капитальные
затраты на строительство ВЭУ все меньше
сказываются на оценке целесообразности
использования ВЭУ.
Вместе с тем развитие новых технологий
использования традиционных топливных
ресурсов— подземной газификации угля,
перегонки нефтесодержащих пород и т.п. —
снижает экономический стимул развития
ветроэнергетики. Солнечная энергетика все еще
остается «спящим богатырем», но в случае ее
внедрения в экономику все остальные
энергетические ресурсы — как традиционные, так и
нетрадиционные — отойдут на второй план.
Предположим, однако, что наступит
момент, когда экономическая эффективность
ветроэнергетики станет выше, чем у остальных
источников энергии. Каковы же
потенциальные запасы энергии ветра, и имеются ли
негативные аспекты использования энергии
ветра с точки зрения охраны окружающей среды?
Нет смысла говорить о глобальных
запасах энергии ветра, так как полностью эта
энергия использоваться никогда не будет. Для
точной оценки ветроэнергетических ресурсов
США потребуется создать национальную
программу составления сводных карт энергии
ветра для территории страны за несколько лет.
В настоящее время такой программы в США
нет (в Великобритании подобные измерения
выполнены). Группой исследователей
проведено обобщение данных по скорости ветра,
полученных с 348 метеостанций в западной части
США [4] .В двух процентах случаев средние
скорости ветра превышали 7 м/с. При таких
110
скоростях ветра его мощность достигает
почти 400Вт/м2, 175Вт/м2 из которых можно
надеяться преобразовать в электроэнергию.
Отметим, что измерения соответствуют высоте
10 м, а ветроприемные устройства с
горизонтальной осью могут быть установлены на
значительно большей высоте над землей, где
соответственно скорости ветра еще выше.
Речь идет, таким образом, о значительных
электроэнергетических ресурсах. Ветроуста-
новка с горизонтальной осью, имеющая
диаметр ветроколеса 50 м, будучи установленная
в таком районе, может вырабатывать в
среднем 3,5 МВт мощности. Можно, естественно,
устанавливать и по нескольку агрегатов в
одном районе. Можно задать вопрос: а имеются
ли какие-либо физические ограничения на
плотность размещения ветроустановок?
Да, имеются. Они связаны с двумя
явлениями: величиной аэродинамического следа и
затуханием энергии ветра. Аэродинамический
след обусловлен турбулизацией воздушного
потока при его взаимодействии с лопастями
ветроколеса. При этом результирующая
скорость ветра ниже по потоку уменьшается. Ис-
ледования, проведенные на одной из
ветроустановок NASA, показывают, что влияние
аэродинамического следа незначительно, если
агрегаты разнесены на расстояние не менее
чем пять калибров ветроколеса и не
выстроены в один фронт.
Природа второго явления — затухания
энергии ветра еще не вполне ясна. Плотность
расстановки ветроустановок ограничена
передачей энергии ветра, дующего на большой
высоте, воздушной массе вблизи земли. По
имеющимся оценкам в силу этого ограничения
на 1 км2 можно размещать ветродвигатели с
суммарной площадью, ометаемой ветроколе-
сами, не более 1500 м2. Это означает, что
агрегаты с диаметром ветроколеса 60 м
необходимо устанавливать на расстоянии не менее
35 диаметров друг от друга.
Вредные воздействия ветроустановок на
окружающую среду выражаются в
следующем:
они портят пейзаж,
создают шум,
создают электромагнитные помехи.
Первые два фактора, по-видимому, не
столь серьезны. В конце концов они не
представляют ничего необычного, мы свыклись с
видом нефтехранилищ, фабрик,
электростанций и т. п. Последний фактор более серьезен,
поскольку спектр помех охватывает и частоты
телевизионных каналов, эффективных путей
борьбы с этим явлением еще не найдено, но
эксперименты с ветровыми колесами,
изготовленными из стекловолокна, дают
обнадеживающие результаты»

ЗАДАНИЯ ДЛЯ АУДИТОРИИ
Рис. 5.32.
нию 6
К упражне-
1. Проанализируйте данные по мощности ветра для
ближайшей местности, для которой имеются
метеорологические данные. Определите среднюю скорость
ветра. Вычислите, какую среднюю мощность она
позволяет вырабатывать. Экстраполируйте результаты на
местность, в которой вы живете. Какие выводы можно
сделать из этого анализа?
2. Оцените количество электроэнергии, которую вы
расходуете в течение недели. Учтите бытовые
электроприборы, освещение и отопление аудиторий, кино и т. п.
Оцените, какое количество автомобильных
аккумуляторов потребуется для запасания этого количества
электроэнергии.
УПРАЖНЕНИЯ
1. Определите максимальное количество
электричества, которое можно получить от ртутно-цинковой
электрической батареи при расходовании 1 кг
реагентов (в сумме).
2. Предположим, что свинцовый аккумулятор
используется для совместной работы с солнечными
батареями для покрытия 100 МВт пиковой нагрузки в
пасмурные дни. Какое минимальное количество батарей,
рассмотренных в примере 5.3, потребуется для этой
цели, если батареи должны непрерывно работать 1 ч?
Какова общая масса и объем этих батарей?
3. Сколько времени потребуется для
электролитического хромирования бампера автомобиля площадью
4000 см2 при токе 250 А при толщине покрытия 25 мкм?
Ответ: 17 мин 50 с.
4. Если хромирование проводится при больших
токах, выделяется значительное количество водорода,
который захватывает образующуюся хромовую кислоту.
Эта кислота сильно токсична. При нанесении покрытия,
рассмотренного в упражнении 3, образуется 200 г этой
кислоты в течение 1 ч. Сколько кислоты выделяется в
гальваническом цехе за 1 сут при производительности
5000 бамперов в день?
5. Выведите формулу
dG = Vdp — SdT,
6. Покажите, что в цепи, показанной на рис. 5.32,
максимальная мощность от батареи отдается нагрузке
R при условии r = R.
7. Покажите, что
/ d&\ Д# ,
8. Определите себестоимость 1 кВт-ч
электроэнергии перечисленных ниже источников:
а) батарейки транзисторного радиоприемника с
напряжением 9 В;
б) щелочные батарейки транзисторного
радиоприемника;
в) батареи пальчиковых ламп 1,5 В (тип АА);
г) батареи для лампы-вспышки 1,5 В (тип С);
д) ртутные батареи для часов или фотокамеры;
е) свинцово-кислотный автомобильный аккумулятор.
Сравните полученные результаты с себестоимостью
сетевой электроэнергии.
9. Рассчитайте КПД кислородно-водородного
элемента при 400 К и напряжении 0,71 В.
Ответ: г] = 0,564.
10. 10 ПДж/год теплоты, получаемой от сжигания
природного газа в энергетических установках
различного типа, используется для получения электроэнергии
со средним КПД 37 %. Какая экономия природного
газа обеспечивалась бы при выработке половины этой
электроэнергии с помощью топливных элементов на
метане с КПД=56 %?
11. Какой энергией обладает фотон СВЧ-излучения
с длиной волны 10 см? Сколько фотонов содержится з
пучке мощностью 10 000 МВт?
12. Внутреннее сопротивление р-п перехода
определяется формулой Ro=kTlqIa. Покажите, что мощность,
отдаваемая на нагрузку, максимальна при условии, что
сопротивление нагрузки #?,=/?& ехр(—qV/kl).
Указание. Используйте пример 5.5 и (5.27).
13. Освещенность солнечной батареи площадью
2 см2 составляет 600 Вт/м2. Окружающая температура
равна 0°С, КПД преобразования 6%. Определите ток
и напряжение в цепи батареи, если сопротивление
нагрузки равно 19 Ом.
Ответ: 0,369 В; 1,95-10~2 А.
14. Солнечная батарея мощностью 5 кВт и
напряжением 0,4 В через преобразователь подключена к
коммунальной сети переменного тока. Какую площадь
должна иметь кремниевая солнечная батарея, если
температура и освещенность соответственно равны 0°С и
600 Вт/м2?
15. Каков КПД реальной солнечной батареи,
рассмотренной в упражнении 14, и вырабатываемая ею
мощность (теплота)?
16. Оцените, какое количество энергии
вырабатывает система солнечных батарей с антенным коллектором
500 Вт в течение 10 лет использования. Какому
количеству бензина соответствует себестоимость коллектора?
17. Рассмотренная в данной главе система
солнечных батарей спутника Земли отдает на нагрузку
мощность 10 000 МВт. КПД передачи энергии от батарей на
нагрузку равен 70 %.
Чему равен собственный КПД солнечных батарей,
если освещенность равна 1,4 кВт/м2.
Ответ: 16 %.
18. Плотность энергии в пучке СВЧ-излучения имеет
гауссово распределение:
Р = Р0ехр(-г2/^),
где Ро — плотность энергии, Вт/см2, в центре пучка.
Характерная полуширина гауссовой кривой г0=2-105 см2.
Чему равен диаметр круглой антенны, необходимой для
передачи 10 МВт, если удельная энергия в пучке не
должна превышать рекомендованного предельного
значения 5 мВт/см2?
19. Во сколько раз количество теплоты,
выбрасываемое АЭС с КПД 32 %, отличается от количества
теплоты, выбрасываемой МГД-электростанцией, работающей
по комбинированному циклу с КПД 51 %, при одной и
той же мощности (эл.)?
20. Пользуясь (5.35) и (5.37), выведите соотношение
(5.38).
21. Пусть в МГД-электростанциях мощностью 200
и 800 МВт удается регенерировать 99,9 %
ионизирующейся присадки (Cs2C03). Если среднегодовое значение
нагрузки составляет 50 % номинального, сколько цезия
потребляется в год?
Какую долю составляет это количество от годового
производства цезия в США?
Ответ: 1,05-107 кг.
22. Продифференцируйте (5.46) по и и покажите,
что максимальный КПД турбоагрегата соответствует
условию у=1/ЗУ,
111

23. Оцените средние потребности в электроэнергии
для типичного промышленного района. Пусть в
рассматриваемом районе средняя скорость ветра равна 19 км/ч.
Какой диаметр должно иметь ветроколесо, используемое
для покрытия этих типовых нагрузок?
24. Сравните электрическую мощность, которую
можно получить за счет солнечного излучения,
падающего на единицу поверхности земли, с мощностью,
которую можно получить за счет энергии ветра для
348 станций, о которых говорится в тексте.
25. Рассчитайте, какое количество электроэнергии
могла бы вырабатывать ВЭУ на о. Кулебра в течение
года, если бы распределение скоростей ветра было
таким, как показано на рис. 5.29.
Тйшшш ©
Источники получения теплоты
Существуют два основных источника
получения теплоты для приведения в действие
тепловых двигателей — сжигание горючих
веществ и деление ядер некоторых веществ.
Кроме того, сюда можно отнести и солнечное
излучение (табл. 6.1). Будут рассмотрены
методы подсчета количества энергии,
высвобождающейся в ходе простых химических
реакций. Результаты этих исследований помогут
выявить наиболее подходящий источник
получения теплоты для каждого конкретного
случая ее использования. Однако необходимо
помнить, что решения в области энергетики
принимаются обычно на основе чисто
экономических, а не технических соображений.
Большая часть электроэнергии,
производимой в США, вырабатывается на базе
органического (прежде всего — нефти) и ядерного
топлива. В настоящее время почти во всех
районах страны себестоимость
электроэнергии, вырабатываемой на АЭС, ниже
себестоимости электроэнергии, производимой на ТЭЦ,
работающих на угле; считается, что плутоний,
образующийся в реакторах-размножителях на
быстрых нейтронах, станет еще более
дешевым источником энергии, хотя многие хорошо
осведомленные специалисты с этим не
согласны. В следующей главе будут подробно
рассмотрены вопросы, относящиеся к
использованию ядерной энергии.
Все современные виды топлива стоят
слишком дешево; их продажная цена не отражает
суммарных затрат на их добычу и
производство. В цену органических топлив не входят,
например, стоимость рекультивации
ландшафта— заполнения провальных воронок,
образовавшихся в результате добычи нефти,
восстановления продуктивности земель, ставших
бесплодными из-за добычи угля открытым
способом; не учитываются социальные
издержки (выплата компенсации шахтерам,
пострадавшим от заболеваний) и не поддающиеся
определению затраты на очистку акватории
океана от разлившейся нефти. В ядерной
энергетике значительные расходы на
разработку промышленных реакторов оплачивались
из средств, поступивших от населения в виде
налогов, а не из средств, полученных
благодаря продаже электроэнергии. Более того,
необходимо еще многое выяснить в отношении
биологического воздействия веществ с низким
уровнем радиоактивности, образующихся при
работе АЭС; решение проблемы ликвидации
большого количества радиоактивных отходов
пока не найдено, и может случиться так, что
это окажется чересчур дорогостоящим делом.
Изобилие электроэнергии благотворно
отразилось на развитии промышленности и
сельского хозяйства США. В то же время низкая
стоимость электроэнергии привела к целому
Таблица 6.1. Некоторые показатели источников получения теплоты
Источник
Каменный уголь
Нефть
Делящийся изотоп урана (235U)
Тяжелый водород—дейтерий 2Н (синтез
ядер в управляемой термоядерной
реакции)
Удельные показатели по
теплоте сгорания или по
выделяемой теплоте, Дж/кг
^3-107
—4,3-107
8,2-1013
2,4-101*
Суточная потребность электростанции мощностью
1000 МВт в источнике теплоты
6750 т (100 вагонов при КПД=0,4)
4600 т при КПД=0,4
3 кг 235U или 430 кг природного урана при
КПД=0,3
1 кг 2Н, или 30 м3 морской воды, при
кпд=о,з
Примечание. Количество солнечной энергии, приходящейся на 1 м2 в 1 с, составляет ЫО3 Дж/(м2«с). Необходима
площадь коллекторов 3* 107 м2 (КПД=0,1), при условии, что солнечная теплота аккумулируется днем для использования в ночное
время.
112

ряду нежелательных последствий. Она
служит стимулом к дальнейшему росту
потребления электроэнергии; но, что гораздо серьезнее,
возникает соблазн пожертвовать
энергоэкономичностью ради удобств. Например, многие
блоки цилиндров автомобильного двигателя
изготовляются в настоящее время из
алюминия; раньше они были стальными. По своим
эксплуатационным качествам стальные блоки
ничуть не хуже алюминиевых, но они тяжелее,
а значит, не так удобны в обращении. Но
ведь для производства алюминиевых блоков
требуется втрое больше энергии, чем для
изготовления стальных! (Парадоксальная
ситуация: с точки зрения расхода горючего у
двигателя со стальным блоком цилиндров
гораздо ниже общий КПД!)
Другой пример того, как приносят
экономичность в жертву удобствам из-за дешевизны
электроэнергии,—это электроотопление.
(Безусловно, дороже отапливать помещение при
помощи электричества, хотя местная
энергокомпания заверяет Вас в обратном!)
Преобразование электрической энергии в
тепловую— весьма эффективный процесс:
например, КПД электрического водонагревателя
равен 100%. Однако преобразование топлива
в электроэнергию — процесс довольно
неэффективный (КПД равен 30—40 %). Таким
образом, общий коэффициент полезного
использования химической энергии топлива при ее
преобразовании в теплоту через
электроэнергию относительно невелик. Если бы топливо
использовалось непосредственно для
отопления помещений с КПД, равным 60—70%,
можно было бы сэкономить значительное
количество топлива и уменьшить потери
энергии.
Использование электроэнергии,
выработанной на базе органического топлива, для
отопления или получения технологической
теплоты противоречит здравому смыслу с точки
зрения экономики и энергетики; на это нельзя
смотреть сквозь пальцы в обществе,
стремящемся к рациональному использованию
энергоресурсов. Не приходится сомневаться в том,
что реклама, призывающая транжирить все
больше и больше электроэнергии, наносит
ущерб жизненным интересам общества, хотя
цели ее понятны, если рассуждать с позиций
электроснабжающей компании. Следует
также подчеркнуть необходимость отмены такой
тарифной системы, при которой бережливые
потребители энергии остаются в накладе, а
расточительные— выигрывают.
Растущий дефицит органических топлив и
высококачественной урановой руды, а также
ужесточение контроля над добычей и
использованием энергоресурсов приведут к
постепенному подорожанию всех видов
энергоносителей. Если стоимость их существенно возрастет,
сложившаяся тенденция малоэффективного
потребления энергии может претерпеть
серьезные изменения. Возникнет, кроме того,
потребность в ускоренном освоении
альтернативных источников получения теплоты;
необходимо иметь представление об этих
источниках, чтобы наилучшим образом использовать
наличные ресурсы.
ОРГАНИЧЕСКИЕ ТОПЛИВА
Под горением подразумевается процесс
быстрого окисления, сопровождающийся
выделением теплоты. Эта теплота отчасти
представляет собой разность потенциальной
энергии молекул, участвующих в реакции, до и
после нее. Если бы можно было всякий раз с
большой точностью вычислять количество
потенциальной энергии, легко было бы
рассчитать количество выделяющейся теплоты
именно для конкретной реакции. К сожалению,
проблемы, связанные с атомной структурой
вещества, удается в лучшем случае решить
лишь приблизительно, если атомы обладают
большим числом электронов, поэтому
приходится измерять количество теплоты,
выделяющейся при реакции (так называемый тепловой
эффект реакции), вместо того, чтобы
вычислить его заранее.
Физика процесса горения
Если химическая реакция протекает при
атмосферном давлении, тогда этот процесс —
изобарический и можно записать:
Q = AH. (6.1)
Измерение в калориметре выделяемой
(при экзотермической реакции) или
поглощаемой (при эндотермической реакции)
теплоты есть, по сути дела, определение
изменений энтальпии ДЯ. Составлены таблицы ДЯ
для различных реакций; предполагается, что
для чистого вещества (вещества,
находящегося в чистом состоянии) ДЯ=0, и все
изменения энтальпии регистрируются по отношению
к реагентам, находящимся в чистом состоянии
(обычно эти изменения энтальпии
записываются в виде ДЯ° — верхний индекс 0 означает
«по отношению к веществу в чистом
состоянии»).
Чтобы вычислить изменение энтальпии
ДЯ^ для простой химической реакции,
протекающей при температуре 25 °С, запишем
следующее соотношение:
aA + bB-+cC + dD, (6.2)
113

где строчные буквы обозначают количество
вещества в молях. При этом получаем
АН% + пН% + ЬАН%Г-+ сАН% + dAH°Df, (6.3)
где Д//л/, ¦.., АНDf — теплота образования
данного конкретного соединения по отношению к
аналогичным показателям для стандартных
состояний чистых веществ (эти показатели
можно найти в справочных таблицах). В
большинстве таблиц за стандартные условия
приняты: температура 25 °С, давление 0,1 МПа.
Если реакция протекает при повышенной
температуре, следует принять несколько иной
метод расчета.
Если температура не равна 25°С, следует
учесть приращение энтальпии реагентов,
вызванное разностью температур, и в (6.3)
следует включить члены:
аАН°А = асрАТ, (6.4)
где ср — удельная теплоемкость вещества Л.
Ниже приводятся данные о теплоте
сгорания некоторых, большей частью органических,
соединений:
Вещество Теплота сгорания,
(Дж/кг).107
[(Дж/м'МО']
Аммиак . . * 2,4
Спирт:
метиловый 2,5
этиловый 3,2
Гидразин * ] 2,1
Водород '.'.'.'.'. 15
Метан 3,7
Каменноугольный газ [<1,9]
Природный газ, [^4,7]
Синтетический природный газ . . * [—3,7]
Отметим, что теплота сгорания водорода
очень высока. Водород использовался в
качестве моторного топлива; он обладает
неоспоримыми преимуществами, так как количество
вредных выбросов сокращается. Жидкий
водород применяли одно время в качестве
ракетного топлива.
Располагаемая энергия, полученная в
процессе горения, приблизительно равна
изменению энтальпии. Горение — процесс, как
правило, адиабатический; теплообмен с
окружающей средой отсутствует. В этом случае
располагаемая энергия [из (3.60)].
АВ= — T0AS. (6.5)
Но точно так же в этом случае согласно
первому закону термодинамики и
определению энтальпии
АН = TAS, (6.6)
следовательно,
АВ=—АН. (6.7)
Обычно представляют интерес абсолютные
значения, поэтому
АВ = \АН\. (6.8)
Соотношение (6.8) выполняется не точно из-
за влияния диффузии, т. е. продукты реакции
могут проникать в атмосферу, увеличивая
энтропию и тем самым уменьшая количество
располагаемой теплоты.
Синтетические углеводороды
Наиболее распространенным методом
получения теплоты является в настоящее время
сжигание углеводородных топлив, прежде
всего угля, нефтепродуктов и природного газа.
Как известно, легкодоступные запасы двух
последних видов органического топлива вскоре
начнут истощаться, если только этот момент
уже не наступил. Наша энергетика
сильнейшим образом зависит от нефти и газа, поэтому
необходимо предусмотреть возможность
покрытия разницы, которая в перспективе может
образоваться между снабжением и
потребностью в таких энергоресурсах, путем
организации производства синтетических
углеводородов. Для условий США это в первую очередь
относится к природному газу, поскольку в
этой стране его добыча в течение последних
5 лет непрерывно снижалась и начала
увеличиваться лишь после того, как был отменен
контроль над ценами на газ.
Газификация угля. Поскольку природный
газ состоит в основном из метана (СН4), для
производства его синтетического заменителя
(СПГ) требуется дешевый природный
углерод. Лучше всего для этой цели подходит
уголь, имеющийся в изобилии, хотя прежде
применялась также нафта — продукт
перегонки нефти. Принцип Газификации угля сам по
себе не новый. Во многих крупных городах с
начала XIX в. и вплоть до окончания второй
мировой войны, т. е. до появления
возможности получать в необходимых количествах
природный газ, из угля вырабатывали городской
газ.
Угбль — не просто углерод; он состоит из
множества сложных, длинноцепочечных
молекул углеводорода. В молекулярной структуре
угля присутствует ряд микроэлементов. На
рис. 6.1 показана возможная структура угля.
Заметим, что в состав молекулы входят
атомы серы; такую серу невозможно удалить из
угля с помощью одних лишь механических
средств. Другие атомы серы входят в состав
примесей к углю; эту серу можно легко
удалить из угля перед его сжиганием.
В табл. 6.2 перечислены некоторые
компоненты различных сортов жидкого топлива и
угля.
114

он о
Рис. 6.1. Гипотетическая модель молекулы
угля
Таблица 6.2. Обычный состав углеводородных
соединений
Вещество
Метан (СН4)
Бензин (СН2) n
Сырая нефть**
Битуминозный
уголь

Суббитуминозный уголь
Лигнит
Антрацит . .
Атомное отношение
Н/С*
4
2
1,59—2,06
0,6
0,5
0,25
0,05
S/C
0
0
0,006—0,6
0,016
0,007
0,005
0,004
N/C
0
0
0,0014—0,15
0,018
0,016
0,015
0,001
* Предполагается, что весь кислород и вся сера,
присутствующие в угле, имеют форму соединений Н20 и H2S; весь
водород, входящий в эти соединения, при расчетах не
принимают во внимание.
** Сырая нефть может иметь весьма неодинаковый состав;
для нее дан интервал значений.
При сравнении приведенных в табл. 6.2
значений Н/С для угля и нефтепродуктов
становится очевидным, что главной проблемой в
создании экономически эффективной
технологии газификации угля является либо
добавление в уголь водорода, либо извлечение из него
углерода. Важными являются также
проблемы, связанные с присутствием в угле серы и
азота. Эти элементы почти всегда входят в
состав угля. Их значительно меньше в нефти
и нефтепродуктах. Как известно, сера
разрушительно действует на катализаторы,
используемые при переработке нефти.
Для производства городского газа
различного типа использовались многочисленные
процессы. Общий принцип получения
синтетического газа представлен на рис. 6.2. Иногда
ЗН2+СО-*СгЦ+Н20
Рис. 6.2. Стадии процесса газификации угля (или нефти)
возникает необходимость в предварительной
подготовке исходного сырья — угля, нефти с
целью его обессеривания либо для того, чтобы
не было спекания в газогенераторе.
Спекание — характерная особенность битуминозных
углей. При нагреве эти угли становятся
липкими и плавятся, образуя пластичную массу; в
результате уменьшается соотношение между
площадью поверхности частиц угля и их
объемом, а следовательно, уменьшается
поверхность взаимодействия с газификационной
средой. Тдкие угли нужно подвергать
предварительной обработке, в ходе которой часть
поверхности быстро окисляется, и это предохра-
115

няет от спекания остальной уголь. Подобная
обработка не только повышает стоимость
готового продукта, но и приводит к потере
определенного количества углерода, который мог бы
найти полезное применение в других целях.
В первых образцах газогенераторов уголь
подвергался перегонке без доступа воздуха;
водород, содержащийся в угле, служил для
получения метана, а также чистого водорода
и углерода. Полученный газ обладал
достаточно высокой теплотой сгорания,
достигавшей почти 50 % теплоты сгорания природного
газа. Однако этой теплоты сгорания еще
недостаточно, чтобы стала экономически
оправданной его дальняя транспортировка по
трубопроводам. Вот отчего этот
«каменноугольный газ» применяли главным образом в
промышленности и в быту; транспортировался он
только на небольшие расстояния. При этой
технологии газификации использование угля
было крайне неэффективным (в газ
превращалось не более 30 % исходного сырья).
Оставшийся уголь приходилось либо продавать,
либо, гораздо чаще, просто выбрасывать.
Современные процессы основаны на том,
что уголь или нафта подвергаются перегонке
в присутствии либо воздуха, либо водяного
пара и кислорода. При газификации угля на
воздушном дутье образуется газ, обладающий
относительно низкой теплотой сгорания,
поэтому такой газ целесообразно использовать
только на электростанциях, расположенных на
месте его производства. (Один из недостатков
воздушного дутья — наличие в воздухе азота,
что приводит к образованию большого
количества окислов азота.) В процессе с парокисло-
родным дутьем (02+Н20) образуется газ
несколько более высокого качества, который
можно подвергать дальнейшей переработке
для получения метана с высокой теплотой
сгорания. Этот синтез-газ (иногда его называют
также генераторным газом) содержит
высокий процент окиси углерода СО и азота N2.
Если в синтез-газе соотношение водорода и
окиси углерода будет существенно отличаться
от 3 : 1 (что требуется для преобразования его
в метан), понадобится дальнейшая
переработка. Часть СО преобразуется в С02,
прореагировав с водой в реакторе, где происходит
конверсия водяного газа; при этом
высвобождается еще больше водорода, С02 и примеси
серы удаляются, а оставшийся газ, состоящий
в основном из Н2, СО, СН4 и Н20, проходит
стадию каталитической метанизации, на
которой СО и Н2, вступая в реакцию, образуют
метан СН4. Конверсия водяного газа и
каталитическая метанизация являются
экзотермическими реакциями с выделением большого
количества теплоты. Необходимо обеспечить
значительный и эффективный отвод этой теплоты,
чтобы сохранить температуру реагентов на
желаемом уровне. Если температура
становится чрезмерно высокой, начинает
преобладать следующая реакция:
Н20 + СНг^СО + ЗН2 (6.9)
и процесс становится непроизводительным.
В зависимости от вида применяемого
катализатора можно получать разные конечные
продукты (метан, бензол, метанол):
СО + ЗН2->СН4 + Н20;
6СО + 9Н2->ССН6 + 6Н20;
СО + 2Н2-^СН3ОН. (6.Ю)
Разумеется, соотношение между
водородом и окисью углерода должно быть
соответствующим образом отрегулировано.
Процентный состав газов является лишь
ориентировочным, он в значительной мере
зависит от качества и вида исходного сырья,
используемой технологии газификации,
соотношения количества воздуха или смеси водяного
пара и кислорода и количества исходного
сырья, а также от назначения получаемого
газа.
Каменноугольный газ обладает очень
низкой теплотой сгорания; он состоит примерно
на 50% из Н2+СО, остальное — С02, СЕЦ и
прочие компоненты. Энергетический газ
обладает средней теплотой сгорания, он пригоден
для выработки электроэнергии на месте его
производства и имеет следующий состав: СН4
(около 14%), СО (11%), Н2 (16%), С02
(11%),Н20 (28%), N2 (30%). Синтез-газ
представляет собой высококачественный
продукт, который можно транспортировать по
газопроводам; его состав: СН4 (около 10%),
СО (21%), Н2 (40%), С02 (28%), прочие
компоненты (1 %). Синтетический газ обычно
содержит 90 % метана (СН4).
За последние 40 лет было разработано
много различных технологий газификации
угля; все они обладают как достоинствами, так
и недостатками. Но у этих технологий есть
одна общая черта: газ, получаемый с их
помощью, обходится, по крайней мере, впятеро
дороже природного газа.
Технологии газификации угля различаются
между собой по методу обеспечения теплотой,
необходимой для протекания реакций
газификации (автотермичные реакции, реакции с
подводом теплоты извне), методу создания
контакта между реагентами (неподвижный слой,
кипящий слой), виду потока реагентов
(попутный поток, противоток), газификационной
среде (водород, водяной пар в смеси с
кислородом, чистый кислород), виду удаляемого
остатка (жидкий шлак, сухая зола).В
лабораторных установках были опробованы почти все
116

сочетания этих разнообразных методов. Лишь
некоторые из установок доработаны до
стадии пилотных, и еще меньше введено в
промышленную эксплуатацию. В ряде стран мира
действуют промышленные установки
газификации угля по технологии фирмы Lurgi; в
США таких установок нет. Эта технология
довольно капиталоемкая; для получения
необходимого количества газа требуется построить
много газогенераторов, а они нуждаются в
тщательном уходе и не смогут работать на
обычном американском битуминозном угле.
Была сделана попытка применить метод
газификации, который позволил бы обойтись без
дорогостоящих газогенераторов. Заключается
он в газификации угля на месте залегания,
т. е. в подземной газификации. В пласте угля,
находящемся под землей, пробуривают с
поверхности скважины, дробят пласт для
обеспечения доступа воздуха (как правило, с
помощью воды, закачиваемой под высоким
давлением), а затем уголь поджигают. В
воспламененный угольный пласт нагнетают воздух,
чтобы поддержать процесс горения. При
подземной газификации получают горючий газ с
низкой теплотой сгорания, который можно
использовать для выработки электроэнергии на
местной электростанции. Если вместо воздуха
в горящий пласт угля нагнетать чистый
кислород и водяной пар, можно получать газ более
высокого качества, пригодный для
каталитической метанизации. Проведенные к
настоящему времени эксперименты по подземной
газификации угля на месте его залегания не
оправдали надежд. Газ поступает на
поверхность с перебоями, его теплота сгорания
нестабильна. К тому же еще нет ясности в
отношении эффективности использования угля;
предстоит решить также проблемы, связанные
с оседанием грунта, залегающего над
отработанным пластом угля, и загрязнением
грунтовых вод. Эти проблемы, однако, не относятся к
числу неразрешимых; подземная газификация
угля на месте залегания может стать наиболее
подходящей альтернативой при наземной
газификации угля, требующей чрезвычайно
больших капиталовложений.
Одной из крупных проблем, с которой
пришлось бы неминуемо столкнуться при
развитии подземной или наземной газификации
угля на западе США, является нехватка воды.
Некоторые специалисты полагают возможным
и экономически целесообразным доставлять
воду на угольные месторождения западных
штатов по трубопроводам из р. Миссисипи и
использовать ее там для нужд газификации
угля.
Экономические показатели процессов
газификации буквально ошеломляют! В 1978 г. во
всей стране было потреблено около 500 млрд.
м3 природного газа. Стоимость установки по
газификации угля производительностью 7 млн.
м3/сут ориентировочно равна 1 млрд. долл. (в
ценах 1975 г.). Попробуем представить себе,
что это значит, если суммарные
капиталовложения в оборудование, принадлежащее одной
из американских газоснабжающих компаний,
которая поставляет на рынок около 60 млн. м3
природного газа в сутки, составили всего лишь
250 млн. долл. При подобном соотношении
показателей суммарные вложения американских
компаний в магистральные газопроводы могут
быть оценены примерно в 7,8 млрд. долл. В
1980 г. разница между спросом на природный
газ в США и объемом его внутренней добычи
оценивается в 2, 8 млн. м3/сут. Если бы этот
недостающий газ пришлось вырабатывать
путем газификации угля, необходимо было бы
затратить на содержание заводов по
газификации около 5 млрд. долл. Другими словами,
газовая промышленность США вынуждена
была бы почти удвоить капиталовложения в
оборудование только лишь для того, чтобы
увеличить объем производства продукции в
1,05 раза1. Большинство компаний считает
такой способ помещения капитала просто
неразумным.
Установка по газификации угля стоит
дорого, а производительность ее невелика,
поэтому себестоимость получаемого угля должна
быть высокой. Оценка себестоимости
продукта, который может быть получен на основе
еще не внедренной технологии,—задача
чрезвычайно трудная. Ниже перечислены
показатели, которые необходимо учитывать при
таких расчетах:
Первоначальные капитальные затраты на
установку производительностью 7 млн. м3/сут,
млрд. долл ~1
Процент на капитал ^15
Коэффициент использования установленной
мощности 0,9
Стоимость угля, долл/ГДж -И
Эксплуатационные расходы, долл/ГДж .... ~0,7
Доход от реализации побочных продуктов,
долл/ГДж ^0,3
Расходы на транспортировку:
угля (на 1000 Т'км), центы 16
газа, цент/ГДж 2
воды, цент/ГДж . . , . , 20
Расходы на охрану окружающей среды, цент/ГДж 20
В зависимости от местонахождения
установки, процента на капитал, сорта
применяемого угля и т.д. прямые издержки производ-
1 Автор книги в данном случае допускает
значительные ошибки в расчетах. Если капитальные вложения
в установку по газификации угля суточной производи*
тельностью в 7 млн. м3 (2,5 млрд. м3 в год) составля*
ют 1 млрд. долл., то естественно, предполагать, что за
5 млрд. долл. можно построить установки общей
производительностью по крайней мере в 5 раз больше, т. е.
35 млн. м3/сут (12,5 млрд. м3 в год), а не2,8 млн. м3/сут,
как это указано в книге. (Примеч. ред.)
117

ства могут колебаться от 4 до Юдолл/ГДж, а
это неизмеримо выше, чем нынешняя
регулируемая цена на природный газ—50 цент/ГДж.
Полная отмена государственного контроля
за ценами на природный газ в США приведет
к значительному росту розничных цен на него,
что, в свою очередь, повлечет за собой также
и заметные сдвиги в структуре потребления
первичных энергоресурсов. Видимо, спрос на
природный газ окажется намного эластичнее,
чем можно было предполагать. Эта
эластичность спроса отрицательно отразится на
строительстве установок по газификации угля.
Дальнейшая судьба этой технологии
переработки твердого топлива неизвестна, и
предсказать ее очень трудно.
Ожижение. Для ожижения угля можно
применять в общих чертах те же
технологические процессы, что и для его газификации.
Ведь длинноцепочечные молекулы, из которых
состоит уголь, весьма сходны со сложными
молекулами сырой нефти (если не считать того,
что в молекулах угля водорода несколько
меньше, а кислорода и азота — гораздо
больше). В прошлом применялись два
технологических процесса ожижения угля; сейчас
разрабатывается несколько новых технологий.
В США были начаты подобные исследования,
но открытие богатых залежей нефти в
западной части Техаса как раз накануне Великой
депрессии1 помешало проведению дальнейших
экспериментов. После второй мировой войны
интерес к ожижению угля вновь ненадолго
пробудился, но он вновь пропал с открытием
колоссальных месторождений нефти на Ближнем
Востоке. Нефть оказалась баснословно
дешевой 2; исследования в области ожижения угля
сразу угодили под сукно, пока энергетический
кризис 1973—1974 гг. не продемонстрировал,
насколько непрочной является ресурсная база
энергетики США.
В свое время были разработаны два
промышленных процесса ожижения угля.
Первый из них — по методу Бергиуса (процесс
Бергиуса) (рис. 6.3), который в настоящее
время больше нигде не используется. Тонко-
измельченный уголь, перемешанный с маслом,
полученным из угля в этом же процессе,
образует суспензию. Эта суспензия вступает
в реакцию с водородом, также полученным из
угля, при большом давлении (70 МПа) и
высокой температуры (450 °С). При этом полу-
ftofeb/rfo&ka угля
l
Катализатор
Устаяс&на для прдизбодстда
газообразного водорода
1 Мировой экономический кризис 1929—1933 гг.
(Примеч. п ер ев.)
2 В середине 1981 г. фактическая себестоимость
добычи нефти в Саудовской Аравии была менее 2,5 долл.
за тонну. Официально объявленная продажная цена
290 долл./т ни в коей мере не связана ни с
эксплуатационными издержками, ни с капитальными вложениями
в нефтепромыслы,
118
и

Приготовление
пасты

Гидрогенизация
\вжидкой
(разе
"Т
Тяжелое масло
Медленное
нонсо-
дание
\Дистилля-
ция
б жадной
<разе
Феноль/, дензин,
сжиженнь/й
несртяной газ
\Гидрогени-\
зацияы
0 народой
(разе
Затирочное масло у тдердыи о с та тон
Рис. 6.3. Процесс ожижения угля по методу Бергиуса
чают несколько продуктов, в том числе
тяжелые и легкие масла, бензин, сжиженный
нефтяной газ. Процесс Бергиуса—довольно
дорогостоящий из-за крайне сложных условий работы
реактора. Согласно оценкам управления
Bureau of Mines стоимость бензина,
полученного в наши дни по методу Бергиуса, составила
бы около 22 цент/л по сравнению с 40 цент/л—
стоимостью бензина, получаемого путем
переработки нефти. Конечно, стоимость бензина,
полученного из нефти, носит фиктивный
характер в том смысле, что она не отражает
производственных расходов, и ее можно
значительно снизить в любой момент, отдав
соответствующее распоряжение. Однако стоимость
бензина, полученного по методу Бергиуса,
отражает реальные производственные издержки,
и снизить ее не так просто.
Второй процесс — это процесс по методу
Фишера — Тропша (процесс Фишера—Троп-
ша) (рис. 6.4). Сущность метода состоит в том,
что после газификации угля осуществляется
каталитическая конверсия получаемого
продукта. Используя соответствующий
катализатор, можно получить из синтетического газа
различные виды углеводородных соединений.
Например, в присутствии кобальтового
катализатора образуются масла, богатые
парафиновыми углеводородами, а на железном
катализаторе—продукты с высоким содержанием
олефинов; процесс гидрогенизации угля
(процесс Бергиуса) дает на выходе ароматическое
нефтяное масло. В процессе Фишера —
Тропша лишь 38 % исходного количества
перерабатывается в жидкие топлива, однако при этом
не требуются экстремальные рабочие условия,
как это имеет место при процессе Бергиуса.
Однако расчеты показывают, что
технологический процесс Бергиуса позволяет получать
более дешевые топлива по сравнению с
технологией Фишера—Тропша.

Киелброд
Лар _
i

Газификация
угля
—»¦
0 чист на
газа
—*¦»
Реантор для
нондерсии
додяного
газа
Рис. 6.4. Процесс ожижения угля по методу Фишера —
Тропша
В настоящее время разрабатываются
следующие технологии производства жидкого
топлива из угля: процесс COED (разработка
корпорации Food Machinery Corp.), процесс
Project Gasoline (разработка корпорации
Consolidated Oil), процесс Н-Coal,
разрабатываемый в научно-исследовательском институте
Hydrocarbon Research Institute, и процесс Syn-
thoil, разрабатываемый управлением Bureau
of Mines. Все эти технологические процессы
были испытаны в лабораторных условиях и
дали обнадеживающие результаты.
Мощность лабораторных установок достигала
нескольких сот килограммов угля в час.
Как и в случае с газификацией угля,
установки по ожижению угля промышленных
масштабов довольно капиталоемки, высока и
себестоимость готовой продукции. Вполне
понятны колебания некоторых руководителей
частных энергоснабжающих компаний,
которым трудно решиться на столь огромные
затраты, особенно учитывая неопределенность в
отношении возможностей поставок
ближневосточной нефти на американский рынок.
Правительство США, видимо, осознало это, наконец,
и в 1979 г. образовало фирму Fuel
Corporation. Эта полуобщественная корпорация
приступила к финансированию работ по созданию
демонстрационных установок по производству
синтетического жидкого топлива. Не обошлось
без активного противодействия как отдельных
членов правительства, так и представителей
деловых кругов.
Возникает законный вопрос: могут ли
вообще США значительно увеличить добычу
угля, чтобы газогенераторы были обеспечены
сырьем? Скорее всего, ответ был бы
отрицательным. Для того, чтобы удвоить добычу
угля в ближайшие 10 лет (и довести ее до
уровня 1,4 млрд. т/год), потребовалось бы открыть
120 новых шахт производительностью по 2 млн.
т/год и 120 нрвых карьеров
производительностью по 7 млн. т/год. Значит, в среднем
ежемесячно придется сдавать в эксплуатацию одну
шахту и один карьер; кроме того, должны
быть сохранены современные показатели добы-
синтез-
газ
Реантор для\
наталити-
чеснои
нондерсии
Рис. 6.5. Процессы газификации и ожижения угля
(области взаимодействия с окружающей средой):
/ — добываемый уголь; 2 — вода; 3 — H2S, C02, летучая зола,
ароматические соединения; 4 — метан; 5 — теплота; 6 — остаток
(зола, кокс, деготь, подсмольная вода)
чи на всех существующих шахтах и карьерах!
На самом же деле за 10 лет —с 1960 по
1977 г. — было открыто лишь 13 шахт с
годовой производительностью по 2 млн. т.
Горнодобывающим компаниям обычно требуется
1,5 года для строительства нового карьера и
5 лет — новой шахты.
Наконец, следует упомянуть о воздействии
установок по производству синтетических
углеводородов на окружающую среду (рис. 6.5).
Что касается «ароматических» углеводородов,
то они относятся к веществам, которые
состоят из молекул с высоким отношением С/Н, так
что одни атомы углерода неизбежно
связываются с другими. Любые ароматические
углеводороды токсичны, а полученные из угля — к
тому же и канцерогенны. Водоснабжение
таких установок представляет собой двоякую
проблему: во-первых, на западе США, где
находятся месторождения угля, воды не
хватает; во-вторых, процессы синтеза топлива
сопровождаются образованием довольно
большого количества загрязненных сточных вод, и
если их не подвергать очистке, они проникнут
в местные реки и водоемы и загрязнят их.
Хотя в настоящее время синтез
углеводородных топлив на базе угля технически
вполне возможен, получаемые продукты настолько
дороги по сравнению с природными
углеводородами, что следует искать другие альтерна-
119

тивы для ликвидации нехватки энергоресурсов
и ослабления зависимости от поставок их из-
за рубежа. Существуют, кроме того,
проблемы окружающей среды, связанные с
производством синтетических углеводородов, и к ним
нужно относиться с полной серьезностью,
приступая к реализации обширных программ.
Водород
Перечень крупномасштабных
энергетических ресурсов, находящихся в распоряжении
человечества, довольно скуден: органические
топлива, ядерное горючее, солнечная энергия.
Теперешние кризисы объясняются тем, что
неудачно были распределены приоритеты между
столь малочисленными источниками энергии.
Любой переход с остродефицитных
энергоресурсов на менее дефицитные принес бы
огромную выгоду. В частности, если бы нам удалось
использование дефицитных органических топ-
лив ограничить областью нефтехимии, а не
сжигать их с целью высвобождения
содержащейся в них энергии, мы бы намного
продвинулись вперед в своем развитии.
Вот в этом и заключается идея,
положенная в основу так называемой «водородной
экономики» (рис. 6.6). Согласно этому принципу
водород рассматривался бы не как первичный
источник энергии, а как энергоноситель или
как средство аккумулирования энергии.
Водород при современной технологии его
производства слишком дорог, чтобы его можно
было использовать как первичный источник
энергии. Вместе с тем благодаря большому числу
достоинств, которыми обладает водород, он во
многих случаях более эффективен, чем
электроэнергия. Он, в частности, мог бы даже
стать идеальным моторным топливом, и это
позволило бы высвободить для других целей
около 20 % всех потребляемых сейчас
нефтепродуктов. В этом разделе рассматриваются
некоторые из преимуществ водорода, а также
отдельные методы его производства и
использования, чтобы выяснить, правы ли энтузиасты
«водородной экономики», когда они
утверждают, что водород — топливо будущего.
В табл. 6.3 сопоставлены отдельные
характеристики водорода и метана при
использовании их в качестве энергоносителей. Отметим,
что в объемном отношении удельная теплота
сгорания водорода примерно раза в три
меньше, чем метана. Однако его вязкость тоже
втрое меньше вязкости метана. Поэтому про-
Рис. 6.G. Структура «водородного хозяйства», при
которой транспортировка и аккумулирование энергии
осуществляются в виде водорода, а не электроэнергии:
/ — ядерная установка для производства водорода; 2 —
передача водорода по подземному трубопроводу; 3 — подземное
хранение газообразного водорода; 4 — хранение водорода при
криогенной температуре; 5 — топливо для местных электростанций;
6 — топливо для промышленных предприятий,
восстановительный газ; 7 — сырье для производства химических веществ и
жидких топлив; 8 — топливо коммунально-бытового назначения;
9 — топливо для транспортных средств
120

Таблица 6.3. Сопоставление водорода и метана1
Показатели
Температура плавления, °С
Температура кипения, °С
Плотность газа по отношению к
воздуху
Темпера гура самовоспламенения,
°С
Водород
—259,1
—252,7
0,069
585
Метан
— 182,5
-165,5
0,554
538
1 Отдельные показатели этой таблицы уточнены.
(Примеч. ред.)
пускная способность существующей системы
газопроводов без их реконструкции при
транспортировке водорода может быть такой же в
расчете по энергосодержанию, что и при
транспортировке метана.
Однако при транспортировке водорода
понадобилась бы большая мощность
компрессоров, что, естественно, повысило бы затраты на
его передачу по сравнению с природным газом.
Об этом свидетельствуют данные, приводимые
ниже, где сравниваются стоимостные
показатели транспортировки различных
энергоносителей:
Энергоноситель и метод транспортировки Расчетные затраты на
транспортировку
энергии, цент/кДж
Метан (транспортировка по
трубопроводам) 3,0
Водород (транспортировка по
трубопроводам) 3,1
Электроэнергия (передача по линиям
электропередачи высокого
напряжения) 20,0
Бензин (перевозка в танкерах) . , 9,0
Для электроэнергии показатель выбран из
предположения, что дальность
электропередачи превышает 100 км.
Обладает ли транспортировка водорода по
существующей системе газопроводов какими-
либо другими преимуществами, кроме
эксплуатационных издержек? Во-первых, если
добыча природного газа резко упадет, владельцы
газопроводов смогут продолжать их
использовать, транспортируя по ним водород, и тем
самым получать доходы на свои чрезвычайно
крупные капитальные вложения. Во-вторых,
установка для производства водорода может
находиться далеко от места его потребления,
там, где это выгоднее всего. Например,
крупные ядерные энергетические комплексы, на
энергии которых будет вырабатываться
водород, можно будет располагать на большом
расстоянии от центров энергопотребления, там,
где для них имеется достаточно охлаждающей
воды, скажем, на морском берегу или даже в
открытом море. Для производства водорода
можно будет использовать крупные солнечные
электростанции, сооружаемые в отдаленных
пустынных районах.
Встает вопрос, в чем тогда заключаются
недостатки водорода?
Водород диффундирует быстрее метана,
поэтому больше будут его потери на трассе
трубопровода при самых ничтожных нарушениях
герметичности. Однако именно благодаря столь
высокой диффузионной способности, а также
тому, что молекула водорода легче молекул
всех других газов, водород не будет, как
метан, скапливаться в подвальных помещениях
и создавать взрывоопасную ситуацию.
Водород по сравнению с метаном обладает
значительно более широким диапазоном
воспламеняемости. Это обстоятельство, а также и тот
факт, чтц водород горит бесцветным
пламенем, могут затруднить его использование в
быту. Чтобы пламя приобрело окраску, к
водороду необходимо добавлять присадки,
содержащие углерод.
Напомним, что, когда впервые было
предложено использовать в быту природный газ
(метан), возникли большие разногласия
относительно того, стоит ли использовать в доме
такое чрезвычайно взрывоопасное и легковос-
пламеняемое вещество. Разумеется, теперь это
перестало тревожить людей. Правда, перед
водородом сохраняется сильный страх, в основе
которого лежит, по-видимому, так называемый
«синдром Гинденбурга» — паническая боязнь
еще одной гигантской катастрофы, вроде той,
что произошла с немецким дирижаблем «Гин-
денбург» 6 мая 1939 г. в Лейкхерсте, штат
Нью-Джерси.
Дирижабль «Гинденбург» был
летательным аппаратом легче воздуха, с жесткой
оболочкой (в отличие от воздушных шаров,
которые имеют мягкую оболочку), его подъемная
сила создавалась водородом. Он
швартовался к причальной мачте, когда внезапно
произошла авария, в результате которой
воспламенился водород. Дирижабль рухнул на землю,
при этом погибло 36 человек. Большая часть
из них погибла при ударе гондолы о землю, а
не от огня. Так как водород легче воздуха, он,
выходя наружу, устремляется вверх, поэтому
пламя распространилось вверх, а не вниз. Для
транспортировки отдельных видов грузов
выдвигалась идея использовать дирижабли,
наполненные гелием. Об этом более подробно
говорится в гл. 11.
Другое неудобство, возникающее при
передаче водорода по трубопроводам, вызвано тем,
что молекулы водорода легко диссоциируют и
атомарный водород проникает в свободные
пространства между атомами чистых
металлов и сплавов. В результате сталь, например,
становится хрупкой и ломкой. Это «водородное
121

охрупчивание», естественно, усиливается с
ростом давления. В настоящее время ведутся
интенсивные исследования, целью которых
является создание коррозионно-стойких сплавов.
Температура самовоспламенения водорода
довольно высока, но энергия воспламенения
крайне незначительна — лишь 20 кДж, что
составляет менее 7 % аналогичного показателя
для природного газа. Поэтому водород можно
применять в каталитических генераторах
теплоты, в которых он горит бесцветным
пламенем при низких температурах (около 200°С),
не загрязняя воздуха. Окислов азота не
образуется; единственный побочный продукт —
вода, которую можно использовать для
увлажнения воздуха в помещениях. С помощью
катализаторов можно сжигать газовые смеси,
содержащие не более 4 % водорода. Благодаря
этому обеспечивается полное его сгорание. При
наличии соответствующих теплоприемников
можно добиться почти 100%-ного
использования выделяющейся теплоты, поскольку
отсутствуют ее потери с дымовыми газами.
Каталитическое сжигание водорода полностью
революционизировало бы процесс производства
энергии для бытовых нужд!
Еще один возможный способ
использования водорода в быту — применение топливных
элементов, которые подробно рассмотрены в
гл. 5. Водород-кислородные топливные
элементы можно с успехом применять в быту; при
этом нет оснований опасаться воспламенения
водорода. Топливный элемент позволяет
превращать энергию водорода в электроэнергию;
к батарее топливных элементов, где это
экономически оправдано, можно подключать
тепловые насосы, предназначенные для отопления
помещений и кондиционирования воздуха, а
также стандартные электрические камины.
Единственным побочным продуктом при
работе топливного элемента является вода, которая
сама по себе представляет ценность во многих
жилых домах.
Использование водорода в качестве
энергоносителей на промышленных предприятиях
также не вызывало бы серьезных затруднений.
Большинство котельных установок,
работающих на природном газе или мазуте, можно без
особых затрат времени и средств
переоборудовать для работы на водороде. Это дало бы
немедленный и весьма ощутимый эффект по
уменьшению загрязнения воздуха, по крайней
мере на восточном побережье США.
Транспортировка и конечное
использование водорода, конечно, сопряжены с
известными трудностями, однако большинство
специалистов полагает, что эти трудности вполне
преодолимы при существующем уровне техники.
Вопрос заключается только в том, удастся ли
производить водород в необходимом
количестве и по достаточно низкой себестоимости.
Существует несколько методов
производства водорода в промышленных масштабах.
Выше был рассмотрен процесс каталитической
конверсии водяного газа, при которой окись
углерода и водород, получаемые в установке
по газификации угля, реагируют с водяным
паром в слое катализатора; в результате
получаются двуокись углерода и водород.
Другой метод, который широко применялся ранее,
но вряд ли найдет применение в будущем,
состоит в паровом реформинге метана
(природного газа):
СН4 + 2Н20-*С02 + 4Н2. (6.11)
Эта технология применяется с целью
получения водорода, используемого для синтеза
аммиака.
Наконец, третий метод, практикуемый в
настоящее время, — это электролиз воды. При
электролитическом разложении воды
Н20-^Н2 + — 02 — 242 кДж/моль. (6.12)
Реакция эндотермическая; ее
использование можно считать экономически оправданным
только при условии, если в изобилии имеется
дешевая электроэнергия. Однако хотя
электролиз воды — эндотермический процесс, он все
же гораздо менее энергоемкий в расчете на
1 моль вещества, чем прочие реакции
электролиза; например, при электролизе бокситов
(А1203) расход энергии составляет 1,97 МДж/
/моль.
В настоящее время в провинции
Британская Колумбия (Канада) работает электроли-
зерный завод мощностью 90 МВт,
расположенный рядом с ГЭС. Водород, производимый
здесь в количестве 36 т/сут, используется для
получения аммиака; побочный продукт
реакции — кислород — находит спрос на
предприятиях металлургической промышленности. При
нынешнем уровне развития техники КПД
процесса электролиза воды достиг примерно 60 %.
Согласно оценкам КПД может быть увеличен
до 75 % и даже более. Теоретический
максимальный КПД равен 120 % (поскольку
используется также определенное количество
теплоты, поступающей извне).
В настоящее время разрабатывается
несколько новых технологий получения водорода,
в том числе термохимическое разложение
воды, фотолиз и биоконверсия.
Первый из них, как ожидается, позволит
получать водород из воды с использованием
нескольких стадий химической реакции и
относительно низкопотенциальной теплоты,
поступающей от ядерных реакторов или из
других источников, что даст возможность избе-
122

жать необходимости в использовании
дорогостоящего электролитического процесса. Одна
из наиболее перспективных цепочек реакции
была проанализирована в центре ядерных
исследований Евратома 1 — Euratom Research
Genter (г. Испра, Италия). Эта технология,
получившая наименование Mark-1, включает
следующие реакции:
СаВг2 + 2Н20-*Са (ОН)2 + 2НВг.
Hg + 2HBr+HgBr2+H2.
HgBr2 +Са (ОН)2-^СаВг2 + HgO + Н20.
HgO+Hg+^-02. (6.13)
Обратите внимание, что для реализации
первой реакции необходима температура
730 °С — слишком уж высокая для ядерного
реактора (см. гл. 7), а вторая реакция
протекает очень медленно.
Другим аргументом, выдвигаемым против
внедрения технологии Mark-1, является то, что
требуется ртуть, которая довольно дорога.
Конечно, можно придумать такие реакции,
которым не будут свойственны приведенные выше
недостатки, но все они будут иметь свои
собственные недостатки. Таким образом, можно
констатировать, что пока еще не разработана
экономически приемлемая термохимическая
технология разложения воды.
Для прямого фотолиза воды предлагается
использовать ультрафиолетовое излучение,
возникающее в термоядерном реакторе.
Подобный вид радиации, как правило,
отсутствует при термоядерной реакции в смеси
дейтерий — тритий, однако ее можно вызвать
искусственно путем инжекции в термоядерную
плазму какого-либо тяжелого элемента. Это
направление исследовалось не столь интенсивно,
как термохимический метод. Создается
впечатление, что предстоит еще решить множество
фундаментальных и чисто технических
проблем. Например, как добиться того, чтобы при
обратной реакции не уменьшалось количество
получаемых газов — водорода и кислорода?
Еще один метод, о котором упоминалось
выше, состоит в непосредственном получении
водорода при помощи биотехнологии.
Отдельные виды бактерий либо водорослей под
воздействием солнечного света способны
увеличивать окислительный потенциал электронов,
содержащихся в молекулах воды, до уровня,
который на 0,3 В более отрицательный, чем
потенциал водородного электрода. Благодаря
1 Евратом — Европейское сообщество по атомной
энергии. Создано в 1958 г. В нем участвуют Бельгия,
Великобритания, Дания, Ирландия, Италия,
Люксембург, Нидерланды, ФРГ, Франция, Штаб-квартира
Евратома находится в Брюсселе. (Примеч. п е р е в.)
этому ионы водорода могут легче
превращаться в газообразный водород. Биоконверсии
уделяется самое пристальное внимание, однако к
настоящему времени удалось обеспечить лишь
довольно низкий общий КПД.
Существует еще один путь использования
водорода в качестве энергоносителя —
применение его на транспортных средствах.
Современные двигатели внутреннего
сгорания могут очень хорошо работать на
водороде; для перевода их на водородное горючее
необходимо лишь незначительно изменить
конструкцию карбюратора и отрегулировать угол
опережения зажигания для приведения его в
соответствие с требуемым количеством
воздуха и скоростью распространения фронта
племени. Водород мог бы служить практически
идеальным топливом для автомобильных
двигателей. Единственными продуктами сгорания
явились бы водяной пар и окислы азота,
причем выделение окислов азота можно
регулировать при помощи реакторов каталитической
конверсии. При его использовании в
двигателях в воздух не выбрасывались бы несгорев-
шие углеводороды, соединения свинца и,
разумеется, окись углерода. Но использованию
водорода в качестве моторного топлива присущ
и крупный недостаток. Если бы не он, все
автомашины уже сегодня работали бы на
водороде. Проблема заключается в хранении
газообразного водорода. Бензин, залитый в бак
вместимостью 76 л, имеет массу 53 кг;
эквивалентное по энергосодержанию количество
газообразного водорода имело бы массу только
19 кг, но как его хранить? Стальные
резервуары, вмещающие такое количество водорода,
имели бы массу несколько тонн. Пробег
автомобилей с водородным двигателем,
построенных до настоящего времени, между заправками
обычно не достигал и 100 км. В принципе
можно добиться гораздо более высокой плотности
водорода, если хранить его в жидком
состоянии. Но низкая температура кипения и легкая
воспламеняемость жидкого водорода делают
подобный способ нерациональным для
использования на автотранспорте. Однако он может
найти применение в авиации.
Высказывались предположения, что
заправка самолетов жидким водородом,
производимым на центральной установке прямо в
аэропорту, намного повысила бы экономические
показатели воздушного транспорта (табл. 6.4>)^
Другой метод хранения водорода для
использования в качестве автомобильного
топлива, который представляется многообещающим,
состоит в применении соединений водорода с
металлами в форме гидридов. Как уже
говорилось, атомы водорода легко проникают
между атомами регулярных кристаллических
решеток. Образование гидридов неизбежно приво-
123

Таблица 6.4. Сравнение эксплуатационных
характеристик дозвуковых самолетов, работающих на керосине и
на жидком водороде
Показатель
Максимальная
коммерческая нагрузка*, кг
Дальность полета, км
Крейсерская скорость,
число Маха
Взлетная масса, кг
Максимальная
посадочная мйсса, кг
Масса заправленного
горючего, кг
Объем топливных баков,
м3
Площадь крыла, м2
Удельная нагрузка на
крыло, кг/м2
Удельный расход
топлива, кг-ч/кг**
Размах крыла, м
Дозвуковой самолет

заправленный
керосином
25 000
6000
0,820
195 000
108 700
62 300
82,7
322
606
0,677
47

заправленный
жидким
водородом
25 400
6100
0,820
146 000
97 880
21200
313
263
552
0,216
43
Изменения

показателя, %
26
10
65,9
278
18,2
* 272 пассажира и 730 кг груча.
!* На 1 кг тяги.
дит к охрупчиванию металла, вызывая
потерю его структурной прочности. Однако в
отношении хранения водорода для использования
на автотранспорте метод образования
гидридов весьма перспективен. Плотность водорода
значительно выше в гидридах металлов, чем в
жидком водороде. При этом, нагревая гидрид,
легко высвободить из него водород. Однако и
здесь возникают сложности. Металлы,
наиболее пригодные для этой цели, сравнительно
редки и дороги (титан), а также довольно
тяжелы — бак из гидридов металлов, по
энергосодержанию равноценный бензобаку
вместимостью 76 л, имел бы массу 628 кг. (Более
подробно о методах хранения водорода — см. гл.
10.)
На основе изложенного можно сделать
вывод, что, хотя водород и представляется
идеальным моторным топливом для автомобилей,
создание необходимых для его внедрения
систем хранения и распределения, которые
позволяли бы широко использовать водород на
транспорте, начнется лишь тогда, когда для этого
появятся соответствующие экономические
предпосылки. Однако следует заметить, что
такие предпосылки вряд ли можно ожидать в
обозримом будущем. Мы еще не ответили (и,
вероятно, не в состоянии ответить) ыа вопрос,
смогут ли экономические показатели
«водородного хозяйства» стать когда-либо
достаточно приемлемыми. Это, однако, не исключает
необходимости пристально следить за
техническими достижениями в этой области,
благодаря которым ситуация может измениться к
лучшему, особенно если в ближайшем
десятилетии более остро станет вопрос об экономии
органических топлив.
Спирты
Неоспоримые достоинства водорода
привлекают наше внимание к другому виду топлива,
значительная часть состава которого —
водород; это — спирты. В настоящее время возник
повышенный интерес к спиртовым топливам
прежде всего потому, что их можно получать
на базе возобновляемых источников энергии и
тем самым ослабить зависимость от
зарубежных поставщиков нефти. Однако наряду с этой
заинтересованностью появляются и
определенные сомнения: не будут ли затраты на
производство спиртовых топлив большими по
сравнению со стоимостью энергии, которая в них
содержится?
Попытаемся ответить на вопрос и
одновременно дать объективную картину того, что
представляют собой спиртовые топлива,
начиная с момента их получения и вплоть до стадии
конечного использования. Результаты
окажутся совершенно неожиданными!
Существует великое множество различных
спиртов, но только два из них обладают
практической ценностью как топливо — метиловый
(метанол) и этиловый (этанол). Формула
метанола — СН3ОН, этанола — СН3СН2ОН.
В табл. 6.5 некоторые свойства этих спиртов
сопоставлены со свойствами бензина.
Промышленно развитые страны на исходе
XX в. только начинают «открывать» для себя
спиртовые топлива, но следует подчеркнуть,
что древесный спирт (метанол) широко
использовался для отопления в Европе и Северной
Таблица 6.5. Сравнение метанола, этанола и бензина
Показатели
Удельная
энергоемкость*, Дж/л
Стехиометрическое
отношение воздуха к
топливу в объемных
единицах
Температура кипения, °С
Температура замерзания
(кристаллизации), °С
Температура
самовоспламенения, °С
Метанол
13,3
6,4
64,96
1 —93,9
467
Этанол
18
9,0
78,5
—117,3
535
Бензин
27,65
14,7
—
—
222
* В расчете на литр.
Примечание. Бензин — это смесь соединений, которые
кипят и замерзают (кристаллизуются) в широком диапазоне
температур.
т

Америке еще в начале прошлого столетия.
Метанол производили в окрестностях Парижа
путем сухой перегонки (пиролиза) древесины;
применялся он для отопления помещений.
У метанола был ряд достоинств — он не
образовывал золы, которую нужно было бы
вывозить за городскую черту, значительно меньше
загрязнял атмосферу (а это было и по сей день
остается серьезной проблемой). Метанол
горит очень чистым бледно-голубым пламенем.
Его стали заменять в лампах керосином
потому, что голубое пламя не было достаточно
ярким. Керосин сгорает далеко не полностью,
образуя большое количество несгоревшего
углерода (копоти), что придает пламени
характерный желтоватый оттенок. Повсеместная
доступность нефтепродуктов во второй половине
XIX в. и уменьшение площади лесов —
основных источников сырья для спиртовых заводов
довольно быстро положили конец
использованию метанола как топлива.
На первый взгляд кажется, будто между
этанолом и метанолом нет особой разницы,
однако они очень сильно различаются по
многим основным показателям, имеющим важное
значение для использования этих соединений в
качестве топлива. Некоторые из этих
показателей перечислены в табл. 6.6.
Этанол получают в основном при помощи
ферментации плодового сахара (левулезы или
декстрозы) либо фруктозы. Его можно также
получать, преобразуя некоторые
разновидности углеводов (тростниковый сахар —
сахарозу, солодовый сахар — мальтозу, крахмал
либо целлюлозу) в один из вышеуказанных
Сахаров за счет ферментации. Это — процесс,
применяемый для производства алкогольных
напитков из зерна.
Таблица 6.6. Сравнение технико-экономических
характеристик этанола и метанола
Характеристика
Способ получения
Себестоимость
производства (в ценах
1980 г.), долл/л
Максимальное
содержание воды, не
нарушающее
стабильность 10 %-ной
смеси спирта с
бензином, %*
Содержание воды в
первом погоне, %
Этанол
Сбраживание
углеводов с

последующей
перегонкой сусла
0,40—0,53
0,46
4,4
Метанол
Сухая
перегонка
лиственной
древесины
0,13—0,20
0,1
0
* Процент по массе.
Метанол получают чаще всего посредством
сухой перегонки целлюлозы, содержащейся в
лиственной древесине; его можно также
получить (правда, в меньшем объеме в расчете
на единицу сырья) из отходов, содержащих
большой процент целлюлозы, таких как
макулатура. Оба этих спирта можно получать из
природного газа, нефти, угля путем
превращения сырья в водород с последующей
каталитической реакцией водорода и окиси углерода.
Разумеется, подобный метод производства
спиртов отнюдь не улучшил бы ситуацию в
области обеспечения жидким топливом!
Чрезвычайно трудно получить как этанол,
так и метанол со степенью чистоты, равной
100 %. Одновременно с этими спиртами
образуются спирты более высокого порядка — про-
панол, изобутанол и т. п., а что касается
этанола, продукт перегонки в лучшем случае
представляет собой водный раствор с
концентрацией 96,54 %. Метанолу же эти спирты
фактически придают дополнительные
преимущества, в чем мы убедимся далее.
Для использования в качестве топлива
метанол почти всегда смешивают с высшими
спиртами, и обычно такая смесь называется
метиловым топливом или просто метанолом.
В качестве топлива спирты можно сжигать
везде, где используются нефтепродукты или
газ. Конечно, ввиду того что энергосодержание
спиртов на единицу объема примерно вдвое
меньше, чем у сопоставимых с ними
нефтепродуктов, а также потому, что себестоимость
производства примерно одинакова, можно
подумать, что использование спиртовых топлив
вместо нефтетоплив не приносит какой-либо
ощутимой экономической выгоды. Однако это
впечатление обманчиво. Рассмотрим,
например, спиртовые автомобильные топлива.
Любой автомобиль, выпускаемый в наши
дни, будет вполне удовлетворительно работать
на смеси спирта и бензина. Газохол1 — смесь,
в которой этанол составляет 10—20 %. Многие
владельцы автомашин сообщили, что благо*
даря газохолу им удалось улучшить такие
характеристики, как удельный расход горючего,
время разгона при трогании с места;
уменьшился выброс загрязнителей в окружающую
среду. Другие, наоборот, жаловались на
плохие эксплуатационные показатели автомашин
в холодную погоду, на трудности с запуском
двигателя, большой удельный расход горючего
и т. д.
Бразилия приступила к осуществлению
национальной программы производства и
использования чистого этанола в качестве моторно-
1 Сочетание английских слов gasoline — бензин и
alcohol — спирт. (Примеч. п е р е в.)
125

Рис. 6.7. Конструкция автомобиля с указанием изменений
го топлива. Чистый спирт, применяемый в
качестве горючего, обладает рядом важных
преимуществ. Во-первых, поскольку температура
самовоспламенения у спирта выше, чем у
бензина, возрастает его октановое число.
Эмпирические исследования показали, что при
повышении октанового числа на единицу степень
сжатия двигателя можно увеличить на 4 % и
при этом добиться бездетонационной его
работы. Любое увеличение степени сжатия
повышает КПД рабочего процесса двигателя. В
действительности же при работе двигателя на
чистом спирте увеличение его КПД, по сути
дела, сводится на нет из-за уменьшенной
объемной энергоемкости топлива, так что
удельный расход горючего остается практически
неизменным.
Двигатель, работающий на чистом спирте,
выделяет с выхлопными газами гораздо
меньше продуктов сгорания, чем бензиновый
двигатель той же мощности. Температуры фронта
пламени паров спирта сравнительно низкие,
поэтому образуется вдвое меньше окислов
азота. Стехиометрическое количество воздуха для
спирта меньше, чем для бензина, и пары
спирта гораздо лучше горят в бедной смеси.
Поэтому количество окиси углерода также
уменьшается — оно составляет лишь около 50 % по
сравнению с бензиновым двигателем. Несго-
ревшие углеводороды практически
отсутствуют благодаря тому, что молекулярная
структура спирта проще, чем у бензина. Кроме того,
нет надобности добавлять свинец с целью по-
126
вышения октанового числа спиртового горю«
чего; в результате снижается выброс в
атмосферу свинцовых соединений.
Использование чистого спирта в качестве
горючего требует решения двух
незначительных проблем и одной крупной.
Как известно, в спиртах растворяется
большинство пластмасс и многие металлы
подвергаются действию коррозии. Систему питания
автомобиля, работающего на чистом спирте,
необходимо изготовлять из
коррозионно-стойких сплавов; применение резины или
пластмасс невозможно. В конструкцию автомобиля,
работающего на спирте, требуется внести ряд
изменений (рис. 6.7): в распределителе 1
выполняется регулировка угла опережения
зажигания; в топливном насосе 2 заменяются
все пластмассовые и резиновые детали; у
свечей зажигания 3 снижается температура ш>
кры; в карбюраторе 4 увеличен массовый
расход топливно-воздушнои смеси, заменяются все
резиновые и пластмассовые детали; в
топливном баке 5 увеличены размеры, заменяются
все резиновые детали. Большинство изменений
необходимо из-за агрессивности спирта, а
также из-за того, что теплота сгорания спирта в
расчете на едницу объема ниже, чем у
бензина.
В США нет национальной программы
использования спирта в качестве моторного
топлива; автомашины подобного типа здесь не
выпускаются. Однако американские компании
производят много автомобилей, работающих

на спирте, для Бразилии, где такая программа
существует.
Вторая из двух незначительных проблем
связана с упругостью паров спиртов. Эти
топлива испаряются не так легко, как бензин,
поэтому могут возникать трудности при запуске
двигателя в холодную погоду. Эти трудности
удалось успешно преодолеть путем создания
двойной системы подачи горючего: при
запуске в карбюратор подается бензин, а когда
двигатель прогреется, начинает поступать спирт.
Но самая главная проблема, связанная с
использованием в США спиртов в качестве
моторного топлива, вызвана тем, что в этой
стране не производятся в нужном количестве ни
этанол, ни метанол, для сбыта спиртовых топ-
ли не создана столь обширная сеть
автозаправочных станций, как для отпуска бензина, в
стране не существует автомобилей,
работающих на спирте. Переход на спиртовые горючие
в общегосударственном масштабе потребовал
бы пересмотра многих планов и сопровождался
бы крупными затратами. Разумеется,
переход на спиртовое горючее может быть
осуществлен постепенно, в течение многих лет, но
кто осмелится сделать первый шаг? Фирмы—
изготовители автомобилей вряд ли пожелают
производить машины, которые останутся без
горючего, а владельцы заводов по
производству спирта, скорее всего, не захотят
производить большие количества горючего, заранее
обреченного на отсутствие спроса. Для
начала, возможно, имело бы смысл решить менее
сложную проблему—широкое внедрение
спирта в качестве добавок к бензину.
Смеси бензина и спирта успешно
применялись на автотранспорте свыше 40 лет.
Конечно, и здесь возникнут определенные
проблемы, но в условиях непрерывного роста цен на
бензин большинство этих проблем не будет
иметь большого значения. Несколько лет
назад, когда прозвучал призыв к использованию
смесей бензина и спирта, эксперименты
показали, что рабочие характеристики
стандартного автомобиля, не подвергавшегося
переделкам, значительно улучшились при переходе на
работу на такой смеси (рис. 6.8). Конструкцию
некоторых узлов, как выяснилось
впоследствии, целесообразнее все же изменить.
Изменения, показанные на рис. 6.7, относятся к
автомобилям, работающим на смеси метанола с
бензином; для перехода на работу на смеси
этанола с бензином требуются примерно
такие же переделки.
Возникает, впрочем, и одна крупная
проблема — расслоение смеси. Стабильность
смеси бензина и спирта зависит от количества
содержащейся в ней воды. Как видно из табл.
6.6, присутствия более чем 0,1 г воды в 100 г
смеси достаточно для того, чтобы произошло
Рис. 6.8. Эксплуатационные качества легкового
автомобиля «Тойота—Корона» (модель 1969 г.), работающего на
смеси метанола и бензина:
/ — время разгона со скоростью 60 км/ч; N — содержание СО
в выхлопных газах; Т — температура выхлопных газов; Э —
экономичность топлива, км/л; v — объемная доля метанола в
смеси
отделение метанола от раствора. Если в
качестве компонента смеси применяется этанол,
допустимое количество воды в смеси может
быть втрое больше * и проблема не стоит так
остро.
Дело в том, что молекулы спирта и воды
являются полярными, а молекулы бензина—
нет. Высокая поляризационная способность
молекул спирта объясняется низкой
упругостью паров у соединений со столь малой
молекулярной массой: молекулы прочно связаны
между собой силами притяжения. Для того
чтобы предотвратить расслоение смеси, можно
добавить в нее 1 % или более высших
спиртов — бутанола и т. п. Однако этот метод
значительно уменьшит, а скорее всего, и совсем
сведет к нулю любые потенциальные
экономические преимущества, получаемые благодаря
частичной замене бензина спиртом. По
некоторым данным даже эти присадки не помогли
полностью решить проблему, в особенности
при низких температурах воздуха. Подчеркнем,
что трудности, вызванные расслоением смеси,
характерны при использовании в качестве
добавки к бензину метанола, а не этанола.
Другая проблема, возникающая вследствие
полярной природы молекул спирта, состоит в
повышенной упругости паров смеси бензина и
спирта, что является причиной образования
паровых пробок. Упругость паров чистого
спирта низкая. Однако при его смешивании с
бензином упругость паров бензоспиртового
топлива гораздо выше, чем у чистого бензина,
поскольку неполярные молекулы бензина
физически разделяют между собой молекулы спир-
1 Согласно табл. 6.6 — в 4,6 раза больше. (П р и-
меч. ред.)
127

та, разрушая полярные связи. В этих
условиях приходится скорее ожидать, что упругость
паров будет такой же, как у вещества с
относительно небольшой молекулярной массой.
Проблему, вызванную образованием
паровых пробок, можно решить путем удаления из
бензина отдельных компонентов, обладающих
повышенной летучестью, или соответствующей
регулировкой карбюратора. Оба этих метода
сводят на нет всю целесообразность самой
идеи. Удаление бутанов, пентанов и тому
подобных веществ из бензина не только сделает
его дороже, но и уменьшит его удельную
теплоту сгорания. Регулировка карбюратора
способна ликвидировать преимущества,
получаемые благодаря отсутствию необходимости в
переделках конструкции автомашины при
использовании бензоспиртовых смесей.
Складывается впечатление, что
эксплуатационные показатели автомобиля выше при
использовании смеси этанола с бензином, чем
смеси метанола с бензином. Это действительно
так, но важны еще и экономические
соображения. Метанол усиленно рекламируется в
качестве горючего, поскольку он легко
доступен; этанол стоит втрое дороже. Этанол
производят почти исключительно для нужд
заводов, выпускающих алкогольные напитки.
Поэтому он должен быть очень чистым и
высококачественным. Все американские спиртоза-
воды необходимую им технологическую
теплоту производят путем сжигания нефтяного
топлива. Но ведь можно строить заводы,
выпускающие алкогольные напитки, с целью
производства этанола на базе растительных
сырьевых материалов в целях использования его в
качестве топлива.
В Бразилии волокнистые отходы
сахарного тростника — багассу, которая остается
после извлечения сока, способного к
сбраживанию, сжигают как топливо при производстве
этанола. Пока еще не ясно, можно ли
использовать подобные отходы на американских
установках для сбраживания зернового сырья.
Если в Бразилии задать вопрос: «Эффективно
ли использовать спирт в энергетических
целях?», прозвучит решительное «Да!». К
сожалению, в США вы услышите: «Нет».
При современной технологии сбраживания
зернового сырья с использованием нефтетопли-
ва в качестве источника получения теплоты
требуется в среднем израсходовать 17 МДж
для получения 1 л этанола, энергосодержание
которого равно 11 МДж. Безусловно, в этом
случае вариант экономически нерентабельный.
А может быть, это и не так?
Если бы нефтетопливо, сжигаемое на
заводах, выпускающих алкогольные напитки, и
нефтяное сырье, идущее на производство
искусственных удобрений, инсектицидов и гер-
128
бицидов, используемых при возделывании
зерновых культур, можно было заменить на
ненефтяное сырье, тогда даже при условии, что
получаемый этанол будет стоить намного
дороже бензина, имело бы смысл заняться его
производством. Заменяя спиртом одну тонну
нефти, мы тем самым сокращаем потребность в
импорте 0,5 т нефти. Каждый дополнительный
литр спирта, израсходованный в качестве
добавки к бензину, — это еще один шаг на пути
к созданию национальной «спиртовой
экономики».
Снова подчеркнем: не существует никаких
технических трудностей, которые
воспрепятствовали бы переходу на спиртовое
автомобильное горючее. В настоящее время в этом
деле доминируют экономические и, в
известной степени, политические соображения.
Однако имеются и проблески надежды — например,
успешное внедрение газохола. Бразильскую
программу внимательно изучают во многих
странах. Если она оправдает себя в
ближайшие 5—10 лет, немало государств (возможно,
и США), без сомнения, последуют примеру
Бразилии.
Топливо из отходов
В США образуется громадное количество
отходов — около 2 кг в сутки на человека
(1980 г.), и этот показатель ежегодно
возрастает на 2—3 %! Когда-то твердые отходы
считались «бельмом на глазу». В лучшем случае
находили применение лишь некоторые
сельскохозяйственные отходы, которые
использовались в качестве удобрений. До того, как в
домах появились электрические мусородробил-
ки, городские отходы чаще всего имели
следующий состав: пищевые отбросы, бумага,
текстиль, отходы торговых предприятий, грязь,
отсев, пластмасса, уличный мусор, тела
мертвых животных, стекло, древесина, обрезки
лесоматериалов, черные металлы, цветные
металлы, резина, кожа, зола, шлак, битый
кирпич, куски бетона.
Отходы эти, нередко увлажненные, как
правило, доставляли на ближайшую санитарную
свалку. Со временем становилось все труднее
найти по соседству с большим городом
свободный участок под свалку, и твердые отходы
начали сжигать. Лишь с недавних пор такие
отходы стали рассматриваться в качестве
потенциального источника получения энергии. В
связи с этим были начаты интенсивные
исследования методов производства энергии или
топлива на базе этого источника.
Отходы делятся на несколько категорий;
на эту тему существует обширная литература.
Для целей нашего изложения воспользуемся
классификацией, представленной ниже:

Вид отходов1 Количество,
млн. т/год
Городские отходы 700
Отходы перерабатывающей
промышленности , 180
Отходы горнодобывающей промышленности 1800
Отходы животноводства 2300
Отходы растениеводства 900
4 Данные за 1980 г.
Многие процессы получения топлива из
отходов основаны на использовании городского
мусора, хотя иногда используются отходы
животноводства и земледелия.
Исследования, проведенные агентством
США по охране окружающей среды, показали,
что в среднем городские отходы состоят на
60 % из горючих веществ, имеющих теплоту
сгорания около 4170 кДж/кг и влажность
около 20 %. По теплоте сгорания эти отходы,
пожалуй, мало чем уступают низкосортным лиг-
нитам; влажность лигнитов тоже велика — она
достигает 50%. Городские отходы по сравне-
ниюсуглем малосернисты (0,12 % общей
массы). Такие характеристики твердых городских
отходов позволяют рассматривать прямое их
сжигание как один из способов, дающий
возможность утилизировать содержащуюся в них
энергию.
Здесь пс рассматривается использование
(рециркуляция) вторичного сырья. Это
делается в гл. 11. Следует отметить, что сжигание
отходов дает гораздо меньше энергии, чем ее
требовалось при изготовлении
первоначальных продуктов. Ввиду того что отходы состоят
по большей части из бумаги, для изготовления
которой требуется в среднем И МДж/кг,
ясно, что лишь незначительная часть этой
энергии может быть компенсирована при
непосредственном сжигании отходов, даже если
КПД установки достаточно высокий. С другой
стороны, сортировочные установки,
обеспечивающие разделение городского мусора на
вторичные бумаги, металлы, стекло и т. д., стоят
дорого. Иными словами, еще нет ясности, в
каком направлении решать эту проблему с
экономической точки зрения — сжигать
городской мусор целиком или осуществлять
предварительное извлечение из него вторичных
сырьевых материалов.
В США были разработаны два типа
установок, предназначенных для приема и
непосредственного сжигания твердых городских
отходов: мусоросжигательные печи с
экранированной топкой и модульные установки с выносной
топкой и котлом-утилизатором. В первой
системе на внутренней поверхности печи
смонтированы экраны из труб, по которым
протекает вода; при нагреве труб образуется пар,
используемый для выработки электроэнергии или
отопления помещений. В модульной
мусоросжигательной установке, имеющей обычно
меньшие габариты, чем печь с экранированной
топкой, для производства пара служат котлы-
утилизаторы. В настоящее время на
территории США действует несколько установок обоих
типов.
Некоторые системы были разработаны для
сжигания переработанных городских отходов в
виде так называемого «мусорного» топлива,
которое представляет собой более легкую
горючую фракцию городского мусора,
полученную путем измельчения отходов и отделения
от них в сепараторе более тяжелых негорючих
веществ, которые затем подвергаются
санитарной земляной засыпке (так же, как и зола,
оставшаяся после сжигания топлива,
полученного из отходов). Если будут пущены в
эксплуатацию все сооружаемые и намеченные к
строительству в США установки по сжиганию
твердых городских отходов, то около 20 %
всех таких отходов, образующихся на
территории страны, будет использовано в
энергетических целях.
Значительная часть твердых отходов,
образующихся в США, имеет органическое
происхождение. Около 15 % всех органических
отходов можно подвергать переработке с целью
получения синтетической нефти, метана либо
других горючих углеводородов. Подчеркнем,
что 23 млн. т искусственной нефти составляли
около 3 % общей потребности США в жидком
топливе в 1971 г., а 33 млн. м3 метана — около
6 % суммарной потребности США в
природном газе. За период с 1971 г. темпы прироста
органических отходов в США возрастали в
среднем примерно на 3 % в год, а
потребности в нефти — на 4 % в год (до 1978 г.).
Большая разница между объемом всех
твердых отходов и их количеством, которое
можно легко подвергать переработке,
объясняется тем, что органические отходы сильно
увлажнены. Их необходимо высушить, чтобы
превратить в топливо. Кроме того,
необходимо считаться с тем, что организация
переработки твердых отходов имеет смысл только
при условии, если их количество достаточно
большое, что характерно для населенных
пунктов.
Владельцы отдельных
сельскохозяйственных ферм могут вполне самостоятельно
смонтировать биогазовую установку, чтобы
производить метан для собственных нужд на базе
отходов собственного сельскохозяйственного
производства. Скорее всего, метана будет
недостаточно для удовлетворения всех
энергетических потребностей фермы, однако фермеру
несомненно удастся уменьшить свою
зависимость от внешних источников энергоснабжения.
При современных темпах образования
городских отходов (в среднем 2 кг на человека в
129

Таблица 6.7. Сравнение методов переработки твердых отходов
Технологические требования
Вид исходного сырья
Содержание твердых веществ, %
Температура, °С
Давление, МПа
Перемешивание
Прочие характеристики процесса
Конечные продукты
Выход, Уо*1:
масла
полукокса
газа
Теплота сгорания, МДж/кг;
масла
полукокса
газа
Доля восстановленной энергии от энергии, затраченной
при изготовлении изделий и материалов, % *3
Гидрогенизация
Водная суспензия
15
320—359
10—30
Интенсивное
Используется
окись углерода
Масло
23
—
—
7,2
—
—
65
Пиролиз
Высушенные
отходы
| —
| 500—900
0,1
Не требуется
—
Масло, полукокс
40
20
—
5,7
4,3*2
—
82 (60*4)
Анаэробное
сбраживание (биоконверсия)
Водная суспензия
3—20
20—50
0,1
Слабое
—
Газ
—*
—
26
—
—
11,4
77
*1 Процент количества исходного сырья.
1,2 Для производства теплоты используется весь полученный газ и 50 % полукокса.
*3 Предполагается, что теплота сгорания высушенных отходов равна 3,8 МДж/кг.
*4 Без учета полукокса.
сутки) город с населением около 500 тыс. чел.
дает столько отходов, сколько нужно, чтобы
обеспечить сырьем одну установку пропускной
способностью 1000 т/сут. По данным переписи
1970 г. в США имеется 26 городов q
населением свыше 500 тыс. чел. Что еще более важно,
в США насчитывается 65 стандартных метро-
польных статистических ареалов (СМСА)1 с
населением свыше 500 тыс. чел. Хотя все еще
не решена до конца проблема
централизованного сбора отходов даже в СМСА, эти ареалы,
в которых сосредоточено около 50 % всего
населения страны, могли бы постоянно снабжать
сырьем подобные установки. Экономически
оправданной может оказаться и установка
производительностью меньше 1000 т/сут при
условии, если на базе отходов будут производить
не только энергию, но и вторичные сырьевые
ресурсы.
Из 2,5 млрд. т отходов, ежегодно
образующихся в сельском хозяйстве США, можно
использовать в крупных масштабах лишь те, что
образуются на откормочных пунктах для
скота, кожевенных заводах, консервных заводах
1 Стандартный метропольный статистический ареал
охватывает территории, которые центральный город
обслуживает в коммерческом, культурном и других
отношениях и с которых он ежедневно привлекает людей
на работу. Границы СМСА в значительной степени
соответствуют границам рынка рабочей силы центрального
города. Часто СМСА — это округ, в котором расположен
центральный город, и один или несколько округов,
которые с этим городом экономически непосредственно
связаны. (Примеч. п е р е в..)
130
и т. п. Ежегодно в США выращивается
115 млн. голов крупного рогатого скота; из
этого количества 23 % постоянно содержатся на
откормочных пунктах, имеющих относительно
небольшую площадь. Например, при
содержании 10 тыс. голов крупного рогатого скота на
одном откормочном пункте образуется около
260 т навоза в сутки. Это ложится тяжелым
бременем на окружающую среду — по
соседству с откормочными пунктами происходит
загрязнение поверхностных и грунтовых вод.
В США принимаются меры к тому, чтобы
организовать производство энергии из отходов
животноводства и тем самым повысить
эффективность их ликвидации.
Для преобразования твердых отходов в
топливо применяются три различные
технологии: гидрогенизация, пиролиз и биоконверсия.
Сравнительные характеристики этих
технологий и данные о получаемой продукции
приведены в табл. 6.7. Эти альтернативы прямому
сжиганию отходов и размещению их на свалках
(именно так в США ликвидируют 98 % всех
твердых отходов) являются во многих
отношениях результатом выполнения требований
закона о восстановлении ресурсов, принятого в
1970 г. Этот закон особо предусматривает
использование вторичных сырьевых ресурсов как
в энергетических целях, так и для
производства необходимых материалов; он разрешает
субсидировать создание соответствующих
демонстрационных установок.
Процесс гидрогенизации, разработанный
исследовательским центром Bureau Mines Pit-

tsburgh Research Center (г. Питтсбург)
основан на том, что отходы и щелочной
катализатор [например, углекислый натрий (Ыа2СОз)]
реагируют с окисью углерода и водяным
паром при высокой температуре (300 °С) и
большом давлении (20 МПа). В проведенных
экспериментах металлы и материалы,
содержащие кремний, а также влага перед реакцией
удалялись; остаток подвергался измельчению.
Эксперименты показали, что 85—90 %
органических веществ, содержащихся в отходах, при
250°С и 0,2 МПа можно превратить в битум,
водорастворимые фракции и газ. При 380 °С и
0,74 МПа образовывалось меньшее
количество водорастворимых веществ. В результате
полного преобразования отходов выход
жидкого топлива составил примерно 57%, если
принимать, что среднее содержание углерода в
жидком топливе 78 % • Поскольку часть
углерода превращается в газообразные продукты,
главным образом С02, фактический выход
жидкого топлива меньше — от 40 до 43 %. В
экспериментах было получено по 270 кг
искусственной нефти (масла) из каждой тонны сухих
отходов; часть этого масла была
использована для производства теплоты и выработки
окиси углерода; то и другое требовалось по
условиям процесса. Полученное масло, имевшее
теплоту сгорания 34 МДж/кг, весьма сходно с
котельным топливом № 6 (41 МДж/кг).
Пиролиз определяется как химическое
превращение одних органических соединений в
другие под воздействием теплоты. Его можно
также рассматривать как сухую перегонку без
доступа окислителей в противоположность
прямому сжиганию в присутствии воздуха или
кислорода. Пиролиз как промышленный
процесс применяется в течение многих лет для
производства метанола, уксусной кислоты,
скипидара, а также древесного угля. Пиролиз
твердых отходов был разработан на базе
аналогичной технологии переработки угля в
малосернистые жидкие топлива. Он применяется
для того, чтобы молекулы материалов,
содержащих целлюлозу, превратились в
органические молекулы с меньшей массой. Наиболее
важная суммарная реакция заключается в
отщеплении атомов кислорода и образовании
соединений с высокими атомными отношениями
Н/С. Целлюлоза и прочие углеводы тотчас же
после нагревания теряют воду и углекислый
газ. Гидрогенизация, которая часто служит
одним из этапов процесса пиролиза, состоит в
нагревании исходного сырья под давлением в
замкнутой системе в присутствии окиси
углерода, водяного пара и катализатора. Кислород
можно удалить, заставив его прореагировать с
подаваемой извне окисью углерода, сг
образованием СО2 путем осуществления различных
реакций. Большое количество всевозможных
реакций дает на выходе нефть, состоящую из
сложнейшей смеси разных молекул.
В процессе пиролиза одновременно проте*
кают три реакции:
конверсия водяного газа:
Н20 + СО->С02+Н2;
реакция между водяным паром и
углеродом:
Н20 + С->СО + Н2;
реакция между водяным паром и
углеводородом:
н2о + сн->со + зн2.
Окись углерода предельно уменьшает
степень превращения водяного газа в двуокись
углерода, удаляет кислород из целлюлозы и, по-
видимому, препятствует обезвоживанию
целлюлозы и превращению ее в древесный уголь.
Искусственная нефть, получаемая на выходе
процесса, обладает той же теплотой сгорания,
что и мазут.
Одна из основных проблем, возникающих в
процессе пиролиза, — зависимость видов
получаемых продуктов от условий работы
реактора, таких как температура, скорость
повышения температуры, выход генераторного
газа в единицу времени, состав исходного сырья
и прочие параметры. В результате реакций
пиролиза образуются четыре категории
продуктов — смолы, подсмольная вода, органическая
фракция и смесь оставшихся газов. Смолы
составляют относительно небольшую долю в
общем объеме продуктов пиролиза, и
количество их уменьшается с ростом температуры.
Водная фракция — это преимущественно вода и
водорастворимые органические соединения.
Органическая фракция содержит сложную
смесь веществ, в том числе растворенные
газы— это несконденсированные пары.
Жидкая органическая фракция является
потенциальным источником получения
синтетической нефти. Ее можно подвергать
дальнейшей переработке и выделить водорастворимую
летучую фракцию, содержащую около 10 %
органических веществ, среди которых нет
ценных нефтехимических продуктов. Оставшаяся
часть (85%) органической жидкой фракции
представляет собой нелетучее, нерастворимое
в воде вещество — смолистую массу черного
цвета (деготь). Эта масса состоит из
содержащих кислород соединений — сложных эфиров
и кислот. Другой основной продукт —
высокозольный древесный уголь с теплотой сгорания
несколько более 23 МДж/кг. Эти вещества —
газы, жидкости и древесный уголь —
разделяются, после чего превращаются в продукцию,
отвечающую требованиям рынка. Газы можцо
продавать либо использовать в качестве
топлива при работе установки»
т

Процесс биоконверсии — получения метана
из органических отходов — состоит в
управляемом анаэробном сбраживании отходов при
участии бактерий; органические вещества
разлагаются без доступа кислорода в среде с
регулируемыми параметрами. Анаэробное
сбраживание нередко используется в установках по
обработке сточных вод как стадия процесса
вторичной обработки канализационного ила.
Сам по себе этот метод не нов. Еще в 1895 г.
уличные фонари в одном из районов г.
Эксетер (Англия) снабжались газом, который
получали в результате брожения сточных вод.
В 40-х годах был изобретен двигатель, который
мог работать на различных смесях
канализационного газа и других видов топлива. Био-
газ — относительно влажный и загрязненный;
он содержит около 65 % метана с теплотой
сгорания около 2 МДж/м3, в то время как
теплота сгорания природного газа примерно
37 МДж/м3. Биогаз часто загрязнен прочими
газами, выделяющимися из отходов. Однако
он представляет известную ценность. В Индии
и странах Африки его успешно и не без
выгоды используют как дополнение к природному
газу на многих небольших фермах. Проводятся
интенсивные исследования с применением
малогабаритных, дешевых установок и
различных смесей органических веществ. Санитарное
управление округа Лос-Анджелес производит
газ в количестве, достаточном как для
удовлетворения местных потребностей в энергии,
так и для продажи соседнему
нефтеперерабатывающему заводу.
Анаэробное сбраживание сложных
органических отходов — двухстадийный процесс. На
первой стадии кислотообразующие бактерии
воздействуют на сложные органические
вещества и преобразуют высокомолекулярные
соединения — жиры, белковые вещества,
углеводы — в низкомолекулярцые органические
соединения, обычно называемые летучими
кислотами.
Вторая стадия — ферментация, или
выделение газа, в процессе которой и
получается метан. На этой стадии органические кислоты
служат питательной средой для метанообра-
зующих бактерий; конечные продукты
процесса — двуокись углерода, метан, а также
небольшие примеси сероводорода (H2S),
аммония (NH4), меркаптанов и аминов. Эти примеси
и придают газу неприятный запах. В
основном процесс микробного брожения
представляет собой механизм, разрушающий
связи С—С и С—Н с образованием С02 и Н20;
в сущности, это процесс, противоположный
фотосинтезу. Количество получаемых газов
может быть различным, однако состав смеси
приблизительно следующий: 50 % метана и 50 %
двуокиси углерода. Изменяя физические
параметры процесса, можно регулировать
количество получаемого метана.
Для поддержания непрерывности
сбраживания необходимо обеспечить надлежащее
соотношение между кислотообразующими и ме-
танообразующими бактериями. При этом очень
важную роль играют оптимальные значения
пяти параметров среды, в которой происходит
процесс. Эти параметры характеризуются
следующими требованиями:
колебания температуры допустимы лишь в
крайне незначительных пределах:
температурный диапазон мезофильного сбраживания
должен составлять от 30 до 45 °С,
термофильного — от 45 до 60 °С;
биогазовая установка должна быть
абсолютно герметичной, поскольку даже
небольшое количество поступившего извне кислорода
может воспрепятствовать жизнедеятельности
бактерий;
показатель концентрации водородных
ионов рН должен быть равен 6,7—7,0. При
значении рН ниже 6,2 прекращается
стабилизация исходного материала (субстрата);
питательные вещества должны
присутствовать в количестве, достаточном для
жизнедеятельности бактерий. В особенности следует
поддерживать соотношение C/N на уровне
35 : 1 или ниже, а для этого может
понадобиться дополнительный азот;
содержание токсичных веществ, имеющих
форму неорганических солей, следует
регулировать либо с помощью химического осадите-
ля, расположенного внутри биогазовой
установки, либо путем разбавления субстрата водой
до такой степени, чтобы значения
концентрации этих веществ оказались ниже
порогового уровня.
Если все перечисленные требования
соблюдаются и значения всех пяти параметров
поддерживаются в оптимальных пределах,
образование газа будет происходить непрерывно.
Биогазовая установка пропускной
способностью 1000 т отходов в сутки может
ежесуточно вырабатывать 100 тыс. м3 метана. Это
умеренная оценка, основанная на том, что 1 кг
городских твердых отходов и осадка сточных
вод способны дать 0,023 м3 газа. Городские
твердые отходы измельчаются, что дает
возможность эффективно отделять органические
вещества от неорганических (металл, банки,
бутылки и т. п.), встречающихся в городском
мусоре; чем однороднее гранулометрический
состав субстрата, тем эффективнее его
разложение. Перед тем как загрузить отходы в
биогазовую установку, их нужно смешать с
питательными веществами и прочими химикалиями
[например, бикарбонатом натрия (NaHC03),
фосфором], необходимыми для нормальной
работы реактора. В каждом реакторе (а для
132

того, чтобы суточная производительность
установки по отводам составляла 1000 т,
требуется 10 реакторов объемом по 17 тыс. м3)
поддерживаются постоянные температура и
давление, и его содержимое подвергается
непрерывному пермешиванию, благодаря которому
обеспечено равномерное сбраживание субстрата
на обеих стадиях процесса. Получаемый метан
подвергают очистке, а остаток субстрата
разделяют на жидкую и твердую фракцию.
Жидкость можно вернуть в реактор для
дальнейшей переработки; твердый остаток, если его
высушить до 25 % влажности, имеет теплоту
сгорания 9,2 МДж/кг. Такого твердого
остатка образуется примерно 20 % по отношению
к общему количеству поступающих на
переработку отходов.
В этом разделе книги рассмотрено лишь
несколько методов производства
синтетического углеводородного топлива. Таких методов
много, и на сегодня они вполне осуществимы
технически. Однако полученные с их помощью
топлива стоят дороже, чем природные
топлива — нефть, газ и уголь. Вот где заключается
большой риск для потенциальных вкладчиков
капитала в установки по производству таких
синтетических топлив. В перспективе может
произойти технологический прорыв, в
результате которого существенно снизится
себестоимость синтетических топлив; быстро
возрастающая нехватка природных жидких и
газообразных топлив может привести к тому, что
высокие цены на синтетические топлива
покажутся вполне приемлемыми. Не исключено
также, что удастся создать принципиально иную
технологию, на которой будет основываться
наша энергетика и которая позволит в
изобилии получать дешевые и экологически чистые
энергоресурсы.
Таблица 6.8. Типы геотермальных месторождений
ГЕОТЕРМАЛЬНАЯ ЭНЕРГИЯ
Теплота, извлекаемая из земных недр при
помощи современных методов, может
обеспечить производство значительного количества
электроэнергии. Многие полагают, что
имеются и другие области применения
геотермальных энергоресурсов, которые позволят
расширить возможности этого источника энергии.
В настоящем разделе анализируется ряд
существующих и предлагаемых методов
использования геотермальной энергии,
рассматривается природа источников геотермальной
теплоты, механизм ее использования, экологические
проблемы, связанные с разработкой
геотермальных месторождений. Отдельные методы
использования геотермальной энергии носят
умозрительный характер и рассматриваются
вкратце, особенно экономические аспекты
проблемы.
Геотермальные ресурсы
Геотермальная теплота обязана своим
происхождением горячей магме, которая
проникает из недр Земли и подходит близко к
поверхности. Источники глубинной теплоты
расположены во многих частях земного шара (рис.
6.9); как правило, геотермальные
месторождения размещаются вблизи границ литосферных
плит и районов геологической активности.
Геотермальные месторождения можно
подразделить на несколько видов (табл. 6.8).
Наиболее эффективны и в наибольшей степени
освоены такие геотермальные месторождения,
в которых горячий сухой пар выходит на
дневную поверхность; однако такие месторождения
наименее распространены. В настоящее время
наиболее широкое применение находят место-
тип
Состояние технологии
освоения

Потенциальные ресурсы

геотермальной энергии в
США, млрд. т
условног о
топива
Места расположения бассейнов на земном
шаре
Гидротермальные системы (на
глубине до 3 км):
с преобладанием сухого пара
с преобладанием горячей воды
Системы аномально высокого
давления (на глубине до 10 км)
Сухие горячие горные породы (на
глубине до 10 км)
Магма (на глубине до 10 км)
Хорошо освоены
Достаточно освоены
Начато испытание
бассейнов
Методы разведки и
извлечения теплоты
находятся на
стадии НИОКР
Проводятся
проблемные исследования
3,5
110—360
1600—4800
1700—5400
1900—5400
Долина Гейзеров (США); Лардерел-
ло (Италия)
Долина Империэл (США); Вайракеи
(Новая Зеландия)
Побережье Мексиканского залива
(США); Венгерская низменность
Районы новейшей вулканической
деятельности с большими тепловыми
потоками Земли
Районы размещения магмы на
небольшой глубине встречаются на
Гавайских островах
133

Рис. 6.9. Районы со значительными ресурсами геотермальной энергии (/) и действующие ГеоТЭС (2)
рождения, в которых преобладает горячая
вода. Месторождения с преобладанием горячей
воды и сухого пара имеют одинаковое
происхождение (рис. 6.10).
Магма нагревает вышележащую пористую
породу за счет конвекции. Пористая
(водоносная) порода перекрыта сверху плотной,
водонепроницаемой породой, которая плохо
проводит теплоту и совершенно не пропускает воду.
Часть поверхностных вод способна проникать в
пористую породу через трещины. Аналогичным
образом нагретая вода может вытесняться
вверх через другие трещины. По мере того как
горячая вода приближается к дневной
поверхности, ее давление падает и вода
превращается в пар. Начальная температура воды и ее
давление в ряде случаев достаточно высоки,
и тогда вся горячая вода превращается в пар;
это — месторождение сухого пара. Однако в
большинстве районов мира извлекаемые
геотермальные флюиды представляют собой
смесь пара и горячей воды (в сущности,
горячий рассол, так как геотермальные флюиды
содержат большое количество растворенных
химических веществ). На рис. 6.11 показана
продуктивная паровая скважина на
геотермальном месторождении Сьерро-Прието
(Мексика). Пар поступает по трубам на
электростанцию.
Геологическая служба США выявила на
территории страны 290 гидротермальных
месторождение, из них 20 %, судя по всему, со-
134
держат флюиды с температурой свыше 150°С.
Количество теплоты, заключенной в этих
месторождениях, очень велико: энергосодержание
каждого из пяти обследованных районов в
Калифорнии и одного района в штате
Нью-Мексико составляет свыше 1019 Дж.
Пример 6.1. Определите электроэнергетический
потенциал указанных шести районов.
Сделаем ряд допущений: наибольший возможный
коэффициент извлечения теплоты — 20%;
преобразование теплоты в электрическую энергию осуществляется
с КПД=20 %; теплота извлекается равномерно в
течение 20 лет.
Тогда получим:
Л (6-1019-4,184.0,2-0,2) л Л 1ЛЛ жйг>
Р = - ¦ ¦ - = 1,6-104 МВт.
(20.365,25-24.60.60)
Энергетический потенциал указанных
шести районов представляет собою значительную
величину, однако пока еще не совсем ясно,
насколько реалистичны даже умеренные оценки
возможного их освоения, приводимые в
примере 6.3. По целому ряду причин, которые будут
рассмотрены ниже, ни одно из упомянутых
условий не может быть легко выполнено.
Геотермальные системы аномально
высокого давления в настоящее время активно
изучаются, однако их освоение в промышленном
масштабе еще не началось. Для систем
подобного типа характерно то, что горячая вода
«заперта» в обширных, глубоко залегающих
осадочных бассейнах; температура воды обычно
не достигает и 200 °С, однако давление внутри

Рис. 6.10. Схема образования геотермального пара или
рассола
резервуара колеблется от 500 до 900 МПа1.
Вода содержит довольно много растворенного
метана, и этот газ по своей ценности не
уступит электроэнергии, которая может быть
выработана на базе геотермальной энергии.
Системы аномально высокого давления
обнаружены в США на площади, простирающейся от
Техаса до Луизианы, как на суше, так и в
шельфовои зоне. Здесь проводились активные
поиски нефти и природного газа. Однако
буровики старались не вторгаться в такие зоны,
если знали, где они расположены, поскольку
хорошо представляли себе, как трудно
справиться с водой, находящейся под столь высоким
давлением. Согласно оценкам в одних лишь
этих районах США запасов геотермальной
энергии хватит для того, чтобы там построить
электростанции мощностью, возможно, 100 ГВт.
1 В оригинале приводится ошибочно давление в ки-
лопаскалях. (Примеч. ре д.)
Рис. 6.11. Эксплуатационное оборудование устья одной
из скважин на геотермальном поле Сьерро-Прието
(Мексика)
1 Пар и вода геотермального месторождения
Т с аномально'высоким' Павле нием
Рис. 6.12. Схема установки для использования в
разных целях геотермальной энергии на месторождении с
аномально высоким давлением:
/ — сепаратор метана; 2 — гидравлическая турбчна; 3 —
скважина для обратной закачки рассола; 4 — паровая турбина; 5 —
теплообменники
На рис. 6.12 изображена схема
использования энергоресурсов, содержащихся в
геотермальных системах аномально высокого
давления, а именно: получение метана,
использование высокого давления флюидов на
гидравлической турбине и использование теплоты для
испарения рабочего тела, например изобутана.
В настоящее время экономические показатели
135

пака что не способствуют реализации этой
схемы, однако в будущем ситуация может
полностью измениться, как это и случалось много
раз, когда речь шла о новых источниках
энергии.
Такие геотермальные энергоресурсы, как
горячие, сухие, скальные породы,
представляют собой мощные непроницаемые формации,
нагретые за счет магматических тел,
теплопередачи из внутренних зон Земли либо
радиоактивного распада в земной коре.
Потенциально эти ресурсы очень велики. Если принять
значение геотермального градиента равным
22 °С на 1 км глубины, окажется, что на
территории континентальной части США земная
кора толщиной 10 км содержит в общей
сложности 13-1024 Дж теплоты, доступной для
использования. Температура скальных пород не
везде достаточно высока, чтобы можно было
вырабатывать электроэнергию. Но даже если
предположить, что только 0,2 % всей этой
энергии доступно для извлечения, полученное
количество теплоты оказалось бы
эквивалентным энергосодержанию всего угля, еще
оставшегося на территории США.
Геотермальные ресурсы этого типа в
настоящее время не используются, однако ввиду их
громадного потенциала проводятся
многочисленные исследования. Проблема состоит в том,
чтобы извлекать теплоту при нужной
температуре. Скальные породы плохо проводят
теплоту, поэтому при нагнетании воды стенки ква-
жины вскоре остывают. В результате
установившаяся температура воды будет слишком
низкой. Чтобы исправить положение,
необходимо увеличить площадь поверхности
контакта между водой и нагретыми скальными
породами.
Один из способов, которому уделяется
большое внимание в последнее время, известен
под названием гидравлического разрыва
пласта. Этот способ, часто применяемый
нефтяниками, зарекомендовал себя как надежный и
относительно недорогой. Он состоит в том, что
холодная вода нагнетается в скважину, пока
не вступит в контакт с горячей сухой
скальной породой; в результате порода
разрушается и вода проникает в образовавшиеся
трещины. Чем больше воды закачивают в трещины,
тем сильнее разрушается порода, и зона
разрушения может быть довольно обширной. Она
имеет форму перевернутой воронки, ширина
ее в нижней части может достигать
нескольких тысяч футов. По соседству с
нагнетательной скважиной бурят до самой зоны
разрушения вторую скважину для выхода горячей
воды. Достигшая поверхности вода протекает
через теплообменник, где вырабатывается пар,
а затем ее снова нагнетают в зону
разрушения, чтобы она там нагрелась.
136
И, наконец, четвертый потенциальный
источник геотермальной энергии — это
собственно магма. Согласно предварительным
расчетам доступная для извлечения теплота,
содержащаяся в магме, составляет около 1023 Дж.
Однако использование этой теплоты станет
возможным еще очень и очень Не скоро, ибо на
этом пути возникает множество препятствий.
Ведутся предварительные, теоретические
исследования.
Проблемы, связанные с использованием
геотермальной энергии
Использование глубинной теплоты Земли
сопровождается целым рядом трудностей.
Если бы это было не так, можно было бы
гораздо успешнее, чем теперь, освоить
геотермальные ресурсы. В основном существуют
проблемы экономического характера, о чем будет
сказано ниже, но есть немало технических и
научных проблем, и их-то следует рассмотреть
прежде всего.
На любом геотермальном месторождении
температура флюидов (пара, воды, рассола)
обычно гораздо ниже, чем у пара,
вырабатываемого в стандартном котле, поэтому
необходимо принимать особые меры для более
эффективного преобразования энергии.
Отработанные геотермальные флюиды не
только имеют, как правило, низкую
температуру, но и содержат довольно много
растворенных минеральных веществ. В табл. 6.9
перечислены некоторые основные химические
вещества, сбрасываемые в реку вблизи
геотермальной электростанции на месторождении
Вайракеи (Новая Зеландия).
Эти вещества исключительно агрессивны и
могут очень быстро повредить лопатки
турбины, если попадут туда вместе с паром. Их
можно удалить из геотермальной воды, например,
Таблица 6.9. Сброс химических веществ в р. Вайкато
Компонент
В
Li
Na
К
Pb
Cs
Mg
Ca
F
Концентрация в
отработанной
геотермальной
воде1, млн—1
0,27
0,13
12,00
1,90
0,029
0,025
4,7-10-5
0,17
0,077
Компонент
С1
Вг
I
NH+
so^
As
Hg
Si02
Концентрация в
отработанной
геотермальной
воде1, млн""1
20,8
0,055
0,0047
0,0014
0,24
0,039
1,5-10—•
6,3
1 Эти показатели необходимо умножить на 4000, чтобы
получить в тоннах количество веществ, сбрасываемых в реку за
год.

Рис. 6.13. Схема многоцелевого использования геотермальных флюидов
в испарителе с мгновенным вскипанием. В
таком испарителе минерализованную воду
нагнетают в камеры с пониженным давлением.
Часть воды моментально превращается в пар,
а минеральные вещества остаются в
концентрированном рассоле (рис. 6.13). Рассол
можно специально подвергнуть выпариванию и
получить минеральные вещества в количестве,
пригодном для продажи, хотя большинство
этих солей вряд ли найдет покупателей.
Ввиду того что цикл Ренкина на водяном
паре является весьма неэффективным при
низких температурах, были изучены в качестве
рабочего тела другие вещества: аммиак, изо-
бутан, фторхлорпроизводные насыщенных
углеводородов (фреоны). На рис. 6.14 показана
типичная паротурбинная установка.
Геотермальный флюид нагревает и доводит до
кипения рабочее тело (здесь — изобутан).
Охлаждающая вода требуется для конденсации
рабочего тела перед его повторным нагревом.
Геотермальный флюид закачивается обратно
под землю; благодаря этому не возникает
никаких осложнений из-за выпуска газов в
атмосферу или загрязнения поверхностных вод
геотермальным рассолом.
Неводные рабочие тела, например
упомянутые выше вещества, имеют при одной и той
же температуре более высокую плотность
паров по сравнению с водяным паром и поэтому
обеспечивают получение одинаковой мощности
при меньших габаритах турбины. Однако
подобные системы сложнее, чем системы с
циклом мгновенного испарения, и довольно
чувствительны к изменениям температуры на
выходе турбины.
Пример 6.2. На сколько процентов изменится
зависимость КПД паротурбинной установки от
температуры на входе турбины при изменении на 1 %
температуры на выходе турбины?
Для системы, работающей при 7я = 250°С, TL=
= 20 °С, а увеличение TL до 25 °С (на 1,7 %) приведет к
137
Рис. 6.14. Схема цикла паротурбинной установки,
работающей на геотермальных флюидах с низким
теплосодержанием
Точных данных о системе (вид теплоносителя,
рабочая температура и т. д.) нет, а потому предположим,
что подразумевается КПД, достижимый при цикле Кар-
но. Следует, впрочем, учесть, что реальные условия
работы установки гораздо менее благоприятны. С учетом
этого

тому, ттто КПД преобразования энергии изменится на
— ——-1,7=—2,2%.
230
Возникают и отдельные проблемы
окружающей среды, которые необходимо принимать
во внимание. К ним относятся:
вероятность стимулирования
землетрясений в результате гидравлического разрыва
пласта;
просадка почвы вследствие отбора воды из
подстилающих пород;
сильный шум, создаваемый паром при
расширении в испарительных камерах с мгно-
веным вскипанием или в теплообменниках;
выброс вредных газов;
трудности с ликвидацией отработанного
рассола.
Стимулирование сейсмоактивности,
вызванное гидравлическим разрывом пласта
(или обратным закачиванием рассола),
вполне возможно, и к этому надо относиться со
всей серьезностью. Давно известно, что
нагнетательные скважины — источник слабых
подземных ударов. Правда, до сих пор вблизи
действующих геотермальных станций или
разведочных скважин не случалось ничего
подобного.
Проседание грунта из-за отбора воды
зарегистрировано на ГеоТЭС Вайракеи. Были
отмечены как горизонтальные, так и
вертикальные смещения почвы; за период с 1956 г. грунт
переместился в общей сложности более чем
на 4 м. Едва ли существует взаимосвязь
между давлением подземных вод и размером
проседания поверхности, как это можно было бы
ожидать. Налицо, однако, признаки
пропорциональной зависимости между площадью
осевшей поверхности и объемом откачанных
геотермальных вод. На ГеоТЭС Вайракеи не
производится обратного закачивания
геотермального рассола, поэтому в будущем
оседание почвы можно уменьшить, возвращая
жидкость обратно в тот водоносный комплекс,
откуда ее взяли.
Громкий шум возникает из-за того, что на
дневной поверхности резко падает давление
геотермального флюида. Этот шум
перерастает иногда в оглушительный рев. От него
страдают люди, живущие поблизости.
При работе геотермальной электростанции
выделяются различные газообразные
вещества. Трудно сделать обобщающий вывод о
количестве каждого из выделяемых газов —
геотермальные месторождения во всем мире
резко отличаются друг от друга. Например, для
ГеоТЭС на месторождении Монте-Амиата
(Италия) характерно то, что интенсивность
выброса С02 в 10 раз выше, чем у тепловой
электростанции аналогичной мощности.
Напротив, в Новой Зеландии выбросы С02
геотермальными установками в 10 раз меньше,
чем это наблюдалось бы при работе ТЭС.
Воздействие С02 на атмосферу подробно
рассмотрено в гл. 12.
Другой газ, обычно выделяющийся при
работе геотермальных установок, —
сероводород (H2S). Это соединение, обладающее
неприятным запахом (тухлых яиц), может
оказаться токсичным при сравнительно низких
концентрациях. Предел обнаружения H2S по
запаху — всего лишь 0,002 млн-1; глаза
начинают слезиться при 10 млн-1, раздражение
легких наступает при 20 млн-1. Если вдыхать
сероводород при концентрации 600 млн-1 в
течение 30 мин, наступит смерть. Обычно на
участке, где расположена ГеоТЭС, сероводород
разбавлен двуокисью углерода и воздухом до
5 млн-1, но во время тумана или в
безветренную погоду H2"S стелется по поверхности
земли, и его концентрация порой достигает
опасного уровня.
Выделение H2S и С02 привело в районе
ГеоТЭС Вайракеи к чрезвычайно быстрому
росту некоторых видов микроскопических
водорослей в близлежащем озере. Темп их роста
настолько высок, что озеро приходится
очищать раз в две недели.
Необходимо отметить, что при
использовании энергии горячих сухих горных пород не
ожидается возникновения каких-либо проблем
загрязнения среды газами или минеральными
веществами. Наоборот, химические
соединения, вероятно, целесообразно добавлять в
нагнетаемую холодную воду, чтобы из зоны
разрушения можно было извлекать при помощи
проникающих в нее растворов необходимые
минеральные вещества, и тогда ГеоТЭС
одновременно выполняла бы роль шахты.
Основная причина, по которой
геотермальная энергия еще не используется в широких
масштабах, — это экономические факторы.
Геотермальные месторождения могут
залегать на глубине до 10 км, однако из
экономических соображений желательно, чтобы
глубина скважин не превышала 2,5 км. Глубина
бурения зависит от температуры
извлекаемого флюида:
при температуре воды менее 100°С следует
бурить не глубже чем на 2 км;
чтобы бурение на глубину более 2 км
было экономически оправданным, температура
воды должна превышать 150 °С.
Например, в районе ГеоТЭС Гейзеры
(США) производится бурение скважин
глубиной до 2,4 км, из которых на станцию
поступает сухой пар. В этом случае, очевидно,
было бы экономически оправданным бурение
и более глубоких скважин.
Нефтяная компания бурит скважину,
заранее подготовившись к тому, что процесс этот
138

дорогостоящий и что количественное
соотношение между безрезультатными и
продуктивными нефтяными скважинами довольно
велико (обычно оно составляет 7:1). Тем не менее
прибыль, получаемая хотя бы от одной
продуктивной скважины, способна оправдать
затраты на шесть пустых скважин, если не
больше. Напротив, доходы, получаемые от
пробуренной продуктивной геотермальной
скважины, не столь уж велики (они составляют от
Vio до 7з доходов, получаемых при
эксплуатации нефтяной скважины с высоким дебитом),
так что при бурении геотермальных скважин
необходимо обеспечить более высокий
коэффициент продуктивности. В 1978 г. нефтяная
скважина со среднесуточным дебитом 27 т
приносила ежедневно около 2000 долл.
прибыли. Геотермальная скважина с высоким
дебитом, дающая в минуту 4000 л воды с
температурой 150 °С, приносит ежесуточно 600 долл.
прибыли. В США к настоящему времени
пробурено всего 500 геотермальных скважин. Для
сравнения укажем, что ежегодно в этой
стране бурится 30 тыс. нефтяных и газовых
скважин. Свыше половины из этих 500
геотермальных скважин продуктивны.
Обнадеживает также и то, что из шести
геотермальных скважин, пробуренных в
штате Айдахо, три оказались с высоким дебитом,
три —со средним, а температура получаемой
из них воды соответствует значениям, которые
были предсказаны еще до начала буровых
работ на основании данных геофизической и
геохимической разведки.
Помимо больших первоначальных
расходов, предприниматель может столкнуться с
массой запутанных юридических проблем. До
сих пор не выработано четкого юридического
определения для геотермальных ресурсов.
В одних штатах геотермальные ресурсы
относят к разряду источников воды, в других они
считаются источниками минерального сырья.
В каждом отдельном случае существует
множество противоречивых законов и
постановлений.
Нетрудно представить, что компании,
специализирующиеся на подготовке
месторождений полезных ископаемых к эксплуатации,
подчас колеблются, не решаясь вкладывать
крупные средства в освоение геотермальных
ресурсов, поскольку считают это весьма рискованной
затеей; кроме того, может пройти
немалый срок, прежде чем появятся шансы на
получение прибыли.
Отсюда можно сделать вывод, что, хотя
геотермальная энергия действительно
обладает огромным потенциалом в отношении
предельных извлекаемых запасов, остается еще
множество проблем, связанных с
использованием этой энергии. Нельзя сказать, что
геотермальные ресурсы — абсолютно безвредный
в экологическом отношении и сравнительно
дешевый источник энергии, как об этом
обычно сообщает пресса. Предстоит еще найти
выход из многих затруднений технического,
экономического, организационно-правового
характера, прежде чем геотермальная энергия
сможет внести весомый вклад в
энергетический баланс США.
ПРОИЗВОДСТВО ТЕПЛОТЫ НА БАЗЕ
СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГИИ
В гл. 5 рассмотрена физическая сущность
прямого преобразования солнечного
излучения в электроэнергию. Широкое
использование в быту полученной таким образом
электроэнергии — дело отдаленного будущего.
В ближайшей перспективе солнечную энергию
можно использовать как источник теплоты.
На протяжении многих лет солнечная теплота
используется в ограниченных масштабах для
отопления, опреснения воды и прочих целей.
Неминуемый значительный рост цен на
топливо в ближайшем будущем одновременно с
усиливающимся беспокойством общественности
по поводу окружающей среды могут привести
к тому, что исследования в области солнечной
теплоэнергетики займут, наконец, достойное
место среди приоритетных направлений.
Инсоляция
Количество солнечной энергии,
поступающей в данный момент на данный участок
земной поверхности, зависит от четырех
факторов: количества энергии, излучаемой в этот
момент Солнцем; угла наклона земной оси к
плоскости эклиптики, т. е. от времени года;
времени суток; состояния атмосферы над
точкой наблюдения. Полный поток энергии,
излучаемой Солнцем, составляет 3,9-1026 Дж/с.
При среднем расстоянии Земли от Солнца,
равном 1,5-1011 м, освещенность поверхности
Земли1
S = 3>9'1Q2B— = 1,38 кВт/м2. (6.14)
4я(1,5-10и)а
Величина S носит название солнечной
постоянной. Она представляет собой энергию
излучения Солнца, приходящего в единицу
времени на единццу площади поверхности 2.
Солнечную постоянную, строго говоря, нельзй
называть постоянной, ибо она зависит от
изменяющегося расстояния между Землей и Солн-
* Точнее, на внешнюю границу земной атмосферы.
(Примем п е р ев.)
2 Перпендикулярной потоку излучения в
космическом пространстве на среднем расстоянии Земли от
Солнца. (Примеч. п е р е в.)
139

I Л Ш Ж Y Ш Ш Ш Ж X Ж Ш.
Рис. 6.15. Суточные суммарные значения энергетической
экспозиции МДж/м2, при солнечном излучении,
приходящем на верхнюю границу атмосферы
цем, а также от колебаний интенсивности
потока солнечной энергии, которые могут
достигать ±1,5 %.
Наклон земной оси по отношению к
плоскости эклиптики зависит от времени года. На
рис. 6.15 показаны суточные изменения
солнечного излучения, приходящегося на верхнюю
границу атмосферы, как функция
географической широты. Следует отметить высокие
значения радиации для полярных областей в
периоды летнего и зимнего солнцестояний.
Однако снег и лед хорошо отражают солнечные
лучи, т. е. в этих областях большое альбедо К
Ниже приведены значения альбедо,
характерные для различных типов земной поверхности
Северной Америки в процентах альбедо
снежного покрова:
Тип поверхности
Чистый снег 85—95
Песок 35—43
Поля зерновых культур 10—25
Леса с . . . 10—18
Темные почвы 8—15
Атмосфера и облака поглощают
значительную часть солнечной радиации, в результате
1 Характеристика отражательной способности
поверхности тела: отношение светового потока,
отраженного (рассеянного) этой поверхностью, к световому
потоку, падающему на поверхность. (Примеч. п е р е в.)
140
Рис. 6.16. Характерные показатели поступления
прямого солнечного излучения на горизонтальную поверхность
в течение нескольких месяцев
чего на земную поверхность поступает
значительно меньше энергии солнечного излучения.
Данные ежедневных измерений солнечного
излучения, приходящего на горизонтальную
поверхность, могут быть представлены в виде
кривой (рис. 6.16), где крупные пики,
обращенные вниз, соответствуют дождливым или
облачным дням. Даже в ясный день около
14 % приходящего солнечного излучения
поглощается пылью, водяным паром и прочими
мельчайшими частицами, взвешенными в
воздухе.
Интенсивность солнечной радиации в
данной точке земной поверхности в данный
фиксированный момент времени определяется по
формуле
Q = S(d/d)2/cosZ, (6.15)
где 5 — солнечная постоянная; d и d —
соответственно среднее расстояние от Земли до
Солнца и расстояние в данный момент; / —
коэффициент поглощения солнечного
излучения атмосферой; Z — зенитный угол Солнца.
Этот зенитный угол, другими словами, угол
между вертикалью и направлением на
Солнце можно выразить через склонение Солнца
б и угол А, на который должна повернуться
Земля, чтобы меридиан, проходящий через
точку наблюдения, оказался в одной
плоскости с Солнцем:
cos Z = sin я|) sin б -f cos i|) cos A, (6.16)
где *ф — географическая широта точки
наблюдения (рис. 6.17); б — склонение Солнца1.
Интенсивность солнечного излучения,
поступающего на поверхность Земли, зависит от степени
атмосферного поглощения, широтного
расположения местности, склонения Солнца, об-
1 Угловое положение Солнца в полдень
относительно плоскости экватора. (Примеч. п е р е в.)

Рис. 6.17. Взаимосвязь зенитного угла Солнца Z,
географической широты местности г|э, склонения Солнца б
и часового угла h
лачности; для удобства расчетов можно
допустить, что в среднем она равна 1,0 кВт/м2.
Следует, однако, всегда помнить, что эта
цифра средняя; при расчетах, производимых для
того, чтобы определить выработку солнечной
электростанции или производство теплоты
установкой солнечного теплоснабжения,
необходимо учитывать факторы, входящие в (6.15).
Солнечное излучение
Солнечная энергия используется для самых
различных целей, и за последнее время
неоднократно предлагалось применять солнечную
энергию в крупных централизованных
системах выработки электроэнергии. В
большинстве случаев принцип действия гелиоустановок
был основан на том, что любые тела
одновременно и испускают, и поглощают излучение,
однако интенсивность обоих процессов
различна и зависит от длины волн.
Понятие о температурном излучении
появилось в XIX в. наряду с понятием о так
называемом абсолютно черном теле.
Теоретически (истинно черных тел в природе не
существует) это — тело, которое при любой
температуре поглощает весь падающий на него поток
излучения независимо от длины волны; оно
является идеальным поглотителем излучения.
Точно так же можно без труда рассчитать
спектр излучения черного тела. В 1900 г. Макс
Планк первым предложил формулу,
позволяющую рассчитать функцию спектрального
распределения излучения f(k) для абсолютно
черного тела. Планк исходил из
предположения (и был первым, кто его высказал), что
колеблющиеся электроны в атомах могут
обладать лишь определенными уровнями энергии.
Он вывел следующую зависимость:
/(*>= ,**?:? ,, (ел?)
exp (hc/XkT)— 1
где h — постоянная Планка (4,136-Ю-15 эВХ
Хс); k — постоянная Больцмана (8,617Х
XIО-5 эВ/К); с — скорость свега. Расчетный
спектр излучения черного тела с температурой
6000 °С на рис. 5.6 сравнивается со спектром
излучения Солнца. Обе кривые довольно
близко совпадают между собой везде, за
исключением участка самых коротких волн в
ультрафиолетовой области спектра.
Длина волны Хтах, соответствующая
максимуму функции спектрального распределения,
при повышении температуры черного тела
смещается в сторону более высоких частот; при
этом закон смещения принимает вид:
%тахТ = const. (6.18)
На рис. 5.6 показана еще одна кривая
излучения черного тела при температуре 300 К.
Она характеризует излучение Земли; длина
волны, соответствующая максимуму функции
спектрального распределения, сместилась в
инфракрасную область спектра и составляет
примерно 9 мкм. Максимум интенсивности
излучения сверхпроводника при температуре
4 К пришелся бы на длину волны около
0,06 см; это диапазон сверхвысоких частот,
используемый в некоторых конструкциях
радаров.
Установлено, что интенсивность излучения
черного тела (энергия, излучаемая с единицы
площади его поверхности за единицу
времени) зависит только от его абсолютной
температуры:
q = oT\
(6.19)
где а — постоянная Стефана — Больцмана,
равная 5,67-Ю-8 Вт/(м2-К4). Подставив в
(6.19) плотность потока солнечной радиации
и кажущуюся площадь солнечного диска,
можно определить эффективную температуру
видимой поверхности Солнца (5800 К). Для
любой реальной поверхности остается
справедливым правило, согл.асно которому
интенсивность излучения пропорциональна
абсолютной температуре в четвертой степени, однако
сама интенсивность зависит от вида
материала:
q = e(T)oT\
(6.20)
где е(Г)—излучательная (или поглощатель-
ная) способность материала как функции
температуры тела и длины волны. В табл. 6.10
приводятся значения поглощательной
Способности некоторых веществ для различных
диапазонов температур. Зная площадь
поверхности, излучательную способность и температуру
тела, можно по (6.19) определить
интенсивность излучения энергии, но это не дает
никаких сведений о спектре излучения.
141

Таблица 6.10. Примерная поглощательная способность
поверхностей тел из различных материалов
Материал (вещество)
Диапазон
температур, °с
Коэффициент
поглощения
излучения
Полированные металлические поверхности
Алюминий 1
Латунь
Хром
Медь
Сталь
Никель
Цинк
Нить
Молибден
Платина
Тантал
Вольфрам
Прочие мс
Асбест
Лед (мокрый)
Ламповая сажа
Серая резина
250—600
250—400
50—550
100
150—1000
20—350
250—350
/ накала ламп
750—2600
30—1200
1300—3000
30—3300
хтериалы (вещест
1 40—350
0
20—350
25
0,039—0,057
0,033—0,037
0,080—0,260
0,018
0,050—0,370
0,045—0,087
0,045—0,053
0,096—0,290
0,036—0,190
0,190—0,310
0,032—0,350
ва)
1 0,930—0,950
0,970
0,950
0,860
Для реального тела спектр как при
излучении, так и при поглощении в значительной
мере зависит от частоты. Волны определенных
длин, не поглощаемые телом, будут им
отражаться, если слой материала не будет
настолько тонок, что часть непоглощенного
излучения проникнет через него. Например,
тончайшая медная фольга, когда она отражает
световые лучи, кажется окрашенной в желтый
цвет, но, если прошедший через нее луч будет
поглощен, эта фольга покажется зеленой. На
рис. 6.18 представлены значения излучатель-
ной (или поглощательной) способности для
материалов, обладающих различной
теплопроводностью. Длины волн в видимой области
спектра колеблются от 0,4 до 0,8 мкм.
Металлы, например алюминий и медь, как правило,
обладают низкой излучательной способностью
в инфракрасной области спектра. Вот почему
они хорошо сохраняют теплоту и медленно
остывают.
Предмет, помещенный под лучи солнца,
будет одновременно и поглощать, и излучать
теплоту. Интенсивность ее поглощения
зависит от солнечной постоянной, площади
поверхности, перпендикулярной потоку солнечных
лучей (так называемой нормальной площади),
типа материала и поглощательной
способности его поверхности. Интенсивность излучения
зависит от излучательной способности (или,
что то же самое, от поглощательной) и от
температуры поверхности. В конце концов
достигается равновесная температура, при которой
интенсивность поглощения равна
интенсивности излучения.
Однако подобный анализ справедлив лишь
для черного тела, ибо только оно дает
сплошной спектр излучения. Для реальных тел
нужно учитывать, что излучательная способность
зависит от длины волны. При данной
температуре длина волны, соответствующая
максимуму излучения (для абсолютно черного
тела), может быть найдена из (6.18). Если
реальное тело при этой темепратуре обладает
чрезвычайно низкой излучательной
способностью, оно будет разогреваться все сильнее и
сильнее (условно предполагаем, что теплота
никуда не отводится), пока его температура
не возрастет настолько, что длины волн,
соответствующие максимуму интенсивности
излучения, сместятся в ту область спектра, где
излучательная способность тела будет высокой.
Существуют ли такие материалы?
Да, существуют. Одни из них очень
просты, другие представляют весьма сложные
сочетания. Например, обыкновенное стекло
свободно пропускает больЩинство волн в видимой
области спектра, однако практически
непрозрачно для инфракрасных и
ультрафиолетовых лучей — они почти полностью
поглощаются (см. рис. 6.18). Если солнечные лучи
падают на предмет, накрытый стеклянным ящи-
Рис. 6.18. Изменение излучательной способности
некоторых материалов в зависимости от длины волны:
/ — полированный алюминий; 2 — оконное стекло; 3 — стенная
штукатурка
^/////////^/^^^
Рис. 6.19. Принцип устройства теплиц
142

ком, этот предмет нагреется сильнее, чем
если бы он находился на открытом воздухе.
Предмет будет поглощать солнечное
излучение, а затем излучать его обратно. Однако он
нагреется настолько, что длина волны,
соответствующая максимальной интенсивности
излучения, сместится в инфракрасную область
спектра. Стеклянные стенки не пропустят
уходящую длинноволновую радиацию. Часть
энергии, поглощенная стеклом, будет излучаться
в окружающую среду одинаково по всем
направлениям. Половина этой энергии будет
излучена обратно, внутрь стеклянного ящика, и
все, что находится в нем, нагреется еще
сильнее (рис. 6.19). На этом физическом явлении
основано устройство теплиц. Лучи видимого
света свободно проходят через стекло и
поглощаются предметами, находящимися внутри
парника. Длинные волны, излучаемые
нагревшимися предметами, поглощаются стеклом;
половина этих волн отражается обратно внутрь
парника. Вот почему процесс задерживания
инфракрасных лучей часто называют
парниковым эффектом. Предполагается, что
аналогичное явление происходит в земной
атмосфере: двуокись углерода и водяной пар
поглощают значительную часть инфракрасного
излучения, испускаемого поверхностью Земли. В
результате поглощения длинных волн может со
временем повыситься температура приземного
слоя воздуха или же возникнут другие
эффекты, которые, напротив, приведут к
понижению температуры приземного слоя. Обо всем
этом подробно говорится в гл. 12.
Другой метод задерживания
инфракрасных лучей состоит в использовании
селективных поглощающих покрытий. Эти покрытия
Рис. 6.20. Один из вариантов многослойного
селективного покрытия и расчетная кривая его спектральной по-
глощательной способности.
изготовлены из нескольких слоев различных
материалов; каждый слой в отдельности
непрозрачен для видимого света и прозрачен
для инфракрасных лучей, однако все эти слои
пропускают волны излучения в видимой части
спектра и задерживают уходящее
инфракрасное излучение.
На рис. 6.20 изображено многослойное
селективное покрытие и представлена
вычисленная для него функция спектрального
распределения поглощения; заметим, что ось абсцисс
отградуирована по логарифмической шкале.
Ожидается, что у показанного здесь
многослойного покрытия отношение поглощатель-
ной способности в видимой части спектра к
излучательной способности в инфракрасной
области превысит 10: 1.
Мы уже знаем, что солнечное излучение на
поверхности Земли — источник энергии
сравнительно низкой плотности; к тому же оно
поступает нерегулярно, и его не так просто
улавливать без существенных потерь, а потому
практическое использование солнечной
энергии сопряжено с целым рядом трудностей.
Пример 6.3. Допустим, что коэффициент поглощения
равен 50 %. Требуется рассчитать площадь поверхности
солнечных коллекторов, необходимую для отопления в
зимний период индивидуального жилого дома.
Энергозатраты на отопление зависят от района
расположения дома. На Среднем Западе США типичный
жилой^дом с двумя спальнями потребляет в самый
холодный месяц около 420 м3 природного газа, что
эквивалентно 5-Ю9 Дж/сут. Суточная продолжительность
солнечного сияния около 6 ч; средняя энергетическая
плотность на поверхности солнечного коллектора 200 Вт/м2.
Потребность в энергии 1,5-10й Дж (5-109-30).
Необходимая площадь коллектора определяется
делением потребности в энергии на энергетическую
плотность:
1,5-lQ22/(200.30-24.60-60) =289 м2.
Большинство индивидуальных жилых домов не
приспособлено для установки коллекторов с такой общей
площадью (не говоря уже об их большой стоимости).
Эффективность использования солнечной
теплоты в значительной степени зависит от
температуры, при которой она улавливается в
коллекторах. Температура теплоносителя в
домашних гелиосистемах редко превышает
100 °С, поскольку коллекторы с
автоматическим слежением за Солнцем, с помощью
которых может обеспечиваться более высокая
температура, очень дорогие. Для того чтобы
рабочая температура теплоносителя находилась
в диапазоне от 100 до 500 °С, нужно иметь
гелиостаты, которые могли бы поворачиваться
хотя бы вокруг одной оси, а также позволяли
концентрировать солнечные лучи на теплопри-
емнике. Эта задача могла бы решаться,
например, с помощью продолговатых зеркал пара-
болоцилиндрической формы, направляющих
солнечные лучи на трубчатый коллектор,
заполненный теплоносителем (рис. 6.21).
143

Рис. 6.21. Параболические солнечные коллекторы,
поворачивающиеся вслед за Солнцем вокруг одной оси:
У —концентратор; 2 — приемник; 3 — приводной механизм; 4 —
стойка; 5 — основание
В целях получения более высоких
температур необходимо применять гелиостаты с двух-
осевым вращением для слежения за Солнцем
и с более сложной схемой фокусировки. Эти
дополнительные особенности конструкции
приводят к значительному удорожанию
гелиосистемы в целом. За последние несколько лет
развернулись оживленные дебаты по поводу
того, целесообразно ли отдавать предпочтение
«новейшим» и дорогим способам
использования солнечной энергии, а не способам,
основанным на получении низкопотенциальчой
теплоты при более низких затратах. В 1977 г.
управление по энергетическим исследованиям
и разработкам (ERDA) затратило 60 млн.
долл. на НИОКР в области создания
крупных центральных солнечных электростанций и
только 6 млн. долл. на создание
гелиоустановок, работающих при низкой и средней
температурах теплоносителя. Поскольку
приверженцы «новейшей» технологии не пришли еще к
единому мнению относительно того, какая
система была бы наиболее подходящей для
передачи теплоты от гелиостатов к
центральному преобразователю, рекомендованы два
способа: передача энергии в форме теплоты (т.е.
по трубам) и в форме световых лучей (при
помощи зеркал). Сторонники второго способа
фактически одержали верх в дискуссии, так
как именно на эту систему и была ассигнована
львиная доля средств, полученных из
госбюджета на работы в области солнечной
энергетики. Ход рассуждений был примерно
следующим: чем больше общая площадь
коллекторов, тем больше протяженность
трубопроводов для передачи нагретого теплоносителя со
свойственным им ростом тепловых потерь из-
за конвекции и радиации. С другой стороны,
по мере увеличения площади коллекторов
стоимость фокусирующих гелиостатов должна
уменьшаться благодаря экономии,
достигаемой за счет массовости их производства.
Ни одна из этих систем не создана еще в
таком масштабе, который позволил бы дать
надежную перспективную оценку. Эта
дискуссия, несомненно, будет продолжена. Обе
системы рассматриваются с чисто технической
точки зрения, а потому анализируются
отдельные их преимущества, виды воздействия на
окружающую среду и даются прогнозы.
Солнечная электростанция башенного типа
Федеральные ассигнования на нужды
солнечной энергетики были, в сущности,
ничтожными, пока энергетический кризис 1973—
1974 гг. отчетливо не продемонстрировал
уязвимость энергетического хозяйства США.
С тех пор размеры ассигнований на развитие
солнечной энергетики значительно возросли
(рис. 6.22), и уже имеются признаки того, что
администрация президента Рейгана будет
уделять гораздо меньше внимания этому вопросу.
За последние 5—6 лет большая часть средств
(60—70%) была направлена на создание
целого ряда систем, известных под названием
солнечных электростанций башенного типа.
Экспериментальная установка мощностью
5 МВт (тепл.) была построена близ г.
Альбукерке (штат Нью-Мексико) в конце 70-х
годов. Возле г. Барстоу (штат Калифорния)
сооружается пилотная солнечная установка
мощностью 10 МВт.
Для размещения крупных солнечных
электростанций лучше всего подходят пустыни,
так как они характеризуются высоким
среднегодовым уровнем солнечного излучения. На
рис. 6.i23 показаны среднегодовые значения
Рис. 6.22. Ассигнования из федерального бюджета па
НИОКР в области солнечной энергетики
144

Рис. 6.23. Изолинии значений поступления солнечного
излучения, усредненных за весь год и за полные сутки
солнечного излучения, поступающего на
горизонтальную поверхность (цифры осреднены
за весь год и за полные сутки). Отметим, что
можно обеспечить получение значительного
эффекта, установив поверхность солнечного
коллектора под строго определенным углом по
отношению к горизонту.
Большое количество солнечных дней
наблюдается на юго-западе США. Даже при
КПД преобразования солнечной энергии в
электрическую, равном всего лишь 10 %,
коллекторы, занимающие 15 % территории
штата Аризона, могли бы полностью обеспечить
потребность страны в электроэнергии.
Разумеется, передача этой энергии в крупные города,
где она необходима, оказалась бы не простым
делом и стоила бы довольно дорого.
Принцип работы солнечной
электростанции башенного типа очень прост, однако
потребуется решить немало трудных проблем,
прежде чем себестоимость электроэнергии,
производимой на этих станциях, будет
сопоставима со стоимостью энергии, вырабатываемой
на ТЭС. Как правило, башня, на вершине
которой укреплен приемник солнечной энергии,
находится на южном краю поля
гелиостатов— зеркал, совершающих поворот вслед за
Солнцем вокруг двух взаимно
перпендикулярных осей. Зеркала посылают отраженные
солнечные лучи на теплоприемник; солнечная
теплота используется для производства
высокотемпературного пара, который затем подается
в турбоагрегат, работающий по циклу Ренки-
на. Этот процесс схематически показан на рис.
6.24.
Пример 6.4. На солнечной электростанции
башенного типа в Альбукерке 333 гелиостата площадью по
37 м2 отражают солнечные лучи на приемник. На
поверхности приемника была зарегистрирована
максимальная энергетическая освещенность 2,5 МВт/м2. Какова
площадь поверхности этого приемника? Чему равны при
этих условиях теплопотери в приемнике, вызванные
радиацией?
Примем максимальную плотность потока солнечного
излучения в плоскости гелиостатов за 900 Вт/м2. Тогда
7,43 МВт — количество энергии, поступающей на
гелиостаты. Отражательная способность гелиостата обычно
Рис. 6.24. Принцип работы солнечной электростанции башенного типа

равна 0,9, поглощательная способность поверхности
приемника 0,95. Отсюда энергия, поглощенная
приемником,
7,43-0,9.0,95 = 7,04 МВт.
Следовательно, площадь поверхности должна быть
равна 7,04/2,5 = 3,81 м2.
Неизвестно, из каких материалов изготовлен
приемник. В таком случае допустим, что он представляет
собой абсолютно черное тело; тогда потери будут больше,
чем потери в реальном приемнике.
Плотность потока лучистой энергии найдем с
помощью (6.15)
<7 = оТ4 Вт/м2.
Расчетная рабочая температура теплоносителя
составляет около 600 °С; отсюда
7«(5,7.10-8).873*«3,3.104 Вт/м2,
а потери теплоты для всего приемника
(3,3-10*) (3,81 м2) = 1,26- IQ5 Вт.
Будут также потери, вызванные конвекцией; они, как
правило, приблизительно равны половине указанного
значения.
Солнечная электростанция башенного
типа, сооружаемая в Барстоу, будет иметь
мощность 10 МВт; высота башни 152 м. Эта
станция вместе со станцией в Альбукерке сыграет
роль испытательного полигона для проверки
инженерных решений; накопленный опыт
также позволит точнее определить итоговые
затраты. Будут исследованы различные элементы
гелиоэнергетических систем, в частности
гелиостаты, теплоприемники, устройства для
аккумулирования теплоты.
На башенной солнечной электростанции в
Альбукерке применяются плоские зеркальные
гелиостаты (рис. 6.25), хотя испытаниям
подвергались самые различные конструкции.
Фирма Boeing разработала принципиально
новый гелиостат, отражающая поверхность
которого представляет собой алюминирован-
ную пленку из майлара1, растянутую на
круглой раме внутри защитного пластмассового
кожуха. Гелиостаты нужно будет изготовлять
в полном соответствии с весьма строгими,
техническими требованиями. Они должны
выдерживать большие ветровые нагрузки;
конструкция гелиостатов должна быть такой, чтобы
им можно было придать любое положение —
вертикальное (для защиты от повреждения
градом), горизонтальное (для уменьшения
деформаций, вызванных сильным ветром) и
перевернутое (для уменьшения повреждений,
вызванных песчаной бурей). Гелиостаты
должны быть ориентированы на Солнце с
точностью ±0,1° и должны автоматически следить
за его положением на небе. Конструкция ге-
1 Майлар — пленка из полиэтиленгликольтетрафта-
лата, обладает стойкостью в диапазоне от —60 до
-Н50°С. (Примеч. пер ев.)
Рис. 6.25. Некоторые конструкции гелиостатов,
разработанные фирмами США
лиостатов должна обеспечивать возможность
их экстренного отключения, если в приемнике
произойдет утечка теплоносителя. Наконец,
гелиостаты должны быть относительно
недорогими. Согласно оценкам министерства
энергетики США при массовом производстве
гелиостатов и экономически рентабельной
технологии их изготовления стоимость
гелиостатов не превысит 80 долл/м2. Гелиостаты,
изготовляемые в настоящее время, обходятся
примерно от 500 до 1000 долл/м2. Ясно, что
такую стоимость не назовешь экономически
выгодной! (Один из критиков программы
создания башенных солнечных электростанций
заявил, что фирмы, производящие
авиационную и ракетно-космическую технику и
принимающие участие в осуществлении этой
программы, изготовляют космические гелиостаты
по «космическим» ценам).
Приемник также должен выполнять самые
разнообразные функции в крайне
неблагоприятных условиях. Он должен поглощать как
можно больше солнечных лучей, отражаемых
гелиостатами. Потери, вызванные радиацией
и конвекцией, должны быть минимальными.
Приемник должен выдерживать значительные
колебания температуры, а нередко и
чрезвычайно быструю периодическую ее смену,
обеспечивать эффективный теплообмен с
охлаждающей жидкостью. Масса его должна быть
небольшой, так как он будет смонтирован на
вершине башни. Стоить он должен недорого.
Исследования, проводившиеся по заданию
министерства энергетики, показали, что
стоимость приемника должна составлять менее
15 % суммарных затрат.
Для любой гелиоэлектрической установки
необходимо создание аккумуляторов теплоты.
146

Как известно, потребность в электроэнергии
может быть удовлетворена путем сочетания
электростанций, работающих в базисном и
пиковом режимах нагрузки. Электроэнергию,
выработанную на солнечной станции, можно
использовать в базисной части графика
нагрузки, однако для этого понадобится
обеспечить аккумулирование большого количества
теплоты или электрической энергии. Всем
ясно, что электроэнергия, выработанная
солнечной электростанцией, не конкурентоспособна
в качестве базисной электроэнергии. Именно
пиковая часть графика, а не базисная
повторяет кривую интенсивности солнечного
излучения (правда, со сдвигом по времени на
несколько часов вперед), поэтому солнечная
электростанция очень удобна для покрытия
пиковых нагрузок, если только удастся
обеспечить аккумулирование теплоты или
электрической энергии в объеме, достаточном для
покрытия нагрузок в течение нескольких часов.
Этот вопрос исследуется в гл. 10.
К середине 1981 г. строительство
солнечной электростанции башенного типа в Барстоу
серьезно отставало от намеченного графика, а
фактические затраты по ее сооружению
намного превысили сметную стоимость. В конгрессе
США возникли разногласия по поводу
целесообразности дальнейшего финансирования
проекта. Высказывались опасения, что этот
проект станет для солнечной энергетики тем
же, чем стала ветроустановка в Грандпаз-
Ноб * для ветроэнергетики, а именно
затормозит ее развитие на несколько десятилетий.
Отсрочка сдачи СЭС Барстоу в эксплуатацию
послужила причиной того, что, во-первых,
были увеличены ассигнования на разработку
мелких гелиоустановок индивидуального
пользования, а во-вторых, возродился интерес к
крупным системам с рассредоточенными
коллекторами солнечной энергии.
«Солнечные энергетические фермы»
Было предложено немало вариантов
рассредоточенного расположения коллекторов.
Противники этой идеи утверждали, что
слишком много энергии теряется при передаче по
трубам теплоносителя, нагретого до высокой
температуры, к парогенератору. Предлагалось,
в частности, уменьшить эти потери путем
использования труб с многослойной селективной
1 В 1941 г. в местечке Грандпаз-Ноб (центральная
часть штата Вермонт) был установлен на башне высотой
34 м двухлопастный ветроагрегат диаметром ветроко-
леса 53,34 м> Он проработал 18 мес, затем вышел из
строя. Этот эксперимент считается дорогостоящей
неудачей. Подробнее — см. книгу Д. Мак-Вейга
«Применение солнечной энергии». М.: Энергоиздат, 1981, с. 151—
152. ^Примеч. пере в.)
Рис. 6.26. Один из предложенных эффективных методов
теплопередачи в системе с рассредоточенными
коллекторами:
/ — цилиндрическая стеклянная линза Френеля; 2 — входная
щель; 3 — внутренняя стенка трубы с отражающим
покрытием; 4 — теплоноситель — жидкий металл; 5 — вакуумная
стеклянная трубка диаметром 16 см; 6 — Стальная Трубка
диаметром 4 см с селективным покрытием
облицовкой. Согласно этому предложению
стальную трубу с селективной многослойной
облицовкой (см. рис. 6.20) рекомендуется
поместить в цилиндр с внутренним зеркальным
покрытием, из которого откачан воздух в
целях уменьшения конвективных теплопотерь.
Лучи Солнца проникают через щель в
цилиндре, перекрытую стеклянными линзами
Френеля1, благодаря которым обеспечивается 10-
кратная концентрация солнечных лучей (рис.
6.26). Теплота, аккумулированная в стальной
трубе, отводится теплоносителем (в качестве
которого может служить, например, жидкий
натрий). Этот теплоноситель удобно
использовать в роли среды, аккумулирующей теплоту,
так как он обладает довольно высокой
удельной теплотой плавления.
Согласно некоторым оценкам для
получения мощности 106 МВт (эл.) за счет солнечной
энергии при КПД преобразования 30 %
понадобится соорудить коллекторы общей
площадью свыше 8 тыс. км2. Для обеспечения
указанных КПД температура пара должна
составлять около 500 °С, а для аккумулирования
необходимой теплоты потребуется свыше
320 млн. т натрия! Выработанная этой
системой электроэнергия будет
конкурентоспособной, если удельная стоимость ее коллекторов
не превысит 60 долл/м2. В наше время дости-
1 Линза Френеля — устройство, позволяющее
использовать дифракцию Френеля для получения
сфокусированного изображения. Кольцевая линза Френеля
состоит из отдельных чередующихся темных и светлых
колец, /ч-й радиус которых выражен зависимостью: Rn —
= пХг0} где Го — фокусное расстояние при длине
световой волны, равной к
147

жение этого показателя является абсолютно
нереальной задачей.
Предстоит еще решить немало научных и
технических проблем. Качество селективных
поглощающих покрытий будет постепенно
ухудшаться (точно неизвестно, как быстро) в
результате диффузии металлов и воздействия
ультрафиолетовых лучей. Необходимо
досконально исследовать процессы теплопередачи в
теплоносителе. Должны быть тщательно
проанализированы стоимостные показатели.
Нужно будет произвести более точные сравнения
между системой с рассредоточенными
индивидуальными коллекторами («солнечной
фермой») и системой с отражением солнечной
радиации на центральный приемник
(электростанцией башенного типа) на основании
достоверных данных, прежде чем делать далеко
идущие выводы. Однако в первую очередь
имело бы смысл отнестись внимательнее к еще
одной гелиосистеме, в которой улавливание
солнечной энергии ничего не стоит.
Солнечная энергия, аккумулированная
океаном
Существует природная система
аккумулирования солнечной энергии. Это — Мировой
океан. Благодаря потоку солнечного
излучения образуется температурный градиент
между поверхностными и глубинными слоями
морской воды. Еще в 1881 г. был предложен
способ использования этой разности температур
в тепловом двигателе. Безуспешную попытку
предпринял Ж. Клод в 1930 г. Неудача с
созданной им установкой была вызвана тем, что
в качестве рабочего тока для ее турбины
использовалась вода. Для более современных
устройств в качестве рабочего тела
предложены аммиак, фреон либо другие флюиды,
обычно применяемые в холодильных агрегатах.
В 1956 г. вблизи Берега Слоновой Кости была
построена другая экспериментальная
установка, которая подтвердила возможность подачи
Теплая вода (25°С)
Л. Пары аммиака под
I высоким давлением
Котел
\испаритель\
Еыра5аты6а.ема.я электроэнергия
А
Пары аммиака под
низким давлением
' ГС
монденсатоп
Жидкий, аммиак Жидкий аммиак
\под Высоким давлением под низким давлением \5оА
Сбрасываемая Забор
теплая вода(23°С) холодной воды
Сбрасываемая
холодная вода (7еС)
Рис. 6.27. Схема работы ОТЭС
Однако электроэнергия, вырабатываемая этой
установкой, оказалась значительно более
дорогой по сравнению с энергией, производимой
на построенной невдалеке
гидроэлектростанции. В результате дальнейшие эксперименты
на этой океанической тепловой
электростанции (ОТЭС) были прекращены.
На рис. 6.27 схематически показано
устройство ОТЭС, которую иногда называют
системой преобразования теплоты океана.
Холодная вода поступает из глубинных слоев и
используется для ожижения аммиака при
температуре 10 °С. Жидкий аммиак затем
испаряется при температуре 20 °С с помощью теплой
воды, поступившей с поверхности океана.
Температура отработавшей воды понижается на
2°С — с 25 до 23 °С, Пар аммиака,
находящийся под высоким давлением, расширяется в
турбине, охлаждаясь при этом на 10°С;
значительно падает и давление паров аммиака.
Затем происходит их конденсация под действием
более холодной воды, которая в результате
сама нагревается на 2°С.
Пример 6.5. Чему равен КПД цикла Карно для
системы, изображенной на рис. 6.26?
* 1-
273 + 10
= 3,4%.
' // 273 + 20
Фактический КПД будет вдвое меньше.
Основная проблема заключается не в
технической осуществимости проекта, а в
себестоимости производимой ОТЭС электроэнергии.
Однако последняя зависит от принятой схемы
и конструкции станции.
Подробными исследованиями и
конструированием ОТЭС занимаются в США пять
учреждений:
Университет штата Массачусетс. Вариант
конструкции: подводный корпус; рабочее
тело— пропан; место установки ОТЭС — в 20 км
от побережья штата Флорида (у г. Майами);
мощность станции 400 МВт, электроэнергия
передается на берег по кабелю.
Университет Карнеги— Меллона.
Подводный корпус, который может быть расположен
на дне Мексиканского залива; рабочее тело —
аммиак; производимая электроэнергия будет
использоваться на борту ОТЭС, вероятно, для
получения водорода.
Корпорация Lockheed. Полупогруженная
платформа в виде цилиндрического
заякоренного буя мощностью 160 МВт (рис. 6.28).
Корпорация TRW. Плавучая платформа с
модульными агрегатами на борту мощностью
100 МВт.
Лаборатория прикладной физики
университета Джона Гопкинса. Плавучая платформа
мощностью 100 МВт; электроэнергия
используется на борту установки для синтеза аммиа-
148

Таблица 6.11. Сравнение экономических показателей производства электроэнергии
электростанциями различных типов
Экономические показатели
Удельные капитальные вложения, долл/кВт
Коэффициент использования установленной
мощности*2
Твердая учетная ставка, %
Удельная себестоимость производства
электроэнергии, цент/(кВг-ч)
В том числе:
фиксированные расходы
эксплуатационная составляющая
топливная составляющая
мазут
465*
0,75
15
3,2
1,1
1 °>{
2,О*2
ТЭС
угольные
450*
0,75
15
2,2—3,5
1,0
„°'1 ,
1,0—1,4*2
АЭС

заниженная
оценка
500*
0,6
15
1,8
1,4
0,1
0,3

завышенная
оценка
1000
—
—
3,3
2,9
—
Приемлемый
интервал для
ОТЭС
ЮОО—1900
0,9
13
1,7—3,2
1,6—3,1
0,1
0
* Сюда включены удельные затраты в размере 100 долл/кВт на мероприятия по борьбе в загрязнением окружающей среды
и обеспечение безопасности, а в стоимостные показатели для ТЭС включены, кроме того, затраты на создание складского
хозяйства с 30-дневным запасом топлива.
2* Стоимость нефти принята равной 80 долл/т; стоимость угля,добываемого на востоке США, — от 31 до 41 долл/т. Удельный
расход теплоты принимается равным 10,5 МДж/(кВт*ч).
ка или производства алюминия из бокситов
(рис. 6.29).
Подводные ОТЭС гораздо менее
чувствительны к воздействию ураганов, чем плавучие.
С другой стороны, плавучая ОТЭС может
перемещаться в акватории Мирового океана в
поисках наиболее оптимального градиента
температур. Передача на берег выработанной
электроэнергии или производимого водорода
позволит избежать трудностей, связанных с
необходимостью аккумулирования энергии на
борту ОТЭС, однако системы передачи
энергии дороги и ненадежны. Необходимо решить
множество технических проблем, среди
которых:
создание крупных теплообменников с
высоким КПД;
устойчивость ОТЭС к воздействию
течений;
напряжения, возникающие в длинных
трубопроводах для холодной воды;
засорение и обрастание трубопроводов
морскими организмами и водорослями.
Все это затрудняет оценку стоимостных
показателей, но соответствующий анализ
проводится. Согласно оценкам себестоимость
электроэнергии, вырабатываемой на ОТЭС,
сопоставима с себестоимостью энергии,
производимой на ТЭС и АЭС (табл. 6.11).
Разумеется, при расчете этих показателей было
сделано много допущений, однако это не
означает, что все они обоснованы. Отдельные
критики стоимостных оценок уверены, что самым
слабым звеном в любой конструкции ОТЭС
являются трубопроводы для холодной воды.
Подчеркивалось также, что строительство
морских сооружений всегда обходится гораздо
дороже, чем строительство аналогичных
систем на суше. С другой стороны, по мнению
ряда экспертов, затраты могут оказаться раз
в пять ниже.
Рис. 6.28. Схематическое изображение крупной ОТЭС
(разработка компании Lockheed Missiles and Space):
/ — труба для забора холодной воды; 2 — цистерны
плавучести; 3 — конденсатор; 4 — турбогенераторы; 5 — резервуар для
аммиака; 6 — отверстия для забора теплой воды; 7 ^—каюты для
персонала; 8 — системы регулирования плавучести
энергетического модуля; 9 — испаритель; 10 — пост управления и отсек для
механического оборудования, // — циркуляционные насосы хо^
лодной воды; 12 — конденсатные насосы
14Э

Рис. 6.29. Схема устройства плавучей ОТЭС с установкой для производства аммиака
Единственная возможность установить
истину заключается в том, чтобы продолжить
начатое дело. Многие сторонники создания
ОТЭС смотрят в будущее с большим
оптимизмом. Если выяснится, что они были правы,
океанские тепловые электростанции смогут за-
Таблица 6.12. Потенциальные возможности ввода
мощностей на ОТЭС и экономии топлива в 2000 г.
Использование ОТЭС

Производственная
МОЩНОСТЬ
ОТЭС,
млн. т/год
Мощность
ОТЭС,
ГВт(эл.)
Экономия
топлива,
ТДж/год
Плавучие передвижные ОТЭС в открытом океане
на широте, близкой к экватору
Производство аммиа-
ака для
использования в качестве
составной части
удобрений
Электролитическое
рафинирование
алюминия
Производство
аммиака, водорода,
выдача электроэнергии
45
15
36
42
23
32
1,6
2,4
1,6
Стационарные ОТЭС, расположенные на незначительном
расстоянии от берега
Выдача
электроэнергии в сеть общего
пользования
20
1,7
метно повлиять на общую ситуацию в
энергетике США к 2000 г. (табл. 6.12).
Ввиду того что ОТЭС способны
вырабатывать большое количество электроэнергии,
необходимо предварительно удостовериться, что
они не причинят ущерба окружающей среде;
это надо сделать, прежде чем будут выделены
крупные суммы на разработку ОТЭС, которые
уже не удастся вернуть. Прямым следствием
широкого использования ОТЭС явится
понижение температуры поверхностного слоя.
Величина этого понижения с трудом поддается
расчету. Согласно одной из оценок ежегодное
извлечение из океана теплоты в количестве
60 ТВт приведет к понижению средней
температуры на Земле всего лишь на 1 °С, однако
и это снижение температуры имело бы далеко
идущие последствия — увеличилась бы,
например, площадь полярных ледяных шапок,
сократился бы вегетационный период.
Следовало бы также помнить, что изменение
температуры поверхности земного шара на 1 °С — всего
лишь оценка, основанная на простой
математической модели, и она может оказаться
абсолютно неправильной.
Возможны и другие последствия; впрочем,
не все из них будут отрицательными.
Холодная вода океанских глубин богата
питательными веществами, необходимыми для роста
морских организмов, но она, как правило,
слабо перемешивается с теплой водой
поверхности. У полюсов Земли холодная, более плот-
150

Рис. 6.30. Соотношение потенциалов различных форм энергии океана (а); плотность или концентрация энергии,
выраженная в эквиваленте напора воды (б):
/—океанические течения; 2 — приливы; 3 — волны; 4 — градиенты солености; 5 — градиенты температуры
ная вода опускается на дно и движется по
направлению к экватору. В отдельных районах
океана происходит так называемый апвел-
линг — подъем вод с глубины в верхние слои.
Течение Гумбольдта, проходящее у берегов
Перу, характеризуется интенсивным апвеллин-
гом, благодаря чему доля этого района
рыбного промысла в мировом улове составляет
около 20%. ОТЭС вызовут аналогичный подъем
глубинных вод и тем самым будут
способствовать расширению кормовой базы для рыбы и
прочих морских организмов.
Предлагались также и некоторые другие
варианты использования солнечной энергии,
аккумулированной в океане в форме энергии
течений, волн, градиентов солености, приливов.
Только последний вариант опробован на
практике (см. гл. 2). Сравнительные данные о
различных формах энергии океана представлены
на рис. 6.30. Принято считать, что эти формы
энергии непригодны к использованию, за
исключением энергии приливов; исследования в
этих областях не получают достаточной
финансовой поддержки.
В настоящее время ускоренными темпами
осуществляется программа НИОКР по
преобразованию теплоты океана. В ближайшие
годы несомненно удастся найти разнообразные
решения ряда технических и экономических
проблем, о которых говорилось выше. Будет
ли ОТЭС представлять собой нечто большее,
чем просто любопытный эксперимент в
области морской техники? Это один из вопросов,
пока что остающихся без ответа.
Солнечная энергия для отопления
и горячего водоснабжения
Около 20 % всей энергии, потребляемой в
США, затрачивается на отопление и горячее
водоснабжение жилых домов и общественных
зданий. На одно лишь отопление жилых домов
расходуется 12 % всех энергоресурсов,
расходуемых в стране. Использование бытовых
систем солнечного теплоснабжения могло бы
обеспечить весьма значительную экономию
Рис. 6.31. Схема установки солнечного теплоснабжения
и кондиционирования воздуха
энергоресурсов. Еще несколько лет назад в
большинстве районов США к возможностям
использования солнечной энергии относились
крайне недоверчиво. В настоящее время
ситуация совершенно иная — многие обнаружили,
что солнечную энергию можно эффективно
использовать в индивидуальных жилых домах, и
обойдется это недорого.
Применяются два основных вида
домашних гелиосистем — активные и пассивные.
Рассмотрим оба варианта с нескольких точек
зрения; сперва обратимся к активным
системам.
На рис. 6.31 представлены
функциональные связи между элементами системы и
пояснен принцип отопления и охлаждения
помещений за счет солнечной энергии. Эта система
отличается от стандартных систем важной
конструктивной особенностью— в ней
предусмотрены солнечный коллектор и аккумулятор
теплоты. Необходим также вспомогательный
источник теплоснабжения для покрытия
пиковой части графика нагрузки теплосети.
Использование солнечных отопительных устано-
151

Таблица 6.13. Количество солнечного излучения, 108 Дж/м2
Город
Майами
Эль-Пасо
Лос-Анджелес
Альбукерке
Фресно
Индианаполис
Нью-Йорк
Кливленд
Астория
Сиэттл
Фербенкс
Штат
Флорида
Техас
Калифорния
Нью-Мексико
1- Калифорния
Индиана
Нью-Йорк
Огайо
Орегон
Вашингтон
Аляска
фота
а |
25°47'
31°48'
1 33°55'
35°3'
36°46'
39°44'
40°46'
41°23'
46°11'
47°36'
64°48'
варь
Ds
4,64
4,51
3,38
4,21
2,61
1,93
1,98
1,72
1,27
1,06
0,С63
л
О.
е
5,17
5,41
4,33
4,91
3,77
2,71
2,71
2,34
2,12
1,82
1,18
о.
?
6,61
7,46
6,33
7,08
6,09
4,37
4,37
4,49
3,78
3,72
3,49
рель
с
<
6,99
8,49
6,77
8,17
7,16
5,19
4,99
5,07
4,96
5,32
5,53
^
7,08
9,18
7,54
9,11
8,31
6,30
6,01
6,68
6,39
6,54
6,24
3
5
6,99
9,27
7,98
9,38
9,27
7,18
7,02
7,40
6,17
6,72
6,70
J.
ч
6,97
5,31
8,42
8,87
8,70
7,06
6,46
7,26
6,94
7,30
5,74
густ
CQ
<
6,56
7,31
7,41
8,21
7,89
6,25
5,47
6,28
5,82
5'7i
4,07
нтябрь
о»
5,44
6,80
6,15
6,89
6,16
4,89
4,39
4,56
4,23
3,87
2,11
тябрь
О
4,89
5,74
4,55
5,40
4,73
3,51
3,22
3,27
2,52
2,26
9,36
ябрь
о
X
4,13
4,09
3,27
3,93
2,78
2,02
1,86
1,60
1,24
1,16
0,23
кабрь
CD
4,12
3,67
3,09
3,70
2,16
1,69
1,66
1,48
1,02
0,82
0,046
вок для покрытия пиковой части тепловых
нагрузок во многих районах США оказалось бы
слишком дорогостоящим. Этот
дополнительный источник энергии должен полностью
обеспечивать здание необходимым количеством
теплоты или холода в периоды максимальной
потребности.
В табл. 6.13 приведены значения потока
прямого солнечного излучения, падающего на
горизонтальную поверхность (за 24 ч) в
зависимости от месяца, для нескольких городов
США. Правильно выбрав угол наклона
плоскости коллектора, можно получить гораздо
более высокие осредненные показатели.
Солнечные коллекторы могли бы служить ценным
дополнением к отопительной системе в любом
населенном пункте; если даже в наихудшем
случае средняя плотность потока превышает
80 Вт/м2, системы солнечного нагрева будут
работать почти непрерывно, за исключением
нескольких дней. Основной вопрос
заключается в том, будет ли солнечное отопление стоить
дороже, чем отопление мазутом или газом.
Как правило, люди не дают однозначного
ответа.
Коллектор (панель) —важнейший элемент
активной системы солнечного теплоснабжения
(и/или кондиционирования воздуха). Обычно
это — плоская металлическая теплопоглощаю-
щая пластина с теплообменником и одним
или более устройствами, предназначенными
Прозрачные покрытий Рама
¦Теплоприемник
Теплообменник
Кожух Теплоо5менная среда Теплоизоляция
Рис. 6.32. Разрез плоской солнечной панели.
для уменьшения теплопотерь. Схематически
коллектор изображен на рис. 6.32.
Чтобы обеспечить максимальное
улавливание солнечного излучения, необходимо
тщательно разработать конструкцию и правильно
выбрать ориентацию такого коллектора.
Применяются медные, стальные и
алюминиевые панели. В любом случае поверхность
панелей следует подвергать специальной
обработке или снабжать покрытием для
уменьшения отражательной способности. Поверхность
коллектора должна поглощать по меньшей
мере 90 % падающих на нее солнечных лучей.
Напомним, что эффективность улавливания
солнечных лучей зависит от угла их падения
на поверхность панели. Поверхность панелей
должна быть покрыта черной матовой
краской или анодирована, если панель
изготовлена из алюминия. На окрашиваемую
поверхность нужно предварительно нанести
травящее грунтовочное покрытие, чтобы
впоследствии краска не шелушилась. Если в качестве
теплоносителя используется водопроводная
вода и она контактирует с поглощающей
теплоту пластиной, нельзя применять для
изготовления теплоты ни алюминий, ни
углеродистую сталь, так как эти металлы корродируют
под действием минеральных солей,
содержащихся в воде. Можно использовать
обессоленную воду, однако это значительно
увеличивает стоимость гелиоустановки.
Теплопроводность всех трех металлов
сильно различается (табл. 6.14).
Плохая теплопроводность стали означает,
что при изготовлении из нее панелей
понадобится проложить в них гораздо больше труб
или увеличить в них расход воды, иначе
панель может слишком перегреться (тогда
возрастут и теплопотери). Увеличение числа труб
усложнит конструкцию панели, а увеличение
скорости протекания по ним воды может
вызвать повышенную коррозию металла.
152

Таблица 6.14. Сравнение материалов, применяемых для
изготовления плоских солнечных панелей
Показатель
Плотность, г/см3
Теплопроводность,
Дж/(смт-°С)
Толщина пластины при
одинаковых рабочих
характеристиках
коллектора, мм
Затраты энергии на
изготовление панелей,
МДж/кг
Затраты энергии на
изготовление, МДж/м2
Медь
8,92
370
0,4
110
533
Сталь
3,04
47
1,6
27
513
Алюминий
1,09
200
0,8
271
794
В последнее время проводились
эксперименты по использованию черных пластиковых
панелей с воздушными полостями для
обеспечения теплоизоляции и протока воды. По
имеющимся данным, эти панели улавливают
солнечное излучение не хуже металлических, а
стоят гораздо дешевле. Впрочем,
действительную заводскую себестоимость и
эксплуатационную долговечность всех этих панелей из тед-
лара, поливинилхлорида, тефлона предстоит
еще определить.
Для уменьшения теплопотерь, вызванных
излучением и конвекцией с поверхности
панели, необходимо одно или несколько
прозрачных покрытий, как правило, стеклянных.
Суммарное количество теплоты, поступающей от
панели, можно выразить формулой:
<2а = таФ0 — U AT, (6.21)
где т — коэффициент пропускания солнечного
света через прозрачные покрытия; а — погло-
щательная способность панели, осредненная
по всем углам падения солнечных лучей и за
соответствующий период времени; Ф0 —
приходящая на панель солнечная радиация,
UAT— сумма всех теплопотерь. Коэффициент
U можно считать фактически коэффициентом
теплопередачи, a AT представляет собой
разность температур панели и окружающей
среды.
Значение коэффициента пропускания
солнечного света т зависит от количества
прозрачных покрытий, их материала, угла
падения солнечных лучей. Для того чтобы
прозрачность каждого слоя составляла 90%,
рекомендуется применять специальное стекло с
низким содержанием железа. Оно почти
совершенно не пропускает инфракрасное
излучение, исходящее от нагретой металлической
панели. Для уменьшения отражательной
способности можно, как уже говорилось,
применять многослойные покрытия, однако они
дорого стоят, и еще мало что известно о том, хо-
Число прозрачных покрытий
Рис. 6.33. Относительные теплопотери в плоской
панели как функция числа прозрачных покрытий и
скорости ветра
рошо ли они выдерживают продолжительное
воздействие солнечного излучения. В качестве
покрытия могут также применяться пленки
из майлара; они пропускают тот же спектр,
что и стекло, но, в отличие от стекла более
прозрачны для инфракрасных лучей. Правда,
майларовая пленка разрушается под
действием ультрафиолетового излучения,
обнаруживает тенденцию к растягиванию и провисанию
при повышенной температуре.
Следует устанавливать по меньшей мере
два прозрачных покрытия. На рис. 6.33
представлены теплопотери при одном, двух и трех
прозрачных покрытиях в зависимости от
скорости ветра. Конвективные теплопотери,
разумеется, преобладают, но их можно
существенно снизить, установив добавочные покрытия.
Еще сильнее можно снизить теплопотери,
выкачивая воздух из пространства между
слоями прозрачного покрытия.
В качестве теплоносителя пригодно
несколько различных флюидов, например вода,
смесь этиленгликоля (антифриза) и воды,
воздух. Жидкости удобны в обращении,
обеспечивают более высокую эффективность процесса
теплопередачи от панели. Воздушные системы
не замерзают, не подвержены коррозии, их
легче использовать для извлечения теплоты из
аккумулирующей среды.
Комплексная бытовая система
теплоснабжения (кондиционирования воздуха) жилого
дома показана на рис. 6.34. Вода,
используемая в качестве теплоносителя в солнечных
панелях, подогревает воду, идущую на бытовые
нужды; эта вода поступает непосредственно в
бак емкостью 1 м3, а затем хранится в
резервуаре емкостью 6 м3. Теплота от воды
передается в окружающую гравийную засыпку
путем конвекции. Через засыпку пропускают
воздух, который нагревается и используется для
отопления. Летом горячий воздух, удаляемый
из дома, пропускается сквозь засыпку и
отдает всю теплоту резервуару с водой; в ночное
153

Рис. 6.34. Вариант активной системы солнечного
отопления и кондиционирования воздуха
время нагревшаяся вода насосом подается в
змеевики, уложенные на крыше, где она
охлаждается. Может понадобиться также и
использование кондиционера, работающего от
обычной электрической сети.
В этой системе можно применять
разнообразные аккумулирующие среды. Гравийная
засыпка обладает тем преимуществом, что она
дешева и удобна в обращении; никаких
особых мер предосторожности не требуется.
Однако гравий не срезу поглощает или отдает
теплоту.
Весьма оригинальное вещество —
глауберова соль [кристаллогидрат сернокислого
натрия (Na2S04- 10H2O)]; она переходит из
твердого состояния в жидкое при 32,38 °С.
Удельная теплота плавления в момент фазового
перехода составляет около 80 кал/г. Есть
вещества с более высокой удельной теплотой
плавления; они дороже стоят, и для них чаще
всего характерны довольно высокие температуры
фазового перехода (см. гл. 10).
Пример 6.6. Какое количество теплоты может быть
аккумулировано в резервуаре, изображенном на рис.
6.33? Допустим, что температура горячей воды 50 °С
и что теплота отбирается до тех пор, пока температура
воды не снизится до 27 °С:
Q=mcAT = 6048 л-1000 г/л-4,186 Дж/(г-К) (50 —
— 27)°С;
<2 = 5,8-10« Дж.
Этого будет достаточно лишь для отопления дома в
течение одних суток и то в условиях климата с мягкой
зимой. (Теплота, накопленная в гравийной засыпке, не
учитывается.)
Существуют, конечно, самые
разнообразные варианты систем солнечного
теплоснабжения и кондиционирования воздуха, но все
эти варианты здесь подробно не
рассматриваются. За последние годы построено много
«солнечных домов»; обширная информация на
эту тему содержится в научно-популярных и
технических журналах.
Пока что речь шла об активных
гелиосистемах. Перейдем теперь к пассивным и
прежде всего выясним, в чем же между ними
разница. Действительно, не всегда отличишь
элемент гелиосистемы от элемента строительной
конструкции (например, разве не может окно
походить на солнечный коллектор?).
Для пассивной системы предложено
следующее простое определение: пассивная система
состоит из элементов строительных
конструкций, деталей и узлов, при помощи которых
обеспечивается естественная (т. е. без
использования вентиляторов или насосов) передача
теплоты, полученной в результате
преобразования лучистой энергии Солнца, для
отопления, нагрева воды либо кондиционирования
воздуха.
Впрочем, пассивное использование
солнечной энергии не означает одного лишь
применения элементов строительной конструкции и
архитектурного оформления. Она включает и
такие аспекты, как расположение здания на
участке, распределение и вид зеленых
насаждений, использование рельефа местности для
частичного заглубления дома в грунт. Окна
жилых помещений должны выходить на юг; по
крайней мере, на эту сторону должны быть
ориентированы поверхности, на которые
возложена функция восприятия солнечного
излучения. Деревья по возможности не должны
заслонять низко стоящее зимнее солнце.
Лиственные деревья нужно сажать возле самого
дома, чтобы летом они давали тень; зимой их
голые ветви не будут заслонять солнце. Дома,
частично заглубленные в землю, позволяют
использовать теплоизоляционные свойства
почвы, что очень ценно. В некоторых районах
Центральной Австралии t чрезвычайно
жарким климатом построены полностью
заглубленные в землю дома, и они вообще не
нуждаются в кондиционировании воздуха!
Важной особенностью пассивных систем
является то, что, во-первых, само здание
играет роль солнечной панели и, во-вторых,
обогрев, а иногда и охлаждение помещений
обеспечены за счет естественной конвекции. На
рис. 6.35 изображено пять различных методов
улавливания солнечной теплоты при помощи
пассивных систем. Эти конструкции не
требуют подробных разъяснений. Отметим лишь, что
здесь могут быть использованы (и
используются) самые разнообразные варианты.
При использовании не только пассивных,
но и активных систем очень важно, чтобы
здание было спроектировано с улучшенными энер-
154

Рис. 6.35. Примеры пассивных систем использования солнечной энергии:
а — система с прямым поступлением солнечной энергии через окна; б — термосифонный коллектор воздушного типа; в —
теплица с солнечным обогревом; г — теплоаккумулирующая стена; д — теплоаккумулирующая кровля, используемая для охлаждения
летом; е — то же, используемая для обогрева зимой
гоэкономическими характеристиками.
Необходимо иметь в виду, что в просторных
помещениях с высокими потолками расходуется
намного больше теплоты по сравнению с
помещениями с низкими потолками; следует
тщательно продумать конструкцию окон с целью
минимизации потерь теплоты через них.
Через окна, обращенные на юг, поступают
солнечные лучи; окна, выходящие на север,
следует делать как можно меньшими. Северную
стену неплохо было бы вообще заглубить в
грунт. Все окна должны иметь двойное
остекление, все наружные двери необходимо
снабдить нащельными рейками и уплотнениями.
Теплоизоляцию нужно прокладывать не
только на чердаке, но и в наружных стенах.
Критерием теплоизоляционной способности
материала служит коэффициент термического
сопротивления R — величина, обратная
коэффициенту теплопроводности1. Некоторые
наиболее распространенные значения R приведены
ниже:
Материал
Мрамор
Стекло
Кирпич
Влажная почва
Влажный песок
Древесина лиственных пород
Сухая почва
Полистирол толщиной 5 см . .
Сухой песок
Стекловолокно толщиной 9 см
Значения
коэффициента /?,м-К/Вт
0,03—0,04
0,08—0,11
0,08—0,17
0,29—0,87
0,58
1,16-1,73
2,89—5,78
4,62
5,78
6,36
1 Коэффициент термического сопротивления R —
мера способности материала противостоять тепловому
потоку. Теплоизоляционные материалы характеризуются
в основном их величиной R. Чем выше величина R,
тем лучше изоляционная способность. (Примеч. и е-
рев.)
Наконец, пора затронуть вопрос о
стоимости гелиосистем. Эти устройства, даже
пассивные, гораздо дороже, чем могло бы
показаться. Дополнительные издержки при
сооружении теплопоглощающей стены составляют
(в ценах 1977 г.) около 33 долл/м2, а
стоимость подведенной энергии — от 15 до
24 долл/ГДж в зависимости от
географического расположения. Эти цифры следовало бы
сравнить с тарифами на электроэнергию
(около 13 долл/ГДж). Стоимость сооружения
водяных коллекторов типа «солнечный пруд» на
крыше дома и термосифонных воздушных
коллекторов еще больше.
Активные системы обходятся намного
дороже пассивных. Тем не менее конгресс США
утвердил закон о национальной энергетике,
согласно которому разрешена скидка с
налога на дом в размере 30 % от первых 1500 долл.
и по 20 % от каждых последующих 8500 долл.,
затраченных на оборудование для солнечной
энергетики; при этом общий размер скидки не
должен превышать 2150 долл.
Было проведено исследование, цель
которого заключалась в том, чтобы определить
экономические показатели солнечных
установок в нескольких городах США при наличии
налоговой скидки и без нее; стоимость
эксплуатации таких установок сравнивалась с
затратами на электроэнергию и топливо,
расходуемые на отопление домов.
Результаты исследования приведены в
табл. 6.15. Из нее видно, что во всех четырех
городах система солнечного теплоснабжения
выигрывает только при сравнении с
электрообогревом, и то лишь в случае, если
предоставляется налоговая скидка. Этот способ не дает
никаких преимуществ по сравнению с
использованием мазута и газа для обогрева
зданий ни в одном городе, кроме Гранд-Джанк-
155

Таблица 6.15. Сравнение экономической эффективности
системы солнечного теплоснабжения и трех других
отопительных систем
Срок окупаемости, лет

Ожидаемые
показатели по

гелиоустановкам'
Фактические
показатели при использовании
i
|энергии мазута
Бостон (штат Массачусетс)
Сроки окупаемости
капиталовложений
Сроки возмещения
первого взноса
Сроки до начала
положительного движения
денежной наличности
10
5
3
15/13
8/1
1/1
23/21
18/12
8/8
Вашингтон (округ Колумбия)
Сроки окупаемости
капиталовложений
Сроки возмещения
первого взноса
Сроки до начала
положительного движения
денежной наличности
10
5
3
15/13
8/1
1/1
22/20
16/1
7/7
Гранд-Джанкшен (штат Колорадо)
Сроки окупаемости
капиталовложений
Сроки возмещения
первого взноса
Сроки начала
положительного движения
денежной наличности
10
5
3
11/9
4/1
1/1
14/12
7/1
1/1
газа
21/20
18/14
9/9
24/22
21/18
12/12
23/21
20/15
11/11
Лос-Анджелес2 (штат Калифорния)
Сроки окупаемости
капиталовложений
Сроки возмещения
первого взноса
Сроки начала
положительного движения
денежной наличности
10
5
3
11/9
4/1
1/1
—/—
—/—'
—/—
24/23
22/18
12/12
1 Приведенные показатели являются лишь принятыми
допущениями.
2 В Лос-Анджелесе для нагрева воды и отопления
помещений мазут не используется.
Примечание. В числителе — без налоговой скидки, в
знаменателе — со скидкой.
шен. Не исключено, однако, что картина
изменится под влиянием многих факторов. Может
быть принят закон об увеличении налоговых
скидок, могут очень резко возрасти цены на
органическое топливо (что, вне всякого
сомнения, и произойдет!), может быть увеличен
требуемый срок окупаемости
капиталовложений. На этом последнем моменте следует
остановиться особо. Ожидаемый срок окупаемости
капиталовложений — величина весьма
условная; все зависит от того, что именно понимает
домовладелец под экономически выгодньш
предложением. А ведь подобные взгляды
могут коренным образом измениться в
ближайшие несколько лет!
Неправомерно говорить о технической
стороне использования солнечной энергии, не
затрагивая прочих проблем; технический аспект,
неизбежно связан с энергетической политикой
США вообще и с политикой в области
ядерной энергии в частности. Солнечная энергия
была объектом исследований в течение почти
целого столетия; разработка методов ее
практического использования началась в период
низких цен на органическое топливо, когда
частные предприниматели не были
заинтересованы в развитии солнечной энергетики. Основ*-
ные расходы на эти работы покрывались за
счет госбюджета. Это положение
продолжалось вплоть до недавнего времени. Однако
поставленная задача в области солнечной
энергетики в США решена не была. Еще в 1947 г.
комиссия при президенте США подчеркивала,
что к 1975 г. в стране можно будет построить
3 млн. домов, отапливаемых за счет
солнечной энергии. В то время их не насчитывалось
и сотни. Однако лишь за 1978—1979 гг. было
построено 50 тыс. солнечных домов и гораздо
больше сооружается в наши дни.
Нетрудно понять, отчего правительство
США никогда не уделяло первоочередного
внимания исследованиям и разработкам в
области солнечной энергетики. Невзирая на все
предупреждения, раздававшиеся два с
лишним десятилетия подряд, многие политические
деятели не желали трезво смотреть на вещи
даже в разгар энергетического кризиса 1973—
1974 гг. Большинство из тех, кто отдавал себе
отчет в весьма ограниченном характере
запасов органического топлива, теперь не
упускают случая похвастаться, что в прошлом они
оказывали поддержку комиссии по атомной
энергии, и заявляют, что
реакторы-размножители и управляемый термоядерный синтез —
ключ к решению любых проблем.
В области конкуренции с ядерной
энергией (за предоставление субсидий на НИОКР)
солнечная энергетика только еще делает
первые шаги. Если бы не программа освоения
космоса, начатая в 60-х годах, гелиотехника
не достигла бы такого уровня развития, какой
наблюдается в настоящее время. Солнечная
энергетика властно постучалась в дверь всего
лишь несколько лет назад.
В совместном отчете за 1973 г.
национального научного фонда и совета по солнечной
энергетике при NASA1 указывалось, что к
2020 г. за счет использования солнечной
энергии можно будет обеспечить на 35 % потреб-
1 Управление по аэронавтике и исследованиям
космического пространства. (Примеч. п е р е в.)
156

ности в энергоресурсах, расходуемых в стране
на отопление и кондиционирование, на 30 % —
потребности в газообразном топливе, на
10%—потребность в жидком топливе и на
20 % —потребности в электроэнергии. В
отчете была предложена программа НИОКР,
рассчитанная на 10 лет, стоимостью 100 млн.
долл.; она предусматривала организацию
промышленного производства систем солнечного
теплоснабжения и кондиционирования.
Рекомендовалось одобрить программу НИОКР
стоимостью 172 млн. долл. по разработке
процессов получения искусственного топлива из
отходов сельскохозяйственного производства,
твердых городских отходов, специально
выращиваемых для этой цели
сельскохозяйственных культур, водорослей и леса. В отчете
высказывается мнение, что пройдет гораздо
больше времени, чем предполагалось, пока
энергия, производимая на солнечных
электростанциях, сможет конкурировать с ядерной
энергией, и расходы на НИОКР в области
солнечной электроэнергетики окажутся более
значительными. Общая сумма затрат
оценивалась в 3,5 млрд. долл., из них 2 млрд. долл.
предназначалось на сооружение
дорогостоящих демонстрационных установок.
В 1978 г. президент Картер выдвинул свою
энергетическую программу, в которой
предусматривалось предоставление высокого
приоритета развитию солнечной энергетики. Очень
жаль, что конгресс на нашел нужным принять
это предложение. Более того, администрация
Рейгана решила, судя по всему, урезать
ассигнования из госбюджета на развитие
солнечной энергетики (рис. 6.22). Помимо самого
правительства, целый ряд организаций и
группировок на вполне законном основании
участвует в проведении энергетической политики
США, и этот момент следует учитывать при
выработке стратегии в данной области.
Согласно результатам одного опроса существует
по меньшей мере восемь следующих
заинтересованных сторон: государственные энергоснаб-
жающие компании; частные энергоснабжаю-
щие компании; компании по производству
нефтепродуктов; угледобывающие компании;
поставщики энергетического оборудования;
владельцы земельных участков, на которых
имеются источники энергии;
правительственные организации и объединения,
занимающиеся вопросами экономии энергоресурсов;
группы частных лиц, посвятивших себя этой же
проблеме.
Предсказание будущего — занятие, цесьма
неблагодарное, и здесь этого не делается.
Однако подчеркнем, что непредвиденные
события могут сильно отразиться на
энергетической политике США. Нетрудно представить
себе, что может быть принята экстренная
программа создания солнечной энергетики в
случае катастрофического провала планов
развития ядерной энергетики.
Какими бы ни были перспективы
согласованной официальной политики в области
освоения солнечной энергии, стремительный
рост цен на топливо, наблюдаемый в течение
последних лет, служит гарантией того, что
эта проблема никогда больше не будет
предана забвению.
В заключение приведем здесь без
комментариев высказывание лауреата Нобелевской
премии по химии сэра Джорджа Портера:
«Если бы солнечные лучи служили орудием
войны, солнечная энергия использовалась бы
уже несколько столетий тому назад».
В данной главе рассмотрено большинство
основных источников получения теплоты.
Однако лишь один из них — органическое
топливо — можно в настоящее время использовать
для обеспечения наших потребностей без
угрозы основательного подрыва экономики.
В принципе могут быть освоены некоторые
альтернативные энергоресурсы, однако
масштабы времени, необходимого для этого,
остаются неопределенными. А ведь на
переходный период нам необходим источник теплоты,
к тому же достаточно экономичный. Одни
полагают, что наши неотложные энергетические
потребности и даже потребности на дальнюю
перспективу удастся обеспечить за счет
ядерной энергии, другие с этим не согласны. Так
или иначе, а ядерная энергетика существует,
и с этой реальностью необходимо считаться.
УПРАЖНЕНИЯ
1. Рассчитайте требуемое количество природного
газа и потери теплоты, если необходимо повысить
температуру 200 л воды с 25 до 100 °С двумя способами:
путем прямого нагрева, как в домашнем
водонагревателе (КПД 62 %);
с помощью электронагрева; допустим, что КПД
преобразования теплоты в электрическую энергию на
электростанции равен 38 %, а КПД преобразования
электрической энергии в теплоту в домашнем
водонагревателе—100 %.
2. Рассчитайте удельную теплоту сгорания (ЛЯ)
метана при 25 °С, при 100 °С.
3. Перед вами уголь, имеющий следующий состав
по массе. %: углерод — 88, водород — 6, кислород — 4,
азот— 1, сера — 1. Реакция полного сгорания этого угля
протекает по формуле
Cw Нх Оу Nz Su + e02-+aC02 + ЬН20 + cS02 + dN02,
где значения и, w, x, г/, z можно определить из
приведенных выше данных. Определите значения а> Ь, с, d, e
в расчете на 1 т сожженного угля.
4. Рассчитайте теплоту сгорания этилового спирта в
кислородной среде при температуре 25°С.
5. Реактор каталитической метанизации имеет
объем 20 м3. Стехиометрическая смесь СО и Н? подается
в него при суммарном давлении 10 МПа и температуре
157

200 °С. Допустим, что реактор снабжен теплоизоляцией,
реакция протекает до полного завершения, обратная
реакция отсутствует. Желательно, чтобы температура в
реакторе была ниже 300 °С. Какое количество теплоты
должно быть отведено с помощью системы охлаждения?
Ответ: 666 МДж при каждом заполнении реактора.
6. Используйте данные о стоимости синтетического
природного газа (СПГ), приводимые в этой главе, для
разработки математической модели, введя в нее не
только перечисленные параметры, но и те, которые, по
вашему мнению, также играют роль. Дайте прогнозную
оценку стоимости СПГ для следующих вариантов:
только что добытый уголь подвергают газификации
в штате Вайоминг; газ направляется в Чикаго
(необходима перевозка сжиженного газа водным транспортом);
уголь, добытый в штате Вайоминг, доставляют в
Чикаго для газификации;
уголь, добытый на востоке США, там же
подвергается газификации.
7. Критерии термохимических циклов разложения
воды следующие:
сумма Д#° для отдельных стадий процесса должна
быть равна (или должна превышать) 0,3 МДж/моль,
АН для воды; AG0 для каждой стадии должно
равняться 0 либо небольшой отрицательной величине
(почему?). Отвечает ли процесс Mark-1 этим требованиям?
8. При помощи цикла Mark-1 на установке
производится 14 150 м3 водорода в сутки. Если в ходе
процесса безвозвратно теряется 0,01 % ртути, сколько
килограммов ртути нужно заказать на год?
9. Температура самовоспламенения бензина 247 °С.
Предположив, что это — Тн, рассчитайте КПД
двигателя, работающего по циклу Карно (пусть TL равняется
комнатной температуре). Допустим, что значение КПД
эквивалентно октановому числу 100. Проделайте расчет
снова для водорода, задавшись условием, что между
КПД и октановым числом существует линейная
зависимость. Чему будет равняться октановое число водорода?
Проделайте такой же расчет для метанола.
10. На территории США коммерческие леса
занимают 2-Ю12 м2; ежегодно они улавливают солнечную
энергию в количестве 5,8-109 Дж/м2. Коэффициент
преобразования солнечной энергии в энергию биомассы
около 0,5%, энергии биомассы в энергию метанола —
примерно 10 %, а энергии метанола в электрическую
энергию — 30 %. Если период естественного возобновления
лесов — 50 лет, чему равна (в процентах) доля
электроэнергии, производимой на электростанциях* топливом
для которых служит метанол, производимый на базе
древесины?
Ответ: Количество содержащейся в древесине
энергии 3.48-1016 Дж, менее 0,1 % общей потребности США
в электроэнергии.
11. Пусть дебит скважины на геотермальном
месторождении с аномально высоким давлением равен
3 млн. л/сут при давлении на устье 26 МПа. Какое
количество электроэнергии может быть выработано, если
весь флюид используется для приведения в действие
турбоагрегата, а давление пара на выходе из турбины
19 МПа?
12. Если давление флюида в геотермальной
скважине адиабатически изменяется с 6,2 до 2,8 МПа и флюид
первоначально находился в состоянии насыщения при
277,77 °С, в каком состоянии будет он находиться на
дневной поверхности?
13. Кривые, изображенные на рис. 6.14,
асимметричны относительно потоков солнечного излучения в
северном и южном полушариях. Создается впечатление* что
на южное полушарие поступает больше суммарной
инсоляции. Почему? Известно, однако, что южное
полушарие в среднем холоднее северного. Снова возникает
вопрос — почему?
14. Наблюдатель, находящийся на Северном полюсе,
21 июня круглые сутки будет видеть Солнце на высоте
23,5° над горизонтом. Воспользуйтесь уравнением (6.16),
чтобы доказать истинность этого утверждения.
15. Используя (6.15), а если потребуется, данные
из других источников, сравните среднегодовое
поступление солнечного излучения в г. Финиксе (штат
Аризона) и г. Миннеаполисе (штат Минцесота). Найдите
зависимость между продолжительностью солнечного
сияния и членом / в (6.15).
16. Покажите, что количество прямого солнечного
излучения, поступающего на наклонную поверхность,
поражается в функции количества радиации,
воспринимаемой горизонтальной поверхностью, следующим
образом:
cos (Q — 9Г )
/ 0) = /я { ат}.,
cos 6
где 0 — зенитный угол Солнца; 0Т — угол наклона
поверхности по отношению к горизонту. Зенитный угол
можно определить с помощью уравнения
Г 360 1
e=eL + 23,5cos|^ + io)—L
где 0ь — географическая широта; N — число дней,
прошедших с 1 января. Воспользуйтесь этими результатами
и осредните их за сутки, чтобы найти значения / для
самого неблагоприятного случая, например для 31
января, на широте той местности, где вы проживаете.
17. Определите, какой напор необходим для работы
ГЭС, если исходить из того, что теплота, используемая
для нагрева рабочего тела в ОТЭС (рис. 6.26),
эквивалентна кинетической энергии, которую отдает вода в
турбинах ГЭС. Сравните количество выработанной
электроэнергии, приходящееся в обоих случаях на данное
Количество использованной воды.
Ответ: 854 м; на ГЭС — 8,37 кДж/кг, на ОТЭС —
0,28 Дж/кг.
18. Рассчитайте интенсивность поглощения теплоты
солнечной панелью в местности, где вы живете, в
середине зимы, если устройство снабжено двумя
прозрачными покрытиями с коэффициентом теплопередачи V—
=0,008 Дж/(с-м-°С). Размеры панели выберите такими,
чтобы она ежесуточно давала энергию в количестве
10 МДж.
19. В стене размером 4,5x2,4 м устроены три окна
размером по 0,9x1,2 м с одинарным остеклением. Стена
снабжена слоем теплоизоляции из полистирола
толщиной 10 см. Толщина оконных стекол 0,5 см. Если
температура в помещении поддерживается на уровне 21 °С, а
наружная температура равна 18 °С, каковы будут теп-
лопотери через эту стену?
20. Спроектируйте активную систему солнечного
теплоснабжения для жилого дома площадью 180 м2 в
вашем районе. Определите угол наклона солнечных
панелей, расход теплоносителя, вид теплоаккумулирующей
среды, объем аккумулятора. Не забудьте принять во
внимание теплопотери через стены, пол и потолок,

Ядерная энергетика
ВВЕДЕНИЕ
Политика в отношении ядерной энергетики
Ядерная техника более 30 лет успешно
развивалась благодаря государственной
политике, направленной на то, чтобы способствовать
этому. Это можно объяснить в равной мере
как исторической случайностью, так и
планированием. Комиссия по атомной энергии США
(The U. S. Atomic Energy Commision—АЕС)
была создана 31 декабря 1946 г. с целью
подчинить гражданской администрации
предприятия по производству ядерного оружия,
которыми во время второй мировой войны управляла
армия. Создание ядерных энергетических
реакторов является естественным
продолжением программы разработки ядерных
подводных лодок. АЕС финансировала основную
часть ядерных исследований, большинство из
которых велось в национальных лабораториях.
Этим лабораториям пришлось изменить
направления своей деятельности в послевоенное
время, в которой до этого преобладали
работы в области ядерных вооружений.
Первый промышленный ядерный
энергетический реактор начал действовать в Шиппинг-
порте (штат Пенсильвания) 2 декабря 1957 г.
В последующем до 1979 г. было построено
много реакторов — в среднем примерно по 3
реактора в год. Разрешения на строительство
и эксплуатацию ядерных реакторов выдавала
АЕС. То, что АЕС приходилось одновременно
проводить исследования и выдавать
разрешения, явилось причиной внутренних конфликтов,
которые до определенного времени
оставались незамеченными. С появлением в
середине 60-х годов крупных энергетических
реакторов мощностью 1100 МВт (эл.)
общественное недовольство по поводу ядерной
энергетики, которое раньше было смутным и
неорганизованным, выкристаллизовалось и стало
гласным. В начале 70-хо годов в АЕС были
проведены некоторые организационные
изменения, но ко времени введения ОПЕК эмбарго
на нефть (осень 1973 г.) стало ясно, что
требуется более серьезное «хирургическое
вмешательство».
В 1974 г. АЕС была распущена и заменена
агентством по энергетическим исследованиям
и разработкам США (Energy Research and
Development Agency—ERDA) и комиссией по
ядерному регулированию (Nuslear Regulatory
Commision-—-NRC). Организация и
финансирование ядерных исследований были
возложены на ERDA, a NRC определялась как
организация, выдающая разрешения на
строительство и эксплуатацию реакторов. В первом
бюджете ERDA на 1975 г. на работы в области
ядерной энергетики было выделено 56 % всех
ассигнований, составивших 1,1 млрд. долл.
ERDA просуществовала недолго.
Общественность и конгресс выражали серьезное
недовольство темпами решения энергетических
проблем. Вследствие этого 1 октября 1977 г.
было учреждено министерство энергетики,
которое взяло на себя все функции, ранее
выполнявшиеся ERDA. NRC осталась
независимой комиссией. В 1979 г. бюджет
министерства энергетики США в области ядерной
энергетики составил 888,5 млн. долл. В настоящей
главе рассматриваются физические основы
ядерной энергетики, технический прогресс в
области реакторостроения и проблемы
взаимодействия АЭС с окружающей средой.
Цепная ядерная реакция деления
Из многочисленных экспериментальных
исследований известно, что средний диаметр
атома равен 10~7 см, масса и положительный
электрический заряд сосредоточены в ядре
диаметром около 10~-12 см. Обычный атом
электрически нейтрален, каждому положительному
электрическому заряду, заключенному в
протоне, находящемся в ядре, соответствует
отрицательный заряд—электрон, находящийся вне
ядра. Химические свойства атома
определяются числом электронов и, следовательно,
протонов. При химической реакции число
электронов, связанных с атомом, обычно может
меняться; если же изменится число протонов (и
это может иметь место!), то должны
измениться и свойства. Число протонов ядра равно его
атомному номеру. Другой физической
характеристикой ядра является его масса. Для
измерения массы принята система единиц, в
которой масса атома углерода равна точно 12
единицам. Атомная единица массы (а. е. м.)
определяется как 7i2 массы изотопа углерода,
1 а. е. м. = 1,6598 • 10-27 кг. В этой системе
масса атома водорода, состоящего из одного
протона и одного электрона, очень близка к
1 а. е. м. Масса электрона равна Vsooo массы
протона, и поэтому его масса в атомных
единицах массы равна 0. Протоны и электроны еще
не составляют массу ядра. Большая ее часть
159

приходится на электрически нейтральные
частицы — нейтроны, имеющие почти такую же
массу, как и протоны. Нейтроны и протоны
составляют ядро, и им дано общее наименование
«нуклоны». Суммарное количество нуклонов
в ядре и есть массовое число А.
Наличие нейтронов позволяет двум атомам
иметь различную массу при одинаковых
электрических зарядах ядра. Химические свойства
этих двух атомов будут одинаковыми; такие
атомы называются изотопами. Все элементы
имеют изотопы, причем большинство из них
нестабильно, а это означает, что они
изменяют свои электрические заряды в процессе
радиоактивных распадов. Многие элементы
имеют по крайней мере два стабильных изотопа,
например 3Не и 4Не. Олово имеет 10
стабильных изотопов. Некоторые элементы имеют
только один стабильный изотоп подобно
золоту: 197Аи. Два элемента, технеций и
прометий, вообще не имеют стабильных
изотопов—они обнаружены в природе. Природный
уран представляет собой смесь трех
изотопов: 234U (0,006%), 235U (0,711 %) и 238U
(99,283%).
Ядро нестабильно, если соотношение
числа протонов и нейтронов в нем не
соответствует определенному значению для его
массового числа; для стабильных ядер это
отношение изменяется от 1,0 для /^4^40 до 0,6 для
Л = 200. При А = 200 все ядра нестабильны.
Распад ядра — попытка привести это
отношение к наилучшему для данной массы
значению. Если ядро имеет слишком большой заряд
для данной массы, то может излучаться р+—
частица (положительный электрон или
позитрон). Например, значение отношения
протонов к нейтронам для ^С слишком большое
для того, чтобы он был стабильным (1,2 по
сравнению с 1,0). Здесь 6—это атомный номер
углерода. В данном случае, произойдет
ядерный распад, в результате которого это
отношение уменьшится, т. е. один из протонов в
ядре превратится в нейтрон:
p->n + (5+ + v, (7.1)
где v—нейтрино1. Окончательный распад
запишется в виде
^С-Й'В + р+ + v. (7,2)
Период полураспада ПС равен 20,5 мин.
Период полураспада (ti/2) — это
промежуток времени, в течение которого половина ядер
в данном образце подвергнется
радиоактивному изменению, т. е. число нестабильных
1 Электрически нейтральная элементарная частица с
весьма малой (вероятно, нулевой) массой покоя,
нулевым магнитным моментом и спином, равным 1/2.
Античастица нейтрино — антинейтрино.
частиц уменьшается вдвое. Отметим, что вре-
ми, за которое отдельное ядро может
распадаться, не может быть точно определено,
поскольку распад конкретного ядра—очень
редкий процесс.
Пример 7.1. В 200 г. до нашей эры имелось
100 мкг 14С. Сколько его осталось в 1980 г.? (т1/2 для
14С равно 5730 годам).
В гл. 1 приведено соотношение (1.7): C(t) —
= C(t0)emt. В этом случае т = — 0,693/5730 (знак
отрицательный). Тогда
С1980= юог"0'000121-2180 =76,8 мкг.
Если ядро имеет характерное для
нестабильности отношение заряда к массе,
например ^Ве, с отношением протонов к нейтронам,
равным 0,57, распадается с превращением
одного из своих нейтронов:
n^p + P+v, (7.3)
где р~—это электрон. Распад 4 Be будет
следующим:
^Be-^B + P + v. (7.4)
В более тяжелых ядрах лишний
положительный заряд может исчезнуть в результате
испускания альфа—частиц (ядро 4Не):
SfB.VijTl+a. (7.5)
Ядра всех элементов, находящихся в
периодической таблице за свинцом (Z>82),
радиоактивны. Для написания реакций (7.2),
(7.4) и (7.5) должны быть соблюдены два
правила:
суммарное массовое число в левой части
уравнения должно быть равно общему
массовому числу в правой части уравнения;
общий электрический заряд в левой части
уравнения должен быть равен суммарному
электрическому заряду в правой части
уравнения.
Отметим, что заряд электрона равен —1.
Во многих случаях радиоактивного
распада испускаемые частицы сопровождаются
гамма-излучением, представляющим собой
электромагнитное излучение с очень короткой
длиной волны, испускаемое возбужденными
атомными ядрами для освобождения от избытка
энергии аналогично процессам в атомах, при
которых испускаются фотоны. Эти три вида
излучения (a, p и у) называются
радиоактивностью*. Отметим, что протон в свободном
состоянии не связан с ядром и является стабиль-
* В советской литературе под «^радиоактивностью»
принято понимать самопроизвольное превращение
неустойчивых изотопов химического элемента в другие
изотопы (обычно изотопы другого элемента),
сопровождающееся испусканием элементарных частиц или ядер
(например, альфа-частиц), жесткого электромагнитного
излучения.
160

ным. Что же касается нейтрона в том виде, в
каком он находится в реакторе, т. е. в
свободном состоянии, то он является неустойчивым.
Период полураспада нейтрона в соответствии
с уравнением (7.3) составляет порядка
780 с*.
Изотоп урана с атомным номером А = 235
обладает уникальными свойствами среди
встречающихся в природе изотопов: в
результате поглощения нейтрона малой энергии
получается ядро с атомным номером А = 236,
которое затем расщепляется или делится.
Этот процесс можно записать символически
следующим образом:
234j + n+(236U)^X + fY + xn + E, (7.6)
где X и Y представляют собой ядра, имеющие
заряд ZhZ'c атомной массой А и А\
Отметим, что Z+Z'= 92. В результате деления
высвободилось х нейтронов и Л-т-Л/+*=236.
Фактически масса сохраняется не полностью,
поскольку часть ее превращается в энергию.
Значение Е определяет избыток энергии,
главным образом в виде кинетической энергии
продуктов деления и нейтронов: для 235U E
имеет среднее значение 200 МэВ (3,2 X
ХЮ41 Дж). Эта энергия получается в
результате преобразования части массы ядра в
энергию с использованием знакомого выражения
из теории относительности Е = тс2. Сумма
масс двух получившихся ядер jXw^Y всегда
меньше, чем массы 235U и нейтрона, вместе
взятые.
В большинстве случаев масса любого
стабильного ядра меньше, чем сумма масс его
образующих, что видно из следующего примера.
Пример 7.2. Сравним массу 4Не с массой его
составляющих: (тп — масса протона, пгы — масса нейтрона),
2х/пп=2-1,00782 а. е. м.=2,01564 а. е. м.;
2хтн=2-1,00867 а. е. м.=2,01734 а. е. м.
4,03298 а. е. м.
М4Не=4,00260 а. е. м.;
Разница составляет 0,03038 а. е. м.
Поскольку 1 а. е. м.=9,31502-108 эВ, то разница массы
эквивалентна 28,3 эВ.
Разность между энергией совокупности
частиц в свободном состоянии, т. е. при
разделении частиц и бесконечном удалении их друг
от друга, и энергией рассматриваемой
связанной системы тех же частиц составляет так на-
называемую «энергию связи» (В). Иными
словами, величина В представляет собой
количество энергии, которое бы высвободилось,
если бы атом (а не только ядро) был бы
синтезирован из определенного числа нейтронов
и атомов водорода.
* В советской литературе период полураспада
нейтрона, находящегося в свободном состоянии, тш=
= (1,01=^0,03) -103 с. (Примеч. ред.)
Энергию связи можно подсчитать по
следующей формуле:
в = (мл—гма— [А — Z]мп) х
X 931,502 МэВ, (7.7)
где Ма, Ми и Мп—точные массы
соответственно атома, о котором идет речь, атома
водорода и нейтрона.
На рис. 7.1 показана зависимость энергии
связи нуклона от массы для некоторых
устойчивых изотопов. Для ядер, имеющих массу от
50 до 60, отношение В/А наибольшее. Как для
более легких, так и для более тяжелых ядер
это отношение меньше. А это значит, что для
легких и тяжелых ядер разница между их
массой и массой составляющих компонентов
невелика. Например, если Л = 236, то В/А
около 7,6 МэВ или в сумме 1794 МэВ. Для
массового числа А —115, В/А примерно равно
8,5 или 977 МэВ для одного ядра и 1955 МэВ
для двух ядер. Поскольку потеря в массе
наименьшая для тяжелых и легких ядер, то
энергия должна высвобождаться (большая
потеря массы) при делении тяжелых или синтезе
двух легких ядер. Например, при делении 1 г
235U (2,56-1021 атомов) освобождается 8,19х
XIО10 Дж, что эквивалентно сжиганию 2,8 т
условного топлива или 1,9 т сырой нефти.
При делении одного ядра изотопа урана
235U в среднем испускается 2,5 нейтрона. Если
эти нейтроны вызывают другие акты деления,
то возникает самоподдерживающийся процесс
деления.
При делении каждого ядра 235U в пределах
реактора выделяется 200 МэВ энергии. Этот
процесс называется цепной ядерной реакцией
деления. Если цепная реакция развивается
очень быстро, за несколько микросекунд, то
она происходит в виде взрыва, как в атомной
бомбе. Если же ее контролировать и поддер-
7 Г/ ^1
f
2f 1
Ч •
I 1 1 I I т 'т t т i i i lJ
О 20 40 60 80 100 120 ПО 160 180 200 220 A
Рис. 7.1. Зависимость энергии связи нуклона Е от
кассового числа А для некоторых стабильных изотопов
161

живать, то она может быть применена в
ядерном реакторе для производства энергии.
Цепная реакция будет поддерживаться с
определенными трудностями, если энергия
поглощаемых нейтронов будет выше 0,1 кэВ.
Нейтроны, энергия которых меньше этого
значения, называются тепловыми нейтронами.
Это название означает, что нейтроны
обладают относительно малой энергией,
сопоставимой со средней энергией теплового движения
молекул. Реакторы, работающие на таких
нейтронах, называются тепловыми ядерными
реакторами. Поскольку нейтроны,
получающиеся в результате цепной реакции, обладают
энергией в несколько мегаэлектрон-вольт, то
необходим процесс замедления. В обычном
реакторе, замедлитель помещается или
распределяется между топливными стержнями.
Наилучшим замедлителем будет такой, в котором
нейтроны только замедляются, но не
поглощаются, поскольку поглощение нейтронов
уменьшает нейтронный поток и затрудняет
процесс поддержания цепной реакции. В
качестве замедлителя используются легкая
(обычная) и тяжелая вода \ гелий, графит2.
Наиболее широко в энергетических реакторах
используется обычная вода.
Классификация реакторов 3
С тех пор как 2 декабря 1942 г. был
пущен первый реактор в Чикагском
университете, построены сотни ядерных реакторов
различных типов, но только небольшой процент
из них представляет собой энергетические
реакторы промышленного назначения.
1 Тяжелая вода D20 — разновидность воды, в
которой обыкновенный вЪдород заменен его тяжелым
изотопом — дейтерием, ядро которого состоит из одного
протона и одного нейтрона.
2 В качестве замедлителя могут быть использованы
также углеводороды, бериллий и окись бериллия. (П р и-
м е ч. ред.)
3 В советской литературе дана более четкая
классификация реакторов:
по назначению — энергетические, двухцелевые или
продуктивные, исследовательские и экспериментальные;
по нейтронно-физическим характеристикам —
реакторы на быстрых нейтронах, реакторы на промежуточных
нейтронах, реакторы на тепловых нейтронах (по спектру
нейтронов); гомогенные и гетерогенные реакторы (по
распределению потока нейтронов в активной зоне);
по применяемым материалам — т. е. по используе-
иому топливу (обогащенный или природный уран,
металлическое или неметаллическое топливо, плутониевое
топливо), по роду замедлителя (вода, графит, тяжелая
вода), по роду теплоносителя (вода — кипящие и неки-
пящие реакторы, газы, жидкие металлы), по числу
основных конструктивно разделенных компонентов в
активной зоне (однокомпонентные, двухкомпонентные,
трехкомпонентные);
по конструктивным особенностям — корпусные и
канальные. (Примеч. ред.)
Реакторы делятся по следующим
показателям:
по энергии нейтронов, вызывающих
деление (быстрые, промежуточные или надтепло-
вые, тепловые);
по виду ядерного топлива (природный —
0<7%235U, малообогащенный— (от 1 до 2%
235U), высокообогащенный— (>90 % 235U), a
также 239Ри и 233U);
по методу отвода теплоты путем
циркуляции: только теплоносителя; смеси топлива и
теплоносителя; теплоносителя-замедлителя;
топлива, замедлителя и теплоносителя;
по назначению (для исследования, в
качестве прототипов, для силовых установок, в
качестве источника теплоты, для выработки
электроэнергии, для производства изотопов);
по сочетанию топлива и замедлителя
(гетерогенные и гомогенные);
по материалам, используемым в таких
элементах реактора, как замедлитель,
теплоноситель, элементы конструкции, отражатель,
защита.
В настоящее время на АЭС в США
эксплуатируются только- два типа энергетических
реакторов: реакторы с водой под давлением
(PWR) и реакторы с кипящей водой (BWR).
Разработан также высокотемпературный
реактор с газовым охлаждением, но в США он
не нашел промышленного применения. В
Канаде создан ураново-дейтериевый реактор
типа CANDU, который имеет определенные
преимущества (как, впрочем, и недостатки) перед
реакторами с водой под давлением и
кипящего типа. В настоящее время ведутся работы
по созданию реактора-размножителя на
быстрых нейтронах с жидкометаллическим
теплоносителем; небольшой опытный реактор такого
типа был сооружен в штате Мичиган (АЭС
Энрико Ферми, построенная в 1963 г.).
Однако этот реактор никогда не работал
достаточно надежно и был выведен из эксплуатации.
Реакторы с водой под давлением и с кипящей
водой используют воду в качестве и
замедлителя, и теплоносителя. Им часто дают общее
название — легководные реакторы (LWR).
За последние 40 лет было сооружено
также множество реакторов для целей
исследования. Они представляют собой водоохлаждае-
мые реакторы, работающие на высокообога-
щенном топливе. Их мощность обычно
небольшая (<1 МВт). Применяются они для
производства нейтронов, используемых в
исследованиях в области ядерной физики и
физики твердого тела.
В ряде стран было разработано
несколько других типов реакторов. Самыми
примечательными среди них являются английские
реакторы типа Magnox с охлаждением С02 и
графитом в качестве замедлителя и француз-
162

ские реакторы-размножители на быстрых
нейтронах с жидкометаллическим теплоносителем
типов «Феникс» и «Супер-Феникс»1
РЕАКТОРЫ НА ТЕПЛОВЫХ НЕЙТРОНАХ
В среднем в результате деления ядра 235U
выделяется около 200 МэВ энергии. Эта
энергия распределяется следующим образом
(МэВ):
Кинетическая энергия:
осколков 167
быстрых нейтронов 5
Энергия мгновенного гамма-излучения .... 7
Энергия бета-излучения в результате распада
продуктов деления 5
Энергия гамма-излучения от продуктов деления 6
Кинетическая энергия нейтрино в результате бета-
распада И
Энергия осколков деления, имеющих
малую длину пробега (167 МэВ), почти
полностью поглощается в тепловыделяющих
элементах то же происходит с энергией
бета-излучения. Быстрые нейтроны теряют значительную
часть своей энергии в замедлителе. Энергия
гамма-излучения, как мгновенного, так и
продуктов деления, рассеивается в топливе,
замедлителе, конструктивных элементах
реактора таким образом, что ее не просто
рассчитать, так как передача энергии гамма-лучами
происходит иначе, чем заряженными
частицами. Энергия нейтрино теряется, так как они
покидают реактор (а возможно, и земной шар
вообще!). Используя приведенные выше
данные, нетрудно подсчитать, что для
выработки 1 Вт (тепл.) энергии требуется 3,3-1010
делений ядер в секунду.
Пример 7.3. Сколько делений ядер урана за 1 год
работы с полной нагрузкой произойдет в реакторе
мощностью 1000 МВт (эл.), имеющем КПД 32 %?
Требуемая мощность составляет: 1000-0,32 =
= 3125 МВт (тепл.), что соответствует (3125-106 Дж/с)Х
X (3.16-107 с/год) =9.875-1016 Дж/год; а поскольку
1 МэВ= 1,6-Ю-13 Дж, и энергии деления 200 МэВ,
число делений в год определяется следующим образом:
9,875-Ю16 Дж/год
(190 МэВ/дел.)(1,6-10-13 Дж/МэВ)" ~
= 3,25-1027 делений/год.
Наиболее вероятное значение энергии
нейтронов, вызывающих деление 236U, составляет
2,5 МэВ. Уже говорилось, что деление под
воздействием нейтронов, обладающих такой
энергией, менее вероятно, чем под
воздействием нейтронов, значительно меньших энергий.
Для выражения этой «вероятности деления»
1 В СССР помимо корпусных водо-водяных
энергетических реакторов (ВВЭР) успешно используются
созданные советскими учеными канальные реакторы типа
РБМК и реакторы-размножители на быстрых нейтронах
с натриевым теплоносителем типа БН, установленные на
Шевченковской и Белоярской АЭС. (Примеч. ред.)
4ДаРм1
Рис. 7.2. Зависимость сечения деления a/ 235U и 238U
от энергии нейтронов Е (средния значения для
множества точек)
необходима количественная мера. Для этой
цели определим микроскопическое сечение
деления. Если 1 нейтронов в секунду падает на
образец вещества толщиной /, см, содержащий N
ядер в 1 см2 и деление ядер образца
происходит со скоростью F делений в секунду, то
микроскопическое сечение деления Of
составляет, см2/ядро,
F (7.8)
<ь=-
Ntl
Сечения деления обычно находятся в
пределах Ю-22—10~26 см2; величина 10-24 см2
называется барн 1>2.
На рис. 7.2 приведена зависимость
микроскопического сечения деления 235U и 238U от
энергии нейтронов. Можно увидеть, что
вероятность вызвать деление нейтронами,
имеющими энергию 0,03 эВ, в 1000 раз больше,
чем нейтронами с энергией 3 МэВ, т. е.
необходимо замедлять нейтроны.
Коэффициент размножения
Все не так просто: много факторов влияет
на число нейтронов, вызывающих деление,
а также на значение их энергии. Из рис. 7.2,
например, следует, что существует большая
вероятность, что быстрые нейтроны вызовут
деление ядер 238U. В то же время при делении
ядер быстрыми нейтронами выделяются
дополнительные нейтроны, так что результатом
является увеличение количества быстрых
нейтронов. Для того, чтобы процесс деления стал
1 Барн, как и величина ферми в квадрате (фм2)
(1 фм2=10-26 см2), не лринята в качестве единицы
измерения системы СИ. Обе эти единицы широко
применяются в ядерной физике, и хотя было большое
стремление, по крайней мере за пределами США, к постоянному
использованию единиц СИ в других отраслях физики, ни
в одной стране не используется СИ применительно к
измерению сечения ядра. Поэтому здесь используется эта
нестандартная единица измерения.
2 В советской литературе <сбарн» определяется как
внесистемная единица площади, применяемая в атомной
физике для измерения эффективных сечений (сечений
захвата) при ядерных реакциях. (Примеч. ре д.)
163

Рис. 7.3. Схематическое изображение цепной реакции,
Рис. 7.4. Зависимость полного сечения <Jt 238U от
энергии нейтрона Е (сечение между резонансами
определяется в основном упругим рассеянием) средние значения
для множества точек)
самоподдерживающимся, каждый из
нейтронов первого поколения должен произвести по
крайней мере один нейтро второго поколения.
Рассмотрим все факторы, влияющие в
реакторе на нейтроны, чтобы определить, можно
ли установить связь между нейтроном
второго поколения и нейтронами первого
поколения при простом делении. Следует заметить,
что эти процессы рассматриваются
последовательно. В действительности же они
проходят одновременно (рис. 7.3).
Пусть v — число быстрых нейтронов
первого поколения, образовавшихся в результате
реакции деления под действием тепловых
нейтронов; с учетом коэффициента размножения
быстры нейтронов1 это число увеличивается
примерно в 1,03 раза. Иными словами около
3 % HefitpoHOB, участвующих в делении,
возникают в резуль?ате деления, вызванного
быстрыми нейтронами. Составляющая // на-
1 Отношение полного числа нейтронов, испущенных
при делении нейтронами всех энергий, к числу
нейтронов, испущенных при делении тепловыми нейтронами.
(Примеч. ред.)
вызванной делением ядер урана тепловыми нейтронами
зывается вероятностью утечки быстрых
нейтронов, показывающей, сколько нейтронов из
первоначального количества покидает
реактор, не вступив в какое-либо взаимодействие;
тогда количество нейтронов, определяемое
произведением ve(l-/f), замедляется. В
процессе замедления, когда энергия нейтронов
падает с величин, определяемых в
мегаэлектронвольтах, до уровней менее электрон-вольт,
отмечается другая «нейтронная яма». На
рис. 7.4 приведена зависимость полного
сечения 238U от энергии нейтрона; отмечается
несколько значительных острых пиков. Они
называются пиками резонансов поглощения;
один из них при энергии около 6,7 эВ имеет
максимальное сечение около 8 тыс. барн, что
в 15 раз больше по сравнению с сечением
деления 235U при той же самой энергии
нейтрона.
В физике принято считать, что резонанс
возникает, когда движущая сила и движимая
система имеют одинаковые частоты. Во
время резонанса обмен энергией между
движителем и движимой системой резко возрастает.
В ядерной физике считается, что резонанс
происходит тогда, когда сильно
увеличивается взаимодействие между потоком частиц и
ядром-мишенью, вызванное большим
сечением этого взаимодействия.
Пусть р, называемое вероятностью
избежать резонансного захвата будет часть
нейтронов, которые не поглощаются 238U в
процессе замедления; когда pv^(l-lf) нейтронов
останется. Из этого количества часть /ут,
называемая вероятностью утечки медленных
нейтронов, покинет реактор, а часть (1—/)
поглотится замедлителем и деталями
конструкции реактора. Некоторые сечения
поглощения тепловых нейтронов для различных
веществ перечислены ниже:
Вещество <?а» барн
Замедлитель
Н20 0,6640
D,0 0,001
С" 0,0045
Be '. ! 0,01
164

Продолжение
Материалы стержней регулирования
В 775,0
Cd 2450,0
Продукты деления
issxe 3,5-106
i49Sm 5,3-104
Топливо
235у 687,0
238|j 2,75
Конструкционные материалы
Fe* . 2,53
Zr* . . . , 0,18
Hf* 105,0
* Помещенные в цирконий.
Таким образом, остается vg(1—//=)р(1 —
—/ут)/ нейтронов, из которых 1—g
поглощаются 238U, превращая его в плутоний, или
поглощаются 235U, превращая его b236U.
Таким образом, из первоначального
количества v нейтронов первого поколения
число делений 235U, вызываемого
тепловыми нейтронами, равное v^(l—lf)p(\ —
—/yT)fg" вызовет генерацию нейтронов второго
поколения. Первоначальное число нейтронов
было увеличено с коэффициентом
размножения Key определяемым выражением
Ке= €(1-//)р(1-/ут)/т|. (7.9)
где r]=vg\ Для поддержания цепной реакции
Ке системы должен быть не менее единицы.
Если /G = l, реактор достиг критичности.
Задачей специалистов по ядерным реакторам
в 50—60-е годы было рассчитать физические
параметры различных типов реакторов,
определяемые коэффициентом размножения при
определенных комбинациях топливо —
замедлитель. Современные конструкции реакторов
являются результатом этих многолетних
теоретических и практических работ. Члены
уравнения (7.9) могут быть разделены для
удобства на две категории: топливные коэффициенты
(^, р и г)) и геометрические коэффициенты
(If, /yT и /). В любом случае ясно, что должна
быть детально изучена природа
распределения нейтронов в реакторе, прежде чем будет
решена проблема самого реактора.
Физика нейтронов
Распределение нейтронов внутри реактора
представляет собой очень сложную
пространственную, временную и энергетическую
зависимость. Нейтроны выделяются только в
топливе и диффундируют по направлению к
периферии реактора. Расчет плотности
нейтронов вблизи границ реактора, в отдалении
от топлива, представляет собой очень трудную
задачу, в которой решающее значение имеет
Рис. 7.5. Спектр энергии нейтронов
деления
точная форма реактора. Для этой цели было
выполнено много расчетов для реактора с
бесконечно большой активной зоной. В таком
реакторе не может быть утечки, так что
коэффициент размножения становится равным:
ka=ePh. (7.Ю)
Эту формулу часто называют формулой
четырех сомножителей.
Нейтроны, возникающие в процессе
деления, имеют энергию более 1 МэВ; на рис. 7.5
показана зависимость количества нейтронов
на единицу энергетического интервала от
энергии нейтронов, возникающих при
тепловом делении 235U или 239Ри. Для того чтобы
эти нейтроны были более эффективны в
отношении реакции деления, их энергия должна
быть снижена в среднем до резонансной
энергии около 10 эВ, как показано на рис. 7.2.
Эту цель выполняет замедлитель, наличие
потока нейтронов разных энергий затрудняет
анализ распределения нейтронов. В первом
приближении обычно считается, что все
нейтроны имеют одинаковую энергию, одногруп-
повое приближение.
Затем делаются уточнения введением
предположения, что имеются две, три, или более
групп нейтронов разных энергий.
В процессе распространения нейтронов
имеются также и временные различия,
обусловленные постоянным уменьшением количества
ядерного топлива в реакторе в процессе его
работы, а также внезапными увеличениями или
уменьшением реактивности, вызванными
действием регулирующих органов. Существует
еще один важный фактор в реакторе,
влияющий на временные характеристики, —
запаздывающие нейтроны. Некоторые из продуктов
деления имеют значительный избыток энергии
165

и могут распадаться с выделением нейтрона.
Однако этот распад не происходит мгновенно
после образования этих ядер; он происходит
обычно по истечении какого-то среднего
времени жизни. В табл. 7.1 перечислены важные
группы запаздывающих нейтронов, которые
были определены при делении основных
делящихся изотопов. И хотя эти нейтроны не
составляют значительной доли в общем числе
нейтронов деления, они очень важны при
оценке общих рабочих характеристик
энергетических реакторов.
Опасность взрыва в ядерном реакторе, как
ядерного, так и обычного, прямо связана с
проблемами управления реактором и темпом
изменения уровня мощности. Уровень
мощности реактора зависит от скорости реакции
деления, которая в свою очередь зависит от
плотности потока тепловых нейтронов в
реакторе. Для того чтобы определить, что может
явиться причиной взрыва, необходимо понять
механизм влияния на плотность потока
тепловых нейтронов.
Плотность нейтронного потока в реакторе
представляет собой величину с очень сложной
пространственно-энергетической и
временной зависимостью. В реальном реакторе эти
параметры зависят от топлива, замедлителя,
их взаимного расположения (гомогенное или
гетерогенное), размеров реактора и его
геометрии. Математическое выражение такой
зависимости не представляется возможным
получить для всех типов реакторов ввиду
сложной взаимной зависимости этих
факторов. Однако можно сделать некоторые
выводы, которые помогут понять некоторые
проблемы, связанные с реакторами. Скорость
изменения плотности потока тепловых
нейтронов может быть записана как сумма трех со-
Таблица 7.1. Характеристики запаздывающих нейтронов
при делении на тепловых нейтронах
Приблизительный период
полураспада, с
56,0
23,0
6,2
2,3
0,61
0,23
Число запаздывающих
нейтронов на одно
деление -10"-*
233U
5,7
19,7
16,6
18,4
3,4
2,2
235U
5,2
34,6
31,0
62,4
18,2
6,6
!3 9Ри
2,1
18,2
12,9
19,9
5,2
2,7
Энер-
МэВ
0,25
0,46
0,41
0,45
0,41
—
Примечание.
Общее число
запаздывающих нейтронов -10 4 . .
Общее число нейтронов
деления -Ю-"4 . . . . ..
Доля запаздывающих ней-
233U
0,0666
2,5
0,0026
¦siwu
0,0158
2,43
0,0065
^9Ри
0.0061
2,90
0.002С
ставляющих: скорости возникновения,
скорости поглощения и скорости утечки тепловых
нейтронов.
Решение этого уравнения хотя и
представляет интерес, однако является достаточно
сложным и его результаты могут увести от
цели. Вместе с тем следует обратить внимание
на некоторые из этих результатов. В
частности, отметим, что можно определить
зависимость эффективного коэффициента
размножения от нескольких параметров реактора.
Назовем его &Эф, чтобы отличить его от k в (7.9);
необходимо также отметить, что можно
определить время генерации tTy т. е. время,
требуемое для того, чтобы нейтроны первого
поколения образовали нейтроны второго
поколения. И, наконец, зависимость временной
составляющей от нейтронного потока
представляется как
Ф(0 = Ф(0)ехр(-Ш, (7.11)
где Ф(0)—поток в момент ? = 0;
Isk—избыточная реактивность, т. е. количество
реактивности сверх того, что требуется для
достижения критичности. Реактивность определяется
в зависимости от эффективного
коэффициента размножения:
Р = (*эф-1)/*вФ. (7Л2)
В реакторе с 235U, если принять, что только
мгновенные нейтроны влияют на реактивность,
величина последней для достижения
критичности составляет 0,0065. Для определения
единицы реактивности используется понятие
реактивности мгновенно-критического реактора,
названное доллар. Для реактора 235U
реактивность в 0,0065 будет равна 1,00 долл. На
рис. 7.6 показана экспоненциальная
зависимость нейтронного потока (а следовательно,
выходной мощности) от реактивности
реактора. ЭтОт график был составлен для 235U в
Рис. 7.6. Зависимость нейтронного потока от времени,
прошедшего с момента увеличения реактивности
166

предположении, что время генерации
составляет Ю-3 с. Избыточная реактивность
устанавливается аналогично реактивности, как
показано на каждой кривой. Отметим, что
когда р составляет 0,001, для увеличения
нейтронного потока в 10 раз потребуется более
100 с, а при р = 0,0065 для такого же
увеличения нейтронного потока потребуется только
около 1 с.
При больших значениях реактивности
десятикратное увеличение нейтронного потока
происходит всего за 0,2 с. Очевидно, что если
бы только мгновенные нейтроны влияли на
реактивность, управление реактором было бы
очень трудным.
Управление реактором
Управление реактором становится
возможным благодаря запаздывающим нейтронам,
которые существенно увеличивают время
генерации и поэтому выравнивают кривые для
данной реактивности (см. рис. 7.6). В общем
реактор работает таким образом, что
мгновенные нейтроны позволяют получить /гЭф~
^0,9995 (меньше, чем требуется для
достижения критичности), а остальное
обеспечивается запаздывающими нейтронами. Таким
образом, внезапные изменения (вывод
контролирующего стержня, потеря герметичности
оболочки и т.д.) оказывают влияние на
плотность нейтронов медленней и могут быть
нейтрализованы, прежде чем произойдет
существенное повреждение активной зоны.
За время службы активной зоны реактор
потребляет приблизительно половину
ядерного топлива. За это время он, конечно же,
должен оставаться в критическом состоянии.
И, как следствие, с самого начала он должен
содержать значительно больше ядерного
топлива, чем требуется для поддержания
критичности. Поэтому, чтобы обеспечить
стабильную работу реактора в начальный период,
должны использоваться регулирующие
механизмы, с помощью которых из активной зоны
можно выводить нейтроны без производства
теплоты. С этой целью среди твэлов
размещаются регулирующие стержни из
материалов, имеющих большие сечения поглощения
нейтронов, которые постоянно выводятся из
активной зоны в течение всей работы
реактора. Выше приведены сечения поглощения
разных материалов, в том числе материалов
стержней регулирования и других материалов,
обычно применяющихся в реакторе. В
реакторах некоторых типов в дополнение к
регулирующим стержням для обеспечения
дополнительного регулирования непосредственно в
воду-замедлитель добавляют растворы
соединений бора.
В атомных реакторах наряду с эксплуата*
ционными регулирующими стержнями,
обычно находящимися в активной зоне, имеются
регулирующие стержни аварийной защиты,
расположенные вне активной зоны. Если
нейтронные или тепловые датчики
зарегистрируют нерасчетный режим в активной зоне, эти
регулирующие стержни немедленно
перемещаются в активную зону, уменьшая
нейтронный поток и тем самым приводя к так
называемому останову реактора. Благодаря этому
предотвращается возможность аварии
реактора.
Другая проблема состоит в том, что
реакторы начинают работу со значительным
запасом реактивности. Это связано с продуктами
деления, которые тоже имеют большие
сечения поглощения нейтронов, так называемыми
реакторными шлаками (отравляющими
продуктами деления). Из приведенных выше
данных видно, что ксенон и самарий являются
основными продуктами деления, которые
захватывают нейтроны; отметим, что их сечения
поглощения больше, чем сечения топлива.
Отравление ксеноном на работающем реакторе
достаточно легко преодолимо; проблема
состоит в повторном пуске реактора, так как
после работы в течение некоторого времени он
должен быть остановлен на несколько часов.
Температура — важный фактор, влияющий
на реактивность реактора. Если температура
активной зоны возрастает и если, как
следствие, увеличивается реактивность, то возможен
тепловой разгон реактора, в результате
которого он может разрушиться. С другой
стороны, если вследствие увеличения
температуры реактивность уменьшится,
соответственное снижение скорости тепловыделения
приведет в дальнейшем к снижению
температуры и таким образом стабилизирует
реактор. Следовательно, важым вопросом при
проектировании реактора является,
каким окажется изменение реактивности при
увеличении температуры, положительным или
отрицительным, т.е. будет ли dp/dT>0
(нежелательно) или dp/dT<0 (желательно)?
Существует несколько факторов,
определяющих температурную зависимость:
изменение плотности реакторных материалов с
температурой, изменение объема реактора,
установившееся соотношение между эффективной
температурой и температурой замедлителя и
взаимодействие между нейтронами и ядрами
в зависимости от температуры.
Увеличение температуры в активной зоне
реактора вызовет тепловое расширение
твэлов, а также материалов конструкций и
замедлителя, при этом число рассеивающих ядер
на единицу объема уменьшится и средний
пробег увеличится, а значит, в результате
167

увеличатся утечки как /f, так и /ут. Поэтому
значение кЭф уменьшится вместе с
реактивностью. Существуют также другие процессы,
еще более усложняющие этот эффект. В
общем в энергетических реакторах изменения
плотности потока, вызванные тепловыми
эффектами, являются вторичными при
определении взаимосвязи между температурой и
реактивностью.
После нескольких столкновений с ядрами
Замедлителя средняя энергия нейтрона
оказывается равной энергии тепловых колебаний
атомов з-амедлителя. Распределение энергий
нейтрона довольно точно соответствует
распределению Максвелла. Сечение упругих
столкновений тепловых нейтронов обратно
пропорционально их скорости, так что
зависимость эффективного сечения a{v) для
данной скорости v от сечения o(vp) для наиболее
вероятной скорости vp определяется
следующим соотношением:
o(V) = o(vp)vp/v. (7.13)
Скорость в распределении Максвелла
пропорциональна корню квадратному из
температуры. Частичное изменение сечения замедления
на единицу температуры выражается
соотношением
1 *Мр) = L (7 Н)
o(v) dT 2T '
Эта зависимость показывает, что эффект
замедления снижается с увеличением
температуры замедлителя; при этом ядра замедлителя
не только удаляются друг от друга, но и как
бы уменьшаются при их взаимодействии с
нейтроном (эффект сечения).
Третий температурный эффект,
вызывающий уменьшение реактивности, — уширение
пиков резонансов поглощения в 238U (см.
рис. 7.3). Это происходит из-за изменения
эффективной температуры. Это явление часто
называют специалисты по ядерной физике
эффектом Доплера, хотя и нет прямой
аналогии между этим эффектом и известным
эффектом Доплера для волн частот видимого
спектра. Результатом этого эффекта является
увеличение коэффициентов резонансного
поглощения (т], р) и соответствующее
уменьшение реактивности. Этот эффект Доплера
является важным явлением для современных
энергетических реакторов.
В тепловых реакторах средний
температурный коэффициент реактивности
отрицательный, т. е. увеличение температуры
топлива или замедлителя вызывает уменьшение
реактивности.
Ввиду наличия различных управляющих
устройств, а также температурных и других
эффектов, которые вызывают снижение
реактивности, реактор должен обычно вводиться
в эксплуатацию со значительным избытком
реактивности, чтобы обеспечить
критичность в течение всего срока службы
его активной зоны. Действующие в
настоящее время в США реакторы
делятся на два типа: Yankee и Dresden.
Избыточная реактивность в значительной степени
расходуется в процессе большей части срока
эксплуатации активной зоны. Избыточные
нейтроны просто поглощаются
регулирующими органами, стержнями или раствором солей
бора. Это также вызывает осложнения во
время пуска реактора; регулирующие стержни
должны выводиться из активной зоны с
большой осторожностью.
Остаточное тепловыделение активной зоны
реактора после останова реактора,
последовавшего за его эксплуатацией в течение многих
дней с высоким уровнем мощности, не
зависит от теплоносителя. Определяющим здесь
является то, что продукты деления
продолжают распадаться и при этом распаде топливные
элементы выделяют энергию. Исследования
показали, что энергия деления в секунду за
время распада t выражается в среднем для
большинства изотопов в следующем виде,
МэВ/с:
Е = 2,6«"~lf2.
Это выражение включает энергию как бета-,
так и гамма-излучений. Если предположить,
что мощность работавшего реактора была
равна Р0, а затем он был остановлен через
время Г0 после пуска, то энергия,
выделяющаяся в 1 с через время I, составляет
Р-6Д.10"3Р0[Г0,2-(/-Г0Г0'2]Г (7.15)
Следовательно, реактор мощностью 1000 МВт,
находившийся в эксплуатации 30 сут, в
течение 100 сут после останова будет иметь
мощность остаточного тепловыделения активной
зоны 5,8 МВт. Очевидно, что после останова
реактора необходимо обеспечить его
охлаждение, чтобы предохранить топливо от перегрева.
Большинство энергетических реакторов,
находящихся сегодня в эксплуатации,
использует легкую воду в качестве замедлителя и
теплоносителя. Это имеет как преимущества,
так и недостатки. Вода, конечно, имеет
высокое содержание водорода и, как следствие,
является хорошим замедлителем. Она широко
распространена в природе, и не возникает
проблем при прокачке ее через трубопроводы.
Использование воды дает отрицательный
температурный коэффициент реактивности; если
температура воды становится слишком
большой, то реактивность становится отрицатель-
168

ной, т. е. эффективный коэффициент
размножения становится меньше единицы и реактор
перестает быть критическим.
Но есть также и недостатки. Прежде всего
водород в воде имеет довольно большое
сечение захвата нейтронов по сравнению с
другими замедлителями. Так как захват нейтронов
в D20 значительно меньше, чем в Н20, то при
использовании в качестве замедлителя
тяжелой воды топливом может служить природный
уран. При использовании обычной воды в
качестве теплоносителя реактор может работать
только на обогащенном уране. Другим
недостатком является то, что саморегулирующий
температурный коэффициент реактивности
ограничивает температуру воды
(теплоносителя) до относительно низких значений по
сравнению с ТЭС, использующими органические
топлива. Это означает, что общий КПД АЭС
ниже, чем ТЭС, и составляет около 31 %.
Энергетические реакторы
Как уже отмечалось, в США успешно
эксплуатируются два типа энергетических
реакторов. Третий тип из созданных в США
энергетических реакторов до настоящего времени
относился к числу неудачных. В Канаде
создан и успешно работает еще один тип
реактора— CANDU. В табл. 7.2 приведены
сравнительные характеристики указанных трех
типов успешно эксплуатируемых реакторов.
Неудачным типом реактора является
высокотемпературный газовый реактор, который
будет рассмотрен ниже. Характеристики
реакторов PWR и BWP очень похожи, но сильно
отличаются от характеристик канадского
реактора CANDU. Наибольшее различие
состоит в том, что в реакторе CANDU используется
природный уран, а не обогащенный.
Вследствие этого на реакторах CANDU в качестве
замедлителя и теплоносителя используется
тяжелая вода. Во всех трех типах этих
реакторов используется окисное топливо в виде
таблеток.
Топливо представляет собой маленькие
цилиндрические таблетки из U02 диаметром
примерно 0,89 см и высотой 1,5—2,3 см.
Порошок U02, получаемый с заводов по
преобразованию UF6 (для реакторов PWR и BWP),
спрессовывается в виде таблеток, которые
затем спекаются и загружаются в трубки из
циркалоя1 длиной от 4,0 до 4,5 м.
Типовой легководный реактор мощностью
1000 МВт содержит около 35 000 таких трубок,
в каждую из которых загружается около 150
таблеток. Плотность U02 около 11 г/см3;
температура плавления 2500 °С. При таких
размерах таблеток в реактор мощностью 1000 МВт
будет загружено около 8,4-104 кг урана.
Современные энергетические реакторы имеют
очень большие габариты, поскольку в них
необходимо получить мощность 3800 МВт
(тепл.). На рис. 7.7 показан строящийся
реактор мощностью 1148 МВт(эл.). Реактор будет
помещен в центральной шахте. Четыре
резервуара — это парогенераторы.
Каждая топливная таблетка должна быть
изолирована от охлаждающей воды.
Реактивность и тепловые напряжения вызывают
значительную деформацию и изменения
плотности топлива. В топливе также содержатся
побочные продукты деления. Оболочки,
используемые для этой цели, обычно
изготавливаются из циркониевых сплавов, однако
используются также оболочки из нержавеющей стали.
Циркониевые сплавы обладают хорошей
механической прочностью и необходимыми
антикоррозийными свойствами, а также
превосходными ядерными свойствами. Например,
сечение захвата нейтронов у него значительно
меньше, чем у нержавеющей стали.
С учетом высокой стоимости ядерного
топлива и большого экономического ущерба при
останове реактора из-за недовыработки
электроэнергии, очень важно, чтобы перегрузка
топлива проводилась как можно реже. Поэто-
1 Циркалой — сплав, состоящий из 98,16% Zr,
1,59 % Sn, 0,1 % Fe, 0,1 % Сг и 0,05 % Ni.
Таблица 7.2. Сравнительные характеристики реакторов
Характеристики
Теплоноситель
Параметры теплоносителя, МПа* (°С**)
Параметры пара, МПа* (°С**)
Удельная мощность активной зоны, МВт/м3
Топливо
Выгорание топлива, МВт-сут/т
на тепловых нейтронах
PWR
Обычная вода
15,5 (320)
7,88 (285)
35
U02 (1,2—4)***
-35 000
BWR
Обычная вода
6,65 (280)
6,65 (280)
22
U02 (1,1)***
-35 000
CANDU
Тяжелая вода
10,00 (310)
3,93 (250)
15
U02 (природный
уран)
-10 000
* Давление.
** Температура.
*** Обогащение, %.
169

Рис. 7.7. Строящийся энергетический реактор на АЭС Секвойя компании Tennessee Valley Authority
му желательно как можно более полно
использовать делящийся материал,
содержащийся в топливе. Степень использования ядерного
топлива на практике определяется в
мегаваттах в сутки в расчете на тонну 235U в
активной зоне. Первые легкозодные реакторы
достигали выгорания 15 ГВт-сут/т; в
современных реакторах достигается выгорание
приблизительно в три раза большее. Замена топлива
в реакторе производится либо при снижении
его мощности, либо пр,и нарушении
герметичности оболочек твэлов. Обычным является
60 %-ная степень выгорания 235U перед
перегрузкой топлива.
Останов реактора на перегрузку необходим
только для легководных реакторов.
Существенное различие в конструкции между
реакторами CANDU и легководными реакторами
почти решает эту проблему для канадского
проекта. В легководных реакторах вся
активная зона находится под давлением (см. табл.
7.2 и рис. 7.8). В реакторах CANDU
теплоноситель закачивается через множество
маленьких, герметичных трубок, содержащих
тепловыделяющие элементы (твэлы) из
циркониевого сплава (рис. 7.9). При этом существует
170
система блокировки, которая позволяет
заменять твэлы без остановки реактора. Это
обеспечивает более длительную работу реактора,
более равномерное выгорание топлива в твэ-
лах.
В настоящее время среди американских
легководных реакторов около 60 %
составляют реакторы PWR и 40 % — BWR. Оба эти
типа, как уже отмечалось, имеют
отрицательный коэффициент реактивности. В реакторах
BWR существуют проблемы, связанные с
использованием пара (удаление влажности,
радиоактивность). Для реакторов PWR
требуется более сложная и более дорогая
герметизирующая оболочка, но зато они имеют более
высокую удельную мощность (тепловую) и
соответственно лучшее использование топлива.
В некоторых странах действуют газоох-
лаждаемые реакторы (HTGR). В США
технология охлаждения газом была разработана и
опробирована на небольшом реакторе
мощностью 40 МВт, установленном на блоке № 1
АЭС Пич Bottom. Этот реактор был выведен
из эксплуатации после почти восьмилетней
успешной работы. Более мощный газоохлаж-
даемый реактор (330 МВт) на АЭС Форт-Сент-

Рис. 7.8. а — типовой легководный реактор типа PWR в разрезе:
/ — устройство осушки пара в сборе; 2 — сепаратор пара р сборе; 3 — входной патрубок питательной воды; 4 — разбрызгиватель
питательной воды; 5 — корпус реактора; 6 — выходной патрубок воды системы рециркуляции; 7 — бетонная защита; 8 — датчик
аппаратуры контроля нейтронного потока; 9 — приводы СУЗ; 10 — входной патрубок воды системы рециркуляции; // — сборки с
обогащенным топливом; 12 — струйный насос в сборе; 13 — входной патрубок подачи теплоносителя низкого давления; 14 — входной
патрубок залива активной зоны; 15 — выходной патрубок подачи пара к турбине;
б — типовой легководный реактор типа BWR в разрезе:
/ — приводы СУЗ; 2 — регулирующие стержни; 3 — входной трубопровод теплоносителя; 4 — выходной трубопровод теплоносителя;
5 — корпус реактора; 6 — сборки с обогащенным топливом; 7 — каналы ИК
Врейн, штат Колорадо, был построен компа- плуатации возник ряд трудностей, чт;о выну-
нией General Atomics. Он был выведен на дило комиссию WRC снизить его мощность до
критическую загрузку в июле 1976 г., но не 220 МВт. Одна из трудностей состояла в быст-
был пущен в промышленную эксплуатацию до ром изменении температуры, причина которо-
1979 г. При подготовке этого реактора к экс- го не выявлена. В результате проблем, возник-
171

Рис. 7.9. Тяжеловодный реактор типа CANDU в разрезе:
/ — регулирующие стержни СУЗ; 2 — компенсирующие сборки; 3 — датчик контроля нейтроьного потока и отравления активной
зоны; 4 — трубопроводы сброса давления; 5 — трубосборник охлаждающего контура; 6 — входной коллектор замедлителя; 7 —
входные и выходные трубопроводы теплоносителя; 8 — изоляция из стальных шариков; 9 — трубопровод выхода замедлителя; 10 —
трубопровод входа замедлителя; //—трубы под давлением, содержащие топливные элементы; 12 — корпус реактора; /3 —
смотровой лаз; 14 — трубопровод слива избытка замедлителя; /5 — фланцевая сборка; 16 — бетонная крышка; /7 — аварийные
стержни СУЗ

ших при выведении реактора на полную
мощность, ранее поступившие заказы на реакторы
HTGR были аннулированы, и в настоящее
время компания General Atomics оказалась в
тяжелом положении, вложив значительные
средства в разработку новейшей технологии,
которую нельзя продать.
В качестве теплоносителя для реакторов
HTGR в настоящее время используются гелий
и С02; выбор того или иного теплоносителя
определяется его стоимостью и типом
замедлителя. Однако какой бы выбор ни был сделан,
любой охлаждающий газ обладает небольшим
замедляющим действием, вследствие чего в
активной зоне необходимо использовать
дополнительные замедляющие материалы. В
американских газоохлаждающих реакторах в
качестве замедлителя используется только
графит. Использование такого замедлителя
не позволяет применять С02 в качестве
теплоносителя, поскольку углекислый газ при
высокой температуре вступает в реакцию с
углеродом, образуя СО. Это, в конце концов,
может привести к потере теплоносителя. За
пределами США в газоохлаждаемых
реакторах используется обычно С02, поскольку США
являются практически единственным
производителем гелия1 (см. гл. 10), а закупка его по
импорту из США связана со значительными
затратами.
Реакторы HTGR с использованием С02 и
графита взрывоопасны. Реакция
С02 + С-*2СО, (7.16)
которая происходит с выделением углерода из
графита, вызывает структурные изменения
графита. Поэтому периодически необходимо
останавливать реактор для «отжига» графита.
Этот процесс перегруппировки атомов
является эндотермическим и должен проводиться с
большой осторожностью. Одна из первых
аварий в Англии, известная как «авария на
реакторе Виндскейл», была вызвана этим
явлением.
Реактор на АЭС Форт Сэнт Врейн имеет
следующие эксплуатационные
характеристики: давление гелия 4,7 МПа, максимальная
температура гелия 538 °С, термический КПД
около 39 %. Ожидаемое выгорание топлива —
около 100 ГВт-сут/т урана, что делает этот
реактор очень эффективным в отношении
использования топлива.
Для достижения столь высокой степени
выгорания топлива требуется высокая удельная
мощность (тепловая); кроме того, необходимо
достичь эффективного использования
нейтронов, возможности работы при высокой темпе-
1 Среди капиталистических стран, (Примеч.
Р с д.)
ратуре и высокой чистоты топлива. Как
следствие этого, разработка твэлов
газоохлаждаемых реакторов потребовала больших усилий.
В эксплуатируемых в настоящее время
реакторах HTGR используются таблетки
диаметром 100 мм из карбидов урана и тория,
покрытые несколькими слоями пиролитического
углерода, являющегося барьером для продуктов
деления. Эти таблетки загружаются в
графитовые блоки, через которые прокачивается
поток гелия отдельно от потока
теплоносителя. Поток гелия служит для вывода
газообразных продуктов деления, обеспечивая очень
тщательный контроль за продуктами деления.
В газоохлаждающих реакторах утечка
радиоактивности должна быть малой, возможно
даже равной нулю.
Кроме малой утечки радиоактивности,
газоохлаждающие реакторы имеют другое
существенное преимущество перед легководными
реакторами: термический КПД практически
такой же, как и в ТЭС на органическом
топливе аналогичной мощности. Таким образом,
в конденсатор отводится такое количество
теплоты, которое позволяет использовать
оборотную систему с градирнями, что
существенно для предотвращения теплового загрязнения
водотоков и водоемов. В добавление к этому
техническая реализация газоохлаждаемых
реакторов естественным образом приводит к
разработке следующего поколения ядерных
реакторов — реакторов - размножителей на
быстрых нейтронах.
У газоохлаждаемых реакторов есть также
и недостатки. Гелиевый теплоноситель должен
прокачиваться при очень высокой скорости,
около 60 м/с, поскольку для отвода теплоты
требуются довольно большие его объемы,
около 28,5 м3/МВт (эл.). При внеплановой
остановке эксплуатационных центробежных газо-
дувок возникает необходимость прокачки
теплоносителя с помощью резервных
(аварийных) газодувок, с тем чтобы поддержать
температуру твэлов ниже их точки плавления.
Естественно, что эти же самые проблемы
существуют и для легководных реакторов.
Таким образом, видно, что на начальной
стадии становления ядерной энергетики
необходимо было уделять больше внимание
созданию реакторов различного типа. Может
оказаться, что сейчас это слишком поздно.
Промышленность сейчас находится в очень
неопределенном положении, а для окончательного
определения направления дальнейшего
развития АЭС требуется некоторое время.
Успешная разработка промышленного реактора-
размножителя на быстрых нейтронах может
повернуть общественное мнение в
направлении дальнейшего развития ядерной
энергетики.
173

РЕАКТОРЫ-РАЗМНОЖИТЕЛИ
НА БЫСТРЫХ НЕЙТРОНАХ
Если проект реактора-размножителя на
быстрых нейтронах (реактор БН) окажется
успешным, то он может стать самым важным
источником теплоты для производства
электроэнергии в ближайшие 100 лет. Для решения
многочисленных проблем, связанных с
претворением в жизнь программы промышленного
освоения реакторов БН, были затрачены
огромные усилия и средства. В США будущее
реакторов БН очень неясно. Прежде чем
обсуждать эти проблемы, рассмотрим работу
реакторов БН, основываясь на физике
реактора, разработанной к настоящему моменту.
Физика расширенного воспроизводства
ядерного топлива
В реакторе БН нейтроны, образующиеся в
процессе деления ядерного топлива 235U или
239Ри в количестве, превышающем
необходимое для поддержания цепной реакции,
используются для производства дополнительного
ядерного топлива из воспроизводящего
материала 238U, находящегося в активной зоне
реактора:
238u + „V39UV39Np + p" + v
Ui39Pu + p- + v.
(7.17)
Таким образом, ядерное топливо
воспроизводится таким же или более быстрым темпом,
чем оно расходуется. При этом более
распространенный изотоп 238U превращается в
делящийся материал, что существенно
увеличивает ресурсную базу ядерной энергетики.
Каждый нейтрон, выведенный за пределы
внутриреакторного потока, снижает
способность реактора поддерживать цепную
реакцию. Чтобы в реакторе БН происходило
расширенное воспроизводство ядерного топлива,
необходимо получить достаточное число
нейтронов в расчете на каждое деление. В этом
случае будут обеспечены: поддержание
реакции деления, захват нейтронов в 230U,
компенсация утечки и захват нейтронов в
конструкционных и внутриреакторных материалах.
Коэффициент воспроизводства ядерного топлива,
выражающий степень эффективности
размножения в данном реакторе,
KB- 6л— 1— L, (7.18
где 6 и Y] определяются методами,
изложенными в начале гл. 7; L — коэффициент
утечки. Если КВ = 1, реактор может
компенсировать только свой собственный расход
топлива; при КВ>1 реактор может воспроизводить
ядерное топливо в количестве, превышающем
собственный расход, одновременно с
производством теплоты, используемой для
выработки электроэнергии.
Степень превышения KB над собственным
расходом определяется коэффициентом 6, Л
и L. Как 6, так и L зависят от особенностей
конструктивного исполнения реактора.
Коэффициент деления под воздействием быстрых
нейтронов был измерен для множества
типоразмеров топлива и замедлителей и был
установлен ориентировочно в пределах от 1,00 до
1,05. При определенных конструктивных
режимах можно обеспечить получение
относительно небольшого коэффициента L. Коэффициент
г)—число нейтронов деления,
высвободившихся в расчете на каждое поглощение, является
важным фактором при определении
эффективности процесса размножения в реакторе и в
основном зависит только от топлива:
(7.19)
где v — число нейтронов, возникающих при
делении; а/ — сечение деления в активной
зоне (делящегося топлива и воспроизводящего
материала) и аа — общее сечение захвата в
активной зоне. Очевидно, что для
поддержания необходимого расширенного
воспроизводства ядерного топлива г\ должно быть
несколько больше двух. Однако сечения деления
и захвата являются функциями энергий
нейтронов. На рис. 7.10 приведена зависимость т]
от энергии нейтронов.
Поскольку реакторы на тепловых нейтронах
работают в диапазоне резонансных энергий
0,01<?,г<100 эВ, из рис. 7.11 следует, что, за
исключением реакторов, загруженных 233U,
которые будут обсуждены позже,
расширенное воспроизводство ядерного топлива
невозможно для этого режима работы и что если
спектр энергии сместится таким образом, что
максимальная энергия окажется примерно на
уровне 1 МэВ, то процесс расширенного
воспроизводства ядерного топлива становится
реальной возможностью. Дополнительным
преимуществом является то, что для больших
Рис. 7.10. Зависимость числа нейтронов деления г\ от
энергии для 233U, 235U и 239 Ри
174

энергий нейтронов коэффициент размножения
под воздействием быстрых нейтронов может
стать равным 1,2. Иными словами, 20 %
нейтронов, появившихся в результате деления
воспроизводящего материала, получено минуя
ядерное топливо в активной зоне. Анализ рис.
7.4 показывает, что спектр энергий нейтронов
деления без замедления будет наиболее
благоприятным диапазоном для работы реактора-
размножителя. Нейтроны в этом диапазоне
энергий называются быстрыми, а реакторы,
работающие в этом диапазоне, называются
реакторами-размножителями на быстрых
нейтронах или быстрыми реакторами.
Параметры реакторов БН
Реакторы БН по своей конструкции
отличаются от реакторов на тепловых нейтронах.
В реакторах БН сечение деления нейтронов
на два порядка меньше (табл. 7.3).
Вследствие этого для достижения
критичности и обеспечения замедления потока
нейтронов требуется топливо высокой
концентрации («50 %), что приводит к очень высокой
удельной мощности, а значит, к трудностям по
отводу теплоты.
В ранних конструкциях
реакторов-размножителей для производства плутония в военных
целях использовался чистый металлический
уран с обогащением от 25 до 50 % по 235U в
виде твэлов с оболочкой из нержавеющей
стали, размещенных в активной зоне объемом
всего несколько кубических метров (или даже
менее 1 м3). В качестве теплоносителя был
использован жидкий металлический натрий.
Несколько причин послужило причиной
выбора этого теплоносителя, а именно: жидкий
металлический натрий обладает большой
теплопроводностью и высокой точкой кипения, он
характеризуется относительно низким
сечением захвата и он слабо замедляет быстрые
нейтроны. Топливную зону окружала зона
воспроизводства, состоящая из
топлива-воспроизводителя 238U, в которой происходило
размножение.
Таблица 7.3. Параметры реакторов-размножителей на
быстрых нейтронах1 и тепловых реакторов2
Параметры
Of, барн
V
о7оу
Г)-1
-35у
1,44/582
2,52/2,47
0,152/0,19
1,18/1,07
2S8U
2,20/527
2,59/2,51
0,068/0,102
1,42/1,28
23фц
1,78/746
2,98/2,90
0,086/0,38
1,74/1,10
1 В числителе. Параметры быстрых нейтронов усреднены
для типовых нейтронных систем реактора.
2 В знаменателе. Параметры тепловых нейтронов
приведены к 0,025 эВ
В первых реакторах-размножителях ©оюв-
ной упор делался на поддержание «жесткого»
спектра нейтронов, т. е. на минимизацию
замедления. Экономичности топливного цикла
уделялось мало внимания. Но в последующие
годы, когда начались работы по созданию
нового поколения реакторов БН для
использования в энергетических целях, все большее
внимание стали уделять решению задач по
минимизации стоимости топливного цикла. В
рабочих условиях это означало, что реактор
должен находиться в эксплуатации максимально
возможное время при одной и той же
загрузке топлива, обеспечивая наибольшую степень
его «выгорания».
В современных легководных реакторах
(LWR) обеспечивается выгорание топлива в
размере около 3,5 ГВт-сут/т. Предполагается,
что значение, требуемое для экономичной
эксплуатации реактора-размножителя,
составляет около 100 ГВт-сут/т. Основным
сдерживающим фактором достижения более высоких
значений выгорания в легководных реакторах
является падение реактивности реактора по
мере уменьшения количества делящихся ядер,
а в реакторах БН — радиационные
повреждения твэлов.
В процессе эксплуатации наблюдалось
распухание твэлов как в радиальном, так и в
осевом направлениях. В результате
распухания отмечалось снижение плотности ядерного
топлива, что оказывало отрицательный эффект
на реактивность, а радиальное распухание
вызывало разрушение стальной оболочки.
Радиационные повреждения были еще более
ярко выражены, когда в топливо было
включено небольшое количество плутония.
Отмечалось очень сильное распухание при таких
незначительных выгораниях, как 1 %, и
температурах до 400 °С. Стало очевидным, что
наиболее благоприятные условия для активной
зоны реактора-размножителя — больший
нейтронный поток и более высокие температуры.
Это означает, что должны использоваться
различные топливные материалы для
достижения высоких уровней выгорания, которые
требуются для получения требуемых
экономических показателей по топливу.
Выбор пал на использование для
реакторов БН в качестве топлива окислов.
Многолетний опыт эксплуатации окислов в качестве
топлива для легководных реакторов показал,
что хотя они и не лишены недостатков, они
все же не подвергаются радиальному
распуханию и имеют более высокую точку плавления,
что в какой-то степени компенсирует их более
низкую теплопроводность. Следует тем не
менее отметить, что содержащийся в окисном
топливе кислород, выполняя роль
замедлителя, как бы «смягчает» нейтронный спектр
175

Таблица 7.4. Исследования сферического реактора
(объем 800 л) с плутониевыми топливами:
металлическим, окисным и карбидным1
Параметры
Плотность, г/см3
Масса топлива (239Ри +
+ 24Фи), кг
Коэффициент
воспроизводства:
активной зоны
суммарный

металлическое
19
533
0,86
2,12
Топливо
окисное
8,4
294
0,37
1,81
карбидное
11,4
312
0,55
1,90
1 Топливо: 40 % ^Ри, 10 % 240Ри, 25 % 242Ри и 25 % 238Lb
(рис. 7.11). В результате показатели по
расширенному воспроизводству ядерного топлива
в реакторах БН с окислами в качестве
топлива оказываются хуже, чем в реакторах с
металлическим топливом. В табл. 7.4 приводится
сравнение показателей, получаемых при
использовании различных видов топлива. Эти
показатели получены для «идеальной» зоны,
в которой отсутствуют продукты деления;
значения KB для реального реактора будут
существенно хуже.
Исследуется также возможность
использования в реакторах БН карбидных топлив,
применяемых в высокотемпературных
реакторах с газовым охлаждением. Однако имею-
Рис. 7.11. Спектры нейтронов для различных
комбинаций топливо—замедлитель:
/ — реактор-размножитель; 2 — размножитель 1000 МВт,
металлическое топливо, теплоноситель — натрий; 3 —
размножитель 1000 МВт, карбидное топливо, теплоноситель — натрий;
4 — размножитель 1000 МВт, окисное топливо, теплоноситель —
натрий; 5 — размножитель 1000 МВт, окисное топливо, тепло-
Носитель — пар Ферми
щийся опыт использования таких карбидных
топлив меньше, чем окисных топлив. Тем не
менее есть основания предполагать, что
карбидные топлива могут оказаться лучше
окисных топлив. Они обладают более высокими
теплопроводностью и точкой плавления и
большей стойкостью к радиационным
повреждениям.
Одно из основных преимуществ
использования керамических (окись и карбид) топли!в
состоит в том, что плотность таких топлив
составляет примерно половину плотности
металлических топлив. Это, а также тот факт,
что обогащение топлива для реакторов БН,
использующих керамические виды топлива,
составляет около 12 % по сравнению с 50 %,
необходимыми для реакторов, использующих
металлическое топливо (которое будет
рассмотрено ниже), снижает удельную мощность
в 4 раза, значительно улучшая тем самым
теплоотдачу. Поэтому наиболее важный аргумент
в пользу использования жидкого натрия в
качестве теплоносителя, в первую очередь в
реакторах БН с металлическим топливом,
теряет свое значение при использовании в таких
реакторах керамического топлива.
Очень важной характеристикой реакторов
БН является время удвоения, т. е. время, в
течение которого масса ядерного топлива,
первоначально находившаяся в топливном
цикле реактора-размножителя, увеличится в
2 раза. Очевидно, этот период времени
должен быть по возможности значительно
меньше, чем расчетный срок службы установки.
Если реактор-размножитель с общей
загрузкой топлива Мс, кг, работающий при
мощности Р, МВт, производит топливо в количестве
т, кг/МВт сутки, тогда время удвоения t2
таково, что
t2mP = 2Mc. (7.20)
Общее количество топлива, вовлеченного
в топливный цикл, включает топливные
элементы, загруженные в реактор Мр, топливо,
находящееся в стадии изготовления и
регенерации отработавшего топлива.
Отметим, что
Мр = — (7.21)
Ps
И
M--[-irll+V- (7-22)
где ps—удельная мощность реактора, МВт/кг;
U и tp — время внешнего топливного цикла и
время работы топлида в реакторе
соответственно.
Можно связать темп наработки топлива т
как функцию параметра gs, называемого
избыточным коэффициентом воспроизводства
176

ядерного горючего1, и темп сжигания
ядерного топлива нетто т<х следующим образом:
т {l+gB)nid. (7.23)
Теоретически возможно рассчитать gB в
зависимости от топлива и геометрических
параметров, но этот расчет непрост. Для
быстрых реакторов этот параметр составляет
около 0,33. Коэффициент та может быть
рассчитан, исходя из тепловой мощности
реактора, с учетом того, что в результате деления
ядер под воздействием быстрых нейтронов
выделяется энергия в среднем 205 МэВ. Для
большинства быстрых реакторов время
удвоения составляет ориентировочно около 20 лет,
хотя на этот показатель могут оказывать
существенное влияние многие факторы, которые
еще предстоит определить, в особенности
время регенерации.
Управление реактором БН
При проектировании реактора БН, как и
легководных реакторов, одной из основных
проблем является зависимость реактивности
от температуры. Очевидно, что для
безопасной эксплуатации dp/dT должно быть
отрицательным. Эта проблема была интенсивно
изучена только для реакторов-размножителей
на быстрых нейтронах с жидким натрием в
качестве теплоносителя. В реакторах этого
типа главная пробле*ма состоит в
возникновении пузырей, образующихся в натрии из-за
его кипения, или даже общей потере натрия
вследствие аварии. Из-за образования
пузырей в натрии ужесточается спектр нейтронов
в результате эффекта снижения замедления
внутри пузырей и увеличиваются утечки из
активной зоны реактора из-за снижения
эффекта рассеяния в пузырях.
Для реакторов-размножителей на быстрых
нейтронах с жидкометаллическим
теплоносителем небольших размеров, где утечка является
доминирующим фактором, возникновение
пузырей в натрии приводит к получению
dp/dT<0. Но в энергетических реакторах,
пригодных для промышленных целей, чаще
возникает увеличение реактивности в результате
ужесточения спектра нейтронов и dp/dTX),
что видно из кривой на рис. 7.11. Когда это
было открыто, проектировщики реакторов
были обескуражены. Это длилось до тех пор,
пока не было установлено, что другой важный
температурный эффект, открытый ранее для
реакторов на тепловых нейтронах (эффект
Доплера), играет большую роль и в реакторах
на быстрых нейтронах.
1 Коэффициент воспроизводста ядерного топлива
минус единица. (Примеч. ред.)
Увеличение резонансного поглощения в
большом энергетическом диапазоне является
основным фактором, влияющим на значение
нейтронного потока в реакторе БН. Так
как это захват в воспроизводящем
материале, то истинным результатом доплеровского
уширения являются существенное снижение
количества нейтронов и соответствующая
потеря реактивности. Эта потеря реактивности
может быть больше, чем добавочное
увеличение реактивности, из-за ужесточения спектра,
если воспроизводящая составляющая зоны
достаточно большая по сравнению с
составляющей деления. И, как следствие, обогащение
топлива для реакторов-размножителей на
быстрых нейтронах с жидкометаллическим
теплоносителем будет ограничено в пределах
12—25 %. Даже с этим ограничением
температурные отрицательные значения
коэффициентов реактора на быстрых нейтронах
достаточно малы — около 2-10~5.
Современные конструкции
реактора-размножителя
В настоящее время изучаются три
конструкции реактора-размножителя: реакторы-
размножители на быстрых нейтронах с
жидкометаллическим теплоносителем (LMEBR),
газоохлаждаемые реакторы-размножители на
быстрых нейтронах и реакторы-размножители
с расплавленной солью в качестве
теплоносителя. Только один из этих типов — реактор-
размножитель на быстрых нейтронах с
жидкометаллическим теплоносителем тщательно
разрабатывается (хотя и не без проблем; см.
ниже). Два других типа имеют ряд
преимуществ перед реактором-размножителем на
быстрых нейтронах с жидкометаллическим
теплоносителем, а также некоторые
недостатки. Рассмотрим все три тина.
Реактор-размножитель на быстрых нейтронах
с жидкометаллическим теплоносителем
На рис. 7.12, 7.13 приведены изображения
двух основных конструкций таких реакторов.
В реакторе с интегральной компоновкой
сборка активной зоны, натриевые насосы и
промежуточный теплообменник помещены в
большой бак с натрием. Эта конструкция
предохраняет активную зону от потери
теплоносителя даже в случае отказа системы теплоотвода
первого контура. Интегральная компоновка
требует большого количества натрия и
ограничивает доступ в реактор и прилегающее к
нему оборудование.
При петлевой компоновке только активная
зона реактора наполнена натрием. Петля
охлаждения первого контура, включая насосы и
теплообменники, расположена вне сборки ре-
177

Рис. 7.12. Реактор-размножитель на быстрых нейтронах
с жидкометаллическнм теплоносителем (интегральная
схема):
/ — привод регулирующего стержня; 2 — промежуточный
теплообменник; 3 — основной бак; 4 — внутренний бак; 5 — активная
зона; 6 — отражатель нейтронов; 7 — циркуляционный насос
Рис. 7.13. Реактор-размножитель на быстрых нейтронах
с жидкометаллическнм теплоносителем (петлевая
схема):
/ — вспомогательный двигатель; 2 — отсечной клшан; 3 —
привод регулирующего стержня; 4 — циркуляционный насос; 5 —
внутренний кожух; 6 — активная зона; 7 — защитный корпус;
8 — промежуточный теплообменник; У — первичный экран; 10 —
отражатель нейтронов
актора. При соответствующей разработке
компонентов системы охлаждения первого
контура наполнение активной зоны может быть
гарантировано с той же самой степенью на-
17$
Рис. 7.14. Принципиальная схема
реактора-размножителя на быстрых нейтронах с жидкометаллическнм
теплоносителем:
/ — сепаратор-перегреватель; 2 - турбина низкого давления;
3 - генератор; 4 - конденсатор; 5 - конденсационный насос,
6 — регенеративные теплообменники; 7 - испаритель; « —
питательный насос; 9- реактор; 10 - промежуточный
теплообменник; //-пароперегреватель; 12 - турбина высокого давления
дежности, что и для интегральной
компоновки. Петлевая компоновка требует меньшего
количества натрия и значительно упрощает
обслуживание.
Ранее были обсуждены причины выбора
натрия в качестве теплоносителя, в первую
очередь его отличные теплопроводные
характеристики. Кроме того, следует упомянуть, что
поскольку натриевая петля охлаждения
работает на низком давлении, она более безопас-
^ на, чем система под давлением. Естественная
циркуляция натрия также поможет охлаждать
реактор в случае аварийного останова.
Но охлаждение жидким натрием имеет и
ряд серьезных недостатков. Натрий
становится интенсивно радиоактивным в нейтронном
потоке активной зоны:
23Na + n-*24 Na-^24 Mg + (Г + v. (7.24)
Сечение поглощения нейтронов для этой
реакции составляет приблизительно от 0,001 до
0,002 значения сечения деления 235U, что
представляет малое число для тепловых нейтронов
и большое —для быстрых нейтронов. Период
полураспада 24Na составляет 15 ч. Ввиду этой
радиоактивности необходимо использовать
промежуточный контур охлаждения с натрием
в качестве теплоносителя, который, не будучи
радиоактивным, используется для передачи
теплоты от первого контура к парогенератору
и перегревателю (рис. 7.14). Так как натрий
бурно вступает в реакцию с водой,
конструкция парогенератора и перегревателя должна
исключить возможность контакта между
ними. Как на английском, так и на французском

Рис. 7.15. Экспериментальный реактор-размножитель EBR-11
прототипах реакторов (быстрые реакторы
Dounreay и Phenix) были трудности со
сварными швами парогенераторов. Кроме того,
поскольку натрий непрозрачен, техническое
обслуживание и перегрузка активной зоны
должны проводиться без визуального контроля.
На рис. 7.15 показан экспериментальный
реактор-размножитель EBR-II,
расположенный в лаборатории National Engineering
Laboratory в штате Айдахо, который
эксплуатируется лабораторией Argonne National
Laboratory министерства энергетики США. Этот
реактор-размножитель на быстрых нейтронах
с жидкометаллическим теплоносителем
вступил в строй в 1964 г. Он предназначен для
испытания топлив, конструкционных
материалов, поглотителей и детекторов. Активная зона
помещена в бак вместимостью 325 м3 с
натрием при температуре 370 °С. Реактор
обеспечивает работу турбоагрегата мощностью 20 МВт,
на котором уже выработано 10 ТВт-ч
электроэнергии. В 1976 г. реактор проработал 76,9 %
времени.
Реактор-размножитель с газовым
охлаждением
Одной из альтернатив
реактора-размножителя на быстрых нейтронах с
жидкометаллическим теплоносителем является газоохлаж-
даемый реактор-размножитель на быстрых
нейтронах. Принимая во внимание
неудовлетворительные результаты, достигнутые на газо-
охлаждаемом реакторе на тепловых
нейтронах, трудно предсказать, какое будущее
ожидает газоохлаждаемый реактор-размножитель
на быстрых нейтронах. Но так как реактор
этого типа теоретически имеет некоторые
преимущества, необходимо внимательно его
рассмотреть. Этот тип реактора
рассматривается с существующей системой охлаждения;
твэлы имеют оболочку из нержавеющей стали,
топливо — окисное, разработанное для
реактора-размножителя на быстрых нейтронах с
жидкометаллическим теплоносителем. Общая
высота реактора при электрической мощности
300 МВт составляет около 3 м, высота самой
активной зоной — около 1 м. В качестве
теплоносителя используется гелий под давлением
от 7 до 100 МПа. Реакторная установка
вместе с корпусом из предварительно
напряженного бетона имеет диаметр около 25 м,
высоту — 20 м. Корпус спроектирован таким
образом, чтобы сохранить гелий даже в случае
аварии нагнетающей системы.
Гелий в качестве теплоносителя имеет ряд
преимуществ. Не взаимодействуя с быстрыми
нейтронами в активной зоне, он не оказывает
179

влияния на температурный коэффициент
реактивности реактора, тем самым упрощая
проблемы управления. В реакторах с гелием в
качестве теплоносителя нет проблемы,
аналогичной образованию пузырей натрия в
реакторе-размножителе на быстрых нейтронах с
жидкометаллическим теплоносителем.
Отсутствие замедляющего эффекта сохраняет
жесткий спектр нейтронов и улучшает процесс
воспроизводства ядерного топлива. Гелий не
вызывает коррозию, а его прозрачность
позволяет наблюдать процесс перегрузки и работы
по техническому обслуживанию. Ввиду
отсутствия радиоактивности горячий гелий может
быть направлен в пароперегреватель и
парогенератор без промежуточного теплопередаю-
щего контура, требуемого для натрия. Можно
даже представить возможность
одноконтурного энергетического цикла, когда
гелий-теплоноситель из реактора направляется прямо в
газовую турбину, соединенную с генератором.
Многие преимущества этого реактора
перед реактором-размножителем на быстрых
нейтронах с жидкометаллическим
теплоносителем, казалось бы, предопределяют его
развитие, но, как мы знаем, одни научные
предпосылки подчастую недостаточны для
принятия принципиальных решений.
Реактор-размножитель с расплавленной
солью
Последним типом реактора-размножителя,
который здесь рассматривается, является
реактор-размножитель с расплавленной солью.
Финансирование работ по реактору этого типа
осуществляется на минимальном уровне,
достаточном только для того, чтобы
поддерживать знания в области этой технологии, к
которой можно было бы обратиться в случае
появления каких-либо серьезных проблем,
связанных с разработкой
реакторов-размножителей на быстрых нейтронах с
жидкометаллическим теплоносителем. В 1972 г. КАЭ
приняла решение о еще большем сокращении
финансирования этих работ, что привело к
свертыванию дальнейших исследований в этой
области. Возможно, новый взгляд на
состояние энергетики приведет к возобновлению
исследований и разработок в области реактора-
размножителя с расплавленной солью. Этот
реактор представляет собой
реактор-размножитель на тепловых нейтронах, не
использующий спектр быстрых нейтронов, требующийся
для реакторов-размножителей на быстрых
нейтронах с жидкометаллическим или газовым
теплоносителем. Для того, чтобы получить
показатель г\ = 2, требуемый для
воспроизводства ядерного горючего^ в качестве делящегося
ДО
сырья используется 233U. Воспроизводящим
материалом в этом реакторе является 232Th, a
реакция воспроизводства имеет вид:
232Th + nV33Th (ti/зХ22 мин)
Ц233ра + р~ + v (т1/? = 27,4 сут)
L233U + F + v (7.25)
Торий является достаточно
распространенным тяжелым элементом; он часто
встречается в гранитах и сланцах. Изотоп с атомной
массой 232 является единственным
встречающимся в природе. В реакторе-размножителе е
расплавленной солью применяют смесь 232ТЬи
233U, растворенную в расплавленном литии и
фтористом бериллии. Этот коллоидный
раствор проходит через графитовую
решетку-замедлитель, внутри которой и происходит
реакция деления. Он также циркулирует снаружи
вокруг активной зоны, образуя слой (блан-
кет), в котором происходит реакция
воспроизводства.
Основным преимуществом
реактора-размножителя с расплавленной солью является то,
что в нем не используются топливные
стержни и имеется возможность практического
воспроизводства топлива на месте. Первое
преимущество может стать решающим при
развитии мощностей коммерческих
реакторов-размножителей из-за огромной трудности, с которой
столкнулись при испытании современных
топливных сборок в условиях, близких к
существующим нейтронным и тепловым полям
реакторов-размножителей на быстрых
нейтронах с жидкометаллическим теплоносителем и
газовым охлаждением. Воспроизводство
топлива на месте также представляет собой
исключительно заманчивую перспективу,
несмотря на трудности, с которыми, возможно,
предстоит столкнуться для достижения
необходимого уровня безопасности, — придется
прокачивать высокорадиоактивные материалы через
всю систему.
Другим важным преимуществом реактора-
размножителя с расплавленной солью
является то, что конечным продуктом
воспроизводства является не плутоний, а уран. Уран,
даже будучи радиоактивным, не в такой степени
токсичен и опасен, как плутоний. Многие
критики программы исследования реактора-
размножителя на быстрых нейтронах с
жидкометаллическим теплоносителем используют
только один этот факт как довод, достаточный
для перехода на программу
реакторов-размножителей с расплавленной солью.
Важнейшим недостатком таких реакторов
является их невысокая степень
воспроизводства, что видно из приведенных ниже
характеристик реактора-размножителя с
расплавленной солью мощностью 1000 МВт<эл.):

Мощность реактора, МВт (тепл.) . . 2250
Общестанционный КПД, % ... 44
Температура солевого топлива на входе
и выходе, °С 566, 704
Температура солевого теплоносителя на
входе и выходе, °С 454, 621
Параметры дросселированного пара,
МПа (°С) 2,4 (538)
Высота/диаметр активной зоны, м . . 4,0/4,3
Радиальная толщина зоны
воспроизводства, м 0,5
Толщина графитовых отражателей, м . 0,8
Число элементов активной зоны . . . 1412
Размеры элементов активной зоны, см . 10,2хЮ,2х
Х396
Содержание соляной фракции в
активной зоне, % 13
Содержание соляной фракции вне зон
замедления, % 37 и 100
Содержание соли в отражателе, % . . <1
Средняя удельная мощность активной
зоны, Вт/см3 22
Максимальная плотность потока
тепловых нейтронов, нейтрон/(см2-с) . . 8,3-1014
Поток нейтронов в графите (>50 кэВ)
в точке максимального значения, ней-
трон/(см2-с) 3,3-1014
Расчетный срок службы графита, лет* 4
Общий объем соли в первом контуре, л 48 700
Воспроизводство тория, кг 68 000
Запас ядерного топлива в системе
реактора и установке регенерации, кг . . 1470
Коэффициент воспроизводства .... 1,07
Производство ядерного топлива, %/год 3,6
Время удвоения топлива, лет .... 19
* Определено для коэффициента использования мощности
80 % и нейтронного потока 3X1022 нейтрон/см2 (>50 кэВ).
Поток нейтронов должен быть тщательно
сформирован, чтобы обеспечить необходимый
для воспроизводства избыток нейтронов. В
дополнение к обычным для всех реакторов
проблемам, связанным с утечкой нейтронов и
отравлением продуктами деления реакторы-
размножители с расплавленной солью имеют
также еще одну проблему: поглощение
нейтронов ядрами изотопа протактиния (233Ра),
который является промежуточным звеном в
цепи воспроизводства. Эти ядра имеют
сечение поглощения нейтронов, определенное для
района резонанса энергии, приблизительно
850 барн, а сечение 233U равно
приблизительно 525 барн. Может даже оказаться, что
воспроизводство окажется невозможным до тех
пор, пока 233Ра содержится в области
высокого нейтронного потока.
Решением проблемы является организация
циркуляции смеси расплавленного топлива и
продуктов распада; в таком случае окажется
возможным попутное разделение протактиния
и загрязняющих продуктов распада, в
результате чего возвращающаяся в цикл смесь будет
содержать только ядра, подлежащие
делению, и ядра воспроизводящего материала.
Благодаря организации циркуляции
топливной смеси с целью удаления загрязняющих
примесей на месте упрощается одна из
основных проблем современных легководных
реакторов, т. е. транспортировка на регенерацию
отработавших, а следовательно, высоко
радиоактивных твэлов.
В отношении практической эксплуатации
реакторов-размножителей с расплавленной
солью существует множество технических
трудностей, как, впрочем, и в отношении всех
других реакторов-размножителей.
БЕЗОПАСНОСТЬ РЕАКТОРА
Насколько безопасна атомная энергия?
Представляется, что такой вопрос слишком
прямолинеен. Хотелось бы полагать
(поскольку в мире в эксплуатации находится большое
количество АЭС), что ядерная энергия так же
безопасна, как и любой другой вид энергии.
Если это так, достаточно ли этого?
Радиоактивность на АЭС в режиме
нормальной эксплуатации невысока. Хотя эти
выбросы намного ниже фоновых уровней1, они
могут привести к небольшому статистическому
увеличению количества онкологических
заболеваний среди населения, подвергающегося
воздействию радиации. Крупный ядерный
реактор, находящийся в эксплуатации многие
месяцы, имеет повышенную радиоактивность
в активной зоне, превышающую 1020Бк.
Поэтому, возможно, следует настаивать, чтобы
АЭС были безопаснее, чем обычные
электростанции. Вновь встает вопрос, насколько
безопаснее?
Этот вопрос стоит с того времени, как
появилась ядерная энергетика; он лежит в
основе разногласий по поводу ее развития. В
течение последних примерно 20 лет на его
изучение были израсходованы большие средства.
Однако вопрос остается нерешенным. В этом
разделе будет подробно рассмотрена
безопасность реактора с различных точек зрения:
физика и техника безопасности; инциденты на
АЭС, связанные с радиационной опасностью;
анализ риска. Можно и не ответить на вопрос,
насколько безопасна ядерная энергия, но ведь
это только часть проблемы. Восприятие
населением опасности ядерной энергии очень
сильно отличается от восприятия опасности
других источников энергии, даже при условии,
что эти другие источники, в конечном счете,
более опасны для здоровья людей.
Гарантия безопасности
В начале программы мирного
использования реактора Комиссия по атомной энергии
(КАЭ) установила следующие мероприятия но
См. гл. 14.
181

безопасности: выбор площадки под АЭС,
определение критериев проектирования,
требований по технике безопасности, планирование
эксплуатационных режимов, устройство
защитной оболочки.
При этом выражалась надежда, что
изучение этих аспектов и реализация рекомендаций,
разработанных на основе этого изучения,
позволят полностью исключить возможность
аварии. Если же авария все же произойдет,
ее последствия будут сведены до минимума.
При выборе площадки под АЭС особое
внимание уделялось тому, чтобы в случае,
если реакторы строятся в районах,
подверженных сейсмической активности или
неблагоприятным погодным воздействиям (торнадо),
предпринимались бы специальные
конструктивные меры противодействия этим явлениям.
Маловероятно, чтобы вопрос о выборе
площадки для АЭС в районах, расположенных
вдали от таких мест, изучался серьезно. АЭС
Ранчо Секо с одним блоком в штате
Калифорния сооружена фактически на краю
геологического разлома Сан-Андреас! По традиции
АЭС располагаются вблизи крупных
городских комплексов; это вполне рационально,
поскольку именно здесь испытывается
наибольшая потребность в электроэнергии.
Критерии проектирования, выработанные
для достижения наивысшей безопасности
работы АЭС, охватывают широкий диапазон
эксплуатационных параметров: максимальные
температуру воды и давление, максимальную
температуру защитной оболочки топлива,
максимальное обогащение топлива, а также
максимальную выработку теплоты. Соблюдение
этих параметров в допустимых пределах
гарантирует, что реактору будет присуще
саморегулирование на всех этапах эксплуатации,
т. е. при пуске, когда образуется достаточно
большое количество избыточной реактивности,
при работе на полной мощности.
Максимальная температура защитной
оболочки топлива, разрешенная расчетными
критериями комиссии по атомной энергии США
во время аварии с потерей теплоносителя,
составляет 1204 °С. При нормальной
эксплуатации эта оболочка имеет примерно температуру
теплоносителя 315 °С, а само топливо имеет
расчетную температуру от 2300 до 2500 °С в
центре. Следует сравнить ее с точкой
плавления, приведенной в характеристиках двуокиси
урана U02:
Точка плавления, °С 2800 °С
Кристаллическая структура . . . Кубическая
Параметр решетки А 5,468
Теоретическая плотность, г/см2 . . 10,96
Теплопроводность, Дж/(с-см2-°С) . 0,08 (при
20 ЭС)
Продолжение
Коэффициент теплового расширения
(на 1°С) МО-5 (от 0 до
1000°С)
Предел прочности, МПа 60
Модуль упругости, ГПа 150
Между специалистами существуют
некоторые разногласия по поводу того, достаточно
ли осторожны эти расчетные критерии.
Максимально допустимая тепловая мощность
реактора к настоящему времени достигла
3800 МВт. Имеющийся опыт эксплуатации
таких мощных реакторов недостаточен.
Представляется, что по мере возрастания тепловой
мощности реакторов снижается их
эксплуатационная надежность (хотя это оспаривается
многими электроснабжающими компаниями).
Сейчас еще не ясны все наиболее уязвимые в
аварийном отношении места в реакторах
большой мощности. Безусловно, что в реакторах
большой мощности этих неясностей еще
больше. Споры по этому вопросу скорее приведут
к сокращению мощности реакторов, чем к ее
увеличению. Следует отметить, что в других
странах действуют или сооружаются реакторы
большей по сравнению с достигнутой в США
максимальной тепловой мощности.
Еще при разработке критериев
обеспечения безопасности при нормальных условиях
эксплуатации ядерных энергоблоков были
опубликованы технические требования для
достижения безопасности во время нерасчетной
эксплуатации или в аварийных условиях.
Существуют многочисленные средства для
решения этих задач, но самыми важными
являются: система аварийного охлаждения активной
зоны (САОЗ), система аварийной подпитки,
аварийная остановка реактора и аварийное
дизельное энергопитание.
Система охлаждения типового реактора
PWR показана на рис. 7.16. На нем
изображено только два парогенератора и главных
циркуляционных насоса; на практике их может
быть больше четырех. В случае разрыва в
контуре охлаждения или «аварии с потерей
теплоносителя» вода, находящаяся под
давлением, будет вытеснена из корпуса реактора,
что приведет к так называемой «продувке»
зоны. При этом начнет подниматься
температура активной зоны, а выброс пароводяной
смеси из активной зоны будет продолжаться
до тех пор, пока давление в ней не станет
равным давлению под защитной оболочкой
реактора. Непосредственно перед наступлением
этого равновесия автоматически начнут
работать насосы САОЗ, с помощью которых
активная зона будет залита водой. Существует
также система впрыскивания воды в активную
зону снизу при низком дгвлении.
182

Рис. 7.16. Упрощенная схема реактора типа PWR,
показывающая систему аварийного охлаждения зоны
(САОЗ)
/ — парогенератор; 2 — компенсатор объема; 3 — трубы
парогенератора; 4 — гидроаккумулятор; 5 — главный циркуляционный
насос; 6 — насосы спркчклерных систем высокого и низкого
давления; 7 — корпус реактора; 8 — циркуляцион ibiu
трубопровод; 9 — тепловая защита; /0 — активная зона; //— внутриреак-
торная емкость; 12 — жидкость аварийного охлаждения
активной зоны; 13 — охлаждающая жидкость; 14— пар; 15 — газовый
колпак
Еще не было ни одного случая
опробирования по полной схеме системы аварийного
охлаждения зоны на работающем
энергетическом реакторе. Этот факт является серьезным
источником беспокойства для многих, кто
испытывает сомнения по поводу ядерной
энергетики. Вся имеющаяся в настоящее время
информация по работе САОЗ в режиме аварии
с потерей теплоносителя основана на
математическом моделировании и экстраполяции
существующей технологии и результатов
нескольких испытаний по неполной схеме.
Комиссия по ядерному надзору требует
чтобы тот, кто подает заявку на сооружение
АЭС, продемонстрировал соответствие САОЗ
предлагаемого реактора расчетным
критериям. Однако никто фактически этого не делал.
Все ограничиваются упомянутыми выше
моделированием и экстраполяцией.
Дебаты по САОЗ продолжались (а
временами обострялись) в 60-х годах. Проведенные
в 1971 г. два испытания по неполной схеме
послужили поводом для детального пересмотра
КАЭ расчетных критериев САОЗ. В первом
эксперименте, проведенном в лаборатории Oak
Ridge, имитировались условия «продувки» на
небольшом исследовательском реакторе. Твэ-
лы подвергались воздействию пара;
остаточное тепловыделение, характерное для
реальных аварий, было обусловлено реакцией
деления в реакторе, но только до тех пор,
пока не была достигнута заданная
максимальная температура. Эта максимальная
температура (966 °С) поддерживалась в течение 2 с.
Во время этого эксперимента произошли
обширные разломы топливных стержней, все
топливные элементы были раздуты и погнулись.
Один стержень был разрушен особенно
сильно, после чего неожиданно возник режим
распада твэла. Произвольно образовывался
водород из-за реакции пара с металлом.
Произошла блокировка 48 % каналов охлаждения.
В другом эксперименте, проведенном
атомной корпорацией Idaho Nuclear Corporation
12 пучков топливных стержней, наполненных
АЮг вместо U02, имитировали активную зону
реактора. Стержни были нагреты
электрически до температуры 1150°С. После воздействия
пара наблюдались резкие температурные
колебания вплоть до 1616 °С, сильное окисление
циркония и значительная фрагментация и
спекание защитной оболочки. Несколько
стержней были пробиты, в результате чего
произошло взаимодействие пара с алюминием,
предопределив возможность реакции типа
3U20 + 2Н20 -> U308 + 2Н2 (7.26)
в работающем реакторе.
На основании этих экспериментов был
сделан вывод, что увеличение температуры
защитной оболочки до 980 °С и выше в процессе
продувки может привести к обширному
распуханию твэлов и сужению сечения каналов для
теплоносителя. При более высоких
температурах неожиданное повреждение защитной
оболочки топлива и реакции топлива с паром
приведут к резким температурным
колебаниям, что, в свою очередь, усилит плавление,
разрывы топливных стержней и общие
повреждения активной зоны. Таким образом,
если авария с потерей теплоносителя
произойдет в реакторе, работающем с максимально
разрешенной температурой защитной
оболочки 1200 °С, вполне вероятно, что САОЗ не
только не сможет предотвратить сильнейшее
расплавление активной зоны, возрастание
давления и выброс радиоактивности, но
фактически может ускорить эти явления, вызвав
«гидравлический удар».
Было также совершенно очевидно, что
метод прогнозирования поведения систем
реактора неудовлетворителен, поскольку метод
моделирования не смог предсказать результаты
этих двух испытаний.
К этому времени беспокойство по поводу
эффективности САОЗ стало проявляться
более отчетливо. Вопросы эти рассматривались
в АЕС с января 1972 г. по июль 1973 г. (с
перерывами). В декабре 1973 г. АЕС издала
ряд переработанных критериев для САОЗ,
которые устранили ряд недостатков более
ранних критериев. В особенности усложнилось
Ш

машинное кодирование, используемое для
прогнозирования хода аварии с потерей
теплоносителя. При этом учитывались:
динамические условия потока
теплоносителя по всей циркуляционной петле охлаждения
первого контура, особенно вокруг горячих
мест;
охлаждение, обеспечиваемое
теплоносителем первого контура;
отвод теплоты на различных стадиях
аварии;
изменения геометрии активной зоны,
блокировка потоков теплоносителя, фрагментация
активной зоны, распространяющиеся
неполадки топливных элементов, расширение пара и
химические реакции между топливом и
защитной оболочкой;
реакция цирконий — вода/пар;
время, необходимое для включения
насосов, и влияние давления в корпусе реактора
на работу насосов.
Но даже эти более новые требования не
были опробированы на работающем реакторе.
Еще в 1963 г. АЕС начала сооружение
испытательного реактора мощностью 50 МВт для
проведения исследований с утечкой
теплоносителя (реактор LOFT). В 1969 г., когда
реактор еще сооружался, задача программы была
изменена: испытания расплавления активной
зоны были заменены испытаниями САОЗ.
Позднее программа была переведена на
испытания контроля качества.
Испытания утечки теплоносителя были
неудовлетворительны из-за несопоставимости
результатов. Поскольку реактор для
испытаний с утечкой теплоносителя значительно
меньше современных легководных реакторов,
неясно, есть ли смысл проводить их
сравнения. Из-за этих различий исследование,
проведенное обществом American Physical Society,
предполагает, что результаты испытания с
утечкой теплоносителя не могут быть
использованы для принятия машинных кодов,
применяемых при оценке системы аварийного
охлаждения реактора. Они, однако, могут
проводиться для исследования довольно
большого числа явлений, которые имеют место во
время аварий с потерей теплоносителя. Следует
заметить, что реактор для проведения
испытаний с утечкой теплоносителя имитирует
только реакторы с водой под давлением (PWR),a
проведение аналогичных испытаний для
реакторов на кипящей воде (типа BWR) еще
даже не предусмотрено.
Подводя итоги, можно утверждать, что еще
ни разу не были проведены испытания САОЗ
реактора на легкой воде по полной схеме.
Целый ряд испытаний по неполной схеме
подвергает сомнению использование машинных
кодов, применяемых для подтверждения
работоспособности САОЗ, хотя эти коды были
заметно улучшены по сравнению с более ранними
вариантами. Требуется существенный объем
экспериментальных исследований этих
машинных кодов, а также ускорение изучения систем
САОЗ. В свете таких событий, как
описываемая ниже авария на АЭС Три Майл Айленд,
возможно, такое исследование теперь будет
проведено.
И, наконец, вопросы безопасности АЭС
связаны с защитной оболочкой. АЕС разработала
критерий тройного барьера против
радиоактивных выбросов из реакторов в случае
аварии. Первый — сама защитная оболочка
топлива. В нормальном рабочем режиме эта
оболочка, обычно изготовленная из циркониевого
сплава или нержавеющей стали, выдерживает
высокую температуру и высокий нейтронный
поток. Большая часть радиоактивности в
реакторе представлена продуктами деления,
которые находятся внутри топливной таблетки
до тех пор, пока сохраняется целостность
защитной оболочки. Нередки случаи, когда
отдельные твэлы разрушаются при нормальной
работе или в них образуются поры. Правда,
число таких элементов относительно мало по
сравнению с общим числом топливных
элементов.
В случае выброса радиоактивных
материалов из твэлов на их пути встает второй заслон,
предотвращающий поступление
радиоактивного материала в окружающую среду. Этим
заслоном является корпус реактора. Типовой
корпус реактора с кипящей водой
спроектирован таким образом, чтобы выдерживать
давление около 8,5 МПа при нормальном
рабочем давлении 7 МПа. В реакторе с водой под
давлением эти показатели составляют
соответственно 1,70 и 1,5 МПа. Из этого видно, что
корпуса реакторов PWR и BWR
проектируются с учетом сравнительного небольшого
превышения нормального эксплуатационного
давления. Они смогут удержать радиоактивные
материалы, выделяющиеся из поврежденного
топливного элемента, в системе охлаждения.
Однако более серьезная авария может
привести к разрушению и этого заслона. Тогда
наступает очередь последнего барьера — самого
здания реактора, называемого защитной
оболочкой. Это здание имеет характерную
сферическую или цилиндрическую форму,
являющуюся визитной карточкой АЭС в США. Они
должны выдерживать превышения давления
примерно 0,3—0,5 МПа. Эти показатели
определены с помощью моделирования, при этом
были приняты во внимание наиболее
вероятные виды химических и ядерных реакций,
которые могут иметь место при определенном,
наиболее опасном виде аварии, которая может
произойти на работающем ядерном реакто-
№

ре, — одновременном разрыве всех
трубопроводов, подающих охлаждающую воду в
активную зону. Такая авария не рассматривается
NRC как вероятная при обсуждении гарантий
безопасности. Комиссия определила, что
наиболее вероятной аварией является разрыв
одного трубопровода контура охлаждения, хотя
всегда утверждалось, что вероятность такой
аварии ничтожно мала.
Совершенно не очевидно, что
многоступенчатая система защиты сможет предотвратить
выброс пара или водорода при частичном
расплавлении активной зоны. При расплавлении
зоны из двуокиси урана температура может
быть настолько высокой, что расплавится
днище корпуса реактора, будет прорвана
бетонная конструкция защитной оболочки и
расплавленные радиоактивные материалы
попадут в грунт.
Встретив на своем пути подземные воды,
эта расплавленная масса взорвется, и
радиоактивные осколки попадут обратно вверх в
здание реактора. Этот вопрос безопасности
реактора очень мало исследован, и подобные
процессы не моделируются на ЭВМ.
Среди критиков и сторонников ядерной
энергетики существует много разногласий
относительно эффективности защитных оболочек
при авариях на АЭС. И действительно,
радиоактивные выбросы в окружающую среду
имели место, о чем будет сказано ниже.
Считается, что во всех уже прошедших авариях
выбросы были относительно небольшими и не
приводили к возникновению опасной ситуации.
Однако и в этом вопросе существуют
разногласия. Будет справедливым утверждать, что
вариант трехступенчатой системы защиты (в
том виде, каком он существует сейчас),
возможно, не соответствует всем возможным
аварийным режимам.
История безопасности
На первый взгляд и по сравнению с
другими технологиями ядерная энергетика
кажется достаточно безопасной. До настоящего
времени произошло всего две аварии на реакто-
Таблица 7.5. Основные аварии на ядерных реакторах
pax, находившихся в промышленной
эксплуатации, при которых имели место серьезные
выбросы радиоактивных веществ, в результате
чего возникала опасность для населения.
Происходили аварии и на других реакторах с
незначительными утечками. Иными словами,
можно утверждать, что сотни мелких аварий,
происшедших на АЭС, могли бы иметь
серьезные последствия, если бы не системы
безопасности, описанные выше.
Владельцы ядерных энергетических
установок обязаны предоставлять в Комиссию по
ядерному надзору отчеты о всех случаях,
связанных с инцидентами, влияющими на
безопасность работы АЭС. Сведения об этих
инцидентах публикуются в журнале «Ньюклеа
сейфети», выходящим раз в два месяца.
В этом журнале, кроме того, публикуются
статьи по безопасности.
Причины всех основных аварий на АЭС
можно отнести к одной из трех следующих
категорий: ошибка оператора, отказ
оборудования, несовершенство конструкции. Наиболее
частой причиной является первая — ошибка
оператора.
Во всем мире произошло пять основных
аварий на ядерных реакторах (табл. 7.5): три
из них на промышленных реакторах и только
одна авария на АЭС Три Майл Айленд
произошла на реакторе, конструкция которого в
настоящее время используется в США.
Авария на АЭС Чок Ривер была вызвана
двумя ошибками оператора, первая из
которых могла возникнуть только при применении
реактора, где используется D20 в качестве
замедлителя и НгО в качестве теплоносителя.
Техник ошибочно закрыл не тот клапан,
сократив подачу теплоносителя НгО, а не
подачу замедлителя D20. Старший оператор
спустился из диспетчерской в подвальное
помещение, обнаружил ошибку и позвонил наверх на
щит управления, чтобы ввели регулирующие
стержни. Оператор же наверху, однако, снова
ошибочно нажал другую кнопку и
регулирующие стержни не были введены. Активная зона
постепенно перегрелась, оплавилась и
вызвала образование водорода, который взорвался,
Место аварий
АЭС Чок Ривер, Канада
АЭС Виндскейл, Англия
Испытательная установка, штат
Айдахо
АЭС Энрико Ферми, штат Мичиган
АЭС Три Майл Айленд, штат
Пенсильвания
Год
1952
1 1957
1961
1966
1979
Тип реактора
Исследовательский (D20, H20)
Энергетический (графит, С02)
Экспериментальный
Энергетический натриевый реактор-
размножитель
Энергетический PWR
Выделение
радиационных
ве ществ
Мало
Много
Мало
Нет
Много
Летальные
исходы
2
185

разрушив активную зону. Однако, в счастью,
не произошло значительного выброса
радиоактивных веществ в окружающие помещения
и никто не пострадал.
Авария на АЭС Виндскейл также была
вызвана ошибкой оператора, но она произошла
в таком типе реактора, для которого такая
ошибка является уникальной. Подобный тип
реактора с графитом-замедлителем и газовым
охлаждением, как уже упоминалось,
нуждается в периодических остановах для отжига
графита, который должен производиться
медленно и осторожно, иначе графит может
перегреться и воспламениться. Как раз это и
произошло. Датчики внутри активной зоны и
шахты реактора не установили факт пожара
и соответствующую утечку радиации в течение
нескольких дней.
Третья авария произошла на
испытательной установке, находящейся в ведении
американской армии в штате Айдахо. Два техника
пытались вручную извлечь регулирующий
стержень, который, очевидно, заклинился, но
затем он неожиданно поддался, что открыло
путь к вспышке нейтронов, которая мгновенно
убила этих людей и активировала помещение.
Активная зона осталась неповрежденной, и
выброса радиоактивных веществ не произошло.
Авария на АЭС Энрико Ферми с
реактором-размножителем на быстрых нейтронах с
жидкометаллическим теплоносителем уже
обсуждалась. Это была ошибка проекта или не-
P3L
Рис. 7.17. Упрощенная схема блока № 2 АЭС Три Майл
Айленд (на схеме показан один парогенератор вместо
двух и т. д.):
/ — реакторный зал; 2 — турбинный зал; 3 —
предохранительный клапан; 4 — турбина; 5 — конденсатор; 6 — грсдирни; 7 —
гидроемкость САОЗ; 8 — компенсатор объема; 9 -впрыск
низкого давления; 10 — конденсатныЙ насос; // — питательный
насос; 12 — подготовка конденсата; 13 — парогенератор; 14 —
насос подпитки питательной воды; 15 — реактор; 16 — главный
циркуляционный насос; 11 — бак подпиточной ьоды; 18 —
дренажный бак; 19 — спринклерный насос высокого давления;
20 — раствор бора; 21 — спринклерный насос низкого давления;
22 — впрыск низкого давления; 23 — отстойник защитной
оболочки; 24 — дополнительные емкости; 25 — вспомогательный
корпус; 26 — задвижка; 27 — разрывная мембрана дренажного
бака
качественное строительство, либо и то, и
другое. В результате аварии произошло частичное
оплавление зоны без каких-либо
неблагоприятных последствий, и не было никакого
выброса радиоактивных веществ.
Авария на АЭС Три Майл Айленд
является наиболее серьезным случаем аварии, когда-
либо имевшим место в области ядерной
энергетики. Имели место выбросы значительных
количеств радиоактивных веществ, хотя
последствия для населения, как полагают, были
невелики. Авария была вызвана серией
отказов оборудования, недостатками в проекте и
ошибками оператора, которые было бы очень
трудно предвидеть в любой модели, но
которые, очевидно, не являются простой
случайностью. Авария на АЭС Три Майл Айленд
будет, без сомнения, отнесена к числу аварий,
по которой было проведено наиболее полное
расследование (до настоящего времени): эту
аварию изучало по меньшей мере 14
комитетов.
Большинство значительных фактов,
касающихся аварии, известно. АЭС Три Майл
Айленд (рис. 7.17) состоит из двух блоков PWR
мощностью по 907 МВт (эл.) (2772 МВт
(тепл.) конструкции фирмы Babcock and
Wilcox. 28 марта 1979 г. блок 1 был остановлен
для перегрузки, а блок 2 работал на 98 %
своей мощности. Около 4 часов утра произошла
авария, развивавшаяся в следующем порядке:
перекрылся конденсатныЙ насос 10\
падение подачи воды вызвало отключение
питательных насосов 11, турбина отключилась;
через 2 с произошла «быстрая остановка»
реактора, начали работать вспомогательные
насосы питательной воды;
через 6 с давление в парогенераторе
поднялось до 15,855 МПа, что вызвало открытие
предохранительного клапана в компенсаторе
объема 3;
через 12 с давление внутри реактора
достигло 16,558 МПа, что привело в действие
систему охлаждения реактора;
вспомогательные насосы питательной воды
работали, но напора не было, так как не были
открыты задвижки 26 после ремонта,
проведенного несколько дней назад;
давление внутри корпуса реактора упало
до 15,5 МПа, что должно было привести к
закрытию предохранительного клапана, но его
заклинило и он остался открытым;
через 1 мин индикатор уровня
компенсатора объема быстро поднялся, парогенераторы
осушились;
через 2 мин при давлении 11,25 МПа
автоматически включился САОЗ;
через 4,5 мин оператор отключил один
инжекторный насос высокого давления,
поскольку индикатор уровня компенсатора объема
186

ошибочно показывал высокий уровень;
через 8 мин началась подача питательной
воды вспомогательными насосами после
открытия закрытых задвижек 26\
через 10,5 мин вручную был отключен
второй инжекторный насос высокого давления;
через 15 мин разрывная мембрана
дренажного бака 27 сработала при давлении
1,336 МПа (по проекту она должна
срабатывать при 1,4 МПа), так как
предохранительный клапан 3 не закрылся;
дренажный насос направил радиоактивную
воду во вспомогательные резервуары 24;
через 20—75 мин после начала аварии
параметры системы стабилизировались
(7,136 МПа и 287,8 °С), предохранительный
клапан открылся, были включены
вспомогательные насосы питательной воды, САОЗ,
насос отстойника;
через 1 ч 15 мин —1 ч 40 мин после начала
аварии оператор отключил оба главных
циркуляционных насоса из-за крайне высокой
вибрации;
начала подниматься температура активной
зоны. Она превысила максимально
допустимые значения через 14 мин после останова
инжекторных насосов высокого давления.
Должна была начаться естественная циркуляция
теплоносителя, но не началась.
Предполагалось, что произошло частичное закупоривание
активной зоны или образование пустот. Не
было выявлено, что естественная циркуляция
не началась;
примерно через 2 ч 30 мин после начала
аварии предохранительный клапан 3 был
закрыт оператором;
через 3 ч давление в корпусе реактора
возросло до 15,117 МПа и открылся
предохранительный клапан;
через 3—10 ч после начала аварии было
отмечено несколько подъемов давления;
возможно произошли небольшие взрывы
водорода. Давление в реакторе упало примерно до
3,515 МПа. Вероятно, что в этот период
активная зона была частично осушена, что
вызвало некоторое оплавление и попадание
побочных продуктов радиоактивного распада в
теплоноситель.
В этот момент было замечено наличие
«пузырения» водорода внутри реактора; оно
продолжалось в течение нескольких дней.
Концентрация водорода в защитной оболочке
здания реактора была 1,9 % (по сравнению с
4 % предела воспламеняемости и 6—8 %
предела взрывоопасности). Водород извлекался
из реактора путем «разбрызгивания» его через
предохранительный клапан с помощью
инжекторной системы низкого давления. Газы из
защитной оболочки здания реактора
пропускались через водородный контактный аппарат,
который был установлен во вспомогательном
здании.
Система вывода водорода была
установлена 31 марта и работала до 13 апреля 1979 г.
В течение этого периода температура
реактора была понижена примерно с 290 до 120 °С
при одном включенном главном
циркуляционном насосе. Радиоактивные вещества из
вспомогательного здания были выведены, так как
баки-сборники, находящиеся в нем, были
переполнены, а ксенон и йод дегазированы.
Какие выводы можно сделать из аварии на
АЭС Три Майл Айленд? 5 апреля NRC
выпустила бюллетень, в котором она определила
следующие шесть потенциальных отказов,
которые могут возникнуть по вине персонала,
из-за ошибок в проекте и дефектов в
оборудовании:
не работают задвижки вспомогательных
систем питательной воды;
не работает предохранительный клапан
компенсатора объема;
выдает ошибочные показания индикатор
уровня компенсатора объема;
нарушена герметичность корпуса реактора,
когда включается инжекторная система
высокого давления, что приводит к поступлению
радиоактивной воды во вспомогательное
здание;
скачкообразно работает инжекторная
система высокого давления, что приводит к
снижению количества теплоносителя в первом
контуре;
отключены главные циркуляционные
насосы во избежание повреждения из-за вибрации,
что приводит к перегреву активной зоны и
последующему ее повреждению.
Авария на АЭС Три Майл Айленд очень
ясно показала, что ряд событий, которые
являются сами по себе незначительными, могут
привести к последствиям, таким же серьезным,
как и последствия самой тяжелой аварии, т. е.
аварии с потерей теплоносителя в первом
контуре. Возможность такой аварии ранее
никогда не учитывалась. Однако после аварии на
АЭС Три Майл Айленд должны быть
серьезно пересмотрены прогнозы последствия
аварий и меры по их предотвращению.
Полагают, что размер повреждений
активной зоны реактора АЭС Три Майл Айленд
обширен. Урон, нанесенный ядерной энергетике,
также представляется значительным. Были
ликвидированы многие заказы на строцтель-
ство АЭС, а несколько построенных АЭС не
введено в эксплуатацию из-за отсутствия
разрешения на их пуск (с 1978 г. не было
выдано ни одного разрешения на начало
эксплуатации нового атомного энергетического
реактора).
187

ядерный топливный цикл
Без сомнения ядерное топливо при
производстве электроэнергии дешевле
органического (исключение составляет природный газ).
Однако рассмотрение только стоимости его
производства не является достаточным.
Должен быть рассмотрен замкнутый топливный
цикл руда — топливо — отходы —
переработка (рис. 7.18).
Кроме того, не было изучено в
достаточной мере влияние ядерного топливного цикла
на окружающую среду и связанные с этим
затраты.
Рассмотрим топливный цикл с нескольких
точек зрения: научной, его влияния на
окружающую среду, взаимосвязи каждого этапа
со всем циклом, для того чтобы оценить
современное состояние ядерной энергетики и ее
взаимосвязь с современным состоянием ядерного
топливного цикла.
Добыча и обогащение руды
Конечным продуктом этих процессов
является относительно чистый из08. В настоящее
время в США работают десять заводов по
переработке урановой руды: восемь — в штате
Вайоминг и два — в штате Юта. Подобные
заводы есть и в других странах. Процессы,
используемые на этих заводах для получения
U308, различны и зависят от химического и
минералогического состава руд. В свою
очередь, эти процессы отличаются от обычных
процессов извлечения металлов из руд.
Достаточно широкое распределение урана
в земных недрах является следствием
большого ионного радиуса четырехкратно
ионизированного урана. Вследствие этого уран
встречается от мантии — в частично расплавленном
виде, до поверхности земной коры, — в виде
минералов. Разнообразие структур земной
коры позволяет урану образовывать широкий
набор комплексов, многие из которых
растворяются в воде. Для того, чтобы уран
сконцентрировался в руде, необходимо наличие
одновременно источника элемента, воды для его
переноса, подходящего подземного канала,
комплексообразующих факторов и
осаждающих элементов.
Вероятность одновременного наличия этих
факторов очень мала, поэтому руды с высокой
Рис 7.18. Ядерный топливный цикл,
первоначальное представление
Ежегодный расход топлива в реакторе
типа BWR мощностью 300 МВт*1

Излучение
1
2
3
4
5
6

Содержание
урана, т
50*-
49,6
20**
19,6
—
19,6
1 235U,
%
0,7**
0,2
2,0
0,8
—
0,8
235U.
1 Г
317,1
90.6
362,4
139,5
—
139,5

Плутоний, кг
—
_
113,2
113,2
—
*т Равновесное состояние
*2 Соответствует приблизительно 25
тьгс> г урановой руды.
*й Естественное содержание изотопов
M5U в урановых элементах.
*4 Соответствует одной четверти доны
реактора.
1?3

концентрацией встречаются редко
(месторождения с высокой концентрацией урана
главным образом уже разработаны) ].
Разрабатываемые в настоящее время
урановые месторождения представляют собой в
основном песчаник и сланцы, содержание
урана в которых составляет от 0,1 до 1 %.
Существуют прогнозы, согласно которым к
категории промышленных будут в перспективе
относиться месторождения и с меньшим
содержанием урана.
Для получения сухого уранового
химического концентрата измельченная руда сначала
обрабатывается выщелачивающим раствором
(в зависимости от руды либо кислотным, либо
основным). Затем из щелочного раствора уран
извлекается либо селективной экстракцией,
либо ионным обменом. Конечный продукт
содержит от 70 до 80 % U308.
С точки зрения воздействия на
окружающую среду получение уранового концентрата
не является безопасным процессом. Особенно
опасным является добыча урановой руды,
поскольку залежи урана сопровождаются
радием, торием и другими производными от них
элементами. Ядра этих элементов
распадаются через дочернее ядро радона — газа,
имеющего меньший период полураспада. Продукты
деления радона (также радиоактивны)
быстро поглощаются частицами пыли, которая в
свою очередь может попасть в легкие
горняков, занятых на добыче руды*
Биологический эффект радиации будет
детально обсужден в гл. 14. Следует только
отметить, что эпидемиологические исследования
установили повышенный риск заболевания
раком для горнорабочих урановой
промышленности. Для определения воздействия радиации
на рабочих-горняков была принята единица,
основанная на концентрации дочерних
элементов радия. Концентрация дочерних элементов
радона в 1 л воздуха, суммарная
максимальна мощность которых равна 1,3-105 МэВ,
названа одним рабочим уровнем (РУ).
Доза облучения в течение месяца в один
РУ названа месячным рабочим уровнем или
1 МРУ. С 1 июля 1971 г. профессиональное
облучение было ограничено 4 МРУ в год.
Более ранние эпидемиологические исследования
определили, что рабочий, получивший 4 МРУ
в год, подвергается риску заболевания раком,
равным 0,00053. Такая степень риска
является приемлемой.
Дополнительную опасность для
окружающей среды, связанную с производством
топлива, представляют собой «хвосты», т. е. обед-
1 Эти рудные минералы в форме уранита с
содержанием от 1 до 4 % были найдены только в Канаде и
Заире. Химический состав их *UCV#U03> где 0<#/jc<2.
ненная рудная масса. Как правило, эти
«хвосты» содержат большое количество тория, а
следовательно, обладают высоким радоновым
излучением.
Это излучение представляет собой
серьезную проблему, если «хвосты» не хранятся со-
ответствующим образом в хранилищах. В
г. Гранд-Джанкшен (штат Колорадо)
«хвосты» использовались при строительстве жилых
домов и школ, в результате чего уровень
радиации в них был значительно выше
радиоактивного фона (школы и дома в последующем
были разрушены). Проблема радиоактивного
излучения радона была исследована
несколькими авторами, и, по их мнению, должны быть
приняты во внимание следующие факторы:
количество «хвостов», количество радона,
воздействие радона на здоровье,
продолжительность этого воздействия.
Очень опасен изотоп тория (230Th),
поскольку период его полураспада слишком
велик (800 тыс. лет). Были опубликованы
данные по влиянию «хвостов» на уровень
смертности, но различие в этих данных указывает на
необходимость более тщательного изучения
этого вопроса.
Обогащение
Для легководных реакторов, применяемых
в США, необходимо топливо с обогащением
до 3 % по 235U по сравнению с 0,71 % его
содержания в природном уране. Химические
реакции слишком малочувствительны к атомной
массе реагируемых элементов. Поэтому они
не могут быть использованы в процессе
обогащения изотопом 235U.
В свою очередь от атомной массы зависят
многие физические процессы, два из них
используются для обогащения урана, а
применение третьего в настоящее время изучается.
Используются сейчас газодиффузионный и
центрифужный методы. Метод лазерного
разделения разрабатывается в лабораториях, и
постепенно готовится его промышленное
внедрение. Сравнительные характеристики этих
трех процессов приведены в табл. 7.6. Хотя
таблица и не является полной, из нее видно
преимущество лазерного процесса.
Процесс обогащения характеризуется
коэффициентом разделения (или обогащения),
который определяется процентным
отношением количества изотопов после процесса
обогащения к их первоначальному числу.
Когда коэффициент разделения мал, как
это имеет место при газодиффузионном и
центрифужном методах, для получения нужного
изотопного состава необходимо провести
несколько циклов.
189

Таблица 7.6. Сравнение трех процессов обогащения 235U
Xарактеристина
Коэффициент
разделения
Потребности в
энергии. кВт-ч/ЕРР
Капитальные
затраты, долл/ЕРР
Годовая
экономически оправданная

производительность, т
Занимаемая площадь,
га
Лазерный
10-10 000
170
195
3000
7,2

Центрифужный
2—10
210
233
3000
8

Газодиффузионный
1,0043
2100
388
9000
2,4
При газодиффузионном процессе
используется набор пористых перегородок (рис. 7.19).
Эти перегородки содержат сотни миллионов
пор на 1 см2, средний диаметр которых равен
5-Ю-6 см.
Скорость диффузии газа обратно
пропорциональна его молекулярной массе, таким
образом теоретически коэффициент разделения
для газов с двумя различными
молекулярными массами можно представить следующим
образом:
a = VMh/Mu
(7.27)
где Ми и М[ — молекулярные массы более
тяжелого и более легкого газа соответственно.
При разделении изотопов используется газ
UF6. При нормальных температуре и
давлении UF6 представляет собой твердое
вещество, но оно переходит в газообразное
состояние при температуре 56,4 °С. При
газодиффузионном процессе это соединение имеет два
преимущества: фтор обладает относительно
низкой молекулярной массой и в природе
существует только один его изотоп. Однако UF6
вызывает коррозию многих металлов и
реагирует с водой, образуя твердое соединение
(U02F2). Для UF6 a= 1,0043.
В США имеются три газодиффузионных
завода: в штатах Теннесси, Кентукки и Огайо.
Суммарная мощность этих заводов равна
17-Ю6 ЕРР/год. Определить ЕРР (единицу
разделительной работы) не легко, поскольку
количество урана, полученного при затрате
одной ЕРР, — величина непостоянная и
зависит от общего количества обогащаемого
природного урана и от содержания 235U в отвале
или «хвостах». Для отвала с содержанием
235U 0,2 % на газодиффузионном заводе
производится около 320 г 235U обогащения 3,2 %
при затрате одной ЕРР. При отвале с
содержанием 0,3 % производится около 300 г.
Таким образом, чем больше содержание 235U в
отвалах, тем больше требуется исходного
материала.
Поскольку при газодиффузионном методе
коэффициент разделения каждой перегородки
очень мал, то необходимо создать каскад
таких перегородок, как это показано на рис. 7.20.
При этом отметим, что обогащенный газ
движется всегда «вверх», а обедненный — «вниз».
Для получения 235U с обогащением 90 % при
отвале от 0,5 до 0,1 % требуется около 2000
таких перегородок (при меньшем значении
отвала их требуется значительно больше).
Такое большое количество перегородок требует
больших капитальных вложений, заводских
площадей и большого количества
электроэнергии. В 1970 г. три газодиффузионных завода
потребили 4 % выработанной в США
электроэнергии.
По этой и ряду других причин
правительство США в начале 70-х годов сделало первые
попытки привлечь частный капитал к
индустрии обогащения урана. Однако частные
предприниматели не хотят вкладывать миллиарды
долларов в технологию, которая скоро будет
заменена новой.
Центрифужный метод обогащения урана
был изучен еще во времена Манхэттенского
проекта \ но был забракован из-за
ненадежности высокоскоростной роторной технологии.
В последние годы был разработан новый про-
Рис. 7.19.
Газодиффузионный п'роцесе
1 Манхэттенский проект — кодовое название
программы создания атомной бомбы во время второй
мировой войны.
190

Рис. 7.20. Схематическое изображение центрифуги:
/ — нижняя лопасть; 2—вакуумная система; 3 — верхняя
лопасть; 4 — магнитный подшипник и демпфирующее устройство;
5 — движущаяся лопатка; 6 — центральная неподзижная
колонка; 7 — ротор; 8 — кожух; 9 — электродвигатель; 10 — нижний
подшипник
ект, который вместе с учетом последних
достижений в материаловедении позволил
сконструировать надежные и прогрессивные
центрифужные системы, которые сейчас
используются в США, а также намечаются к
применению европейским консорциумом
частных промышленных фирм.
При центрифужном методе разделение
пропорционально разности масс, а не
отношению, вследствие чего может быть достигнут
более высокий коэффициент разделения.
В США его значение относится к числу
секретных данных; возможное значение
коэффициента от 2 до 10, предполагается достижение и
более высоких значений.
Схематическое изображение центрифуги
представлено на рис. 7.20. Тонкостенный
ротор 7 приводится в движение
электродвигателем, установленным на дне кожуха 8. Подвод
и вывод газа (UF6) осуществляется через
неподвижную центральную колонку. Нижняя
лопасть также неподвижна и служит для
удаления обедненного газа. Она является также
направляющей для вертикального газового
потока. Разделение обеспечивается в большей
степени за счет вертикального потока, а не за
счет вращающего момента. Движение газа
можно проанализировать путем решения
довольно сложных уравнений, вытекающих из
закона сохранения энергии, момента и массы.
Поскольку движение газа турбулентное, простое
аналитическое решение здесь невозможно.
ЭВМ, способные решать подобные задачи,
появились совсем недавно.
Несмотря на то, что при центрифужном
методе может быть достигнут относительно
большой коэффициент разделения,
производительность установки мала. Это связано с
трудностью изготовления большого ротора с
требуемой скоростью (400 м/с).
К тому же газ внутри центрифуги должен
иметь довольно низкое давление, чтобы
избежать перехода UF6 в твердое состояние. На
заводе мощностью 9-Ю6 ЕРР/год при
коэффициенте разделения, равном 2, необходимо
иметь 500 тыс. центрифуг. Отсюда ясно, что
такой процесс обогащения не экономичен,
хотя эксплуатационные расходы по сравнению с
газодиффузионным заводом сравнимой
мощности меньше. Капитальные затраты все же
очень велики, и поэтому только крупные
государства и один европейский консорциум
могут позволить себе вкладывать деньги в эту
технологию обогащения.
Как было отмечено в гл. 5, количество
энергии, которой может обладать атом,
молекула, ядро, представляет собой квантовую
величину. Это значит, что атомные системы
поглощают и испускают энергию
квантованными количествами, которые являются
определенными для данной атомной системы.
Изотопного разделения можно достичь
путем ионизации атома 235U; для этого
необходимо иметь источник энергии, который
испустит строго необходимое ее количество. Затем
ионизированные атомы или молекулы можно
будет отделить от оставшихся с помощью
электрического или магнитного поля.
В настоящее время разрабатываются и
испытываются устройства для лазерного
разделения изотопов урана. Но поскольку 235U
является одним из основных компонентов
ядерного оружия, то большая часть этих
работ держится в секрете. Правительство США,
однако, делает попытки заинтересовать
частный капитал, частично рассекретив несколько
лет назад некоторые работы по этой теме.
Этой технологией заинтересовался также ряд
европейских корпораций.
На рис. 7.21 показана двойная лазерная
система. Атомы урана испаряются в ней и
поднимаются вверх. Примерно 45 % атомов будет
находиться в стабильном состоянии и 27 % —
в метастабильном, энергия которого на
0,077 эВ выше энергии стабильного состояния.
Ксеноновый лазер, настроенный на 378,1 нм,
возбуждает только атомы 235U, находящиеся
191

Рис. 7.21. Упрощенная схема лазерного обогащения 2S5U:
/ — отражатель; 2 — ксенон; 3 — отражатель; 4 — вакуумная камера; 5 — криптон; б — отражатель; 7 — урановая
печь; 8 — криптон-ионный лазерный резонатор; 9 — коллекторная пластина; 10 — ксенон-ионный лазерный резонатор
в метастабильном состоянии, до очень
высокого уровня, обладающего коротким уровнем
жизни (235 не). Мощный криптоновый лазер,
работающий одновременно на 350,7 и 356,4 нм,
используется для дальнейшего возбуждения
атомов 235U.
Атомы 238U могут и будут поглощать
фотоны криптонового лазера, но поскольку эти
атомы не находятся в возбужденном
состоянии (они не могут поглотить фотоны ксеноно-
вого лазера), то они не будут ионизироваться.
Ионизированные атомы 235U
отрицательного электрического потенциала собираются
на коллекторной пластине. Такая система уже
испытана в работе. В Ливерморской
лаборатории министерства обороны США, штат
Калифорния, при использовании криптоновых
лазеров 70 мВт и 30 Вт в течение 2 ч было
получено около 4 мг урана обогащением 3 % по
235U.
Эта методика довольно проста, но и здесь
существуют свои проблемы. Расплавленный
уран вызывает сильнук} коррозию. Установка
может работать в течение 2 ч. При высокой
температуре, требуемой для испарения урана,
большое число атомов обоих изотопов будет
ионизировано термическим путем и осаждено
на коллекторной пластине. Для выделения
урана коллекторная пластина должна быть
растворена. И, наконец, когда встанет вопрос
о получении 235U в промышленном
масштабе, расходы на эксплуатацию мощного
лазера будут значительно выше.
Существуют и другие методы обогащения,
применяющие такие соединения, как UF6. Но
из-за сложной природы систем уровней
возбуждения соединений урана реализация этих
методов еще более затруднена.
С точки зрения распространения ядерного
оружия существуют аргументы против
применения лазерной технологии обогащения,
поскольку лазерные системы довольно просты,
относительно недороги, а следовательно,
легко строятся и утаиваются. Существуют
аналогичные контраргументы, которые
основываются на том, что лазерные системы (по крайней
мере работающие) являются сложными, что
их нелегко построить и что будет довольно
трудно утаить факт перевода небольших
установок, предназначенных для обогащения
ядерного топлива, на более высокую степень
обогащения. Однако эти контраргументы утратят
свою силу при промышленном применении
лазерного обогащения UF6. Ясно, одно, что
стоимость получения обогащенного урана при
лазерном методе разделения значительно ниже,
чем при газодиффузионном или
центрифужном.
Существуют и другие технологии
обогащения, одна из которых используется в
настоящее время в ФРГ — это метод «беккеровского
сопла». Этот метод разделения газообразной
смеси изотопов урана в сопле основан на
явлении диффузии под действием центробежных
сил. Коэффициент разделения при этом равен
1,01. Эта технология вместе с заводом по
обогащению была недавно продана Бразилии.
Недавно ЮАР объявила о разработке ею
«нового» метода обогащения урана. Однако
из комментариев следует, что этот метод по-
добец методу «беккеровского сопла».
И снова необходимо вспомнить о том, что
ЮАР не подписала договор о
нераспространении ядерного оружия.
В ядерных реакторах США, а также и
большинства других стран мира используется
192

*35U, стоимость обогащения которого
значительна. Технология обогащения урана
разработана, но она еще не очень эффективна. Новые
процессы обогащения урана обещают стать в
будущем не только более экономичными, но и
более доступными, что в свою очередь может
сделать мир нашей планеты менее прочным.
Завершение топливного цикла
Предполагается, как это видно из рис. 7.19,
что ядерный топливный цикл должен быть
замкнутым. В действительности он еще не
является замкнутым. Отсутствует завершающая
стадия топливного цикла — процесс
переработки, при котором неиспользованный 235U и
полученный в реакторе 239Ри разделяются,
превращаются в форму, пригодную для
изготовления топлива и возврата в топливный цикл.
Существует множество причин, из-за которых
отсутствует это звено в ядерном топливном
цикле (некоторые попытки по его созданию
уже были предприняты). Для того, чтобы до
конца представить сложившуюся ситуацию,
вспомним, что реактор мощностью 1 ГВт(эл.),
работая с полной нагрузкой, ежедневно
потребляет 3 кг 235U. Это значит, что
производится также около 3 кг побочных
радиоактивных продуктов, а также значительное
количество трансурановых элементов. В табл. 7.7
приведены сведения, дающие представление
о количестве и периоде полураспада
получаемых изотопов.
С августа 1979 г. в США ежедневно
производится 565 кг радиоактивных отходов и ни
один килограмм еще не переработан. В
настоящее время отработавшее топливо после
Таблица 7.7. Основные радиоизотопы, получаемые в
легководных реакторах
Радиоизотопы
Актиниды:
244Сш
243 Am
241Am
237Np
Продукты деления 147Pm
Изотопы Xi
144Се
137Cs
134Cs
Изотопы Pd
106Ru
103ph
"Tc
^Sr
85Kr
Период
полураспада,
годы (сут)
18,11
7380
432
2,14-10
2,6234
—
(284,4)
30,17
2,062
—
(368)
56*
2,13-Ю5
29
10,4
Выход, г/т

Топливо28^
18
80
33
468
107
5057
304
1160
165
1190
146
344
792
508
27

Топливо 239Ри
381
833
251
258
96
4547
264
1198
175
1770
239
437
795
307
17
* Минуты.
его извлечения из активной зоны реактора
хранится на территории АЭС.
Плутоний, используемой дл-я производства
ядерного оружия, получают из отработавшего
топлива ядерного реактора. Это впервые
было сделано около 40 лет назад, и очень трудно
понять, почему те же самые процессы не
могут успешно применяться для переработки
отработавшего топлива энергетических ядерных
реакторов. Технология извлечения плутония и
урана из отработавшего топлива
(применяемая в военных целях) получила название
пьюрекс-процесс.
Пьюрекс-процесс, применяемый на заводе
по переработке топлива в Вест-Валли, штат
Нью-Йорк, схематически показан на рис. 7.22
(в настоящее время этот завод не
эксплуатируется). Топливные элементы при помощи
механических ножниц разрубаются на мелкие
части. При этом высвобождаются газообразные
и летучие продукты деления. Раньше
газообразные и летучие продукты деления просто
выбрасывались в атмосферу, сейчас же они
собираются в специальные резервуары. Мелко
изрубленные куски топливных стержней
погружаются в баки-растворители с азотной
кислотой. Топливо — уран, плутоний и
продукты деления — в отличие от топливной
оболочки растворяется в азотной кислоте.
Топливные оболочки, которые являются
радиоактивными, извлекаются и помещаются в
специальные контейнеры для последующего
захоронения (уровень радиоактивности
топливных оболочек относительно низок). Уран
в виде U02(N03)2 и плутоний в виде Pu(N03)4
извлекают из раствора азотной кислоты
органическим экстрактором-растворителем трибу-
тилфосфатом (ТБФ), разбавленным
очищенным керосином.
Селективная экстракция производится в
вертикальной противоточной колонне, поток
раствора кислоты направлен вниз, а
растворителя— вверх. На дне колонны кислота
нейтрализуется и жидкие отходы собираются для
последующей переработки. В свою очередь
растворитель пропускается через вторую колонну,
где посредством восстановителя
растворимый четырехвалентный нитрат плутония
превращается в трехвалентный нитрат,
нерастворимый в органическом растворителе, но
растворимый в азотной кислоте. Нитрат урана
остается в растворе органического
растворителя. Затем как уран, так и плутоний
подвергаются дальнейшей очистке и превращаются
в форму, пригодную для изготовления топлива.
Такой процесс используется уже в течение
40 лет для извлечения плутония из
отработавшего топлива с последующим его
применением для производства ядерного оружия. Этот
процесс технологически отработан и экономи-
193

Рис. 7.22. Пьюрекс-процесс для выделения урана и плутония из отработавшего топлива
чески оправдан для получения плутония в
военных целях.
Успешное применение его на гражданских
заводах невозможно по двум основным
причинам:
во-первых, содержание урана и тория в
отработавшем топливе энергетических
реакторов в 5—10 раз выше, чем в реакторах,
применяемых для военных целей;
во-вторых, военные заводы по переработке
запроектированы с резервом, на 50 %
большим по сравнению с тем, что требуется для
гражданских заводов.
Большее содержание урана и тория в
отработавшем топливе энергетических
реакторов означает более высокие уровни
радиоактивности по сравнению с реакторами,
применяемыми для военных целей. Это требует
более сложной защиты и более дорогой системы
дистанционного управления процессом
переработки. При высоких уровнях радиоактивности
органический растворитель быстрее
разлагается на компоненты, что приводит к меньшей
эффективности извлечения U и Ри.
Завод в Вест-Валли вышел из строя из-за
механических поломок. Надо отметить, что во
время строительства этого завода еще не
было опыта переработки отработавшего топлива
энергетических реакторов и нельзя было
предвидеть некоторые из вышеперечисленных
проблем. С другой стороны, этот завод на 60 %
был загружен переработкой отработавшего
топлива реакторов, используемых для военных
целей (по контрактам с NEC), что
представляло собой прямую дотацию. Всего завод
переработал около 600 т отработавшего топлива
по цене 30 долл/кг. И даже несмотря на это,
завод не смог работать и в конце концов был
закрыт, оставив штату Нью-Йорк наследство
в виде 2,3 тыс. м3 жидких радиоактивных
отходов, находящихся в двух стальных баках К
Были сделаны также еще две неудачные
попытки по переработке отработавшего
топлива на коммерческой основе. В конце 60-х
годов фирма General Electric построила завод
по переработке в Моррисе, штат Иллинойс.
Предполагалось, что этот завод будет
использовать новый процесс переработки Agualfor,
конечным продуктом которого является
твердый уран. Однако техническое решение для
этого процесса было неудачным, и в 1974 г.
64 млн. долл было списано как убыток. В
настоящее время этот завод используется в
качестве хранилища отработавшего топлива.
Строительство компанией Allied Chemical в
штате Южная Каролина, большого завода по
переработке было практически закончено,
когда правительство США отказалось подписать
разрешение на его эксплуатацию, и в
настоящее время почти построенный завод не
работает.
Правительство мотивировало свой отказ
дать разрешение на переработку одной
простой причиной: переработка осложняет пробле-
1 Судебный процесс об ответственности за эти
отходы продолжается и поныне,
194

му нераспространения плутония. Политика
правительства заключалась в том, что
ядерное топливо не следует перерабатывать, а
следует от него избавляться. В начале 80-х годов
администрация Картера объявила, что
принимает на себя ответственность за решение
безопасного метода захоронения отработавшего
топлива ядерных реакторов.
Завершение топливного цикла также
связано с рядом факторов, влияющих на
окружающую среду, а именно транспортировкой и
обращением с отработавшим ядерным
топливом.
Транспортировка производится на всех
стадиях топливного цикла: при добыче руды,
очистке окиси и т. д. Но проблема становится
особенно серьезной при перевозке
отработавшего топлива от АЭС до завода по его
переработке. Подсчитано, ч'ро если бы в США
такие заводы были построены, то ежедневно
между АЭС и этими заводами перевозилось
бы в среднем 30 партий радиоактивных грузов.
Но даже в настоящее время, когда заводов по
переработке отработавшего ядерного топлива
в США нет, имеют место частые перевозки
отработавшего ядерного топлива от АЭС к месту
его хранения, причем по мере развития
ядерной энергетики число таких транспортировок
будет возрастать.
Транспортировки осуществляются в
больших, тяжелых контейнерах, радиоактивность
каждого составляет примерно 8*1016 Бк
(—'2-Ю6 Ки). Контейнеры, спроектированные
для перевозок автомобильным транспортом,
должны быть несколько меньших размеров,
поскольку в большинстве стран существует
ограничение по перевозке тяжеловесных
грузов (25 т). Контейнеры, спроектированные
для перевозок железнодорожным
транспортом, могут быть больше по размерам и лучше
по конструкции, например можно
предусмотреть их охлаждение. Эти контейнеры должны
быть сделаны таким образом, чтобы они
смогли выдержать самые жесткие испытания. Но
сколько бы ни испытывались контейнеры,
нельзя обеспечить их полную безопасность.
Правила министерства транспорта США
определяют, что уровень радиоактивности на
поверхности вагона, перевозящего контейнер, не
должен превышать ЙОО мбэр/ч. В США
средняя годовая естественная доза облучения
равна 130 мбэр/ч, так что 200 мбэр/ч при
продолжительном облучении может составить
значительную величину облучения. Отметим, что
уровень излучения в кабине шофера при
автомобильной перевозке не должен превышать
2 мбэр/ч, но даже такой низкий уровень при
продолжительной транспортировке может
обернуться большой дозой облучения.
Биологическое значение и влияйие таких доз
рассматривается в гл. 14.
При большом числе перевозок, ожидаемых
в последние два десятилетия этого века,
неизбежность аварии очевидна. В свою очередь
это вызовет взрыв общественного мнения, как
это было в случае аварии на АЭС Три Майл
Айленд.
Существует также возможность
значительного выброса радиоактивности на заводах по
переработке, в связи с чем комиссией по
ядерному регулированию наложены определенные
ограничения. Эти ограничения выражены в
форме предельно допустимой концентрации
(ПДК) различных радиоактивных изотопов.
Опубликованная ПДК не учитывает
возможность биологической реконцентрации
радиоизотопов, однако тот, кто производит эти
материалы, должен показать, что такого рода
реконцентрации нет, в противном случае он
должен соответственно сократить свое
производство. В табл. 7.8 представлены обычные
выбросы и ПДК для различных предприятий.
Для завода по переработке в Вест-Валли
годовой выброс равен 22 % ПДК для жидких
веществ и 7 % Для газообразных.
Доза облучения населения, живущего
поблизости от завода по переработке
отработавшего ядерного топлива, несомненно находится
в пределах допустимых значений,
предусмотренных NRC1 К Однако доза излучения,
полученная рабочими завода в Вест-Валли, была
достаточно высокой.
В последний год работы завода на нем
было переработано 67,9 т урана, и при этом на
индивидуальных рентгеновских пленках была
зафиксирована доза облучения, равная
2366 чел-бэр. Однако данные, полученные с
индивидуальных рентгеновских пленок, могут
быть неточными, поскольку они не всегда
регистрировались в заводских журналах,
особенно пленки, принадлежащие внештатным
рабочим, работавшим по контракту.
Сложилось общее мнение о том, что доза излучения,
полученная рабочими в Вест-Валли, была
слишком высока.
В заключение отметим, что в последнее
время внимание было привлечено к
концентрации 85Кг и 3Н. Прогнозы, основанные на
продолжающемся развитии ядерной энергетики,
показывают, что к концу этого столетия
концентрация этих радиоизотопов превысит
значение ПДК, если не будут приняты меры,
ограничивающие их выброс.
В ядерном топливном цикле остается еще
нерешенной проблема обращения с
радиоактивными отходами энергетических реакторов.
Радиоактивные отходы делятся на две
группы: низкоактивные и высокоактивные.
1 Национальным научно-исследовательским советом.
195

Таблица 7.8. Производственные выбросы с предприятий атомной промышленности
Источник
Урановый завод*3
Обогатительный комплекс*3
Кипящий реактор мощностью 1000 МВт
Завод по переработке*3
Изотоп i
Радон-222
Уран и дочерние
элементы
Уран
Криптон-85
Ксенон-133
Водород-3
йод-131
Криптон-85
ВодорОд-3
Водород-3
Норма
выброса, Ки/год
90
1300
0,02
315
28 000
6000
1
1 330 000
7000
3500
ПДК*\ Ки/мэ
3.10-V—
—/2- Ю-5
—/2-Ю-5
3.10-V—
3- Ю7/—
Ы0-ю/_
3.10-V—
—/3-10—3/—
2-10-?/—

Относительный риск,
м3/год*2
3.1010
7-107
ыо3
МО9
Ы011
2-10е
Ы010
МО12
2-106
2.10^°
*х В числителе— ПДК для воздуха, в знаменателе — для воды.
*2 Так, 30 млрд. м3 воздуха в год потребуется для разбавления выброса радона-222 при норме 90 Ки/год с тем, чтобы
достигнуть ПДК 3-10 9 Ки/м8 для воздуха.
*3 Для 1000 МВтХреакторХгоды.
Отработавшее топливо относится к
категории высокоактивных отходов. Низкоактивные
отходы находятся практически везде, даже
там, где уровень радиоактивности не
превышает допустимых пределов. Прежде всего —
это обтирочная ветошь, облученный металл,
вода, используемая для дезактивации, и
множество других различных материалов.
Захоронение низкоактивных отходов
производится в специальных баках. В некоторых
случаях наблюдались протечки таких баков,
но это никогда не создавало трудностей.
Жесткий контроль должны проходить
высокоактивные отходы, поскольку они выделяют
достаточно большое количество теплоты, а
также потому что они биологически токсичны.
Ниже рассмотрены различные варианты
хранения отработавшего топлива. Из рис. 7.23
видно, что после пятилетней выдержки на
изотопы стронция и цезия приходится максимум
выделения теплоты; на рис. 7.24 показана
динамика снижения относительной токсичности
актинидов (т.е. U, Pu, Np, Am, Cm и т.д.).
Период полураспада актинидов значительно
больше, но их количество, которое необходимо
хранить, значительно меньше. В
действительности актиниды могут быть снова
использованы в реакторе с последующим их
превращением в нуклиды, имеющие более короткий
период полураспада, при этом снижение КПД
реактора будет минимальным. Без сомнения,
эти доводы будут приняты во внимание, когда
будет приниматься решение о побочной
регенерации. Опасность, которая может
возникнуть при переработке большого количества
обогащенного урана и плутония, будет
весомым аргументом против внедрения технологии
по переработке отработавшего ядерного
топлива.
Пример 7.4. Проследим схему распада, следующую
за переработкой 241Ат:
241 Am + л-*242Ат + п -+ 2*3Ат
т1/2 = ЮОл ф-) х1/2 = 8000 л (а)
242Cm 239Np
Tl/2 = 163 сут (а) т1/2 = 2,33 сут (0-)
238ри 23фи
I 4
т1/2= Уи л (а) т1/2 = 24bU0 Л
\
234U(Tj/2 = 2,5X107 л)
В результате процессов распада получаются изотопы
урана или плутония, которые могут быть
экстрагированы при последующей переработке.
В США рассматривались различные
варианты хранения радиоактивных отходов и
были проведены некоторые предварительные
исследования, особенно по их хранению в
солевых шахтах. Различные возможные способы
захоронения высокоактивных отходов
представлены на рис. 7.25.
Солевые шахты наиболее предпочтительны
для захоронения радиоактивных отходов по
одной простой причине: соль хорошо
растворяется в воде. Поэтому наличие больших со-
196

/0* t,20<?6l
Рис. 7.23. Зависимость тепловыделения основных
продуктов деления в отработавшем топливе Q, Вт, от вре-
мени выдержки ( 0+1 )
Рис. 7.25. Способы захоронения радиоактивных отходов
Рис. 7.24. Зависимость относительной токсичности
отходов реактора А от времени выдержки:
/ — суммарная; 2 — ародуктов деления; 3 — актинидов; 4 —
Sr+Cs
левых залежей говорит о том, что они не
вступали в контакт с водой в течение очень
длительного времени. Исходя из этого, можно
сделать вывод, что эти солевые залежи не будут
контактировать с водой и в будущем,
вследствие чего они являются подходящим местом
Рис. 7.26. Способ захоронения радиоактивных отходов:
/ — здание ьентиляционной службы; 2,3 — помещения для
подъемных механизмов; 4 — склад; 5 — здание для приемки
отходов; ? — шахтный ствол для отходов; 7 — соль, 5 — место храг
нения отходов; 9 — вентиляционный туннель; 10 -*- дно шахты;
11 — шахтный ствол для персонала
197

для захоронения радиоактивных отходов.
Способ захоронения в солевой шахте схематично
показан на рис. 7.26. Отходы от переработки
или отработавшее топливо помещается в
стальные контейнеры (длиной около 3 м и
диаметром 30—60 см, которые затем захоро-
няются в солевых шахтах. Теплоты,
выделяемой контейнерами, достаточно для того, чтобы
вызвать пластическую текучесть соли,
которая в свою очередь оплавит контейнер. Сталь,
в конце концов, будет корродировать и
радиоактивные отходы смешаются с солью.
Благодаря выделяемой теплоте и пластическому
характеру текучести соли система
радиоактивные отходы — соль будет относительно
устойчива к различного рода напряжениям.
В 60-х годах была проведена серия
испытаний на заброшенной шахте около г. Лиона,
штат Канзас. Однако после того, как из близ-
расположенной действующей шахты ушло в
окружающий грунт несколько сот кубометров
воды, власти штата подняли шум, и эти
испытания были перенесены на солевые шахты в
штат Нью-Мексико.
Другие способы захоронения
радиоактивных отходов представлены в табл. 7.9.
Следует, однако, отметить, что какой бы метод в
конце концов ни был выбран для захоронения
радиоактивных отходов, необходимо всегда
помнить не только о затратах, связанных с
этим, и риске во время захоронения, но также
и о риске, который может возникнуть в
отдаленной перспективе.
До настоящего времени стоимость
захоронения радиоактивных отходов еще не
определена в основном из-за того, что окончательно
не выбран способ захоронения и ни один из
них не изучен, не испытан и не применяется в
больших масштабах. В соответствии с
большинством прогнозов будет постепенно
нарастать стоимость в пределах от 0,01 до 0,15 цент/
/(кВт-ч), по другим прогнозам
предполагается, что стоимость будет меньше. Успешное
захоронение в ограниченных масштабах в
солевой шахте было применено в ФРГ. В Канаде
для хранения отработавшего топлива были
построены специальные наземные бетонные
хранилища. Распространить эти методы
хранения для нужд ядерной энергетики США
довольно трудно.
Следует также отметить, что
радиоактивные отходы военной промышленности в виде
концентрированной жидкости хранятся в
больших стальных баках в различных районах
США. С течением времени эти баки начали
корродировать, появились большие протечки.
Короче говоря, такой метод не пригоден для
долговременного хранения.
Итак, ядерный топливный цикл
рассмотрен.
Остается еще один аспект ядерной
энергетики — вывод из эксплуатации ядерных
энергетических реакторов. Каждое механическое
устройство имеет ограниченное время
использования, части изнашиваются. Реакторам
присущ дополнительный износ, вызываемый
облучением нейтронами. Выше было показано,
что полезное использование нейтронов
является важным фактором в работе реактора, но
даже при этом значительная часть нейтронов
с высокой энергией (фактор / на рис. 7.4)
покидает активную зону. Многие из них
взаимодействуют с оболочкой реактора, смещая
атомы в кристаллической решетке. С течением
времени этот процесс охрупчивает сталь,
вызывая усталость и в конечном счете ее
разрушение.
Операторы ядерных реакторов постоянно
контролируют это воздействие, подвергая
бомбардировке образцы стали в активной
зоне и последующим испытаниям. Через 20—
40 лет необходимо будет принимать решение,
поскольку в корпусе реактора начнут
проявляться признаки усталости и владельцам
реактора придется:
восстанавливать работоспособность
реактора — ремонтировать, переоборудовать,
перестраивать его;
заменять реактор котлом, работающим на
органическом топливе;
полностью прекращать работу ядерного
энергоблока.
При принятии решения о полном
прекращении работы ядерного энергоблока
возможны три варианта: консервация оборудования
и строений, их захоронение или демонтаж.
В каждом из трех случаев все
радиоактивные вещества (твэлы, охлаждающаяся вода)
должны быть извлечены и захоронены.
Уровень радиации должен контролироваться как
внутри, так и снаружи станции. Консервация
обычно применяется на какой-то
определенный период времени, с тем чтобы дать
возможность радионуклидам, образовавшимся в
корпусе реактора в результате нейтронной
бомбардировки, распасться до более низкого
уровня активности. После этого можно проводить
демонтаж. Под захоронением в данном
случае подразумевается постоянная изоляция
корпуса реактора и строений от внешнего
мира. Захоронение — процесс более долгий и
должен позволить уменьшить радиоактивность
до приемлемо низких уровней, и, как мы
знаем, для этого может потребоваться достаточно
много времени.
С 1957 г. в США было остановлено девять
небольших реакторов; перечень этих
реакторов представлен в табл. 7.10. Следует
отметить, что они в 25—100 раз меньше
современных энергетических реакторов и что все выво-
198

Таблица 7.9. Способы удаления радиоактивных отходов
Способ удаления
Солевые шахты
Гранитные формации
Дальнейшее
химическое разделение,
переработка
актинидов
Дальнейшее
химическое разделение
Расплавление на
месте
Расплавление на
месте
централизованного хранения
Антарктический
скальный грунт
Континентальный
лед
Затраты
цент/(кВт-ч)
0,0045—0,005
0,0050—0,0055
0,0065—0,320
0,040—0,1100
0,0011—0,0016
0,0031—0,0036
—
—
Премущества
Сделаны технические проработки,
пластическая среда имеет хорошие
тепловые свойства, возможно
расположение в сейсмически
стабильных районах
Материал имеет низкую пористость,
тепловые свойства, сравнимые со
сьойствами солей, и отходы можно
извлечь обратно
Уменьшается токсичность,
отработана технология, есть возможность
выбора варианта в будущем
Уменьшается токсичность и
выделение теплоты, расширяются
возможности выбора варианта в будущем
На месте создаются нерастворимые
отходы, короткий период кипения,
отпадает необходимость в
транспортировке, уменьшает ся процесс
обращения
Создаются нерастворимые отходы,
короткий период кипения
Отсутствуют потоки грунтовых вод
Отсутствуют потоки грунтовых вод
Недостатки
Среда коррозпонна, растворима в
воде, обычно находится вместе с
другими ценными материалами,
сложно наблюдать за состоянием
отходов и извлекать их
Среда непластична, присутствуют
грунтовые воды, сложно наблюдать
за состоянием отходов
Требуется дополнительная обработка,
увеличивается количестве
токсичных материалов, отходы
переработки растворяются в воде,
появляются продукты деления
Дополнительное обращение и
дополнительные процессы, отходы
переработки растворяются в воде,
необходимо хранить и удалять Sr и Cs,
появляются продукты деления
Мобильность отходов высока в
течение 25-летнего периода фазового
кипения, присутствуют грунтовые
воды, отходы становятся нензвле-
каемыми, сложно наблюдать за их
состоянием, существует проблема
их распространения
Присутствуют грунтовые воды,
отходы становятся неизвлекаемымп,
сложно наблюдать за их
состоянием
Температурный интервал очень узкий,
отсутствует постоянная
геологическая структура, сложная
окружающая среда
Невозможно удалять актиниды,
количество льда ограничено,
отсутствует постоянная геологическая
структура, сложная окружающая среда
ды, к которым мы приходили^ прежде в
отношении этой проблемы, были сделаны на основе
опыта, имеющегося по остановке и
консервации этих небольших реакторов. Поэтому
при выводе из эксплуатации, консервации или
демонтаже современных крупных ядерных
энергоблоков необходимо учитывать
масштабный эффект.
Наибольшую опасность при демонтаже
реактора непосредственно после его остановки
представляет наведенная в стали
радиоактивность железа, никеля, кобальта и меди. Медь
является нежелательной примесью в
нержавеющей стали, в то время как кобальт и
никель— ее компонентами.
Нержавеющая сталь применяется внутри
активной зоны реактора. Сам же кюрпус
реактора обычно изготавливается из углеродистой
стали, содержащей гораздо меньше кобальта
и никеля.
Только один из перечисленных в табл. 7.10
реакторов Элк Ривер был демонтирован. Для
сведения к минимуму получаемой рабочими
дозы облучения корпус реактора был разре-
199

Таблица 7.10. Реакторы, полностью выведенные из эксплуатации
Название
Реактор ХалМён, Халмен, штат
Новая Англия
Реактор Каролина-Вирджиния, Парр,
штат Южная Каролина
Реактор Пика, штат Огайо
АЭС с кипящим реактором с
перегревом, Пунта Хигуера, Пуэрто-
Рико
АЭС Пасфиндер, Сиоке Фоле, штат
Южная Дакота
Реактор Элк Ривер, Элк Ривер
АЭС Энрико Ферми, Лагуна Бич,
штат Миссисипи
АЭС Пич боттом, блок 2, штат
Пенсильвания
АЭС Сакстон, Сакстон, штат
Пенсильвания
Тип
Реактор с графитовым
замедлителем и натриевым
охлаждением
Канальный реактор под
давлением, тяжелая вода
Реактор с органическим
замедлителем и теплоносителем
Кипящий реактор с перегревом
То же
Кипящий реактор
Реактор-размножитель на
быстрых нейтронах с натриевым
охлаждением
Высокотемпературный реактор с
газовым охлаждением
Реактор, охлаждаемый водой под
давлением
Мощность, МВт
(эл.)
75
17,0
11,4
16,5
58,5
22,0
60,9
40,0
10,0
Дата пуска
1962
1963
1963
1964
1964
1962
1963
1966
—
Дата
остановки
1964
1967
1966
1968
1967
1968
1973
1974
1973
зан под водой при помощи плазменной
горелки. При этом затраты на демонтаж составили
6,9 млн. долл. при стоимости строительства
реактора в 6 млн. долл. Все другие реакторы
были остановлены и законсервированы на
неопределенное время.
В этих случаях кроме облучения
персонала существует опасность и для окружающей
среды. Это связано с радиоактивным
загрязнением воздуха при демонтаже (особенно при
демонтаже бетонной оболочки), облучением
во время транспортировки радиоактивных
отходов, радиоактивным загрязнением воды.
Остановка и демонтаж реактора
обсуждались в течение некоторого времени.
Поскольку опыт подобной работы с реактором Элк
Ривер был незначительным и трудно
экстраполировать подобные работы на реакторы
большей мощности (современные корпуса
реакторов имею!1 толщину 12,7 см по сравнению с
толщиной 7,6 см вышеупомянутого реактора),
то совершенно ясно, что со стороны
владельцев нельзя ожидать больших
капиталовложений в подобного рода мероприятия. В этой
связи NRA рекомендует откладывать деньги
в специальный фонд на эти работы, хотя в
настоящее время нет ясности в отношении их
точной стоимости. Этот фонд образуется из
отчислений в размере приблизительно 1 %
стоимости электроэнергии.
Коммерческая ядерная энергетика
существует, поскольку значительное число
владельцев электростанций понимает, что она
экономически более выгодна во многих районах
страны, чем электростанции, работающие на
угле. Реальность такого преимущества —
предмет больших дебатов, к которым здесь нечего
добавить, однако следует отметить, что в США
начиная с 1979 г. не было размещено ни
одного заказа на АЭС. Не ясно, делается ли это
по экономическим соображениям или
принимаются во внимание технические трудности,
тем не менее в том и в другом случае
результат один и тот же.
УПРАВЛЯЕМЫЙ ТЕРМОЯДЕРНЫЙ СИНТЕЗ
Тема управляемого термоядерного синтеза
может показаться неуместной в главе о
ядерной энергетике, т. е. уже существующей
технологии. В каком-нибудь будущем издании
управляемый термоядерный синтез можно будет
выделить в самостоятельную главу. Однако в
200

Таблица 7.11. Сравнение некоторых источников энергии
Источник
Нефть
Все извлекаемые
органические топлива
235U по цене 220
долл/кг (LWR)
238U по цене 220
долл/кг**
233U по цене 500
долл/кг**
Синтез ядер лития
Синтез Д—Т

Энергосодержание, ТВт-год*
500
2500
200
11000
1 000 000
50 000
500 000 000
Расчетное
количество лет, на
которые хватит
этого источника
87
438
35
1930
175 440
8700
8770 000
* Современное потребление энергии оценивается в0,17ф/год,
или 5,7 ТВт-год/год.
** Реакторы-размножители на быстрых нейтронах
настоящее время представляется
своевременным обсудить этот вопрос здесь.
Управляемый термоядерный синтез
занимает особое положение. Это единственная
энергетическая технология, которая была
определена как крупнейший источник энергии
еще до того, как она произвела хотя бы один
джоуль энергии, даже еще до того, как было
доказано, что она может давать энергию,
пригодную для использования. Специалисты,
работающие в этой области, имеют глубокое
убеждение, что синтез является последним
ответом на вопрос о наших будущих
потребностях в энергии. На первый взгляд
применение синтеза очень заманчиво. Применение
термоядерной энергии имеет следующие
достоинства:
это практически неограниченный источник
топлива при низкой стоимости [менее 0,1 цент/
/(кВт-ч)];*
безопасность, полная управляемость
реакции;
отсутствие химических продуктов сгорания;
относительно низкий уровень
радиоактивности;
отсутствие проблемы охлаждения активной
зоны в аварийных случаях;
отсутствие необходимости использования
материалов, применяемых в военных целях
и т.д.
Главное из его преимуществ — это прежде
всего действительно практически
неограниченные ресурсы исходного сырья.
Сырье для управляемого термоядерного
синтеза может быть добыто из морской воды,
а поскольку этих запасов по прогнозам хватит
на очень долгое время — возможно, даже на
* 3,5 цент/кВт ч по данным проекта STARF1RE в
цепах 1930 г. (П р и м е ч. р е д.)
Таблица 7.12. Количество энергии, которое можно
получить из морской воды, синтез Д—Д
Количество воды
1 Л
1 М3
1 КМ3
33 км3
Дж
7,95-10»
7,95- 1012
7,95-1021
2,62- Ю23
Энергия (тепл )
| т условного топлива
0,26
260
260- Ю9
*
* Цифра соизмерима со значением всех мировых ресурсов
органического топлива.
более долгий срок, чем продлится
существование солнечной системы, — ресурсы этого
сырья действительно можно считать
неограниченными. Исходные продукты для синтеза
сравниваются с исходными продуктами для
энергетики ядерного деления и твердыми
видами топлива в табл. 7.11. Видно, что топлива
для термоядерного синтеза, содержащегося в
мировом океане, хватит более чем на 1 млрд.
лет, даже при довольно высоких темпах роста
потреблений энергии, а солнечное излучение
просуществует ненамного дольше. Эти
ресурсы по своим энергетическим возможностям
значительно превосходят все ресурсы как
твердых видов топлива, так и продуктов для
энергетики ядерного деления. При площади
мирового океана в 36Ы06 км2 и его средней
глубине в 3,8 км объем воды в нем составляет
1,37-109 км3. Сырье для термоядерного
синтеза, содержащееся в 33 км3 океанской воды,
эквивалентно по своему энергосодержанию
всем ресурсам твердых топлив (табл. 7.12).
Таким образом, общее энергосодержание всех
ресурсов для термоядерного синтеза,
содержащихся в мировом океане, в 40 млн. раз
больше, чем в мировых ресурсах твердого
органического топлива. Теперь понятно, почему
так заманчиво применение термоядерного
синтеза. Но ведь мы сейчас еще не имеем
работающих термоядерных станций, в чем же
трудность?
Физика управляемого термоядерного синтеза
Трудность осуществления управляемого
термоядерного синтеза заключается не в
физической природе синтеза — она,
действительно, очень проста. Возьмите два легких ядра и
соедините их вместе. Полученное ядро всегда
будет иметь меньшую массу, чем исходные
ядра. Если два легких ядра, общее массовое
число которых меньше 60, соединить вместе, то
энергия полученного ядра на один нуклон
должна увеличиться. В результате должна
освободиться энергия в виде кинетической
энергии продуктов синтеза.
201

Пример 7.5. Подсчитайте выход энергии при реакции
Д + Т-*п+*Не.
Общая масса реагентов
mD = 2,0149 а.е.м.;
3,01605 а.е.м.
7 5,03005 а.е.м.
Общая масса полученных продуктов:
гпп= 1,008665 а.е.м.;
4,00260 а.е.м.
т*Не =
5,011265 а.е.м.
Разность масс 5,03005—5,011265 = 0,018785 а. е. м.
Поскольку 1 а. е. м. = 931,395 МэВ, то 0,018785 а. е. м.=
-17,496 МэВ. Так как 1 МэВ = 1,6-10-18 Дж, то
0,018785 а.е.м. = 2,799-10"12 Дж на каждое слияние
ядер.
Ниже показано множество реакций
синтеза:
Д +Д-> р + Т + 3,25 МэВ (22 МВт-ч/г);
+ п + 3Не + 4,0 МэВ (27 МВт• ч/г);
Д + Т^ п + 4Не + 17,6 МэВ (94 МВт- ч/г);
Д + 3Не^ р + 4Не + 18,3 МэВ (98 МВт-ч/г);
2Н2 + 02 + Н20 + Н20 + 0,000006 МэВ
(0,0044 кВт-ч/г). (7.28)
Реакция Д+Т была основательно изучена
не только потому, что при использовании
всего 1 г вещества выходная энергия довольно
велика, но также потому, что несколько ниже
температура горения самоподдерживающейся
реакции и больше сечения синтеза (рис. 7.27).
Рис. 7.27. Зависимость эффективного сечения синтеза
Ос кинетической энергии ? для различных реакций
синтеза
В природе встречается только дейтерий
(Д); тритий (Т) радиоактивен, с периодом
полураспада 18 лет*. На первый взгляд
представляется неразумным использовать
отсутствующий в природе источник. Однако тритий
может быть получен каталитическим путем.
Если нейтрон (имеющий энергию 14 МэВ)
поглощается зоной воспроизводства реактора
следующим образом:
6Li + п-> 3Н + 4Не + 4,8 МэВ, (7.29)
то захватывается не только 14 МэВ нейтрона
и небольшое количество испускаемой
положительной энергии [см. (7.29)], но также
восстанавливается тритий, а жидкий литиевый
бланкет может быть использован как среда
для теплопередачи.
Есть много других реакций, которые
являются и основой термоядерного оружия
(водородные бомбы) и частью механизма
производства энергии в звездах. Конечно, решение
проблемы управляемого термоядерного синтеза —
крайне трудная задача, ведь нужно создать
«ящик», в котором можно было бы удержать
миниатюрную звезду!
Для сближения ядер на достаточно
близкое расстояние необходимы высокие
температуры с тем, чтобы мощная сила притяжения
ядра смогла преодолеть более слабое
электрическое отталкивание положительно
заряженных тел.
При температурах, необходимых для
термоядерного синтеза (миллионы градусов), газ
не является газом в обычном смысле этого
слова. Он представляет собой полностью
ионизированную плазму. Молекулярные связи
разрушены, все электроны удалены из атома,
а полученная в результате плазма может
менять форму под действием электрического и
магнитного полей. Ускорения плазмы,
изменения в направлении или скорости вызовут
излучение — ультрафиолетовое или
рентгеновское. Движение самой плазмы создает
магнитные поля, как бывает при движении любой
заряженной частицы, которые могут
взаимодействовать с плазмой и вызывать часто
нежелательные явления.
Вследствие этой и других неустойчивых
характеристик до настоящего времени еще ни
один из существующих реакторов синтеза не
смог поддержать три необходимых параметра
(температуру, плотность и время удержания)
на достаточно высоком уровне и достаточно
долгое время. Для каждой реакции синтеза
при заданной температуре необходима
определенная плотность и время с тем, чтобы
произошла термоядерная реакция. Для реакции
Д+Т при 10е К это произведение должно быть
Примерно 12 лет. (Примеч. ред.)
202

Таблица 7.13. Параметры токамака
Год
1955
1960
1965
1970
1976
1978
1980
Не
установлен1
Время

удержания, с
Ю-5
Ю-4
2-Ю-3
Ю-2
5-10-'-
5- Ю-2
2,5-Ю-2
1

Температура, К
105
108
106
5-Ю6
2-Ю7
6-107
8,2-107
108
Плотности X
время
удержания (пт8 ),
с/см3
109
10"
1011
5- Ю^1
1013
2- 10ls
3,7- Ю13
101*
Время
поддержания
реакции, с
10-4
з- ю-3
2-Ю-2
Ю-1
1
1
1
>ю
1 Приведены параметры, которые должны быть достигнуты.
по крайней мере 1014 — это так называемый
критерий Лоусона.
Зажигание плазмы относится к началу
реакции синтеза. После зажигания плазма
подогревается продуктом из а-частиц, и если
поступает материал для питания реакции,
процесс синтеза будет продолжаться.
Исследователи с трудом подходят все ближе и ближе к
достижению критерия Лоусона (табл. 7.13).
Главным препятствием на пути
управляемой термоядерной реакции является
удержание плазмы. К настоящему времени
использовались два совершенно разных метода:
магнитное и инерционное удержание.
Магнитное удержание
Из двух методов наиболее изученным
является метод использования магнитных полей
для удержания плазмы. Заряженные частицы,
из которых состоит плазма, во время
движения в магнитном поле подвергаются
воздействию сил. Эти силы направлены не вдоль
линий поля или линии движения частиц, а,
скорее, перпендикулярно им:
F = qvxB, (7.30)
где q — заряд частицы; v — ее скорость и В —
индукция магнитного поля. Вследствие этого
взаимодействия заряженные частицы,
входящие в зону магнитного поля, будут двигаться
по спирали вдоль линий поля (рис. 7.28).
Рыс. 7.28. След заряженной частицы в однородном
магнитном поле
Если магнитное поле неоднородно, спираль
будет уменьшаться или увеличиваться в
зависимости от того, сильнее или слабее
становится поле по направлению спирали. При более
сильном поле поток заряженных частиц,
движущихся по спирали, становится все плотнее
и плотнее до тех пор, пока движение вдоль
линий поля сначала не прекратится, а затем
не поменяется направление его. Таким
образом частица будет «отражена».
В этом случае, если заряженная плазма
движется вдоль замкнутых линий поля, как в
тороиде, то отражение может и не возникнуть.
В обоих случаях плазма изолируется от
внутренней стенки оболочки, двигаясь вдоль
силовых линий магнитного поля.
В течение многих лет изучается несколько
различных методов, некоторые из них
основаны на принципе отражения, другие — на
принципе замкнутых линий. Часть этих методов
все еще активно изучается и сегодня. Однако
все согласны с тем, что право на успех в
ближайшем будущем имеет одно направление —
токамак.
Идея токамака возникла в Советском
Союзе в конце 50-х годов и была описана
советскими учеными в литературе. Но в США эти
публикации игнорировали до 1969 г. (в
Великобритании были разработки по токамаку до
1969 г.). С тех пор было построено несколько
опытных установок, каждая из которых была
больше своего прототипа, но ни на одной из
них не были достигнуты условия,
необходимые для термоядерного синтеза (табл. 7ЛЗ).
Две очень крупные установки —
испытательный термоядерный реактор в лаборатории
Princeton Plasma Physics Laboratory в Прин-
стоне, штат Нью-Джерси (рис. 7.29) и
совместный западно-европейский ТОР в г. Калэме,
Англия, строятся в настоящее время. Их
сооружение намечалось закончить
соответственно в 19&2 и 1983 гг. На этих реакторах
впервые должны были произвести термоядерное
зажигание в лабораторных условиях.
Инерционное удержание
В схеме для быстрого сжатия и нагрева
крошечной капли дейтерий-тритиевого
топлива до колоссальных плотностей и
температур, соответствующих зажиганию
термоядерного горючего, используется мощное лезерное
излучение или пучки заряженных частиц. Если
топливная капля сжимается до больших
плотностей, тогда горение развивается как
стремительно, что выделение большого
количества энергии синтеза происходит до того, как
топливо успеет разлететься.
Если говорить конкретнее, при облучении
топливной капли мощным лазерным излуче-
203

Рис. 7.29. Чертеж токамака TFTR
в лаборатории физики плазмы в
Принстоне:
/ — защита: 2—катушки с изменяемым
радиусом кривой; 3 — нейтронный
пучок; 4 — сопло нейтронного пучка;
5 — равновесные катушки поля; 6 —
торроидальные катушки поля; 7 —
вакуумная камера; 8 — катушки
нагрева электрическим током
нием или пучком заряженных частиц ее
поверхность ионизируется и испаряется (процесс
абляции) в окружающий вакуум. При
взрывном разлете внешней поверхности капли
образуется колоссальное давление (большее, чем
при ракетном выхлопе), которое сжимает ядро
топливной капли до плотностей, в 103—104раз
превышающих плотность твердого тела. Это
давление будет способствовать повышению
температуры ядра капли до температуры
синтеза, при которой начнется термоядерное
горение. Горение будет распространяться
наружу в оставшуюся часть топлива капли,
поджигая и сжигая его, в результате чего
произойдет взрывное выделение энергии синтеза.
Процессы сжатия, поджига и термоядерного
горения произойдут за время, меньшее
времени взрывного разлета капли (порядка
Ю-9 с). Таким образом, перспективно
разрабатывать источники греющего излучения
(драйверы) такой мощности, при которой в
течение короткого импульса (от 0,1 до 20 не)
на поверхность крошечных топливных капель
(диаметром 1 —10 мм) падает достаточно
большая энергия.
Для синтеза употребляются два типа
лазеров: стеклянный лазер и лазер на газе С02.
Стеклянный лазер производит относительно
коротковолновый луч (1,06 мкм), имеет не-
л
Рис. 7.30. Поперечное сечение типичных топливных
таблеток .лазерного синтеза:
а — таблетка «толкатель-отражатель» с тонким аблейторным
внешним слоем: / — ДТ; 2 — толкатель-отражатель высокой
плотности; 3— аблейтор; 4 — вакуум; б — таблетка с тонким
отталкивающим внешним слоем: / — ДТ; 2 — пластмасса; 3 —
толкатель; 4 — аблейтор; 5 — толкатель отражателе; 6 — вакуум
большую мощность, должен пульсировать и
имеет относительно низкую эффективность
(всего несколько процентов). Газовый лазер
создает инфракрасное (длинноволновое)
излучение примерно 10 мкм и может действовать
постоянно и несколько более эффективно —
КПД примерно 5—10 %.
На стеклянном лазере Shiva в
лаборатории Lawrence Livermore Laboratory был
получен импульс 15 кДж световой энергии. При
увеличении числа пучков и диаметра
конечных усилительных каскадов новый лазер
Nova должен был, как надеялись его
создатели, к 1983 г. производить импульс в 100 кДж.
На лазере Helios на газе С02 в лаборатории
Los Alamos Scientific Laboratory в
Лос-Аламосе был получен пучок инфракрасного
излучения, энергия которого была равна
приблизительно 10 кДж, а лазер следующего поколения
Antares, который сейчас сооружается в Лос-
Аламосе, сможет обеспечить пучки в 100 кДж.
Большинство исследователей в области
управляемого термоядерного синтеза в
настоящее время считает, что для возникновения
термоядерной реакции энергия лазерного
излучения должна быть не меньше 100 кДж, даже
при условии совершенствования конструкции
мишеней.
Вследствие предполагаемой военной
значимости лазерного термоядерного синтеза
таблетки (рис. 7.30) с характеристиками,
подобными изображенным на рис. 7.31, были
классифицированы министерством энергетики
США как секретные. Предполагается, что эти
таблетки имеют несколько слоев материалов,
которые усиливают начальную энергию
лазерного пучка. Имеется также ряд секретных
проектов асимметричных таблеток
специально для одноразового использования.
Некоторая информация по этим таблеткам была
опубликована. Известно, в частности, что они
204

Выход нейтронов синтеза.
Результаты использования топливных таб-
Рис. 7.31.
леток:
ф — аблятивные таблетки; О — таблетки
тель»; 0 — классификаторные мишени
«толкатель-отража-
смонтированы на пластиковых дисках, каждая
с маленькой пластиковой головкой.
Предварительный импульс расплавляет головку,
которая оплывает вокруг таблетки, создавая
однородную высокопроводящую среду для
основного импульса.
Однолучевые асимметричные таблетки,
безусловно, понадобятся для управления
реактором лазерного синтеза. Если трудно
управиться с одним пучком, что тогда говорить о
многих!
Даже после достижения научного и
инженерного «решительного прорыва» путем
повышения эффективности таблетки или
увеличения энергии лазера, необходимо будет
преодолеть ряд существенных трудностей до того,
как реакторы лазерного управляемого
термоядерного синтеза будут подключены к
энергосистеме. К числу таких трудных проблем
необходимо отнести:
лазер должен зажигаться 10 или даже
более раз в секунду;
производство таблетки должно стоить
меньше 1 цента;
общий КПД термоядерной электростанции
должен превышать 40 %;
стоимость произведенной энергии должна
быть сравнима по стоимости с энергией,
получаемой другими способами.
Трудно предсказать, когда каждая из этих
проблем будет решена. Тем не менее
продолжают рождаться честолюбивые проекты.
Большинство обозревателей полагало, что
управляемая термоядерная реакция станет возможной
только с появлением нового поколения тока-
маков или лазеров, т.е. после 1983 г. С целью
ускорения работ в этой области конгресс США
одобрил в 1980 г. законопроект о развитии
работ и области термоядерных систем с
магнитным удержанием плазмы, в соответствии с
которым планируется сооружение
экспериментального реактора к 1990 г. Даже если этот
проект будет реализован, широкое
использование управляемого термоядерного синтеза
сможет дать результаты не ранее 2010 г.
УПРАЖНЕНИЯ
1. Какой минимальной энергией должен обладать
нейтрон с тем, чтобы происходила следующая реакция?
2. а) Если избыток массы атома определяется Аа =
= Мй—А, то покажите, что
В = (Аа - ZAH— (A — Z) Ап) 931,502 МэВ,
где А —избыток массы водорода; Дп — избыток
массы нейтрона.
б) Подсчитайте энергию связи (В/А) для нуклона
208РЬ. Будет ли происходить симметричное деление на
две части этих ядер при избытке энергии?
в) Повторите упражнение 2, а для 56Fe.
3. В живом организме к моменту его гибели в 210 г.
нашей эры содержалось 75 мг 14С. 25 % массы этого
организма сохранилось до наших дней. Сколько 14С
содержит эта часть?
Ответ: К 1982 г. 15.13 мг.
4. В распределении Максвелла число нейтронов со
скоростью v определяется следующим образом:
п (v) = щ Av°- exp
где по — число нейтронов 1 см3 и
/ m \з/2
\2nKT )
а) Средняя скорость при таком распределении
[л (v) vdv
v ='— .
In (v) dv
Используя эту формулу и интегрируя в пределах 0<у<
<оо, покажите, что для распределения Максвелла
и-
SKT у/2
тип
б) Наиболее вероятная скорость vp определяется из
соотношения
Покажите, что для распределения Максвелла
_ / 2КТ у/2
Vp:
5. Мощность бомб обычно определяется тоннами
эквивалента тринитротолуола. В период между 1945 и
1963 гг. (когда был подписан Договор о запрещении
испытания ядерного оружия) было проведено
испытание в атмосфере или на поверхности земли ядерного
оружия мощностью 511 Мт, На атомные бомбы
пришлось 193 Мт (остальное — на термоядерные бомбы).
а) Используя соотношение 1 Мт тринитротолуола =
= 132 МВт (тепл.) в год, подсчитайте, сколько лет
должна проработать АЭС электрической мощностью
800 МВт с КПД 32 % с тем, чтобы произвести такое
205

же количество теплоты, какое выделилось при всех
ядерных испытаниях?
б) При 190 МэВ энергии, выделяемой при каждом
делении, какое число делений должно произойти за год?
Ответ: 10,2 г, 2,6-1028 делений.
6. Используя данные табл. 7.1, определите среднее
время жизни нейтронов в реакторе с 235U. Отметим, что
для многогруппового реактора
б 6
* = 2 *w2 nt-
Для ?35U л0 = 99,25, то=Ю-3 с.
7. Материал замедлителя должен быть выбран так,
чтобы нейтроны теряли свою кинетическую энергию в
результате упругого столкновения с атомами
замедлителя.
а) Покажите, что если частица массой m имеет
лобовое столкновение с частицей массой М, то имеет
место следующее равенство:
\пг + М)
где Е\ — энергия до столкновения; ?2 — энергия после
столкновения. (Примените сохранение момента и
энергии к прямолинейному столкновению).
б) Рассмотрим в качестве замедлителей дейтерий и
графит. Используя результат упражнения 7, а,
определите, какое число столкновений необходимо иметь нейтрону
с ядром графита ,2С с тем, чтобы потерять такое
количество энергии, которое потеряется при одном
столкновении нейтрона с атомом дейтерия 2Н.
в) Объясните, почему вода является эффективным
замедлителем нейтронов? Почему в некоторых типах
реакторов лучше использовать тяжелую воду?
8. Предположим, что теплота в реакторе
получается только за счет деления осколков, быстрых нейтронов
и энергии бетта-распада. Исходя из этого, определите
количество радиоактивных отходов реактора мощностью
1000 МВт (эл.) за день при работе на полную мощность.
Ответ: 3,7 кг.
9. Сравните сечение деления 235U при энергии
нейтрона, эквивалентной 300 °С, с геометрическим
поперечным сечением (радиус равен 10~13 см).
10. Какова максимально допустимая доля Н20 в
теплоносителе D20 реактора CANDU, если общая аа
теплоносителя не превышает 0,005 барн?
11. Какова будет интенсивность делений в
топливной таблетке U02 при потоке нейтронов, равном
101-4 см-2-с-'?
12. Если образец материала поместить в реактор,
то ядра этого образца будут поглощать нейтроны с
образованием новых ядер, как правило, радиоактивных.
Если n(v)—поток нейтронов, аа(и)—сечение
поглощения нейтронов ядрами, N — число ядер
поглощающего материала, то скорость получения новых ядер
определяется следующим образом:
—— = n(v)va&(v)N.
at
а) Покажите, что это может быть выражено через
наиболее вероятную скорость vp, используя (7.9)
следующим образом:
dNa
¦—= ni»paa(»p)iV.
б) Если полученные ядра радиоактивны с
постоянной распада к, покажите, что число новых ядер за
время облучения t равно
13. Каков будет Кос для реактора, содержащего
только 235U [начните с (7.10)]?
14. Покажите, что ц в (7.9) может быть записано
в виде
т| = wr//aa,
где а/ и аа — сечение деления и полное сечение
поглощения для урана. Также покажите, что oa(235U)/
/07(235U) = 0,184 а. е. м.; aa(238U)/c/(235U) - 0,00474,
тогда
215
Л ~" 1,184+ 0,00474#8/#5 '
где N8 n N5 — число ядер 238U и 235U в 1 см3
соответственно и o~r/235U — сечение захвата неделившегося 235U.
Если для критичности уран-графитового реактора г\
должно быть по крайней мере 1,63, каково должно
быть значение Ns/Ns? Какое требуется обогащение?
15. Сколько U02 должно быть в реакторе,
охлаждаемом водой под давлением, при потоке нейтронов
1014 см~2 для получения удельной мощности (тепл.),
равной 35 МВт/м3? Предположим, что общий объем
топлива равен 800 м3.
16. Сечение поглощения нейтронов с энергией 0,06 эВ
в 235U равно 582 барн. Каково будет сечение
поглощения при температуре топлива 2200 °С?
Ответ: 308,9 барн.
17. Реактор мощностью 700 МВт (эл.)
эксплуатируется с полной нагрузкой в течение 150 сут, после чего
его работа прекращается путем опускания регулирующих
стержней в активную зону. Какова будет мощность
реактора спустя 30 сут после его останова?
18. Какова должна быть дополнительная мощность
в расчете на 1 кг массы реактора PWR, чтобы вызвать
расплавление топлива U02? На сколько процентов
должна быть увеличена интенсивность делений, чтобы
вызвать это? [СР=0,25 Дж/(г.°С)1.
19. Чему равно время удвоения
реактора-размножителя на быстрых нейтронах мощностью 1000 МВт,
работающего при КПД 40 %, если #в=0,05 и ps = 50 кВт/кг
(предположим, что t2 = tp)?
20. Предположим, что к 2000 г. уже в течение
10 лет будут эксплуатироваться десять
реакторов-размножителей на быстрых нейтронах общей мощностью
5 ГВт (эл.).
Определите общее количество 239Ри, полученное на
этих реакторах за это время.
21. Какое количество исходного продукта
потребуется для получения 10 кг обогащения 95 % по 235U при
хвостах 0,3 %? Какое количество хвостов будет
получено при производстве топлива для 200 АЭС мощностью
по 1000 МВт (эл.) за 20 лет их эксплуатации?
Предположим, что коэффициент использования мощности 0,65.
Ответ: 2309,8 кг исходного продукта на 10 кг 235U;
658-108 кг.
22. Сколько стадий потребуется в центрифужном
каскаде (а= 1,12) для получения урана с 3 %-ным
обогащением по 235U?
23. Смесь АД+Т содержится в топливной таблетке
диаметром 600 мм при давлении 60 МПа. Сколько
энергии высвободится, если 5 % исходного материала
пойдет на синтез?
206

Утилизация избыточной теплоты
Как известно, в любых системах
преобразования энергетических ресурсов, в которых
теплота служит промежуточным
энергоносителем, значительная ее часть сбрасывается в
окружающую среду. С появлением ядерной
энергетики широкая общественность забила
тревогу по этому поводу, хотя проблема отвода
сбросной теплоты существовала уже давно —
она возникла вместе с появлением ТЭС,
работающих на органическом топливе. В начале
50-х годов, когда комиссия по атомной
энергии начала свою деятельность, направленную
на содействие развитию ядерной энергетики
США, выявилась актуальность проблемы
сбросной теплоты, образующейся при работе
ядерных реакторов, и поэтому начались
поиски методов, которые позволили бы с пользой
утилизировать эту сбросную теплоту *.
Существует целый ряд методов решения
этой проблемы. Сбросную теплоту можно,
например, использовать для отопления и для
очистки городских улиц от снега. Многие
отрасли промышленности нуждаются в
технологической теплоте; определенные химические
реакции с повышением температуры
протекают быстрее. Выдвигались предложения
продлить сроки навигации на северных водных
путях с использованием для этого сбросной
теплоты электростанций, исследовались
возможности опреснения морской воды с
использованием сбросной теплоты ядерных
энергоблоков.
Все эти исследования не дали
эффективных результатов и пока что проблема
состоит в том, что большая часть сбросной теплоты
электростанций должна поглощаться
окружающей средой — водой, воздухом, почвой,
космическим пространством. Из этих четырех
вариантов в широком масштабе могут быть реа-
1 Необходимо отметить, чгго до тех пор, пока в
1971 г. положения закона о национальной политике в
области окружающей среды не были выдвинуты в
качестве решающего аргумента при рассмотрении судом
иска, предъявленного противниками строительства АЭС
Калверт-Клиффс (штат Мэриленд), КАЭ доказывала,
что сброс отработавшей теплоты электростанции — это
естественный процесс и, следовательно, ни к чему было
упоминать о нем в заявлении о возможном
отрицательном воздействии АЭС Калверт-Клиффс на
окружающую среду. Однако суд не согласился с этим, и в
настоящее время данные о сбросе отработанной теплоты
и его возможном воздействии должны обязательно
сообщаться при подаче заявок по всем объектам, на
сооружение которых должны быть получены разрешения
государственных органов,
лизованы только сброс теплоты в реки и
атмосферу. Поглощение теплоты водные и
воздушным бассейнами сопровождается
локальными изменениями температуры, что, в свою
очередь, оказывает на среду как
биологическое, так и физическое воздействие. В
настоящей главе рассматриваются лишь эти
местные эффекты (глобальное воздействие
сбросной теплоты на окружающую среду
рассматривается в гл. 12), а также некоторые
способы рассеивания сбросной теплоты и методы,
позволяющие сократить ее количество.
ТЕПЛОВЫЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ
НА ОКРУЖАЮЩУЮ СРЕДУ
Сбросная теплота образуется во многих
производственных процессах, однако до сих
пор самым крупным его источником в США
были ТЭС, а сейчас стали и АЭС. В 1964 г.
свыше 80 % всей сбросной теплоты поступило
в окружающую среду от электростанций
(табл. 8.1). За это время потребность в
охлаждающей воде, разумеется, возросла по
сравнению с приведенными данными. Тем не
менее структура ее расхода к настоящему
времени едва ли существенно изменилась.
Правда, не вся электроэнергия
вырабатывается ТЭС. К тому же доля электроэнергии,
производимой не за счет теплоты,
используемой в качестве промышленного теплоносителя
(в основном на ГЭС), неуклонно уменьшается,
как об этом говорилось в гл. 5. Вместе с тем
необходимо учитывать, что по мере ввода в
эксплуатацию новых АЭС, а также в случае,
Таблица 8.1. Потребление охлаждающей воды в
промышленности США (1964 г.)
Отрасли экономики
Электроэнергетика
Металлургия
Химия
Нефтепереработка и
переработка угля
Целлюлозно-бумажная
промышленность
Пищевая промышленность
Машиностроение
Резиновая и пластмассовая
промышленность
Транспорт
Прочие
Забор
охлаждающей воды,
млн. м3
153 770
12 769
11794
4581
2294
1481
620
439
386
1032
Доля отрасли
в общем
потреблении, %
81,3
6,8
6,2
2,4
1,2
0,8
0,3
0,3
0,2
0,5
207

если будет увеличиваться выработка
электроэнергии на геотермальных электростанциях,
темпы роста объема сбросной теплоты будут
более высокими по сравнению с темпами
увеличения производства электроэнергии.
Обусловлено это тем, что КПД АЭС и ГеоТЭС
ниже, чем ТЭС на органическом топливе. За
последние годы термический КПД ТЭС
увеличился, однако в дальнейшем он вряд ли
превысит достигнутый в настоящее время
уровень, составляющий примерно 40%.
Несомненно также, что и КПД современного
поколения легководных реакторов нельзя будет
увеличить.
На рис. 8.1 показана динамика КПД ТЭС
США. На традиционных ТЭС на
органическом топливе уже практически исчерпаны
возможности дальнейшего повышения
эффективности. Вместе с тем достижения в области
металлургии позволяют повысить параметры
пара до 660 °С и 27 МПа, однако решение и этой
проблемы не дает оснований рассчитывать на
осуществление резкого повышения
эффективности.
19оо wo i9zo 19зо то то гооо то юво
ГоОы
Рис. 8.1. Динамика среднего значения КПД
ТЭС
Fvic. 8.2. Профиль температуры воды в р. Мононгахила,
измеренных вверх по течению от г. Питтсбурга
За период с 1900 до 1980 г. термический
КПД электростанций увеличивался примерно
на 2,8 % в год, но в то же самое время
среднегодовые темпы роста суммарной выработки
электроэнергии составили 7,2 %.
В повышении КПД немаловажную роль
играло то обстоятельство, что за последние
20 лет максимальная единичная мощность
паротурбинных энергоблоков возросла с 200 до
более чем 1000 МВт. Это, однако,
сопровождалось концентрацией значительных
количеств сбросной теплоты на ограниченном
пространстве. Следовательно, воздействие этой
теплоты на окружающую среду стало гораздо
более ощутимым, чем несколько лет назад.
В настоящее время основная часть
сбросной теплоты отводится с помощью воды — в
реки, пруды, озера и моря. Рост выработки
электроэнергии грозит нарушить природное
равновесие в этих экосистемах (рис. 8.2).
Согласно прогнозам в 2000 г. для охлаждения
электростанций в США будет использоваться
2/з всего стока пресной воды с территории
США. Если в течение ближайших 100 лет
продолжится рост спроса на электроэнергию- и
спрос этот необходимо будет удовлетворять,
потребности в охлаждающей воде удастся
обеспечить только ценой заметного увеличения
температуры в естественных водоемах и
водотоках.
Следует, однако, отметить, что эти
прогнозы не учитывают возможности многократного
использования воды, взятой из одного и того
же водоема. Кроме того, в прогнозах не
учтена возможность использования систем
оборотного водоснабжения с градирнями вместо
прямоточного водоснабжения. Применение
градирен обходится, правда, дорого, но зато
позволяет превращать, проблему нагретой
воды в проблему нагретого воздуха; хотя сама
по себе проблема отвода сбросной теплоты
по-прежнему остается актуальной, в этом
случае ее легче решать.
Разумеется, существует определенный
максимум количества сбросной теплоты, который
может воспринять наша планета (см. гл. 12).
Повышение температуры воды под
воздействием сбросной теплоты
Повышение температуры воздействует на
все химические и физические свойства воды.
В табл. 8.2 приведены некоторые физические
свойства воды и показана их зависимость от
температуры. Наиболее сильно изменяется
упругость водяного пара; в результате с ростом
температуры воды возрастает и интенсивность
испарения. Это, в свою очередь, увеличивает
накопление осадков в озерах и прудах.
Растворимость кислорода также одно из важней-

Таблица 8.2. Зависимость физических свойств веды от
температуры
. и 1
S ш
*~ о.
0
5
10
15
20
25
30
35
40
Упругость
водяного
пара, кПа
0,610
0,872
1,228
1,705
2,338
3#67
4,243
5,623
7,376
Вязкость,
мПа с
1,787
1,519
1,307
1,139
1,002
0,890
0,798
0,719
0,653
Плотность,
г/мл
0,99984
0,99997
0,99970
0,99910
0,99820
0,99704
0,99565
0,99406
0,99224

Поверхностное
натяжение,
Н/м2
7,56
7,49
7,42
7,35
7,28
7,20
7,12
7,04
6,96
Растворимость,
мг/л

кислорода
14,6
12,8
11,3
10,2
9,2
8,6
7,6
7.1
6,6
азота
23,1
20,4
18,1
16,3
14,9
13,7
12,7
11,6
10,8
ших свойств воды, поскольку от количества
растворенного кислорода зависит степень
жизнедеятельности водных организмов. Все
химические реакции протекают быстрее при
повышенных температурах. Постоянные скорости
реакции зависят от температуры таким же
образом, как и постоянная равновесия, о
которой упоминается в гл. 5. Хотя обобщения в
этой области не всегда справедливы, для
многих реакций, которые представляют интересе
отношении охраны окружающей среды,
характерно то, что при повышении температуры на
каждые 10 °С скорость реакции
приблизительно удваивается. Изменение температуры не
только влияет на скорость протекания
химических реакций, но и воздействует на
электропроводность, раствора, на степень диссоциации
и растворимость химических веществ,
содержащихся в воде. Эта зависимость от
температуры играет важную роль при определении
потребности в тех или иных химикалиях на
станции водоочистки. Помимо воздействия на
физико-химические параметры воды,
повышение температуры влияет также и на
жизнедеятельность микроорганизмов в водных
системах. Это крайне необходимо учитывать в
процессе переработки сточных вод. Интенсивность
роста микроорганизмов находится в большой
зависимости от температуры. Организмы
представляют собой сложные соединения
углеводородов и белков, и различные виды
взаимодействия этих компонентов по-разному
зависят от колебаний температуры. В результате
даже несмотря на то, что повышенная
температура обычно приводит в целом к усилению
метаболической активности микроорганизмов,
трудно предугадать поведение их отдельных
видов. Примером служит график (рис. 8.3),
изображающий схему роста культуры бактерий
Escherichia Coli. Температура также влияет
на бактерицидные и вирулицидные свойства
хлора. Повышение температуры влияет не
20ог- ч
1в0\\
i6oY- |
*П0\- \
ft \
* Л \ /
180\ \ I
^sot V I
<?#? ^^ J
jq\ i I i i, ' > i i i i i i I \ I
15 20 25 JO 35 40 45 58
Температура ? °C
Рис. 8.З. Зависимость времени роста бактерий вида
Escherichia coli от температуры
только на жизненный цикл микроорганизмов
в естественных водах, но и на водную флору
и фауну в целом.
Воздействие повышения температуры воды
на живущие в ней организмы
Изменение температуры, особенно в
сторону ее повышения, может существенно
повлиять на водную флору и фауну. Иногда это
влияние благотворно, что выражается в
заметном увеличении скорости роста некоторых
видов обитателей воды. Изменение температуры
может способствовать развитию полезных
видов в ущерб нежелательным, хотя на
практике скорее происходит обратное явление.
Негативных последствий повышения
температуры воды, однако, значительно больше,
и они разнообразнее. Связаны они со
следующими особенностями:
у некоторых пород рыб икрометание
должно происходить при одной температуре воды,
а развитие икринок и мальков — при другой;
выносливость организмов при воздействии
температуры колеблется в зависимости от их
вида, возраста, размеров, а также от сезона;
летальные значения высоких и низких
температур для рыб колеблются в широких
пределах: от — И,8°С (наименьшее значение) для
серебряного карася до 24 °С (наибольшее
значение) для горбуши;
внезапные изменения температуры воды
могут оказаться губительными для
определенных видов живых организмов;
отдельные породы рыб способны к
акклиматизации при условии лишь медленного
изменения температуры и в определенных
пределах;
209

рыба быстрее приспосабливается к
повышению температуры воды, чем к ее
понижению;
если рыбу, успевшую приспособиться к
теплой воде, внезапно поместить в холодную
воду, она погибнет;
уменьшение концентрации кислорода,
растворенного в воде, увеличение содержания
С02 или наличие ядовитых веществ
существенно снижает выносливость живых
организмов к изменениям температуры;
определенные виды живых организмов
могут погибнуть и при температуре, которая не
является для них летальной, при условии,
если эта температура благоприятна для
размножения их врагов — хищников, паразитов,
возбудителей болезней;
рост температуры способствует
бактериальному метаболизму, из-за чего в воде
существенно уменьшается количество растворенного
кислорода, необходимого для рыб;
рыбы, как известно, не обладают
достаточно быстрой реакцией на температуру воды и
поэтому могут заплыть в воду с летальной для
них температурой;
при повышении температуры рыбы
впадают в состояние летаргии, их способность к
поискам пищи снижается;
увеличение температуры воды
благоприятствует росту сине-зеленых водорослей,
которые начинают вытеснять обычную пищу рыб —
диатомовые водоросли.
Этот перечень можно было бы продолжить,
но и так ясно, что ущерб от сброса теплых
вод в естественные водоемы и водотоки
оказываются неизмеримо большим по сравнению с
любым случайным положительным эффектом.
Использование сбрасываемой нагретой воды
для выращивания полезных организмов в
водной среде должно осуществляться под
строгим контролем; необходимо всесторонне и
досконально изучить экологию данной водной
системы, прежде чем к этому приступать.
РАССЕИВАНИЕ ТЕПЛОТЫ
Значительное повышение температуры в
результате сброса теплоты, как уже
отмечалось, часто является пагубным для водных
организмов. Поэтому электростанции
необходимо проектировать с таким расчетом, чтобы
при сбросе ими нагретой воды температура
воды в воспринимающих ее водоемах и
водотоках оставалась в допустимых пределах.
Если по каким-либо причинам это недостижимо,
имеются другие варианты сброса теплоты.
Чтобы наглядно представить себе эти
варианты, а также мотивы, по которым
производится выбор того или иного из них в конкретной
ситуации, необходимо рассмотреть физические
механизмы теплопередачи, да и вообще
уточнить, что понимается под теплотой.
В гл. 3 говорилось о теплопередаче под
действием разности температур; при этом
было упомянуто о средней кинетической энергии
атомов, молекул и электронов, из которых
состоят различные вещества — необходимости в
поисках точных формулировок не было.
Теперь, поскольку вновь рассматривается вопрос
о передаче теплоты от одного вещества к
другому, остановимся более подробно на
микроскопическом строении веществ и связи его с
теплотой.
Произведем для газов непосредственный
статистико-механический расчет, который
основан на законе распределения молекул по
скоростям их теплового движения
(распределение Максвелла — Больцмана), и получим
зависимость между средней кинетической
энергией молекул газа и температурой:
KEcP = ±kT, (8.1)
где k — постоянная Больцмана [ (1,38062±
±0,000059) Ю-23 Дж/К]. Если произвести
аналогичный расчет для твердого тела,
суммарная внутренняя энергия 1 моля вещества
будет равна:
ии = SRT, (8.2)
где R — произведение k и числа Авогадро.
Поскольку молярная теплоемкость Cq)
является производной от им по температуре, в
соответствии с классическим методом значение cv
должно быть постоянным. Действительно,
cv = 25 Дж/(моль-К).
В начале XIX в. было установлено, что
измеренные значения теплоемкостей
отклоняются от значений, получаемых по правилу Дю-
лонга и Пти, при температурах ниже 250 К
(рис. 8.4). После того как удалось
окончательно установить атомно-молекулярное
строение твердых тел, стало ясно, что классический
метод расчета энергии атомных уровней не
совсем точен. Во-первых, атомы испускают
энергию в форме квантов. Во-вторых, в
твердом теле также существует тесное
взаимодействие, вызванное малым расстоянием между
0 50 100 150 200 250Т, К
Рис. 8.4. Зависимость удельной теплоемкости
металлического серебра от температуры
2Н)

атомами. Атомы ведут себя не как
изолированные осцилляторы; напротив, они прочно
связаны между собой, образуя сложную
пространственную структуру.
Теплота передается в твердом теле путем
распространения квантованных форм
колебаний микрочастиц в его кристаллической
решетке. В этом смысле температура твердого
тела зависит от средней кинетической энергии
микрочастиц. Колебания заряженных ядер
порождают другой вид передачи теплоты —
тепловое излучение.
Механизмы теплопередачи
Теплопроводность и радиация — два чисто
физических механизма теплопередачи. Третий
вид — конвекция. Если флюид (жидкость или
газ) перемещается вдоль нагретой
поверхности, теплота может быть передана флюиду за
счет либо теплопроводности, либо теплового
излучения, либо того и другого вместе и
флюид перенесет ее в область с более низкой
температурой. В результате образуется тепловой
поток, который способствует усилению потока,
вызванного одной лишь теплопроводностью
или радиацией. Конвекция —
гидродинамический процесс, который зависит от геометрии
поверхностей, а также от характеристик флюида
и от источника теплоты. Поэтому задачи,
относящиеся к конвекции, труднее решать
аналитически, чем задачи, относящиеся к
теплопроводности или радиации. По сути дела, их
почти никогда и не решают иным способом,
кроме вывода эмпирического соотношения,
полученного по результатам натурных
исследований.
Теплопроводность. Экспериментально
установлено, что количество теплоты,
прошедшей через брусок материала толщиной Дл: с
площадью поперечного сечения Л, при
разности температур ДГ пропорционально
градиенту температуры:
(8.3)
Условимся пренебречь бесконечно малыми
величинами и введем коэффициент
пропорциональности, так называемый коэффициент
теплопроводности; тогда уравнение
теплопроводности примет вид:
(8.4)
Пример 8.1. Чему равна интенсивность теплопотерь
за счет теплопроводности через стену размером 4,5- 2,7 X
Х0,15 м, если температура в помещении равна 20 °С,
наружная температура — 0°С, а среднее значение R*
равно 10?
Рис. 8.5. Зависимость удельной теплопроводности
различных материалов и веществ от температуры:
1 — медь; 2 — алюминий; 3 — цинк; 4 — свинец; 5 — кирпич;
6 — вода; 7 — нефть; 8 — воздух
Воспользуемся (8.4) и получим:
dQ = kA(dT/dx).
Применив метод конечных разностей, получим:
AQ = kAAT/bx.
R=\/k\ и здесь значение R выражается в единицах бри-
/с-фут«°Ф \
танской системы ——г— , поэтому нужно разделить
62,3 на значение R, чтобы получить значение k в
Дж/(ч-см-сС). Тогда при #=10
? = 6,23 Дж/(ч.см.°С)*
Отсюда
[6,23-450.270] (20 — 0) t wTf ,
AQ = -^ —-^ = 1 МДж/ч.
15
Значения коэффициента теплопроводности
k для некоторых материалов и веществ
показаны на рис. 8.5. В технической литературе
значения теплопроводности часто даются в
единицах британской системы, поэтому советуем
запомнить переводной коэффициент—62,3.
В (8.4) предполагается, что материал
(вещество) обладает изотропными термическими
свойствами. Иногда у некоторых веществ
термические свойства неодинаковы по всем
направлениям. Чаще всего оптически
анизотропные вещества анизотропны также и
термически. Например, у кальцита СаС03 при тепло-
* См. гл. 6.
* В Международной системе единиц (СИ)
коэффициент теплопроводности X измеряется в Вт/(м-К).
211

Рис. 8.6. К расчету теплового потока
в трубопроводе по (8.5), (8.6)
вом потоке вдоль кристаллографической оси
? = 293 мВт/(см-К), если температура равна
83 К; но если тепловой поток направлен
перпендикулярно этой оси, fe = 54 при такой же
температуре. Были созданы некоторые виды
керамических материалов с ярко выраженной
термальной анизотропией, проявлявшейся
даже при высоких температурах; они
используются для изготовления жаропрочных экранов,
предохраняющих космический аппарат при
входе в плотные слои атмосферы.
Уравнение (8.4) можно проинтегрировать,
чтобы определить либо тепловой поток при
данной разности температур, либо, наоборот,
разность температур при данном тепловом
потоке. Например, для цилиндра длиной L,
внутренним радиусом г\ и наружным радиусом г2
(рис. 8.6) имеем:
г,
far =«_(¦_!
2nrL
-dr
т2-т^-
2nkL
ln^--
(8.5)
(8.6)
Этот результат не вполне соответствует
случаю, когда поток нагретого флюида
направлен вдоль длинной трубы, так как в подобных
условиях ни 7*1, ни Q не будут постоянными
по всей длине L. Если же значения L
невелики, можно определить коэффициент
теплопроводности k для различных материалов.
Радиация. В гл. 6 уже рассматривался ряд
вопросов, связанных с тепловым излучением.
Было установлено, что плотность потока
энергии, т. е. количество энергии, поступающей из
любого источника и проходящей через единицу
площади за единицу времени, выражается
формулой
qr=e(T)oT\
(8.7)
Разумеется, совершенно невозможно
обеспечить абсолютную теплоизоляцию какого бы
то ни было тела: ведь оно не только излучает
теплоту с интенсивностью, соответствующей
его температуре, но и поглощает теплоту,
приходящую извне, с интенсивностью, которая
обусловлена температурой окружающей
среды. Для тела с площадью поверхности А
интенсивность теплоотдачи в окружающую среду
равна разности между интенсивностью
поглощения теплоты и интенсивностью ее
излучения:
<3 = Л8а(гс4Р-:г4),
(8.8)
где ГСР — температура окружающей среды;
Т — температура тела. В данном случае
предполагается, что излучательная и поглощатель-
ная способности тела одинаковы; в сущности,
так оно и есть.
Пример 8.2. Поглощательная способность е
небольшого по размерам тела изменяется в зависимости от
температуры (СС) следующим образом:
6 = 1
100
Первоначальная температура тела была равна
500 °С, затем его поместили в печь с температурой
4000 °С. Требуется определить интенсивность
поглощения и излучения тепловой энергии.
QJA = 0,36-5,67.1<Г* (4273)4 =
= 6,8-106 Вт/м2 (поглощение);
QJA = 0,78.5,67- Ю-8 (773)4 =
= 1,58-104 Вт/м2 (излучение).
Значит, данное тело поглощает тепловую энергию
интенсивнее, чем излучает. Оно будет нагреваться до
тех пор, пока оба значения интенсивности не станут
одинаковыми:
Qu/Qm-
Это в итоге и произойдет, когда тело нагреется до
той же температуры, что и стенки печи.
Во многих случаях при теплопередаче
радиация играет не менее важную роль, чем
теплопроводность. При решении конкретных
вопросов приходится не только рассчитывать
интенсивность потерь теплоты, вызванных этими
двумя видами теплопередачи, но и принимать
во внимание эффект конвекции, что
сопряжено с гораздо большими трудностями.
Конвекция. О конвекции уже написано
много книг, и можно было бы написать еще
столько же. Здесь рассматриваются прежде всего
процессы конвективной теплопередачи,
происходящие в конденсаторах, паропроводах и
трубопроводах для горячей воды, которые
применяются на электростанциях. Вот почему
вместо того, чтобы начать с азов и постепенно
вскарабкаться на самые вершины премудрости,
мы рассмотрим здесь несколько конкретных
случаев и выведем необходимые формулы.
Удобно определять коэффициент
теплопередачи конвекцией h точно таким же
образом, как это было сделано при определении
коэффициента теплопроводности k [см. (8.4)]:
Q = hA&T.
(8.9)
212

FTF
¦К
ал
Рис. 8.7. К расчету теплопередачи от
флюида, пропускаемого через трубопровод
Пусть флюид с начальной температурой Тх
протекает по трубе, имеющей поперечное
сечение а и длину L. Температура флюида на
входе в трубу равна Ти на выходе—7V
Внутренняя стенка трубы сохраняет температуру Гст.
Это примерно соответствует условиям в
конденсаторе паровой турбины либо в длинном
трубопроводе для пара или горячей воды.
Обратимся к рис. 8.7. Интенсивность
теплопередачи через небольшой участок dA поверхности
выражается формулой
dQ = hdA(TCT-T)y
(8.Ю)
где Г —температура флюида на участке dA.
Интенсивность потока теплоты через эту
площадь должна равняться интенсивности
теплоотдачи флюида на участке dA:
dQ = mcv dT,
(8.П)
Где dT — изменение температуры флюида при
его прохождении через участок dA.
Допустим, что оба значения интенсивности
одинаковы, и проинтегрируем в пределах от
Л=0 (на входе) до A = dL (на выходе).
Напомним, что А — полная площадь поверхности
трубы:
hdA(TCT-T) = mcpdT; (8.12)
hdA_ = _d^^ d(TCT-T) =_dln{TcT_T);
tncp Тст — (Т'ст — Л
(8.13)
ccL Гст— Т2
С hdA_=_ Г d in (Тст-Т); (8-14)
J mcp J
haL 1 TC1! — T_i_
(8.15)
mcp TCT — T2
полагая, что /i = const по всей длине трубы.
Итак, общую интенсивность теплопотерь
через стенки трубы следует выразить при
помощи (8.10) и (8.11):
Q = haL (ДГ)ср = mcv (Ti - Т^ (8Л6)
где (ДГ) ср — средняя разность температур
стенки трубы и флюида. Из (8.15) и (8.16)
получим:
Т2 — Т4
(ДГ)сР = ЬцГст-^МТс^Го)]
= А. (8.17)
Величина Л называется логарифмической
средней разностью температур. Тогда
Q = haLA. (8-18)
Теперь необходимо определить h. Для это-
го существует немало способов.
Вначале рассмотрим некоторые общие
понятия. Течение жидкости обычно бывает либо
ламинарным (прямолинейным), либо туроу-
лентным. В первом случае скорость флюида
всегда имеет одно и то же направление; если
поток флюида ограничен стенками трубы,
вертикальная составляющая скорости отсутствует.
При турбулентном течении, хотя флюид и
перемещается вдоль трубы, в любой точке
существует радиальная составляющая скорости,
значение которой сильно колеблется. В обоих
случаях возникает пограничный слой флюида,
прилегающий к стенке трубы; в этом слое
турбулентность равна нулю и через него
происходит теплопередача за счет теплопроводности.
Коэффициент теплопередачи конвекцией h
должен тогда зависеть от тех параметров
потока флюида, которые воздействуют на этот
ламинарный пограничный слой.
Попробуем, мобилизовав всю свою
научную эрудицию, представить себе, что это за
параметры, а затем воспользуемся методом
анализа размерностей, чтобы проверить,
насколько точны предположения.
Предполагается, что толщина тонкой
пленки (при турбулентном потоке) или
пограничного слоя, а также количество передаваемой
теплоты зависят от массового секундного
расхода флюида G = py, внутреннего диаметра
трубы Д вязкости1 флюида \х, коэффициента
теплопроводности флюида k, удельной
теплоемкости флюида ср. Запишем:
h = aGaDbcep\ifkl, (8.19)
где а _ произвольная постоянная, а
показатели степени нужно определить.
Анализ размерностей — метод, в основе
которого лежит требование, чтобы размерности
в левой части (8.19) были равны
размерностям в его правой части. Коэффициент
теплопроводности конвекцией h [найденный с помо-
1 Вязкость —мера внутреннего трения флюидов.
В условиях установившегося ламинарного течения
вязкость—постоянная величина, выраженная
коэффициентом пропорциональности в формуле
dv
F = иА-Г~ >
dy
где р _ тангенциальная сила, вызывающая сдвиг слоев
жидкости относительно друг друга; А — площадь сдви-
dv «•
гаемого слоя; —• — градиент скорости, нормальный к
dy
потоку. Единице вязкости в Международной системе
единиц (СИ) — Н-с/м2.
213

щью (8.9)] измеряется в калориях в секунду
на квадратный сантиметр-градус Цельсия и
выражается H/(tL2T)t где Н — количество
теплоты; / — время; L — длина, Т — температура,
М — масса. Если воспользоваться этими
обозначениями, (8.18) примет вид:
\TL*t) = \TL*) (L) [ LT j \Mt) \TLt) '
(8.20)
Чтобы выполнялось требование равенства,
показатель размерности каждого символа,
находящегося слева, должен быть равен
показателю размерности того же символа,
находящегося справа. Для каждого символа можно
составить уравнение:
2Н: l = e+i;
SM: 0 = а — е + /;
2L: —2 = 2а + Ь —/ —г,
2Т: —1 =a — f — i;
St: —\=—e—i. (8.21)
Эти уравнения следует одновременно
решать относительно всех искомых показателей
размерности. В данном случае показателей
больше, чем независимых уравнений. Перед
нами пять искомых величин и три уравнения;
можно определить любые три показателя
размерности как функцию двух остальных.
Выбор этих двух показателей размерности
произвольный, однако удобнее выразить их в виде
функции одной или нескольких безразмерных
величин, т. е. сочетания безразмерных
параметров. Поэтому в данном случае
остановимся на варианте, который позволит определить
показатели размерности b, f и i как функцию
показателей размерности а к е. Получим1:
При помощи анализа размерностей было
найдено все, что было возможно. Для того
чтобы определить а и показатели размерности а
и е, потребуется произвести ряд
экспериментов. В частном случае, когда происходит
вынужденная конвекция в трубе круглого
сечения с турбулентным потоком, результаты
экспериментов будут следующими:
-*?_ о,023(j^fVipjir
(8.23)
Пример 8.3. Воспользуйтесь методом анализа
размерностей для вывода формулы, позволяющей
определить падение давления на единицу длины в изотермиче-
1 Первая величина в скобках называется числом
Рёйнольдса, Re. При Re<2000 течение ламинарное, при
Re>3000 — турбулентное. Между этими двумя
значениями Re находится область критического режима
течения.
ском турбулентном потоке несжимаемой жидкости с
постоянным массовым расходом в длинной прямой трубе
однородного сечения. Физические переменные, входящие
в формулу: длина трубы L, диаметр D, скорость потока
V, ПЛОТНОСТЬ ЖИДКОСТИ р И ВЯЗКОСТИ [X:
— —?- = aDa vb pc \xd ge.
dL
Подставим в уравнение размерность каждой
переменной:
\& i му7 м \d ( ml \е
F/L-
Все показатели степени должны быть
безразмерными, поэтому
2F: 1=— е, е=—\\
2М: 0 = c + d + e, с = 1 — d\
2Т: 0=— Ь — d — 2e, b = 2 — d\
21: — 3 = a + b — 3c — d+e, a=—\—d.
Поскольку неизвестных пять, а уравнений четыре,
через один какой-либо показатель размерности должны
быть выражены все остальные. Произвольно выберем а:
pv*
Dvp
Эксперимент показывает, что <х=1, d=—1.
В данном примере сила рассчитывается как
величина, для которой существует отдельная единица
измерения. Это было сделано для удобства, так как прежде
полагалось, что результат будет зависеть от
коэффициента g. При использовании анализа размерностей для
определения h (см. выше) не учитывалась зависимость
от g, поэтому было проще сделать g безразмерной
величиной.
Теперь можно снова обратиться к (8.18) и
рассчитать количество теплоты, передаваемой
вдоль трубы и через ее стенки.
Перейдем к рассмотрению способов
отвода сбросной теплоты электростанций в
биосферу Земли.
Прямоточное охлаждение
Первый из способов крупномасштабного
отвода теплоты, который будет здесь
рассмотрен, — это прямоточное охлаждение. Метод
часто применяется в США для отвода теплоты
из конденсаторов электростанций. Воду,
взятую из водотока или водоема, прокачивают
через трубки конденсатора, где она отбирает
скрытую теплоту пара, конденсирующегося на
наружной поверхности трубок. Нагретую
воду затем сбрасывают обратно в водоток или
водоем. При этом не предпринимается никаких
мер для того, чтобы ослабить негативное
воздействие теплового загрязнения.
Единственная задача состоит в той, чтобы предотвратить
рециркуляцию нагретой воды через трубки
конденсатора. С экономической точки зрения
система прямоточного водоснабжения привле-
214

кательна потому, что она наименее
дорогостоящая, если, конечно, для ее устройства
имеются подходящие условия. Затраты на создание
такой прямоточной системы
водоснабжения, ее эксплуатацию и техническое
обслуживание обычно небольшие.
Повышение температуры охлаждающей
воды, пропущенной через конденсатор, можно
определить с помощью следующего уравнения:
количество теплоты, отдаваемой воде
лг =
. (8.24)
расход воды через конденсатор
В этом уравнении величина удельной
теплоемкости воды, равная 1,0, для простоты
опущена.
Нагревающуюся в конденсаторе воду затем
сбрасывают в тот водоток или водоем, откуда
ее взяли, где при условии основательного
перемешивания температура всей массы воды 7СМ
будет возрастать до тех пор, пока она не
достигнет значения:
дт = AT 4-T
1Л1 см — *-w р у^ л в>
где р — доля суммарного расхода воды,
прошедшей через конденсатор, в общей массе
воды, %; Гв — первоначальная температура
воды.
Если перемешивание воды по каким-либо
причинам отсутствует, то теплая вода
образует слой, расположенный под слоем более
плотной воды. Критерии, с которыми связано это
явление, сложны и еще окончательно не
установлены. Однако, судя по имеющимся
данным, важнейшими переменными параметрами
являются режим течения (от него зависит
адвекция), выбор места сброса нагретой воды,
характеристики русла (от них зависит степень
турбулентного перемешивания слоев воды).
Правительство США пока еще не ввело в
действие стандарты на предельно допустимые
изменения температуры в естественных
водотоках и водоемах, вызванные сбросом
нагретой воды. Закон о качестве водных ресурсов,
принятый в 1965 г., предоставляет отдельным
штатам право разрабатывать собственные
нормативы в соответствии с определенными
инструкциями; затем эти нормативы должны
быть утверждены министерством внутренних
дел США. Большинству штатов дали такое
разрешение, но из-за того, что озера и реки в
различных штатах неодинаковы по
температуре воды, составу живущих в воде организмов,
сезонным изменениям гидрологического
режима, эти нормативы также существенно
различаются между собой. Только в одном случае
было разрешено, чтобы значение AT
превышало 5°С (в штате Мэриленд). Национальный
технический консультативный комитет по
выработке критериев качества воды
рекомендовал уменьшить допустимое значение AT до
2,5 °С, но это ограничение, как мы увидим
далее, привело бы к существенному росту
нагрузки на системы отвода сбросной теплоты.
Возьмем, например, атомную
электростанцию мощностью 1000 МВт (эл.) с КПД =
= 32 %. Сбрасываемая теплота этой АЭС
составляет 68-1000/32 = 2125 МВт. Можно
воспользоваться (8.24) и определить, какой
расход воды потребуется, чтобы изменение
температуры воды не превышало допустимой
нормы:
Расход, кг/с =
Отводимая тепловая
[Изменение температуры, °С] X
мощность, Вт
X [Удельная теплоемкость воды, Дж/(г-К)]
При ДГ=5°С и отводимой мощности
2125 МВт (тепл.) требуемый расход воды
будет равен 1,02-105 кг/с, что соответствует
расходу, приблизительно равному 100 м3/с
Отметим, что подобный расход составляет
около 7б суммарного расхода воды в устьях
рек Делавэр, Гудзон или Сакраменто! Эти
реки имеют протяженность 500—650 км;
следовательно, если предположить, что объем стока
возрастает линейно, окажется, что для
водоснабжения электростанции, находящейся в
80—120 км от истока реки, потребовался бы
весь суммарный речной сток на данном
участке. А ведь реки Делавэр, Гудзон и Сакраменто
занимают соответственно 23, 22 и 21-е места
в США по расходу воды! Ясно, что в
большинстве своем реки США слишком маловодны
для того, чтобы обеспечивать водоснабжение
электростанции мощностью около 1000 МВт.
В процессе расчета предполагается, что из
реки забирает воду только одна
электростанция, но дело часто обстоит иначе. Вдоль по
течению реки могут постоянно наблюдаться
изменения температуры, вызванные интенсивным
отбором воды для целей охлаждения.
Существуют и другие способы отвода
сбросной теплоты. Сравнительно простой способ
отвода теплоты из конденсаторов электростанций
заключается в устройстве искусственного
водоема-охладителя (пруда или озера).
Преимущество такого пруда в том, что он обходится
недорого, особенно в тех районах, где стоимость
земельных участков невысока. Местное
население может использовать охлаждающие
пруды как зону отдыха.
Изучается вопрос о том, в какой степени
пруды-охладители пригодны для разведения
рыбы и выращивания других водных
организмов.
Инженер, приступивший к проектированию
пруда-охладителя, обязан прежде всего
определить два основных параметра:
площадь акватории, необходимую для то-
213

го, чтобы теплота эффективно рассеивалась
при расчетной максимально допустимой
температуре воды в поверхностном слое;
максимальную температуру воды у места
выпуска (либо на входе конденсатора при
замкнутом цикле водоснабжения). Расчеты
требуемых размеров зеркала воды
отличаются большой трудоемкостью.
Иногда инженеры пользуются
приближенным методом: если строится ТЭС, они
принимают удельную площадь зеркала воды в
пруде-охладителе равной 0,405 га/кВт и
полученный результат увеличивают еще на 20%. Если
же строится АЭС, то удельная площадь
водного зеркала принимается равной 0,9 га/кВт.
Каким бы ни был метод определения размеров
водного зеркала, не подлежит сомнению, что
пруды-охладители позволяют эффективно
решать проблему отвода сбросной теплоты.
Если земельные участки стоят дорого,
можно устроить брызгальный бассейн — он
занимает меньшую площадь, чем пруд-охладитель.
Работает брызгальный бассейн по тому же
принципу, но испарение, происходящее в
результате контакта воды с атмосферным
воздухом, становится гораздо интенсивнее, так как
тепловая вода разбрызгивается над
поверхностью бассейна; вот почему бассейн занимает
лишь 5 % площади, которая потребовалась бы
для устройства пруда-охладителя. Повышению
интенсивности теплоотдачи в значительной
мере способствуют продолжительное время
пребывания капелек воды в воздухе и взаимное
перемещение капель и воздушного потока.
Разбрызгивающие сопла, от конструкции которых
существенно зависит охладительный эффект
бассейна, обычно расположены на высоте 2—
3 м от водной поверхности. Потери
разбрызгиваемой воды от уноса ветром, как правило,
очень велики, но их можно уменьшить,
поставив жалюзийные ограждения. Расчету и
конструированию брызгальных бассейнов было
посвящено очень мало исследований; почти нет
ни аналитических, ни эмпирических данных на
эту тему.
Градирни
Рассмотрим последний способ отвода
сбросной теплоты — применение градирен. На рис.
8.8 изображены градирни различных типов.
Для того чтобы свободно ориентироваться в
литературе по данному вопросу, необходимо
получить представление о некоторых
специальных терминах. Интервал охлаждения, или
ширина зоны охлаждения, показывает, на
сколько градусов охлаждается вода по пути
от входа в градирню до выхода из нее.
Температура смоченного термометра — самая
низкая температура, которую может иметь вода,
охлаждающаяся за счет испарения; ее
определяют, вращая над головой на шнуре
термометр, шарик которого обернут влажной тканью.
Температура смоченного термометра — это
теоретический предел охлаждения, который
может быть достигнут в градирне. Разность
между теоретическим пределом и действительной
температурой воды, охлаждаемой в градирне,
называется высотой зоны охлаждения; это —
степень приближения температуры воды к
температуре воздуха, измеренной смоченным
термометром. Фактическая температура
охлаждаемой воды редко приближается к
теоретическому значению менее чем на 3°С; гораздо
чаще эта разность составляет 4—9 °С.
Понятие тепловая нагрузка водоохлажда-
щего устройства относится к количеству
теплоты, рассеиваемой за единицу времени.
Тепловая нагрузка равна произведению массы
воды, расходуемой за единицу времени, на
перепад температур воды (ширину зоны
охлаждения).
Существуют разнообразные методы
повышения тепловой нагрузки. Среди них:
увеличение скорости потока воздуха,
контактирующего с поверхностью воды, и площади
поверхности воды, контактирующей с воздухом;
снижение атмосферного давления в градирне;
повышение температуры поступающей воды;
уменьшение паросодержания входящего
воздуха.
Все перечисленные мероприятия влияют на
способность градирни охлаждать воду.
Охлаждение данного количества воды от
заданной температуры поступающей воды до
заданной температуры выходящей воды при
обусловленной температуре смоченного
термометра называется эффективностью охлаждения.
Градирни делятся на сухие (радиаторные)
и испарительные. Принцип действия
испарительной градирни заключается в том, что вода,
стекая по оросителю под действием
силы тяжести, вступает в соприкосновение с
потоком воздуха. Как уже говорилось,
охлаждение воды главным образом (на 75%)
происходит за счет того, что часть ее испаряется.
Определенная часть охлаждения достигается
за счет эффекта теплопередачи. Интенсивность
теплоотдачи зависит от такого параметра, как
площадь контакта воды с воздухом. Вода,
поступающая в градирню из
водораспределительного устройства, стекает на первый из
многочисленных слоев насадки. Роль насадки,
занимающей значительную часть внутреннего
объема испарительной градирни, состоит в том,
чтобы ускорить рассеяние теплоты: вода
разбрызгивается, а следовательно, возрастает
орошаемая поверхность, находящаяся в
контакте с воздухом. Насадку необходимо
конструировать с таким расчетом, чтобы она оказы-

Рис. 8.8. Охлаждающие устройства различных типов:
а — брызгальный бассейн; б — открытая брызгальяая градирня; в — испарительная градирня с гиперболической
башней; г —градирня с принудительной циркуляцией воздуха; д — градирня со всасывающим вентиляторам и проти-
воточным движением воздуха; е — градирня со всасывающим вентилятором и поперечным движением воздуха, oil —
открытая градирня с оросительным устройством
вала небольшое сопротивление потоку воздуха
и способствовала равномерному
распределению воды и воздуха. В большинстве
современных испарительных градирен применяется
капельный ороситель — вода падает с одного
яруса горизонтальных брусков на другой и
дробится при этом на капли. В некоторых менее
крупных градирнях чаще применяется
насадка другого типа — так называемая пленочная.
В этих градирнях вода стекает по орошаемому
устройству в форме тонкой пленки,
занимающей обширную площадь. Пройдя через
насадку, охлажденная вода стекает в водосборный
резервуар, находящийся в основании башни.
Из резервуара ее снова подают туда, где она
нагревалась, например в конденсатор пара на
электростанции, и начинается очередной цикл
отвода теплоты.
Испарительные градирни делятся, в свою
очередь, на три основных типа: открытые
градирни, градирни с естественной тягой и
градирни с принудительной циркуляцией воздуха.
Открытые градирни устроены так, что для
протока воздуха через ороситель в них
используется сила ветра. Разбрызгиваемая вода
охлаждается протекающим воздухом, и теплота
отводится в атмосферу. Эти градирни имеют
форму прямоугольника, длинная ось которого
расположена по направлению
господствующего летом ветра. Жалюзи на внешней
поверхности шахты предназначены для того, чтобы
потери от уноса брызг ветром сократились до ми-

Рис. 8.9. Испарительная градирня высотой 152 м,
сооружаемая на территории пылеугольной ТЭС мощностью
1300 МВт (штат Западная Виргиния)
нимума. Хотя подобные градирни просты по
конструкции и надежны в работе, они
обладают рядом существенных недостатков. В
настоящее время на электростанциях такие
градирни уже не строятся — они занимают большую
площадь (их нужно строить на открытом
месте, поблизости не должно быть сооружений,
препятствующих хорошему продуванию
градирни ветром); интервал охлаждения у таких
градирен невелик, а строительство их связано
с довольно крупными затратами.
Испарительные градирни с естественной
тягой сложнее по конструкции; в них
перемещение воздуха создается за счет различия в
плотности потоков входящего и выходящего
воздуха. Другими словами, плотность наружного
воздуха несколько выше, чем плотность
воздуха, находящегося в башне градирни.
Наиболее характерное значение этого перепада
плотности —0,008 кг/м3. Движущая сила —
это разность гидростатических давлений двух
столбов воздуха.
Скорость воздушного потока на выходе из
башни имеет большое значение, поскольку при
любых условиях из градирни должен
подниматься шлейф тумана. Если воздух рецирку-
лирует, производительность градирни резко
снижается. Наиболее типичные значения
скорости воздушного потока на выходе от 3 до
3,5 м/с. Ввиду того, что перепад плотности
воздуха внутри и снаружи башни мал, а
перепад давлений следует по возможности
увеличить, градирня должна быть высокой.
Новейшие градирни, сооружаемые на мощных
электростанциях, — это колоссальные
гиперболические башни, высота которых порой
достигает 120 м. На рис. 8.9 показана строящаяся
градирня с естественной тягой; она будет
обслуживать пылеугольную ТЭС мощностью
1300 МВт, потребляющую 2,27 тыс. м3 воды в
мин.
Градирни с естественной тягой обладают
известными преимуществами по сравнению с
градирнями прочих типов. Они производят
такое же охлаждающее действие, что и
градирни с принудительной вентиляцией, однако при
этом лишены механических устройств и не
потребляют электроэнергии. Кроме того, их
эффективность не зависит от скорости ветра.
Градирни с естественной тягой занимают
гораздо меньшую площадь. Они работают в
оптимальных условиях, при которых поток
воздуха направлен навстречу потоку стекающей
с оросителя воды, благодаря чему самый
холодный воздух сначала соприкасается с самой
холодной водой и эффективность охлаждения
поэтому не снижается. К недостаткам
градирен с естественной тягой следует отнести
необходимость сооружения высоких башен и
значительные капитальные затраты. Кроме того,
трудно с большой точностью регулировать
температуру охлажденной воды. В технической
литературе чаще всего приводятся следующие
оптимальные показатели для таких градирен:
интервал охлаждения—14 °С, степень
приближения к теоретическому пределу—10 °С.
Третий тип испарительных градирен — это
градирни с принудительной вентиляцией.
Поток воздуха создается при помощи
вентилятора, установленного либо на входе
(принудительный поток), либо на выходе (всасываемый
поток). Применение вентилятора позволяет
регулировать поток воздуха в зависимости от
конкретной потребности в охлаждении воды.
Градирни с принудительной вентиляцией
могут быть ниже, чем градирни с естественной
тягой. Из-за их малой высоты возникает ряд
проблем, вызванных образованием приземного
тумана и рециркуляцией теплового воздуха.
Правда, сооружение их требует меньших
первоначальных затрат, чем строительство
градирен с естественной тягой, однако это
преимущество сводится на нет высокой стоимостью
эксплуатации, технического обслуживания и
ремонта в течение срока службы градирни.
Основное преимущество градирен с
принудительной вентиляцией заключается в возможности
увеличить высоту и ширину зоны охлаждения.
218

Рис. 8.10. Градирни двух основных типов:
а — с циклом охлаждения воды в испарительной градирне; б — с циклом охлаждения воды в сухо*
градирне
Принцип действия испарительных
градирен всех типов состоит в том, что теплота
удаляется из отработавшего в турбинах пара
благодаря процессу испарения воды.
Вторая основная категория градирен —
сухие, или радиаторные. В этих градирнях
испарение полностью отсутствует, и для
рассеивания теплоты используется только эффект
теплопередачи. Устройство сухой градирни
схематически изображено на рис. 8.10.
Отработавший пар подвергается конденсации в
смешивающем оросительном конденсаторе. Часть
образовавшегося конденсата поступает
обратно в котел, остальной конденсат сначала
проходит через градирню, а затем снова подается
в конденсатор. Сухая градирня — это, по сути
дела, теплообменик с воздушным
охлаждением, находящийся внутри башни. Такая
градирня конструктивно может быть выполнена в
виде либо открытой градирни, либо градирни
с принудительной вентиляцией.
Одно из важнейших преимуществ сухой
градирни состоит в том, что она не расходует
воду. В настоящее время расход воды на
электростанциях за счет испарения достиг 38 л/сут
на одного жителя США, и ожидается, что этот
показатель будет возрастать более быстрыми
темпами, чем производство электроэнергии.
Судя по всему, электрические компании
вынуждены будут затрачивать крупные средства
на мероприятия по отводу сбросной теплоты.
Безусловно, они постараются получить эти
деньги за счет повышения тарифов на
электроэнергию.
Итак, самый дешевый способ отвода
сбросной теплоты — прямоточное водоснабжение, а
другие методы (устройство
прудов-охладителей, брызгальных бассейнов, применение
испарительных и сухих градирен) становятся все
более и более дорогостоящими.
Согласно результатам некоторых
исследований дополнительные издержки на
производство электроэнергии, обусловленные
необходимостью применения различных методов
отвода сбросной теплоты, будут колебаться в
пределах 0,04—6 милл/*(кВт-ч). Хотя эти цифры
* 0,001 долл.
Рис. 8.11. Структура охладительных систем
паротурбинных электростанций США:
/ — прямоточные; ? — оборотные, 3 — пруды-охладители
(всего); 4 — пруды-охладители многоцелевого назначения; / —
системы, находящиеся в эксплуатации на 1970 г.; // — системы,
введенные в 1971 — 1973 гг. IU — системы, введеч4ь>е в 1974—
1977 гг.; /V —системы, построенные до марта 1974 г.; V —
системы, построенные с апреля 1974 по июль 1978 гг.; VI —
системы, построенные после июня 1978 г.
кажутся большими, особенно максимальные
значения, относящиеся к использованию сухих
градирен, нужно помнить, что средний тариф
на электроэнергию, отпускаемую
потребителям, в настоящее время превышает 7 цент/
/(кВт-ч)*. Но даже при использовании
сухих градирен себестоимость электроэнергии
возросла бы, самое большее, на 10%. Этот
рост, если вдуматься, не столь велик, чтобы
нельзя было пойти на такие расходы, и
энергокомпании постепенно начинают
пересматривать свои позиции (рис. 8.11). Другие
варианты заключаются в том, чтобы как-нибудь
уменьшить количество сбросной теплоты
или найти пути ее полезного
использования.
* В 1981 г. минимальный тариф составлял около
4,5 цент/(кВт*ч), а максимальный (г. Нью-Йорк)
превысил 11 цент/(кВт-ч).
219

МЕТОДЫ УТИЛИЗАЦИИ СБРОСНОЙ
ТЕПЛОТЫ
До сих пор обсуждались методы,
позволяющие избавиться от сбросной теплоты; все они
заключаются в непроизводительном
расходовании продукта, который на деле мог бы
послужить ценным ресурсом. Ведь теплота
необходима во многих производственных
процессах, ее используют для создания комфорта в
жилах и рабочих помещениях зимой и летом.
Парадоксально, что при потребности в
теплоте ее выбрасывают на ветер. Нет ли другого
выхода? Разве не существует способов,
которые позволяли бы использовать на
производстве и в быту сбросную теплоту, являющуюся
обязательным побочным продуктом
производства электроэнергии?
Попробуем ответить на вопрос,
рассмотрев понятие, с которым вы уже ознакомились
в гл. 3.
Качество теплоты
Возможность утилизации теплоты зависит
от вида теплоносителя, его количества и
температуры. Эти параметры лежат в основе так
называемого качества теплоты.
Высокопотенциальную теплоту проще использовать, а
низкопотенциальную — труднее. В чем же здесь
разница? На рис. 8.12 представлен график,
отображающий зависимость между энтальпией
на единицу объема и единицу массы, с одной
стороны, и температурой воды и пара — с
другой. Отметим, что температура 373,6 °С
является критической точкой, в которой исчезает
различие между свойствами воды и пара.
Очевидно, что при большинстве значений
температуры, показанных на графике, у воды
теплосодержание на единицу объема гораздо выше,
чем у пара. Передача теплоты с помощью
горячей воды явилась бы неизмеримо более
выгодной экономически, чем ее передача с
помощью пара. Но если так, к чему тогда вообще
использовать пар? Не проще ли сразу
пропускать воду с температурой 340 °С через
турбину?
Отвлечемся на минутку от чисто
практических соображений и снова рассмотрим ру V-
диаграмму для воды (рис. 8.13). Для того
чтобы в цикле Ренкина рабочим телом постоянно
служила вода (в отличие от пара или
пароводяной смеси, которые являлись бы рабочим
телом определенную часть времени), все стадии
процесса должны, как это видно из графика,
происходить на участке, расположенном слева
от области пара и ниже изотермы
критического состояния Гкр. В результате на выделенном
участке графика площадь, отображающая по-,
лезную работу, при интегрировании получится
Рис. 8,12. Энтальпия на единицу
массы или объема воды и пара
|К
I *-
/
Рис. 8.13. р, V-диаграмма для воды
(полный цикл изображен только для
жидкой фазы)
небольшой, и довольно слабо изменится
температура рабочего тела на пути от входа до
выхода турбины. Можно заранее предсказать
это, обратившись к рис. 8.12; изменение
энтальпии на 1 м3 воды весьма невелико,
несмотря на существенное изменение температуры.
Следовательно, работа на валу турбины
также будет небольшой.
Это все, что касается турбин. А как
обстоит дело с передачей теплоты? Может быть,
выгоднее использовать воду вместо пара? Не
всегда. Хотя энтальпия воды, приходящаяся на
единицу объема, больше, чем у пара, вода
обладает меньшей энтальпией на единицу
массы. Следует помнить, что при конденсации пар
отдает скрытую теплоту в количестве до
540 кал/г.
При повышении температуры с 30 до 300°С
плотность воды изменяется незначительно —
становится меньше в полтора раза, в то время
как плотность насыщенного пара возрастает в
220

126 раз. (Чтобы сохранилось состояние
насыщения, давление пара должно также возрасти
с 0,1 МПа при 100 °С до 200 МПа при 360 °С.)
Это означает, что при низких температурах
пара требуется довольно большой его объем,
чтобы можно было передать необходимое
количество теплоты. Чем выше температура
пара, тем меньше его требуемый объем;
следовательно, уменьшаются капиталовложения в
оборудование.
Транспортировка теплоты
Предположим, что нам поручили
спроектировать паропровод для отвода сбросной
теплоты от электростанции. На какое расстояние
можно будет ее транспортировать в виде
насыщенного пара по трубам, снабженным
теплоизоляцией, если максимально допустимая ее
потеря 20 МВт?
Если известны значения А и Л в (8.12),
легко найти значение L. Для этого зададимся
следующими параметрами паропровода:
Внутренний диаметр труб D, см 91
Температура пара на выходе Т2, °С , . , , 100
Давление пара на выходе Р* кПа .... S7
Температура пара на входе Т\, СС . . . . 200
Наружная температура, °С 0
Температура стенки трубы Гст, °С 50
Динамическая вязкость пара \it мкП ... 125
Теплопроводность пара k, Дж/(с-м-°С) . . . 24-10—3
Массовая скорость пара G = pV ?
Удельная теплоемкость пара ср, кал/(г-К) . 2,093
Чтобы определить массовую скорость пара
G=pv7 нужно знать теплоту, поступающую к
выходному концу паропровода. Предположим,
что она равна 20 МВт (ниже станет ясно,
почему большинство исходных параметров
выбрано именно такими). Скорость пара,
требуемая для доставки такой теплоты, при данном
диаметре труб составит около 15 м/с.
(Напомним, что пар переносит как скрытую, так и
явную теплоту.)
В этих условиях число Рейнольдса Re=
= ру/)/|х=4,37.105.
Данное значение числа Рейнольдса
соответствует полностью сформировавшемуся
турбулентному течению и (8.18) оказалось вполне
применимым.
Второй член уравнения (8.23), взятый в
скобки, — это так называемое число Прандтля;
его значение составляет около 0,8 для всех
газов в широком диапазоне температур. Решая
(8.23) относительно искомого й, получаем:
h= 1,5- Ю-3 Дж/(с.см.°С).
Значение Л можно определить, зная
заданные значения Т\, То и Гст. Температура
стенки теплопровода Гст известна лишь
приблизительно; она зависит от качества
теплоизоляции между трубами и внешней средой. Дело в
том, что Л не слишком сильно зависит от Гст;
при колебаниях Гст от 10 до 50 °С значения Л
лежат в интервале 10,3—11,2. Тогда, решая
уравнение относительно искомого L, получаем:
L = 3,72-106 см = 37,2 км.
С первого взгляда ясно, что такое
расстояние вполне приемлемо. Может быть,
действительно имеет смысл транспортировать
теплоту таким способом? Но во что это обойдется?
Прежде чем ответить, зададим вопрос:
откуда же взялась эта теплота? Снова
рассмотрим конкретную ситуацию. При нормальной
работе АЭС ее КПД равен 32 %. Тогда,
исходя из этой цифры, можно определить
сбросную теплоту станции QT по формуле
QT = 68Я/32, (8.25)
где Р — мощность АЭС (эл.). Но это
справедливо при условии, если температура
окружающей среды равна, например, 25 °С. Для нашей
системы теплоснабжения необходимо, чтобы
температура пара равнялась 200 °С. Для того
чтобы до такой степени повысить температуру
пара, отработавшего в турбинах, необходимо
пойти на уменьшение КПД атомной
электростанции. Допустим, что действительный КПД
прямо пропорционален коэффициенту цикла
Карно; тогда окажется, что в результате
повышения температуры отработавшего пара до
200 °С КПД станции уменьшится до 12,9%
(если считать, что температура пара на
входе в турбину равца 320°С). Таким образом,
сбросная теплота АЭС определяется по
формуле
QT = 87,1P/12,9. (8.26)
Следовательно, лишь 12,9 % теплоты,
содержащейся в топливе, преобразуется в
электроэнергию; около 32 % остающейся теплоты,
или около 29 % общего ее количества,
составляют теплопотери в процессе
транспортировки пара. На выходе теплопровода будет
получено около 60 % первоначальной теплоты. При
КПД = 32 % себестоимость производства
электроэнергии на АЭС составляет около 1 цент/
/(кВт-ч). Чтобы возместить эти
производственные издержки и одновременно обеспечить
необходимую теплоту на выходе
теплопровода, необходимо назначить цену на теплоту в
размере 0,6 цент/(кВт-ч). При этом
предполагается, что потребитель использует всю
теплоту, на самом же деле ему удастся
использовать, пожалуй, менее 50 %. Значит,
фактическая стоимость теплоты для потребителя
превысила бы 3,3 долл/Гдж, или 1,2 цент/(кВт-ч).
В большинстве случаев передача теплоты по
теплопроводам обошлась бы намного дороже,
чем ее производство непосредственно на месте
потребления.
221

Таблица 8.3. Направления утилизации сбросной теплоты электростанций
[мощность источника 2000—4000 МВт (тепл.)]
Область применения
Централизованное
теплоснабжение
Централизованное снабжение
холодом
Технологические процессы
Обессоливание воды,
используемой для коммунальных
нужд
Транспорт
Выращивание живых
организмов в водной среде
Конкретная цель применения
Производство пара и горячей воды для
отопления жилья, сферы обслуживания
и промышленных предприятий
Испарительное охлаждение воды для нужд
жилого сектора и сферы обслуживания
Выработка электроэнергии и теплоты для
следующих целей (наиболее
характерное сочетание):
получение минеральных веществ из
рассола методом выпаривания
производство нефтехимических
продуктов
производство крафт-бумаги
Повторное использование очищенных
сточных вод
Опреснение морской воды
Орошение засушливых земель
Обогрев и кондиционирование воздуха в
теплицах
Предотвращение ледостава на водных
путях
Использование теплой воды и сточных вод
для разведения:
моллюсков
рыбы
Масштабы применения
Для города с населением 0,5 —
1 млн. чел.
Для города с населением 0,5—
1 млн. чел.
2775 т/сут
9540 м3/сут
500 т/сут
230-104 м3/сут
230-10' м3/сут
230-104 м3/сут (орошаемая
площадь — 128 гыс га)
До 400 га
Образование в зимнее время полосы
воды, свободной от льда,
протяженностью 6—12 км
4300 т/год (с акватории площадью
760 га)
ся эмпирическими данными, полученными в
процессе инженерных проработок, и тогда
результирующие значения Гст> количество
подводимой к потребителям теплоты и другие
цифры, по всей вероятности, отличались бы от
полученных. Однако этот простой расчет
полезен в качестве наглядного примера.
Спрашивается: много ли промышленных
предприятий, нуждающихся в технологической
теплоте, расположено на таком близком
расстоянии от ядерных реакторов, чтобы можно
было эффективно использовать столь большое
количество сбросной теплоты, которое у них
образуется?
Существует множество разнообразных
технологических процессов, которые нуждаются в
этой теплоте (табл. 8.3). Один из них
рассмотрим здесь подробно.
Опреснение воды
Известен целый ряд конкретных
предложений по поводу практического использования
сбросной теплоты, образующейся при
выработке электроэнергии, особенно на АЭС.
Предлагалось, как уже отмечалось ранее,
использовать эту теплоту при выращивании водной
флоры и фауны в сельскохозяйственном
производстве, продлевать с ее помощью вегетацион-
Пример 8.4. Нагрузка промышленного предприятия
составляет 400 МВт (эл.), 1500 МВт (тепл.).
Проанализируйте два варианта обеспечения спроса этого
предприятия на энергию:
имеются две установки, из которых одна
вырабатывает электроэнергию с КПД=0,3, а другая — теплоту
с КПД=0,7;
имеется одна установка, производящая
электроэнергию с КПД = 0,129.
Чему будут равны в обоих случаях затраты
мощности на производство обоих видов энергии?
В первом случае затрачиваемая, МВт (тепл.),
мощность равна:
при выработке электроэнергии 400/0,3=1333;
при выработке теплоты: 1500/0,7 =-2142
Итого 3475
Во втором случае мощность, затраченная на
выработку электроэнергии, равна: 400/0,129=3075 МВт.
Перед нами — альтернатива. Система,
позволяющая использовать теплоту
отработавшего в турбинах пара, потребляла бы меньше
топлива, однако производила бы теплоту по
более высокой цене. Подчеркнем также, что
тогда понадобились бы специальные турбины
с противодавлением, а это привело бы к еще
более значительному удорожанию всего
оборудования. Экономические показатели
установок, отдельно вырабатывающих теплоту и
электроэнергию, можно оптимизировать; эта
тема будет рассмотрена ниже.
В ходе расчетов были приняты
многочисленные допущения. Надо было воспользовать-
222

ный период, а также навигационный период на
обычно замерзающих реках. Однако на самом
деле ни один из этих проектов пока не
осуществим ни с экономической, ни с
технической, ни с практической точек зрения. Сейчас
сбросная теплота частично используется для
централизованного теплоснабжения, как об
этом говорилось выше. Единственная по-насто*
ящему перспективная область ее
утилизации — опреснение воды.
Дешевый метод опреснения воды явился
бы1 величайшим благом для развивающихся
стран, которые расположены в засушливых
районах мира; эта проблема обостряется и в
ряде густонаселенных прибрежных районов
США. Вода необходима не только для
бытовых нужд (за 5 мин пребывания под душем
расходуется 95 л, при спуске из туалетного
бачка— 10 л); огромное количество воды
потребляет промышленность и сельское
хозяйство. Около 4 млрд. м3 пресной воды в сутки
требуется для орошения. Чтобы произвести одну
буханку хлеба, нужно 140 л воды, получить
1 кг говядины—31 м3, вырастить 1 т
люцерны — 756 м3 воды.
Промъипленные процессы связаны с
расходом очень большого количества воды: 907 м3
используется для производства 1 т ацетата,
2495 м3 — для производства 1 т
синтетического каучука, свыше 28 тыс. м3 — для получения
1 т синтетической нефти из угля. Удельное
потребление пресной воды в США достигло к
настоящему времени 7560 л/сут в расчете на
одного человека, а суммарное потребление по
всей стране ежеминутно увеличивается в
среднем на 94,5 м3.
Неудивительно, что уже начались поиски
рентабельных способов опреснения морской
воды. Существует два основных метода
получения пресной воды из солоноватой воды,
морской воды и рассола1 — удаление солей из
воды либо удаление воды из солей. Во втором
случае применяются электродиализ или
ионный обмен. Эти способы более пригодны для
опреснения солоноватой воды, чем для обес-
соливания морской. Опреснение морской воды
в промышленных масштабах осуществляется
главным образом при помощи дистилляции.
Расскажем об этом методе подробнее.
В нормальных условиях вода кипит при
100 °С, однако если понизить давление над ее
поверхностью, уменьшится также и
температура кипения; это знакомо каждому, кто
пробовал приготовить пищу, находясь высоко над
уровнем моря. Испарительное опреснение
воды при 100 °С было бы экономически невыгод-
1 При концентрации солей до 1 г/кг воду считают
•пресной, до 25 г/кг — солоноватой, свыше — соленой.
Морская вода содержит около 3$ г солей на 1 кг.
Рис. 8.14. Опреснительная установка мгновенного
вскипания
ным из-за расходов на выработку
высокопотенциальной теплоты. Вместо этого при
опреснении в многоступенчатой установке
мгновенного вскипания предварительно нагретая
морская вода последовательно поступает в
испарительные камеры со все более низким
давлением. В каждой отдельной камере часть воды
мгновенно превращается в пар. Этот пар
конденсируется на внешней поверхности трубок,
по которым движется в основной нагреватель
холодная морская вода; конденсат стекает в
поддон. Весь процесс показан схематически на
рис. 8.14.
В этой установке требуемое низкое
давление создается в результате конденсации
образующегося пара на стенках охлаждающего
змеевика, который находится в верхней левой
части каждой испарительной камеры. Можно
рассчитать характеристики отдельной камеры,
применив закон сохранения энергии и сделав
кое-какие приемлемые допущения.
Пример 8.6. Соленая вода нагревается за счет
теплоты, поступающей с электростанции, до 82,2 °С
(первая камера справа на рис. 8.14). Неизвестно, какова
температура холодной воды, поступающей в змеевик
камеры; предположим, что эта вода нагрелась
вследствие конденсации пара на 10 °С. Пусть температура
воды на выходе из первой камеры равна 60 °С.
Предположим, что ти т? и т3 — соответственно
расходы рассола, поступающего б первую камеру,
конденсированного пара, образующегося при мгновенном
вскипании воды, и соленой воды, выходящей из
камеры. Согласно закону сохранения энергии
mi hi = m2 h2 + тз hB + т\ ср Д7\
где h\,.h% hs — соответствующие значения энтальпии.
Верно также, что mi = m2+m3.
Необходимо задаться определенным значением
расхода т3; другими словами, вся установка должна быть
рассчитана на определенную производительность. Тогда,
исключив ти имеем:
m*2 (/ii — h2 — cp AT) = тг (h3 — hx)\
hx = 343 кДж/кг; h2 = 215 кДж/кг; h3 = 297 кДж/кг;
m2 = 0,0011m3.
Опытная установка подобного типа была
построена и успешно работала в г. Сан-Диего
(штат Калифорния) в начале 60-х годов, за-
223

тем ее демонтировали и отправили на одну
из военно-морских баз США. Эта установка
давала пресную воду по себестоимости около
26 цент/м3. Процесс был бы экономически
выгодным, если бы удалось уменьшить этот
показатель в 2—3 раза. Однако стоимость —
понятие растяжимое; во многие населенные
пункты пресную воду приходится доставлять в
автоцистернах, и удельные затраты на
водоснабжение превышают 1,85 долл/м3. В подобных
случаях опреснительная установка
экономически выгодна. Увеличив размеры установки,
можно добиться значительного экономического
эффекта.
Комбинированное производство
электроэнергии и теплоты
Как уже говорилось, основная проблема,
которая связана с использованием сбросной
теплоты, выделяемой при работе
турбоагрегата по циклу Ренкина, состоит в том, что
чересчур низкое ее качество делает невыгодным
транспортировку теплоты на расстояние. Эту
проблему можно решить, понизив КПД цикла
Ренкина и вырабатывая меньше
электроэнергии. Другой выход из положения —
использование какого-либо иного теплового двигателя,
при работе которого образуется более
высококачественная теплота. Если эту теплоту
использовать на месте, удастся одновременно
решить обе проблемы, связанные и с
обеспечением ее качества, и с транспортировкой.
В гл. 4 было показано, что температура на
выходе газовой турбины (работающей в цикле
Брайтона) довольно высока — от 300 до 400°С.
Эту теплоту можно использовать для
производства технологического пара высокого
давления с вполне приемлемой температурой.
Система, позволяющая это сделать, схематически
изображена на рис. 8.15. Выхлопные газы
дизельных двигателей также имеют достаточно
высокую температуру (300—450 °С), и эти
двигатели можно легко приспособить для
получения небольших количеств технологической
теплоты.
Выдвигался ряд предложений по поводу
комбинированной выработки электроэнергии и
теплоты на промышленной основе. Кое-где
такие системы уже применяются для энергосна-
Технолога чес кий
пар
Рис. 8.15. Схема
комбинированной
выработки электроэнергии
и теплоты с
использованием газовой
турбины
5ина\ I °
Газовая А а
тур6ина\ Л Выхлопные
Топливо ^
газы
-/-
Электро-
гжЛ^У'Ф**'
бжения крупных жилых массивов.
Существуют, однако, причины экономического и
организационно-правового характера,
препятствующие широкому распространению
теплофикации, а именно:
небольшие установки не обеспечивают
сколько-нибудь значительной экономии;
потребность в теплоте и электроэнергии не
всегда возникает одновременно;
энергоснабжающие компании неохотно
продают излишнюю электроэнергию по
умеренным ценам;
оборудование небольших установок
системами, предназначенными для борьбы с
загрязнением окружающей среды, приводит к
увеличению дополнительных издержек;
электроэнергия, вырабатываемая на ТЭЦ,
по своей себестоимости не всегда может
конкурировать с электроэнергией, получаемой от
энергосистемы общего пользования, если речь
идет о средних расценках.
Эти и многие другие причины мешают
широкому внедрению теплофикации и
централизованного теплоснабжения.
Существует немало иных потенциальных
возможностей использования сбросной
теплоты ТЭС и АЭС. Одно из них — опреснение
воды, что требуется во многих районах США, не
говоря уже об остальном мире.
Размещение ТЭС и АЭС на морском
берегу с целью использования для охлаждения
морской воды в наши дни крайне желательно,
особенно если учесть то огромное количество
сбросной теплоты, которое образуется на
современных станциях и которое нужно
сбрасывать.
Единственной альтернативой поискам
методов, направленных на утилизацию сбросной
теплоты паротурбинных установок, являются
мероприятия по уменьшению ее выхода за счет
повышения КПД производства
электроэнергии.
СОКРАЩЕНИЕ КОЛИЧЕСТВА СБРОСНОЙ
ТЕПЛОТЫ
Логически напрашивается вывод о
существовании только двух способов уменьшения
количества сбросной теплоты — сокращение
выработки электроэнергии и повышение КПД
генерирующих установок. Первый вариант
будет проанализирован в гл. 11; рассмотрим
здесь второй.
Как известно, единственный путь
повышения эффективности преобразования теплоты в
механическую энергию — это увеличение
разности температур на входе и выходе системы.
Температуры на выходе снижены настолько,
насколько позволяет уровень современной
технологии. Турбины, применяемые в граждан-
224

ских целях, по своим показателям отстают лет
на 5 от турбин, используемых в армии.
Новейшие исследования помогли значительно
повысить температуру на входе турбин. Следует,
однако, сказать, что даже в том случае, если
бы удалось повысить температуру на входе в
2 раза, КПД турбины все равно не увеличился
бы вдвое. В самом деле, КПД двигателя Кар-
но выражен зависимостью:
л = 1 — твых/т
вых' Л вх»
d*\/dTBX = Гвых/Гвх,
(8.27)
(8.28)
где Гвых и Гвх — соответственно температуры
на выходе и входе.
Из (8.28) видно, что КПД изменяется во
все меньшей степени по мере увеличения
температуры на входе.
Это не означает, что становятся
ненужными мероприятия, направленные на повышение
рабочих температур пара. Любой успех здесь
крайне важен, однако в современных паровых
турбинах достигнуты практически предельные
параметры. Использование насыщенного пара
с температурой свыше 260 СС сопровождается
большими трудностями, так как для этого
требуется создать слишком высокое давление.
Вода — вещество с не самыми лучшими
термодинамическими свойствами. Вода имеет
низкую критическую температуру (647,4 К), и
необходим перегрев, чтобы можно было
обеспечить высокие рабочие температуры пара,
позволяющие добиться хорошего КПД. Для воды
характерно высокое критическое давление
(21,83 МПа), поэтому при работе с
насыщенным паром необходимо сооружать очень
дорогие трубопроводы, а при работе
оборудования на перегретом паре система трубопроводов
становится более протяженной, хотя массу
самих труб можно уменьшить. При температуре
конденсации упругость водяного пара очень
мала (0,00174 МПа при 16 °С), из-за чего
необходимо устанавливать на конденсаторах
дорогостоящие вакуум-насосы. Наконец, жидкая
вода имеет высокую теплоемкость, поэтому
требуется затрачивать большое количество
дополнительной теплоты при более низких
температурах воды, чтобы поднять ее
температуру до приемлемого рабочего значения.
Некоторые из перечисленных недостатков
можно устранить, применив в
высокотемпературной части цикла турбину, работающую на
другом теплоносителе. Теплота,
содержащаяся в выхлопных газах этой турбины,
используется для производства пара, приводящего
в действие другую турбину (рис. 8.16). В
надстроечном цикле, показанном на рисунке,
рабочей средой служит ртуть. К числу ее
преимуществ относятся: высокая критическая
температура, низкое критическое давление,
Насос
Рис. 8.16. Надстроечный цикл со ртутной турбиной
несколько более высокое, чем у воды,
давление при температуре конденсации, низкая
теплоемкость в жидкой фазе. Пары ртути,
однако, чрезвычайно ядовиты. Ртуть не
«смачивает» стальные поверхности, поэтому
затруднена теплопередача; она действует как
растворитель на железо, вследствие чего
пришлось бы изготовлять трубопроводы и
турбину из специальных сталей. Наконец,
ртуть в требуемых количествах стоит
довольно дорого.
Бинарная ртутно-водяная установка была
построена в 1949 г. энергоснабжающей
компанией штата Нью-Джерси (Public Service
Electric and Gas Company). Общий
термический КПД этой небольшой установки (с
мощностью ртутной турбины 20 МВт и паровой —
30 МВт) был равен 37 %; в то время
паротурбинные установки США имели средний КПД
около 23 %. Эта установка больше не
эксплуатируется. С тех пор паротурбинные
установки значительно усовершенствовались, средний
КПД новых типов такого оборудования
возрос до 42 % • Примерно в такой же степени
можно было бы увеличить КПД современных
систем, применив соответствующий
надстроечный (высокотемпературный) цикл.
Для обеспечения работы бинарной
системы, о которой идет речь, требовалось около
3,5 кг ртути на 1 кВт установленной
мощности; одни лишь расходы на ртуть превысили
400 тыс. долл. ( по курсу 1963 г.). Таких
устройств в США сейчас больше нет, и создание
их не запланировано. Низкая (до последнего
времени) стоимость АЭС и отсутствие
серьезных причин, которые заставляли бы
стремиться к повышению термического КПД,
пагубно отразились на дальнейшей судьбе
бинарных систем. В результате современные
экономические показатели производства
электроэнергии препятствуют использованию
бинарных циклов Ренкина, и здесь не помогают
даже преимущества, которые обеспечиваются
благодаря употреблению ртути в качестве
высокотемпературного теплоносителя. Вместо
бинарного выгоднее применять
комбинированный цикл производства электроэнергии и
теплоты.
Под этим подразумевается сочетание двух
циклов: сбросная теплота надстроечного цик-
225

л а (не являющегося циклом Ренкина) с
довольно высокой температурой теплоносителя
служит для выработки пара, приводящего в
действие турбину, которая работает в цикле
Ренкина. Обычно в качестве надстроечного
цикла применяется цикл Брайтона. В гл. 4
было показано, что оборудование, работающее
в цикле Брайтона, может выдерживать гораздо
более высокую температуру (до 1000 °С) на
входе, чем при цикле Ренкина, а отходящие
газы имеют температуру, достаточную для
выработки высокопотенциальной теплоты (около
400 °С). Схема комбинированного
(парогазового) цикла изображена на рис. 8.17.
Применение комбинированного цикла дает
ряд преимуществ. Во-первых, турбоагрегаты,
работающие в этом цикле, можно
располагать рядом с установкой газификации угля,
на которой производится низкокалорийный
«энергетический газ». Калорийность этого
вида топлива недостаточно высока, чтобы
сделать экономически оправданной его
транспортировку по трубопроводам, однако его без
труда можно использовать прямо на месте
производства в газовой турбине (см. гл. 6).
В подобной системе обессеривание угля
становится гораздо проще на стадии
газификации, так что продукты сгорания,
содержащиеся в выхлопных газах турбины, весьма
незначительно загрязняют окружающую среду.
Кроме того, использование угля для
производства электрического газа содействовало бы
экономии запасов нефти и природного газа,
а ведь эти виды топлива наиболее часто
применяются на электростанциях, работающих в
цикле Брайтона. Во-первых, общий КПД
комбинированного цикла может быть несколько
выше, чем КПД установки с использованием
одной лишь паровой турбины. Это
объясняется более высокими рабочими температурами,
которые используются в газовой турбине по
сравнению с паровой турбиной. В результате
Рис. 8.17. Схема парогазотурбинной установки:
/ — компрессор; 2 — газовая турбина; 3 — жидкое топливо;-
4 — паровая турбина; 5 — котел-утилизатор; 6 — годогреватель
питательной воды (если он необходим); 7 — конденсатор; 8 —
питающий насос котла; 9 — продукты сгорания жидкого топлива
226
повышения КПД почти до 50% уменьшаются*'
объемы сбросной теплоты в окружающую
среду. Отметим, что при повышении КПД с 40 до
45 % объем сбросной теплоты сокращается на
10 %. Можно еще больше увеличить КПД,
применив вторую, низкотемпературную
турбину, в которой использовалась бы теплота,
сбрасываемая паровой турбиной.
В системе подобного рода
низкотемпературную турбину часто называют замыкающей,
или нижней, ступенью цикла. Температура на
выходе типичной паровой турбины не
достигает и 100 %, но ее можно повысить, как
известно, за счет уменьшения эксплуатационного
КПД. Это не совсем желательно; однако если
температуру на выходе турбины слегка
повысить— до 150 или 200 °С, можно будет
эффективно использовать в нижней ступени цикла
самые разнообразные теплоносители для
повышения общего эксплуатационного КПД;
соответственно уменьшается количество сбросной
теплоты.
Предлагалось, например, использовать в
турбинах нижней ступени цикла аммиак и изо-
бутан. Компания Magma Energy построила
опытный образец изобутановой турбины,
которую можно использовать в двухконтурной
схеме совместно с горячей подземной водой на
геотермальных электростанциях. Изобутано-
вые турбины компактнее паровых и имеют
меньше ступеней, поскольку физические
характеристики изобутана дают возможность
обеспечить более значительный перепад энтальпии,
приходящийся на каждую ступень. Коррозию
предотвратить легко, так как в турбине
отсутствует вода, и не нужно применять
специальные материалы. Однако изобутан — вещество
огнеопасное, поэтому необходимы особые
меры предосторожности.
КПД нижней ступени комбинированного
цикла при интервале температур 150—30 °С
был бы не очень высоким — около 12%.
Однако если прибавить эту цифру к значению
КПД стандартного парового цикла (40 %) или
верхней ступени бинарного цикла (около
10%), общий КПД системы превысит 60%.
В системе с таким КПД терялось бы
примерно на 33 % меньше теплоты, чем в
стандартной паротурбинной установке, работающей на
органическом топливе.
Причина, по которой нижние ступени в
цикле не применяются, — это, безусловно, их
дороговизна. В настоящее время дополнительные
издержки на отвод сбросной теплоты гораздо
ниже, чем дополнительные издержки на пос-
левключенный турбоагрегат. И такое
положение сохранится до тех пор, тюка сброс теплой
воды в озера и реки, по существу, ничего не
стоит. Даже добавочные затраты на
строительство градирен не настолько велики, чтобы

они казались невыгодными по сравнению с
капитальными затратами на использование
нижних ступеней комбинированного цикла. Когда
расходы по ликвидации ущерба, наносимого
окружающей среде тепловым загрязнением,
будут подсчитаны и эти деньги начнут
взыскивать с энергоснабжающих компаний, высоко-
и низкотемпературные части циклов
покажутся гораздо менее дорогостоящими, чем это
представляется сейчас.
ЗАДАНИЯ ДЛЯ АУДИТОРИИ
1. Рассчитайте вызванные теплопроводностью .теп-
лопотери в один из зимних дней в вашем доме или
вашей квартире. Попытайтесь определить значения R для
всех наружных стен, пола и потолка.
2. Выясните, каким образом отводят сбросную
теплоту на ближайшей электростанции? Определите степень
ее воздействия на элементы биосферы в районе,
прилегающем к электростанции. Замечают ли местные
жители, что, с тех пор как построена электростанция, вокруг
произошли какие-либо необратимые изменения?
УПРАЖНЕНИЯ
1. Атомная электростанция мощностью 900 МВт
работает с КПД 29 %. Для отвода сбросной теплоты через
конденсаторы пропускается количество воды,
эквивалентное расходу р. Гудзон (50 м3/с).
а) Какова интенсивность отвода сбросной теплоты в
реку?
б) На сколько градусов поднимается температура
воды в реке?
в) Какими были бы ответы на вопросы «а» и «б»,
если бы эта электростанция работала на органическом
топливе и имела КПД 39 %?
2. а) В 1981 г. установленная мощность
паротурбинных установок США равнялась около 680 ГВт. Чему
она будет равна в 2081 г., если среднегодовые темпы
прироста установленной мощности составят 3 %?
б) Рассчитайте, сколько сбросной теплоты будет
образовываться в 2081 г., если принять, что вся
установленная мощность будет представлена паротурбинными
электростанциями, средний КПД которых составит 35 %.
в) Зная, что суммарный сток всех рек США равен
16-1011 м3/год, определите, на сколько градусов
возрастет в среднем температура речной воды к 2081 г.,
если вся определенная вами сбросная теплота
электростанций будет отводиться прямоточными системами с
использованием только речной воды?
3. Алюминиевый цилиндр, изображенный на рис. 8.6,
имеет следующие размеры: г1==5 см, г2=25 см, L=
==200 см. Температура снаружи цилиндра
поддерживается на уровне 15°С, температура внутри него
сохраняется на уровне 50 °С при помощи электронагревателя
с сопротивлением спирали 10 Ом. Каково должно быть
значение постоянного тока?
4. Стену толщиной 10 см, в среднем имевшую R =
=6, облицевали силикатным кирпичом толщиной 5 см.
Чему будет равно новое значение Ri? А если между
стейой и кирпичной кладкой оставить воздушную
прослойку ШИРИНОЙ 1 СМ (#2)?
Ответ: R} = 10,17; tf2=675.
5. Какой эффект дает теплоизоляция перекрытий в
обычном жилом доме на Среднем Западе США? Пусть
толщина теплоизоляционного слоя 15 см, общая
площадь перекрытий 450 м2, перепад наружной и
внутренней температур 30 °С в течение 3 мес.
6. Устройство теплоизоляции обходится в N долл/см,
затраты на отопление дома составляют М долл/МДж
теряемой теплоты, а стоимость укладки теплоизоляции
должна окупиться за Y лет. Составьте ряд таблиц для
значений: У=3,5 и 10; # = 50, 100, 200; М=1, 2 и 5 долл.
С учетом климатических условий местности, где вы
проживаете, чему должны быть равны оптимальные
значения N и М? Если У=5, выгодно ли устраивать
дополнительную теплоизоляцию толщиной 15 см?
7. Сковорода из полированного алюминия, забытая
на пляже в солнечный день, нагрелась до равновесной
температуры 90 °С. Чему равна эффективная
температура, при которой сковорода поглощает теплоту?
8. Если бы в примере 8.3 поток жидкости был
ламинарным, а не турбулентным, плотность жидкости не
имела бы значения. Каким был бы тогда результат
расчетов?
9. Шар, опускающийся в среде однородного флюида,
достигает конечной скорости, при которой его масса
уравновешивается выталкивающей силой и
сопротивлением трения флюида. Произведите анализ размерностей
для вывода формулы, позволяющей определить
конечную скорость пара. (Предположим, что она линейно
зависит от плотности материала, из которого сделан шар).
10. АЭС мощностью 1000 МВт сбрасывает
охлаждающую воду в пруд-охладитель с площадью зеркала
1000 га. Пусть высота атмосферного слоя, в котором
происходит вертикальное перемешивание воздуха,
равна 50 м, а горизонтальное перемешивание незначительно.
Если первоначальная температура воздуха равна 20 SC,
а влажность — 40%, какая доля сбросной теплоты
будет поглощена испаряющейся водой за 8 ч? Если
половина этой сбросной теплоты отводится за счет
теплопроводности и теплового излучения, какой будет конечная
температура воды в этом водоеме? (Начальная
температура воды 20°С, средняя глубина пруда 5 м).
11. Если 1 % сбросной теплоты, выделяемой при
работе АЭС мощностью 1000 МВт, идет на испарение воды
с поверхности пруда-охладителя размером 1000 га и
если подача добавочной свежей воды не производится,
насколько понизится уровень воды за сутки?
12. Высота испарительной градирни с естественной
тягой 150 м. Чему будет равна сила тяги, действующая
на столб воздуха внутри градирни, если разница в
плотности воздуха внутри градирни и наружного воздуха
составляет 0,008 кг/м3?
Ответ: 11,76 Па.
13. Диаметр трубы 91 см, температура пара на
выходе 100 °С, давление на выходе 87 кПа, температура
пара на входе 200 °С, температура наружного воздуха
0°С, \х=\25 мкП, & = 24-103 Дж/(с-м-°С). Какова
максимально допустимая длина трубопровода, если тепло-
потери через его стенки не должны превышать 10 %
подведенной к потребителю тепловой мощности 20 МВт?
14. Обратимся к примеру 8.4. Если бы потребность
в мощности составила 500 МВт (тепл.) при 200 °С,
насколько изменилось бы количество теплоты,
затрачиваемой на выработку этой мощности? Сравните также ре-
Рис. 8.18. Г, s-диаграмма для
ртутной турбины в бинарном цикле
227

зультаты для 1500 и 500 МВт при температуре 150 °С.
(Предположим, что ГН = 600°С для системы,
работающей в цикле Карно; соответственно с этим вычислите
КПД системы.)
15. В примере 8.5 рассчитайте, какой расход
охлаждающей воды нужен для того, чтобы температура
конденсата была равна 60 °С, если температура
охлаждающей воды 40 °С, а т3=23 м3/мин?
16. Т—s-диаграмма для ртутной турбины, включен-
Передача энергии
Известно, что существуют различные
методы транспортировки энергии. Во многих
случаях метод транспортировки энергии
определяется географическими или топографическими
условиями, но в ряде случаев существует
возможность выбора. В прошлом энергетические
потребности США, размеры городов и
состояние технологии были такими, что допускали
возможность экономически оправданного
строительства небольших энергопреобразующих
установок в черте городов. В этих случаях
единственной проблемой транспортировки
энергии была проблема подвоза топлива.
Проблема транспортировки конечных
энергоносителей, как правило, отсутствовала.
В наши дни большая часть потребителей
энергии сосредоточена в крупных городах,
возросли масштабы экономики и размеры
отдельных промышленных предприятий, увеличились
затраты на перевозку топлива, возникла
неопределенность в отношении безопасности
отдельных типов генерирующих установок. Все
это выдвинуло в число важнейших факторов
выбор площадок под электростанцию,
проблему передачи энергии как в виде топли-ва, так
и в виде конечных энергоносителей.
Вследствие этого данная глава адресует читателя к
нескольким'вопросам такого рода.
ВАРИАНТЫ ЛЕРЕДАЧИ ЭНЕРГИИ
Энергия может передаваться либо
непрерывно, например по трубопроводам или
линиям электропередачи, либо дискретно,
например- при перевозке нефти танкерами или угля
железнодорожными вагонами. Очевидно, что
электроэнергию трудно было бы передавать
дискретно, а уголь трудно (хотя и возможно)
было бы передавать непрерывно, так что не
во всех случаях применимы все формы
передачи энергии.
Относительная стоимость транспортировки
ближневосточной нефти ниже, чем любого
другого вида энергии или энергоресурса, даже
ной в бинарный цикл, показана на рис. 8.18.
Рассчитайте удельную произведенную работу на 1 моль паров
ртути и КПД этого цикла.
17. Если 10 % мощности ТЭС США, работающих на
угле, равной 510 ГВт, заменить эквивалентной
мощностью бинарных установок ртутно-водяного цикла,
обеспечивающих получение Общего КПД 52 %, сколько угля
(в условном исчислении) удалось бы сэкономить в США
за год?
угля. Однако если уголь или нефть
предназначаются для производства электроэнергии,
расходы по их перевозке увеличиваются
примерно в 3 раза, поскольку приходится принимать
в расчет КПД преобразования в процессе
выработки электроэнергии.
КРИТЕРИИ ВЫБОРА
Существует несколько критериев, которые
следует учитывать при выборе системы
передачи энергии:
удельная стоимость доставляемой энергии;
географические условия;
желательная пропускная способность;
технические характеристики;
влияние на окружающую среду.
Очень важным критерием выбора системы
передачи энергии при заданных условиях ее
использования является удельная стоимость
доставляемой энергии. Некоторым из
приведенных критериев довольно трудно дать
количественную оценку. Например, полоса
отчуждения земли на 1 км традиционной воздушной
линии электропередачи составляет около 3 га.
А для линий сверхвысокого напряжения
(500 кВ и выше) площадь отчуждения вдвое
больше. Кроме того, внешний вид таких линий
электропередачи не всем приятен и некоторые
наблюдения показывают, что сильные
электрические поля у линий сверхвысокого
напряжения оказывают вредное биологическое влияние.
Это влияние, природа которого до конца еще
не изучена, не принимается в настоящее
время в расчет при выборе трассы мощных линий
и исчислении издержек передачи энергии в
большинстве районов.
Электроэнергия может передаваться по
подземным кабелям, однако в большинстве
случаев фактор стоимости подземной
передачи намного пересиливает любые факторы
воздействия на окружающую среду.
Единственным исключением из этого общего правила
является передача электроэнергии в крупные
228

городские районы, где стоимость отчуждения
земли для воздушных линий уравновешивает
высокую стоимость прокладки подземной
кабельной линии.
Выбор между переменным и постоянным
током при передаче электроэнергии требует
учета не только стоимости. Передачи
постоянного тока имеют ряд преимуществ перед
линиями переменного тока — обеспечивают более
высокую пропускную способность при одном
и том же напряжении, облегчают задачу
обеспечения параллельной работы генераторов,
сокращают потери. Но, с другой стороны,
линии переменного напряжения легче переводить
на различные уровни напряжения, ими проще
управлять при коммутациях под нагрузкой.
Проблемы влияния на окружающую среду
существуют также и при дискретной передаче
энергии. Вероятно, каждому известно вредное
воздействие больших нефтяных пятен на
флору и фауну океана при выливании нефти из
танкеров. Но многие, возможно, не
догадываются, что образование нефтяных пятен на
больших площадях океанской поверхности
оказывает неблагоприятное воздействие на
мировой энергобаланс в целом.
Наименьшее разрушающее действие на
окружающую среду при одном и том же
заданном количестве передаваемой энергии
оказывают, вероятно, трубопроводы, за
исключением некоторых особых случаев (как на
Аляске!). Хотя трубопроводы в основном
используются для распределения первичного
топлива— нефти и природного газа, они могут быть
использованы также и для передачи водорода.
С помощью этого способа энергия от крупной
электростанции может экономично
передаваться на дальние расстояния (см. гл. 6).
Трубопроводы могут также успешно
использоваться для передачи твердых энергопродуктов в
виде пульпы.
Поскольку на долю электроэнергии в
настоящее время приходится 15 % суммарного
потребления энергии и к 2000 г.
предполагается увеличение этой доли до 25 %,
рассмотрим сначала передачу электроэнергии.
ПЕРЕДАЧА ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ
На рис. 9.1 представлена суммарная длина
линий электропередачи напряжением больше
132 кВ в США по состоянию на середину
1981 г. Суммарная длина линий дает
представление о тех значительных капиталовложениях
в передачу электроэнергии, которые
приходится делать; некоторые тенденции
современной жизни могут вызывать дальнейшее
увеличение этих капиталовложений. В 1980 г.
электроэнергетические компании произвели около
210-109 кВт-ч электроэнергии, но
потребитеРис, 9.1. Суммарная протяженность линий
электропередачи 132 кВ и выше в США (1981 г.)
лями было использовано меньшее
количество— часть теряется при передаче и
распределении. Стоимость потерь составила более
1 млрд. долл., что было эквивалентно
затратам электроэнергетических компаний на
ремонт и приобретение нового оборудования.
Эти потери можно было бы значительно
уменьшить путем более обоснованного выбора схем
передачи и ее напряжения.
Электропередачи высокого напряжения
Большая часть предыдущих рассуждений о
линиях электропередачи переменного
напряжения справедлива не только для сетей высокого
Рис. 9.2. Изменение удельной стоимости линий
электропередачи 500 кВ постоянного тока и 700 кВ
переменного тока в зависимости от длины трассы:
/ — линия постоянного тока 500 кВ; 2 — электропередача
переменного тока 700 кВ
напряжения, имеющих широкое
распространение в наше время, но и для распределительных
систем низкого напряжения, используемых для
энергоснабжения городов и населенных
пунктов. Здесь будут рассмотрены особенности,
связанные только с мощными линиями
электропередачи высокого напряжения. Очевидно,
229

Рис. 9.3. Линия электропередачи 765 кВ в штате Индиана (США)
для минимизации потерь электропередачу
желательно осуществлять при самом высоком
напряжении, приемлемом с
технико-экономической точки зрения. Прежде чем рассматривать
вопрос о напряжении электропередачи,
следует определить, какой ток нужно
использовать— переменный или постоянный.
Известно, что при передаче постоянным током
отсутствуют поверхностный эффект и реактивное
сопротивление, но, как правило, стоимость
получения постоянного тока высокого
напряжения неприемлемо высока, за исключением тех
случаев, когда очень мощная нагрузка и
дальнее расстояние передачи делают
дополнительные затраты на сооружение передачи
постоянного тока сопоставимыми со стоимостью
потерь энергии при передаче переменным током.
На рис. 9.2 приводится сравнение этих затрат.
Стоимость передачи постоянного тока
становится сопоставимой со стоимостью передачи
переменного тока только при длине линий,
превышающей 1000 км, и мощности нагрузок
более 1000 МВт. Поэтому в США, где
удаленных районов, требующих передачи большой
энергии на дальние расстояния, немного,
маловероятно, что передачи постоянного тока
будут сооружаться более интенсивно, чем в
настоящее время. Ситуация, конечно, может
измениться по мере технического
совершенствования и удешевления оборудования
преобразовательных подстанций постоянного тока.
В США уровни напряжения линий
электропередачи высокого напряжения поднимались с
первоначальных 69 до 135, 220 и 550 кВ. В
настоящее время в США и ряде других стран
действует несколько линий 750 кВ. На рис.
9.3 представлена линия 750 кВ в штате
Индиана (США). В последнее десятилетие велись
интенсивные исследования в области создания
линий электропередачи 1000—1500 кВ. За
годы эксплуатации выявился ряд технических
и экологических проблем, связанных с
линиями электропередачи высокого напряжения, и
некоторые из этих проблем приобретают
особую сложность в свете рассматриваемого
дальнейшего повышения уровней действующего
напряжения линий. К их числу относятся:
коронные разряды и связанные с этим
потери энергии;
электромагнитные помехи (радио- и
телевизионная связь);
акустический шум;
озонирование и образование окислов азота;
влияние напряженности электрического
поля в полосе отчуждения;
коммутационные перенапряжения;
эстетический вид линии.
Коронный разряд происходит, когда
напряженность электрического поля у
поверхности проводника превышает электрическую
прочность воздуха. Корона — очень сложное
230

явление, которое нелегко описать, поскольку
оно зависит от многих параметров — давления
воздуха, формы электродов, материала
проводника, количества влаги в воздухе, наличия
ионизирующей радиации, уровня напряжения,
чистоты обработки поверхности проводника.
Корона является причиной не только потерь
энергии, но и электромагнитных помех,
акустического шума, озонирования воздуха и
образования окислов азота.
Особенно влияние короны начинает
сказываться при напряженности электрического поля
свыше 15 кВ/см. Напряженность
электрического поля зависит от взаимного
расположения проводов линии, а также от
расположения относительно опор линии и земли, что
дает возможность путем изменения конструкции
линий электропередачи снижать эффект
короны. Но совсем исключить корону невозможно
даже в ясные дни. В ясную погоду потери
энергии от разряда короны примерно такие
же, как потери от тока разряда через
линейные изоляторы, и они не очень большие. Но в
плохую погоду (дождь или снег) и при
наличии в воздухе твердых частиц, пепла или
пыли потери от короны могут быть очень
большими. Значение вызываемых ею помех, шума,
и т. п., также могут быть выше допускаемых
норм.
Коронный разряд характеризуется
пульсирующими электрическими разрядами,
имеющими микросекундный временной диапазон и
частоту, измеряемую в мегагерцах. И, как
следствие, частотный спектр
электромагнитных волн при коронных разрядах может
охватывать значительную часть диапазона радио-
и телевизионных частот. Эти помехи имеют
общее название электромагнитные помехи
(ЭМП), но иногда их разделяют на две
категории: радио- и телевизионные помехи (РП и
ТВП). Проблема ЭМП осложняется тем, что
хотя источником токов помех является корона,
эти токи распространяются вдоль линии
электропередачи, которые в этом случае
действуют как антенны. Поэтому ЭМП могут
передаваться на много километров от места короны.
Существуют, вероятно, лишь два способа
снижения уровня ЭМП от линий
электропередачи высокого напряжения: уменьшение
коронного разряда путем улучшения
конструкции линий и проводов и тщательный выбор
трассы линии для того, чтобы по возможности
избежать районов, где радио- и телевизионные
сигналы сопоставимы по мощности с ЭМП.
Количественных нормативов, относящихся к
уровням электромагнитного излучения
мощных линий, не существует, но в большинстве
районов США, например, существуют энерго-
снабжающие компании, ответственные за
жалобы на воздействие ЭМП.
Акустические помехи от мощных линий
электропередачи могут представлять серьеа-
ную проблему, особенно при мокрых
проводах. Десять штатов США, а также EDA1
установили количественные нормативы на
акустические помехи, которые трудно выполнить при
сырой погоде. Снижения уровня акустических
помех от существующих линий
электропередачи очень трудно добиться, и эти трудности
необходимо учитывать при прокладке трассы
для новых линий.
Напряженность электрического поля в
полосе отчуждения линии электропередачи
может быть очень высокой. Измерения
напряженности поля существующих линий 345 кВ
дают значение от 3,8 до 5,5 кВ/м, а для линий
756 кВ эти значения достигают 11 кВ/м.
В штате Нью-Йорк, например, установлен
верхний допустимый предел напряженности
поля на краю полосы отчуждения линий,
равный 1 кВ/м. Однако ясно, что для
большинства линий эта норма превышается. В трех
других штатах — Миннесота, Северная
Дакота и Орегона, как, впрочем, и Нью-Йорк,
допустимым считается уровень напряженности
поля, при котором на погрузочно-разгрузочных
и транспортных средствах или оборудовании
и аппаратуре при нахождении их в полосе
отчуждения наведенные токи не превышают 5 мА.
Пример 9-1. Если порог чувствительности человека
к току составляет 1 мА и сопротивление человеческого
тела в среднем составляет около 10 МОм, какого роста
должен быть человек, чтобы почувствовать ток, стоя на
земле в электрическом поле напряженностью 5 кВ/м?
U = IR= Ю-3-10-106 = 104 В;
й=10*/5.103= 2 м.
Эти значения типичны для ощущений при нахождении
под линией электропередачи высокого напряжения.
При коронном разряде образуются озон и
окислы азота (N0*). Эти газы представляют
большую опасность для здоровья (см. гл. 13).
Однако при нормальных условиях
эксплуатации количество образующихся газов очень
мало, значительно меньше допустимого по
нормам агентства по охране окружающей среды
США, составляющим для озона 0,08 млн-1, что
разрешается превышать не чаще одного раза
в год, и для окислов азота 0,05 млн-1
суммарно за год.
Проблема обеспечения эстетического вида
конструкции линий возникает неизбежно.
Высота опор для существующих линий 135 кВ
составляет примерно 25 м, и полоса
отчуждения земли на каждый километр линии — около
3 га. Для линий 1500 кВ требуются опоры,
габариты которых показаны на рис. 9.4. Если
потребности в электроэнергии будут
продолжать расти даже не очень быстрыми тем-
Агентство по охране окружающей среды.
231

Рис. 9.4. Сравнительные габариты опор линий
электропередачи 138 и 1500 кВ
пами (~4 % в год), как это было характерно
для конца 70-х годов, для удовлетворения этих
потребностей необходимо будет построить
дополнительно много десятков километров
линий электропередачи. Возлагать
ответственность на энергетические компании за
сооружение электростанций и линий электропередачи,
имеющих неэстетический вид, легко. Но энер-
госнабжающие компании вынуждены
удовлетворять спрос потребителей. Если в прошлом,
возможно, электроэнергетические компании
создавали искусственный спрос на
электроэнергию, активно рекламируя
электроотопительные приборы и воздушное кондиционирование,
то в настоящее время спрос исходит от
потребителей без дополнительного внешнего
стимулирования. По одному из философских
высказываний «мы создаем себе врага и этот враг—
мы сами».
Большинство норм по охране окружающей
среды было введено федеральными и
местными регулирующими органами, когда уже
было сооружено множество мощных линий
электропередачи высокого напряжения. Сочетание
необходимости выполнения этих норм и
необходимости строить линии электропередачи
высокого напряжения представляет собой
реальную проблему для проектировщиков таких
линий. В большинстве случаев выполнить все
требования можно, но сделать это непросто.
Сверхпроводящие системы
Наряду с обычными линиями высокого
напряжения передача электроэнергии может
осуществляться и с использованием явления
линейной функциональной зависимости
активного сопротивления обычного металла от
температуры в широких пределах, Ом:
p = Poll + а(Г-20)], (9. I)
где ро — удельное сопротивление при 20 °С;
а — температурный коэффициент
сопротивления; Т — температура, °С. Для меди р0 =
= 1,72-Ю-8 Ом-см, а а = 0,00393°Огх\
используя (9.1) при Г=—209 °С, получаем
сопротивление, равное 0,1 сопротивления при
комнатной температуре. [Этот результат
предполагает, что (9.1) справедливо при Т =
=—209 °С, но на самом деле оно при таких
температурах не выполняется.] Такая
температура близка к температуре жидкого азота
(—195 °С), и если линии электропередачи
будут работать при столь низких температурах,
то потери энергии в них снизятся в 10 раз.
Естественно, что для получения жидкого азота
и поддержания с его помощью такой
температуры в проводнике потребуются определенные
затраты энергии.
Передача электроэнергии при высоком
напряжении и с нулевым сопротивлением
возможна также с использованием
сверхпроводников.
Явление сверхпроводимости было открыто
в 1911 г. в Лейдене Оннесом, который
обнаружил, что электрическое сопротивление
Меркурия при снижении температуры до 4,15 К
уменьшается почти до нуля. С тех пор у
многих металлов, сплавов и интерметаллических
соединений, большинство которых при
комнатной температуре плохо проводит
электрический ток, была обнаружена сверхпроводимость
при снижении температуры ниже
определенного значения Г, названного критической
температурой ТКр. Ниже приводится перечень
таких веществ и их критические температуры.
Вещество Критическая температура,
К
ВещестЕо Критическая
температура, К
Титан (Ti) .
Кадмий (Cd)
Цирконий (Zr)
Цинк (Zn) .
Индий (Тп) .
Ti2Co . . .
Олово (Sn) .
Ртуть (Hg) .
Ванадий (V)
0,39
0,56
0,54
0,87
Свинец
Ниобий
(РЬ)
(Nb)
7,19
9,50
La3In 10,4
40
44
. 3,72
. 4,15
. 5,38
16,0
16,5
17,1
18,05
Nb3Ge 23,2
NbN
V3Ga
V3Si .
NbsSi.
Отметим, что все приведенные выше
температуры весьма низки, а некоторые
приближаются к температуре жидкого водорода.
(При атмосферном давлении температура
жидкого водорода равна 20,25 К.) В
сверхпроводящем состоянии вещество пропускает
электрический ток без потерь, поэтому
теоретически можно представить себе ситуацию, при
которой весьма высокие расходы на
поддержание низкой температуры будут
компенсированы за счет снижения потерь энергии и линия
электропередачи с использованием
сверхпроводников станет экономически
конкурентоспособной. К сожалению, в действительности все
обстоит не так просто.
232

Уже давно было выявлено, что если
сверхпроводник поместить в магнитное поле, то при
определенном значении индукции
приложенного магнитного поля Вкр сверхпроводимость
может исчезнуть и металл становится
обычным проводником. Значения ВКр для чистых
металлов очень низкие и меняются в
зависимости от температуры, как показано на рис.
9.12. На этом рисунке Вкр приводится в
теслах (Тл). Значение Вкр для металлов весьма
мало, что видно из рис. 9.5.
Пример 9.2. Каким будет критическое значение тока
для оловянного круглого провода диаметром 1 см при
температуре 2 К?
Значение индукции магнитного поля у поверхности
проводника
C = A + Ba+D/a,
2nR
где R — радиус сечения проводника. Критическое
значение тока
/кр = ?^- = 2я (0,5-10-2) 2 0 ,]°_4 . =525 А.
^о
4л- Ю-1
Значение критического тока слишком мало, чтобы
применение такого проводника было экономически
оправданным. Если бы напряжение такой линии
электропередачи было равно 135 кВ, мощность, которую по ней
можно было бы передать, составила бы только 70,9 МВт.
Экономия на снижение потерь при передаче такой же
мощности по обычной линии электропередачи высокого
напряжения никак не окупает затрат, которые
потребовалось бы вложить в криогенную технику для
обеспечения сверхпроводимости.
Но не все потеряно. Некоторые
интерметаллические соединения, перечисленные выше,
имеют не только высокие переходные
температуры, но и очень высокий уровень критической
индукции магнитных полей (рис. 9.6).
Поведение этих соединений отличается от
поведения чистых металлов. Разница в
характеристиках сверхпроводников настолько
велика, что они даже были разделены на группы
I и II рода.
Особенно большая разница между
сверхпроводниками двух групп обнаруживается
при явлении, получившем название эффекта
Мейснера.
Если обычный сверхпроводник I рода
поместить в магнитное поле при высокой
температуре, силовые линии поля проникают внутрь
проводника, как показано на рис. 9.7, а. Как
только температура опускается ниже
критического значения для данного проводника,
магнитное поле полностью вытесняются из
сверхпроводника, как показано на рис. 9.7, б. При
этом металл становится как бы полностью
диамагнитным и движение всех электрически
заряженных частиц ориентировано таким
образом, что в металле создается внутреннее по-
Рис. 9.5. Изменения критической индукции магнитного
поля в зависимости от температуры для некоторых
сверхпроводников I рода
Рис. 9.6. Изменения критической индукции магнитного
поля Вкр в зависимости от температуры для некоторых
сверхпроводников II рода
Рис. 9.7. Эффект Мейснера:
а — сечение сверхпроводника при температуре выше Т*; б —•
то же при температуре, равной или ниже Тк„
ле, направленное навстречу внешнему
магнитному полю. Такое состояние сохраняется до
тех пор, пока магнитная индукция внешнего
поля на поверхности сверхпроводника
остается ниже ВКр, а температура — ниже ГКр.
В сверхпроводниках II рода внешнее поле
свободно проникает внутрь даже при
температурах ниже критической до тех пор, пока его
магнитная индукция выше критического
значения ВКр. При значениях магнитной индукции
внешнего поля между BKV2 и более низким
уровнем BKpi проницаемость плавно меняется
и становится меньше. При магнитной
индукции поля ниже BKpi силовые линии поля
полностью вытесняются, так же как у
сверхпроводников I рода. Для большинства
материалов II рода BKpi имеет весьма низкое значе-
233

ние и мало отличается от величины индукции
ВКр для сверхпроводников I рода. Но
величина 5КР2, отложенная по оси ординат на рис.
9.13, на несколько порядков больше. Можно
получать магнитные поля с очень большой
индукцией.
Для понимания механизма образования
потерь в сверхпроводнике II рода требуется
подход, основанный на принципе квантовой
механической теории. Здесь нет необходимости
подробно останавливаться на принципах этой
теории, с ними можно ознакомиться по
другим литературным источникам. Следует,
однако, отметить, что эти потери могут быть
снижены путем выбора соответствующих
размеров и конфигурации проводника и тщательной
обработки его поверхности. Потери
существенно зависят от температуры и индукции
магнитного поля. В проводнике из сплава селена с
ниобием NbaSn при постоянной температуре
6 К потери составляют от долей микроватта
при В = 0,1 Тл до нескольких сот микроватт
при В = 0,2 Тл на 1 см2 площади поверхности
проводника. Как легко можно подсчитать, эти
потери могут быть очень большими и намного
превышать потери, исчисляемые
произведением PR. Для постоянного тока потери в
сверхпроводниках II рода примерно вдвое меньше,
чем для переменного, но и они в большинстве
случаев слишком велики.
Необходимо решить и еще одну серьезную
проблему. Нагрузка линий
электропередачи вследствие выхода из строя оборудования,
поражения молнией или переключения может
внезапно меняться. При этом импульсы тока
могут приводить сверхпроводник в обычное
состояние, при котором восстанавливается его
активное сопротивление, в результате чего
выделяемая теплота может в лучшем случае
вызвать полное испарение охладителя — гелия —
и в худшем — расплавить проводник. Одним
из путей решения этой проблемы является
дополнение сверхпроводника обычными
проводниками — медными или алюминиевыми — с
соответствующим сечением. В этом случае,
если сверхпроводник из-за выделения большого
количества теплоты неожиданно потеряет
способность к сверхпроводимости, обычный
проводник примет на себя нагрузку. Но одна из
проблем останется нерешенной. Она состоит
в том, что на восстановление
сверхпроводимости требуется несколько секунд.
Еще одна проблема потенциально связана
с получением гелия. Использование гелия в
качестве охладителя наиболее экономически
приемлемо, если не будут найдены
сверхпроводники с более высокой критической
температурой. Но поскольку содержание гелия в
атмосфере слишком незначительно, получение
его из атмосферы практически невозможно.
Таблица 9.1. Запасы гелия в США
Запасы
Содержание гелия в запасах
м3
Запасы высокой концентрации (>0,3 %Ие)
Достоверные запасы-
запасы, накопленные по
программе Bureau of
Mines
месторождения
природного газа с высокой
концентрацией
Суммарные достоверные
запасы
Недостоверные запасы:
месторождения
природного газа,
преимущественно в штатах Техас,
Оклахома и Канзас
(исключая Аляску)
Суммарные разведанные
запасы высокой
концентрации
60
>0,3
>0,3
0,8-10°
0,43- Ю9*
1,2.10е
2,95- Ю9**
4,15-10*
Запасы малой концентрации (<0,3 %)
Недостоверные запасы:
месторождения
природного газа,
преимущественно в штате Техас и
на побережье
Мексиканского залива,
(исключая Аляску)
Суммарные разведанные
запасы
0—0,3
(в основном
0,006%)
3,65-Ю9**
7,8-10»
* Возможно, значительно больше.
** Данные 1971 г.
До 19^2 г. гелий в США получали попутно с
добычей природного газа, а накоплением и
хранением его занималось Bureau of Mines.
В 1972 г. работа по его сбору была
прекращена.
В табл. 9.1 приведены оценки запасов
гелия в США, разделенных на две категории:
запасы высокой концентрации (содержание
Не более 0,3%) и запасы малой
концентрации (содержание Не менее 0,3%).
Достоверными являются запасы гелия, находящиеся в
ведении Bureau of Mines. Запасы гелия,
содержащиеся в месторождениях природного
газа, находящихся в частной собственности, не
являются достоверными. Ни одно газовое
месторождение, находящееся в частном
владении, не разрабатывается с получением гелия.
Вероятность того, что и за пределами 2000 г.
из этих месторождений будут получать
значительное количество гелия, очень мала. И ма-
234

ла она потому, что очень незначительна
вероятность того, что сам природный газ в этих
месторождениях еще сохранится и,
следовательно, будет добываться. В настоящее время
запасы гелия составляют около 8 млрд. м3.
Расчетами определено, что 75 % этих запасов
хватит для обеспечения строительства более
40 тыс. км сверхпроводящих линий
электропередачи (при условии очень малых потерь
гелия в ходе операций с ним).
Рассматриваются возможности
использования явления сверхпроводимости и в других
направлениях, в частности в создании
генераторов и магнитов. Создание мощных
сверхпроводящих магнитов является одной из тех
областей, где эта технология имеет
существенные преимущества перед обычной
технологией.
Представляется маловероятным, чтобы
сверхпроводимость могла оказать большое
влияние на прогресс в области передачи
электроэнергии. Обусловлено это чрезмерно
высокой стоимостью оборудования для таких
линий электропередачи. Вместе с тем,
существует одна область в передаче электроэнергии,
где сверхпроводимость может оказаться очень
полезной в будущем, — это подземная
кабельная передача электроэнергии.
Передача электроэнергии подземными
кабелями
К передаче электроэнергии по подземным
кабельным линиям прибегают в крайнем
случае, когда стоимость полосы отчуждения
земли становится чрезмерно высокой. Подземные
силовые кабели неэкономичны, их трудно
прокладывать, сложно ремонтировать и почти
невозможно модернизировать для повышения
пропускной способности. Тем не менее в
настоящее время в США насчитывается 3600 км
силовых кабельных линий высокого
напряжения, проложенных в густонаселенных
городских районах, и много больше
запроектировано на будущее.
В современной практике наиболее
распространены маслонаполненные кабели под
давлением, но начинают находить применение и
другие типы кабелей: кабели с газовой
изоляцией под давлением, криопроводящие и
сверхпроводящие кабели.
Последний из перечисленных типов
кабелей еще не разработан и по причинам,
указанным выше, вряд ли будет практически
выполнен в ближайшее время. Для того чтобы
определить, в каких масштабах в будущем могут
распространиться кабельные линии
электропередачи и какую пользу они могут принести,
рассмотрим некоторые специфические
проблемы подземных кабельных линий.
Таблица 9,2. Некоторые характеристики трехфазных
маслонаполненных кабелей с бумажной изоляцией
Характеристики
Средние допустимые
потери, Вт/м
Потери в
диэлектрике, Вт/м
Толщина изоляции,
дм
Допустимая
мощность по тепловому
нагреву, MB «А*
Критическая длина,
км
69* кВ
22,0
1,8
0,285
105
88
138 кВ
22,1
4,5
0,505
200
66
230 кВ
23,1
4,6
0,835
330
61
345 кВ
24,1
8,8
1,025
440
42
* Допустимая мощность, среднее значение которой
приведено в таблице, зависит от удельной теплопроводности
окружающего грунта; вольт-амперная характеристика в данном
случае отражает средние значения тока и напряжения.
Первой является проблема изоляции. Из-
за высокой стоимости полосы отчуждения
трассы воздух как изолирующая среда не
может быть использован. Проводящие жилы
кабеля должны быть расположены весьма
близко друг от друга, и до недавнего времени для
подземных кабелей использовалась
бумажная изоляция, пропитанная минеральным
маслом. Тонкие, обмотанные бумагой жилы
плотно укладываются в оболочку, а затем три
кабеля, по одному на каждую фазу,
помещаются в трубу длиной 0,9 км, которая затем
наполняется маслом под давлением. Каждые
такие отрезки кабеля сращиваются между собой,
и поэтому вдоль трассы кабельной линии с
интервалом в 900 м необходимо устраивать
люки и стыковочные узлы. Характеристики
кабелей на несколько уровней напряжения
приводятся в табл. 9.12.
Следует заметить, что толщина бумажной
изоляции невелика. Даже при напряжении
69 кВ толщина изоляции примерно в три
раза превышает толщину обычной
электрической изоляционной ленты. Потери
электроэнергии в таких кабелях очень высоки по
сравнению со сверхпроводящими кабелями или
воздушными линиями электропередачи. Следует
отметить еще один момент — критическую
длину.
Проблема длины кабельных линий
возникает только для передач переменного
напряжения из-за наличия зарядного тока, не
существующего в линиях электропередачи
постоянного тока. Зарядный ток в линии
электропередачи протекает даже без нагрузки, поскольку
линия обладает реактивным
сопротивлением, о чем уже было сказано выше. Если
индуктивное сопротивление подземной
кабельной линии лишь немного больше, чем у
воздушной линии, то емкостное сопротивление на
235

несколько порядков больше. Такое значение
емкостного сопротивления — следствие малого
расстояния между фазами и наличия
изоляции между ними. Емкостное сопротивление
кабельной линии увеличивается с длиной
линии, а вследствие этого увеличиваются и
потери в ней энергии. Предельная пропускная
способность кабельной линии зависит от
удельной теплопроводности грунта, в котором
кабель проложен. Когда длина кабельной линии
становится такой, что величина зарядного
тока линии достигает предельно допустимого
значения тока по тепловому нагреву,
передача полезной энергии по кабельной линии
становится невозможной, и эта длина кабельной
линии и называется критической. Разумеется,
критическая длина может быть увеличена
путем индуктивной компенсации по концам
кабельной линии или в промежуточных ее точ-
Рис. 9.8. Изменение активного сопротивления чистого
алюминия в зависимости от температуры (р0 = 2,44Х
Х10"6 Ом-см):
/ — точки кипения различных газов
в 00 г
Рис. 9.9. Изменение удельных капиталовложений в
зависимости от номинальной температуры проводящих
жил для некоторых типов подземных кабелей ВН:
/ — с воздушной изоляцией; 2 —с гелием; 3 — с водородом;
4 — с азотом
ках. Но стоимость передачи тогда
значительно возрастает.
Нагрев кабельной линии происходит
вследствие не только нагрева токопроводящих жил,
но и нагрева изоляции от протекающего в ней
тока утечки. Небольшой ток утечки может
вызывать значительное выделение теплоты. При
напряжениях 345 кВ и выше ток утечки в
бумажкой изоляции становится недопустимо
большим. Поэтому для работы на повышенном
напряжении требуется иная изоляция —
меньшей толщины ц с лучшей теплопроводностью,
которая может выдерживать повышенные
результирующие напряжения. Такими
необходимыми изоляционными свойствами обладают
новые синтетические материалы, например
милар, полиэтилен или найлон, которые
применяются в настоящее время. Исследуется
также возможность использования некоторых
газов. При применении в качестве изоляции
газов потери в диэлектрике существенно
снижаются и, как следствие, увеличивается
критическая длина кабельных линий. Для
напряжения 500 кВ она увеличивается до
примерно 880 км по сравнению с 27 км для кабеля с
бумажной изоляцией. Газы также лучше
проводят теплоту, поскольку в них образуются
потоки конвекции, а так как кабели с газовой
изоляцией требуют еще и внешней оболочки
большего диаметра, то у них образуется
большая поверхность теплообмена,
соприкасающаяся с окружающим их грунтом. Однако для
труб большего диаметра требуется
прокладывать и более дорогие траншеи.
Рассматривается также возможность
использования явления снижения электрического
сопротивления проводника по мере
уменьшения его температуры с помощью
искусственного охлаждения. Это явление не связано со
сверхпроводимостью, описанной выше. Оно
просто объясняется тем, что с понижением
температуры металла электрически
заряженные частицы реже сталкиваются с атомами
кристаллической решетки, поскольку чем
ниже температура, тем меньше амплитуда
колебательных движений атомов. Изменение
сопротивления может быть очень резким, как
видно из рис. 9.8, где представлена кривая
зависимости сопротивления чистого алюминия
от температуры. Стрелками обозначены точки
кипения гелия, водорода и азотд. При
температуре около 40 К и ниже сопротивление
сильно зависит от наличия примесей и может быть
на порядок больше, чем показано.
Однако поддержание температуры точки
кипения водорода — очень дорогостоящий
процесс. На рис. 9.9 графически представлены
результаты одного из исследований. Видно,
что минимальная удельная стоимость при
одной и той же нагрузке и протяженности полу-
236

чается при температуре жидкого азота,
которую намного проще поддерживать.
Существует несколько проводящих
металлов II рода, которые при температурах,
близких к точке кипения водорода, становятся
сверхпроводящими. Была предложена
интересная идея использовать линии электропередачи
с проводниками, изготовленными из таких
металлов, для передачи не только
электроэнергии, но и жидкого водородного топлива.
Такая двойная система передачи энергии
могла бы стать высокоэффективной, если бы
удалось разработать экономичные методы
производства водорода совместно с выработкой
электроэнергии. Однако в настоящее время
таких конкретных проектов еще не существует.
Что же касается криогенной или
сверхпроводящей системы передачи электроэнергии,
то, несмотря на положительные результаты
некоторых исследований, мало найдется
предпринимателей, которые захотят рисковать
капиталовложениями по существу в не
проверенную на практике технологию. Только рост
энергетических нагрузок, которые нельзя
будет удовлетворить с помощью современных
средств передачи электроэнергии, может
привести к реализации этих технологических идей.
Вряд ли такие нагрузки появятся ранее конца
текущего столетия, если вообще появятся.
ПЕРЕДАЧА ЖИДКОГО ТОПЛИВА
Транспортировка танкерами
США получают около половины
потребляемой ими сырой нефти по морю из других
стран, а Западная Европа около 95 %
потребляемой нефти ввозит из стран Ближнего
Востока; Япония практически полностью зависит
от зарубежных поставщиков нефти.
Транспортные потоки сырой нефти в мире показаны на
рис. 9.10. По мере того как запасы нефти в
США будут истощаться (а они будут
истощаться, как это было показано в гл. 2),
значение танкерного снабжения нефтью будет
все больше возрастать. Будет строиться еще
большее число танкеров и их водоизмещение
будет расти, поскольку перевозка нефти
крупными танкерами более экономична.
Вероятность аварий танкеров также может
возрастать. Размеры судов нефтеналивного флота
диктуются экономическими соображениями.
Размеры танкеров исчисляются в тоннах
дедвейта (двт), что означает полную
грузоподъемность судна в метрических тоннах. Во
времена второй мировой войны грузоподъемность
танкеров не превышала 50 тыс. т. К 1965 г. в
мире насчитывался 471 танкер
водоизмещением от 50 до 200 тыс. т. В 60-е годы был
введен в действие 131 танкер водоизмещением от
200 до 300 тыс. т. Танкеры водоизмещением
более 300 тыс. т называются супертанкерами.
Крупнейшими из них являются «Globtik
Tokyo» водоизмещением 476 тыс. т, «Esso
Atlantic» водоизмещением 509 тыс. т и «Bellamya»
водоизмещением 541 тыс. т. Размеры этих
судов настолько велики, что ни один порт США
их принять не может. При полной загрузке их
осадка в воде составляет 23 м, а надводная
часть выступает лишь на 5—6 м.
Предполагается строительство других супертанкеров, и
если мировая экономика преодолеет
современное состояние застоя, они без сомнения будут
построены.
И хотя такие «гиппопотамы»
действительно очень дороги, удельные затраты на
перевозку в расчете на тонну нефти с их помощью
значительно ниже, чем при перевозке нефти
судами меньшего водоизмещения. Например,
потребление горючего у судна водоизмещением
32 тыс. т составляет в сутки около 75 т,
Рис. 9.10. Основные районы добычи и перетоки нефти в мире в 1980 г. (в тыс. т в сутки)
237

в то время как для судна водоизмещением
500 тыс. т в сутки необходимо 330 т горючего.
Многие из известных аварий с очень
крупными танкерами (200—300 тыс. т), как
сообщалось, произошли из-за ошибок экипажей.
Может быть это трудно себе представить, но
для полной остановки такого танкера,
идущего со скоростью 16 узлов в час (30 км/ч),
требуется дистанция 4,8 км и время 22 мин и
при этом необходимо, чтобы гребные винты
работали на полные задние обороты, что
делает судно практически неуправляемым. Еще
больше аварий с танкерами было
зарегистрировано из-за «поломок конструкции», что
просто означает разваливание судна на части.
Похоже, что поломки конструкции становятся
обычным явлением для танкеров, возраст
которых приближается к 15 годам.
К началу 1979 г. насчитывалось 6800
танкеров, из них более 580 имели водоизмещение
200—300 тыс. т и больше. Многие из них были
построены в начале 60-х годов, и в 80-х годах
можно ждать начала «волны» поломок конст-
рукции> которая может продлиться несколько
лет.
Тем не менее намного больше нефти
выливается при обычных операциях с ней, чем при
катастрофах с танкерами. Разгрузка танкеров
ведется малоэффективными способами, и
значительное количество нефти остается на дне
и боковых стенках резервуаров. Если танкер
предназначается для загрузки на обратном
пути, например, зерном, как это часто
бывает, то его необходимо очистить от остатков
нефти. Обычно в резервуары заливается
морская вода и затем ее выкачивают вместе с
остатками нефти. Если танкер возвращается в
район Персидского залива или какой-либо
другой район без груза, то его наполняют
морской водой с целью создания балласта и
обеспечения устойчивости судна. И в этом случае,
когда балласт выкачивают, в нем часто
содержатся остатки нефти.
Воду, содержащую нефть, нельзя просто
сбрасывать в море. Ее следовало бы собирать
в каком-либо специальном отстойнике, где
происходила бы ее очистка, а нефть,
скапливающуюся на поверхности воды в результате
процесса расслоения, откачивать. Очищенную
таким образом воду можно было бы
сбрасывать в море, не вызывая значительного
загрязнения, поскольку в ней содержалось бы очень
небольшое количество нефти. К сожалению,
эффективный контроль после того, как судно
покидает порт, не осуществляется, и печально,
но факт на большинстве судов не
предпринимается никаких дополнительных мер по
сокращению сброса нефти в море.
Другой возможностью является создание
разделительных балластных резервуаров, т. е.
отдельных баков специально для балластной
воды для обратных рейсов. Эти
дополнительные резервуары должны размещаться вокруг
нефтяных резервуаров для того, чтобы
обеспечивать дополнительную защиту на случай
ударов о грунт или скалы, в результате
которых пробивается корпус судна. Но
дополнительные резервуары означают и более высокие
затраты на строительство судов, т.е. то, на что
владельцы судов или их арендаторы идут очень
неохотно. Организация Объединенных Наций
осуществляет надзор за деятельностью
межправительственной Международной
организации по проблемам мирового океана (ИМКО).
В последние годы с нефтяными танкерами
произошло несколько аварий, в результате
которых в океан недалеко от побережья
вылилось бльшое количество нефти. Самой крупной
из них была авария с танкером «Amoco
Cadiz», который в марте 1978 г. сел на мель в
проливе Ла Манш. Вся нефть в объеме 216
тыс. т вылилось в море.
В табл. 9.3 указаны источники попадания
нефти и нефтепродуктов в океан и их среднее
количество за год (по данным на начало 70-х
годов). Из таблицы видно, что суммарное
количество нефти, попадающей в океан,
значительно больше, чем то, которое попадает в
него в результате крушения танкеров.
Попадание части этого количества нефти можно было
бы и следовало бы не допускать. Но
полностью предотвратить попадание нефти в океан
невозможно, поскольку это связано с
процессом естественной фильтрации, который
происходит постоянно и повсеместно в мире.
Нефть, попадающая в океан в результате
аварий танкеров, концентрируется в относи-
Таблица 9.3. Источники попадания нефти
и нефтепродуктов в океан
Источник
Перевозка танкерами:
водная очистка и балластировка
очистка и балластировка, не
связанная с водной промывкой
другие операции
Итого
Перевозка другими видами кораблей:
топливные цистерны
очистка трюмов и балластировка
Итого
Добыча на морском шельфе
Естественная инфильтрация
Кораблекрушения:
танкеров
других кораблей
Итого
Всего
Количество,
т/год
84 500
575 250
229 500
889 250
9 000
292 500
301 500
118 100
600 000
124 100
49 000
173 100
2 081950
238

тельно небольших районах океана и иногда
океанского побережья. Биологические
последствия попадания нефти в океан значительны,
но до конца еще не изучены. В результате
только одного выливания нефти уничтожаются
десятки тысяч живых существ, и биологической
системе океана наносится огромный ущерб,
который даже трудно подсчитать. В районах,
имеющих высокую естественную активность,
помогающую самоочистке — волны, приливы
и т. п., последствия выливания нефти
ликвидируются быстрее (авария танкера «Jacob
Maesrk» в январе 1975 г. в Португалии). В
других районах, где интенсивность волн
меньше и температура воды постоянно низка,
рассеивание нефтяного пятна может
продолжаться 10 лет и дольше (авария танкера «Metula»
в августе 1974 г. в проливе Магеллана, Чили).
Существуют также и физические
проблемы, связанные с нефтяными пятнами. Как
показано в гл. 12, благодаря взаимодействию
двух сред — воздушной и океанской — в
атмосферу попадает значительное количество
влаги, более 3-Ю11 т ежегодно. Механизм обмена
включает как испарение, так и образование
водяной пыли. Нефтяные пятна воздействуют
и на то, и на другое, сокращая количество
водяных испарений и покрывая тонкой
нефтяной пленкой мельчайшие пузырьки морской
влаги. Нефть по воде может
распространяться на много километров от места ее
попадания.
На долю морских перевозок нефти
приходится около половины всего ее количества,
ежегодно попадающего в морскую среду, и из
этого количества на долю аварий с танкерами
падает не более 10—20 %.
Трубопроводы
В трубопроводах потоки жидкостей или
газов (например, нефти или метана) носят
ламинарный характер. Для того чтобы
преодолевать сопротивление трения вязкости,
требуется насосная перекачка. В примере 8.3 был
показан изотермический характер потока в
трубе, обычно имеющий место и в
трубопроводе. Однако для того примера был выбран
турбулентный поток. В случае ламинарного
потока градиент давления не зависит от массы
потока. Соотношение между градиентом
давления и расходом может быть легко получено,
если использовать метод параметрического
анализа, описанный в гл. 8.
Пример 9.3. Используя параметрический анализ,
найдите выражение для падения давления на единицу
длины в изотермическом ламинарном потоке
несжимаемой жидкости в прямой длинной горизонтально
проложенной трубе. Физические переменные, которые могут
быть включены в выражение, — диаметр трубы D,
скорость потока v и вязкость \х:
dp
—-^- =aDavb\xc.
dL r
Если подставить размерности каждой переменной,
получим:
CML/TX1/L) _^JL^J1L^
Все экспоненты должны быть безразмерными, поэтому
2М: 1 = с\
2Т: — 2=— Ь — с, Ь=\\
SL: — 2 = а + Ь — с, а =— 2;
dp v\x
~~ dL = a D2
Это выражение можно записать как изменение
расхода V, где V=nD2v/4:
1 / яРМ dp
а \ 4\х J dL
Мультипликативный коэффициент а, определенный
экспериментальным путем, равен 2, поэтому для конечной
длины L расход, выраженный через разницу давлений
по концам трубы, будет равен:
^ пР4 (рх — р2)
~~ S\xL
Энергию, требующуюся для передачи
заданного объема по трубе, имеющей
горизонтальный уровень, можно рассчитать с помощью
полученного в примере 9.3 результата:
P=^L = iPl-p2)V, (9.2)
и по формуле, приведенной выше,
р =*Ш1 (9.3)
Поскольку потребление энергии зависит от
квадрата скорости потока, пропускную
способность трубопровода лучше увеличивать не за
счет повышения скорости потока, а за счет
использования труб большего диаметра (или
несколько труб вместо одной).
Вязкость потоков в значительной степени
определяется их составом и температурой.
Для метана, например, при том температурном
диапазоне, в котором большую часть
времени находится трубопровод, вязкость
составляет около 100мкПа-с. У сырой нефти вязкость
изменяется в таких широких пределах,
что для нее невозможно сделать никаких
обобщений. Некоторые сорта нефти, так
называемые тяжелые нефти, сохраняют вязкость и не
имеют текучести не только при комнатной тем-
239

пературе, но даже и при температурах выше
30 °С. Другие, легкие сорта нефти имеют
вязкость порядка 103 мкПа-с при комнатной
температуре. При понижении температуры,
естественно, вязкость существенно возрастает.
Именно по этой причине нефть при транспортировке,
например, по трансаляскинскому
нефтепроводу должна подогреваться. (В этом
нефтепроводе часть времени в году нефть
разогревается в результате собственного трения о стенки
труб.) Беспокойство у специалистов по
охране окружающей среды вызывают именно
нефтепроводы с подогревом.
Трансаляскинский нефтепровод
В 1968 г. за Полярным кругом на Аляске
было обнаружено месторождение нефти Прад-
хо Бей. Поскольку район месторождения
свободен от льда только 6 мес в году и
использовать танкерный флот для круглогодичной
перевозки невозможно, владельцы
месторождения решили построить наземный трубопровод
до незамерзающего порта Вальдес на
Тихоокеанском побережье Аляски. Сооружение
трубопровода началось после трех лет
слушаний в различных комиссиях. Транспортировка
нефти по трубопроводу началась 28 июля
1977 г. Суммарная стоимость строительства
нефтепровода превысила 12 млрд. долл., и
трубопровод стал самым дорогостоящим
промышленным объектом, когда-либо
сооружавшимся в мире, отодвинув на второй план
даже Панамский канал!
Протяженность трубопровода 1288,8 км,
пропускная способность 270 тыс. т нефти в
сутки. Примерно половина трассы проходит в
районах вечной мерзлоты. Вечная мерзлота
означает, что кроме тонкого слоя в несколько
сантиметров на поверхности земли, который
оттаивает в летнее время, остальной грунт
постоянно находится в замерзшем состоянии.
Нефть подогревается в среднем до 60 °С и
перекачивается 12 насосными станциями,
расположенными вдоль трассы трубопровода.
Максимальное давление нефти внутри
трубопровода не должно превышать 8140 Па, хотя
на ранних стадиях испытывались и более
высокие давления. Одна из секций трубопровода
вздулась и разорвалась, хотя сварочные швы
и не пострадали. Высокое давление
образовалось в результате закупорки
трубопровода.
Трубопровод изготовлен из звеньев
стальных труб длиной по 12,2 м с толщиной стенок
1,27 см. Эти трубы были сварены частично до
укладки в траншеи, частично во время их
укладки. У многих сварочных швов были
обнаружены дефекты и их пришлось переваривать. С
тех пор как началась эксплуатация
трубопровода, значительных утечек через
поврежденные сварные швы обнаружено не было, хотя
по общему признанию операторов
компании Alyeska Pipeline Service легко можно
обнаружить только крупные течи.
Возражения против трубопровода
основывались на следующих предпосылках: ущерб,
наносимый тундре, нарушение нормальных
миграций животных, эрозия вечной мерзлоты,
последствие возможных крупных утечек
нефти и ущерб развитию крупного танкерного
флота.
Первые три из этих предпосылок были
сведены до минимума с помощью выбора
соответствующих технических конструкций. В
районах вечной мерзлоты трубопровод проходит
выше уровня земли. Он изолирован с помощью
гравия и изолирующих оболочек. В местах
традиционных переходов северных оленей
трубопровод с помощью опор поднят на высоту от
2 до 3 м. Подъездные дороги проложены по
гравийным насыпям, таким образом
предотвращено повреждение покрова тундры.
Можно смело сказать, что за несколько лет
эксплуатации трубопровода первые три
предпосылки вредного влияния нефтепровода на
окружающую среду не проявили себя.
Влияние крупных утечек нефти на суше
или у Тихоокеанского побережья в
долговременном аспекте не изучены. В этой области
проводится много исследований, и не только в
связи с сооружением нефтепровода, но и в
связи с проведением буровых разведочных
работ на континентальном шельфе Аляски.
Тот факт, что трубопровод оканчивается в
Валдесе на морском побережье, а не идет по
суше через Канаду в Соединенные Штаты,
возможно, в перспективе будет представлять
значительно большую угрозу окружающей
среде, чем непосредственно сам трубопровод.
Гигантским танкерам современного
поколения трудно входить и выходить из порта Вал*
дес.
Вопрос о том, что делать с аляскинской
нефтью, является важнейшим вопросом.
Аляскинская нефть заменила нефть с Ближнего
Востока на тех нефтеперерабатывающих
заводах, которые имеют технические
возможности ее переработки, но многие заводы не в
состоянии ее перерабатывать. Большинство
нефтеперерабатывающих заводов западного
побережья США были построены в расчете на
индонезийскую малосернистую «маслянистую»
нефть. Предложения о сооружении
нефтепровода от какого-либо калифорнийского
морского порта до Техаса были, по существу,
блокированы. В то же время для экспорта
аляскинской нефти владельцам нефтепровода
необходимо получить одобрение президента и
разрешение конгресса. Как следствие сложив-
240

шейся ситуации, на Западном побережье США
скапливаются излишки нефти и
трансаляскинский нефтепровод работает только на
половину своей мощности.
В различных кругах обсуждаются
предложения о строительстве газопровода из Прадхо
Бей в среднезападные штаты США через
Канаду. Есть предложения о строительстве
газопровода из Венесуэлы в Техас. Эти проекты
отличаются своей грандиозностью, но
технически вполне выполнимы. Ближайшие
несколько лет эксплуатации трансаляскинского
нефтепровода покажут возможность
осуществления таких больших проектов в
будущем.
Трубопроводы используются также для
передачи угля в виде водяной пульпы. Водяная
пульпа с 50—60 %-ным содержанием
размельченного угля имеет примерно те же
характеристики перекачивания, что и вода. Однако
уголь перед сжиганием необходимо
обезвоживать, на что расходуется энергия в
количестве до 500 МДж/т. Пульпа может быть
также образована с использованием нефти,
производимой из угля непосредственно у места-
добычи. Нефтяная пульпа будет более вязкой
и потребует большего расхода энергии при
перекачивании, но нефть можно будет сжигать
вместе с углем. Смесь, состоящая, скажем, из
50 % угля, 30 % нефти и 20 % воды по
вязкости будет ближе к воде, чем к нефти, но в то
же время будет пригодна для
непосредственного сжигания. Как вариант вместо нефти
может быть использован метанол, и смесь будет
иметь низкую вязкость и также будет
пригодна для сжигания. До настоящего времени*
применялась только водяная угольная пульпа.
Расширение добычи угля в западных районах
США, возможно, сделает его транспортировку
по трубопроводам более привлекательной для
рынка среднезападных штатов.
В этой главе были рассмотрены вопросы
транспортировки энергии. Было показано, что
в ближайшем будущем современная техника,
вероятно, будет продолжать использоваться.
Как будут использоваться новые способы
передачи энергии, описанные в данной главе, в
решающей степени зависит от роста
потребностей в энергии в будущем. Если темпы
роста потребления энергии начнут снижаться, мы,
возможно, никогда не увидим на практике ни
сверхпроводящих систем передачи энергии, ни
других подобных ей необычных систем. Но
тогда не нужно будет беспокоиться ни об
истощении запасов гелия, ни о влиянии на
окружающую среду сверхвысокого напряжения,
ни о строительстве дополнительных
трубопроводов. Если кривая потребления энергии
будет продолжать расти, интерес к технологии
передачи энергии будет усиливаться.
ЗАДАНИЯ ДЛЯ АУДИТОРИИ
1. Как снабжается ваш район нефтью, природным
газом, углем и электроэнергией? Каковы удельные
капиталовложения в систему транспорта энергии, цент/
/кДж? Какая из этих систем оказывает наиболее
неблагоприятное воздействие на окружающую среду?
Каковы тенденции развития систем транспорта энергии в
вашем районе на ближайшие 10—20 лет?
2. Определить максимальную и среднюю
электрическую нагрузку в вашем районе. Каковы технические
характеристики линий электропередачи, снабжающих
ваш район электроэнергией? Какова протяженность
линий электропередачи? Каковы потери в линиях
электропередачи?
УПРАЖНЕНИЯ
1. Нефтепровод имеет протяженность 750 км и
пропускную способность 2 тыс. т/ч. Если содержание
энергии в нефти составляет 4,3-107 Дж/кг и ее используют
на ТЭС, имеющей т] = 0,4, каково будет производство
электроэнергии? Предположим, что та же энергия
должна передаваться на такое же расстояние по
трехфазной линии электропередачи напряжением 500 кВ с 10
алюминиевыми проводами сечением 350 мм2 в каждой
фазе. Каковы будут потери в такой линии?
Предположим, что на каждую фазу приходится 7з передающейся
суммарной мощности. Сравнить выходную полезную
энергию обоих вариантов.
Ответ: 3824 МВт, Яп = 39 МВт/фазу; соотношение
полезных энергий — 0,97.
2. ГЭС с напором 30 м имеет установленную
мощность 200 МВт (эл.). В результате землетрясения река,
наполняющая водохранилище, меняет свое русло, и для
наполнения его водой требуется сооружение акведука.
Какой должна быть пропускная способность такого
акведука, л/мин? Если скорость потока воды в акведуке
не превышает 1 м/с, каким должно быть его сечение?
Сопоставить скорости потоков для нескольких рек.
3. Из танкера, севшего на мель, вылилось 50 млн. т
нефти. Если для восстановления 1 т этой нефти
требуется в среднем затратить 20 кВт-ч электроэнергии,
какова «чистая» энергия, которую можно будет получить
из собранной нефти? Если первоначальный груз нефти
составлял 220 млн. т и из вылившейся нефти удалось
восстановить 75 %, насколько повысится стоимость
доставленной в итоге по назначению нефти?
4. При /=60 Гц какой должна быть индуктивность,
чтобы индуктивное сопротивление было равным 100 Ом?
Какими будут размеры такой катушки?
5. При f = 60 Гц каким будет емкостное
сопротивление конденсатора, имеющего емкость 0,01 мкф?
Может ли такой конденсатор применяться для улучшения
coscp? Может ли он использоваться в звуковых
усилителях?
6. В большинстве европейских стран частота
переменного тока составляет 50 Гц. Как будут работать на
этой частоте электрические приборы, рассчитанные на
частоту 60 Гц, например электробритвы или
электрочасы (предполагается, что напряжения в сети одинаковые,
хотя в общем случае они отличаются)?
7. Для схемы на рис. 9.11 найти частоту,
выраженную через индуктивное xL, емкостное хс и активное R
L—-—^ 1
Рис. 9.11. Схема к упражнению 7
241

сопротивления, для которой полное сопротивление
имело бы чисто активный характер. Каким будет cos ф
при этой частоте?
8. Индуктивная нагрузка имеет cos ф=0,4. Для
того чтобы сделать cos ф = 0,9, какое емкостное
сопротивление следует добавить к первоначальному
сопротивлению Хь? Почему энергокомпании заинтересованы для
уменьшения эксплуатационных расходов делать
одинаковым cos ф нагрузки у потребителей?
9. Населенный пункт, имеющий 10 тыс. домов,
снабжается электроэнергией от электростанции,
расположенной в 8 км от него. Каким будет ток, если мощность
нагрузки в среднем на одно хозяйство составляет
1200 Вт при напряжении 120 В? Каким должен быть
диамехр медного провода линии электропередачи для
того, чтобы потери в линии не превысили 10 %
мощности нагрузки населенного пункта? Каким он будет при
напряжении линии электропередачи 120 кВ? Если
стоимость меди составляет 1,10 долл/кг, какрй будет
экономия при использовании линии электропередачи
высокого напряжения?
Ответ: 105 А; 1,19 м; 102 А; 1,19 мм; 8,48-107 долл.
10. Нагрузка всех электростанций, используемых для
обеспечения Нью-Йорка электроэнергией в часы
максимума, составляет примерно 7600 МВт. Если
предположить,, что мощность передается по единственной линии
электропередачи длиной 100 км, каким должен быть
диаметр медного провода, если потери не должны
превышать 2 % мощности нагрузки при напряжении 375 кВ?
Сколько суммарной теплоты за сутки будет
поглощаться атмосферой в районе Нью-Йорка от системы
электроснабжения, включая теплоту, выделяющуюся при
работе генераторов?
И. Для работы печатного станка мощностью 6 кВт
требуется поднять напряжение со ПО до 600 В с
помощью трансформатора. Предположим, что потери в
трансформаторе составляют 5 % мощности нагрузки.
Какой должна быть минимальная площадь сечения
первичной обмотки, чтобы потери в ней были меньше 10 %
нагрузки, если первичная обмотка имеет 1000 витков,
каждый радиусом 4 см?
Ответ: 0,219 мм2.
12. Предположим, что стальной магнитопровод
трансформатора, рассмотренного в предыдущем
упражнении, массой т=110 кг поглощает 75 % выделяющейся
теплоты и имеет тепловую изоляцию. Насколько он
нагреется за 10 ч работы (первоначальная температура
Г=23°С)?
13. Сопротивление линии электропередачи длиной
400 км для постоянного тока составляет 8 Ом/км и для
переменного тока — 9 Ом/км. Активное сопротивление
нагрузки 9000 Ом, индуктивное 1000 Ом. При каком
напряжении потери в линии электропередачи составят
1 % мощности нагрузки?
14. Потери в линии электропередачи, снабжающей
город, составляют в нормальном режиме 3 % мощности
нагрузки. В один из летних вечеров нагрузка
увеличивается на 50 % нормальной. Насколько увеличатся потери
в линии электропередачи r этих условиях при
сохранении уровня напряжения (в процентах мощности
нагрузки в нормальном режиме)?
Ответ: 6,75 %.
15. Стоимость С линии электропередачи 135 кВ,
имеющей медные провода, может быть выражена через
площадь сечения проводников а следующим образом:
С= A + Ba + D/a,
где Л — постоянные издержки; В — удельная стоимость
на единицу площади; D — стоимость потерь PR. Найти
минимальное значение а, выраженное через величины
Л, В и D. Если D = 600 доллДмм^км-1) и ? = 500 долл/
/(мм2-км-1), каким будет максимальный ток в двух-
цепной линии длиной 150 км, выбранной из расчета
обеспечения минимальной стоимости. Потери не должны
превышать 1 % мощности нагрузки. Какая мощность
будет передаваться?
16. При типичном коронном разряде рассеивается
около 50 Вт/м. Примерно 80 % этой энергии
преобразуется в теплоту, остальная — в основном в световую
энергию. Предположим, что около 1 % теплоты уходит
на озонирование воздуха. Сколько озона в день будет
образовываться от трехфазной линии длиной 150 км?
Каждая фаза состоит из шести проводов, на каждом из
которых потери на корону составляют 50 Вт/м.
Ответ: 3,29-107 г/сут.
17. Предположим, что распределение потерь на
корону такое же, как в предыдущем упражнении. Если
концентрация озона в полосе отчуждения трехфазной
линии электропередачи 133 кВ не должна превышать
0,08 млн-1 по объему, какая хмаксимальная удельная
мощность разряда, Вт/м, допустима? Предположим, что
весь образующийся за 8 ч работы линии озон
накапливается. Какой должна быть в этом случае максимальная
удельная мощность разряда короны?
18. Нефтеналивной танкер общей массой 300 тыс. т,
идущий со скоростью 16 узлов, включает свои
двигатели на полный обратный ход для остановки. Для
остановки судну требуется 22 мин. Каково значение
постоянного тормозного усилия двигателей танкера?
Какова требуемая для этого выходная мощность
двигателей?
19. При скорости менее 4 узлов крупный танкер
становится неуправляемым. Дать оценку максимальным
боковым усилиям, развиваемым системой рулевого
управления танкером. Как подобное судно может
совершать маневры на малой скорости?
20. Предположим, что насосные станции
трансаляскинского нефтепровода равномерно располагаются вдоль
трассы и коэффициент перепада давлений между ними
равен 1,4. Каков диаметр нефтепровода, если расход
потока составляет 0,32*106 т/сут и р, = 10,1 Р?
Ответ 1,5 м.
21. При расходе потока нефти 0,24-106 т/сут и
радиусе 61 см сопоставить энергию, требующуюся для
перекачки, с передаваемой энергией.
22. На трансаляскинском нефтепроводе установлено
62 дистанционно управляемых блочных вентиля. Если
предположить, что они расположены равномерно по
трассе и расход потока в нефтепроводе составляет
0,32-106 т/сут, сколько нефти может максимально
выливаться при крупном прорыве нефтепровода?
Ответ: 0,232-105 т.
23. Каким может быть расход потока угольной
пульпы в трубопроводе диаметром 30,5 см с насосами,
расположенными через 150 км, если Pi = 2,7 МПа, Р2 =
= 1,35 МПа. Сколько «чистой» энергии можно передать
по трубопроводу за сутки? Энергией, расходуемой
насосами, можно пренебречь; |ы=10 Па-с.
24. Как изменится результат предыдущего
упражнения, если пульпа будет содержать нефть с \х =
= 1500 мкПа-с. Предположим, что имеется 10 насосов.
Какую энергию можно будет передать за сутки, если
учитывать затраты энергии на работу насосов?
25. В среднем при приготовлении угольной пульпы
на 1 т битуминозного угля расходуется 760 л воды.
а) Сколько литров воды потребуется для того,
чтобы обеспечить ежедневную работу электростанции
мощностью 1000 МВт?
б) Если вода будет забираться из озера, имеющего
площадь поверхности 260 га, на сколько сантиметров в
день будет опускаться уровень озера при заборе из него
воды на нужды трубопровода?
26. Природный газ передается по газопроводу
диаметром 50 см под давлением '2,76 МПа. При каком
давлении необходимо будет передавать водород для того,
чтобы поступление энергии сохранилось эквивалентным?
Ответ: 8-Ю6 Па.
242

Глава И©
Аккумулирование энергии
Создание эффективных методов
аккумулирования энергии может иметь определенное
значение в производстве и передаче
электроэнергии, в ее использовании в быту и торговле.
Эффективное решение проблемы
аккумулирования энергии позволило бы электроснаб-
жающим компаниям переключить большую
часть нагрузки, в настоящее время
покрываемую за счет пиковых электростанций и
оборудования, работающего для удовлетворения
полупиковых нагрузок, на наиболее
эффективные базисные электростанции (рис. 10.1).
К последним обычно относятся АЭС и ТЭС,
работающие на угле, имеющие высокий КПД
и большее число часов использования
установленной мощности. В полупиковом режиме
чаще всего работают старые тепловые ТЭС,
имеющие по сравнению с базисными
электростанциями меньший КПД, или ТЭС, работающие
на природном газе. В пиковом режиме обычно
работают газотурбинные установки (ГТУ)
или дизельные электростанции (ДЭС).
Повышение коэффициента нагрузки базисных
электростанций в сочетании с аккумулированием
электроэнергии, вырабатываемой в периоды
«провалов» графиков нагрузки, позволило бы
удовлетворить потребности в пиковой
энергии, не прибегая к услугам старых, менее
эффективных электростанций. В результате
такого перераспределения не только увеличилась
бы общая эффективность производства
электроэнергии, но и сократился бы расход ценных
видов органического топлива.
Совершенствование аккумулирования электроэнергии
способствовало бы также более эффективному
вовлечению в использование в рамках объеди-
Рис. 10.1. Влияние аккумулирования энергии на
суточный график нагрузки энергосистемы, снижающее
потребности в пиковых и полупиковых энергоблоках и
увеличивающее нагрузку на базисные энергоблоки
ненных энергосистем таких рассредоточенных
источников, как солнечная и ветровая энергия.
Широкое внедрение электромобилей
взамен используемых сейчас автомобилей,
работающих на химически связанной энергии
(например, на бензине), могло бы дать двойную
выгоду. Сократилось бы общее потребление
нефти и было бы ограничено распространение
такого источника загрязнения воздуха, каким
является двигатель внутреннего сгорания.
Однако даже если бы современные модели
автомобилей с двигателями внутреннего сгорания
были заменены электромобилями, проблема
охраны воздушного бассейна от загрязнения
осталась бы. Дело в том, что для зарядки
автомобильных аккумуляторов (батарей,
топливных элементов) понадобится увеличить
выработку электроэнергии на электростанциях.
Однако электростанции являются крупными и
стационарными источниками энергий и на них
существенно легче осуществлять меры по
охране воздушного бассейна от загрязнения
продуктами сгорания топлива (см. гл. 13).
Создание эффективных методов
аккумулирования теплоты в жилом секторе и в
промышленности позволило бы потребителям
воспользоваться преимуществом оплаты внепиковой
электроэнергии по пониженным тарифам,
если бы таковые существовали в США, как они
существуют в Европе. Внедрение
эффективных методов аккумулирования теплоты дало
бы дополнительные выгоды за счет
выравнивания суточных графиков нагрузки. Электро-
снабжающие компании могли бы сократить
затраты на ремонтные работы на старых ТЭС,
в настоящее время используемых в
полупиковом режиме.
Существует множество методов
аккумулирования энергии, большинство из которых было
известно еще в начале нашего столетия. Но в
настоящее время используется лишь несколько
из них, причем все они могут
усовершенствоваться. Некоторые из известных методов
аккумулирования энергии в настоящее время
являются экономически неприемлемыми или
имеют лишь теоретическое значение и могут
быть технически реализованы не ранее чем
через несколько десятилетий. Вместе с тем было
бы крайне желательно для специалистов по
охране окружающей среды иметь хотя бы
какие-то показатели по этим неиспользуемые
еще методам аккумулирования энергии, чтобы
иметь возможность сопоставлять различные
варианты.
243

ВАРИАНТЫ АККУМУЛИРОВАНИЯ ЭНЕРГИИ
На рис. 10.2 дано сравнение удельных
показателей аккумулирующей способности в
расчете на единицу массы различных систем
аккумулирования энергии. Многие из систем
нельзя рассматривать как реально возможные
устройства для аккумулирования энергии,
поскольку неизвестно, как в них эффективно
вводить полезную энергию и как затем ее
извлекать. Но тем не менее данные
характеристики помогают правильно оценить
перспективы при выборе тех или иных вариантов.
Каждая система аккумулирования энергии
может быть охарактеризована различными
физическими параметрами. Наиболее важным
из них является плотность энергии. Для
обозначения степени концентрации энергии
приняты две единицы: джоуль на килограмм и
ватт-час на килограмм. Высокая плотность
энергии означает, что большое количество ее
может быть запасено в относительно
небольшом объеме. Показатель этот важен при
транспортировке энергии, но для системы
аккумулирования энергии важен также другой
показатель— удельная мощность. Для автомобиля
могут потребоваться увеличение ускорения и
соответственно большой расход энергии в
течение коротких промежутков времени, и если
для обеспечения требуемой мощности будут
использоваться очень массивные системы
аккумулирования энергии, автомобиль будет
слишком тяжел и неэкономичен.
log -тДж/?г
0123455769 1011 1Z13 Н15 IS 17 78
I Г~1 I I I I I I I I I I I I I I i J
'4
\z
\J
H*
1—I 5
itf
h"H 7
г ив
H5>
X1°
1 //
M/2
' fJ
1/*
H Л15
L+J—I I I l_J I I L_L—I I L-l l_l I—I
16
Рис. 10.2. Сравнительные характеристики некоторых
веществ, материалов, устройств и процессов,
используемых для накопления и хранения энергии в расчете на
единицу массы:
1 — вещество — антивещество; 2 — синтез дейтерии — тритий;
3 — расщепление 235U; 4 — радиоактивный распад; 5 —
водород; 6— бензин; 7 — электрические батареи; 8 — маховики; 9 —
сжатый водяной пар; /0 — абсорбция; // — гидролиз; 12 —
сжатый воздух; 13 — упругая деформация (резина):
14—гравитация (Н20 на 300 м); 15 — конденсаторы; 16 — электромагнитные
катушки
Пример 10.1. Сравните удельную энергоемкость
бензина и плотность энергии в свинцовых аккумуляторных
батареях. Из гл. 2: ?/тб = 4,6-107 Дж/кг (табл. 2.1);
Из гл. 5: ?,/тСв.бат = 33,1 кВт-ч/кг (табл. 5.4). Тогда
33,1-60.60 Вт-с
33,1 кВт-ч/кг= = 2,4-10* Дж/кг.
1 кг
Таким образом, отношение Е/т для свинцовых
аккумуляторных батарей существенно меньше, чем для бензина.
Но надо учесть, что масса двигателя также велика,
поэтому в целом для энергосистемы сравнение отношения
Е/т не столь неблагоприятно.
Рабочее вещество аккумулятора энергии
часто определяет, где и как этот аккумулятор
может быть использован. В газовой среде
энергию запасать трудно, поскольку газы имеют
низкое отношение энергии к объему и для
повышения этого отношения надо поднимать
давление. Жидкости также требуют большого
объема для накопления энергии, но для
некоторых целей, как, например, для
производства электроэнергии, большой объем среды
накопителя может и не быть помехой.
Весьма важна химическая устойчивость
среды накопителя энергии. Вода почти не
изменяет свой химический состав под
давлением, но испаряется, если ее оставить открытой.
Неустойчивость маховых колес при
определенных условиях может представить опасность.
Воспламеняющаяся среда также имеет свои
специфические проблемы. Как было
упомянуто в гл. 5, одним из недостатков
аккумуляторных батарей является разрушение электродов
под воздействием зарядно-разрядных циклов.
Но, вероятно, наиболее серьезным
фактором является стоимость систем
аккумулирования энергии. Расчеты стоимости усложнены
тем, что в них включается несколько
составляющих. Система аккумулирования энергии
может быть представлена как две
подсистемы: преобразования энергии и хранения ее.
Удельные капитальные затраты, связанные с
первой подсистемой, снижаются по мере
увеличения системы аккмулирования энергии, а
удельные затраты, связанные со второй
подсистемой, увеличиваются с ростом времени
разряда системы. Суммарную удельную
стоимость системы можно записать как
C = Cu + CrJ, (10.1)
где Сп—удельные затраты на
преобразовательную подсистему, долл/кВт;
Сс—удельные затраты на подсистему хранения энергии,
долл/кВт; t — максимальное время разряда.
Если Сп и Сс известны или могут быть
оценены, можно провести стоимостные
сопоставления различных систем. Для многих слабо
исследованных систем получить обоснованные
показатели непросто, и, как следствие, элект-
роснабжающие компании не хотят вкладывать
средства в неопробованные технологии, что
вполне понятно. Чтобы оценить современное
244

состояние и перспективы развития технологии
аккумулирования энергии, рассмотрим более
подробно некоторые из известных систем.
МЕХАНИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ
АККУМУЛИРОВАНИЯ ЭНЕРГИИ
Аккумулирование энергии на ГАЭС
Этот метод аккумулирования кратко
упоминался в гл. 2. Он является одним из двух
механических способов аккумулирования
энергии, используемых в настоящее время (рис.
10.3). В периоды минимальных нагрузок в
энергосистеме (в ночное время)
электроэнергия от базисных электростанций используется
для приведения в действие насосов,
перекачивающих воду из нижнего водохранилища в
верхний. В периоды пика нагрузки вода
пропускается обратно в нижний резервуар,
проходя через гидроагрегат и вырабатывая тем
самым дополнительную электроэнергию для
покрытия пиковых нагрузок. Крупнейшая в
мире ГАЭС расположена недалеко от г. Лу-
дингтона в штате Мичиган. При среднем
напоре 85 м и проектном расходе воды ее мощность
в турбинном режиме составляет 2000 МВт.
Полная аккмулирующая способность
верхнего водохранилища (т.е. выработка
электроэнергии при его полном опорожнении)
составляет 15 МВт-ч. Стоимость этой ГАЭС
составила в конце 60-х — начале 70-х годов
примерно 300 млн. долл.
В настоящее время ГАЭС вырабатывают
примерно 2% всей электроэнергии в США.
Дальнейшее строительство ГАЭС ограничено
из-за трудностей выбора площадок для
сооружения таких электростанций. ГАЭС обычно
должны размещаться вблизи центров
электрических нагрузок, т. е. около крупных городов
и недалеко от базисных электростанций. В
противном случае нельзя будет избежать потерь
электроэнергии при ее передаче и потребуются
крупные затраты на дальние линии
электропередачи.
Воздействие ГАЭС на окружающую среду
проявляется следующим образом: влияние на
режим водного бассейна; отчуждение земли
под сооружение водохранилищ и здания ГАЭС,
увеличение давления на грунт, создаваемого
водоемами, ненадежность земляных плотин,
нежелательное нарушение ландшафта.
Некоторые из этих воздействий,
разумеется, носят правовой характер, и, по общему
мнению специалистов, преодолеть эти негативные
последствия сооружения ГАЭС существенно
проще, чем выбрать подходящую площадку
под ее строительство.
Вследствие этого как вариант обычных
наземных ГАЭС были предложены подземные
ГАЭС. Вода аккумулируется в небольшом
верхнем водохранилище, откуда она по
напорному трубопроводу направляется на турбины,
расположенные в подземном машинном зале
ГАЭС, который может находиться на тысячу
метров ниже верхнего водохранилища.
Создание столь больших напоров позволяет
получать значительное количество электроэнергии
при относительно неболыном, необходимом для
этого количества объеме воды. Известно, что
чем больше напор воды, тем меньше ее нужно
для выработки одного к того же количества
электроэнергии. Отработанная на турбинах
вода отводится в подземное водохранилище.
Подземные выемки для здания ГАЭС и
нижнего водохранилища могут быть образованы с
помощью бурения в скальных породах
северовосточных, северных и западных районов США.
Технология такого бурения существует, а
соответствующие высоконапорные турбины и
насосы могут быть изготовлены. В нескольких
таких местах проводятся инженерные
исследования, и первая подземная ГАЭС может
быть скоро создана. Могут быть использованы
также существующие выемки в виде
заброшенных шахт.
Сжатые газы
Идея аккумулирования энергии в сжатых
газах изучается уже почти 40 лет, но лишь
недавно она была реализована в ФРГ. На рис.
10.4 показана схема, в которой внепиковая
электроэнергия используется для привода
компрессора, нагнетающего под давлением воздух
в подземную полость. В качестве такой поло-
Рис. 10.3. Схематическое
изображение ГАЭС:
/ — линия электропередачи; 2 —
трансформатор; 3 — двигатель-генератор; 4 —
напорный водовод; 5 — верхний резервуар;
6 — насос/турбина; 7 — водовод; 8 —
нижний резервуар
245

Рис. 10.4. Упрощенная схема аккумулирования энергии с помощью сжатого воздуха:
/ — компрессор (ступень высокого давления); 2 — промежуточный охладитель, 3 — компрессор (ступень низкого давления); 4 —
всасывание; 5 — муфта сцепления; 6 — линия электропередачи; 7 — двигатель-генератор; 8 — муфта сцепления; 9 — камера
сгорания высокого давления; 10 — турбина высокого давления; /.' — камера сгорания низкого давления; 12 — турбина низкого
давления; 13 — выхлоп.; 14 — вторичный охладитель; 15 — клапан; 16 — клапан; П — воздушная полость; 18 — клапан
сти может быть использована естественная
пещера, заброшенная шахта или полость,
специально пробуренная для этих целей. Когда
требуется использовать запасенную таким
образом энергию, воздух под давлением
направляется на газотурбинную установку,
вырабатывающую электроэнергию. Данная схема,
конечно, упрощенно представляет весь процесс.
КПД такой воздухоаккумулирующей
электростанции составляет примерно 70 %, что в
большинстве случаев вполне приемлемо.
Пример 10.2. На воздухоаккумулирующей
установке в Ханторфе, ФРГ, на 1 кВт-ч вырабатываемой
электроэнергии требуется затраггить 0,8 кВт-ч
электроэнергии и 5600 кДж теплоты в турбинах. Какова
фактическая эффективность такой системы?
1 кВт.ч = 3,6-106 Дж;
выходная- энергия: ?вх=0,8-3,6-10б+ 5,6- 106 = 8,48Х
ХЮ6 Дж;
выходная энергия: ?Вых=3,6-106 Дж;
КПД ?выХ/?вх=42,5%.
Это относительно небольшой КПД. Однако и в этом
случае наличие такой воздухоаккумулирующей установки
в значительной мере улучшает использование
органического топлива, расходуемого для целей теплоснабжения.
В систему дополнительно подается
теплота, так как при сжатии воздуха
компрессорами часть теплоты должна отводиться, иначе
температура воздуха повысится до очень
высокого уровня, что может оказывать
разрушающее воздействие на стены подземной камеры.
На воздухоаккумулирующей
электростанции в Ханторфе воздух закачивается в
подземную выемку, образованную в соляном
пласте путем выщелачивания, и поэтому слишком
высокие температуры могут представлять
опасность. Проводятея технические эсперим^н-
ты по утилизации отбираемой в процессе
сжатия воздуха теплоты с помощью рекуператора
и последующему ее использованию во время
полезной работы сжатого воздуха. Такой
теплообмен может существенно сократить
потребность во внешней теплоте и, конечно,
повысить в целом КДП установки.
Пример 10.3. Предположим, что процесс сжатия
воздуха, имеющего нормальные температуру и давление, до
давления 5,0 МПа происходит адиабатически. Какой
будет конечная температура?
Из гл. 4:^1_v)/v=const.
При у= 1,4
Гк=293-1(1-1'4)/1'4=Г-50(1-1'4)/1'4 = 893,6 К (620 °С).
Для широкого внедрения систем
аккумулирования энергии с помощью сжатого воздуха
в практику электроснабжающих компаний
необходимо проделать еще очень много работы.
Должны быть изучены методы создания
подземных камер и определены геологические
условия, пригодные для аккумулирования
сжатого воздуха. Необходимо уменьшить
загрязнение воздуха, приводящего к коррозии
лопаток турбин. Следует тщательно изучить
влияние термических циклов на стенки
подземных камер. Короче, пригодность использования
систем аккумулирования энергии при помощи
сжатого воздуха в промышленных масштабах
еще не установлена.
Сжатые газы используются также для
аккумулирования энергии в гораздо меньших
масштабах, главным образом на транспорте.
В гл. 6 было показано, что одним из
препятствий для использования водорода в
автомобилях является проблема его хранения в
газообразном или жидком состоянии. Ясно, что
для повышения удельной энергии в воздухе
необходимо сохранять его под высоким
давлением. Масса резервуара для хранения водоро-
246

Рис. 10.5. Цилиндр длиной L с касательным
напряжением по окружности:
а — сечение; б — то же, вид сзади (6 — угол интегрирования)
да ограничивается. Правда, в ходе
выполнения программ по освоению космоса были
созданы прочные и легкие конструкционные
материалы, но часто они слишком дороги, чтобы
быть пригодными для широкого
использования (см. табл. 10.1).
Пример 10.4. Покажите, что касательное
напряжение на окружности в тонкостенном цилиндре (рис. 10.5)
в зависимости от внутреннего давления р, радиуса г и
высоты h может быть выражено соотношением
Рг
При равновесии SF = 0 и
2ohL = f pr sin QL db
0
или
or = pr/h.
Аналогично можно показать, что растягивающее
напряжение в сферическом сосуде выражается
соотношением
Можно использовать результат примера
10.4 и показать, что для тонкостенных
сосудов соотношение массы сосуда и массы
топлива имеет вид:
mc/mT = 3pc/?/2(>T(T, (10.2)
где рс и рт — плотности материала, из
которого изготовлен сосуд, и топлива соответственно;
р — внутреннее давление; а — максимально
допустимое напряжение.
В космических программах показатель по
удельной стоимости запасенной энергии
имеет меньшее значение, чем в расчете по
удельной массе на единицу энергии, поскольку
требуемая тяга ракеты и, следовательно, общая
стоимость всего космического корабля
определяются его массой. В настоящее время
аккумулирование энергии с помощью сжатого
газа экономически невыгодно для
практического использования и, вероятно, не "имеет
больших перспектив.
Маховики
Маховые колеса использовались некоторое
время для различных целей — в двигателях,
ручных гончарных станках, системах
стабилизации кораблей, часах и многих других
устройствах. В настоящее время проводятся
исследования в области использования
маховиков для транспортных систем, а также систем
аккумулирования электроэнергии как
непосредственно у генератора, так и вблизи
нагрузки. Ряд достижений в области
конструирования маховиков позволяет рассчитывать
на то, что этот способ аккумулирования
энергии будет экономически конкурентоспособным
в ближайшем будущем.
Аккумулирование энергии с помощью
маховиков имеет ряд преимуществ. К их числу
относятся: высокий КПД (80—90%),
бесшумность, отсутствие загрязнений, возможность
получения приемлемой мощностной
характеристики; быстрота зарядки и возможность
близкого расположения к потребителю.
Вместе с тем следует отметить, что с помощью
маховиков трудно обеспечить получение
высокой степени концентрации энергии, а стоимость
их изготовления пока еще относительно
большая.
С 1953 по 1969 г. в Алтдорфе, Швейцария,
ходил автобус, приводившийся в движение
стальным маховиком. Энергии, запасенной в
этом маховике массой 1,5 т, хватало лишь на
то, чтобы обеспечить передвижение автобуса
между остановками на расстоянии примерно
около 1 км, при этом после каждой остановки
требовалось 2 мин для разгона маховика.
После 1970 г. в конструкциях маховиков
произошли существенные улучшения —
уменьшилась масса, увеличилась аккумулирующая
способность. Для лучшего понимания путей
повышения эффективности маховиков
рассмотрим основные физические принципы их
работы.
Маховик запасает кинетическую энергию
вращения, количественное значение которой
выражается формулой
Е = — J(o\ (10.3)
где / — момент инерции маховика; со — его
угловая частота. Поскольку момент инерции
вращения любого предмета вокруг заданной
оси вычисляется по формуле
J =\r*dm, (10.4)
то, чем больше масса, чем на большем
расстоянии она будет расположена от оси
вращения и чем больше будет угловая частота, тем
большее количество энергии будет запасено.
Эти переменные параметры не могут
увеличиваться беспредельно. В конечном счете цен-
247

Таблица 10.1. Сравнительные характеристики
некоторых материалов
Предел теку-
Материал чести, МПа
Алюминий 5083
Бериллий
Углеродная фибра
Медь
Стекловолокно (тип S)
Икконель К отожженный
Магниевый сплав
PRD-49 (кевлар)
Силикат оплавленный
Сталь 301 нержавеющая
термообработанная
Титан 6A14V
124
310
2 760
69
4 830
690
124
3 590
13 790
200
830
Плотность,
г/см3
2,70
1,85
1,5
8,9
2,48
8,2
1,74
1,44
2,16
7,8
4,5
тробежные силы вращения могут вызвать
напряжения в материале, превышающие
максимально допустимые значения, что приведет к
разрушению маховика.
Из сказанного следует, что необходимы
материалы с хорошими прочностными
характеристиками. Из табл. 10.1 можно видеть, что
характеристики некоторых нетрадиционных
материалов имеют легкость и прочность
существенно более высокие, чем традиционные
металлы, применявшиеся ранее для
изготовления маховиков. Металлы обладают более
высокой плотностью, но это свойство не
всегда оказывается самым полезным. Анализируя
усилия, возникающие во вращающемся
обруче, можно показать, что зависимость макси-
а) б)
Рис. 10.6. Два типа конструкций маховиков:
а — колесо (j = mR2); б — диск (j = mR2/4)
Рис. 10.7. Маховик, изготовленный из стальной
бандажной поволоки
мальной плотности энергии от максимально
допустимого напряжения и плотности
материала выражается в виде
Етах1т = ог/р. (10.5)
С учетом этого соотношения рассмотрим
два материала с одинаковыми максимально
допустимыми напряжениями, но существенно
отличающиеся по плотности. Критическое
напряжение для более тяжелого материала
наступит при пропорционально меньшем
значении плотности энергии. Можно задаться
вопросом: сколько же в конечном счете будет
запасено энергии? Количество всей запасенной
энергии зависит от плотности энергии и
массы маховика. Из (10.5) можно видеть, что для
одного и того же максимально допустимого
напряжения отношение массы двух веществ,
необходимое для накопления равного
количества энергии, обратно пропорционально
плотностям материала этих веществ. Отсюда
для заданной массы материал с меньшей
плотностью и более высокой прочностью намного
превосходит по своим характеристикам
стандартные материалы с высокой плотностью.
Некоторые из перечисленных в табл. 10.1
материалов используются в современных
конструкциях так называемых супермаховиков.
Особый интерес представляют материалы из
волокон — углеволокно, стекловолокно или
силикатное волокно, поскольку они обладают
анизотропными физическими свойствами. Для
таких материалов допустимые растягивающие
напряжения, направленные вдоль волокна, на
несколько порядков больше, чем допустимые
напряжения в поперечном направлении.
В практике применяется много различных
конструкций маховиков (рис. 10.6). В
составных маховиках, включающих такие
компоненты, как волокно, проволоку, маталлизирован-
ные нити, плотность энергии достигает
20 Вт-ч/кг, но их производству в
промышленных масштабах препятствует высокая
стоимость нетрадиционных материалов, из которых
они изготавливаются. Плотность энергии для
маховиков, производство которых
экономически приемлемо в настоящее время,
приближается к 10 Вт-ч/кг. Современные маховики
сравнимы с кислотными свинцовыми
аккумуляторными батареями по плотности
запасаемой энергии и в зависимости от различных
авторских оценок могут конкурировать с ними
и по стоимости. На рис. 10.7 показан
относительно дешевый маховик с ободом,
изготовленным из стальной проволоки. Этот маховик
может аккумулировать примерно 1 кВт-ч
энергии при частоте вращения 15 000 мин-1.
Маховики из волоконных материалов имеют
также то преимущество, что при разрушении
они превращаются в массу спутанных волокон,
248

а не разлетаются на куски, летящие со
скоростью пули, как в случаях с металлическими
маховиками.
Характер разрушения маховиков особенно
важно учитывать при использовании их на
транспорте. Транспортные средства должны
быть небольшими. Масса маховика должна
быть при этом не больше нескольких сот
килограммов. Общая масса привода
транспортного средства будет, вероятно, превышать
200 кг. Дальность пробега при одной
зарядке составит около 300 км при скорости 90 км/ч.
Масса свинцовой кислотной батареи, которая
смогла бы обеспечить такую же дальность
пробега, составила бы свыше 1000 кг. При
этом зарядка такой батареи заняла бы
несколько часов, тогда как для «раскрутки»
маховика требуется лишь около 5 мин. Однако
для того, чтобы «раскрутить» за 5 мин
маховик, запасающий 30 кВт-ч энергии,
требуется электродвигатель мощностью 360 кВт.
Для снижения потерь на трение маховики,
используемые для транспортных средств или
для стационарных систем аккумулирования
энергии, должны помещаться в вакуумные
камеры. Для них требуются специальные
подшипники, которые могут работать в вакууме
без смазки. Предлагалось использовать
магнитные подшипники; предполагается, что их
применение даст удовлетворительные
результаты. Подсчитано, что автомобильный
маховик такой конструкции будет находиться в
заряженном состоянии 10—12 мес.
Стационарные маховики, расположенные
у потребителей энергии, могут иметь большую
массу и не требуют такой точности при
изготовлении, как автомобильные маховики. Если
удастся снизить стоимость изготовления, то
такие системы аккумулирования энергии в
сочетании с преобразователями солнечной
энергии могут найти широкое применение в жилом
секторе и стать важным средством экономии
энергоресурсов в следующем десятилетии.
Стоимость таких систем в конце 70-х годов
составляла приблизительно 50 долл. в расчете
на 1 кВт-ч запасенной энергии. Эта удельная
стоимость слишком высокая, чтобы
конкурировать с ГАЭС при централизованном
производстве электроэнергии, но вполне
конкурентоспособна по отношению к автомобильным
батареям. Продолжение исследований в этой
области оправдано и может принести в
будущем большую пользу.
ХИМИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ
АККУМУЛИРОВАНИЯ ЭНЕРГИИ
Химической энергией называется энергия,
запасенная в химических веществах, которая
потенциально может быть выделена в чистом
виде в ходе определенных химических реакции.
Эта форма аккумулирования энергии имеет
ряд очевидных преимуществ, к которым
относятся: высокая плотность энергии, легкость
преобразования в другие формы энергии,
потенциальная возможность превращения
веществ в первоначальное состояние,
налаженная система обращения.
Химическая энергия, запасенная в
нефтепродуктах, обеспечивает деятельность всей
транспортной системы. И хотя химические
реакции, при которых из нефтепродуктов
получают энергию, на практике являются
необратимыми, легкость обращения и относительно
низкая их стоимость делают другие формы
химически связанной энергии сравнительно
малопривлекательными. Этот тип химически
связанной энергии нельзя рассматривать в
качестве системы аккумулирования энергии,
как, например, это происходит в случае с
ГАЭС. Для образования этих топлив
понадобились такие затраты энергии, которые
трудно представить сейчас. С точки зрения
обеспечения обратимости, т. е. превращения
химически связанной энергии в чистую энергию и
обратно, не так много химических реакций
имеет нужные для этого характеристики.
Примером химического механизма
аккумулирования энергии является реакция,
происходящая у электродов батарей при
преобразовании электроэнергии в химическую энергию.
Эта реакция была подробно рассмотрена в
гл. 5, и здесь не будет повторяться ее
описание. Можно просто еще раз отметить, что эта
форма аккумулирования энергии не может
удовлетворить современным требованиям ни
при централизованном производстве
электроэнергии, ни при использовании в
транспортных средствах, если не будут созданы батареи
с более высоким КПД.
Существуют и другие химически
связанные формы энергии, которые в перспективе
могут быть использованы для ее
аккумулирования. Рассмотрим подробнее некоторые из
них.
Обратимые химические реакции
Для аккумулирования энергии могут быть
использованы такие химические реакции, для
прохождения которых в одном направлении
требуется большое количество энергии,
которая выделяется, когда реакция идет в
обратном направлении. Обратимые химические
реакции обычно запасают энергию в виде
теплоты, и такие реакции рассматриваются в
параграфе «Аккумулирование теплоты». Такие
реакции объединены в одну группу, хотя и до
некоторой степени условно, поскольку в
результате происходит полное изменение хими-
249

ческих свойств веществ, участвующих в них.
Некоторые химические реакции предлагались
в качестве средства для аккумулирования и
транспортировки энергии, вырабатываемой на
солнечных й ядерных энергетических
установках. Обратная каталитическая реакция мета-
низации имеет достаточно большую скорость
при высоких температурах:
СН4 + Н20 ^ СО + ЗН2. (10.6)
Используя методику, описанную в гл. 6,
можно рассчитать аккумулирующую способность
этой реакции.
Пример 10.5. Химическая реакция по (10.6)
происходит при /=200 °С. Каким будет значение
аккумулированной энергии в расчете на грамм-молекулу (моль)
реагентов?
Согласно методике, приведенной в гл. 6, определим
энтальпию реагентов [(см. 6.3)], принимая во внимание,
что реакция идет при повышенной температуре [(см.
6.4]):
MiR + Д/1 (CHJ + с (СН4) ДГ + ДЯ (Н20) +
+ с (Н20) АГ = А/г (СО) + с (СО) ДТ +
- 4ДА (Н2) + 4Л/1 (Н2) + 4с (Н2) ДГ;
AhR = 469,2-103 Дж/моль.
Ни одну химическую реакцию нельзя
полностью использовать для аккумулирования
энергии. Ни одна реакция не идет полностью
в прямом или обратном направлении, и всегда
в результате как в левой, так и в правой
частях уравнения образуются вещества, не
являющиеся основными для данной реакции. На
перенос, образование и сохранение этих
веществ расходуется энергия, и происходит
некоторая потеря полезного для данного
процесса вещества. Тем не менее обратимые
химические реакции типа представленной в (10.6)
исследуются в настоящее время с точки
зрения их использования в системах с
солнечными источниками энергии.
Водород
Водород как средство передачи и
распределения энергии, а также методы его
производства были рассмотрены в гл. 6.
Поскольку ясно, что производство водорода требует
затрат энергии, которую, однако, затем почти
полностью можно возвратить с помощью
топливных элементов (гл. 5) путем его
сжигания (гл. 6), в данном параграфе рассмотрим
более подробно не производство, а хранение
водорода. В частности, рассмотрим хранение
водорода в форме, удобной для его
использования на автомобильном транспорте.
Водород может храниться в газообразной
и жидкой форме или как составная часть
какого-либо химического соединения. Как уже
отмечалось, аккумулирование энергии в форме
сжатого газа имеет свои ограничения из-за
низких соотношений между содержанием газа и
массой баллонов, в котором он хранится,
особенно в случае его применения в
качестве моторного топлива на автотранспорте.
Хранение водорода в жидкой форме также
имеет свои трудности. Водород сжижается
при температуре —252,87°С, и для его
сжижения требуются значительные затраты
энергии. Длительное криогенное хранение без
больших потерь затруднительно, к тому же
безопасность его хранения представляет
действительно серьезную проблему. Вариантом
компактного и безопасного хранения
водорода является хранение его в составе особого
класса компаундов — металлических
гидридов.
Когда водород принудительно под
давлением вступает в контакт с очищенной
поверхностью какого-либо металла, значительное
количество водорода в атомарной форме (Н)
«растворяется» в металле. Атомы водорода
занимают пространство между атомами
металла в так называемом межрешеточном
пространстве. При очень высоких давлениях
отношение атомов водорода к атомам металла
будет больше 1, а часто может превышать и 2.
В этом случае происходит образование
химических соединений, известных под названием
гидридов.
Гидриды могут быть образованы с любым
чистым элементом и с большей частью
двойных сплавов. Однако для того, чтобы они
служили целям аккумулирования энергии,
первичные материалы должны обладать
определенными свойствами, а именно: способностью
образовывать гидриды при сравнительно
низких давлениях и разлагать гидриды при
сравнительно низких температурах, быть
дешевыми и иметься в изобилии, быть устойчивыми
при многократных зарядно-разрядных циклах
и не представлять никакой опасности.
Ни один из известных до настоящего
времени металлических гидридов не отвечал
полностью всем перечисленным требованиям. Для
большинства из них характерна высокая
степень пожароопасности, причем с очень
высокой температурой горения. Однако
большинство гидридов имеет более высокую удельную
энергоемкость (по объему) по сравнению с
жидким и газообразным водородом
(табл. 10.2).
К сожалению, использование водорода в
свободном состоянии в качестве моторного
топлива в большинстве марок автомобилей
существенно увеличивает их массу. Вместе с
тем следует отметить, что соотношение
запасенной энергии и массы автомашины для
водородных систем составляет величину одного
230

Таблица 10.2. Свойства некоторых металлических
гидридов
Гидрид
MgH2
MgNiH4
FeTiHll95
Жидкий водород
Газообразный
водород
Доля запасенного
водорода по
массе, %
7
3,2
1,75
100
100
Удельное
содержание энергии,
Дж/г
9.91Й
4,477
2,469
141,838
141,838
*?[
+ + + + + + + + +
порядка по сравнению с аналогичным
показателем для электромобилей с
аккумуляторными батареями, которые по своим
технико-экономическим показателям могут оказаться
приемлемыми для широкого использования. Этот
факт в сочетании с тем, что водородные
двигатели работают фактически без
загрязняющих выхлопов, делает систему
аккумулирования с использованием металлических
гидридов особенно привлекательной для
применения в будущем. Безусловно,
исследования в этой области будут продолжаться.
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ
АККУМУЛИРОВАНИЯ ЭНЕРГИИ
Для создания статических электрических,
магнитных или электромагнитных полей
требуется энергия. С помощью таких полей
можно было бы создать эффективную систему
аккумулирования энергии, если бы удавалось их
создавать и поддерживать без дополнительных
затрат энергии. Такие способы существуют, и
мы рассмотрим их в этом параграфе.
Электростатические системы
Если параллельно расположенные
проводящие пластины с площадью поверхности А
и расстоянием между ними d поместить в
вакуум и подсоединить к батарее, имеющей
ЭДС, как показано на рис. 10.8, то
электрические заряды в образовавшейся цепи
перераспределяются таким образом, что через
определенное время будут выполняться
следующие условия:
на обеих пластинах накапливается заряд
между пластинами образуется разность
потенциалов ?/, эквивалентная ЭДС батареи,
включенной в цепь;
между пластинами образуется однородное
электрическое иоле напряженностью Е (если
пренебречь краевым эффектом). Поскольку
перераспределение зарядов на пластинах
происходит в результате работы, образование
электрического поля между пластинами можно
считать удобной формой аккумулирования
=:/
у у у У У
Рис. 10.8. Конденсатор, образованный двумя
параллельными пластинами с площадью поверхности Л и
расстоянием между ними d
энергии. Количество запасенной энергии
зависит от напряженности электрического поля,
определяемой как приложенным потенциалом,
так и физическим распределением заряда.
В целях обеспечения сопоставимости
характеристик различных электростатических
зарядных устройств следует ввести ряд формул,
необходимых для определения количества
запасенной энергии. Некоторые из основных
закономерностей уже были представлены в гл. 9,
однако здесь они приводятся применительно к
электрическим полям.
Работа по перенесению заряда dq в точку,
имеющую потенциал U, равна
dW = Udq. (Ю.7)
Отсюда суммарная работа по зарядке
устройства будет равна
W = $Udq. (Ю.8)
Экспериментально установлено, что для
любой конфигурации электродов отношение
заряда к потенциалу между электродами
всегда постоянно. Это постоянное отношение
удобно использовать для характеристик зарядного
устройства; оно получило название емкости, а
само устройство — конденсатора. Единицей
электрической емкости является фарада,
которая представляет собой отношение кулона к
вольту:
C = q/U. (Ю.9)
Подставля это значение в (10.8), получаем
значение энергии, запасенной в конденсаторе,
W = CUV2. (10.10)
Поскольку конденсаторы могут быть
различных форм и размеров, значение плотности
энергии для их характеристики является
более полезным в расчетах, чем значение самой
энергии. Для конденсатора с параллельными
обкладками плотность энергии выражается
формулой
и =WIAd = (CUV2)/Ad. (10.11)
Обычно можно рассчитать емкость для
заданной конфигурации обкладок. Не вдаваясь
в подробности расчета, связанного с общей
формой обкладок, отметим, что для конденса-
251

тора, имеющего параллельные обкладки, он
довольно прост. Для этого случая
C = s0A/dy (10.12)
и поскольку для параллельных обкладок
h = U/d = q/Cd, (10.13)
то
Е = д/г0А, (10.14)
где ео — абсолютная проницаемость, равная
8,85 пФ.
Если пространство между обкладками
заполняется диэлектриком с относительной
диэлектрической проницаемостью 8, то
подставляя значение ? из (10.13) в (10.11) и
заменяя ео на е, получаем
и = гЕЩ. (ЮЛ5)
Удельная энергия выражается в джоулях
на кубический метр, а напряженность
электрического поля — в вольтах на метр.
Конденсатор имеет хорошую изоляцию,
предотвращающую утечку заряда, и остается
заряженным и после отключения источника
напряжения в течение значительного времени.
Продолжительность этого периода
определяется постоянной времени разряда
изолированного конденсатора
т = ЯС, (10.16)
где R—сопротивление пути утечки, Ом.
Энергия, запасенная конденсатором, может
быть выдана путем подсоединения его к
электрической цепи. Такая форма
аккумулирования энергии весьма эффективна при условии,
что время хранения энергии не будет слишком
длительным
Количество энергии, которое может быть
запасено, зависит от размеров конденсатора
и типа изоляционного материала.
Изоляционные материалы обычно классифицируются по
отношению е к ео, обозначаемому постоянной
К*. Для каждого изоляционного материала
существует некоторое критическое значение
напряженности поля, называемое электричес-
Таблица 10.3. Электрические свойства некоторых видов
изоляции
Изоляция
Вакуум
Воздух
Найлон
Бумага
Стекло
Полиэтилен
Тефлон
Двуокись титана
Постоянная К
1,00000
1,0005
3,5
3,5
4,5
2,3
2,1
10
Электрическая
прочность, кВ/мм
_
0,8
59
14
13
50
60
6
* Принято в США. (Примеч. перев.).
252
кой прочностью, при котором наступает
пробой диэлектрика. В табл. 10.3 приводятся
значения постоянной К и электрической
прочности для некоторых изоляционных
материалов.
Пример 10.6. Какова будет площадь обкладок
плоского бумажного конденсатора, расстояние между
которыми 5 мм, если он накапливает энергию 3,6-103 кДж?
Максимальная напряженность электрического поля
для бумажного диэлектрика согласно табл. 10.3
составляет 14 кВ/мм, поэтому максимальное приложенное
напряжение 14-5=70 кВ. Из (10.11)
2uAd 2 (3,6.'10е) л лл1Г ^
С = = —— — = 0,0015 Ф.
?/2 (70-103)2
Из (10.12)
Площадь нерационально большая и очевидно, что
обкладки таких размеров изготовить практически
невозможно.
Количество энергии, которая может быть
накоплена в конденсаторе примера 10,6,
составляет лишь 1 кВт-ч. Очевидно, что
аккумулирование электроэнергии с помощью
конденсатора в масштабах, необходимых для
современных объединенных
электроэнергетических систем, невозможно. Однако такой
способ накопления энергии может быть применен,
когда необходимо обеспечить значительную
нагрузку в течение очень короткого времени
(несколько микросекунд). Масса
конденсаторов, необходимых для накопления большого
количества энергии, как правило, получается
чрезмерно большой. Как видно из рис. 10.2,
удельная аккумулирующая способность в
расчете на единицу массы конденсатора очень
небольшая.
ИНДУКТИВНЫЕ СИСТЕМЫ
АККУМУЛИРОВАНИЯ ЭНЕРГИИ
Плотность энергии электромагнитных
полей, как правило, не очень отличается от
плотности энергии электростатических полей,
однако в определенных условиях можно
добиваться высоких значений плотности энергии
электромагнитных полей.
Если катушка индуктивности с полым
сердечником, заполненным воздухом,
присоединена к батарее, как показано на рис. 10.9, через
некоторый момент времени в цепи будет
протекать постоянный ток /, внутри и вокруг
катушки индуктивности установится постоянное
магнитное поле.
Для образования магнитного поля в
катушке индуктивности необходимо произвести
работу, поскольку в начальный момент в ней
возникает противо-ЭДС, которая зависит от
скорости изменения тока, в свою очередь за-

Рис^ 10.9. Катушка индуктивности В, имеющая длину
обмотки / и площадь поперечного сечения А
висящей от физических характеристик
катушки. Экспериментально устнановлено, что
отношение противо-ЭДС к скорости изменения
тока является величиной постоянной для
катушек индуктивности определенной
конфигурации. Это отношение называется
индуктивностью:
L = \E\ldildt.
(10.17)
Индуктивность, равная 1 Гн, создает
скорость изменения потока, равную 1 В-с/А.
Если сопротивление цепи равно нулю, то для
поддержания этого потока требуется
мощность
Р =
dW
dt
dt
(10.18)
где dW/dl — скорость накопления энергии
цепью индуктивности.
Значение энергии можно вычислить путем
интегрирования (10.18):
W = jW = \Li di = — Li\ (10.19)
Для некоторой катушки индуктивности,
имеющей площадь сечения А и длину
проводника обмотки /, плотность энергии
и = 0,5ШЛ/, (10.20)
Как и для конденсаторов, индуктивность
катушки определяется ее физическими
параметрами. Часто индуктивность довольно
трудно рассчитать, и методы ее расчета подробно
рассматриваются во многих работах. Здесь
приводятся лишь результаты, необходимые для
дальнейшего анализа. Индуктивность катушки
L = [x0n4Af (10.21)
где п—число витков катушки; \х0—магнитная
проницаемость воздуха (1,26-Ю-6 Гн/м).
Соотношение между током и индукцией
магнитного поля
Удельная энергия, таким образом, может
быть выражена через индукцию магнитного
поля
и =
(10.23)
2 \х0
Это соотношение аналогично (10.15) для
конденсаторов, и можно и для магнитного поля
говорить о накоплении энергии. Однако между
индуктивностью и емкостью в этом смысле
существует большое различие. В
конденсаторе, после того как отключается источник
зарядного напряжения, заряд на обкладках
сохраняется в течение времени, определяемого
состоянием изоляции. У катушки
индуктивности, после того как отключается ток, магнитное
поле исчезает, а накопленная энергия
поступает обратно в электрическую цепь.
Пример 10.7. Какова плотность энергии в катушке
индуктивности, имеющей 50 витков, если по ней
протекает ток 10 А?
Из (10 20)
LP/2
ц0 п* Ш2/2
= (1,26.10-*) 50* X
Al AI
X 102.0,5 = 0,1575 Дж/м3.
Значение энергии невелико. Поскольку плотность
энергии изменяется линейно в зависимости от индуктивности,
для накопления значительного количества энергии в,
магнитном поле катушки размеры последней были бы очень
велики.
Представим электрическую схему (рис.
10.10), в которой после появления тока в
катушке индуктивности выключатель
переключает ее на короткозамкнутую цепь, а когда от
катушки требуется получить энергию (за счет
самоиндукции), выключатель возвращается
в исходное положение. Как и для емкости, в
этом случае существует соответствующая
постоянная времени
т = Ш,
(10.24)
где R—сопротивление катушки индуктивности.
Для очень больших катушек индуктивности
постоянная времени также будет достаточно
большой, чтобы значение тока за время
коммутации заметно не изменялось.
В такой схеме возникает свободная
циркуляция тока, но она не очень эффективна для
накопления энергии при использовании
обычных проводов из-за потерь энергии в их
сопротивлении, и через некоторое время вся
запасенная энергия будет рассеяна в виде теплоты,
выделяемой в обмотках. Такая система мо-
В = (х0 in.
(10.22)
Рис. 10.10. Электрическая fj-л
схема, обеспечивающая за- J
ряд и разряд катушки
индуктивности
253

жет иметь практическое значение, только
если ее активное сопротивление будет очень
малым, близким к нулю.
Были предложения использовать для
аккумулирования электроэнергии
сверхпроводящие катушки индуктивности. Они должны
представлять собой крупные установки на
прочных фундаментах с жестким креплением,
чтобы противостоять механическим нагрузкам,
возникающим под действием
циркулирующего тока. В конструкциях должны
использоваться сверхпроводники II рода, рассмотренные в
гл. 7, поскольку они имеют более высокие
значения критических напряженностей магнитного
поля. В таких катушках возникают небольшие
потери однако это несущественно, поскольку
аккумулирования энергии на время, большее
10—12 ч, от таких устройств и не требуется.
По оценке стоимость сверхпроводящих
систем аккумулирования энергии существенно
выше, чем других прошедших испытания
систем. Большая часть стоимости приходится на
криогенную охладительную систему. Здесь
значительную экономию можно поручить,
если создать и применить новые материалы,
имеющие существенно более высокие
критические температуры. Результаты
исследований, проводимых в настоящее время, могут
кардинально изменить ситуацию уже в
ближайшее десятилетие.
АККУМУЛИРОВАНИЕ ТЕПЛОТЫ
Аккумулирование энергии
непосредственно в форме теплоты и получение ее от
аккумулятора в той же самой форме имеет
большое значение не 'Только для производства
электроэнергии, например на солнечных
электростанциях, но и для потребителей энергии,
в частности в коммунально-бытовом секторе
и сфере обслуживания. В Западной Европе
уже длительное время действуют
дифференциальные тарифы, по которым потребители в
этих секторах экономики платят меньше за
электроэнергию, если она расходуется в
периоды провалов графиков нагрузки. В США
такие тарифы до недавного времени не
применялись, но в будущем они, вероятно, получат
более широкое распространение.
Аккумулирование явной теплоты
В системе аккумулирования такого гипа
теплота используется для того, чтобы повысить
температуру большой массы какого-либо
вещества, которое термически изолировано от
внешней среды с целью сокращения потерь
теплоты. Такая технология может быть
использована и для низко- и высокотемпературной
теплоты. В течение многих лет в ФРГ
используется технология аккумулирования
высокотемпературного пара, производимого в часы
внепиковой нагрузки. Основная трудность
создания аккумуляторов высокотемпературной
теплоты состоит в их высокой стоимости. Как
правило, это стальные емкости, обеспечивающие
хранение пара под давлением. Однако для этих
целей могут быть использованы также и
подземные полости. Аккумуляторы явной
теплоты в виде пара при электростанциях требуют
создания довольно больших емкостей.
Пример 10.8. Каким должен быть объем емкости
для аккумулирования явной теплоты в форме
насыщенного пара при температуре 200 °С, содержащей запас
энергии, эквивалентной 65 МВт-ч?
Из справочных данных *
/1 = 279,3 кДж/кг.
(6,5-106)60-60
Количество пара Q = кг.
При 200 °С удельный объем пара составляет
0,127 м3/кг, поэтому V = 0,127Q и
0,127-3,6Ь(65-109)
F= 279,3-103 -1.064.10»,..
Такой объем соответствует цилиндрическому баку
диаметром 60 м и высотой 40 м! В данном расчете не
учтены потери. На самом деле нужно накопить в такой
системе по крайней мере на 30 % больше того
количества теплоты, которое требуется получить от нее после
хранения в течение 6—8 ч.
К преимуществам системы
аккумулирования высокотемпературной теплоты относится
довольно высокая удельная энергия,
сопоставимая с удельной энергией электрических
батарей. Основным их недостатком является
трудность в достижении соответствующей
теплоизоляции аккумуляторных резервуаров.
Аккумулирование теплоты обычно не
требует дорогостоящих резервуаров высокого
давления, но, с другой стороны, необходим
значительно больший объем теплоносителя для
сохранения заданного количества энергии.
Некоторые американские компании совместно с
министерством энергетики США проводят
испытания нескольких систем аккумулирования
явной теплоты для промышленных и бытовых
потребителей.
Системы аккумулирования явной теплоты
могут также быть использованы для
накопления холода. На рис. 10.11 представлена схема
использования ночной внепиковой энергии для
охлаждения резервуара с помощью
холодильной установки. В дневное время воздух в
здании охлаждается в теплообменнике.
Полученная при этом низкопотенциальная теплота
отводится в резурвуар с водой. Такая система
* Теплоэнергетика и теплотехника: Общие вопросы.
Справочник/Под общ. ред. В. А. Григорьева и В. М.
Зорина.— М.: Энергия, 1980. — 528 с. (Теплоэнергетика и
теплотехника),
254

Холодильный
Нагреть/й доздух
Рабочая среда i
нанопителя

Теплообменник
Охлажденный воздух
Рис. 10.11. Система аккумулирования холода
установлена в ряде крупных
административных зданий, однако
архитектурно-строительные фирмы США не спешат включать такую
систему в типовые проекты из-за
неопределенностей в отношении ее стоимостных
показателей.
Аккумулирование скрытой теплоты
Еще одним способом аккумулирования
теплоты является использование различий в
физическом состоянии вещества,
заключающихся во внешнем воздействии на вещество с
целью вызвать его переход из твердой фазы
в жидкую или из жидкой в парообразную. При
подобном изотермическом превращении
состояния вещества либо поглощается, либо
выделяется определенное количество теплоты в
зависимости от того, в каком направлении оно
происходит. Такая теплота называется
скрытой теплотой фазового превращения.
Некоторые специфические формы изменения
состояния вещества, такие как плавление,
конденсация, испарение и т. п., также связаны с
поглощением или выделением теплоты. Для
большинства химически чистых веществ их
преобразование не связано со значительным
выделением (или поглощением) теплоты.
Многие другие вещества имеют более
высокую теплоту фазового превращения. Удель-
ня теплота испарения, лития, например,
равна 19,74 кДж/г, но, к сожалению,
температура кипения лития составляет 1315 °С и намного
превышает те значения, при которых
вещество может иметь практическую ценность для
систем аккумулирования энергии.
Двойственность требований, касающихся высоких
значений скрытой теплоты и умеренных значений
температуры фазовых превращений,
исключает применение большинства веществ в
системах аккумулирования энергии.
Однако существует категория веществ,
называемых гидратами, которые удовлетворяют
всем необходимым требованиям. Гидратами
называются химические соединения, в которых
молекулы воды занимают определенные места
в кристаллической решетке. Для того чтобы
такие химические соединения расплавить,
Таблица 10.4. Свойства некоторых гидратов
Гидрат
AI2(S04)3 12H20
NaC2H302 3H20
LiN03 3H20
Na2S04 10Н2П
I(Na2S04 10H2O) +
+ 1,5(NH4C1)
и
«3 О
о- ~
а 5
тер
вле
SS
н§
88
58
30
18
11
К X
ч X
с5
та х
и
с g
ffg
260
264
306
186
162
Удельная
теплоемкость,
кДж/(кг-°С)

твердая
фаза
0,46
0,60
0,58
0,54
0,41

жидкая
фаза
0,03
1,00
0,94
1,00
0,77
»
)СТ1
h
^ о
с т:
1,56
ЬЗо
1,44
1,58
1,41
требуется довольно большое количество
энергии. В процессе плавки вода коагулируется,
вещество растворяется в этой воде и
образуется так называемый гидратный раствор.
В табл. 10.4 перечислены некоторые такие гид-
ратные вещества.
Многие из них имеют точки плавления в
подходящем диапазоне и обладают
достаточно высокой теплотой плавления, чтобы
представить интерес с точки зрения использования
в системах аккумулирования энергии. Эти
вещества достаточно широко распространены
и не представляют особой опасности для
окружающей среды.
Пример 10.9. Каким может быть значение
аккумулированной энергии на единицу массы гидрата
Na2SO410H2O для эффективного объема 3 м3 при
изменении температуры от 15 до 50 °С?
Q = Ст т (Тп - Гн) + Ln m + Сж m (7В - Тп);
m = pV= 1,51-3 (102)3 = 4,53-Ю3 кг;
Q= [0,54(18— 15)+ 186+ 1,0 (50— 18)]Х
X 103(4,53-Ю3);
Q= 994,9-106 Дж;
Q
— = 219,6-103 Дж/кг.
m
Существенное количество энергии!
Гидраты могут быть также эффективно
использованы в системах аккумулирования
холода. Но ни аккумулирование теплоты, ни
аккумулирование холода с применением
гидратов не получит широкого распространения в
системах отопления или охлаждения До тех
пор, пока не будут выяснены некоторые
вопросы. Смогут ли эти вещества выдерживать
многократные циклы преобразования? Могут
ли быть созданы подходящие поверхности для
теплообмена? Может ли быть снижена
стоимость таких систем? Гидраты применяются
для аккумулирования энергии во многих
солнечных отопительных установках,
применяемых в жилом секторе США. По мере
накопления опыта эксплуатации можно ожидать, что
сфера их применения будет расширяться.
255

Таблица 10.5. Сравнение различных систем
аккумулирования энергии по экономическим
показателям [см. (ЮЛ)]
Система аккумулирования
Электрические батареи
Пневматические установки
Маховики
Водородные установки
Насосы ГАЭС
Тепловые аккумуляторы
С , долл/кВт
80
290
80
600
250
450
Сс. долл/(кВтХ
Хч)
49
1 5
100
20,
15
18
В данной главе было рассмотрено
несколько способов аккумулирования энергии, часть
из которых уже применяется на практике, а
применение остальных изучается и в области
централизованного производства
электроэнергии, и для автомобильного транспорта, и для
жилых и общественных зданий (табл. 10.5).
Рассмотрены также основные физические
принципы, необходимые для анализа и
сопоставления систем аккумулирования энергии с
целью обоснования применения той или иной
из них в каких-либо конкретных условиях.
Аккумулирование энергии может помочь в
решении проблемы «энергетика — окружающая
среда», но, вероятно, пройдет немало времени,
прежде чем техника аккумулирования
энергии достигнет такой степени совершенства,
когда ее вклад в энергоснабжение, в
частности в сфере транспорта, станет ощутимым.
ЗАДАНИЯ ДЛЯ АУДИТОРИИ
1. Построить суточные графики электрической
нагрузки в будний и воскресный дни недели для дома,
квартиры или общежития и в соответствии с этими
графиками оценить общее энергопотребление. Оценить
экономию энергии, которую можно было бы получить
путем ввода переменной тарифной оплаты в
зависимости от времени суток и использования различных систем
аккумулирования и сохранения энергии.
2. В большинстве зданий существует по крайней
мере три способа сохранения энергии. Определить, какие
способы сохранения энергии используются в вашем
здании? Определить также дополнительные возможности
сохранения энергии в здании, которые можно было бы
использовать.
УПРАЖНЕНИЯ
1. Рассчитать, какое расстояние может проехать ав-
ггомобиль на энергии, содержащейся в 1 м3 бензина,
свинцовой аккумуляторной батареи и водорода при
давлении 2 МПа. Средний расход энергии составляет 4,8X
ХЮ6 Дж на 1 км пробега.
Ответ: 5,7-103, 60 и 48 км соответственно.
2. Сравнить удельное содержание энергии,
запасенной в среднем в одной молекуле расщепляющегося
вещества и бензина.
3. В табл. 10.5 приводятся коэффициенты уравнения
(ЮЛ) для некоторых систем сохранения энергии. Каким
должно быть время разряда системы, аккумулирующей
тепловую энергию, при котором ее стоимость
эквивалентна стоимости современной аккумуляторной
электрической батареи при условии равенства удельного
содержания энергии?
4. Во сколько раз надо уменьшить стоимость
системы, аккумулирующей энергию водорода, эквивалентную
5000 МВт, чтобы общая стоимость 10 ч хранения
энергии в ней стала эквивалентной стоимости накопления
и хранения энергии в аналогичной системе для сжатого
воздуха при тех же условиях?
5. Каким был бы расход воды у ГАЭС Лодингтон,
штат Мичиган, если бы ее мощность составляла
2000 МВт? Оцените дополнительную массовую нагрузку
на единицу площади грунта водохранилища при средней
глубине 10 м.
Ответ: 2,67-1013 м3/с и 9,8-104 Н/м2.
6. Каким был бы объем подземного водохранилища
на глубине 600 м при той же самой, что и в
предыдущем упражнении, установленной мощности ГАЭС?
7. На установке в Ханторфе воздух закачивается в
подземный резервуар объемом 3-Ю5 м3 до давления
6900 кПа, причем сжатие воздуха происходит по
адиабатическому закону. Какое количество теплоты следует
отводить в процессе сжатия для того, чтобы
температура сжатого воздуха оставалась постоянной?
Ответ: 5,15-1012 Дж.
8. Вывести (10.2) и показать, что отношение
массы резервуара к массе энергоносителя для газа с
относительной молекулярной массой Ат и температурой
Г К в сферическом резервуаре выражается формулой
тр _ Зрр^Г
тТ 2ЛГ о
где R — общая газовая постоянная.
9. Для сферического резервуара сравнить
отношение масс резервуар/энергоноситель для алюминия 5083,
бериллия и нержавеющей стали 301 при давлениях,
соответствующих пределу их текучести. Сравнить
запасенную в каждом случае энергию, если используется газ
бутан (Г=20°С).
10. Если маховик автобуса массой 1500 кг и
диаметром 1 м заменить такой же массой автомобильного
горючего и предположить, что масса двигателя
внутреннего сгорания равна массе электродвигателя,
установленного в автобусе, как изменится расстояние между
остановками для заправки? Принять частоту вращения
маховика равной 3600 мин-1.
Ответ: Расстояние увеличится с 1 до 10 360 км.
П. Вывести (10.5).
12. Сравнить максимально возможный запас энергии
маховиков массой 1000 кг, изготовленных из алюминия,
плавкого силиката и стали.
13. Какой массы должен быть маховик из
стеклопластика типа S, чтобы- он мог обеспечить получение
40 кВт-ч энергии для домашнего хозяйства? Принять
КПД равным 95 % и коэффициент запаса прочности для
внутренних напряжений равным 3. Каким будет
диаметр маховика, если его частота вращения 15-103мин_\
а форма соответствует изображенной на рис. 10.6, а?
14. При какой частоте вращения наступит
разрушение диска из нержавеющей стали и стержня из
плавкого силиката? (Радиус вращения 1 м.)
15. Рассчитать момент инерции для маховика,
форма поперечного сечения которого показана на рис. 10.12.
16. Обратимая химическая реакция по (10.6)
используется для накопления энергии при / = 200 °С и
давлении, при котором идет реакция, 21 МПа. Какова
плотность энергии?
Ответ: 2,76-107 Дж/м3.
17. Проанализировать обратимую химическую
реакцию:
СН4 + Н2О^СО + ЗН2.
Каким будет удельное содержание энергии в расчете на
1 моль реактивов?
256

Рис. 10.12. Поперечное сечение маховика
(к упражнению 15)
18. Как изменится результат упражнения 17, если
10 % времени реакция идет следующим образом:
2СН4 + Н20-^С2Н5ОН + 2Н2?
Ответ: АЯК=—27,77; HR сокращаете** на 14,4 %.
19. Если конденсатор (см. пример 10.6) полностью
заряжен и удельное сопротивление диэлектрика равно
1015 Ом-см, каким будет суммарный заряд и
постоянная времени разряда?
20. Конденсатор емкостью 2 Ф заряжается от
источника напряжением 1000 В. Разряжается он через
сопротивление нагрузки, равное 0,01 Ом. Какую в
среднем энергию можно от него получить за время, равное
трем постоянным времени разряда?
21. Плоский конденсатор емкостью 10 мкФ с
двуокисью титана в качестве диэлектрика толщиной 1 мм
(р=1013 Ом-см) полностью заряжен до напряжения
100 В. Каким будет запас энергии после 60 дней ее
хранения при условии, что утечки энергии во внешнюю
цепь отсутствуют?
Ответ; 4,95-Ю-2 Дж.
22. В ограниченном пространстве длиной 1 м и
диаметром 1 м должна быть помещена катушка
индуктивности, по обмотке которой должен протекать ток 100 А.
Если суммарное активное сопротивление обмотки из
медной проволоки не превышает 0,1 Ом, каким должно
быть максимальное число витков? Какова плотность
энергии в такой катушке индуктивности?
23. Индуктивность катушки в цепи рис. 10.10 равна
100 Гн. Если суммарное активное сопротивление цепи
равно 0,02 Ом, а зарядный ток равен 400 А, каким будет
запас энергии в магнитном поле через 10 ч после
заряда?
24. Сверхпроводящая катушка индуктивности,
изготовленная из сплава Nb3Sn, диаметром 100 м и длиной
50 м находится в охлаждающей среде при температуре
3 К. Число витков равно 100. Каким может быть
максимальный ток и какое количество запасенной энергии
ему соответствует?
25. Сила, воздействующая на катушку
индуктивности при протекании по ней тока, определяется F = Bil.
Использовать эту формулу для вычисления радиальных
усилий, воздействующих на катушку с теми же
параметрами, что катушка в упражнении 22, при
протекании тока 10 к А.
Ответ: 3,96-106 Н на виток.
26. Если резервуар (см. пример 10.8) изготовлен из
нержавеющей стали и если коэффициент запаса
прочности составляет 2,5, какой трлщины должны быть стенки
резервуара?
27. Каким должен быть объем серы для того, чтобы
запасти теплоту на один отопительный сезон?
(Определить сначала количество отопительных дней для
вашего района и примите потери равными 50 %).
28. Какую удельную запасенную теплоту можно
получить от жидкого натрия при температуре 300 °С?
Какой должна быть скорость потока этого теплоносителя
при данной температуре, если требуется с его помощью
осуществлять перенос теплоты около 3000 МВт?
Ответ: 362,7 кДж/кг; 9,40 м3/с.
29. Сравнить объемы резервуаров, требующихся
для накопления заданного количества теплоты в форме
насыщенного пара при температуре 200 °С и в воде,
нагретой до 30 °С.
30. Дно шахты лифта в целях лучшего охлаждения
здания заполнено водой. Объем воды составляет 4,5X
Х4,5хб,0 м. Если температура воды постоянно
поддерживается в пределах от 4 до 15°С, какое количество
теплоты поглощается водой? Оделить количество
помещений среднего размера, которые могут быть
размещены в здании, имеющем шахту с таким охлаждением.
31. Повторить решение упражнения 30, заменив
воду на химическую смесь Na2S04- 10H2O + NH4Cl.
32. Какая масса гидроокиси натрия нужна для
накопления энергии 2000 МВт-ч при подъеме температуры
от 10 до 400 °С?
Тшшш ИИ
Эффективное использование энергии
В предыдущих главах были рассмотрены
источники энергии, ее преобразование и
распределение, короче, использование энергии с
точки зрения технологических процессов и
взаимодействия с окружающей средой. В данной>
главе вопрос использования энергии будет
рассмотрен в совершенно ином аспекте:
различные пути экономии энергии.
Первая половина 70-х годов со всей
остротой и очевидностью показала, что мир
вращается вокруг проблем энергии, а не денег и что
в наших жизненных интересах найти способы
делать то, что мы делаем, но с меньшими
затратами энергии. Но что же мы делаем?
На рис. 11.1 показана диаграмма,
представляющая в очень общем виде основные
сферы нашей деятельности. В необработанное
сырье (руду, камень, лесоматериалы и т. п.)
добавляется большое количество энергии и
получают первичные материалы (металлы,
древесные заготовки, бумагу и т. п.). Для
производства из этих материалов конечной
продукции (домов, машин, аппаратуры и т. п.)
требуется уже значительно более существенная
257

Затраты энергии.
Рис. 11.1. Структурная схема различных состояний
вещества и затрат энергии на его преобразование:
Л —первичные элементы; Б — сырье: В — полуфабрикаты; Г—
готовая продукция; Д — продукция по окончаний срока
использования; Е — утиль; / — обогащение; 2 — сборка и
обработка; 3 — использование; 4 — рециркуляция; 5 — сброс в утиль:
6 — распад
степень технологической обработки, но
энергии на нее требуется меньше, чем на
получение первичных материалов. Эти конечные
изделия имеют различные сроки службы и для
своего функционирования требуют иногда
значительного количества энергии. Постепенно
достигается конец полезного срока службы
изделий, после чего они обычно
выбрасываются в металлолом или на свалку. Изделия,
попадающие в отходы, уже теряют значительную
долю своей первоначальной ценности, однако
все еще сохраняют в себе значительную,
затраченную на их изготовление полезную работу
и энергию, которая, таким образом, теряется
в отходах. Из отходов можно получить
некоторые виды готовой продукции, для чего,
естественно, требуется новый процесс
технологической обработки, а следовательно, и
дополнительные затраты энергии, хотя и не в таком
количестве, как при производстве из сырьевых
материалов. Однако большинство отходов
просто оставляется для полного разрушения и
распада, в процессе которого их качественные
характеристики становятся хуже по сравнению
с первоначальным сырьем, из которого они
были изготовлены. Конечно, и в этом случае
могут быть восстановлены полезные материалы,
как это показано пунктирной линией на рис.
11.1, но для этого необходимы большие
затраты эйергии.
Из диаграммы этого рисунка видно,
какими путями следует добиваться сбережения
энергии. Эти пути следующие:
совершенствовать процессы обогащения и изготовления,
минимизировать конечное энергопотребление,
создавать продукцию с продолжительными
сроками службы и не требующую частой замены
деталей, проводить восстановительные
работы по возможности в более широких
масштабах. Некоторые из этих условий выполняются
в наше время, а некоторые противоречат
целям отдельных направлений экономической
деятельности. Однако весьма редко
встречаются решения, основанные на наилучшем
использовании законов термодинамики.
Необходимо помнить второй закон
термодинамики, выведенный в гл. 3,
"min
8 =
OLD
где Вт{П и Вф — соответственно минимальный
и фактический объемы полезной работы,
соответственно требующейся и выполненной при
решении какой-либо конкретной задачи.
Отметим, что существуют три способа повышения
термодинамической эффективности:
замена устройства, находящегося в
пользовании;
совершенствование конструкции
устройства;
изменение исходных условий задачи.
В качестве примера рассмотрим отопление
жилья. Во многих домах используются печи с
Принудительной тягой, которые, как известно,
имеют низкую термодинамическую
эффективность. Эффективность системы может быть
улучшена за счет предварительного
подогрева поступающего извне холодного воздуха с
использованием для этих целей теплоты
вентиляционных выбросов. Замена печей
тепловыми насосами значительно повышает
эффективность отопительной системы. Но самые лучшие
результаты могло бы дать изменение условий
задачи. В конце концов, целью отопления
вообще является не обогрев дома как такового,
а живущих в нем людей. Почему бы не
потребовать использовать микроволновую
систему отопления, которая обогревала бы только
непосредственно людей и потребляла бы
значительно меньше энергии, чем любая другая
система — печь или тепловой насос,
нагревающие воздух? Возможно, против этого
предложения будет много возражений с иных
позиций. Но данный пример говорит, что всегда
существует несколько вариантов решения
какой-либо проблемы, и их всегда следует
внимательно изучать в каждой ситуации.
Вопрос энергосбережения удобно
рассматривать с точки зрения конечного потребления
энергии, поскольку в этом случае легче
получать статистические данные. Конечные
потребители энергии делятся на три крупные
категории: жилой сектор и сфера обслуживания,
промышленность и транспорт. При этом
в США по грубому подсчету на каждый из
этих секторов приходится около 25 % всей
производимой в стране энергии. Оставшаяся
четверть приходится на потери при
преобразовании энергии, отдельные детали которого бы-
258

ли рассмотрены в предыдущих главах. В
данной главе рассматривается вопрос, может ли
энергия быть сэкономлена в указанных трех
секторах и в какой мере физическая наука
может содействовать этой экономии.
ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ В ЖИЛОМ СЕКТОРЕ
И СФЕРЕ ОБСЛУЖИВАНИЯ
Тема экономии энергии имеет много
общего с темой погоды: все о ней говорят, но
практически никто ничего не делает. Но и это шаг
вперед, поскольку до последнего времени
никто даже не говорил об экономии энергии.
Проблему использования энергии в жилом
секторе и сфере обслуживания необходимо
исследовать с самых основ. Каковы потребности в
энергии в этом секторе в настоящее время?
Какую политику следует проводить, чтобы
добиться эффективного сбережения энергии?
Какой тип постройки является наиболее
энергорасточительным? И, наконец, не попадем ли
мы в ловушку, когда пытаемся заменить
очевидные комфортные условия жизни
эффективностью энергопотребления?
Политика экономии энергии
В табл. 11.1 приведена структура жилого
фонда США в 1970 г. и прогноз на 1990 г.
Наиболее крупную категорию представляют од-
носемейные дома. Вместе с тем, как известно,
многоэтажные многоквартирные дома
значительно эффективнее с точки зрения
энергопотребления, чем дома, предназначенные для
проживания одной семьи. Если тенденции,
наблюдаемые в табл. 11.1, реализуются, около
70 % всех жилищ будут представлять собой
односемейные и передвижные дома. А дома
такого типа, особенно передвижные дома,
традиционно являются самыми
малоэффективными с точки зрения энергопотребления.
Основной причиной, которая препятствовала
повышению эффективности энергопотребления в
таких домах, всегда считалось нежелание по-
Таблица 11.1. Структура жилищного фонда США,
млн. ед. (%)
Дома
Разборные передвижные
Односемейные
Малосемейные (на две
семьи)
Малоэтажные городского
типа
Многоэтажные
1970 г.
2,1(3,1)
44,6(65,9)
11,0(14,8)
6,5(9,6)
3,3(4,9)
1990 г.
74(7,8)
59,4(62,6)
14,8(15,6)
8,8(9,3)
4,5(4,7)
вышать их стоимость. Технология сооружения
домов с очень высокой эффективностью
энергопотребления, разумеется, существует. Напри
мер, дома, построенные в центральной части
провинции Саскачеван (Канада), имеющие
улучшенную теплоизоляцию, в зимний
отопительный сезон потребляют очень небольшое
дополнительное количество теплоты сверх
того, что они получают от пассивных солнечных
cncteM отопления. И опять на данном примере
можно видеть, что, как и во многих других
проявлениях дилеммы «энергетика —
окружающая среда», движущимися силами являются
экономические, а не технические соображения.
Вследствие этого, когда проводится анализ
различных усовершенствований в
строительстве жилищ с точки зрения энергетических
преимуществ, необходимо учитывать также
экономические преимущества. Затраты и
результаты можно разделить на три вида:
энергетические преимущества, экономические
преимущества и социальные преимущества.
Можно было бы, например, предложить
оборудовать каждый односемейный дом
алюминиевой обшивкой, с помощью которой удалось
бы экономить ежегодно 10 % расходуемой на
отопление энергии. Прекрасно, но сколько
уйдет энергии на то, чтобы изготовить
необходимое количество алюминия? И будет ли
такой вариант в масштабах всей страны означать
экономию энергии? Аналогично, если бы
каждое окно в США сделать с тройным
остеклением, то была бы достигнута экономия
энергии. Но сколько? Смогли бы домовладельцы
окупить затраты на дополнительное остекление
окон в приемлемый период времени? Ответ
должен быть отрицательным, если только
двойное остекление не было сделано очень плохо.
Наконец, были бы затраты энергии
оправданными, если бы каждый мужчина, женщина и
ребенок в США начали бы пользоваться
электрической зубной щеткой? В результате резко
улучшилась бы зубная гигиена и, возможно,
затраты энергии стоили бы этого.
Экономия энергии — это переплетение и
взаимодействие различных
социально-экономических факторов. Проблема экономии энергии
почти не поддается прямому анализу. На эту
тему написано много статей и проведено
много исследований. Как следствие подобных
исследований, вырабатываются различные
рекомендации, касающиеся энергетической
политики на ближайшие годы. Например,
реализуется программа по строительным стандартам
в области энергопотребления зданий (ССЭЗ).
Эта программа была составлена в 1976 г. как
часть законодательного акта по производству
и экономии энергии, но, затем попала в
бюрократическую рутину и подвергалась нападкам
259

со стороны представителей строительных и
энергоснабжающих компаний.
В возражениях представителей
строительных компаний по поводу ССЭЗ содержались
утверждения, что и без того высокая стоимость
строительства домов станет еще выше и что
стандарты сами по себе не дают рецептов
строителям. ССЭЗ просто содержат
требования о том, чтобы характеристики
законченных зданий соответствовали серии стандартов.
Стандарты на исполнение домов более
разнообразны, чем принятые строительные нормы и
многие архитекторы явно предпочтут
ориентировать свои проекты на эти стандарты,
которые с точки зрения строителей выполнить
значительно труднее; как правило, строителей
мало заботит точное соответствие построенного
здания предложенному проекту. Электроснаб-
жающие компании возражают против ССЭЗ
потому, что в программу включена громоздкая
система штрафов за пользование
электроотопительными приборами.
Тем не менее определенное количество
строительных стандартов появится, хотя и не
таких жестких, какими их хотели бы видеть
многие сторонники экономии энергии. Это будет
первым этапом, и, вероятно, когда у
строителей появится возможность оценить значение
энергетических стандартов, второй этап
внедрения регулирования энергопотребления
сможет оказаться более эффективным. Следует
ясно представлять себе, что добрая половина
зданий, которые будут стоять в 2000 г., еще не
построена. Если удастся построить их
эффективными с точки зрения как
энергопотребления, так и стоимости строительства, будет
сделан большой шаг вперед по пути повышения
эффективности использования энергии.
Строительство
Целью строителей жилых зданий является
сооружение таких домов, которые отвечали бы
приемлемым строительным нормам,
привлекали бы внешним видом потенциальных
покупателей и имели бы минимальную возможную
стоимость. Такие требования не лучшим
образом отвечают долговременным интересам
экономики в масштабах всей страны, поскольку
минимизация первоначальной стоимости
обычно не означает минимальную стоимость
эксплуатации в процессе всего срока службы.
Стоимость эксплуатации здания включает
в себя не только стоимость строительства, но
и стоимость отопления, кондиционирования,
ремонта и т. п. в течение всего срока службы
здания. Очевидно, стоимость тесно связана с
принятой практикой строительства. Отопление,
например, может осуществляться либо с
помощью небольшой дешевой отопительной
установки при наличии в доме плотной дорогой
теплоизоляции, либо, наоборот с помощью
крупной дорогой установки при слабой
теплоизоляции. В последнем случае обычно
первоначальные затраты на строительство дома
минимальны, в первом — нет.
Ниже приводятся приблизительные
значения первоначальных затрат на сооружейие
домов в 1980 г., долл. (%):
Затраты, связанные с
энергообеспечением:
корпус 8000 (20,1)
система отопления и охлаждения 4500 (11,3)
освещение ......... 800 (2,0)
горячее водоснабжение . . . 150 (0,4)
электробытовые приборы . . . 1350 (3,4)
Вч:его И 800 (37,2)
Прочие затраты:
слесарно-водопроводные,
кровельные работы, внутренняя
отделка и т.п 25 000 (62,8)
Общая начальная стоимость ... 39 800 (100)
Почти половина затрат приходится на корпус
здания, имеющего прямое отношение к
потребности в энергии на отопление. Как
определить оптимальную теплоизоляцию? Можно
ввести параметры, определяющие стоимость
корпуса здания в зависимости от площади
поверхности а\, и стоимость, зависящую от
качества используемой теплоизоляции р\, и
получить первоначальные затраты на корпус
здания, которые мы условно обозначим Зк:
Зк = (в1 + лЯоМ, (Н.2)
где /?0 — теплопередача нетто ограждающих
конструкций здания.
Начальные затраты на отопительную
установку также имеют зависимость от
показателя R, но в этом случае зависимость имеет
обратный характер, поскольку чем больше
тепловое сопротивление корпуса здания
(большое значение Ro), тем менее мощной должна
быть отопительная установка.
Первоначальные затраты на отопительную
установку, обозначенные через Зу, можно
определить из следующей формулы:
Зу = а2 + -^14_, (11.3)
где Р2 — удельные затраты; АГ — проектная
разница внутренней и наружной температур;
А — площадь корпуса здания, как в
предыдущем примере. Тогда общие первоначальные
затраты можно определить из следующей
формулы:
Зк.у = (a1 + p1R0)A + а2 + -^^- . (11.4)
Теперь минимальная начальная стоимость
может быть найдена путем решения уравнения
(11.4) и нахождения значения R0y при кото-
260

ром уравнение имеет оптимум. Это дает
значение
(Яо)опТ=(^-^)1/2. (П.5)
Этот результат не учитывает годовые
эксплуатационные расходы. Для того чтобы учесть
в конечном результате эти расходы, в
издержки за срок службы следует включить
параметр, связывающий потребности в теплоте Н,
КПД отопительной установки т], удельную
стоимость единицы энергии в расчете на единицу
площади р и коэффициент /, учитывающий
увеличение стоимости энергии за время срока
службы дома.
Отопительные эксплуатационные расходы
Э0 можно определить из уравнения
5° = -1Г^- (и-6>
Если минимизировать значение издержек за
срок службы, т. е. (11.4) и (11.6), получим
иное выражение для Rq опт:
Ro0„ = (P*AT+piP3Hf,r] J''. 01.7)
Если бы было использовано это значение R0,
то сметная стоимость строительства дома
существенно увеличилась бы. Большое влияние
могут оказать темпы роста стоимости энергии,
учитываемые коэффициентом f.
Для строительных фирм нет особых
стимулов использовать высокие показатели R,
поскольку это сделало бы их продукцию более
дорогой и затруднило бы ее продажу.
Возможно, существуют пути повышения
значения R без увеличения стоимости
строительства. Если стеновые крепежные штифты
размером 2ХЮ см, расположенные друг от
друга на расстоянии 40 см, заменить
аналогичными штифтами размером 2X15 см,
расположив их на расстоянии 60 см друг от друга,
затраты материала будут такими же. Прочность
конструкции дома не пострадает, но
пространство для заполнения теплоизоляцией
увеличится примерно на 50 % и показатель
теплоизоляции R увеличится с И до 16. Другими
путями повышения теплоизоляции зданий
являются снижение удельного веса остекления в
общей площади ограждающих конструкций и
сокращение инфильтрации воздуха, а также
применение двойного остекления.
Инфильтрация воздуха должна быть
изучена более детально. Наружный воздух перед
поступлением в жилое помещение не только
должен подогреваться до комнатной
температуры, но и соответствующим образом
увлажняться для создания комфортных условий.
Наружный воздух, имеющий при температуре
4,5°С влажность 60% (или немного меньше),
при нагреве до 20"оС будет иметь влажность
только 20%. Обычно оптимальной считается
влажность около 40 %. Однако подогрев и
увлажнение воздуха требует почти таких же
затрат энергии, сколько ее теряется при
конвекции воздуха в доме средних размеров.
Минимальной инфильтрации воздуха
можно добиться путем качественного выполнения
строительных работ. В современных зданиях
за час сменяется от половины до более чем
двойного объема воздуха, а следовало бы
иметь такую вентиляцию, которая не
допускала бы полной смены воздуха менее, чем за
5 ч. В административных зданиях и
помещениях, где разрешено курение, темпы
воздухообмена должны быть большими. Дома можно
было бы строить практически с нулевым
воздухообменом, но вряд ли это желательно.
Свежий воздух в помещениях необходим, даже
если при этом и должна расходоваться энергия.
Но надо при этом помнить, что каждый
находящийся в комнате человек представляет
собой источник теплоты мощностью в среднем
100 Вт!
С энергетической точки зрения камины в
домах представляют проблему не только при
строительстве, поскольку у мест их
сооружения образуется много инфильтрационных
трещин, но и при эксплуатации. Открытые
камины вызывают принудительную тягу воздуха в
комнату, нагревают его и отводят теплоту
наружу. Теплый воздух вытесняется из дома
наружным холодным воздухом. Для
предотвращения вытяжки нагретого воздуха из
помещения через камин, в результате чего теряется
большое количество энергии, вокруг камина
могут быть установлены прозрачные экраны.
Эти экраны практически не представляют
никакого препятствия для тепловых лучей от
огня камина, которые проходят в комнату почти
так же, как если бы не было никакого экрана.
Еще не были упомянуты затраты энергии
непосредственно при строительстве здания.
В строительстве многих общественных и
жилых зданий используется большое
количество бетона, являющегося очень энергоемким
материалом. Как строительный материал бетон
приобрел популярность в 30-е годы благодаря
тому, что он очень легко поддавался
формовке и резко снижал трудовые затраты по
сравнению с наиболее распространенным в то
время строительным материалом — кирпичом. Ни
кирпич, ни бетон сами по себе не являются
особенно хорошими теплоизоляторами* по
крайней мере при принятой на практике
толщине строительных конструкций.
Возможно, следует несколько
видоизменить порядок оценки издержек за срок
службы, с тем чтобы учитывать в них затраты на
энергию при производстве строительных мате-
261

Рис. 11.2. Схемы некоторых устройств, применяемых для теплоснабжения зданий:
а — резисторы; б — воздуходувки на газовом или нефтяном топливе; в — паровые или водяные
радиаторы на газовом или нефтяном топливе; г — электрические тепловые насосы
риалов Зн. Эти затраты можно определить
следующим образом:
Зм^Лр4, (11.8)
где 4 — общая площадь стенового
ограждения; р4 — удельные затраты энергии на
производство строительных материалов,
содержащихся в единице площади стенового
ограждения. Заметим, что поскольку выбор
конструкционного материала определяется не только
затратами на энергию при его производстве,
но и трудовыми издержками аь необходимо
должным образом учитывать соотношения
между показателями р4 и ах. На практике
значение параметра р4 включается при
расчете в параметр р2 и представляет собой лишь
малую часть последнего. Однако стоимость
бетона может существенно увеличиться в
ближайшее десятилетие, если цены на
органическое топливо будут продолжать расти.
Эксплуатация зданий. Рассмотрим
некоторые аспекты энергопотребления внутри
зданий. Ниже приводятся основные направления
использования энергии в жилых и
общественных зданиях:
Доля в общем
потреблении
энергии, %
Отопление , . . . , 18
Горячее водоснабжение 4
Приготовление пищи 1
Воздушное кондиционирование и
холодильники 5
Прочес 4
Видно, что основная статья
энергопотребления в зданиях — отопление.
Отопление. Ряд аспектов проблемы
отопления нуждается в изучении, в том числе
характеристики различных отопительных
систем, структура использования энергии,
расходуемой на отопление, и потенциальные
возможности экономии энергии в отопительной
системе, которые могут быть реализованы.
В настоящее время в США применяется
несколько типов отопительных систем:
электронагревательные приборы, электрические
тепловые насосы, воздуходувки (на органическом
топливе) и водяное отопление (на
органическом топливе).
Эти системы схематически изображены на
рис. 11.2. Для каждой из них легко можно
подсчитать КПД в соответствии с первым
законом термодинамики. Однако для расчета
КПД по второму закону термодинамики
необходимо знать минимальный объем
проделанной работы, требующийся для отопления.
Задача отопления решается несколькими
способами, упомянутыми выше. В обобщенном
виде можно представить схему отопления
двумя блоками, как показано на рис. 11.3. Один
из блоков представляет собой отопительное
устройство, преобразующее подведенную
энергию в теплоту, поступающую в жилое
помещение, другой — энергоснабжающее устройство,
преобразующее первичную энергию, которая
может поступать в виде топлива или
электроэнергии. На этой стадии преобразования
может появиться сбросная теплота.
Для каждого устройства минимально
необходимый объем проделанной работы
означает работу, которая может быть выполнена за
262

Г'
l\
1
I
i
г
ш
\
! ?
, j
Рис. 11.3. Общая схема
отопления
/ — теплота для обогрева
помещения; // — подведенная энергия;
III — сбросная энергия; IV —
первичная энергия; / — устройство по
преобразованию подведенной
энергии в теплоту; 2 — устройство по
преобразованию первичной энергии
счет сжигания топлива. Как было показано в
гл. 6, значение этой работы очень близко к
теплосодержанию топлива:
Bmin = \AH\. (11.9)
Существуют ли устройства, позволяющие
использовать всю энергию, получаемую за счет
сжигания топлива, для производства теплоты?
Близкий к этому результат дают топливные
элементы, описанные в гл. 5. Как следствие
многие из тех, кто отстаивает использование
второго закона термодиннамики в качестве
основного критерия при определении
эффективности отопительных установок, ссылаются на
топливные элементы при расчетах Bmin по
второму закону.
Пример 11.1. Каков КПД теплового насоса,
работающего в диапазоне температур от —1 до +45 °С и
имеющего производительность 2»107 Дж/ч »1ри
электрической нагрузке 5 кВт?
Из (11.10)
_АЛ _ Щ= 2>0'107 Л _
' W \ 74/ 5-103.60-60\
273 — 1
273 + 45
= 0,16.
КПД относительно невысок, но по сравнению с
некоторыми другими типами установок, которые будут
рассмотрены ниже, он не так уж мал;
Л =
2-Ш7
5-103-3,6.107
= 1,11.
Значение КПД так мало потому, что температура
холодной среды слишком низка для того, чтобы обеспечить
эффективную работу. При температурах, близких к 4°С,
КПД у хорошо работающего теплового насоса должен
быть близким к 3,0.
В настоящее время в качестве привода
компрессора теплового насоса может
использоваться дизельный двигатель. КПД дизельного
двигателя достаточно велик, к тому же КПД
всей установки может быть повышен за счет
использования сбросной теплоты двигателя.
Недостатком этой установки является то, что
дизельные двигатели имеют большую
мощность и крупные габариты, что делает их
неудобными для использования в односемейных
жилых домах. Однако для многоквартирных
домов такая установка была бы идеальной.
Такая установка по принципу работы
представляет собой систему комбинированного
производства теплоты и электроэнергии,
аналогичную рассмотренным в гл. 8.
Следует также отметить, что отопительная
система с воздуходувками, работающими на
органическом топливе, является наиболее
распространенной и в то же эремя наименее
эффективной в энергетическом отношении. Она
также особенно малоэффективна согласно
первому закону термодинамики, учитывающему
все энергетические потери. Во-первых,
температура, при которой воздух поступает в
помещение, редко бывает выше 22 °С, что не
обеспечивает необходимую комфортность.
Значительное количество теплоты, производимой
путем сжигания топлива, теряется через стенки
воздуховода или в результате утечек
нагретого воздуха. Значительная часть теплоты
поступает в те части помещения, где она не нужна.
В целом непосредственно на отопление
фактически идет менее 75 % энергосодержания
сожженного топлива.
Если дом хорошо построен, у него будет
большая постоянная времени тепловой
релаксации т. Эта постоянная характеризует время,
за которое разница температур между
внешней и внутренней сторонами стены дома
уменьшается на \/е своего первоначального
значения. Значение ее существенно изменяется в
зависимости от конструкционных характеристик
зданий. Поскольку воздух нагревается быстро,
регулирование таких отопительных систем с
принудительной подачей нагретого воздуха
относительно просто, т. е. их можно легко
отключать в ночное время и в выходные дни и
также просто включать незадолго до появления
людей в помещениях. Тепловая мощность
типовой отопительной установки, работающей по
этому принципу, составляет примерно 17 кВт.
Этой мощности достаточно, чтобы обеспечить
повышение в течение минуты температуры в
доме объемом 430 м3 примерно на 1,9 °С.
Поэтому если отопительная установка будет
включена примерно за час до того, как семья
начнет жить по дневному распорядку,
температура в доме после ночного снижения довольно
быстро достигнет своего привычного уровня
(рис. 11.4). В 6 ч 30 мин отопительная
установка включается на 1,5 ч, затем
выключается и снова включается в 15 ч 30 мин и
работает примерно до полуночи. Суммарная потеря
теплоты домом за время, пока отопительная
установка отключена, составляет
<Э = КД7>(1-е'/т),
(11.10)
где К — постоянная, характеризующая
теплоотдачу. Легко убедиться в том, что при пол-
263

20V
л 1 I I I I I
О' 4~ в 72 16 20 t,H Vt
Рис. 11.4. Изменение температуры в помещении с
хорошей теплоизоляцией лри температуре внешнего воздуха
ниже 10 °С
ном отключении отопительной установки в
ночные часы может быть получена значительная
экономия энергии.
Дополнительная экономия энергии может
быть получена за счет отопления только тех
частей дома, которые относятся к жилой зоне.
Для этих целей хорошо подходят системы
отопления с использованием электрических резис-
торных обогревателей и водяных радиаторов
(рис. 11.2, а, в), поскольку они могут быть
разделены на отдельные секции с автономным
регулированием и размещены в жилых зонах
дома. В заключение следует отметить также,
что все приведенные здесь выводы касаются
не только отопления, но и горячего
водоснабжения. Существенная экономия может быть
достигнута в первую очередь при
использовании дополнительной изоляции, отключении
подогрева воды в периоды снижения объема
ее потребления и выборе эффективных
установок для подогрева.
Кондиционирование воздуха. Охлаждение
воздуха в жилых домах и общественных
зданиях в целях создания комфортных условий в
последние два десятилетия стало в США
сферой, в которой потребление электроэнергии
увеличивалось наиболее быстрыми темпами —
в среднем более 16 % в год. Подсчитано, что в
1980 г. на кондиционирование воздуха было
израсходовано более 4 % всей потребленной в
США энергии.
Выше (гл. 1) было показано, что не все
кондиционеры имеют одинаково хорошие
эксплуатационные качества, и поэтому значительная
экономия может быть достигнута просто путем
правильного выбора соответствующего
оборудования для кондиционирования воздуха.
В конце 70-х годов производителей
кондиционеров обязали снабжать свою продукцию
показателями энергетической эффективности.
Поскольку эти показатели разными фирмами
приводятся в различных единицах, прямое
сравнение их, к сожалению, невозможно.
В большинстве случаев энергетическая
эффективность кондиционеров в США определяется
как отношение скорости отвода теплоты к
потребляемой мощности.
Высокоэффективные кондиционеры воздуха
дороги, поскольку для их производства
необходимы мощные компрессоры, большие
поверхности теплообменных аппаратов, а также
дорогие материалы, применение которых
обеспечивает необходимый срок службы.
Зависимость между стоимостью кондиционера и его
энергетической эффективностью обычно имеэт
линейный характер. Однако если вместо
начальной стоимости использовать издержки з*1
срок службы, то, как правило, кондиционеры
с более высокой энергетической
эффективностью и более экономичны в эксплуатации.
Рост потребления электроэнергии на
кондиционирование воздуха привел к тому, что
пик годовой нагрузки энергосистем с зимы, как
это было еще несколько лет назад,
переместился на лето. Этот вид дополнительной нагрузки
особенно тяжело сказывается на работе
энергосистемы в грозовые душные летние ночи,
когда потребность в кондиционировании резко
возрастает. Вплоть до конца 70-х годов элек-
троснабжающие компании весьма интенсивно
рекламировали кондиционирование воздуха,
но очень скоро обнаружилось, что справиться
с резко возросшей в результате этого
нагрузкой не представляется возможным, и поэтому
они прекратили рекламирование
кондиционеров. Многие жители, обеспокоенные
сложившейся ситуацией, выступают за возврат к
тому времени, когда комфортные условия в
домах создавались без помощи
кондиционирования воздуха. И действительно, если бы дома
лучше строились, лучше выбирались бы места
их расположения и предусматривались бы
встроенные в них устройства пассивного
использования солнечной энергии, то
энергетические потребности на кондиционирование
воздуха в масштабах всей страны, по крайней
мере в жилом секторе, существенно уменьшились
бы. Нагрузку на энергосистемы можно было
бы также сократить, если бы в общественных
зданиях удалось исключить распространенную
Практику переохлаждения воздуха с помощью
кондиционирования и затещ подогрев его с
помощью электронагревателей до комфортной
температуры. В некоторых административных
зданиях в зимний период применяется
одновременное отопление помещений,
расположенных по периметру здания, и
кондиционирование воздуха в помещениях в центральной
части Здания, где располагаются лифты, печатно-
множительные машины, компьютеры и т. п.
Достойным сожаления является тот факт, что
при таком нерациональном использовании
энергии требуются меньшие затраты, чем при
устройстве теплообмена в целях
перераспределения теплоты, выделяемой при работе
машин и механизмов в здании, для обогрева
помещений, в которых работают люди. И,
наконец, с сожалением отметим, что многие
современные административные здания строятся
264

с такими окнами, которые не могут
открываться и обеспечивать естественную вентиляцию.
Без воздушного кондиционирования не
могут работать предприятия, имеющие сложную
технологию производства. Фактически для
каждого, кто живет и работает в условиях
жаркого влажного климата,
кондиционирование воздуха создает условия, при которых
повышается производительность и эффективность
труда, творческая активность работников.
Выше было показано, что КПД
воздушного кондиционера (холодильника)
r\ = QJW, (11.11)
где Q2 — отбираемая теплота; W — требуемая
для этого работа.
Минимально необходимая работа при
понижении температуры от Т2 до Т\ теплого
воздуха объемом Q2
*m<» = <?*(-^-l). (H.12)
В соответствии со вторым законом
термодинамики эффективность равна отношению
минимально необходимой к фактически
проделанной работе:
0 Bmin Q2 (ТУ^г— 1) yi /Т /Т 1 \
е- -jp jp - ЛС1//2—I).
(11.13)
Для обычных кондиционеров значение е
находится в диапазоне от 0,01 до 0,07. Эти
значения сопоставимы со значениями
эффективности, достигаемыми в системах отопления с
принудительной подачей воздуха. Из этого
можно сделать вывод, что в области
конструирования и использования кондиционеров
воздуха есть возможности для существенного
прогресса. Заметим также, что все предыдущие
рассуждения по поводу строительства зданий,
касавшиеся отопления, относятся и к
кондиционированию воздуха, поскольку в конечном
счете потребность в этом зависит от
теплообмена зданий с окружающей средой через
стены, щели, окна, двери и т. п.
Вспомним, что в гл. 4 были рассмотрены
некоторые альтернативы охлаждению с
испарительным циклом. Это были различные
абсорбирующие и адсорбирующие устройства,
которые, по крайней мере теоретически, могут
работать на низкотемпературной теплоте,
получаемой от Солнца. Чтобы добиваться
сколько-нибудь заметной экономии энергии в
области кондиционирования воздуха,
кондиционеры должны быть существенно технически
усовершенствованы.
Освещение. На долю освещения в США
приходится около 5 % суммарного
энергопотребления, причем 20 % осветительной
нагрузки приходится на жилой сектор, 40 %—на об-
Рис. 11.5. Реакция
человеческого глаза на свет в
зависимости от длины волны
светового спектра
щественные и коммерческие здания и около
10%—на наружное освещение (городские
улицы, реклама, огни безопасности и т. п.).
Для количественного анализа проблемы
освещения необходимо знать единицы измерения.
Освещенность могла бы определяться в
ваттах на квадратный метр поверхности, но при
этом не учитывалось бы свойство
человеческого глаза по-разному воспринимать
различную длину волн светового спектра. Для того
чтобы учесть это свойство, была введена
единица люмен (лм). Световой поток Ф1
источника света в люменах, имеющего спектр энергии
Р(Х) в ваттах на единицу интервала
волнового спектра, равен
оо
Ф = 680 \P(k)v(K)dK (H.14)
6
где v(X) —коэффициент, учитывающий
реакцию глаза. На рис. 11.5 изображена
стандартная кривая, которая для различных людей
может иметь те или иные отклонения.
Понятие «световая эффективность» или
эффективность источника света в
светотехнике выражает отношение светового потока в
люменах к входной мощности в ваттах. Для
обычного источника света входная мощность
может быть рассчитана с помощью
интегрирования функции Р(к). Для лампы накаливания
световая эффективность составляет примерно
18 лм/Вт, для люминесцентной лампы
мощностью 40 Вт — около 60 лм/Вт.
Световой поток представляет собой меру
световой энергии в единицу времени. Однако
в качестве практической характеристики
светового потока используется понятие
«освещенность», измеряемая в люменах на квадратный
метр (люксах). Сколько энергии
потребляется на освещение? Основываясь на
строительных нормах, ответ дать просто. С 50-х до
конца 70-х годов освещенность по строительным
нормам увеличивалась в среднем на 43 лк в
год. Из этого следует, что в начале 50-х годов
обычным уровнем освещенности было 200 лк,
1 Поток в данном случае является неудачным
словом, поскольку фактически не измеряет интенсивность
на единицу площади.
265

Рис. 11.6. Зависимость минимальной
остроты зрения от светимости
Рис. 11.7. Электрическая схема люминесцентной
осветительной арматуры:
/ _ пусковое устройство; 2 — нагрузочный резистор
а в конце 70-х годов этот показатель возрос до
1000 лк. Однако в этот период возобновился
интерес к экономии и энергии, и архитекторы
и проектировщики вновь заговорили о
целесообразных уровнях освещенности.
Требуемый уровень освещенности зависит
от многих факторов, поскольку существует
связь между освещенностью, размерами
объекта, который должен осматриваться, и
расстоянием, с которого наблюдатель смотрит на
объект. Эта зависимость изображена на рис.
11.6, на котором представлена зависимость
остроты зрения от светимости. Острота зрения
равна 1/6 (где 0—угловой зазор в угловых
минутах между двумя точками окружности,
который еще воспринимается глазом). Эта
зависимость построена из предположения, что
отраженный свет эквивалентен падающему и что
визуальный фон не создает помех для
зрительного восприятия. Этот график можно легко
использовать для определения необходимых
уровней освещения.
Пример 11.2. Какая нужна освещенность для того,
чтобы удобно было читать стандартно напечатанный
текст?
Высота печатных букв на странице около 1,3 мм.
Для удобства чтения при расстоянии текста от глаз
около 50 см было бы желательно различать печатные
знаки размером, скажем, 0,13 мм. Это означает, что
угол 9 должен быть равным tg_1 (0,013/50) —0,89'.
Острота зрения составляет 1/0,89, или 1,12. Из рис. 11.6
получим освещенность, равную приблизительно 4,3 лк.
Эта освещенность в 100—300 раз меньше, чем в
большинстве административных зданий, но близка к той,
которая поддерживается в домашних условиях при чтении
в кресле.
Тепловые нагрузки за счет освещения
могут быть снижены как в административных,
так и в жилых зданиях путем использования
более эффективных люминесцентных ламп.
Для работы этих ламп требуются пусковое
устройство и нагрузочный резистор (рис. 1L7).
Удельная мощность светильников в
административном здании может быть рассчитана
в электрических ваттах на квадратный метр
рабочей площади. На основании подобных
расчетов многие современные здания имеют
установленную эквивалентную мощность
светильников от 20 до 50 Вт/м2, что, вероятно,
значительно больше необходимого значения.
К другим способам сокращения
количества светильников относятся более широкое
использование естественного освещения,
улучшение оснастки и арматуры люминесцентных
ламп, их включение в сеть переменного тока
повышенной частоты, автоматизация
отключения осветительных приборов в помещениях,
где не находятся люди (в любом случае
выгодно выключать свет, уходя из комнаты, даже
когда выходишь ненадолго), сокращение
световой рекламы.
Бытовые приборы. На бытовые приборы
приходится около 7 % суммарного
потребления энергии в США. Повышение КПД
отдельных бытовых приборов может дать
определенную экономию энергии. Однако
крупномасштабную экономию энергии в этой сфере
можно получить лишь путем изменения структуры
используемых бытовых приборов. Например,
газовые плиты относительно малоэффективны
в отношении полезного поглощения теплоты
при приготовлении пищи. Электрические
плиты несколько более эффективны в этом
отношении, но значительно более высокие цены на
электроэнергию по сравнению с ценами на газ
сводят на нет это преимущество; более
эффективны микроволновые плиты, однако они
подходят не для всех способов приготовления
пищи. У части людей существует еще и
предубеждение против использования
микроволновых плит.
Ниже приводится перечень некоторых
бытовых электроприборов с данными о
потребляемой ими энергии.
Бытовой прибор
Электроодеяло ........
Электрожаровня
Электронож для мяса
Электрочасы .
Сушилка для одежды
Кофемолка
Яйцеварка
Доджарилатель кукурузных зерен
Жаровня для обжаривания в жиру
Сушилка

Энергопотребление,
кВт-ч/ч
(кВт-ч/мес)
0,016
1,3
0,9
(1,4)
5,0
0,84
0,49
0,49
0,8
0,22
266

Продолжение
Посудомойка:
с подогревателем 1,2
без подогревателя 0,3
Вентилятор, фен 0,3
Полотер 0,3
Смеситель 0,3
Морозильник:
430 л (0,12)
430 л без ииезации (0,19)
Миксер 0,13
Утюг ручной 0,75
Электропечь микроволновая 1,6
Отопитель маслонаполненный .... 0,25
Радиоприемник 0,08
Стереофоническая система 0,1
Электроплита (98)
В том числе:
малая 1,6
большая 2,7
духовка 3,2
Холодильник:
340 л (0,1)
340 л без инезацни ...... (0,14)
Холодильник-морозильник 0,14—0,19
Швейная машина 0,7
Электроварка:
медленная 0,075
быстрая 0,15
Тигель 0,6
Мусоросборник для пищевых отходов . 0,4
Сушилка для волос 0,4
Портативный обогреватель 1,3
Подушка с подогревом 0,С6
Тарелка с подогревом 1,25
Увлажнитель с вентилятором .... 0,12
Морозильник для мороженого .... 0,19
Лампа синего света 0,28
Телевизор:
черно-белый 0,15
цветной 0,18
Тостер 1,1
Электрическая зубная щетка .... 0,007
Пылесос 0,5
Водонагреватель на 365 л (0,7)
Стиральная машина 0,35
Данный список приборов вместе с
рассмотренными выше устройствами говорит о том,
что в любом доме, имеющем одно или
несколько перечисленных устройств —
электроотопление, электрическую плиту, электропечь,
кондиционер, электросушку,
электроводонагреватель, — энергопотребление будет высоким и
сократить его с помощью простых мер по
экономии энергии трудно. Некоторые бытовые
приборы можно сделать более эффективными,
например водонагреватели могут быть
оборудованы дополнительной теплоизоляцией.
Холодильники, выпускаемые в настоящее время,
имеют худшую изоляцию, чем следовало бы.
Путем соответствующего выбора наиболее
подходящих бытовых приборов и внесения в них
возможных усовершенствований можно
добиться некоторой экономии энергии в домашнем
хозяйстве.
Использование вычислительной техники в
домашнем хозяйстве. Новое поколение
компьютеров, получившее широкое
распространение во второй половине 70-х годов, оказывает
глубокое воздействие на жизнь американского
общества. Микрокомпьютеры, как их
называют, скоро станут обязательной
принадлежностью большинства домашних хозяйств. С их
помощью можно будет выполнять многие
работы по дому, причем часть из них позволит
экономить энергию. В этой главе уже
упоминались две из таких задач: термостатическое
регулирование отопления и автоматическое
управление освещением. Ниже приводится
перечень задач, которые могут решаться и уже
решаются с помощью микрокомпьютеров:
автоматический контроль за разностью
заданной и устанавливающейся в помещении
температур воздуха;
определение расхода воды;
управление водонагревателем с целью
обеспечения его работы преимущественно в
часы провалов графика нагрузки энергосистемы,
когда оплата электроэнергии производится по
пониженным тарифам;
определение электроприборов, которые
оставлены включенными по недосмотру;
управление зонным отоплением с целью
сокращения потерь теплоты на отопление
нежилых помещений;
определение по разности температур
снижения КПД электроотопительных приборов
или кондиционеров, вызванного, например,
засорением воздушных фильтров.
Существует, конечно, множество других
функций, не связанных с энергетикой (и
потому не перечисленных здесь), которые может
выполнять и выполняет домашний компьютер.
Промышленность
В США на долю промышленности
приходится более 40 % суммарного потребления
энергии. В число шести наиболее энергоемких
отраслей промышленности в порядке убывания
потребления энергии входят металлургическая,
химическая, нефтехимическая, пищевая,
бумагоделательная промышленность и
промышленность строительных материалов. На эти шесть
отраслей приходится 65 % суммарного
потребления энергии в промышленности. Ниже
приводится структура потребления энергии в
промышленности по энергоносителям:
Доля в
суммарном
использовании
энергии
в стране, %
Технологический пар 17
Электропривод 8
Электролиз 1
Прямой нагрев 11
Сырье 4
Прочее <1
267

Видно, что наиболее распространенной
формой энергии в промышленности является
теплота. Для определения путей экономии
энергии в промышленности следует рассмотреть
некоторые из наиболее важных промышленных
процессов.
Промышленные процессы
Во многих промышленных процессах
теплота требуется для протекания химических
реакций или для сушки. Некоторые из этих
процессов имеют очень низкую эффективность.
В США, например, на производство 1 т
цемента обычно расходуется около 300 кг
условного топлива, в то время как в Западной Европе
оно вдвое меньше.
Если воздух перед поступлением в печи
предварительно подогревается, достигается
заметная экономия топлива. На рис. 11.8
показана схема теплового рекуператора, в котором
теплота отходящих газов котельной
используется для предварительного подогрева воздуха,
поступающего в топку. Рисунок 11.9
иллюстрирует эффективность этой схемы. Если по
технологии температура протекания процесса дол-
f
\ I
Рис. 11.8. Схема системы рекуперации теплоты для
сушильной печи:
3 — сырье; 4 — впуск возду
/ — отходящие газы; 2 — топливо
ха; 5 — отработанное сырье
Рис. 11.9. Зависимость экономии теплоты от температу
ры отходящих газов технологических систем, подобных
представленной на рис. 11.8
жна поддерживаться на уровне 1370°С, а
воздух, поступающий в топку, может быть нагрет
до 540 °С, то согласно рис. 11.9 экономия
теплоты может составить около 30 %.
Пример 11.3. Проверьте утверждение об экономии
топлива.
Можно сопоставить количество теплоты Q2,
необходимой для нагревания воздуха с 20 до 1370 ЭС, с
количеством теплоты Qi, необходимой для нагревания
воздуха с 540 до 1370 °С, используя уравнение Q = mcM\
Q1/Q2 = mcAr1/mcAT2
830
1350
= 0,62.
Предварительный подогрев воздуха действительно
дает экономию топлива!
В некоторых промышленных процессах
применяется электрический подогрев. При
замещении электроподогрева подогревом от
прямого сжигания органического топлива можно
было бы увеличить общую эффективность
полезного использования топлива примерно в 3
раза. Но в некоторых процессах
электроподогрев заменить нельзя — выплавка
электростали и алюминия все еще происходит в
электропечах. Очень высокие температуры,
необходимые в данных процессах, могут быть
получены только с помощью электрической дуги.
В обозримом будущем, вероятно, не
предвидится появления для электродуговых печей
экономически приемлемой технологии,
заменяющей электроподогрев.
Существует ряд важных промышленных
процессов, в ходе которых требуется
производить физическое разделение потока продукции
на ее отдельные компоненты. В некоторых из
этих процессов требуется макроскопическое
разделение, например, металла и
неметаллических деталей на установках по сжиганию
городского мусора. Некоторые технологические
приемы такого разделения достигли высокого
уровня развития. Например, в одном из
процессов темное стекло отделяется от светлого
посредством улавливания разницы в их
магнитной восприимчивости.
Микроскопическая сепарация может быть
осуществлена на основе термодинамических
принципов. Сепарация — процесс, обратный
диффузии, рассмотренной в гл. 6, где
анализировался процесс горения. Используя
процесс диффузии как аналог, можно утверждать,
что количество энергии, необходимой для
разделения двух газов при начальной
концентрации xi и температуре Т при постоянном
давлении, равно
Втт = RT [пх In (l/Xl) + п2 In (1/хД (11.15)
где щ — число молей каждого из компонентов.
Одним из наиболее распространенных
процессов сепарации является выделение
кислорода из воздуха. Обычно оно производится
путем снижения температуры воздуха до
2G8

точки сжижения кислорода. При
промышленном производстве кислорода этим методом в
среднем потребляется около 1,5-106 Дж/кг.
Для определения минимальной необходимой
энергии может быть использовано (11.15).
Следует, однако, отметить, что осуществить
процесс при таком удельном расходе энергии
может оказаться очень трудным.
Пример 11.4. Найдите минимальное количество
энергии, которое необходимо для выделения кислорода из
воздуха при температуре 27 °С.
Предположим, что воздух состоит из кислорода и
азота в отношении 2:7,5. Тогда *i = 2/9,5 = 0,215, л:2=
= 7,5/9,5 = 0,78 и имеем
Bmin = RT [2 In (2/0,215) + 7,5 In (7,5/0,78)] =
= 352 кДж;
Bmin = 53 600 Дж = 26 880 Дж/моль;
Bmin= 1670 Дж/кг.
Таким образом, согласно второму закону термодинамики
выделение кислорода из воздуха при низких
температурах имеет весьма низкий КПД — только 1,67-103/1,5 X
ХЮв»0,0011.
Использование технологии молекулярной
фильтрации при давлении воздуха 0,3 МПа
позволяет получить довольно успешные
результаты, хотя расход энергии даже больше,
чем при сепарации при низких температурах.
Учитывая, что известные методы сепарации
обладают столь низкими КПД, необходимо
вести поиски других способов. Исследования в
этом направлении продолжаются.
Основная доля расходуемой в
промышленности энергии приходится на тепловые
процессы. Единственным путем повышения
эффективности использования теплоты является
повышение температуры протекания
процессов, что не всегда желательно или возможно.
Обусловлено это рядом факторов. Иногда для
предварительного подогрева веществ,
участвующих в процессе горения, требуются
дополнительные капитальйые вложения в
оборудование либо использование другого вида
топлива, что не всегда доступно.
Рециркуляция. В последние годы большой
интерес проявлялся к использованию
вторичного сырья для сбережения энергии. В США
рециркуляции подвергается лишь около 20 %
потенциально пригодных к этому вторичных
материалов. Простой причиной
недоиспользования этих резервов служит то, что этим на
первый взгляд невыгодно заниматься. Однако
более глубокий анализ показывает, что эта
проблема очень сложна.
Прежде всего следует учитывать
невыгодное положение, которое занимает перевозка
металлолома и других вторичных сырьевых
ресурсов по сравнению с перевозкой сырья и
руды, Расценки на перевозки металлолома в
среднем в 2,5 раза выше, чем на железную
руду. Такая ситуация ставит металлолом в
невыгодное положение и к тому же оказывает
заметное влияние на состояние окружающей
среды. Вместе с тем переработка необогащен-
ной железной руды требует гораздо больше
затрат топлива по сравнению с переработкой
металлолома. Это справедливо в отношении
почти всех видов металлов. Металлолом
имеется в изобилии, и в будущем масштабы его
использования можно было бы увеличить,
если бы для этого существовали экономические
стимулы.
Существует еще одна проблема, с которой
приходится сталкиваться. Владельцы шахт
имеют право на 15 %-ную налоговую скидку
с их валового дохода, предоставляемую на
истощение запасов, а предприниматели,
занимающиеся металлоломом, такой скидки не имеют.
Определенные сложности возникают и при
маркировке. Во многих отраслях
промышленности в спецификации на продукцию
обязательно требуется указывать количество
содержащегося в ней исходного сырьевого
материала. Маркировка масла для двигателей,
изготовленного из отработавшего масла, должна
содержать указание на исходный материал, и
оно, вероятно, не особенно будет привлекать
покупателей по сравнению с маслом,
изготовленным из первичных нефтепродуктов, хотя
по характеристикам между ними и не будет
различия.
При рециркуляции возникают также и
технические проблемы. В автомобилях
содержится большое количество меди и алюминия, и
если при переработке допустить их сплавление
с железом, то полученная сталь будет
низкого качества, пригодная только для арматуры
в железобетонных строительных
конструкциях. Олово в жестяных консервных банках по
существу представляет собой лишь тонкую
пленку, нанесенную на стальную основу.
Сварной шов содержит припой, в который входят
олово и свинец. Такие банки трудно
подвергаются рециркуляции. Сталь выплавляется в
основном в конверторных печах с
кислородным дутьем (ККД), которые могут принять
лишь небольшую долю металлолома (не более
30% полной загрузки). Электродуговые печи
могут работать при загрузке металлоломом
100 %, но на долю таких печей в США
приходится лишь 15 % суммарной
производственной мощности по выплавке стали. В ККД не
применяется внешний нагрев при помощи
органического топлива, а используется принцип
экзотермического окисления углерода,
кремния и марганца с помощью кислородного
дутья через расплавленный чугун. В
металлоломе этих элементов мало, и поэтому если не
осуществлять предварительного подогрева,
весь процесс переплавки замедляется и общая
269

Рис. 11.10. Поезд, отходящий от станции Мак-Артур в припортовой скоростной транспортной сети в районе
Окленда, штат Калифорния
производительность сталеплавильной печи
падает.
Технические проблемы, связанные с ломом
других металлов, не столь сложны. В табл.
11.2 приведено сравнение удельного расхода
энергии на производство черных металлов,
алюминия и меди из руды и металлолома.
Особенно существенную экономию энергии
можно получить при использовании
металлолома при производстве алюминия. Хртя в
общем случае наличие примесей имеет большое
значение при определении пригодности
металлолома, для алюминия примеси не столь
существенны, поскольку для многих изделий из
него наличие примесей не имеет значения.
Например, из переработанной алюминиевой
посуды можно снова сделать посуду или
изготовить алюминиевую фольгу для домашних
нужд. В ближайшем десятилетии значение пе-
Таблица 11.2. Примерные показатели по среднему
удельному энергопотреблению при производстве
некоторых металлов на 1 т металла, ГДж
Металлы
Черные
Алюминий
Медь
Производство металла
из руды
60
330
100
из/ металлолома
12,0
11,0
6,0
реработки алюминиевого скрапа будет
возрастать по мере того, как будет заканчиваться
срок службы большинства изделий,
изготовленных в начале 50-х годов. Рост значения
переработки алюминиевого скрапа в США — это
результат того, что в последние 30 лет
производство алюминия в стране росло почти
экспоненциально.
Существует также ряд вторичных
сырьевых материалов, рециркуляция которых
малоэффективна или совсем неэффективна. К
таким вторичным видам сырья относятся стекло
и резина. Для производства одной бутылки
емкостью 0,5 л из первичного сырья требуется в
среднем 1,2-106 Дж теплоты. Примерно такое
же количество энергии расходуется при
изготовлении бутылки из битого стекла. В то же
время при производстве посуды из битого
стекла трудно добиться заданной прочности и
цвета. Поэтому битое стекло малопригодно для
производства изделий из стекла высокого
качества. Даже небольшое количество
примесей—металлических или органических может
вызвать затруднения. В связи с этим рецирку-
лируется не более 5 % всего производимого
стекла (а время «полураспада» стекла в
биосфере очень большое!).
Основная трудность при рециркуляции
резиновых автомобильных покрышек состоит в
270

отделении резины от кордовой или
проволочной основы, завулканизированной в
покрышку. Альтернативой полной переделке
покрышек служит наваривание протекторного
рисунка, однако суммарное количество рецирку-
лированной резины составляет не более 25 %
общего ее производства в США.
Рециркуляция текстильных изделий также низка, не
более 4 % суммарного производства, но эта
проблема носит не технический, а экономический
характер. Большинство текстильных изделий
быстро разлагается после износа и
выбрасывания на свалки в санитарных мусорных
зонах и не представляет в долгосрочном плане
проблемы для окружающей среды, как,
например, стекло.
Обобщая, можно сделать вывод, что
рециркуляция могла бы дать значительно больше
в плане экономии энергии, нежели от нее
сейчас получают. Но для реализации этой
возможности необходимо решить ряд
технических и организационно-управленческих
вопросов.
Транспорт
На долю транспорта приходится около
25 % суммарного потребления энергии в
США. Сокращение даже не несколько
процентов этой доли может оказать в США огромное
влияние на внешнеторговый баланс, на
уровень загрязнения воздуха и темпы истощения
запасов нефти. Целью данного параграфа
является рассмотрение транспортных систем в
США и определение путей повышения их
эффективности.
Существо транспортной проблемы.
Развитие транспортных систем в прошедшие годы
основывалось на трех принципах,
перечисленных в порядке предпочтительности учета:
скорости, комфортабельности и экономии. До
недавнего времени затратам энергии уделялось
слишком мало внимания, но сейчас, когда
энергопотребление оказывает такое влияние
на экономику, ясно, что в масштабах всего
государства потребление энергии на
транспорте становится крупной проблемой.
Внимание к этой проблеме проявилось в
нескольких аспектах. На различных уровнях —
государственном и местном — увеличились
расходы на исследования и конкретные
мероприятия в области создания систем
общественного транспорта. Правительство ввело
повышенные требования к нормам расхода горючего
в автомобилях, и население проявило
стремление покупать автомобили меньших
габаритов, с пониженными нормами расхода
горючего, хотя сначала такие автомобили можно
было купить только у зарубежных
поставщиков.
Таблица 11.3. Расчетная структура расхода энергии
на транспорте США в 1980 г.
Транспорт
Самолеты
Грузовики
Железные
дороги
Легковые
автомобили
Автобусы
Междугородный
Доля
грузовых
перевозок, %
0,2
20
34
Доля
пассажирских
перевозок, %
10
1
87
2
Городской
Доля
пассажирских
перевозок, %
97
3
Примечание. Суммарное потребление энергии для
грузового междугородного транспорта составляет 3,4-1015 Дж,
для междугородного пассажирского 6«1015 Дж, для городского
пассажирского 9,5-1015 Дж.
При обсуждении проблем транспорта самое
большое внимание было уделено перевозке
людей, так как на нее приходится основная
доля потребления энергии на транспорте
(табл. 11.3).
Проблемы создания действенной системы
массового общественного транспорта для
американцев связаны не просто с техническими
трудностями, хотя и они, разумеется,
существуют. Многие американские города никогда в
своей истории не имели общественного
транспорта, поэтому их планировка, как, например,
Вашингтона, при создании систем
общественного транспорта потребует строительства
дорогостоящих туннелей. А такие города, как
Бостон, имеют такую планировку, что и более
простые системы общественного транспорта
трудно будет эффективно внедрить. Одной из
немногих таких систем, созданных в
последние десятилетия, была система скоростной
перевозки в районе порта Сан-Франциско. На
осуществление этого многомиллиардного
проекта ушло 8 лет (с 1964 по 1972 г.), и в
настоящее время система насчитывает более 112 км
наземных и подземных путей. На рис. 11.10
показан один из участков этой системы.
Большинство исследований в области
перевозок было связано либо с «техническим
обеспечением» (типы и конструкции
транспортных средств), либо с «программным
обеспечением» (сети и системы путей) и экономической
оценкой конкретных проектов. В результате
таких исследований появились проекты
сверхскоростных поездов на «магнитной подушке»
с линейными индуктивными двигателями,
монорельсовые пассажирские вагоны и другие
технические новшества. Сетевые и системные
исследования дали новую информацию в
области оптимизации расписания движения,
«снятия» нагрузки в часы пик, теории
составления маршрутов по другим вопросам,
имеющим важное значение для развития обществен-
271

ного транспорта. Однако ни одно из
исследований не затрагивает сути проблемы
общественного транспорта — собственности на
транспортные средства.
Результаты большинства исследований по
проблеме «энергетика — окружающая среда»
показывают, что социологические,
экономические и политические аспекты проблемы
намного сложнее технических аспектов, которые,
однако, следует принимать во внимание. С
помощью математического анализа
транспортных потоков в последние годы удалось
обеспечить проектировщиков транспортных систем
данными, помогающими оптимизировать
проекты по созданию транспортных средств и
систем. В конструкциях общественных
транспортных средств появились некоторые
качественно новые черты, и технические аспекты
создания предложенных транспортных средств
следует рассмотреть подробнее. И, наконец,
поскольку практически невозможно
отказаться от пользования автомобилем, следует
более подробно рассмотреть, какие факторы
влияют на его характеристики и как их можно
улучшать в будущем.
Транспортный поток. Вопрос, стоящий
перед специалистами в области прикладной
математики, формулировался так: «Может ли
транспортный поток (q транспортных средств
в единицу времени) быть записан как
функция некоторых параметров Ки которая может
управляться операторами движения на улицах
и шоссе с целью оптимизалии q?» Другими
словами, если q = q(ki)> найти значения Ки
при которых
V^!=o. (иле)
i
Средняя интенсивность потока q может быть
определена как
?--= kvy (11.17)
где k — концентрация транспортных средств
на единице длины шоссе; v — скорость
движения. Успешное решение этой задачи было
получено исходя из предположения, что
концентрация транспортных средств может быть
записана как сумма движущихся и стоящих
машин
k=kn + kc. (11.18)
Это выражение было названо «двухпоточной
моделью», поскольку в каком-то смысле она
аналогична модели конденсации Бозе —
Эйнштейна, в ходе которой при низких
температурах газ попадает в состояние, при котором
часть его молекул находится в спокойном
состоянии, а часть остается в возбужденном
состоянии.
При конденсации по модели Бозе —
Эйнштейна теплота возбужденных молекул
пропорциональна кинетической энергии доли
оставшихся в этом состоянии молекул. По аналогии
можно предположить, что скорость потока
движущихся машин должна быть
пропорциональна числу движущихся машин
»д ос /?, (П.19)
или
0д = РО-/с)\ (И-20)
где р — коэффициент пропорциональности,
/с — доля стоящих машин; п — число,
определяемое эмпирически.
Средняя скорость всех находящихся на
шоссе машин зависит от средней скорости
движущихся машин и их доли в общем числе
машин:
v = vafa, (11.21)
поэтому (11.21) можно записать как
" = Р(1-Ш«. (П.22)
Для того чтобы получить выражение
скорости потока в окончательном виде,
зависящее только от параметров, связанных с
дорогой, необходимо получить еще одну,
последнюю информацию, при каком значении кЩах
концентрация автомобилей достигнет
значения, при котором на шоссе произойдет затор.
Можно полагать, что число машин при заторе
характеризует конкретное состояние дороги,
т. е. ее профиль, покрытие, ширину и т. п.
Пусть
/с = (*/*т.Х (И-23)
где р — параметр «качества» дороги.
Уравнение (11.22) может быть решено для
fc, результат подставляется в (11.23), чтобы
получить выражение для концентрации k:
k = kmax[l-(vWa)m+TP. (П-24)
Это выражение может быть использовано в
начальном уравнении для транспортного
потока (11.17). Тогда получим уравнение,
описывающее семейство кривых, отражающих
характер транспортного потока со средней
скоростью движения:
<7 = ^а^[1-(^)1/П+1Г. (Н.25)
Для заданных р, kmax, n, p может быть
определена предельная скорость, при которой
транспортный поток будет максимальным.
Пример 11.5. Если р=\ и п =2, как через р и
kmах будет выражена скорость и, при которой
транспортный поток q является максимальным?
Приравняем dq/dv=*Q. Тогда
dq и 4 / kmax \ 4/3 п ( 3 \* а
От kmax скорость v не за висит.
272

Если физические характеристики дороги
могут быть непосредственно соотнесены с
параметрами уравнения (11.25), появляется
возможность определить заранее до начала
сооружения дороги структуру движения
транспорта, что помогает минимизировать стоимость
строительства и экономить горючее. Однако
такие прямые зависимости еще не выведены,
хотя работа в этом направлении ведется
многими исследователями. Если предположить,
что сохранится интерес к продолжению
исследований в этой области, результатов можно
ждать в ближайшем будущем.
Общественный транспорт. Цели
исследований в области общественного транспорта,
многие из которых были начаты в конце 60-х
годов, с тех пор существенно изменились.
В прежние годы более важным считалось
ограничение движения автомобилей на улицах
города для снижения загрязнения воздуха, а
не для экономии энергии. Разумеется, тогда,
как и сейчас, было очень важным создать
новую экономичную систему, привлекающую
внимание покупателей. Новые соврехменные
технические решения, которые упоминались
выше, были результатом этих исследований.
Одним из примеров является создание
«пассажирского конвейера».
По этому проекту должны были быть
созданы серии небольших четырехместных
вагончиков, движущихся по рельсам, уложенным
на эстакаде, и управляемых с помощью ЭВМ.
Эти вагончики должны были двигаться по
одностороннему пути на относительно
небольшой скорости, которая позволяла бы
пассажирам ездить из дома на работу, затрачивая на
дорогу приемлемое время. Однако по
удельным затратам топлива на перевозку
пассажиров эта транспортная система оказалась
неконкурентоспособной по сравнению с
транспортными средствами, имеющими более
высокие удельные показатели перевозки
пассажиров, как, например, поезда или автобусы.
Не ясно также, смогла бы она когда-нибудь
стать конкурентноспособной по экономическим
показателям.
Несколько созданных полномасштабных
демонстрационных проектов не дали
удовлетворительных результатов ни в техническом,
ни в экономическом отношении. За
последние 10 лет не было построено ни одной такой
транспортной системы и ни одной такой
системы в настоящее время не проектируется,
хотя исследования в этом направлении
продолжаются.
По сути, следует рассматривать лишь три
системы общественного транспорта, которые
весьма различаются и по характеристикам и
по типам транспортных средств: городской
пассажирский транспорт, междугородный
скоростной транспорт, междугородный низко-
и среднескоростной транспорт.
В табл. 11.4 перечислены различные типы
транспортных средств, предназначенные для
разных перевозок.
Не каждый тип транспортного средства
может быть использован для всех трех видов
систем общественного транспорта.
Для минимизации суммарного потребления
энергии подходящей характеристикой для
определения качества транспортной системы
является показатель перевозки в пассажиро-ки-
лометрах на литр горючего. Автомобиль хотя
и является весьма экономичным транспортным
средством в отношении расхода горючего на
длину пробега, но перевозит очень мало
пассажиров. Возможно, в самой идее конструкции
автомобиля в среднем на четырех человек
была проявлена чрезмерная щедрость. А среднее
число пассажиров в автомобилях
индивидуального пользования лишь ненамного больше
одного. По этому же признаку и
междугородный автобус не будет эффективным видом
транспорта, если в нем будет перевозиться
всего несколько пассажиров.
Из табл. 11.4 видно, что лишь самолет
может обеспечить такую скорость проезда из
города в город, какую большинство людей пред-
Таблица 11.4. Характеристики различных
видов транспорта
Вид транспорта
Сверхзвуковой
воздушный транспорт
Обычный реактивный
авиалайнер (Боинг-
707)
Большой реактивный
авиалайнер (Боинг-
747)
Транспортные
средства на воздушной
подушке
Ночной
железнодорожный экспресс
Автомобиль
Аэробус
Скорый
поезд-экспресс
Пассажирский поезд
Междугородный
автобус
Пригородный поезд
(двухэтажный)
Велосипед1
ость, км/ч
Q.
о
?
и
3200
480
640
320
145
80
640
160
60
50
60
10
ч
ажнро-
гнмость, че
о ь
У <и
? s
С 0Q
120
130
220
100
100
4
350
250
500
70
1400
1
гьный рас-
топлива,
?> s
&***
,5о^
>> х с;
35,3
9,4
14,1
5,6
4,7
0,1
11,8
4,0
5,9
0,4
3,4
2,59Х
хю-4
о о> о
ажиро-кил
ы в расчет
л горючег
Ч си—
Й н
42 5 <з
С s s
3,4
14
16
18
21
40
30
62
85
175
412
3,85х
хю-4
1 Данные по эквивалентному расходу энергии.
273

Рис. 11.11. Схематическое
изображение поперечного сечения скоростного
поезда на воздушной подушке
почитают для деловых поездок. Однако
самолеты с точки зрения потребления энергии —
далеко не самый экономичный вид
транспорта. В настоящее время создается новое
поколение широкофюзеляжных самолетов, которые
будут иметь более хорошие по сравнению с
используемыми сейчас самолетами
показатели в пассажиро-километрах на литр горючего.
Однако и они всегда будут уступать
аналогичным показателям железных дорог и автобусов.
Приемлемую скорость обеспечивают
транспортные средства на воздушной подушке.
Пример 11.6. Сравнить время переезда из центра
Чикаго в центр Лос-Анджелеса на совершающем
регулярные рейсы пассажирском авиалайнере и на
скоростном транспортном средстве на воздушной подушке.
По дорожному атласу расстояние между Чикаго и
Лос-Анджелесом составляет 3305 км. Для авиалайнера,
который может лететь по более или менее прямой
линии, расстояние составляет около 2200 км.
Для скоростного транспортного средства на
воздушной подушке длина пути должна быть около 2500 км.
Время в пути для обоих случаев должно составить:
для авиалайнера 2200/480=4,6 ч;
для транспортного средства на воздушной подушке
2500/320=7,8 ч.
Но к этому времени следует добавить время,
требующееся, чтобы добраться в центр города. В Чикаго это
время составляет около 1 ч, в Лос-Анджелесе — около
0,7 ч. Однако это время следует добавлять только в
случае путешествия самолетом, поскольку транспортное
средство на воздушной подушке может отправляться с
конечной станции в центре города. Поэтому отношение
времени перелета самолетом ко времени переезда тран-
епортным средством на воздушной подушке составляет
(4,64-1,7)/7,8=0,81. С учетом того, что в транспортном
средстве на воздушной подушке можно обеспечить
значительно больший комфорт по сравнению с самолетом,
не представляется таким уж невероятным, что
значительная часть совершающих деловые поездки людей
предпочтет самолету скоростное комфортабельное
транспортное средство на воздушной подушке или
какое-либо другое, аналогичное по своим качественным
характеристикам транспортное средство, если оно появится.
Скорость движения обычных поездов
ограничена пределом устойчивости вагонов на
рельсах при поворотах и естественной тряске
на неровностях железнодорожного полотна.
Эти ограничения присущи железнодорожному
транспорту и ограничивают скорость движения
поездов — максимум 250 км/ч. В Японии на
магистрали Токайдо, принадлежащей
железнодорожной компании, скорость движения в
среднем составляет 209 км/ч, но для того
чтобы предупредить возможность
железнодорожной катастрофы, необходимо каждую ночь
проводить ремонтные работы вдоль всего
пути. На Британской скоростной железной
дороге поезда будут двигаться со скоростью
240 км/ч; к настоящему времени эта
железнодорожная линия еще не введена в
постоянную эксплуатацию. Поезда такого типа легче
и меньше, чем обычные поезда.
Единственным способом увеличить скорость
наземного транспорта сверх 250 км/ч,
который мог бы практически использоваться для
перевозки пассажиров или грузов, является
устранение механического контакта между
транспортным средством и полотном дороги
при помощи какой-либо подвесной системы.
Исследуются системы воздушных «подушек»
магнитной и динамической подвески.
Поперечное сечение транспортного
средства, использующего воздушную подушку,
изображено на рис. 11.11. Существуют и другие
конструкции, отличающиеся от показанной на
этом рисунке конфигурации путевого
устройства. Воздух под давлением продувается
через каналы в корпусе вагона и попадает в воз»
душную подушку в направляющем пути.
Давление воздуха уравновешивает массу вагона,
а поступательное движение может
осуществляться с помощью различных технических
средств: ракетных ускорителей, пропеллеров,
линейных индуктивных двигателей.
Основными недостатками такой системы являются:
необходимость иметь вторичное подвесное
устройство для демпфирования колебаний поезда
на неровностях направляющего пути в
местах износа и разрыва стыков, которые
неизбежно образуются; проблемы, связанные с
образующимися воздушными потоками;
некоторая нестабильность движения на больших
скоростях, высокие требования к качеству
путевого устройства. В Англии, Франции и США
исследования по созданию транспортных
средств на воздушных подушках начались
примерно одновременно. Было построено
несколько опытных участков. Но вскоре
пришли к заключению, что эта подвесная система
имеет свои ограничения, и исследования
приняли другие направления.
Существуют два типа магнитной подвески,
представляющие собой бесконтактное
подвешивание транспортного средства с некоторым
зазором над путевым устройством:
притягивающая и отталкивающая. Они показаны на рис.
11.12. В случае притягивающей подвески
регулируемые электромагниты, расположенные
274

a)
Рис. 11Л2. Магнитная подвеска:
а — притягивающего типа; б — отталкивающего типа; / — электромагниты; 2 —
сверхпроводящие машины; 3 — алюминиевая направляющая
Рис. 11.13. Схематическое
изображение поезда на воздушной подушке
в вагоне, вызывают появление сил притяжения
между вагоном и стальными рельсами
путевого устройства. При движении датчик
измеряет воздушный зазор и выдает сигнал на
систему управления током в электромагнитах.
Чтобы между магнитами и рельсами
поддерживался воздушный зазор примерно в 2 см,
необходима мощность магнитной подвески
примерно 2 кВт в расчете на 1 т массы вагона.
Однако на практике этот показатель должен
быть намного больше, поскольку амплитуда
и частота колебаний зазора требуют
постоянной корректировки. Как следствие необходимо
иметь очень точно пригнанное и ровное
путевое устройство. В результате исследований,
проведенных в последние годы, стало ясно,
что соотношение между стоимостью и
скоростью для притягивающей магнитной подвески
не очень хорошее и она не может быть
использована на практике.
Отталкивающая магнитная подвеска для
поддержания приемлемого зазора между
вагоном и направляющей использует постоянные
магниты, которые образуют магнитное поле
очень большой напряженности. Единственным
практическим способом создания таких полей
является использование сверхпроводящих
магнитных систем, расположенных в каркасе
транспортного средства. По оценке
потребляемая мощность составит около 37 кВт в
расчете на 1 т. В обоих типах магнитной подвески
возникают значительные потери энергии от
вихревых токов. Вихревые токи наводятся в
проводящих материалах переменными
магнитными полями, силовые линии которых эти
материалы пронизывают. Потери от вихревых
токов пропорциональны величине I2R и
должны восполняться энергией магнитного поля.
Интересной альтернативой системы с
воздушной подушкой и магнитными подвесками
является система динамической подвески.
В такой системе воздушная подушка
образуется по принципу полета транспортного
средства на небольшой высоте. Воздушная
подушка, называемая в данном случае ударной,
может образовываться либо от движения
транспортного средства, либо с помощью тяги тур^
бовинтового вентилятора. Путевое устройство
в такой системе просто по форме и не очень
массивно. Поперечное сечение этой системы
показано на рис. 11.13. Шарнирные «крылья»
служат для того, чтобы направлять поток
воздуха из-под транспортного средства и
поддерживать нужное рабочее давление. Воздушная
подушка может создаваться либо с помощью
подъемно-поступательного вентилятора,
приводимого в движение газовой турбиной, либо
при поступательном движении транспортного
средства, имеющего линейные
электродвигатели. При движении с помощью вентилятора и
газовой турбины мощность равна лишь 3 кВт
на 1 т. Благодаря столь небольшому расходу
электроэнергии и относительно простому и
дешевому путевому устройству транспортное
средство с ударной воздушной подушкой
становится конкурентоспособным по сравнению с
современными транспортными системами,
включая даже авиационные перевозки на
небольшие расстояния. Такая транспортная
система была бы практически применимой уже
в наши дни, если бы не высокие
первоначальные затраты на ее сооружение. Однако по
мере роста стоимости топлива транспортные
средства на ударной воздушной подушке,
вероятно, будут вводиться в действие на
наиболее загруженных междугородных трассах,
таких как Вашингтон — Нью-Йчэрк или Лос-
Анджелес — Сан-Франциско. Сравнение
показателей систем с различной подвеской
приводится на рис. 11.14.
Серьезность ситуации с
энергопотреблением на транспорте послужила стимулом
появления некоторых необычных идей, например
вакуумного гравитационного транспорта
(ВГТ). Эта транспортная система использует
идею движения поезда вниз под воздействием
силы тяжести в туннеле, из которого выкачан
воздух. Сила инерции выносит поезд вверх на
275

J*r
ас
| 20
I
5
10
Г1
Уг
r*
Y"t
№
Рис. 11.14. Сравнение показателей различных типов
СПВП:
/ — воздушная подушка с газотурбинным вентилятором; 2 —
воздушная подушка с линейным электродвигателем; 3 —
притягивающая магнитная подвеска с линейным
электродвигателем; 4 — отталкивающая магнитная подвеска с линейным
электродвигателем; 5 — рельсовое транспортное средство на
воздушной подушке с линейным электродвигателем
Рис. 11.15. Схема вакуумного гравитационного
транспорта (ВГТ):
/ — вакуумный насос; 2 — перекрытие для создания вакуума
Рис. 11.16. Суммарный пробег автомобилей,
находящихся в частном пользовании в США с 1945 г.
следующей станции, как это показано на рис.
11.15. Подсчитано, что при таком движении
за 3 мин можно преодолеть 12,1 км при
погружении на глубину около 900 м. Поскольку
скорость движения при этом достигает 240 км/
/ч, необходимо решить проблемы, связанные
с созданием соответствующих путевого
устройства и подвески. Естественно, что самой
главной проблемой в этой транспортной
системе остается строительство требующегося
для нее туннеля — в настоящее время
экономически приемлемой технологии для такого
строительства еще нет.
Другая идея заключается в развитии
сверхкрупных летательных аппаратов, которые
«легче воздуха», или дирижаблей. Такие
летательные аппараты были бы аналогичны
знаменитым «цеппелинам» 30-х годов, включая
получивший печальную известность «Гинден-
берг». Однако их размеры в 3—4 раза
больше, а наполнены они гелием, а не водородом.
Такие воздушные корабли хотя и медленнее
самолетов, но могут развивать скорость от 160
до 320 км/ч и перевозить очень крупные
грузы, например поезда или грузовики, которые
нелегко перевозить с помощью обычных
авиалайнеров. Они позволят также осуществлять
погрузочно-разгрузочные работы прямо на
строительных и производственных площадках.
И трансокеанские путешествия могли бы стать
очень комфортабельными. Однако пока
совершенно неизвестна стоимость их сооружения.
К крупным воздушным кораблям, возможно,
еще вернутся, но в ближайшем будущем их
развитие представляется маловероятным.
Развитие высокоскоростного наземного
транспорта облегчит решение проблемы
энергообеспечения экономики, но подлинного
прогресса в повышении энергетической
эффективности всей транспортной системы можно будет
добиться лишь при существенном сокращении
числа легковых автомашин, находящихся в
индивидуальном пользовании, что
представляется маловероятным, или когда сам автомобиль
станет более экономичным транспортным
средством, что является более реальной задачей.
Автомобильный транспорт. В США на
автомобильные поездки расходуется намного
больше энергоресурсов, чем на любой другой
отдельно взятый вид хозяйственно-бытовой
деятельности.
На рис. 11.16 показана динамика роста
суммарного пробега автомобилей в период после
второй мировой войны. За исключением
короткого периода, последовавшего за
энергетическим кризисом 1973—1974 гг., суммарный
пробег автомобилей постоянно увеличивался. Если
к росту пробега прибавить изменение средних
характеристик автомобильных двигателей
(рассмотренных в гл. 4), становится очевид-
276

Рис. 11.17. Силы, действующие на автомобиль в
движении
ным, что утверждение, высказанное выше,
более чем справедливо. Становится также
ясным, что изменить ситуацию могут только
мероприятия в двух направлениях: сокращение
километража автомобильных поездок и
улучшение характеристик автомобиля.
Поскольку проблемы владения и
пользования автомобилем носят в значительно большей
степени психологический и социологический,
нежели технический характер, вероятно, мало
что можно сделать в направлении сокращения
масштабов автомобильных поездок. Было
рассмотрено несколько путей решения этой
проблемы, в том числе развитие общественного
транспорта. Успехи в этих направлениях либо
минимальны, либо совсем отсутствуют.
Справедливости ради можно отметить, что за
последние 70 лет система общественного
транспорта в США получила очень небольшое
развитие. Следует, однако, сказать, что будущее
покажет эффективность этого направления
развития пассажирского транспорта.
Существенное сокращение потребностей в
бензине может дать улучшение
технико-экономических характеристик автомобилей.
Повышение энергетической эффективности
автомашин может быть обеспечено путем
улучшения аэродинамики, конструкции
двигателей, вспомогательных устройств, а также
снижением массы автомашины, созданием и
внедрением новых типов автомобильных силовых
установок.
Некоторые из этих направлений
предполагают сравнительно существенные изменения,
некоторые — не очень. Практика показывает,
что в американской экономике легко
осуществляются только небольшие изменения. Как
следствие в последние годы наблюдался
прогресс в области изменения массы (т. е.
размеров), арматуры и конструкций самих
автомобильных двигателей. Улучшения
аэродинамических свойств не было, особенно для
грузовиков (что оказывает влияние на внешний вид
и форму моделей), а также принципиальных
изменений в конструкции двигателей.
Можно легко подсчитать расходы, которые
мы оплачиваем только из-за того, что
своевременно не внедряются некоторые из
технических новшеств. Расчетный КПД двигателя
внутреннего сгорания, как показано в гл. 4,
Рис. 11.18. Форма автомобиля, которая была бы очень
близка к совершенной с точки зрения
аэродинамического сопротивления
составляет около 50%. Там же было
показано, что КПД реальных двигателей никогда не
достигнет этого теоретического значения
(в лучшем случае половину этого значения).
В гл. 4 двигатель внутреннего сгорания
анализировался как термодинамическое устройство,
здесь устанавливается связь этого устройства
с ходовым устройством реального автомобиля
для определения реальной эффективности
преобразования энергии топлива в
поступательное движение.
Для этого рассмотрим силы, действующие
на автомобиль при прямолинейном
горизонтальном движении (рис. 11.17). Движущая
сила FT обеспечивается трением между шинами
и поверхностью дороги. Должно выполняться
равенство
2F=FT—Fc = ma. (11.26)
При прямолинейном горизонтальном
равномерном движении ускорение равно нулю, и
поэтому сила тяги дригателя просто
уравновешивается силой лобового сопротивления,
возникающего за счет трения в колесах и
аэродинамического сопротивления:
Fc = 0,65Cafl^2/V, (11.27)
где А — общая лобовая площадь автомобиля;
Сад — коэффициент лобового сопротивления,
зависящий от формы автомобиля. Значения
коэффициентов лобового сопротивления Сад
для некоторых типов и форм автомобилей
перечислены ниже.
Формы тела
Падающая капля (в момент отрыва) 0,03
Автомобили будущего 0,20
Автомобиль марки «Порше 904» 0,35
Автомобиль марки «Ягуар ХК-Е» 0,40
Типовой американский легковой автомобиль . , 0,50
Типовая американская модель автофургона . . 0,60
Обычный грузовик 0,70
Создать автомобиль с наилучшей
аэродинамической формой, какой является форма
падающей капли, не представляется
возможным, тем не менее можно придавать ему
лучшую аэродинамическую форму, чем он имеет
в настоящее время. На рис. 11.18 изображен
автомобиль такой формы, имеющий
коэффициент лобового сопротивления, равный
только 0,2, т. е. почти в 2 раза меньше, чем у боль-
277

10 20 30 40
Рис. 11.19. Зависимость сопротивления качению F}<
аэродинамического сопротивления Fc и мощности при
постоянной скорости Р автомобиля массой 2270 кг от
скорости движения
шинства продающихся сейчас автомобилей.
Конечно, снижение коэффициента лобового
сопротивления вдвое не означает такого же
снижения потерь, поскольку на потери
действуют и другие факторы.
Главной трудностью в продвижении на
рынок более эффективных в отношении
аэродинамических характеристик моделей является
влияние моды. Форма автомобиля,
изображенного на рис. 11.18 сильно отличается от
типичных американских моделей, хотя и
напоминает отдаленно некоторые европейские
модели.
Пример 11.7. Сколько затрачивается энергии на
преодоление аэродинамического сопротивления
грузовиком за 1 ч при скорости движения 100 км/ч?
Из (11.27)
Гс = 0,65Сад^2
и мощность равна Fv, тогда энергия
E = Fcvt = 0,65Сад Ла3 / =
= 0,65.0,7(3-2,7) 102
103
60-60 =
60-60/
= 2,8-108 Дж (А = 3-2,7 м2);
? = 2,8- 108 Дж/ч.
Поскольку в 1 л дизельного горючего содержится около
242-105 Дж, преодоление такого сопротивления в
течение часа потребовало бы расхода горючего 11,4 л. Если
к этому добавить расход энергии на преодоление
сопротивления трения колес, который будет несколько меньше
и составит по эквивалентному расходу горючего около
8,6 л, общий расход дизельного горючего на 100 км
пути составит-более 18 л,-а пробег автомобиля на 1 л
горючего — около 5,5 км.
Сопротивление качению складывается из
пробуксовки протекторов шин по полотну
дороги, сопротивления воздуха и внутренних
потерь на деформацию. Это сопротивление
может быть вычислено, если использовать
экспериментально полученные параметры, но эти
данные верны только для специфического
типа шин. Хорошие результаты получаются
лишь для новой резины и скорости движения
выше 20 м/с:
FK= (М/1000)[118 + l,b + 0,2(y — 20)2)ЛГ,
(11.28)
где М — масса транспортного средства, кг;
v — скорость движения, м/с. На рис. 11.19
изображена зависимость сопротивления
качению, аэродинамического сопротивления и
мощности при постоянной скорости,
необходимой для большого комфортабельного
автомобиля (А1=2270 кг), от скорости движения.
Мощность, развиваемая им при постоянной
скорости, представляет собой
результирующую векторов движущей силы FT и
суммарной силы сопротивления FC + FK, действующих
на автомобиль при движении. Эта мощность
должна передаваться на колеса автомобиля
для поддержания постоянной скорости при
равномерном прямолинейном горизонтальном
движении.
Зависимость, изображенная на рисунке,
показывает, что для поддержания высокой
постоянной скорости при прямолинейном
горизонтальном движении на колеса должна
передаваться значительная мощность. Она не
эквивалентна мощности развиваемой
двигателем, поскольку часть энергии теряется.
Мощность, поступающая на приводной вал от
двигателя, называется действующей
мощностью. При прямолинейном равномерном
горизонтальном движении действующая
мощность двигателя должна быть примерно на
3 % больше мощности, передаваемой на
колеса, для компенсации потерь мощности в
коробке передач и осях. Кроме того,
существенная часть мощности теряется в различных
промежуточных звеньях передачи и
вспомогательных устройствах, как необходимых, так и
устанавливаемых произвольно. Воздушная и
водяная помпы, охлаждающий вентилятор,
необходимые для работы двигателя,
потребляют от 3,5 до 11 кВт в зависимости от частоты
вращения двигателя. На кондиционирование
воздуха и рулевое управление с устройством
усиления может приходиться от 3 до 6 кВт на
каждое в зависимости от скорости движения
и температуры окружающего воздуха. Для
прямолинейного равномерного
горизонтального движения со скоростью 30 м/с (107,2 км/ч)
на колеса должно передаваться около 37 кВт
(51 л. с). Если учесть все потери, то на
приводной вал от двигателя должно поступать
48 кВт.
В данном анализе до сих пор не
учитывались затраты энергии на ускорения, а также
движение по инерции, работу двигателя на
холостом ходу и торможение. Если принять во
278

внимание все эти факторы, то при типовой
поездке на приводной вал автомобиля должно в
среднем передаваться от двигателя в 1,5 раза
больше мощности, чем требуется иметь на
колесах.
Изменение располагаемой мощности в
зависимости от частоты вращения двигателя
дает возможность проанализировать внутренний
механизм работы автомобиля. Были
упомянуты три устройства, связанные с работой
двигателя, расход энергии на работу которых
зависит от частоты вращения двигателя:
воздушная помпа, охлаждающий вентилятор и
водяная помпа. Но энергия потребляется еще и на
трение поршневых колец в цилиндрах. Даже
при хорошей смазке двигателя трение в
цилиндрах усиливается по мере возрастания
частоты хода поршней и увеличения температуры.
Если назвать потери мощности на трение
мощностью трения, то из рис. 11.20 можно
видеть, что в результате наличия этой мощности
трения располагаемая мощность нелинейно
зависит от частоты вращения двигателя.
Можно выразить располагаемую
действующую мощность Рд как разницу между
мощностью, развиваемой двигателем, индикаторной
мощностью двигателя Ри и мощностью трения
Рт. Тогда механический КПД может быть
выражен как
Рмех = Рп'Р*=1-Р?/Р*. (П.29)
Максимальное значение механического
КПД достигается при определенном
промежуточном значении частоты вращения. Это
объясняется тем, что при малой частоте
вращения индикаторная мощность, развиваемая
двигателем, велика и мощность трения
стремится к своему нижнему постоянному значению.
При большой частоте вращения
индикаторная мощность также велика, но возрастает и
мощность трения. Механический КПД прямо
пропорционален крутящему моменту на
приводном валу, развиваемому двигателем.
Все рассуждения, приведеные выше,
строились, исходя из предположения, что в
карбюратор поток воздуха поступает
беспрепятственно и не регулируется заслонкой через педаль
газа. Сохранение высокого механического
КПД при снижении частоты вращения
двигателя достигается с помощью соответствующих
понижающих передаточных чисел зубчатой
коробки передач. Кривая / на рис. 11.21,
построенная для работы двигателя при наибольшей
частоте вращения, показывает, что коробка
передач должна иметь постоянно меняющееся
передаточное число для непрерывного
изменения кривой. Вспомним, что крутящий
момент двигателя и механический КПД связаны
непосредственно. Если же частота вращения
двигателя снижается за счет сокращения
потока воздуха в карбюраторе, то условия
совершенно меняются.
Режим работы двигателя автомобиля при
полностью открытой заслонке и включенной
высшей передаче на ровной дороге
определяется точкой А на кривой рис. 11.21. При
перекрытии заслонкой потока воздуха, и при вклк>
ченной высшей передаче режим работы
двигателя соответствует точке В (переход
происходит по кривой 2). В каждой точке кривой 2
мощность, передаваемая на колеса,
сокращалась бы, поскольку сокращалась бы
действующая мощность, сообщаемая двигателем
приводному валу. На самом деле, поскольку
располагаемая действующая мощность
определяется крутящим моментом и частотой вращения
двигателя, можно ожидать, что в данных
координатах ее можно представить семейством
гипербол.
Точка В располагается в области
пониженного механического КПД, при котором расход
бензина автомобилем увеличивается. Общая
эффективность работы двигателя в этом
случае снижается, поскольку при больших
затратах топлива производится меньшее количество
полезной работы.
Рис. 11.20. Располагаемая мощность (/) и мощность
трения (2) в зависимости от частоты вращения
двигателя
250
400 600 1ZOO WOO 2000 240О 2SOO S200 J6O0
Частота вращ ени я двигателя 7 м и н "1
Рис. 11.21. Крутящий момент двигателя в зависимости
от частоты вращения:
/' — работа на полном газе при непрерывно меняющемся
передаточном числе коробки передач
279

Рис. 11.22. Зависимость экономии горючего от скорости
движения типовых моделей легкового автомобиля (/)
и грузовика образца 1980 г. (2)
В режиме работы двигателя при включении
низших передач, который характерен для
движения автомобилей по городу, потери энергии
значительно возрастают. Один из способов
избежать лишних потерь энергии — следить за
тем, чтобы при езде двигатель работал в
режимах, близких к максимальным нагрузкам.
Помогает ручное переключение скоростей, но
еще эффективнее в этом отношении
автоматическое переключение скоростей. Лучшим
конструктивным решением было бы непрерывное
и плавное изменение передаточного числа с
помощью микро-ЭВМ, выбирающей самую
оптимальную точку на диаграмме рис. 11.21 и
переводящей двигатель в соответствующий
режим. Такие системы в качестве
экспериментальных могут появиться в ближайшее
время.
Потери при режимах неполной нагрузки в
сочетании с потерями при высоких скоростях
приводят к тому, что в некоторых моделях
автомашин увеличение скорости вызывает
существенный рост расхода горючего. В делом с
учетом потерь от неполной нагрузки и
аэродинамического сопротивления максимальный
КПД автомобиля можно получить при
скоростях 56—72 км/ч (рис. 11.22). Кривая 1
представляет собой характеристику автомобиля
средних размеров образца 1980 г. Очевидно,
автомобили меньших размеров будут иметь
лучшие характеристики, грузовики —
значительно худшие в зависимости от массы.
Введенное правительством ограничение
скорости до 88 км/ч обеспечивает компромиссное
решение между экономичностью и удобством.
Экономию горючего можно получить, только
если придерживаться правила ограничения
скорости. Многочисленные утверждения
водителей, особенно водителей грузовиков, что их
машины более эффективно работают на
высоких скоростях, не соответствуют
действительности.
Очень важным вопросом является
снижение массы автомобилей. В конце 70-х — начале
80-х годов возникла тенденция, которая,
возможно, станет характерной для автомобильной
промышленности США. В 1975 г.
правительство передало в конгресс США закон об
экономии и энергетической политике, согласно
которому министерство транспорта США
должно было ввести, начиная с 1978 г., стандарты
на некоторые характеристики продаваемых
автомобилей. Стандарты были введены на
первые три года, а в 1977 г. они были
установлены на период до 1985 г. Эти стандарты
приведены ниже.
1978
1979
1980
1981
Год

Пробег,
км/л
. . 6,30
6,65
. . 7,00
. . 7,70
1982
1983
1984
1985
Год

Пробег,
км/л
. . 8,40
9,10
9,45
. . 9,675
Рис. 11.23. Зависимость экономии горючего от массы
автомобиля для тяжелых (/), средних (2) и легких (3)
моделей (примерно соответствующей размерам машин)
Судя по моделям автомобилей образца
1981 г., все американские автомобильные
компании смогли выпускать такой «парк»
автомобилей, который отвечал принятым
стандартным характеристикам.
Автомобилестроительные компании ввели большое число различных
усовершенствований в двигателях,
вспомогательных узлах и устройствах, но фактически
основой, позволившей качественно улучшить
характеристики автомобилей в соответствии с
принятыми стандартами, явилось снижение
массы автомобилей.
Между массой автомобиля и удельным
расходом горючего существует тесная взаимосвязь
(рис. 11.23). Автомобили делятся на четыре
категории по массе: мини-модели — от 900 до
1300 кг, малые модели — от 1300 до 1600 кг,
средние модели — от 1600 до 1900 кг и
большие модели — свыше 1900 кг. На рис. 11.23
показаны усредненные кривые, а масса какой-
либо конкретной модели может и не
соответствовать ее классу. Масса машины может быть
280

уменьшена путем замещения стальных
деталей пластмассовыми или алюминиевыми, где
это возможно. Но для того чтобы в
соответствии с современными требованиями добиться
снижения массы в среднем по всему парку
автомобилей, необходимо выпускать и продавать
модели меньших размеров.
Переход на новый тип двигателя также
будет происходить очень медленно, если будет
происходить вообще. Характеристики
существующих вариантов новых типов двигателей не
привлекают потребителей. Электромобили уже
могут производиться сегодня, но они дороги,
имеют ограниченный пробег без перезарядки,
малые мощность и ускорение. Если бы долю
электромобилей в общем парке машин
удалось увеличить, это, без сомнения, помогло бы
в решении проблемы загрязнения воздуха в
городах. Конечно, загрязняющие вещества
попадали бы в атмосферу от электростанций,
работающих дополнительно на заряд
автомобилей, но оборудовать очистными устройствами
централизованное производство значительно
легче, чем предохранить воздух от
загрязняющего воздействия многочисленных
индивидуальных источников, какими являются
автомобили.
Значительно большего эффекта можно
добиться за счет развития городского
общественного транспорта как альтернативы
индивидуальному автомобильному транспорту.
Проблему междугородного пассажирского
транспорта следует решать на основе создания
системы высокоскоростного железнодорожного
транспорта, но для ее создания и обеспечения
техническими средствами и оборудованием
потребуется программа, по масштабам
сопоставимая с космическими программами.
Доказательств того, что широкая общественность
готова принять такую программу, пока нет.
Можно рассчитывать, что многие из
направлений экономии энергии, рассмотренных в
данной главе, будут реализовываться в очень
недалеком будущем. Эти направления
обобщены в табл. 11.5 и 11.6.
Таблица 11.5. Некоторые направления энергоснабжения
и возможная экономия
Продолжение табл. 11.5
Мероприятия
Возможная
экономия,
%
Комбинированное производство
электроэнергии и теплоты
Многократное использование стеклянной
тары и использование вторичного сырья1
Полный переход на автомобили, которые в
среднем на 40 % легче существующих
Улучшение энергетических характеристик
автомобиля и более бережливый стиль
езды в автомобилях, сокращение затрат
энергии при производстве автомобилей и
3-5
1—3
5
6
Мероприятия
ВОзмож •
на я эконо»
мия, %
бензина, уменьшение числа заторов
дорожного движения, остановок и т. п.
Перевод половины пассажирских перевозок
в городах с легковых автомашин на
автобусы
Увеличение загрузки на пассажирских
линиях железных дорог, автобусов,
самолетов и других средств общественного
транспорта (экономия энергии при
пассажирских и грузовых перевозках
достигается, главным образом, за счет более
полного использования существующих
маршрутов и более интенсивного
движения транспорта на дорогах)
Повышение интенсивности грузоперевозок,
рост их технико-экономической
эффективности
Производство более долговечных,
поддающихся несложному ремонту и
безотходному воспроизводству товаров
(ориентация на повышение качества товаров, а
не на их выбрасывание в отходы после
истечения срока пользования)
Совершенствование проектирования и
строительства городов (сокращение
расстояния между местом жительства и местом
работы, развитие централизованного
теплоснабжения и т. п)
Изменение отдельных житейских привычек
(организация досуга — проведение
отпуска недалеко от дома, езда на
велосипеде, работа в домашнее саду и т.п.)
1 Решение некоторых организационных и правовых
вопросов, связанных с хранением и перевозкой втрричного сырья.
Таблица 11.6. Эффект от некоторых энергосберегающих
мероприятий в зданиях
Область
использования энергии
Энергосберегающие мероприятия
со *
Отопление
зданий1

Кондиционирование
воздуха
Питание
электробытовых
приборов
Улучшение теплоизоляции.
Применение тепловых
насосов, сокращающее
потребление электроэнергии на
отопление примерно на 50%.
Возможно использование
газовых тепловых насосов
Снижение потребности в
пиковой энергии. Улучшение
теплоизоляции, планировки
зданий и конструкций
окон,снижающих тепловую нагрузку.
Улучшение режима
вентиляции
Применение люминесцентных
ламп, электродвигателей с
улучшенным cos ф, усиление
изоляции в холодильниках и
водонагревателях,
замещение топливных
зажигательных элементов
электрическими
5-8
>1
281

Продолжение табл. 11.6
Область
использования энергии
Прочие
Энергосберегающие мероприятия
Совершенствование методов,
освещения. Повышение
эффективности общих энергоснаб-
жающих систем. Общая
ориентация на сокращение
энергетических потребностей
здания. Улучшение
конструкции окон
Возможная
экономия %
5
1 Применение солнечного отопления и охлаждения может
дать до 10 % экономии при условии что до 40 % энергии на
тепловые нужды и охлаждение будет обеспечено за счет
солнечной энергии. Экономические показатели зависят от
стоимости стекла, систем аккумулирования теплоты.
ЗАДАНИЯ ДЛЯ АУДИТОРИИ
1. Исследовать эластичность спроса на бензин.
Опросить по крайней мере две группы потребителей. При
каком уровне цены на бензин владельцы автомобилей
начнут сокращать объем поездок? Чем очи будут
пользоваться взамен? Каково их отношение к малым
моделям автомобилей? Системам общественного транспорта?
2. Придумать техническое средство для измерения
эффективного показателя R для дома или квартиры.
Каким будет время т для данного жилья? Построить
график зависимости измеренной и рассчитанной
температур от времени для различных вариантов отопления.
Сравнить тепловые потери этих вариантов.
3; Оценить уровень освещения (в ваттах на
квадратный метр) для нескольких классных аудиторий и
административных помещений. Сопоставить с необходимым
уровнем. Оценить годовую экономию за счет сокращения
освещения до обоснованного необходимого уровня в этих
комнатах. Проделать тот же анализ для типового дома
или квартиры.
4. Определить соотношение удельного расхода
бензина и массы автомобиля для моделей текущего года.
Определить критерии для объединения отдельных
моделей в группы. Определить экономию горючего для
какой-либо группы по сравнению с аналогичной группой
образца 1977 г., т. е. года ввода в действие стандартов
на удельное потребление бензина.
5. Для вычислителей, работающих с ЭВМ, составить
программу для минимизации длины маршрута
передвижения для типовых домашних работ, выполняемых в
субботу утром.
УПРАЖНЕНИЯ
1. Оценить общую стоимость энергоснабжения од-
носемейного дома в США, имеющего алюминиевую
обшивку. Если с ее помощью экономится 10 %
потребления теплоты, каким будет абсолютный баланс
энергопотребления дома через 20 лет? (Алюминиевая обшивка
имеет толщину 0,061 см.)
2. Используя данные рис. 6.33 и табл 6.21, оценить
сбережение теплоты при замене двойных оконных стекол
на тройные для хипового односемейного дома.
3. Если жить в пещере размерами 15-9-3 м, где
температура круглый год держится на постоянном
уровне 13 °С, и стремиться искусственно поддерживать
температуру на уровне 21°С, какой потребуется расход
теплоты? Предположить, что для стен пещеры,
имеющих толщину 1 м, показатель R равен 10.
Ответ: 40,2 МДж/день.
4. Если показатели стоимости 1 м2
теплоизоляционного материала равны соответственно pj = 2,22 долл. и
р2 = 2,37 долл., каким будет оптимальное значение
показателя R для ДТ = 30°С без учета издержек на срок
службы теплоизоляции? Если А = 450 м2, ai = 10 долл.,
а2=2000 долл., какими будут начальные затраты?
Использовать данные из примера 11.1 и пересчитать
значение (/?о)опт и начальные затраты, включая издержки
за срок службы. Сравнить суммарные издержки за срок
службы для обоих случаев.
5 Оценить значение Рз для типового дома в вашем
районе, где применяются резисторные системы
отопления и системы с использованием нефтепродуктов или
газа, и найти издержки на отопление за время срока
службы для каждой из систем отопления. Является ли
значение р2 постоянным?
Ответ. 4,6 МДж на одну смену воздуха.
6 Если температура наружного воздуха —5°С и
влажность 80 %, сколько энергии на единицу объема
потребуется для того, чтобы получить воздух с
температурой 20 °С и влажностью 40 %?
7. В типовом камине высотой 7 м, имеющем
поперечное сечение округлой формы, 1 м3 воздуха нагревается
в среднем до температуры 200 °С. Оценить поток
теплого воздуха из камина. Предположить, что
температура наружного воздуха 0°С.
Ответ: 1,33 м3/с
8. Многие любят подогревать кофе в чашках
(автор относится к их числу) для того, чтобы кофе быстро
не остывал. Сравнить затраты энергии на подогрев для
двух вариантов с помощью теплой воды из-под крана
(вода должна течь около 2 мин, чтобы стать достаточно
теплой; чашка наполняется струей за 4 с); в
микроволновой печи. При мощности 1600 Вт чашка воды
нагревается за 45 с.
Сравнить также стоимость энергии для двух
вариантов, используя тарифы вашего района.
9. Величина Bmin для теплового насоса с дизельным
двигателем в качестве привода определяется
выражением
где Q2 — теплота, получаемая от теплового насоса; Q' —
теплота, выделяемая двигателем. Вывести выражение
для е для данного устройства4, используя табл. 11.3.
10. Предположим, температура воздуха в
помещении за 8 ч, когда отопление было отключено, снизилась
с 20 до 3°С. Если /С=2,9- 10б Дж/(ч-°С), каковы потери
теплоты? Построить график зависимости Т от времени.
Если бы система отопления должна была поддерживать
температуру в помещении не менее 15 °С, каков был бы
расход энергии (т=5 ч)?
11. Для получения теплоты 15 Вт, требуется тепловой
насос с Y]=3. Он приводится в действие дизельным
двигателем с У] = 0,3. Каков удельный расход топлива
двигателем, если его выходная мощность равна мощности,
требующейся для работы теплового насоса? Каково
выделение теплоты двигателем?
12. Если тепловой насос имеет е=0,1, при каком
соотношении температур его tj = 1? Другими словами,
при какой разнице температур он станет бесполезным
(Г, = 20°С)?
Ответ: —9,3 °С.
13. Предположим, начальная стоимость воздушного
кондиционера определяется выражением
0,02?+ J0 ЭПЭ,
где В — расход теплоты, БТЕ/ч Рассчитать издержки
по эксплуатации за 1С лет при среднем числе часов ис-
282

пользования 1000 в год. Стоимость электроэнергии
принять равной 5 центов/(кВт-ч). Выбрать несколько
комнатных кондиционеров (В=6000, 8000 и 12 000) при
ЭПЭ=5, 6, 8 и 10 и несколько централизованных
кондиционирующих установок (В = 20 000, В = 22 000 и В =
= 24 000) при ЭПЭ = 5,8; 6,0 и 6,4.
14. Воздушный кондиционер производительностью
6000 БТЕ/ч на напряжение 117 В с ЭПЭ=6,2 имеет 8=
=0,04. Если значение 8 должно быть увеличено до 0,06,
насколько уменьшится потребление тока при том же
самом значении Q2?
Ответ: на 2,8 А.
15. Если на воздушное кондиционирование в США
при среднем значении 8=0,05 приходится около 4 %
суммарного потребления энергии, какой была бы годовая
экономия энергии при увеличении среднего значения 8
до 0,07?
16. Каким будет световой поток от источника
света, для которого
г / 600 — X \2"!
Р(Ь)=,0ехР[-(-^-)]?
17. Рассмотреть солнце как излучающее свет
абсолютно черное тело, имеющее Г = 5800 К. Найти значение
Ф для солнца.
18. Реакция глаза в ночных сумерках описывается
кривой, подобной изображенной на рис. 11.5, но с пиком,
смещенным в область значений около 510 нм. Рассчитать
световой поток для полной луны, предположив, что луна
отражает 0,1 % солнечного света без изменений
частотного спектра.
19. Примерно на сколько процентов увеличится
зрительное восприятие, если освещенность удвоится с 970
до 1940 лм/м2?
20 Каким должно быть освещение для того, чтобы
можно было различать знаки толщиной 0,0025 см на
расстоянии 50 см?
21. Различение знаков, требующее остроты зрения
около 2,4, производится при свете электрической
лампочки накаливания на 100 Вт. На каком расстоянии от
рабочей поверхности должна быть расположена
лампочка?
22. Люминесцентный светильник мощностью 40 Вт
обычно имеет балластное сопротивление 13,5 Вт. Какой
была бы экономия энергии за 12 ч работы светильника,
если бы использовалось балластное сопротивление 5 Вт?
23. Административное помещение равномерно
освещено люминесцентными лампами мощностью 40 Вт,
обеспечивающими освещенность 1000 лм/м2. Какова
суммарная электрическая нагрузка этих ламп? На сколько
можно уменьшить мощность, если снизить равномерную
освещенность до 100 лм/м2 и оборудовать каждый из 10
имеющихся в помещении столов одной трубкой
мощностью 40 Вт?
24. Если начальный ток включения люминесцентной
лампы мощностью 40 Вт равен 1,6 А, а время зажигания
составляет 5 с, каким будет минимальное время, на
которое лампу выгоднее оставлять включенной, чем ее
выключать?
Ответ: 23,5 с.
25. Световая эффективность люминесцентной лампы
мощностью 75 Вт составляет 75 лм/Вт. Какую экономию
энергии за 10 ч работы ламп можно получить, если
обеспечивать равномерную освещенность административного
помещения, равную 600 лм/м2, с помощью этих ламп, а
не ламп мощностью 40 Вт?
26. Если бы каждый человек в США начал
пользоваться электрическими зубными щетками, как бы
изменилось суммарное потребление энергии?
27. Если приготовление тушеного мясного блюда на
обычной плите на медленном огне занимает 10 ч, а на
электроплите при 0,2 полной мощности плиты 3 ч, какая
из плит более экономична?
28. Особый сорт рубашек не требует глажения после
стирки, если сушить в сушилке. Но если сушка
производится на открытом воздухе, рубашки нужно гладить
примерно в течение 4 мин каждую. Сопоставить
энергопотребление этих двух способов для 10 рубашек, зная,
что в сушилке они должны сохнуть 20 мин.
29. Рассчитать минимально необходимую работу для
выделения гелия из воздуха. Принять, что воздух
состоит только из Не, 02 и N2.
30. Как будет зависеть процент сэкономленного
топлива, используемого для нагрева воздуха, от процента
увеличения температуры поступающего в топку
воздуха? (Вывести выражение потребления топлива в
зависимости от изменения температуры поступающего
воздуха при заданной температуре выходящего воздуха.)
31. Производство алюминия в США с 1950 г.
приближенно может быть представлено выражением
P = a + b(t-t0) + c(t-toy2,
где Р — годовое производство, млн. т; /о= 1945 г.; а —
= 1,0, в = 0,1; с = 0,0006; t — текущий год. Показать, что
если в 1990 г. с помощью рециркуляции будет получена
половина алюминия, произведенного в 1950 г., то его
доля в производстве 1990 г. составит менее 5 %•
32. а) Вывести уравнение (11.24).
б) Показать, что коэффициент р в (11.20) с
достаточной точностью отражает среднюю скорость движения
потока автомобилей
33. Определить удельные времена пробега Г,
движения Гд и остановки Тс на единицу длины пути для Г=
=*7Д + Гс, где T=l/v и Tc=fcT; Тр,=}АТ. Определить
ТаКЖе i max = 1/р. Показать, что
1 с max A
34. Если все пассажиры, которые переезжают по
железной дороге, и две трети авиапассажиров в 2000 г.
будут совершать поездки на скорых поездах на
воздушных подушках (СПВП) типа ползуна с турбинными
двигателями, какой будет экономия энергии? Предположить,
что темпы роста населения с 1980 г. составят в среднем
2 % в год.
35. При каком расстоянии от окраин до центра
города суммарное время поездки на СПВП будет равно
суммарному времени полета на авиалайнере?
36. Какой груз можно было бы перевезти на
аэростате, наполненном гелием, объемом, эквивалентным
объему цилиндра 30 м в диаметре и 800 м длиной, если
масса его корпуса составляет 5 т на метр длины?
37. Автомобиль массой 2270 кг может развивать
скорость на подъеме 4 %, равную 95 км/ч. Какая
мощность будет передаваться на шины при той же скоро*
сти, но на ровной дороге?

Гтаеа %
Тепловой баланс земли
В предыдущих разделах книги были
рассмотрены отдельные виды взаимодействия
между обществом и окружающей средой, а
также причины, по которым это взаимодействие
возникло. Многие результаты нашей
зависимости от производства энергии уже стали
явными, например: загрязнение воздушного и
водного бассейнов, тепловые загрязнения,
повышенный уровень шума... Кратковременные
локальные последствия этого воздействия на
окружающую среду пробудили серьезное
беспокойство; точно так же необходимо
проявлять тревогу по поводу тех глобальных
процессов, которые способны коренным образом
отразиться на будущем всего человечества и
результаты воздействия которых дадут о себе
знать в более отдаленной перспективе. К
числу эти-х гораздо более актуальных проблем
относится сохранение теплового баланса
Земли. Если подойти к этой проблеме, применяя
законы физики, тогда можно будет найти ее
решение. Все стержневые проблемы,
связанные с состоянием окружающей среды, можно
сгруппировать воедино под общим названием
«экологическая деградация», поскольку такой
термин вернее характеризует создавшееся
положение. То, что земной шар превращается в
свалку загрязнителей, само по себе еще не
вызывает особой тревоги — способность
окружающей среды к самоочищению поистине
уникальна. Беспокоиться надо совсем по другому
поводу: наступит ли момент, когда
восстановительные процессы на Земле начнут терять
силу? Подход к решению данной проблемы
заключается в том, чтобы попытаться
определить, насколько устойчиво равновесие
природных систем, а после этого на основе
полученных ^результатов оценить масштабы влияния
хозяйственной деятельности людей на
факторы, от которых это равновесие зависит. В
настоящее время человечество, вероятно,
должно быть прежде всего обеспокоено состоянием
теплового баланса Земли, так как он
действительно крайне неустойчив.
ЕСТЕСТВЕННЫЕ ИСТОЧНИКИ
И ПОГЛОТИТЕЛИ ТЕПЛОТЫ
На рис. 12.1 представлена схема
естественных источников и накопителей теплоты на
Земле. Отметим, что существуют лишь два
источника поступления на Землю теплоты —
солнечное излучение и естественная
радиоактивность. Разумеется, если бы деятельность
человека сопровождалась поступлением
энергии в количестве, соизмеримом со
значительной долей поступления одного из этих двух
источников, эту энергию тоже следовало бы
учитывать. Поступающая извне энергия
приводит в действие две тепловые машины Земли —
воздушные и океанские течения, которые
переносят теплоту из экваториальных в
полярные области. Энергетическое равновесие
обусловлено тем, что солнечная энергия,
поглощаемая Землей, должна быть в конце концов
обратно излучена в космическое пространство;
можно записать это в виде следующего
выражения:
(1-к)-±(1-а) = огТ\
(12.1)
где 5 — поток солнечного излучения, равный
8,37 Дж/(см2-мин); ? — доля излучения,
поглощенного атмосферой; а — доля излучения,
отраженная земной поверхностью (альбедо)*
а — постоянная Стефана — Больцмана, равная
5,67-10~8 Дж/(м2-К4); е — эффективное
излучение Земли; Г —средняя температура
поверхности Земли, К. (Множитель 5/4
используется здесь потому, что поток приходящего
солнечного излучения должен быть осреднен
за полные сутки и по всей площади
поверхности Земли.)
Мировое пространство
Рис. 12.1. Естественные источники и поглотители
теплоты
284

a) W б) ff)
Рис. 12.2. Три вида равновесия физической системы
Предполагается, что в настоящее время
существует баланс между теплотой,
приходящей на Землю, и теплотой, излучаемой
земным шаром в космическое пространство в
соответствии с (12.1), т.е. Земля не становится
ни теплее, ни холоднее, а находится в
состоянии температурного равновесия.
Есть три вида равновесия любой системы
(рис. 12.2). При устойчивом равновесии (рис.
12.2, а) на систему действуют силы, которые
стремятся восстановить положение равновесия
в случае возникновения возмущающих сил
(возвращающие силы). При неустойчивом
равновесии (рис. 12.2,6) на систему
действуют силы, которые стремятся еще более
вывести ее из положения равновесия. Наконец,
при равновесии (рис. 12.2, в) возвращающие
силы отсутствуют и система находится в
покое, если на нее не воздействуют
возмущающие силы, однако малейшее изменение этой
ситуации тотчас же нарушит равновесие.
Ввиду гигантской массы Земли, а также
из-за малой интенсивности теплопередачи
невозможно судить о состоянии равновесия,
производя одни лишь измерения температуры
в разных районах мира за короткий
промежуток времени — регулярная регистрация
данных метеорологических наблюдений началась
всего-навсего около 100 лет назад.
Геологические данные свидетельствуют о значительных
изменениях климата, представлявших собой,
по-видимому, колебания относительно
стабильных климатических условий. Переживает
ли все еще наша Земля естественную
эволюцию климата или же колебания
климатических условий прекратились? Если окажется
верным второе предположение, тогда, в какой
степени должен измениться теплообмен Земли
с космическим пространством, чтобы возникла
нестабильность? Способно ли ничтожное
отклонение от теплового равновесия вызвать
появление возвращающих сил, или же оно
приведет к еще большей потере равновесия?
Увеличится ли облачность в результате повышения
средней температуры воздуха у поверхности
Земли, а следовательно, возрастет ли
альбедо земного шара, что, в свою очередь,
может послужить причиной уменьшения
количества солнечного излучения, приходящего на
земную поверхность? Или же из-за этого
увеличится содержание двуокиси углерода в
атмосфере, что приведет к более интенсивному
Рис. 12.3. Состояние равновесия физических
систем Земли
поглощению атмосферой инфракрасных лучей
и соответственно к дальнейшему росту
температуры воздуха в приземном слое? Возможно,
незначительные возмущения приемлемы, и они
не грозят необратимыми последствиями, а
сильные возмущения нежелательны (рис.
12.3). Но что понимать под словом «сильные»?
Пока нет ясного ответа на все эти вопросы.
Подсчитано, что сокращение интенсивности
солнечного излучения на земную поверхность
на 1,6 % приведет к тому, что весь мировой
океан покроется льдами. Это явление могло
бы произойти по трем причинам: уменьшится
светимость Солнца; увеличится поглощатель-
ная способность атмосферы; возрастет
отражательная способность поверхности Земли.
Маловероятно, чтобы в результате
воздействия любого из этих факторов или любого их
сочетания поток приходящего солнечного
излучения до такой степени уменьшился, однако
слишком неясна общая картина, а значит, нет
абсолютной уверенности в том, какие
процессы будут протекать в действительности.
Источники энергии
Самым мощным источником энергии на
Земле, безусловно, является поток
приходящего солнечного излучения; плотность его
на внешней границе земной атмосферы равна
1,4 кВт/м2. Эта цифра усреднена за год; в
течение года она колеблется из-за вращения
Земли по эллиптической орбите. Существуют,
кроме того, долговременные вариации
орбитальных характеристик Земли: циклические
изменения эксцентриситета земной орбиты со
средним периодом около 105 тыс. лет,
изменения направления главной оси орбиты с
периодом около 21 тыс. лет и колебания наклона
земной оси по отношению к орбитальной
плоскости, период которых составляет около
40 тыс. лет. Эти вариации незначительны и,
даже воздействуя совместно, не смогут
сколько-нибудь заметно повлиять на количество
поступающего солнечного излучения, если не
возникнет механизм нелинейной обратной
связи. Следует отметить, что периодичность этих
вариаций приблизительно совпадает с
циклами оледенения Земли. Существуют также
кратковременные изменения солнечной актив-
285

Рис. 12.4. Тепловая модель Земли, основанная на гипотезе дифференциации мантии
ности; всем известен 11-летний цикл
солнечных пятен. До сих пор не выяснено влияние
этого цикла на значение солнечной
постоянной. Был предложен целый ряд оригинальных
гипотез по поводу связи между солнечными
циклами и климатом Земли. Не исключено
даже, что современный период сверхвековых
изменений солнечной активности начался
сравнительно недавно — в конце так
называемого минимума Маундера 1>2 (около 1750 г.).
Измерения со спутников или при помощи ак-
тинометрической сханции, установленной на
Луне, могли бы пролить свет на эту
проблему.
Поток солнечного излучения по своему
спектральному составу приблизительно
аналогичен потоку излучения абсолютно черного
тела с температурой 6000 К — именно такова
температура фотосферы (видимой
поверхности) Солнца. В спектре солнечного излучения,
1 С 1645 по 1715 г. было зарегистрировано очень
мало солнечных пятен, что послужило причиной самых
разнообразных предположений связи между
изменениями солнечной активности и климатом Земли в тот
период.
2 Английский астроном Э. Маундер в 1922 г.
опубликовал статью о низком уровне солнечной активности
с 1645 по 1715 г., когда нормальный цикл образования
солнечных пятен был полностью или почти полностью
подавлен. Этот период получил название «малой
ледниковой эпохи», поскольку в Европе и Америке
наблюдались чрезвычайно суровые зимы. Регистрация других
явлений, таких как полярные сияния, пятна, видимые
вооруженным глазом, в основном подтверждает
существование этого аномально низкого уровня солнечной
активности в указанный период. (Примеч. пер ев.)
приходящего на Землю, отсутствуют
некоторые длины волн, ибо излучение поглощается
некоторыми составляющими воздуха, прежде
всего озоном, двуокисью углерода и водяным
паром *. Спектр воспроизведен на рис. 5.6.
Кроме Солнца, существует еще один
естественный источник, снабжающий Землю
теплотой в результате распада радиоактивных
элементов естественного происхождения, —
внутренние зоны Земли. По данным измерений
на небольшой глубине от земной поверхности
температурный градиент равен примерно
30°С/км; этой величиной характеризуется
тепловой поток, выходящий через земную кору.
Хотя интенсивность теплового потока
различна в разных частях планеты, принято считать,
что ее среднее значение составляет 6,28 мкДж/
/(см2-с). Ученые полагают, что этот поток
вызван процессами радиоактивного распада в
земной коре. Результаты измерений
градиента температуры свидетельствуют о наличии
ощутимой разницы между тепловыми
потоками через дно океанов и на материках. Эта
разница послужила основой для создания теп-
1 Не следует путать эти полосы поглощения с фра-
унгоферовыми линиями, которые обусловлены
поглощением энергии атомами в фотосфере Солнца. Молекулы
и атомы поглощают энергию одинаково в соответствии
с законами квантовой механики, но основное различие
заключается в том, что разрешенный спектр
молекулярного поглощения охватывает все длины волн. Как
известно, озон эффективно поглощает ультрафиолетовое
излучение с волнами длиной менее 0,3 мкм; благодаря
этому обитатели Земли не сгорают всякий раз, как
только оказываются под открытым небом.
286

ловой модели Земли с дифференцированной
мантией (рис. 12.4). В модели
предполагается, что радиоактивные элементы
сосредоточились в верхней мантии еще на раннем этапе
развития Земли, вследствие чего нижняя
мантия и ядро стали относительно свободными
от тепловыделяющих веществ. Основное
количество измеренного теплового потока, по-
видимому, образуется в результате
радиоактивного разогрева земной коры. Однако
общее количество теплоты, поступающей на
поверхность Земли из ее внутренних зон,
намного меньше, чем то количество, которое
поступает от Солнца.
Пример 12.1. Допустим, что поток теплоты с
интенсивностью 6,28 мкДж/(см2»с) вызван наличием
небольшого расплавленного ядра в центре Земли. Какой
должна быть температура этого ядра?
Интенсивность теплопередачи через сферическую
оболочку с наружным гв и внутренним гв радиусом, с
соответственными температурами наружной Тв и
внутренней Тв поверхности выражается формулами:
Тн — Тв
q = k (4я/-н 'в) ;
гн — гв
т __т Я (г* — гв)
к (4ягн гв)
Зададимся следующими значениями: радиус земного
шара гн=6,4-106 м, гв=0,1гн; среднее значение
коэффициента теплопроводности для камня &=2326-10"6
Вт/(м.К); ТВ=15°С.
Тогда
т _ (—0,06285).0,9-6,4-106
В 2326- Ю-6- 4-3,14-0,1 (6,4-10в)2 ^
«3,3-10е °С.
Но ведь не из плазмы же состоит сердцевина земного
шара, а только плазма могла бы иметь подобную
температуру. Отсюда следует, что градиент температуры у
поверхности Земли не может быть обусловлен одним
лишь наличием расплавленного ядра.
Результаты наблюдений со спутников
показывают, что около 37 % солнечного
излучения, поступившего на границу атмосферы,
зеркально отражается в мировое пространство
без изменения длины волн. Это значение
альбедо не является постоянным, а зависит от
свойств отражающей поверхности. Облака,
снег, лед отражают 80—90 % поступившего
излучения, поверхность океана — менее 5%.
Альбедо суши находится между этими
значениями; пустынные области отражают
солнечное излучение сильнее, чем районы, покрытые
лесами. То, что снег и лед сильно отражают
солнечные лучи, придает полярным областям
чрезвычайно важную роль в формировании
погоды на всем земном шаре и структуры
климата.
Арктические льды покрывают около 5 %
северного полушария, и площадь их
изменяется за год на 10 %. В Антарктике льдами
покрыто около 8 % южного полушария, причем
площадь морских льдов изменяется в течение
года на 75 %. Такая разница вызвана
несколькими причинами. Антарктический материк
окружен глубоким океаном и находится в южном
полушарии, которое в основном представляет
собой водную поверхность. В Арктике —
неглубокий океан, окруженный материками, да и
само северное полушарие — в основном суша.
Из-за этих различий Антарктика играет очень
важную роль в формировании глобального
климата, хотя в южном полушарии,
по-видимому, происходит весьма незначительный
обмен океанскими или атмосферными течениями
через экватор. Как бы там ни было, Арктика
и Антарктика содействуют образованию
механизма положительной обратной связи
благодаря высокой отражательной способности
полярного льда. Если, допустим, количество
поступающей на Землю солнечной энергии
уменьшится в результате изменения
параметров S или k [см. (12.1)], может начаться на-
ступание полярных льдов. Из-за увеличения
площади ледяного покрова возрастет
значение а (альбедо) и количество теплоты,
поглощаемой поверхностью Земли, еще более
уменьшится. Согласно расчетам, если
интенсивность солнечного излучения на
поверхности Земли уменьшится на 1 %, граница
морского льда продвинется на 10° по широте и
средняя температура воздуха у земной
поверхности упадет на 2,8 °С. Точно так же,
если количество приходящего солнечного
излучения уменьшится на 1,5 %, морской лед
продвинется в широтном направлении на 18° и
средняя глобальная температура приземного
слоя воздуха упадет на 5°С. Эти цифры
следовало бы сопоставить с расчетной разностью
средних температур Земли в ледниковые и
межледниковые периоды — она равна 5°С.
Создается впечатление, что в далеком
прошлом Земля находилась буквально на грани, за
пределами которой был уже невозможен
возврат к устойчивому равновесию. Существуют
и другие процессы, которые играют роль
механизма отрицательной обратной связи,
нейтрализующего положительную обратную связь
между наступлением морских льдов и
понижением средней температуры воздуха у
поверхности Земли.
Поглотители теплоты
Земную атмосферу удобно подразделить
на два сферических слоя (рис. 12.5). От
поверхности Земли до высоты примерно 12 км
простирается тропосфера; здесь развиваются
наиболее важные метеорологические
процессы и происходит перемешивание основной
массы атмосферного воздуха. Выше уровня
12 км расположена стратосфера; в этом слое
287

облачность невелика, а давление составляет
0,001—0,01 МПа. Между стратосферой и
тропосферой нет ярко выраженной границы;
диффузный разделительный слой — тропопауза —
находится на разных уровнях в зависимости от
географической широты. Над экватором
толщина тропосферы максимальна1. Средний
состав атмосферного воздуха вблизи
поверхности Земли без учета содержания водяного
пара показан ниже:
Газ
Азот . . .
Кислород
Аргон . . .
Двуокись
углерода . .
Неон . . .
Доля по
объему,
%
78,09
. 20,93
0,93
. 0,03
0,0018
Газ
Гелий .
Криптон .
Водород
Ксенон
Озон ,
Доля п о
объему,
%
. . 0,0005
. . 0,0001
. . 0,00005
. . 0,000008
. > . 0,00005*
* Этот показатель колеблется в очень широких пределах.
Влагосодержание атмосферы непостоянно
и в любом месте земного шара зависит от
времени года и времени суток; оно также
меняется в зависимости от высоты. В
тропическом поясе концентрация водяного пара в
воздухе тропосферы составляет около 4-Ю-2 по
массе, в стратосфере — около 3-10-6. Нижнее
значение концентрации озона в тропосфере
следует умножить на 20, чтобы получить
значение его концентрации в верхней стратосфере.
Приблизительно 3 % солнечного
излучения, приходящего на верхнюю границу
атмосферы, поглощается в процессе образования
озона; поглощает ее и сам озон. При длинах
электромагнитных волн менее 220 нм они
почти полностью поглощаются атмосферой.
Однако поглощательная способность атмосферы
сильно зависит от длины волн, поэтому,
например, волны длиной 400 нм поглощаются лишь
на 70%. Величине поглощения можно дать
количественную оценку. Известно, что для
электромагнитных волн справедливо
следующее соотношение (см. гл. 14):
(12.2)
где / — интенсивность потока излучения; jut —
коэффициент линейного поглощения; z —
пройденное фотоном расстояние. Для удобства
введем понятие массовый коэффициент
ослабления солнечного излучения, см-1, что
позволит нам обойтись без подробных сведений о
природе поглощающего вещества:
(12.3)
где N— в атомах/моль; р — в г/см3; А — в
г/моль.
JL(CMVr) = -2r
Р А
(12.4)
1 Около 16 км. (Примеч. ред.)
Здесь а — поперечное сечение поглощения,
см/атом. Отношение [х/р легче всего
определить для фотонов, обладающих различными
энергиями, обратившись к справочной
литературе, где подробно изложена методика
расчета.
Пример 12.2. При длине волны фотона 400 нм
коэффициент \i/p в воздухе приблизительно равен 75 X
ХЮ3 см^/г. Если поглощение происходит на 90% в
стратосфере, какова средняя плотность воздуха в этом
слое?
288
Рис. 12.5. Распределение и перемещения компонентов атмосферы

Допустим, что толщина стратосферы около 10 км:
0,1 = е~^10;
jui=2,3-10—в см-1;
Плотность воздуха при нормальных условиях1 на
уровне моря составляет 1,293-Ю-3 г/см3. Оказывается,
стратосфера и в самом деле порядком разрежена!
Под действием солнечного излучения в
тропосфере происходят реакции, играющие очень
важную роль, особенно реакции, связанные с
образованием фотохимического смога2;
однако эти реакции не влияют в сколько-нибудь
значительной степени на интенсивность
поглощения солнечной энергии. Из рис. 5.6 видно,
что в солнечном спектре, наблюдаемом у
поверхности Земли, отсутствуют обширные
полосы поглощения с центрами,
соответствующими 1,4 и 1,9 мкм. Причина состоит в том,
что двуокись углерода и водяной пар
особенно чувствительны к инфракрасной области
солнечного спектра и поглощение происходит
на всем указанном участке, кроме нескольких
«окон прозрачности». Поглощение
инфракрасных лучей не зависит от того, с какой
стороны они попадают в атмосферу — снизу или
сверху.
Теплота, излучаемая Землей в мировое
пространство, характеризуется спектром,
который приблизительно соответствует спектру
излучения абсолютно черного тела с
температурой 300 К, — за исключением
отсутствующих поглощенных длин волн. Энергия,
излучаемая земной поверхностью, поступает в
атмосферу; при этом значительная часть ее
поглощается. Поглощенная энергия должна
быть в конце концов излучена обратно,
однако атмосфера излучает длинные волны по
сеем направлениям. Другими словами, почти
половина инфракрасного излучения земной
поверхности возвращается назад. Подобное
свойство атмосферы, пропускающей к земной
поверхности короткие волны, но поглощающей и
отражающей обратно длинные, называется
парниковым эффектом 3, ибо на этом
принципе основано устройство оранжерей и теплиц.
Облака, состоящие главным образом из ка-
1 760 мм рт. ст. и 0 °С. (Примеч. пере в.)
2 Термин «smog» образован путем соединения
английских слов smoke — дым и fog — туман. Впервые
был употреблен в Англии в 1905 г. Двумя основными
типами смога являются лондонский и лос-анджелесский.
Согласно Международному словарю английского языка,
«смог — это туман, ставший более тяжелым и более
темным из-за городской копоти». (Примеч. п е р е в.)
3 В советской литературе парниковый эффект
трактуется как нагрев внутренних слоев атмосферы,
обусловленный прозрачностью атмосферы для основной части
излучения Солнца (в оптическом диапазоне) и
поглощением атмосферной основной (ИК) части теплового
излучения поверхности Земли, нагретой Солнцем. (При
меч. ре д.).
пель воды, поглощают и частично отражают
обратно длинноволновое излучение не менее
активно, чем черное тело. В то же время
облака отражают приходящее солнечное
излучение. Не совсем ясно, какой процесс
доминирует— отражение или поглощение; это может
зависеть даже от высоты облаков. Не
исключено, что процесс образования облачности
приводит к возникновению механизма
отрицательной обратной связи, т. е. уменьшение
интенсивности воздействия солнечных лучей
способствует образованию облаков, а облака в
еще большей степени задерживают уходящие
длинные волны измерения, препятствуя тем
самым охлаждению земной поверхности.
Остальные природные компоненты
атмосферы — аэрозоли, т. е. взвешенные твердые
частицы и капельки жидкости. Естественными
источниками образования аэрозолей являются
брызги морской воды, пыль, поднятая ветром,
извержения вулканов; аэрозольные частицы
образуются также при взаимодействии
некоторых газообразных компонентов атмосферы,
имеющих естественное происхождение.
Твердые частицы диаметром менее 100 нм
встречаются главным образом в тропосфере, где
время их пребывания не достигает по имеющимся
данным и двух недель; в основном эти
аэрозоли земного происхождения. Более крупные
частицы—100—1000 нм можно обнаружить
чаще всего в стратосфере, на максимальной
высоте до 18 км, где время их пребывания
составляет 2 года и более. Стратосферные
аэрозольные частицы образуются, по-видимому, в
результате нуклеации малых газовых
примесей, особенно газов, содержащих серу, хотя,
насколько известно, аэрозоли стратосферы
образуются при извержении вулканов.
На состояние стратосферы Земли оказало
существенное влияние извержение вулкана
Агунг (о. Бали, Индонезия) в марте 1963 г.
С тех пор этот эффект называют эффектом
Агунга. Ученые, работавшие в Антарктиде,
зарегистрировали постепенное уменьшение
падающего по нормали солнечного излучения в
декабре 1963 г., а к середине февраля 1964 г.
оно составило всего лишь 15 % среднего
значения, наблюдавшегося за предыдущие 10 лет.
Это было отнесено на счет накопления
вулканических частиц в стратосфере после
извержения Агунга. Ослабление падающего по
нормали солнечного излучения наблюдалось в
течение нескольких лет; в 1968 г. интенсивность
его составляла 98 % обычной. Между тем
было установлено, что непосредственно после
извержения вулкана температура воздуха в
атмосфере поднялась на 6—7°С и в
последующие несколько лет превышала норму на 2—
3°С. В то же время не было отмечено никаких
изменений температуры воздуха в тропосфере.
289

Благодаря вулкану Агунг можно было не-
сколко лет подряд любоваться зрелищем
красивейших закатов.
Вследствие вулканических извержений
могут возникать и другие погодные явления. В
течение всего 1816 г. в Бостоне зимой не было
ни одного месяца без жестоких морозов —
прямой результат извержения вулкана Тамбора
(Индонезия) в 1815 г.1. После извержения
Агунга суммарное излучение (совокупность
прямого и рассеянного излучений),
измеренное в Антарктиде, было лишь немного ниже
нормы. Отсюда можно сделать вывод, что
твердые частицы, находящиеся в стратосфере,
весьма незначительно влияют на общий
тепловой баланс Земли. Они могут вызвать
колебания параметров атмосферы в местных
масштабах. Еще не удалось выяснить, справедливо
ли это утверждение для аэрозольных частиц
меньшего диаметра, которые обычно
находятся в тропосфере.
МЕХАНИЗМЫ ПОГЛОЩЕНИЯ ИЗЛУЧЕНИЯ
Поток любого излучения, поступающего в
атмосферу, ослабляется под влиянием двух
процессов — поглощения и рассеяния. Оба
этих процесса имеют атомную природу, и
поэтому трудно было бы удовлетворительно
объяснить их, используя методы классической
физики. Вместо этого следует применять
методы квантовой мехники. Однако, несмотря на
прекрасный математический аппарат, здесь
они применяться не будут. Вместо этого будут
использоваться результаты расчетов, чтобы
разобраться в конкретных физических
системах и видах взаимодействия. Цель изложения
материала состоит в том, чтобы
продемонстрировать, насколько знание физики облегчает
понимание проблем, связанных с защитой
окружающей среды; облегчает оно весьма
основательно.
Поглощение
Атом любого вещества обычно находится
в наинизшем энергетическом состоянии,
которое называют основным2. Этому атому
нельзя сообщить произвольное количество
дополнительной энергии. Энергетические состояния,
в которых может находиться, например, атом
водорода, были определены
экспериментальным и расчетным путем; минимальное
количество энергии, которое способен поглотить атом
1 Подсчитано, что при извержении этого вулкана в
атмосферу было выброшено около 60 км3 породы —
снесло всю вершину горы.
2 В советской научной литературе термин «Основное
состояние» квангомеханической системы означает
состояние с наинизшей возможной энергией системы.
(Примеч. ред.)
водорода, находящийся в основном состоянии,
равно 10,2 эВ. Следующее минимальное
значение равно 12,09 эВ и т.д. Если атом
водорода, первоначально находившийся в основном
состоянии, поглотил энергию в количестве
10,2 эВ, считается, что он перешел в первое
возбужденное состояние. Другие возможные
энергетические состояния пронумерованы
аналогично. Структура атома водорода,
находящегося в возбужденном состоянии, показана
на рис. 7.22. Значения энергии, приводимые в
левой колонке, —это энергия, измеренная
относительно основного состояния атома; таким
образом, для того чтобы ионизировать атом
водорода, потребуется 13,6 эВ. Все атомы
обладают дискретными энергетическими
спектрами, которые, как правило, весьма сложные
точки зрения количества и расположения
уровней энергии. Обычно расчет этих уровней для
любого отдельно взятого химического
элемента является чрезвычайно трудоемкой задачей,
однако можно быть уверенным, что не
существует двух элементов с одинаковой
последовательностью уровней энергии. Это
обстоятельство имеет исключительно важное
значение.
Атом, находящийся в возбужденном
состоянии, почти никогда не остается в нем
надолго. Он освобождается от избыточной энергии,
испустив фотон электромагнитной энергии, и
вновь переходит в свое основное состояние.
Зависимость между энергией и частотой
фотона выражается формулой
Е = hf9 (12.5)
где h — постоянная Планка; ft = 6,62X
XIО-34 Дж-с.
Поэтому энергетический спектр, т. е.
частоту излучения, испускаемого возбужденными
атомами, можно использовать для
идентификации этих атомов. Длины волн фотонов,
испускаемых атомом водорода, показаны на рис.
7.22. Линии Яа, Яр ... образуются в
результате переходов атома из различных
возбужденных состояний в первое возбужденное
состояние; эти линии, расположенные в видимой
области спектра, названы в честь швейцарского
школьного учителя Бальмера, который вывел
рекуррентную формулу для предсказания
длин их волн еще в конце XIX в. задолго до
того, как стало известно строение атома.
Другие спектральные серии (Лаймана, Пашена и
т.д.) лежат в ультрафиолетовой или
инфракрасной области. Аналогичным образом для
идентификации можно воспользоваться
спектрами поглощения. Если белый свет,
содержащий все частоты, падает на ячейку,
заполненную газообразным водородом, окажется, что
в спектре луча, прошедшего сквозь газ, бу-
290

Рис. 12.6. Зависимость Е\
потенциальной энергии
V(r) от расстояния
между молекулами г:
1 — приближение
прямоугольной потенциальной
ямы; 2 — приближение
простого гармонического
колебания; 3 —
межмолекулярный потенциал
дут отсутствовать линии, характерные для
водорода1.
Испускание и поглощение излучения
молекулой (двумя или более атомами, которые
объединены в одно целое силами
электрического взаимодействия) — более сложные
процессы. Молекулы обладают большим
количеством степеней свободы, чем атомы; они могут
вращаться и колебаться. Благодаря этому
молекулы способны поглощать и испускать
энергию. Разумеется, энергии вращения и
колебания любой молекулы квантованы, как и
следовало ожидать для атомных систем,
ограниченных в пространстве.
Характерный потенциал взаимодействия
молекул представлен на рис. 12.6; показано
также аппроксимирование простого
гармонического осциллятора, действительное вблизи
положения равновесия. Чтобы определить
значения уровней энергии, расположенных
через равные интервалы, можно
воспользоваться уравнениями квантовой механики
п = (п + ±)<»,п = 0,1,2
Е„ =
(12.6)
где со— частота колебаний, ю=(&/т)1/2.
Если известен эффективный коэффициент
упругости диполя k для типичной молекулы,
полученные разности уровней энергии довольно
невелики, как правило, примерно 0,1 эВ. В
результате энергетический спектр молекулы,
электроны которой уже находятся в
возбужденном состоянии (хотя уровни энергии
расположены нерегулярно, однако разность их в
среднем составляет десятки электрон-вольт),
может иметь целые полосы колебательных
состояний, возникающих при каждом
возбуждении электрона.
Наличие вращения еще более усложняет
картину разрешенного энергетического
спектра. Классическая формула энергии вращения
имеет вид:
Е = LV2J, (12.7)
1 Гелий был впервые открыт на Солнце путем
идентификации фраунгоферовых линий — поглощенных длин
волн в солнечном спектре. Линии, которые
соответствовали наиболее известным в то время (1868 г.)
элементам, были идентифицированы, однако остальные линии
отождествить не удалось, и они были приписаны
новому элементу, который впоследствии получил название
гелия (от греческого «гелиос» — Солнце).
Рис. 12.7. Электронные уровни, колебательные и
вращательные уровни энергии двухатомной молекулы
где L — угловой вращательный момент; / —
момент инерции. Для того чтобы определить
энергию вращающейся атомной или
молекулярной системы, понадобится решить
уравнение Шрёдингера, соответствующим образом
видоизмененное применительно к конкретной
задаче. Тогда разрешенные уровни энергии
можно будет найти по формуле
/(/+ l)/i2
Ег =
2J
(12.8)
где / = 0, 1, 2, 3... — момент количества
движения вращающейся системы; / — момент
инерции; Ь =h/2n (постоянная Планка). Для
типичной молекулы уровни энергии
различаются между собой приблизительно на Ю-2 эВ,
что примерно соответствует Vio расстояния
между колебательными уровнями. Молекула,
электроны которой находятся в данном
возбужденном состоянии и которая совершает
колебания данного вида, может вращаться,
обладая при этом энергией вращения Ей
Видно, что структура уровней энергии
молекул, находящихся в возбужденном
состоянии, представляет собой почти сплошную
разрешенную энергетическую зону, в которой
многочисленные энергетические состояния крайне
незначительно различаются между собой (рис.
12.7). Вследствие того что расстояния между
уровнями энергии так малы, длины волн
излучения в периоды, когда молекула переходит
из одного разрешенного состояния в другое,
очень велики. Вот почему двуокись углерода
и водяной пар являются столь интенсивными
поглотителями инфракрасного излучения.
Рассеяние
Другой физический механизм, посредством
которого атмосфера и ее компоненты
отбирают энергию из приходящего потока
солнечного излучения, — это рассеяние. Оно также име-
291

ет атомную природу, поэтому следовало бы
применить метод квантовой механики, чтобы
исследовать данный процесс во всех
подробностях. Однако поскольку предполагается
лишь предсказать общее поведение частиц
атомного масштаба, на которых происходит
рассеяние, а не получить исчерпывающие
данные, могут быть применены методы
классической физики. В итоге можно выяснить,
насколько далеки от действительности
результаты вычислений, и ввести, если потребуется,
дополнительные коррективы, учитывающие
квантовую природу вещества.
Мгновенная интенсивность энергии,
испускаемой заряженной частицей, получившей
ускорение, равна:
ф=ЫЫй2- (12-9)
где а — ускорение; q — величина
электрического заряда. Формулу можно записать в виде
функции эффективного дипольного момента
совокупности осциллирующих зарядов и
осреднить момент по всему циклу, решив
уравнение движения для гармонического
осциллятора:
mx = kx. (12.10)
Решение этого уравнения будет иметь вид:
х = х0щ t,
где со0= (k/m).
Дополнительные потери энергии следовало
бы, по всей вероятности, объяснить иными
причинами.
Молекулы атмосферного воздуха не
совершают свободных колебаний. Сказывается
влияние трения; не исключено, что возбужденная
молекула потеряет энергию при столкновении
с другой молекулой прежде, чем произойдет
вторичное излучение, или же оно будет иметь
более низкую частоту. Кроме того,
распределения зарядов, поглощающих
электромагнитное излучение, подвержены воздействию
внешней силы F = qE=qE0cosu>t\ при этом
частота возбуждения со, как правило, отличается от
частоты свободных колебаний со0. Тогда
фактическое уравнение движения будет иметь вид:
тх =— kx— hx ± qE0cos(ut9 (12.11)
где k — коэффициент восстановления; h —
коэффициент трения (трение зависит от
скорости). Очень важно знать переменные
параметры, такие как дипольный момент, потому что
именно дипольный момент необходим для
решения (12.11).
Пусть i=m/h и p = qx, тогда
р + —р + щр=± —E0cos<ot. (12.13)
т т
Это довольно сложное дифференциальное
уравнение, решение которого производится для
двух режимов — переходного и стационарного.
Переходные явления не рассматриваются, так
как нет необходимости знать, что будет с
распределением зарядов в момент воздействия
электромагнитной волны. Требуется знать, что
произойдет после возникновения
установившихся колебаний. Существуют разнообразные
методы поисков стационарного решения. Если
воспользоваться методом вращающегося
вектора, можно найти ро-
(дЧт^
[(^-co^ + co'Vr
В реальных условиях т»10~4 с, соаЮ—
15 с, так что (12.14) можно записать иначе:
Ро
[<-
,21 '
тогда получим выражение для Фср:
Фср =
?*ае1
12яе0с3т2(©§ —со2)2
(12.15)
. (12.16)
Можно определить поперечное сечение
рассеяния ар как частное от деления среднего
количества энергии, рассеиваемой за единицу
времени, на среднее количество энергии,
приходящей за единицу времени. Для рассеяния
существует нечто вроде закона вероятности:
чем больше поперечное сечение, тем выше
вероятность возникновения рассеяния. Среднее
количество энергии, которое приходит на
рассеивающий центр за единицу времени,
определяется вектором Пойнтинга. В соответствии с
теорией электромагнитного поля это количест-
во энергии имеет величину 2 с^о, так что
поперечное сечение рассеяния можно найти по
формуле
<JD = —
(Ф)
ср
(12.17)
ТсЕ»
Если предположить, что соо/со^>1, что
обычно справедливо, тогда, поставив (12.13) в
(12.17) и упростив выражения, получим:
''-(т)-.Ш- <1218>
где re=q2/ (4я80тс2). (Эту величину часто
называют классическим радиусом электрона.)
Так вот отчего небо — голубое, а
заходящее солнце — красное. Вывод напрашивается
сам собой: если частота зависит от
поперечного сечения рассеяния, частота голубого света
около 1015 Гц, а частота красного около 2х
XIО14 Гц. Поэтому частицы атомного и
молекулярного масштаба, на которых происходит рас-
292

сеяние света в атмосфере, в [ 1015/(2-1014)] 4
раза, или примерно в 625 раз, сильнее
рассеивают голубые и синие лучи, чем красные.
Небо кажется синим, потому что значительная
часть синего света удаляется из падающего по
нормали солнечного луча и рассеивается в
атмосфере, но большинство голубых лучей,
приходящих со всех направлений, достигает
земной поверхности. Заходящее Солнце —
красное, потому что его лучи проходят в
атмосфере через большую толщу рассеивающей среды,
прежде чем достигают точки наблюдения. На
таком длинном пути голубой свет
поглощается гораздо сильнее и солнечный луч
лишается этого компонента.
Пример 12.3. Сравните с точки зрения атмосферного
рассеяния волн радиолокационную установку,
работающую в диапазоне х1 и источник красного света.
При помощи (12.18) найдем отношение поперечных
сечений рассеяния:
jh-/^J°L) = 4)1.,o-18.
акр.св \ 2-10» )
Значит, подавляющая часть электромагнитных
волн, излучаемых радаром в диапазоне х, подвергается
атмосферному рассеянию в гораздо меньшей степени,
чем красный свет.
Из общего количества энергии, теряемой
при прохождении солнечных лучей сквозь
атмосферу, 31 % рассеивается облаками,
водяным паром, частицами пыли и дымкой. Еще
15 % излучения поглощается ввиду наличия
коэффициента трения h [см. (12.12)]. Потери
на трение проявляются в форме нагрева
атмосферы и в глобальном энергетическом
балансе они играют не менее важную роль, чем
отражение солнечного излучения.
Обсуждение вопроса об эффекте рассеяния
проводилось в предположении, что это
явление может быть описано при помощи законов
классической физики. Что касается среднего
изменения количества энергии за единицу
времени, классические расчеты неплохо
согласуются с данными эксперимента. Однако не был
точно рассчитан целый ряд параметров,
характеризующих рассеяние. Например, не было
определено, как зависит интенсивность
рассеянного излучения от угла падения луча. Не было
сделано также попытки определить (в
процентах) долю суммарных потерь приходящего
излучения, обусловленную теплообменом при
соударении частиц либо излучением на более
низкой частоте. Эти параметры зависят от
природы частиц, на которых происходит
рассеяние (атом, молекула или твердая частица).
Отсюда следует, что лишь квантовая
механика способна дать обстоятельный ответ на
такие вопросы.
1 5,2—11,0 ГГц. (Примеч. ред.)
Оба физических процесса — поглощение и
рассеяние — представляют собой единственные
механизмы, посредством которых атмосфера
может воздействовать на интенсивность
потока солнечного излучения. Только солнечная
энергия является энергоресурсом, имеющим
громадное значение для земного шара. На рис.
12.8 схематически изображен тепловой баланс
системы Земля — атмосфера — космос.
Из каждых 100 единиц приходящего
коротковолнового излучения 3 единицы
поглощаются в верхней части атмосферы, 13 единиц —
в нижней. Из оставшихся 84 единиц 35
взаимодействуют с облаками, при этом 26 единиц
отражаются вверх, обратно в космос, 2
единицы поглощаются облаками, а 7 отражаются
в нижележащий слой атмосферного воздуха.
Из 49 единиц, оставшихся от первоначального
потока солнечного излучения^ 24 также
взаимодействуют с атмосферой; при этом из 31
(24 + 7) единицы 6 единиц отражаются вверх
и уходят за пределы атмосферы. Только 25
единиц рассеянного солнечного излучения
достигают земной поверхности; из них 3
единицы отражаются, а 22 поглощаются1.
Чтобы сохранился тепловой баланс, Земля
должна «избавиться» от этих лишних 47
единиц солнечной коротковолновой радиации,
поглощенных ее поверхностью. Одна из
возможностей — излучение в атмосферу. Но так как
температура поверхности Земли относительно
низка, излучение происходит главным образом
в длинноволновой области спектра — инфра-
красйой.
Длинноволновое излучение тропосферы
изотропно; 78 единиц потока этого излучения
достигают земной поверхности. Таким образом,
Земля должна избавиться в общей сложности
от 125 единиц. Из них 27 единиц поступят в
атмосферу за счет конвекции и
теплопроводности, а 98 — за счет длинноволнового
излучения земной поверхности.
Можно воспользоваться (8.7) для расчета
эффективной температуры земной поверхности,
поскольку это — уравнение, характеризующее
радиационный перенос теплоты.
Пример 12.4. Дано: д"=еоТ4, где q — интенсивность
испускания энергии, или 0,98 интенсивности поглощения
энергии ?П. Требуется найти Т:
(площадь земного диска)-1400 Вт/м2 ^
п площадь поверхности земного шара
<7 = 0,98?п = 343 Вт/м2.
Для черного тела (необходимо исходить именно из
этого)
еа = 5,67-Ю-8 Вт/(м2-К4).
1 Из рисунка видно, что на долго прямой солнечной
радиации, достигающей поверхности, останется 25
единиц. В тексте об этом не сказано. (Примеч. п е р е в.)
293

Отсюда
Т"4 = ¦
343
5,67-Ю-8
= 278,9 К или 5,89°С.
Ввиду того что средняя температура
поверхности Земли составляет около 15 °С, в
приводимом расчете недооценивается
количество энергии, излучаемой земным шаром.
Однако если бы расчет был основан
исключительно на балансе коротковолновой радиации
(см. пример 12.1), значение температуры
воздуха в стратосфере было бы гораздо меньше.
Вопрос о теплообмене между земным
шаром и космическим пространством куда более
сложный, чем было описано. Он является
частью более обширного круга проблем,
затрагивающих океаны, континенты и атмосферу.
ТЕПЛОВЫЕ МАШИНЫ ЗЕМЛИ
Воздушные течения
Поверхность раздела между океаном и
атмосферой служит транзитной зоной для
огромных количеств энергии и вещества. Эта
поверхность является как бы частью глобальной
тепловой машины, приводящей в действие
воздушные и океанские течения, которые
передают теплоту атмосферы и полярным областям.
Масштабы этого переноса энергии громадны.
Чтобы повысить температуру воды на 1 °С,
необходимо израсходовать 1 кал/г. Если бы с
поверхностью океана соприкасался сухой
воздух, количество водяного пара, поглощенного
сухим воздухом, зависело бы от температуры.
Когда вблизи поверхности раздела наступит
состояние равновесия, воздух будет насыщен
водяным паром; это означает, что в нем
находится столько влаги, сколько он может
содержать. Свойства смесей жидкостей и их паров
труднее изучать с точки зрения
термодинамики, чем эти же свойства гомогенных
(однофазных) систем. Трудности возникают
потому, что идеальный газ — удобная система,
которая используется для расчетов и построения
математических моделей — не может
переходить в иное фазовое состояние. Однако
реальные газы способны переходить в жидкое и
твердое состояние, и поведение смеси газ —
жидкость или жидкость — твердое тело
трудно предсказать аналитически.
Кривые 1', показанные на рис. 12.9 в
координатах рТ (давление — температура) к pV
(давление — мольный объем), называются
кривыми насыщения (см. гл. 5). Точкам этих
трех кривых отвечают такие пары значений р,
Т и ру V, при которых две фазы, изображенные
слева и справа от каждой кривой, находятся
в равновесии. По мере того как температура
насыщенной смеси возрастает при постоянном
давлении (на р, V-диаграмме эти точки будут
двигаться по горизонтали вправо), смесь
становится ненасыщенной и способна воспринять
больше водяного пара и сопутствующей ему
скрытой теплоты, чтобы вернуться к
равновесному состоянию насыщения. Количество скры-
294
Рис. 12.8. Тепловой баланс системы Земля — атмосфера — космос

а)
Рис. 12.9. Типичные диаграммы состояния реального
вещества:
а — р, 7-диаграмма; б — р, V-диаграмма
той теплоты, необходимое для нагревания 1 г
воздуха на 1 °С, чтобы сохранялось состояние
насыщения, зависит от температуры,
поскольку изменяется влагосодержание воздуха;
количество теплоты, требуемое для повышения
температуры 1 г насыщенного воздуха на
ДГ°С, определяется по формуле
аЦ = (?р)сух.возд твозд ~г Я^воды (^р)воды dl I
+ ldm — pdVy (12.19
где тВОды — масса воды, содержащейся в
воздухе при начальной температуре Г; dm —
дополнительное количество воды, необходимое
для сохранения насыщения при более высокой
температуре Г-ЬДГ; I — теплота
парообразования воды (540 кал/г); pdV — работа,
произведенная расширяющимся водяным паром.
Это уравнение нелегко решить
аналитическим путем, однако в таблицах имеются
ответы для любого сочетания условий.
Результаты одного из подобных расчетов представлены
на рис. 12.10. Океаны выполняют роль
эффективных регуляторов температуры именно
благодаря тому, что степень поглощения теплоты
зависит от температуры среды.
Во всех материковых областях вместе
взятых воды неизмеримо меньше, чем в океане,
а потому логично было бы ожидать, что в
этих областях менее эффективно проявляются
терморегулирующие свойства переноса
скрытой теплоты. Так оно и есть на самом деле;
над поверхностью суши происходят намного
более резкие температурные колебания и
зарегистрированы гораздо более высокие летние
температуры, чем над акваторией
океанов. Кроме того, во многих засушливых
районах, находящихся близ 30° широты и
характеризующихся тем, что влагосодержание
воздуха крайне незначительно, летом стоит
сильная жара. Подобное различие в
интенсивности теплопереноса над водными
поверхностями и над поверхностью суши приводит к
тому, что между этими областями возникает пе-
Рис. 12.10. Количество теплоты Q, необходимое для
того, чтобы нагреть I г насыщенного воздуха на I °С
(явная теплота) и поддерживать его в состоянии
насыщения водяным паром (скрытая теплота)
репад температур, порождающий циркуляцию
воздушных масс. Но этот вид циркуляции
обычно замаскирован воздействием мощной
движущей силы — циркуляции, направленной
к полюсам.
Полярные области получают меньше
солнечной теплоты, чем тропики, потому что поток
приходящей солнечной радиации зависит от
широты; это вызвано также более высокой
отражательной способностью полярных льдов.
В результате атмосфера нагревается
неодинаково и возникает постоянное движение
воздушных масс по направлению к полюсам.
Этот поток подвержен, однако, воздействию
двух эффектов. Из-за вращения Земли
воздушные массы, которые должны были бы
перемещаться обратно от полюсов к экватору вдоль
меридианов, при своем движении отклоняются
в северном полушарии вправо, а в южном—
влево. Отклонение предметов, которые
движутся внутри вращающихся систем, носит
название эффекта Кориолиса; в 1840 г.
французский физик Гаспар Кориолис
математически обосновал это явление. Любопытно отметить,
что Джордж Хэдли еще в 1735 г.
предвидел воздействие вращения Земли на
атмосферную циркуляцию. Другой эффект (его
Хэдли полностью объяснить так и не смог)
заключается в том, что тропический воздух
охлаждается раньше, чем достигает полюсов. Это
охлаждение вызвано радиационной
теплопередачей в атмосфере. К тому времени, когда
тропический воздух достигает широты около 70 °,
он настолько охлаждается, что начинает
опускаться. При опускании воздух нагревается под
действием сжатия и растекается вдоль земной
поверхности в обоих направлениях — и к
экватору, и к полюсам (модель с тремя
ячейками циркуляции показана на рис. I2.ll). Поток
воздуха, направленный к экватору на широте
30°, возникает потому, что в этой зоне почти
всегда преобладает высокое давление и от не-
295

Рис. 12.11. Модель циркуляции воздушных течений с
тремя ячейками
го зависят процессы, приводящие к
образованию пустынных областей на этой широте.
Водяной пар, поглощаемый атмосферой в
процессе переноса скрытой теплоты, играет
очень важную роль в глобальном тепловом
балансе. Благодаря присутствию в воздухе
водяного пара уменьшается скорость падения
температуры с высотой из-за конденсации
влаги. В результате этой конденсации образуются
облака, а они, как уже подчеркивалось,
существенно влияют и на альбедо Земли, и на
поглощение длинноволнового излучения
атмосферой. Кроме того, от содержания водяного
пара зависит удельный объем воздуха;
влажный воздух менее плотен, чем сухой, поэтому
он активнее участвует в образовании областей
низкого барометрического давления с
восходящими воздушными потоками.
Итак, водяной пар и поверхность раздела
атмосферы и океана имеют исключительно
важное значение для теплового баланса
Земли; любой процесс, способный изменить
количественные и качественные характеристики
атмосферы и океана, например: интенсивное
образование водяного пара при сжигании
топлива, разлив большого количества нефти на
поверхности океана, препятствующий
испарению воды, может, по-видимому, сильно
отразиться на климате Земли.
Океанские течения
На поверхности раздела атмосферы и
океана зарождаются воздушные течения; вместе
с тем они служат причиной возникновения
океанских течений. Эти течения переносят не
только громадные массы воды, но также теплоту
и питательные вещества в горизонтальном и
вертикальном направлениях. Они играют
важную роль в общей структуре энергетического
баланса планеты.
Течения
Рис. 12.12. Течения на поверхности воображаемого
океана эллиптической формы
Если бы вся Земля была покрыта водяной
оболочкой, циркуляция океанских течений
полностью совпадала бы с циркуляцией
атмосферы. Ветер, возникающий над поверхностью
океана, генерирует волны. Траектория
движения отдельной капли воды не совпадает, как
правило, с направлением ветра — в
вертикальной плоскости она имеет вид круга; такие
движения совершает пробка, скачущая на
поверхности воды. Но когда волны разбиваются,
ветер подхватывает водяные брызги. Так
происходит общий перенос вещества в направлении
ветровых течений. Однако не весь земной шар
покрыт водой; наличие континентов искажает
идеализированную картину океанских течений.
В итоге образуется система течений в форме
замкнутых петель, называемых океаническими
круговоротами; на рис. 12.12 показаны
круговороты в воображаемом океане, берега
которого имеют форму эллипса.
Поскольку интенсивность потока
приходящего солнечного излучения зависит от широты,
ветви каждого круговорота, направленные к
полюсам, постепенно становятся холоднее, чем
ветви, обращенные к экватору. В результате
нарушается симметрия гипотетических
течений. Вдобавок различия в переносе теплоты и
водяного пара между разными районами
Мирового океана приводят к тому, что в этих
районах неодинаковая соленость. В районы с
повышенной соленостью поступает менее соле-
296

Температура максимальной плотности
Температура замерзания
Рис. 12.13. Зависимость плотности морской воды от
температуры и солености при давлении, равном 0,1 МПа
ная вода, чтобы восстановилось равновесие.
В центральной части субтропических
круговоротов соленость поверхностного слоя высока
из-за интенсивного испарения воды. Поэтому
здесь образуется результирующий приток
воды, наложенный на схему естественной
циркуляции.
Соленость также влияет на взаимосвязь
между плотностью и температурой воды. Как
видно из рис. 12.13, если соленость
превышает 24 г/кг (24 %о), температура, при которой
плотность воды максимальна, опускается
ниже точки замерзания. Значит, морская вода
всегда расширяется при повышении
температуры (дистиллированная вода имеет
максимальную плотность при 4°С). Отметим, что ее
условная плотность определяется по формуле
а7-=(р— 1) 1000. (12.20)
Такая сокращенная форма записи очень
удобна для океанологов, поскольку она весьма
наглядно характеризует относительное
содержание солей в воде. Например, если соленость
равна 35%о, то р= 1,028 и ат = 28. Для
дистиллированной воды р=1,00 и gt = 0.
Циркуляция океанских течений —
сложнейший процесс, даже в гипотетическом океане с
берегами в форме эллипса. Для реального
океана прогнозирование циркуляции с высокой
точностью неосуществимо из-за
неравномерного распределения материков на земной шаре.
Однако общие закономерности,
представленные на схеме течений с шестью круговоротами
(рис. 12.12), справедливы и для реальных
схем движения воды в океанах. Любое
явление, способное изменить естественную схему
циркуляции, сильно отразилось бы не только
на климате прибрежных районов, но также и
на популяции рыб, которая зависит от
количества питательных веществ, выносимых
течениями из более холодных океанских глубин.
Крупные изменения циркуляции воды в океане,
безусловно, решающим образом повлияли бы
на глобальный климат.
Ученые пытаются разработать
математические модели взаимодействия между
атмосферой и океаном, что позволило бы
прогнозировать процессы, возникающие в этих
средах. Результаты не всегда оказывались
успешными. Трудности вызваны тем, что
приходилось учитывать множество взаимосвязанных
факторов (рис. 12.14). И все же за последние
10 лет, с тех пор как появились
быстродействующие цифровые ЭВМ на интегральных
схемах с высокой емкостью памяти, достигнут
значительный прогресс в области
моделирования климата. Предстоит еще, правда,
многое сделать, прежде чем будут достигнуты
две основные цели: определение
крупномасштабных, долговременных поглощательных и
рассеивающих характеристик совокупной
системы «океан — атмосфера» и оценка
вторичных взаимодействий, которые могли бы
существенно повлиять на структуру и изменчивость
этой совокупной системы.
ВОЗДЕЙСТВИЕ ЧЕЛОВЕКА НА КЛИМАТ
Взаимоотношения человека с окружающей
средой, особенно при условии огромных
масштабов электропотребления, сопровождаются
образованием ряда нежелательных побочных
продуктов, способных повлиять на
энергетический баланс Земли; к ним относятся
теплота, твердые частицы и частицы жидкости,
различные газы. Необходимо рассмотреть
масштабы образования таких продуктов с тем,
чтобы выяснить, представляют ли они угрозу
для нашей планеты в настоящее время или же
в более отдаленном будущем; необходимо,
кроме того, знать, имеются ли возможности
хотя бы частичного решения этих проблем, раз
уж они возникли.
Производство теплоты
Точное количество теплоты, производимой
в настоящее время на земном шаре, не
поддается учету. Однако следует помнить, что вся
энергия, производимая в любой форме,
превращается в теплоту. Было сделано несколь-
297

Рис. 12.14. Взаимодействие между физическими переменными параметрами, от которых зависят погода
и климат v A
ко независимых оценок, результаты которых
хорошо согласуются между собой;
современные объемы производства теплоты,
выделяемой в окружающую среду, составляют около
5-Ю12 Дж/с. Эта цифра очень мала по
сравнению с количеством энергии, поглощаемой
земным шаром, — она составляет лишь около
0,00025 суммарного количества поглощаемой
энергии. Разумеется, эта теплота никак не
влияла бы на среднюю температуру воздуха у
поверхности Земли, если бы она была
достаточно равномерно распределена по всей
территории планеты. Однако в действительности
дело обстоит совершенно иначе; согласно
оценкам в котловине, в которой расположен Лос-
Анджелес, количество выделяемой теплоты
эквивалентно 5 % потока приходящего
солнечного излучения. Следовательно, в этом
небольшом по площади районе искусственное
выделение теплоты способно воздействовать
на местный климат; в будущем, скорее всего,
так и будет, если темпы прироста
производства энергии останутся на современном
уровне.
Еще недавно считалось, что объем
производства электроэнергии необходимо
увеличивать на 10 % в год, иначе не удастся
удовлетворить спрос на нее. Это соответствует
удвоению объема производства через каждые
298
7 лет. Более реалистичным представляется
прирост 4 % в год, но и тогда удвоение
происходило бы лишь через каждые 17,5 лет; таким
образом, и эта цифра почти в такой же
степени неприемлема. Ну, а что может произойти
с глобальным климатом, если темп прироста
тепловой нагрузки на окружающую среду
составит 4 % в год?
Расчеты показали, что повышение
температуры воздуха у земной поверхности на !°С
повлекло бы за собой существенные изменения
границ между растительными сообществами;
в результате повышения на 3 °С начнется
таяние ледяных шапок Земли, и большинство
крупнейших городов мира (а вместе с ними,
конечно же, полуостров Флорида) окажутся
затопленными. Если дальнейшее развитие
человеческого общества будет связано с
приростом выделения теплоты, равным 4 %, то
средняя глобальная температура воздуха в
приземном слое может повыситься на 1 °С лишь
через 150 лет. Для повышения температуры
на 3°С при этих темпах прироста выделения
теплоты понадобилось бы гораздо больше
времени. Запасы органических топлив, а также
урана и тория, вероятно, иссякнут раньше, чем
будет зарегистрировано повышение
температуры приземного слоя воздуха на 3°С. Однако
к тому времени станет экономически выгодным

бильного состояния, и в то же время удалось
бы найти способы непосредственного
использования солнечной энергии, тогда проблема
излишней теплоты была бы снята с повестки
дня. Разумеется, социальные и политические
проблемы, связанные с осуществлением этого
плана, невероятно сложны, и все-таки, в
конце концов, со временем может оказаться, что
игра стоит свеч. Дело в том, что, даже если
бы план создания городов, снабжаемых
кондиционированным воздухом и окруженных
раскаленной пустыней, был воплощен в жизнь,
прочие последствия выработки энергии путем
сжигания топлив все равно затруднили бы
сохранение надлежащего теплового равновесия
планеты.
Концентрация ряда газовых примесей в
атмосфере на высотах, достигающих верхней
границы стратосферы, представлена на рис.
12.15. Об этих, также как о других
загрязнителях, образующихся в результате
индустриальной деятельности человечества, ведется
разговор потому, что они существенно влияют
на тепловой баланс Земли.
Образование частиц
Доля частиц, появившихся в атмосфере в
результате деятельности человека, невелика
по сравнению с долей частиц природного
происхождения (табл. 12.1). Из более чем
4 млрд. т взвешенных частиц, находящихся в
атмосфере Земли, согласно оценкам в 1968 г.
лишь 0,7 млрд. т, или около 17 %, можно
считать частицами, появившимися в результате
деятельности человеческого общества. В
большинстве это трансформированные
газообразные примеси, т. е. молекулы газов, которые
соединились в группы и превратились в
аэрозольную частицу. Есть признаки того, что
частицы неприродного происхождения начинают
постепенно проникать и в стратосферу.
Соотношение содержаний хлора и брома в
стратосфере составляет около 1/2о аналогичного
показателя на уровне моря, что свидетельствует
о переизбытке брома, который может
выделяться из соединений свинца, содержащихся в
выхлопных газах автомашин.
Большая часть частиц попадает в
воздушный бассейн при сжигании топлива в
стационарных установках и осуществлении
промышленных процессов. Стационарные источники
загрязнения выбрасывают частицы
непосредственно в виде золы или сажи, а косвенно —
в виде окислов серы и азота, которые,
соединяясь в группы, образуют частицы. Известно,
как воздействуют частицы на глобальный
климат; они способны также в значительной
мере влиять на местный климат (см. гл. 13),
Типы твердых частиц, образующихся в хо-
299
Рис. 12.15. Зависимость концентрации некоторых
газовых примесей в атмосфере от высоты
применение управляемого термоядерного
синтеза, и вот тогда-то исчезновение полярных
ледяных шапок превратится из темы для
научно-фантастических романов в реальность.
Упомянутый срок — 150 лет — не столь
продолжительный период; пора бы уже сейчас
хоть изредка задумываться о будущем.
Можно ли каким-либо образом предотвратить
последствия наблюдаемых ныне тенденций?
Всегда есть люди, готовые смириться с
существующим положением дел, не заботясь о том, что
ждет их впереди. «Все хорошо, прекрасная
маркиза!..» Ученые, обладающие подобным
складом мышления, могли бы, например,
разработать проект, по которому отдельные
районы земного шара будут снабжаться
кондиционированным воздухом, что дало бы людям
возможность сохранить приемлемые для
жизни условия и заниматься сельским хозяйством,
а на остальной поверхности планеты пусть
царит адское пекло — тогда Земля будет
более интенсивно отдавать энергию в
пространство. Такое развитие событий не
исключается; с инженерной точки зрения сам по себе
проект вполне реален, хотя одновременно
возникло бы несметное число проблем
социального и политического характера. Впрочем, они
неизбежно появятся при любом варианте
решения задачи.
Например, если бы удалось вначале
установить оптимальную численность населения
Земли, при которой ресурсы планеты
гарантировали бы для всех желаемый уровень
жизни без нарушения природных
восстановительных процессов или энергетического баланса
Земли, а затем приступить к проведению
политики, направленной на достижение этого ста-

Таблица 12.1. Поступление, частиц в атмосферу* млн. т;
расчетные данные за 1968 г.
Вид взвешенных частиц
Частицы
радиусом
менеее
50U нм
Частицы
всех
размеров
де промышленных процессов, как правило,
отличаются от частиц, выбрасываемых
стационарными источниками загрязнения при
сжигании органического топлива. Такие процессы,
как, например, производство искусственных
удобрений, хранение и помол зерна, размол
волокнистых материалов и приготовление
бумажной массы, производство продуктов
органической и неорганической химии,
сопровождаются образованием больших количеств
твердых частиц различного типа. Эти частицы
влияют на общий климат Земли точно так же,
как аэрозоли, образующиеся при сжигании
топлива, но в рамках влияния на
микроклимат их биологическое воздействие может
оказаться совершенно иным. Ниже будут
рассматриваться некоторые формы этого воздействия.
Поскольку подавляющее большинство частиц
неприродного происхождения, находящихся
в атмосфере, образуется в результате
агглютинации молекул газов, рассмотрим сначала
более подробно процессы выделения этих
газов.
Образование газов
Наиболее крупномасштабным
загрязнителем среди всех газов неприродного
происхождения является в настоящее время двуокись
углерода (С02) (см. выше). Регулярные
тщательные измерения концентрации С02 в
атмосфере 1 проводятся со времени начала работ по
программе Международного геофизического
года2. Динамика концентрации С02 в
атмосфере примерно за 16 лет представлена на рис.
12.16. Легко проследить не только сезонные
колебания, но и отчетливо выраженную
тенденцию к росту содержания С02 в атмосфере.
Продолжительность периода сбора данных
недостаточна для того, чтобы можно было
установить, будет ли тенденция роста линейной
либо он подвержен колебаниям. Рассмотрим
рис. 12.17, где представлена оценка
интенсивности поступления С02 в атмосферу в
результате сжигания топлив за период с 1860 по
1980 г. Здесь четко прослеживается
экспоненциальная зависимость, причем кривая имеет
более или менее одинаковый наклон на всем
участке, соответствующем указанному
периоду. Наличие разрыва этой кривой можно
объяснить двумя мировыми войнами и
экономической депрессией3.
Ясно, что поступление С02 в атмосферу,
вызванное сжиганием топлив, продлится еще
много лет и что темп производства С02 будет
по-прежнему возрастать в обозримой
перспективе. Ввиду того, что С02 играет
исключительно важную роль в тепловом балансе Земли,
необходимо установить, какие поглотители и
аккумуляторы С02 существуют на планете.
Нужно знать, когда эти поглотители и
аккумуляторы станут насыщенными, в какой
момент содержание С02 в атмосфере начнет
заметно возрастать и какие альтернативы
окажутся тогда в нашем распоряжении (да и
будут ли они вообще).
В сущности, имеются лишь один
поглотитель и один аккумулятор двуокиси углерода—
органические вещества и воды Мирового
океана. Живые растения и органические
вещества, которыми они питаются, поглощают
большое количество С02 в процессе фотосинтеза и
азотфиксирующих реакций. Повышение
концентрации С02 в атмосфере привело бы к
увеличению интенсивности фотосинтеза при усло-
1 Формально двуокись углерода не считается
загрязнителем атмосферы, так как не вступает в
фотохимические реакции, приводящие к образованию смога. Однако
ввиду важной роли, которую играет двуокись углерода
з тепловом балансе Земли, она, вне всякого сомнения,
должна быть причислена именно к этой категории
выбросов.
2 Международный геофизический год (июль 1957 —•
декабрь 1958 гг.)—комплексные исследования
глобальных геофизических процессов, проводившиеся в период
максимальной солнечной активности учеными 67 стран,
в том числе СССР. (П р и хМ е ч. п е р е в.)
3 Экономический кризис, охвативший
капиталистические страны мира в 1929—1933 гг. (Примеч. пе«
Р е в.)
Частицы природного происхождения
Морская соль
Пылинки, поднимаемые ветром
Дым лесных пожаров
Вулканические частицы
Метеорная пыль
Частицы, образовавшиеся при
взаимодействии газообразных
компонентов
сульфаты из сероводорода
нитраты из окислов азота
углеводороды — продукты
жизнедеятельности растений
Итого: | 1250 | 2115
Частицы, появившиеся в результате деятельности
человека
500
250
5
25
0
335
60
75
1000
500
35
?
10
420
75
75
Пыль (непосредственный выброс)
Частицы, образовавшиеся при
взаимодействии газообразных
компонентов
сульфаты из сернистого газа
нитраты из окислов азота
углеводороды
Итого:
Всего
30
200
35
15
280
1530
135
220
40
15
410
Свыше
2525
300

Рис. 12.17. Расчетные количества двуокиси углерода,
поступившей в атмосферу Земли с 1860 г.
вии, что растения будут получать достаточно
воды и питательных веществ. В то же время,
например, сведение лесов может
способствовать росту концентрации С02 в атмосфере,
сопровождающемуся повышением температуры
воздуха у земной поверхности. Расчеты,
проведенные с использованием эмпирических
моделей, свидетельствуют о том, что биосфера не
сможет поглотить слишком большое
количество С02, которое, как ожидается, будет
произведено в ближайшие 150 лет (рис. 12.18).
Морская вода содержит связанную
двуокись углерода в виде карбоната и
бикарбоната, но эти соединения находятся лишь в
относительно тонком поверхностном слое, средняя
Рис. 12.18. Зависимость концентрации С02 в атмосфере
от времени, при условии, что будут сожжены все
извлекаемые запасы органического топлива (темпы
увеличения концентрации СОг, млн-1/год, показаны в виде
пунктирной кривой)
толщина которого не превышает 60 м.
Частичное перемешивание происходит, однако на
основании результатов измерений трудно сделать
вывод о том, насколько интенсивно
перемешиваются различные слои. Количество С02,
которое может быть поглощено водой, обратно
пропорционально температуре воды. Значит,
в соответствии с нашими представлениями о
парниковом эффекте он может привести к
возникновению нежелательного механизма
позитивной обратной связи. Возможно, что
количество С02, поглощаемое океаном, находится в
прямой зависимости от парциального давле-
301
Рис. 12.16. Среднемесячные значения концентрации COs в атмосфере в районе обсерватории Ма-
уна-Лоа (Гавайи)

/Я? *Л7 ^<7 **tf Zft7 ?5tf J0P
Температура, К
Рис. 12.19. Распределение температуры и плотности
воздуха по высоте в соответствии с данными США i и
классификацией Международного союза геодезии и
геофизики (I960) 2
ния СО2 в атмосфере; таким образом, рост
концентрации С02 в атмосфере приведет к
соответствующему увеличению количества
С02, аккумулированного в океане.
Не совсем ясно, справедлива ли эта
зависимость для двуокиси углерода,
накапливающейся в результате биохимических процессов;
не установлено также, какой механизм
аккумулирования С02 наиболее эффективен —
поглощение морской водой или усвоение
живыми организмами. Если сохранятся
современные тенденции, т. е. половина выделяемой
двуокиси углерода перейдет в атмосферу, то в
следующем столетии концентрация С02 в
воздушном бассейне возрастет более чем в 4
раза. Последствия такого роста концентрации
С02 пока еще трудно предсказать, однако
глобальный тепловой баланс, безусловно,
нарушится.
Другой побочный продукт горения топлив,
который традиционно не считается
загрязнителем,— это вода. Известно, какую важную
роль играет водяной пар в радиационном
балансе атмосферы и в образовании облаков, а
потому должно вызывать беспокойство
выделение больших количеств водяного пара
неприродного происхождения. Водяной пар не
только образуется в виде побочного продукта
сгорания при окислении углеводородов — он
также попадает в атмосферу из башенных
испарительных градирен, которые применяются
1 Standard Atmosphere (1962) — условное распределение по
высоте средних значений основных термодинамических
параметров и других физических характеристик атмосферы (давления,
температуры, плотности и т. д.) для сухого и чистого воздуха
постоянного состава. (Примеч. п е р е в.)
2 Стандартная атмосфера США.
на ТЭС. Масштабы образования водяного
пара при полетах реактивных самолетов
кажутся просто неправдоподобными: на каждый
килограмм сожженного топлива приходится
около 1,25 кг водяного пара. А ведь
сверхзвуковой лайнер потребляет свыше 90 т топлива в
час! Паротурбинная электростанция
мощностью 1000 МВт ежесуточно превращает в пар
38 тыс. м3 воды; этого хватило бы для города
с населением 100 тыс. чел.
Чтобы исследовать воздействие водяного
пара, снова разделим атмосферу на две
зоны— тропосферу и стратосферу, так как в
первой зоне формируются метеорологические
процессы, а во второй происходят очень
важные процессы химического, фотохимического
и радиационного взаимодействия
компонентов. Более того, концентрация водяного пара
в обеих зонах совершенно различна;
различны также и механизмы его образования, и в
нормальных условиях между обеими зонами
обмен водяным паром весьма незначителен.
Этому обмену препятствует «ледяная
ловушка» в тропопаузе. Из рис. 12.19 видно, что
температура воздуха в тропосфере
непрерывно уменьшается с высотой вплоть до самой
границы тропопаузы. Эффект «улавливания»
вызван тем, что температура воздуха зависит
от парциального давления водяного пара. По
закону Дальтона давление смеси газов,
химически не взаимодействующих между собой,
равно сумме парциальных давлений, причем
поведение каждого газа не зависит от
присутствия других газов. Парциальное давление
водяного пара как функцию температуры
можно приближенно рассчитать,
воспользовавшись зависимостью, полученной для
идеальных газов (см. гл. 3):
T1pl1-™y = T2f&1-ym. (12.21)
Величину у — соотношение теплоемкостей
при постоянном давлении и постоянном
объеме— довольно трудно определить для
многоатомных молекул, таких, например, как
молекула воды (Н20), и это соотношение следует
найти эмпирическим путем. Для водяного
пара в интервале температур, близких к 0°С,
оно составляет около 1,05. Зависимость
температуры от парциального давления приводит к
тому, что, когда смесь воздуха с водяным
паром охлаждается при подъеме в атмосферу,
количество водяного пара в смеси должно
уменьшиться, чтобы сохранилось
соответствующее парциальное давление. Но, поскольку
при этом значения температур и давлений
лежат за пределами тройной точки, водяной пар
вымерзает и превращается в ледяные
кристаллы. Вот отчего тропопаузный минимум
температуры часто называют «ледяной ловушкой».
Температура воздуха над тропопаузой снова
302

начинает возрастать, и массовое содержание
водяного пара выше этого пограничного слоя
составляет в среднем около 2 млн-1. По
некоторым данным содержание водяного пара в
стратосфере увеличивается с высотой;
возможно, этот пар образуется при разрушении
метана, вступающего в реакцию с атомарным
кислородом.
Многие вещества из природных и
неприродных источников способны преодолеть
«ледяную ловушку» в тропопаузе. Как известно,
мощные вулканические извержения не только
выбрасывают огромное количество твердых
частиц в стратосферу, но и значительно
увеличивают содержание водяного пара и
газовых примесей в слое, лежащем намного выше
«ледяной ловушки». Продукты ядерных
взрывов, производившихся в стратосфере, также
свободно проникали через эту зону. Время
пребывания водяного пара в нижней
стратосфере, по-видимому, составляет более 2 лет,
а в верхней атмосфере оно может достигать
50 лет. Вполне вероятно, что огромные
количества водяного пара, прошедшего через
«ледяную ловушку» за последние два
десятилетия, все еще влияют на его концентрацию в
стратосфере. Систематические измерения не
проводились, поэтому очень трудно делать
определенные выводы. Однако наблюдения
других метеорологических явлений могли бы
дать важные результаты.
На высоте 10 км воздух очень сухой;
иными словами, в 1 л воздуха содержится крайне
мало водяного пара. Но его относительная
влажность чрезвычайно велика — более 99%,
ибо парциальное давление ничтожногб
количества водяного пара, содержащегося в
воздухе, фактически достигает максимума,
возможного на такой высоте. Поэтому любая
дополнительная влага, поступившая на
подобную высоту, вызовет образование осадков,
преимущественно в форме ледяных
кристаллов. Конденсационный след от высоко
летящего реактивного самолета — знакомый всем
пример такого процесса. Со времени начала
регулярной эксплуатации коммерческих
реактивных самолетов (1958 г.) количество
полетов, совершаемых в верхней стратосфере,
возрастает почти по экспоненте. Естественно,
может возникнуть вопрос: как повлияло это на
содержание льда в верхней стратосфере,
увеличилась ли облачность по сравнению с
периодом до 1958 г.? Хотя на основании
имеющихся данных трудно сделать окончательный
вывод, все же есть признаки того, что такое
воздействие становится ощутимым.
Непрерывное увеличение облачности
обязательно повлияет на альбедо Земли. В
результате роста планетарного альбедо
уменьшится доля солнечного излучения,
приходящего на земную поверхность, что, в свою
очередь, вызовет уменьшение испарения влаги.
Тогда водяной пар будет в меньшей степени
смягчать колебания температуры. Атмосфера
нагреется, воздух сможет поглощать больше
водяного пара; вследствие этого станет менее
интенсивным процесс образования облаков.
Если в этих рассуждениях есть логика,
дополнительное количество водяного пара в
тропосфере приведет к возникновению механизма
негативной обратной связи, воздействие
которого в известной мере благоприятно. С другой
стороны, трудно представить, к чему еще,
кроме образования льда, может привести
поступление дополнительной влаги в стратосферу.
Если водяной пар вступает в химическую
реакцию с озоном подобно тому, как он
реагирует с метаном и прочими малыми газовыми
примесями, могут возникнуть серьезные
проблемы из-за обильного выпадения осадков.
Озон является, как указывалось, важнейшим
компонентом воздуха в стратосфере, потому
что он служит одним из наиболее
эффективных фильтров солнечного ультрафиолетового
излучения, которое оказалось бы губительным
для всего живого, если бы беспрепятственно
достигало поверхности Земли. Безусловно,
необходимо проведение экспериментов для
исследования распределения водяного пара в
верхних слоях атмосферы и для получения
представления о его воздействии на
химические и физические процессы, которые являются
неотъемлемой составной частью тепловых
машин Земли, прежде чем естественная
концентрация водяного пара значительно возрастет в
результате его дополнительного поступления
из неприродных источников. По этой же
причине все сказанное полностью относится к
любым газовым примесям, содержащимся в
атмосфере.
Окись углерода (СО) по количеству стоит
на втором месте среди газов, выделяемых
неприродными источниками загрязнения,
главным образом двигателями внутреннего
сгорания (табл. 12.2). Вопросы, связанные с
образованием окиси углерода при работе
автомобильных двигателей и с предотвращением ее
выбросов, уже рассматривались в гл. 4. Здесь
рассматриваются глобальные последствия
образования этого вещества.
В естественных условиях образуется
небольшое количество СО; фоновое содержание
СО в «чистом» воздухе нижних слоев
атмосферы составляет около 0,1 ±0,09 млн-1. Этот
показатель подвержен значительным
изменениям в зависимости от места взятия пробы
воздуха, времени суток, времени года и т.п. На
автострадах Лос-Анджелеса в часы пик были
зарегистрированы уровни концентрации СО,
достигавшие 150 млн-1.
303

Таблица 12.2. Поступление окиси углерода в атмосферу
(данные по США за 1968 г.)
Источник загрязнения воздуха
окисью углерода
с .4.
Ь ю О
= С
111
г
М
о § .
в & о
«52
Искусственные источники
Сжигание моторного топлива в
передвижных источниках
загрязнения
в автомашинах:
с бензиновы vi двигателем
с дизельным двигателем
в самолетах
на судах
в дизель-электровозах
Использование моторных топлив
вне сферы транспорта
Сжигание в стадиона оных
источниках загрязнения:
угля
топочного мазута
природного газа
древесины
Производственные процессы
Сжигание твердых отходов
Прочие источники (сжигание
растительности, самовозгорание
отвалов при угольных шахтах
и т. п.)
Итого
63,8
59,0
0,2
2,4
0,3
0,1
1,8
1,9
0,8
-]
Т,0
11,2
7,8
9,7
94,4
67,5
62,5
0,2
2,5
0,3
0,1
1,9
2,0
0,8
0,1
1,0
11,9
8,3
10,3
100,0
Естественные источники
Лесные пожары
Всего
7,2
101,6
Достоверных сведений о механизме
поглощения СО из атмосферы нет, хотя отдельные
возможные приемники этого газа
исследовались. Активные механизмы стока СО,
безусловно, существуют, потому что фоновая
концентрация СО, судя по всему, оставалась
неизменной в течение того же периода времени,
когда возрастал уровень выбросов в
атмосферу двуокиси углерода С02. Окись углерода
химически инертна при концентрациях, обычно
существующих в атмосфере, и
фотохимические реакции с участием СО происходят
довольно редко — окись углерода почти
полностью прозрачна для солнечных лучей; правда,
она может превращаться в двуокись
углерода при соударении ее молекул с атомарным
кислородом, но такие столкновения бывают
редко. Кроме того, в нижних слоях
атмосферы химические реакции с участием СО
протекают крайне медленно; например, реакции
СО + 02-ИХ>2 + О (12.22)
СО + Н2^С02 + Н2 (12.23)
требуют подвода энергии в количестве
соответственно 2,Ы04 и 2,3-104 Дж/моль, а это—
довольно высокий энергетический барьер.
К другим возможным последствиям
выбросов СО относятся: процессы
биологического взаимодействия окиси углерода с
почвенными бактериями или растительностью,
поглощение океаном, поглощение поверхностью
суши. Каждый из этих механизмов является
потенциальным поглотителем, но нет
достоверных сведений о доле каждого из них в
глобальном балансе окиси углерода.
Высокие концентрации СО, разумеется,
вредны для здоровья; в остальном этот вид
газообразных выбросов, образующихся при
сжигании топлива, по-видимому, относительно
инертен с точки зрения теплового баланса
Земли. Окись углерода поглощает очень
мало солнечной энергии в ходе фотохимических
реакций и, насколько известно, не
принадлежит к числу основных компонентов какой бы
то ни было крупной экологической системы.
Тот факт, что не известны точно поглотители
окиси углерода, внушает определенное
беспокойство, поскольку значительные изменения
условий окружающей среды, например
искусственное выделение теплоты, могут привести к
непреднамеренной ликвидации этих
поглотителей и возникнет крайне серьезная проблема.
В процессе сжигания топлива выделяется
большое количество других газообразных
загрязнителей— окислов серы и окислов азота.
Этим соединениям принадлежит чрезвычайно
важная роль в образовании фотохимического
смога, однако они не влияют в сколько-нибудь
заметной степени на глобальный тепловой
баланс. Правда, есть одно исключение. В
присутствии водяного пара из окислов серы легко
образуется серная кислота, отличающаяся
большой гигроскопичностью. В результате
частицы серусодержащих веществ становятся
ядрами конденсации при образовании дождевых
капель, поэтому дожди часто бывают
кислотными. Окислы азота легко образуют
радикалы аммония в атмосфере и во многих
отношениях ведут себя наподобие серусодержащих
молекул. Установлено, что дождевые капли
часто содержат сернокислый аммоний1.
Большинство упомянутых процессов происходит в
тропосфере; время пребывания этих
соединений в воздухе исключительно мало —
максимум 10 сут. Фоновая концентрация
соединений серы и азота в окружающей среде
составляет несколько частей на миллиард.
Следовательно, несмотря даже на то, что огромные
количества этих соединений выбрасываются в
атмосферу из техногенных и естественных
источников (табл. 12.3, 12.4), они не оказывают
1 (NH4)2S04. (Примеч. ред.)
304

Таблица 12.3. Количество выбросов сернистых
соединений в атмосферу, млн. т/год (расчетные данные
за 1968 г.)
Вид

соединения
so2
H2S
S04
Источник
Сжигание угля
Переработка нефти
Сжигание нефтепродуктов
Выплавка металлов
Выбросы промышленных
предприятий
Микробиологические
процессы в океане
Микробиологические
процессы в почве,
поступление из земных недр
Микробиологические и
химические процессы в
океане
Итого
Всего
102
6
23
16
3
30
70
130
380

Содержанке в
соединениях
серы
51
3
11
8
3
30
70
44
220
* Здесь использовано обозначение SOa — сульфатный ион,
который обычно входит в состав таких соед иге ий, как,
например, сульфат аммония (NH4hS04 или серная кислота H2S04.
(Примеч. п е р е в.)
Таблица 12.4. Выбросы азотистых соединений
в атмосферу, млн.т/год (расчетные данные за 1968 г.)
S
8*
Вид
нени
NO„
NH3
N02
NH3
N20
Источник
Сжигание угля
Переработка
нефти
Сжигание бензина
Сжигание прочих
нефтепродуктов
Сжигание
природного газа,
млрд. м3
Сжигание прочих
веществ
Всего N02
Процессы горения

Микробиологические процессы
То же
То же
:тво
лого
год
* S 3 н"
3" СО я Н
к s 5 K
х: о н s
3074
1500
379
894
580
1290
—
"~~~
—
—
2§
из х
н а»
Азот
соед
26,9
0,7
7,5
14,1
2,1
1,6
52,9
4,2
500
5900
650
ание
зота
р.*
Соде
в ни
8,2
0,2
2,3
4,3
0,6
0,5
16,1
3,5
150
4900
410
столь сильного воздействия на тепловой режим
Земли, как те газообразные вещества, о
которых упоминалось выше.
Стратосферный озон
Выше говорилось о том, какое огромное
значение имеют ничтожные количества озона,
содержащегося в верхних слоях атмосферы.
Ведь сама жизнь на Земле в известных нам
формах стала возможной благодаря
интенсивному поглощению озоном солнечной
энергии в ближней ультрафиолетовой области.
Поэтому необходимо обязательно выяснить,
способен ли какой-либо вид деятельности
человека неблагоприятно отразиться на
концентрации этого вещества.
Вероятность наличия крайне
нежелательной взаимосвязи между выбросами
двигателей сверхзвуковых самолетов и нарушением
баланса стратосферного озона побудила
министерство транспорта США к тому, чтобы
разработать программу оценки воздействия на
климат. Решение о разработке программы
последовало за отказом конгресса
финансировать из федерального бюджета проект
создания сверхзвуковых пассажирских самолетов.
В ходе выполнения этой программы была
получена довольно ценная информация;
отдельные факты оказались совершенно
неожиданными. Самое главное состоит в том, что
образование водяного пара при полетах
сверхзвуковых лайнеров едва ли представляет
собой серьезную проблему, однако в то же
время доказано, что окислы азота могут нанести
стратосфере гораздо более ощутимый вред,
чем предполагалось ранее.
До того, как приступить к подробному
анализу всех этих взаимодействий, рассмотрим
условия естественного равновесия озона и
прочих компонентов стратосферного воздуха.
Озон образуется в стратосфере при
взаимодействии молекулярного кислорода 02 и
атомарного кислорода О в присутствии
третьего элемента (этот процесс обычно
происходит на поверхности аэрозольной частицы).
Атомарный кислород — продукт фотолитиче-
ской диссоциации молекул кислорода. Если
кислород поглощает излучение Солнца
главным образом в видимой и ультрафиолетовой
областях спектра, то основная часть
излучения, поглощаемого озоном, находится почти
целиком в ближней ультрафиолетовой
области.
Озон чрезвычайно активен в химическом
отношении, поэтому его концентрация в
плотной атмосфере, у поверхности Земли,
составляет менее 1 млн-1. Местные концентрации,
вызванные густым смогом, иногда превышают
этот показатель на 2—3 порядка.
Именно благодаря своей высокой
химической активности озон не накапливается в
больших количествах, даже в стратосфере.
К числу самых интенсивных химических
реакций, протекающих в этом слое атмосферы.,
относится реакция между окисью азота NO и
озоном:
NO + 03->N02 + 02, (12.24)
305

Окись азота очень быстро восстанавливается:
N02 + 0->NO+02, (12.25)
так что N0 служит катализатором в цикле
реакций, разрушающих озон. Обычно
существует равновесие между процессами
образования и разрушения озона; равновесная
концентрация озона зависит от высоты — она
максимальна на высоте около 20 км, а затем
уменьшается по линейному закону.
Реакции (12.24) и (12.25), как правило, не
играют особой роли в разрушении озона,
поскольку окислов азота в атмосфере обычно не
так уж и много1. Существуют, однако, два
направления деятельности человека, которые в
значительной степени способствуют
увеличению концентрации стратосферных окислов
азота — испытания ядерного оружия и полеты
сверхзвуковых самолетов.
При термоядерном взрыве развиваются
колоссальные температуры, приводящие к
диссоциации молекул атмосферного кислорода и
азота. Происходит образование самых
различных соединений азота, и по мере того, как
восстанавливается равновесие в средних
слоях стратосферы, накапливается большое
количество окислов азота. Каждая молекула
окислов азота может разрушить тысячи
молекул озона, прежде чем она сама будет
разрушена или покинет зону взрыва.
Есть основания полагать, что проведение
ядерных испытаний действительно послужило
причиной уменьшения массы озона. В 1961 и
1962 гг. интенсивно испытывалось ядерное
оружие вплоть до того дня, когда был подписан
Договор о запрещении испытаний ядерного
оружия в атмосфере2. Концентрация озона
упала до минимума в 1963 г., как если бы это
было вызвано 11-летним циклом солнечной
активности. Расчеты на моделях, в основу
которых были положены процессы образования
радиоактивного углерода 14С в ходе
испытаний ядерного оружия (предполагалось, что
количество образующихся окислов азота
пропорционально количеству образующегося 14С),
показали, что концентрация озона
уменьшилась на 3—6 %.
1 Образованию окислов азота способствует
бомбардировка стратосферного воздуха заряженными
частицами солнечного ветра (протонами с характерной
концентрацией 5 см-3 — примеч. перев.). Этим, по всей
вероятности, и объясняется совпадение между
максимальной концентрацией озона и минимумом пятен на Солнце
в период 11-летнего цикла солнечной активности.
2 Полное название — «Договор о запрещении
испытаний ядерного оружия в атмосфере, в космическом
пространстве и под водой». Международный договор,
подписанный в Москве 5 августа 1963 г. представителями
СССР, США н Великобритании. Вступил в силу 10
октября 1963 г. Открыт для подписания его всеми
государствами. (Примеч. перев.)
Ланиентраиия озона. 707Z см""5
Рис. 12.20. Влияние полетов сверхзвуковых самолетов
на содержание озона в стратосфере
В настоящее время концентрация озона,
по-видимому, снова стала близкой к норме,
хотя наблюдаются многочисленные
колебания, имеющие разную продолжительность; они
затрудняют точное определение этого
параметра. Результаты проведения ядерных
испытаний показали, что боевые действия с
применением ядерного оружия привели бы к
чрезвычайно сильному уменьшению массы озона,
если бы ядерные взрывы производились в
верхних слоях стратосферы с целью
уничтожения искусственных спутников Земли либо
для того, чтобы нарушить устойчивую
дальнюю радиосвязь путем возмущения
ионизированных слоев ионосферы.
Образование окислов азота также
относится к категории сильных воздействий
сверхзвуковых самолетов на окружающую среду.
Было проведено детальное исследование на
математической модели; при этом условно
предполагалось, что самолетный парк
состоит из 500 единиц, а концентрация окиси азота
(NO) в выхлопных газах каждого
сверхзвукового самолета равна 350 мин-1. Результаты
исследования говорят о том, что количество
озона в стратосфере может сократиться вдвое
(рис. 12.20). Кривые 8 и 4 характеризуют
нормальное распределение озона по
вертикали на широте 45°. Кривые 5 и 6 построены на
основе исследования совокупного (за 2 года)
воздействия выбросов, образовавшихся при
эксплуатации 500 сверхзвуковых самолетов;
выбросы равномерно распределены в
следующих интервалах высот: 20—21 км (кривая S),
19—23 км (кривая 7), 17—25 км (кривая 6)
и 15—31 км (кривая 5). Кривые 1—4
построены в предположении, что количество
дополнительных выбросов окиси азота увеличилось в
306

10 раз (самолетный парк состоит из 5000
единиц); интервалы высот, в которых выбросы
распределены равномерно, те же, что для
кривых 5—8.
Другие группы исследователей, изучавших
проблему взаимодействия между озоном и
окислами азота, пришли к единому мнению,
что, если концентрация окислов азота в
стратосфере возрастет на 50 %, концентрация
озона может уменьшиться на 7—12 %. Одна
группа, разработавшая более сложную
трехмерную модель, считает, что выход на трассы 500
сверхзвуковых лайнеров в северном
полушарии привел бы не только к уменьшению
концентрации озона на 16 %, но и к ее снижению
на 8 % в южном полушарии.
Устранить угрозу, нависшую над
стратосферным озоном, можно путем прекращения
ядерных взрывов в атмосфере, отказа от
сверхзвуковых авиалайнеров. Можно сказать: «Коль
скоро эти лайнеры уже существуют, вся
надежда на современную технику — пусть
найдет способ, как уменьшить вредные выбросы».
Это, конечно, возможно, но ведь современная
техника позволяет, например, уменьшить
выбросы электростанции и автомобилей; однако
часто ли соглашаются применять эти методы
на практике?
Обратимся еще к одному источнику
опасности для стратосферного озона:
фторированным углеводородам; их называют также гало-
генпроизводными метана. Они служат
наполнителями аэрозольных баллонов \
Содержание этих веществ в атмосфере очень трудно
контролировать ввиду повсеместного
распространения и использования аэрозольных
упаковок-распылителей.
Фторированные углеводороды, главным
образом фреон-11 (монофтортрихлорметан
CFC13) и фреон-12 (дифтордихлорметан
CF2C12), широко применяются с 30-х годов в
качестве наполнителей (пропеллентов), так
как они, по существу, инертны в химическом
отношении и не горючи 2. До недавнего
времени почти не возникало проблем, вызванных
воздействием фреонов на человеческий
организм. Из-за химической инертности фреонов,
а также из-за того, что они производятся в
огромных количествах (в 1972 г. было
изготовлено около 500 тыс. т фреона-11 и фреона-12),
1 Используются, кроме того, как хладагенты. (П р и-
м е ч. п е р е в.)
2 Фреон — патентованное наименование группы
фторированных углеводородов, изготовляемых концерном
Du Pont; другие фирменные названия — генетрон
(компания Allied Chemical), изотрон (корпорация Pennwalt),
юкон (компания Union Carbide Chemicals). Среди
прочих химических соединений, применяемых в качестве
пропеллентов, — изобутан, пропан, двуокись углерода,
хлористый метилен, закись азота, винилхлорид.
заметные следы этих соединений обнаружены
по всему земному шару.
В ряде пунктов на трассе между
Лос-Анджелесом и Антарктидой была
зарегистрирована средняя концентрация фреонов в
атмосфере, равная 61 трлн-1. В различных других
пунктах северного и южного полушарий этот
показатель составлял 50—150 трлн-1.
Правда, до сих пор столь высокие концентрации
были отмечены только в тропосфере, однако
это всего лишь вопрос времени; не исключено,
что через несколько лет галогенпроизводные
метана в результате диффузии достигнут
такой высоты, на которой будут подвергаться
воздействию коротковолновой ультрафиоле-
товой радиации.
Фреоны фотодиссоциируют под действием
излучения Солнца в диапазоне 170—220 нм,
а именно эти волны и проникают в
стратосферу. Продуктами диссоциации являются
свободные атомы хлора и фтора; они подобно
окиси азота каталитически разрушают озон:
С1-Ъ03->С10 + 02,
СЮ + 0->С1 + 02. (12.26)
Этот процесс может повторяться многие
сотни раз подряд, пока весь хлор не перейдет
в связанное состояние либо рассеется. Какой
же ущерб способны причинить озону
фторированные углеводороды?
Хотя известны лишь результаты расчета
на моделях, полученные данные говорят о том,
что теперь едва ли удастся предотвратить
сильное воздействие фреонов на окружающую
среду — время для этого упущено. На рис,
12.21 представлены результаты одного
исследования, проводившегося с помощью ЭВМ1;
график изображает различные прогнозные
1 Было исследовано шесть концептуальных моделей
будущего производства фреонов во всем мире. Модель
А основана на предположении, что неограниченно долго
сохранятся показатели 1972 г., когда производство
фреона-11 составляло около 200 тыс. т, а фреона-12 —
около 300 тыс. т. Модели ?, С, D основаны на
допущении, что исходный темп роста производства фреонов
равен 10 % в год (удвоение производства через каждые
7 лет). Для моделей Е и F был выбран несколько
более высокий исходный темп роста — около 21 % в год
(удвоение производства через каждые 3,5 года).
Условно предполагалось, что в моделях D и F
исходный темп роста мирового производства фреонов
сохранится в течение неопределенно долгого времени, а
в моделях В, С, Е производство фреонов внезапно
прекратится после 1978, 1985 и 1987 гг. соответственно.
Для сравнения на графике штрихпунктиром
показана кривая, отображающая уменьшение массы озона в
верхних слоях стратосферы, которое вызвано
увеличением концентрации окислов азота, выбрасываемых
двигателями сверхзвуковых авиалайнеров. Стрелкой
обозначен участок кривой, отображающий стабильное
состояние, которое создастся в отдаленной перспективе, если
события будут развиваться в соответствии с моделью А.
(Примеч. перев.)
307

1т ШЬ f994 2004 2014 2024 203Ь 2044 2054 2064
rods/
Рис. 12.21. Прогнозные оценки уменьшения массы
Озона в зависимости от различных вариантов производства
фторированных углеводородов
оценки уменьшения концентрации озона как
функции времени. Концентрация озона в
атмосфере играет важную роль, но разве она
непременно должна влиять на жизненный
уклад?
По предварительным расчетам любое
уменьшение концентрации озона приведет к
соответствующему росту вероятности
заболевания раком кожи. Например, если
содержание озона в атмосфере уменьшится на 5 %
(что будет соответствовать увеличению на
10 % интенсивности потока ультрафиолетовой
радиации), количество лиц, заболевших раком
кожи, возрастет на 20—60 тыс. С
увеличением интенсивности потока ультрафиолетовых
лучей ускорится также процесс старения
кожных покровов.
Уменьшение концентрации озона может
привести ко многим другим последствиям,
масштабы и характер которых гораздо
труднее предугадать. Сильно пострадает морской
фитопланктон — один из главных
поставщиков кислорода в атмосферу. У некоторых
растений, особенно у овощных культур, под
действием повышенной ультрафиолетовой
радиации замедляется рост. Чересчур
продолжительное ультрафиолетовое облучение
способствует появлению мутантов. Насекомые видят
ультрафиолетовый свет; в результате
изменения всего солнечного спектра глаз насекомого
не сможет безошибочно определять плоскость
поляризации рассеянного небесного света,
окраску цветов, признаки полового диморфизма,
хотя роль, которую в этом играют органы
зрения, еще не до конца выяснена.
По мнению ряда исследователей,
уменьшение концентрации озона изменило бы среднюю
температуру на всей Земле; что произойдет
конкретно — повышение или понижение
температуры, будет зависеть от множества
факторов, о которых упоминалось ранее. Другие
климатологи, напротив, убеждены, что
стратосфера не играет особой роли в
формировании климата. Исследования в этой области
были начаты лишь совсем недавно.
Можно прийти к выводу, что
существование стратосферного озона поставлено в
настоящее время под вопрос. Какие
принимаются меры для того, чтобы эту угрозу
предотвратить? Заключен Договор о запрещении
испытаний ядерного оружия, однако не все
государства подписали его; из числа не
подписавших две страны — КНР и Франция —
продолжают взрывать ядерное оружие в
атмосфере.
Уровень мирового производства
фторированных углеводородов в 1979 г. стал таким,
каким он был до 1973 г., главным образом
потому, что теперь в США запрещено наполнять
ими аэрозольные баллоны-распылители. В
других странах производство их, однако, по-
прежнему растет; местные изготовители фтор-
углеводородов утверждают, что нет надежных
доказательств отрицательного воздействия их
продукции на окружающую среду.
Вряд ли стоит продолжать дискуссии на
эту тему — правильнее было бы сосредоточить
основные усилия на поисках других
веществ, грозящих ухудшить состояние
стратосферы.
Взаимосвязи между различными
элементами тепловых машин Земли невероятно
сложны. Нельзя быть уверенными в том, что,
даже если бы не существовало рода
человеческого, тепловой баланс планеты находился
бы в устойчивом равновесии. Математические
модели еще слишком примитивны для того,
чтобы в них учитывались абсолютно все
переменные параметры. Известно, что
деятельность человека, особенно за последние
несколько десятилетий, в немалой степени
отразилась на состоянии Земли; например,
ощутимо возросла концентрация двуокиси
углерода. Верхние слои стратосферы — это
чрезвычайно чувствительная область
воздушной оболочки, так как в них крайне низка
концентрация газов и происходят
фотохимические реакции, играющие исключительно
важную роль. Проведение испытаний
термоядерного оружия в стратосфере, выброс
огромного количества твердых частиц и газов
двигателями высоко летящих самолетов,
вулканические извержения, производство
искусственных газов могут весьма заметно
нарушить тепловой баланс в этой крайне уязвимой
области.
Необходимо глубже проникнуть в сущность
физических и химических процессов,
происходящих в атмосфере до того, как еще более
308

возрастут масштабы нарушения равновесия,
что наблюдается при современных темпах
роста потребления энергии.
ЗАДАНИЯ ДЛЯ АУДИТОРИИ
1. Опросите как можно больше людей, чтобы
установить, многие ли из них до такой степени озабочены
воздействием фторированных углеводородов на
окружающую среду, что готовы перейти от дезодорантов в
аэрозольной упаковке к дезодорантам в других
упаковках. Как они относятся к прочим товарам бытовой
химии в аэрозольных баллонах? Хорошо ли представляет
себе рядовой гражданин проблему сохранения озона в
атмосфере?
2. Попытайтесь приблизительно определить, какое
количество теплоты образуется в вашем колледже или
университете, включая теплоту от нагревшихся
конструктивных элементов здания, бытовых электроприборов,
теплоту, выделяемую людьми. Какую долю приходящей
солнечной энергии составляет эта теплота? Способна ли
она повлиять на температуру наружного воздуха в
районе, где расположено учебное заведение?
УПРАЖНЕНИЯ
1. На сколько процентов должно измениться
значение а в (12.1), чтобы значение Т изменилось на 1 %?
2. Предположив, что поток солнечного излучений
внезапно уменьшился на 1,6 %, вычислите, насколько
уменьшится за год количество теплоты, поглощаемой
земным шаром. Рассчитайте, сколько времени
понадобилось бы Земле для того, чтобы излучить такое
количество теплоты в мировое пространство.
Ответ: 1,44- 101S Дж/год; около 147 лет
3. Допустим, что для радиоизотопов, содержащихся
в земной кере, средняя энергия распада составляет
2 МэВ. Воспользуйтесь схемой на рис. 12.4, чтобы
рассчитать суммарную радиоактивность Земли. Выберите
произвольно средние значения Q, чтобы сгладить
различия в тепловом потоке между океанами и
континентами. Сравните это значение радиоактивности Земли с
предполагаемой распространенностью урана и тория в
природе.
4. Рассчитайте суммарное суточное количество
теплоты, поступающей к поверхности из земных глубин в
результате распада радиоактивных элементов во
внутренних зонах Земли, и сравните полученные данные с
количеством солнечной энергии, приходящей на Землю
в течение суток.
5. Используйте значения среднего теплового потока
и температурного градиента Земли, чтобы определить,
какова теплопроводность земной коры вблизи
поверхности.
6. Допустим, что за год интенсивность потока
приходящей солнечной радиации во всем мире
уменьшилась на 1 %. Чтобы сохранился тепловой баланс,
земной шар «возвратит» себе эту утраченную энергию за
счет того, что морская вода замерзает и в результате
высвободится скрытая теплота плавления. Сколько
кубических километров льда образуется? Предположим,
что Антарктический континент имеет форму диска
радиусом 1800 км и что окружающие его океаны замерзли
на глубину 5 м. Сколько градусов широты займет
дополнительная площадь, покрытая половиной
образовавшегося льда (другая половина находится в Арктике)?
Ответ: 2,93-103 км3; 10,2° широты.
7. Предположим, что интенсивность потока
приходящей солнечной радиации во всем мире возросла на
1 %. Чтобы сохранился тепловой баланс, на нашей
планете увеличилось бы среднее альбедо за счет того, что
маргинальные земли1 превратились в пустыни.
Насколько должна будет увеличиться общая площадь пустынь?
Какие еще механизмы могли бы способствовать
достижению той же цели?
8. Рассчитайте, какой процент фотонов с энергией
279 эВ, испускаемых Солнцем, поглощается,
предположив, что в фотосфере Солнца энергию этих фотонов
поглощает только гелий.
9. Расчеты в упражнении 3 основаны на допущении,
что в стратосфере нет водяного пара. Если отношение
М-воды/Рводы при длине волны фотона, равной 400 нм, в
три раза больше, чем отношение [хВОзд/рчозд, в какой
степени отразится добавление влаги в пропорции
Ю-12 г/см3 на поглощении стратосферой фотонов с
длиной волны 400 нм?
10. Воспользуйтесь (12.18) и рассчитайте
параметры осветительного устройства, которое эффективно
работало бы в условиях тумана. Какие допущения
необходимы при этом? Какими видами биологического
действия излучения необходимо пренебречь и возникнут ли
они вообще?
Па) Потенциальная энергия гармонического
осциллятора выражается зависимостью:
PE=-\-kx\
кинетическая энергия — зависимостью:
1 .
КЕ = — пис* .
Покажите, что полная энергия {КЕ + РЕ)
выражается зависимостью:
W = — m<4xl
(Напомним: х=Хб cos ®0t.)
б) Покажите, что
8л;2 / rc \ W
3 \ А0 / Т0
где Ге=е2/(4лг0тс2)—«классический радиус электрона»:
л0 = ст0 = 2яс/со0.
в) Приведите доказательство следующего
утверждения:
г) Исходя из этого, покажите, что
где
д) Уравнение, приводимое в упражнении 11, г
означает, что потеря энергии осциллирующим электроном за
счет радиации происходит по экспоненциальной кривой.
Спустя некоторое время тг начальная энергия
возбуждения электрона W0 уменьшается в \/е раз. Группа волн,
используемых электроном, имеет длину /=стг
Покажите, что для видимого света значение / составит около
300 см.
е) Свет, поступающий от двух независимых
источников, не будет устойчиво интерферировать, выходя из
двух параллельных щелей. Какие выводы можно сде-
1 Земли, обработка которых почти не окупается.
(Пр им еч, п ер ев.)
309

лать на основании этого в отношении результата,
полученного в упражнении 11, д?
12. Используя рис. 12.8, рассчитайте, какова доля
(в процентах) радиации, поглощенной поверхностью
Земли, если с облаками взаимодействует 44 % потока
приходящего солнечного излучения. Пусть все прочие
масштабы взаимодействия останутся такими, как
показано на рисунке. Определите температуру земной
поверхности.
13. Произведите расчеты снова, если температура
насыщенного воздуха равна 21 °С. Воспользуйтесь
(12.19), чтобы определить количество теплоты,
необходимое для нагрева 1 г воздуха с 20 до 21 °С; при этом
должно сохраниться состояние насыщения.
14. Допустим, что элементарный объем воздуха,
насыщенного водяным паром при давлении 0,1 МПа,
имеет общую массу 1 г при 25 °С.
а) Сколько молей воздуха и водяного пара
содержится в этом объеме?
б) Если температура возрастет до 26 °С, а
состояние насыщения сохранится благодаря контакту воздуха
с поверхностью океана, сколько молей воздуха и
водяного пара будет в этом объеме?
в) Какое суммарное количество подведенной
теплоты потребуется для того, чтобы оказалось
выполненным условие «б»?
Ответы: а) воздуха 0,0691 моль, воды 0,00174 моль;
б) воздуха 0,06906 моль, воды 0,00184 моль;
в) 6,097 Дж.
Гтава) 11
В гл. 12 проанализированы глобальные
последствия загрязнения окружающей среды.
Здесь рассматриваются процессы, которые в
меньшей степени воздействуют на
окружающую среду — от влияния отдельной
электростанции до воздействия большого количества
автомобилей на климатические условия
крупного города. Кроме того, подробно
рассматриваются как процессы, которые наносят
ущерб воздушному бассейну, так и методы,
позволяющие предотвратить или, по крайней
мере, уменьшить этот ущерб.
Было бы крайне интересно исследовать
также процессы загрязнения воды. Однако это
увело бы нас далеко в сторону от физических
последствий загрязнения к последствиям
биологическим.
ИЗМЕНЕНИЯ МИКРОКЛИМАТА
Микроклимат — это климат небольшой
территории, площадью от несколько сот
квадратных метров до нескольких сот квадратных
километров. Общие климатические
характеристики любого региона зависят от погодооб-
разующих факторов глобального масштаба,
15. Допустим, что океаны поглощают солнечную
энергию в количестве, пропорциональном площади их
акватории. Воспользуйтесь результатом, полученным в
упражнении 14, и определите общее количество воды,
ежесуточно испаряющейся с поверхности океанов.
16. Количество теплоты, выделяющейся при
растворении m молей соли в 1000 г воды при температуре
298 К, можно определить по формуле
Д# = 3,862т + 1,992т3/2 — 3,038т2 + 1,019т5/2кДж.
Определить, какое количество теплоты потребуется,
чтобы уменьшить соленость 1000 г морской воды с 30
до 20 %о.
17. При полете сверхзвукового пассажирского
авиалайнера на высоте 30 км со скоростью 400 м/с
образуется около ПО т водяного пара в час. Допустим, что
факел выхлопных газов имеет форму цилиндра, диаметр
которого равен размаху крыла самолета. Какое
количество излишней влаги, помимо количества, необходимого
для насыщения воздуха в реактивной струе выхлопных
газов, образуется за час?
18 Форма кривой, характеризующей производство
С02 (рис. 12.18), определяется выражением
dt \l + #exp(— ct)) '
Найдите значения параметров А, В, С из графика.
Будет ли кривая, построенная в соответствии с этой
формулой, похожа на кривую добычи нефти (рис. 2.6)?
однако возникают довольно существенные
отличия, вызванные локальными условиями,
влияние которых здесь и рассматривается.
Прежде всего, к таким условиям относится
«эффект скученности» — концентрация на
небольшой территории множества людей,
живущих или работающих там.
Городской климат
Жизнь в городе — не то, что жизнь за
городом—банальная истина, которая
подразумевает не только различия бытового
характера, но и климатические различия между
городом и его окрестностями. Они известны
давным-давно, хотя причины их возникновения
начинают проясняться только теперь.
Некоторые различия элементов климата в городе и
сельской местности приведены ниже.
В городе по сравнению с сельской
местностью температура воздуха в среднем на 0,5—
0,8 °С (зимой на 1,1—1,6 °С) выше, облачность
на 5—10% больше, плотность тумана в два
раза зимой и на 30 % летом более высокая.
Запыленность городских районов в 10 раз
больше, чем сельских. Общее количество осад-
Локальное воздействие энергетики на климат
310

Рис 13.1. Прохождение солнечных лучей в городах (а) и сельской местнос-
сти (б)
ков на 5—10 % больше, а относительная
влажность — меньше на 2 % зимой и на 8 %
летом (в среднем — на 6 %). При этом в
городе число дней, когда количество осадков
менее 5 мм, на 10 % больше, число безветренных
дней на 5—20 % больше, а скорость ветра
меньше — средняя за год на 20—30, а
максимальная—на 10—20 %. Меньше также
интенсивность солнечного излучения — суммарная,
на горизонтальной поверхности на 15—20 % и
ультрафиолетового излучения зимой на 30 и
летом на 5 %.
Причина возникновения этих различий —
существование города; и все же, какие
именно характерные особенности городов делают
их до такой степени непохожими на сельскую
местность, что это приводит к изменениям
климата? Здесь играют роль несколько
факторов. Во-первых, город — территория с
высокой плотностью населения; побочные
продукты человеческой деятельности образуются при
такой концентрации людей гораздо
интенсивнее. Во-вторых, что еще более важно, многие
объекты, которые способны причинить
серьезный ущерб окружающей среде, находятся как
раз в городах или метропольных ареалах1.
К ним принадлежат предприятия
машиностроения и перерабатывающей
промышленности, металлургические заводы, районные
электростанции и другие источники загрязнений.
В результате городской воздух, как правило,
сильно насыщен твердыми частицами и
газообразными загрязнителями. Все это
содействует не только возникновению парникового
эффекта в воздушном бассейне города, но и
поглощению теплоты.
Поглощение теплоты, помимо всего
прочего, способствует образованию над городом
неподвижного слоя воздуха, который
препятствует рассеиванию загрязнителей; в сущности,
возникает механизм взаимосвязи — чем боль-
1 Территория города с пригородами. (Примеч.
п е р е в.)
ше загрязнителей находится в воздухе, тем
больше их будет накапливаться.
В городе огромное количество зданий и
заасфальтированных поверхностей;
строительные материалы по своим теплофизическим
характеристикам скорее похожи на горные
породы, чем на почвенный или растительный
покров. Камень поглощает теплоту раза в три
медленнее, нежели почва, однако проводит
теплоту втрое быстрее, поэтому при
одинаковых объемах и одинаковом времени
пребывания на солнце камень способен
аккумулировать больше теплоты, но температура его
окажется более низкой. Ночью бетонные и
кирпичные строительные конструкции отдают
теплоту за счет радиации втрое медленнее,
чем почва в окрестностях города; вследствие
этого по ночам в городе значительно теплее,
чем в окружающей сельской местности.
Аналогичное явление происходит и в дневное
время; правда, оно не столь резко выражено.
В результате того что температура воздуха в
городе, как правило, выше, чем в сельской
местности, возникает необычное явление,
получившее название «острота теплоты».
Геометрия города также влияет на климат.
Обычно города состоят из зданий, гораздо
более высоких, чем элементы рельефа
окружающей местности. Высокие здания,
сосредоточенные на небольшой площади, служат
весьма эффективной ловушкой для солнечного
излучения; наружные поверхности зданий
поглощают и отражают солнечный свет.
Прямая противоположность этому — открытая
местность, где поток солнечного излучения,
отраженный от почвы, почти всегда
направлен обратно в атмосферу (рис. 13.1). Кроме
того, высокие здания служат препятствием для
ветра; они порождают турбулентность и
затрудняют охлаждение воздуха, вызванное
испарением влаги.
Влажность подстилающей поверхности з
городах резко отличается от аналогичного
показателя в сельской местности. Дождевая
вода быстро удаляется из города по канализа-
311

ционной системе, даже снег обычно сразу же
убирают. В результате с крыш и мостовых
испаряется лишь небольшое количество влаги.
Пример 13.1. Сравните интенсивность поглощения
теплоты за счет испарения в городах и сельской
местности. Примем, что в городе сток дождевой воды
составляет 95 %, а в сельской местности почва впитывает 60 %
дождевой воды.
Наконец, город представляет собой
гигантскую тепловую машину, функционирующую и
зимой, и летом. В летнее время теплота,
удаляемая из зданий кондиционерами воздуха
(а вместе с ней и подводимая к
кондиционерам энергия), поступает в воздушный бассейн
города. Зимой теплый воздух просачивается
наружу из построек с плохой теплоизоляцией.
Можно определить степень воздействия
теплоты, выделяемой в результате деятельности
человека, на локальную температуру.
Приведем к общему виду уравнение (8.8), чтобы
включить в него члены Qc (теплота) и Н
(теплота, выделяемая в результате
деятельности людей):
Qc + tf=-ea7l (13.1)
где Гн—новая температура равновесия,
которую необходимо вычислить. Значение Qc
было найдено в разд. 12; оно составляет
343 Вт/м2. Поделив обе части (13.1) на это
же уравнение, но без Я, получим:
(343 + Я)/343 = Т4Н/Т\ (13.2)
Тогда
Гн = Г }Л + Я/343 . (13.3)
Радикал можно разложить в ряд Тэйлора.
Разность температур ДГ=(ГН—Т)
описывается формулой:
ДГ«0,25Г (Я/343). (13.4)
Получив этот результат, легко определить
воздействие выделяемой теплоты.
Все вышеперечисленные особенности
существенно изменяют климат в больших
городах и вблизи них по сравнению с климатом
окружающей сельской местности. Изменения
климата не обязательно носят негативный
характер; зимой в городе теплее, больше
безморозных дней, меньше влажность, ниже
скорость ветра, чем в его окрестностях. С
другой стороны, в городе — больше смога,
больше осадков, чаще бывает туман (хотя
меньше очень плотных туманов).
Многим хорошо знакома картина:
приближаясь к крупному городу в автомобиле либо
на самолете, прежде всего замечаешь пелену
серой мглы на горизонте. По мере
приближения к городу начинает казаться, что он весь
словно покрыт завесой пыли. Эта «шапка
дыма», иногда называемая «пылевым куполом»,
типична для большинства современных
крупных городов (рис. 13.2). Перед
нами—совместный эффект «острова теплоты», выбросов
загрязнителей и изменения поля скорости
ветра под влиянием городской застройки.
Пылевой купол появляется в понедельник утром,
когда автомашины и промышленные
предприятия начинают выделять теплоту и
загрязняющие вещества в атмосферу. С
наступлением вечера твердые частицы, взвешенные в
воздухе, охлаждаются за счет теплового
излучения быстрее, чем окружающий воздух,
особенно частицы, находящиеся в верхней
зоне купола. Эти частицы служат ядрами
конденсации для тумана. Образующийся над
городом туман препятствует его дальнейшему
радиационному выхолаживанию. Слой тумана
также мешает твердым частицам
перемещаться за счет конвекции вверх и наружу, за
пределы купола. Влияние городской застройки на
местный ветровой режим тоже отражается на
распределении частиц. Во вторник утром слой
дымного тумана еще держится; он-то и
служит эффективной ловушкой для очередной
порций загрязнителей, которые поступают в
атмосферу за день. Этот процесс будет
продолжаться, пока сильный ветер или
проливной дождь не удалят из атмосферы
накопившуюся пыль, либо в конце недели, когда ритм
городской жизни несколько ослабевает,
пылевой купол не будет развеян благодаря
естественной циркуляции воздуха.
Рис. 13.2. Возникновение «пылевого купола» современных городов
312

На первый взгляд едва ли возможно хотя
бы отчасти решить эту проблему, разве что
придется полностью пересмотреть
сложившиеся каноны градостроительства или каким-
либо образом ликвидировать все выбросы
твердых частиц с дымовыми газами. В
настоящее время ни одно из решений не является
практически осуществимым. По целому ряду
иных причин, связанных не только с
загрязнением воздушного бассейна, могло бы
принести большую пользу изменение городской
структуры — уменьшение плотности
концентрации источников теплоты (автотранспорта,
промышленных предприятий, людей),
уменьшение высоты городских зданий и
сооружений, изменение влагосодержания городского
воздуха путем устройства обширных зеленых
зон, использование более разнообразного
ассортимента стройматериалов. Конечно,
мероприятия подобного рода трудно было бы
реализовать в существующих городах США;
можно надеяться, что планы расширения
современных урбанизированных территорий или
строительства «новых» городов будут
составлены с учетом этих принципов по примеру
Европы.
Сочетание особенностей городского
микроклимата служит причиной того, что
возникают туманы — явление, характерное для
больших городов. Существуют два основных
механизма возникновения туманов:
радиационное охлаждение приземного слоя воздуха до
температуры, лежащей ниже точки росы;
расслоение холодного сухого и более теплого
влажного воздуха. Нет оснований
пользоваться законами термодинамики, чтобы описать
процесс образования капель воды из
водяного пара — ведь идеальный газ даже не
переходит в жидкую фазу! Туман, дождь, облака
образуются только при наличии ядер
конденсации (обычно — твердых частиц). В
воздушном бассейне города таких частиц хватает с
избытком, и они активно участвуют в
образовании капель. Модификация нормального
режима ветра под влиянием городской
застройки замедляет процессы перемешивания и
рассеяния, в результате чего вероятность
образования тумана становится еще выше.
Результаты исследований показывают, что
в городах действительно наблюдается
больше туманов днем и ночью, чем в окружающей
сельской местности, однако плотность
городского тумана гораздо ниже вопреки тому, что
вам, наверное, приходилось слышать о
знаменитом лондонском «гороховом супе»1.
Излишняя теплота, выделяемая в городе,
повышает способность приземного слоя воздуха к
удерживанию влаги,, поэтому образование во-
1 Густой желтый туман. (Примеч. п е р е в.)
дяных капель происходит менее интенсивно.
Самые плотные туманы чаще наблюдаются в
долинах, где циркуляция воздуха
недостаточна, почва влажная, а радиационное
охлаждение в ночное время происходит быстро. Й
долине Сан-Хоакин (центральная часть Штата
Калифорния) подобная ситуация нередка
зимой, когда плотные туманы держатся иногда
свыше 15 сут, прежде чем их развеет сильный
морской бриз. По крайней мере, хоть это
метеорологическое явление, характерное для
долин, которые почти всегда находятся в
сельской местности, можно не приписывать
особенностям крупных городов Калифорнии.
В США есть, однако, районы, где воздействия
на климат наблюдаются в сельской местности,
расположенной с подветренной стороны по
отношению к зонам с высокой плотностью
населения.
Влияние крупных городов на климат
окружающей местности
Аномалия Л а-Порта. Бюро погоды США не
только располагает обширной сетью своих
собственных, превосходно оборудованных
метеорологических станций по всей стране;
чтобы дополнить получаемые данные, оно
пользуется также услугами любительских
вспомогательных станций, которые работают в
сотнях пунктов. В течение последних 60 лет
данные измерений, производимых этими
станциями, как правило, тщательно
регистрировались. При анализе данных, полученных на
ряде подобных станций в северной части
штата Индиана, близ индустриального комплекса
Гэри — Чикаго, обнаружилось интересное
метеорологическое явление. Данные измерений,
производившихся на станции в небольшом
городке Ла-Порт (штат Индиана), резко
отличались от результатов, которые были
получены на соседних станциях, хотя эти станции
находятся всего лишь на расстоянии
нескольких километров от Ла-Порта. На
метеостанции Ла-Порта зарегистрированы, в частности,
большее количество осадков, более
интенсивное выпадение града, более частые грозы (рис.
13.3 и 13.4).
Раньше считалось, что в «аномалии Ла-
Порта» виноваты субъективные ошибки, так
как измерения проводились несколькими
наблюдателями. Однако в период с 1927 по
1965 г. на станции работал один и тот же
наблюдатель; после более тщательного
исследования записей был сделан вывод, что
субъективные ошибки тут ни при чем, и данные
измерений, производившихся на метеостанции
Ла-Порта, вполне достоверны. Скорее всего,
отмечавшиеся метеорологические явления
были вызваны тем, что, во-первых, к западу от
313

1910 1920 1950 1S*0 1S50 19G0
Последний год 5-летнего* яерцаёа
Рис. 13.3. Корреляция между количеством дней с сильным помутнением воздуха в
Чикаго и выпадением осадков в Ла-Порте
Рис. 13.4. Изолинии годового числа сильных гроз в
районе, находящемся с подветренной стороны от
Чикаго
Ла-Порта расположен крупный
индустриальный комплекс, а во-вторых, к северу
находится озеро Мичиган.
В составе индустриального комплекса
имеется целый ряд сталелитейных заводов,
выбрасывающих в атмосферу огромное
количество твердых частиц и водяного пара; кроме
того, большое количество теплоты поступает в
воздушный бассейн из метропольного ареала
Чикаго. Твердые частицы, по-видимому,
становятся ядрами конденсации для дождевых
капель и градин, а «остров теплоты» может
способствовать возникновению гроз. Явная
тенденция к тому, что данные, получаемые на
метеостанции Ла-Порт, понемногу перестают
отличаться от данных соседних станций,
впервые дала о себе знать в I960 г. Возможно,
причиной этого послужила
усовершенствованная технология выплавки стали с
использованием кислородных конвертеров. К 1965 г. по
новому способу (который, между прочим,
занимает всего лишь 15% времени,
затрачиваемого на мартеновский процесс)
производилось 25 % всей стали, выплавляемой в США.
Подлинные механизмы взаимосвязей между
загрязнителями городского воздушного
бассейна и воздействием на климат в
подветренном направлении не установлены. Однако эти
взаимосвязи существуют; свидетельство
тому — другой феномен, обнаруженный недавно.
Кислотные осадки. В течение нескольких
десятков лет было известно, что дождь,
который выпадает в подветренной зоне по
соседству с угольными ТЭС, содержит кислоту, но
лишь в 50-х годах выяснилось, что такие же
дождь, снег и пыль выпадают на
значительном расстоянии от источников загрязнения
воздуха. Это отмечено в Скандинавии, где
согласно результатам недавних измерений
кислотность осадков еще более увеличилась. На
рис. 13.5 представлены изолинии средних зна-
314

Рис. 13.5. Изолинии рН осадков, выпадавших на территории Скандинавских стран
в 1957 и 1970 гг. (значение рН взято средним из 12 ежемесячных проб)
Рис. 13.6. Изолинии рН осадков, выпадавших на востоке США в 1955 и 1972 гг.
(среднее значение рН представлено для годовой суммы осадков)
чений рН в Скандинавии, которые построены
по данным измерений, проводившихся в 1957
и 1970 гг.
Напомним, что водородный показатель
(рН) раствора — это отрицательный
десятичный логарифм концентрации ионов водорода
в молях на 1 л раствора. Для чистой
нейтральной воды рН будет в точности равен 7,0.
В нормальном (незагрязненном) воздухе
присутствует двуокись углерода, поэтому рН
дождевой воды должен быть несколько
меньше (5,7). Значения рН, измеренные в 1957 г. в
Скандинавии, почти не отличались от этой
цифры. Но к 1970 г. и в последующий период
концентрация водородных ионов в дождевой
воде заметно возросла. Не следует забывать,
что уменьшение величины рН, например, с 5
до 4, соответствует росту концентрации
водородных ионов в 10 раз. Самый кислый дождь,
наблюдавшийся до сих пор, выпал в 1974 г.
в Шотландии; значение рН равнялось 2,7 —
почти как у столового уксуса!
Аналогичная ситуация была и в Северной
Америке. За период с 1955 по 1972 г. отмечен
значительный рост выпадения кислотных
осадков как в северо-восточных штатах США, так
и на юго-востоке Канады (рис. 13.6).
Полагают, что кислые дожди способны вызвать це-
315

Рис. 13.7. Частотное распределение значений рН и
численности популяции рыб в горных озерах массива
Адирондак, расположенных на высоте более 610 м над
уровнем моря (1975 г.)
/ — рыбы не обнаружено; 2 — рыба водится
лыи ряд отрицательных последствий, к числу
которых относятся:
падение урожайности
сельскохозяйственных культур и уменьшение выхода деловой
древесины;
снижение продуктивности пресноводных
водоемов;
вынос питательных веществ из почвы или
водных экосистем;
инактивация полезных микроорганизмов;
коррозия или ухудшение качества
некоторых материалов, находящихся на открытом
воздухе.
Результаты воздействий подобного рода
уже известны. В озерах, расположенных на
высоте около 600 м в горах Адирондак,
сокращение численности популяции рыб
находится в тесной зависимости от значения рН
(рис. 13.7). Совсем не обнаружено рыбы в тех
озерах, где рН составляет менее 4,6.
Причина, возможно, заключается в том, что
некоторые микроорганизмы, например планктон, в
подкисленной воде погибли, а ведь
планктон — важное звено в пищевой цепи
пресноводных рыб.
Кислотные осадки нанесли также большой
ущерб озерам Канады. В данном случае от
аэрозольных частиц, большинство которых
попало в Канаду из США, пострадал огромный
по территории район. Пожалуй, термин
«изменение микроклимата» не вполне
соответствует своему первоначальному смыслу!
Механизм возникновения столь высокого
уровня кислотности в дождевой воде
достаточно ясен. Большое количество окислов
серы и азота образуется в крупных городах, где
сосредоточены электростанции, работающие
на угле и мазуте, промышленные предприятия
(например, плавильные печи), системы
отопления, автомашины. Эти окислы быстро
превращаются в сульфаты и нитраты, из которых
во влажном атмосферном воздухе образуются
серная и азотная кислоты.
Пример 13.2. Определите количество сульфатов,
образующихся ежесуточно в районе Чикаго.
Здесь проживает приблизительно 6 млн. чел., или
3 % всего населения США. Поэтому на долю района
Чикаго должно приходиться около 3 % суммарной
установленной мощности электростанций страны, или 20 ГВт.
Однако около 40 % электростанций — атомное; значит,
мощность ТЭС, работающих на угле, равна 12 ГВт.
Имеются также и другие предприятия, работающие на угле;
можно считать, что это эквивалентно наличию
дополнительных ТЭС мощностью 5ГВт, т. е. суммарная мощность
ТЭС, работающих на угле, составляет 17 ГВт; суточное
производство энергии равно 17-109-24-60-60 =1,47 X
ХЮ15 Дж. При нормальном режиме эксплуатации
оборудования на каждые 10п Дж выработанной энергии
приходится около 1000 кг сернистых соединений,
выбрасываемых в атмосферу. Следовательно, за сутки по
меньшей мере 15 тыс. i сернистых соединений
поступает в воздушный бассейн района Чикаго. Большая часть
этой серы возвратится на землю в форме кислых
дождей.
От правительства США требуют, чтобы
оно пересмотрев жесткие нормативы на
чистоту атмосферного воздуха, разрешило
сжигать уголь с повышенным содержанием серы.
Вряд ли это поможет решить проблему
кислотных осадков. Пора бы взяться за нее с
другой стороны — ведь первопричиной
является сам уголь. Необходимо не только быть
добрыми соседями для сопредельных
государств, но и в своих же собственных интересах
уменьшить кислотность осадков, выпадающих
на наши леса и зоны отдыха.
Прежде чем перейти к рассмотрению
некоторых механизмов, способствующих
загрязнению воздуха, приведем еще один пример
воздействия деятельности человека на
микроклимат.
Воздействие электростанций. Существует
и другой, более локализованный вид
воздействия электростанций на климатический
режим— повышение влажности воздуха.
Тепловые электростанции, оборудованные брыз-
гальными бассейнами или испарительными
градирнями (см. гл. 8), выбрасывают в
окружающую атмосферу большое количество
водяного пара. Эта влага способствует
образованию туманов и обледенению зимой, а также
повышению влажности атмосферного воздуха
при любых условиях, причем масштабы ее
воздействия довольно велики.
Пример 13.3. Какое количество воды должно
ежесуточно испаряться для того, чтобы рассеивать
отработанную теплоту, выделяемую ТЭС мощностью 1000 МВт,
работающей на угле?
КПД такой ТЭС около 40 %. Следовательно,
должна рассеиваться мощность 1500 МВт (тепл.) или
энергия
1500.10-24.60.60= 1,3.1014 Дж.
316

На испарение 1 г воды затрачивается 2,26-103 Дж.
Значит, за сутки должно испариться (1,3-1014)/(2-26Х
ХЮ3)=5,75-104 тводы.
Высокая влажность воздуха, которая
сохраняется непрерывно, оказывает влияние на
климат в подветренной зоне; при этом
страдают деревянные конструкции, меняются
процессы развития растений, выщелачиваются
минеральные вещества из почвы. Если
получит развитие тенденция к сооружению сухих
градирен на новых энергетических объектах,
эти проблемы отпадут сами собой. В сухих
градирнях теплота рассеивается за счет
излучения и конвекции, а не испарения. Однако
если охлаждающая вода будет и впредь
пропускаться через испарительные градирни,
жителям многих населенных пунктов,
расположенных по соседству с мощными
электростанциями, в ближайшем десятилетии придется
нелегко.
ПЕРВИЧНЫЕ ЗАГРЯЗНИТЕЛИ ВОЗДУХА
К веществам, загрязняющим атмосферу,
относятся окись углерода, углеводороды, окислы
серы, окислы азота и твердые частицы.
Некоторые другие загрязняющие вещества по
своему происхождению являются вторичными, т. е.
образуются на основе этих первичных
загрязнителей. Как уже отмечалось в гл. 12,
первичные загрязнители имеют множество
естественных источников; вот почему, даже если бы
человек не жил на Земле, все равно в атмосфере
существовал был остаточный фоновый уровень
содержания вредных соединений. Правда,
необходимо подчеркнуть, что это чувствуют,
пожалуй, только люди, живущие на склонах
Таблица 13.1. Структура первичных загрязнителей
воздуха
Основные источники
Выбросы двигателей
транспортных
средств
Лесные пожары,
выжигание
растительности
Испарение
растворителей
Промышленное
производство
Складирование
твердых отходов
Стационарные
источники продуктов
сгорания
(электростанции)
Прочие источники
Доля в
Окись
углерода
1 СО
58
19
—
11
8
2
д
общем

Углеводороды НС
52
—
27
14
4
2
1
количестве выбросов, %
м 1
¦я О
УЗ
5 а
—
—
—
20
1
78
1
О
* о
оЗ
51
1
—
1
2
44
1
Твердые
частицы
3
9
—
51
5
26
6
вулканов; естественный фоновый уровень
загрязнения в целом крайне низок и сам по себе
едва ли мог бы привести к последствиям, от
которых так страдают наши густонаселенные
города.
Источники первичных загрязнителей
перечислены в табл. 13.1.
Из таблицы видно, что главную роль в
выбросе первичных загрязнений играют
средства транспорта и стационарные источники
продуктов сгорания.
Ниже рассматривается каждое из
первичных загрязняющих веществ, определяется его
воздействие на природную среду, а затем
анализируются вопросы, связанные с вторичными
загрязнителями.
Окись углерода
Окись углерода (СО) не особенно вредна
для растений, хотя есть данные об уменьшении
фиксации азота в некоторых растениях,
длительное время подвергавшихся воздействию
высоких концентраций СО. Однако для живых
существ, дышащих легкими, окись углерода
может оказаться чрезвычайно вредной и даже
ядовитой. Окись углерода примерно в 210 раз
лучше поглощается кровью, чем кислород, так
что, если в воздухе присутствуют оба газа,
окись углерода поглощается гемоглобином в
первую очередь и, соединяясь с ним, образует
карбоксигемоглобин (СОНЬ); продуктом
присоединения кислорода к гемоглобину является
оксигемоглобин (02НЬ).
Карбоксигемоглобин связывает молекулы гемоглобина и
препятствует переносу оксигемоглобином
кислорода от легких к тканям. Вследствие этого
сердце и легкие вынуждены работать с
большей нагрузкой, а если в крови образуется
много СОНЬ, наступает коматозное состояние,
приводящее к смерти. Симптомы воздействия
на здоровье человека при различных уровнях
содержания СОНЬ в крови перечислены ниже:
Менее 1 , . . . . Заметные симптомы
отсутствуют
2,5 Некурящие хуже различают
продолжительность
интервалов времени
3 « , . ¦ . У некурящих снижается
острота зрения
5 ...» . Устойчивое снижение
способности к восприятию,
нарушение психомоторных функций
10 . .... Значительно уменьшается
способность крови к переносу
кислорода
15 .... . Головные боли,
головокружение, повышенная
утомляемость
317

Продолжение
Углеводороды
35 Мелькание в глазах, звон в
ушах, тошнота, рвота,
сильное сердцебиение, мышечная
слабость, апатия
40 Коматозное состояние,
приводящее к смерти
1 Приближенные значения, которые могут колебаться в
зависимости от индивидуальных особенностей организма.
Эмпирическим путем установлено, что на
каждую миллионную долю (1,15 г/м3) окиси
углерода, воспринимаемую организмом, около
0,16 % общего количества гемоглобина в
крови переходит в карбоксигемоглобин (СОНЬ).
Процесс достижения равновесия при данном
уровне концентрации СО во вдыхаемом
воздухе приблизительно протекает по
экспоненциальному закону:
N=N0{l-e-m% (13.5)
где N0— равновесная концентрация СОНЬ;
т — константа, зависящая от концентрации;
t — время, ч. При концентрации СО около
77 млн-1 т=0,3, так что пройдет около 8 ч,
прежде чем будет достигнута на 90 %
величина насыщения крови СОНЬ, равная 12,4%.
Кровь здорового человека очищается от
окиси углерода наполовину за каждые 3—4 ч;
этот срок мало зависит от уровня насыщения.
Отметим, что в организме женщины очищение
происходит быстрее, чем в организме
мужчины, — вероятно, из-за меньшего количества
крови.
Воздух, выдыхаемый некурящим, обычно
содержит 2—3 млн-1 СО. Однако у
курильщиков, как принято считать, постоянное
содержание СОНЬ в крови составляет 5 % по
сравнению с 0,5 % У некурящих. Эта цифра,
пожалуй, слишком занижена; во время курения она
может возрасти чуть ли не до 15 %.
Хронические курильщики сами создают в помещении,
где они находятся, такой уровень загрязнения
воздуха, который эквивалентен концентрации
СО около 30 млн-1. Укажем, что фоновое
содержание СО в атмосфере составляет около
0,15 млн-1 без учета поступления СО из
источников, перечисленных в табл. 13.1.
До вступления в силу норм,
ограничивающих автомобильные выбросы, концентрации
СО в воздухе на городских улицах в часы пик
были чрезвычайно высокими — от 30 до
300 млн-1. Но даже и теперь курильщик,
машина которого вынуждена ползти словно
черепаха по забитой транспортом магистрали,
подвергается очень большому риску
отравления окисью углерода.
Термин «углеводород» (НС) относится к
весьма обширному классу органических
соединений, в состав которых входят только атомы
водорода и углерода. Эта формулировка
представляется недостаточно исчерпывающей,
поскольку существует множество
углеводородных соединений, которые считаются
вторичными загрязнителями, однако в их молекулах
наряду с атомами водорода и углерода
содержатся атомы других элементов, прежде всего
азота и кислорода. В связи с тем, что в
атмосфере находятся самые различные
углеводородные соединения, довольно трудно
произвести количественную оценку уровня
концентраций и степени воздействия отдельных
углеводородов. Однако свыше половины всех
молекул углеводорода, находящихся в
атмосферном воздухе, — это молекулы метана. Вот
почему стало общепринятой практикой
определять концентрацию в воздухе отдельно
метана и отдельно остальных углеводородов, не
принадлежащих к его ряду.
Предельные углеводороды — метан и
члены его ряда — сравнительно инертны в
отношении их воздействия на здоровье (если они
присутствуют в небольших количествах) и
образования вторичных загрязнителей. В то же
время многие другие углеводороды, не
являющиеся членами ряда метана, для здоровья
опасны, даже если не происходит
фотохимических реакций. Это — соединения,
принадлежащие к ряду альдегида, бензола, кетона и
этилена. Они вызывают раздражение глаз,
кожи и расстройство дыхательных органов.
Если речь идет о бензоле, то его концентрация в
атмосфере менее 25 млн-1 может вызвать
раковое заболевание.
Данные о воздействии отдельных
углеводородов на организм были получены главным
образом в ходе экспериментов над
животными, поскольку трудно выделить симптомы
воздействия какого-либо одного углеводородного
соединения, если в загрязненной атмосфере
присутствует множество других. Однако
предполагается, что минимальный уровень
концентрации углеводородов, при котором может
быть отмечено их отрицательное воздействие
на организм, составляет около 130 мкг/м, что
приблизительно соответствует 0,2 млн"1. Этот
вопрос будет рассмотрен в разделе
«Вторичные загрязнители воздуха».
Взвешенные частицы
Большая часть твердых примесей в
атмосфере, попавших туда в результате сжигания
топлива на электростанциях и работы
промышленных предприятий, оседает на землю в ви-
318

Бактерий- Вирус
^— Н Н Н
Туман
Ь*- Н
/7а/у76 Молекулы
*——, ч н н
/7«т Тальковая nyffpa
Н — Н Н Н
Дожёевые капли Аэрозоли
н н ь
I I I 1 1 1 1 L-
10.000 1000 100 10 1 0,1 0,01 0,001
Диаметр частиц, м к м
Рис. 13.8. Сравнительные размеры частиц некоторых
веществ и материалов
де пылинок. Обычно пылинками называются
частицы, диаметр которых превышает 10 мкм,
хотя нелегко провести грань между
пылинками и взвешенными (аэрозольными)
частицами. На рис. 13.8 показаны сравнительные
размеры различных частиц. Одно время
выпадающая пыль вызывала известное беспокойство,
поскольку она сильно бросается в глаза и в
прямом, и в переносном смысле. Но теперь у
работников здравоохранения крупные частицы
в виде оседающих пылинок вызывают гораздо
меньшую тревогу, чем взвешенные частицы.
Любые частицы в конце концов
возвращаются на землю — или сами оседают под
действием силы тяжести, или их вымывают из
атмосферы осадки. Мы можем воспользоваться
несколькими простыми правилами физики,
чтобы рассчитать время оседания частиц
диаметром свыше 1,3 мкм. Свойства частиц меньшего
диаметра близки к свойствам молекул
воздуха. Для более крупных частиц общее
равновесие сил представляет собой векторную сумму
сил плавучести, тяжести и трения (лобового
сопротивления):
F = Fn + FT + F„.e. (13.6)
Сила плавучести равна массе
вытесненного воздуха:
^п=(т)яг3рв^ (13J)
где г — радиус частицы (считается, что она
имеет сферическую форму); рв — плотность
газа (воздуха). При этом предполагается, что
вертикальная составляющая скорости
движения воздуха отсутствует.
Силу трения можно определить по
формуле
F^c = 3n\idv, (13.8)
где |ы — динамическая вязкость воздуха; v —
скорость движения частицы.
Если эти силы взаимно уничтожают друг
друга, результирующая сила, которая
воздействует на частицу, обращается в нуль и
частица будет падать с постоянной скоростью vt:
где рч — плотность частицы. Можно
воспользоваться этой формулой, чтобы рассчитать
время, за которое осядут частицы.
Несомненно, частицы будут рассеяны на
очень большом расстоянии от источника
загрязнения. Не исключено, что их воздействие
на человеческий организм окажется довольно
заметным.
Степень воздействия частиц, попавших в
организм человека через дыхательные пути,
зависит от химических свойств частиц, их
гранулометрического состава в воздухе, а также
от эффективности, с которой химические
вещества, содержащиеся в частицах,
подвергаются экстракции при отложении частиц в
дыхательных органах.
Различные химические элементы
по-разному влияют на организм человека — одни
совершенно безвредны, другие токсичны.
Многие металлические микроэлементы, которые
присутствуют в окружающей среде,
представляют собой системные яды. Отдельные
элементы могут вызвать заболевания легких
(например, силикоз). Считается, что при
определении степени токсического действия
взвешенных частиц решающее значение имеет их
размер. Токсический эффект обычно
возрастает с уменьшением диаметра частиц.
Экстракция токсических веществ из частиц
происходит более активно, если частицы
попадают в легкие, чем если они задерживаются
в верхних дыхательных путях. Из рис. 13.9
видно, что большинство крупных частиц
остается в носоглотке, бронхах и трахеях, а самые
мелкие оседают преимущественно в легких,
где причиняют наибольший вред организму.
W'2 w1 ю° ю1 Юг
Диаметр частицуш\л
Рис. 13.9. Фракционный состав
твердых частиц, оседающих в органах
дыхания
319

Таблица 13.2. Характеристики значений стандартного индекса загрязнения
Уровень
загрязнения воздуха

Взвешенные
частицы
so2
СО
Оа
N02
Степень

воздействия на
здоровье
Общие результаты
воздействия
Необходимые меры
предосторожности
Наносящий
значительный ущерб
Чрезвычайный

Предостерегающий
Сигнальный
Предельно
допустимый, в
соответствии с
национальными
стандартами
качества
атмосферного воздуха
50 % предельно
допустимого
уровня
1000
S76
2620
21СЭ
625
1600
375
800
260
365
75*
80*
57,5
46,0
34,0
17,0
10,0
5,0
0
1200
1000
800
400*
240*
120
0
3750
3000
2260
ИЗО
Опасно
Опасно
Очень
вредно
Вредно*

Несущественно**

Благоприятно**
Преждевременная
смерть больных и
престарелых.
Здоровые люди
испытывают
болезненные ощущения,
которые мешают их
нормальной
деятельности
Начало развития
определенных
заболеваний. Появление
болезненных
симптомов и снижение
физической
выносливости у здоровых
людей
Значительное
обострение симптомов и
снижение
физической выносливости
у людей с
сердечными и легочными
заболеваниями.
Широкое
распространение
болезненных симптомов
среди здоровых людей
Незначительное
обострение симптомов
у восприимчивых к
болезням людей,
раздражение
слизистых оболочек у
здоровых людей
Все должны
оставаться в помещениях,
плотно закрыв окна
и двери. Следует
по возможности
уменьшить
физические нагрузки и не
пользоваться
транспортом
Престарелые и
больные должны
оставаться дома и
избегать физических
нагрузок. Всем
остальным
рекомендуется возможно
меньше бывать на
открытом воздухе
Престарелые люди, а
также те, кто
страдает сердечными
или легочными
заболеваниями,
должны оставаться
дома и уменьшить
физическую
активность
Люди, страдающие
заболеваниями
сердечно-сосудистой
системы или
органов дыхания,
должны избегать
физических нагрузок
и по возможности
оставаться дома
* Показатель 400 мкг/м3 был использован вместо сигнального уровня концентрации озона, равного 200 мкг/м3.
** Не сообщалось о значениях СИЗ, соответствовавших тем уровням концентрации, которые находились ниже сигнального
урозня.
*** Годовое значение, предусмотренное первичными стандартами качества атмосферного воздуха.
Примечание. Период осреднения уровня концентрации для взвешенных частиц и двуокиси серы составляет 24 ч, для
окиси углерода 8 ч, для окиси азота и озона 1 ч.
Исследования, проводившиеся в Буффало
и Нашвилле (США), говорят о том, что
смертность среди престарелых увеличивается при
среднегодовой концентрации твердых частиц
в воздухе, превышающей 100 мкг/см3.
Осмотры школьников в Великобритании показали,
что при уровне задымленное™ воздуха
свыше 120 мкг/см3 учащаются заболевания
дыхательных органов. Повышенный уровень
смертности и значительный рост числа заболеваний
были отмечены в Лондоне и Нью-Йорке при
уровнях задымленное™, приблизительно
равных 750 мкг/см3. Во всех этих случаях в
воздухе присутствовала также двуокись серы
(S02), хотя ее концентрация не измерялась.
Ввиду того что возможен эффект синергизма
(совместного действия) S02 и твердых частиц,
не следует слишком переоценивать
достоверность этих данных.
Взвешенные в воздухе частицы
рассеивают и поглощают солнечный свет, образуют
дымку, ухудшают видимость. В типичной для
США городской зоне со среднегодовой
концентрацией частиц в атмосфере, равной
примерно 100 мкг/см, суммарная солнечная
радиация, включающая прямую и отраженную
320

радиацию, ослабевает приблизительно на 5 %
при каждом удвоении концентрации частиц.
Степень ослабления зависит от частоты
световых волн и возрастает в ультрафиолетовой
области спектра.
Город Буффало (штат Нью-Йорк)
является одним из немногих районов страны, в
которых исключительно велико загрязнение
воздуха твердыми частицами. В 1972 г. (последнем,
за который имеются данные) в г. Буффало
был отмечен 21 день, когда стандартный
индекс загрязнения атмосферы' колебался от
100 до 200, и зарегистрировано почти 300 дней,
когда он составлял от 50 до 100.
(Стандартный индекс загрязнения — СИЗ —
охарактеризован в табл. 13.2.) Вероятно, жители г.
Буффало испытывают большие неудобства из-за
плохой видимости, которая может стать еще
хуже, если произойдут чрезвычайно сильные
выбросы твердых частиц.
Окислы серы
Двуокись серы (S02) и трехокись (S03)
поступают в воздушный бассейн (в
соотношении примерно 30: 1) при сжигании
органических топлив. В результате реакции обоих этих
веществ с атмосферной влагой образуется
серная кислота.
Серная кислота и двуокись серы вредны
для здоровья, так как вызывают сужение
бронхов и воспаление их слизистой оболочки.
Довольно трудно выделить воздействие каждого
из этих соединений изолированно, поскольку
в загрязненной атмосфере они почти всегда
присутствуют вместе. Серная кислота
приводит к возникновению кислотного тумана, а
для этого необходимо появление ядер
конденсации. В результате S02 и твердые частицы
производят синергетическое (совместное)
действие; это значит, что суммарный эффект
воздействия превышает действие, оказываемое
каждым компонентом в отдельности.
Синергетическое действие возникает либо
при поглощении сульфатов поверхностью
частицы, либо когда сама частица представляет
собой жидкий сульфат. Многие взвешенные
частицы — просто капли, хотя принято
отождествлять частицу с твердым телом.
Сульфаты, образовавшиеся при растворении S02
в атмосферной влаге, становятся активными
ядрами конденсации и содействуют
образованию туманов и водяных капель. Длинный,
отчетливо видимый белый факел, выходящий из
1 Произвольная функция концентрации одного или
нескольких загрязняющих веществ, которая принимается
за показатель уровня загрязнения. Например, в США
используется следующий стандартный индекс
загрязнения: десятикратная концентрация S02, млн-1, -+-
концентрация СО, млн-1, + удвоенный коэффициент
запыленности. (Примеч. п е р е в.)
труб электростанции, обязан своим
существованием исключительно выбросу большого
количества двуокиси серы, на частицах которой
происходит конденсация водяного пара.
«Чистый» факел дымовых газов быстро рассеялся
бы, а не тянулся через всю округу.
В результате совместного действия SO2 и
твердых частиц весьма трудно дать отдельную
количественную оценку влияния S02 на
здоровье. Вместо этого лишь отметим, что при
значениях СИЗ от 50 до 100 чаще
повторяются и тяжелее протекают респираторные
заболевания среди детей и престарелых; известны
случаи смерти людей, страдавших
бронхитом. Сообщалось также о повышенном числе
случаев заболевания раком легких у лиц,
постоянно подвергавшихся воздействию SO2 при
указанных значениях СИЗ. Если СИЗ был
больше 200, наблюдался значительный
прирост суточной смертности. Совершенно ясно,
что загрязнение воздуха окислами серы и
твердыми частицами наносит огромный вред
здоровью, не считая воздействия кислотных
осадков, о которых говорилось выше.
Окислы азота
Окись и двуокись азота (NO) и (N02),
наряду с другими его окислами, образуются при
сжигании различных топлив; доля N02 в
общем количестве окислов не превышает 0,5%.
В атмосфере окись азота постепенно
превращается в N02, хотя этот процесс протекает
более интенсивно в присутствии других
примесей и под действием солнечного света.
В нормальной, незагрязненной атмосфере
массовые концентрации NO и N02 равны
соответственно 2 и 8 мкг/м3. Как известно, NO
безвредна при нормальных концентрациях,
даже если воздух загрязнен. Напротив, N02 в
высшей степени вредна, и при достаточно
большой концентрации ее воздействие может
оказаться смертельным. Как NO, так и N02
влияют на жизнь растений: скорость их роста
замедляется, урожайность падает. Эти окислы
также воздействуют на текстильные изделия,
вызывая потускнение красок, повреждение
хлопковых и нейлоновых волокон.
Пороговая концентрация запаха для N02
составляет около 225 мкг/м3. Чересчур
длительное воздействие N02 при концентрации
порядка 150 мкг/м3 приводит к стесненности
дыхания и воспалению бронхов; повышается
частота респираторных заболеваний.
Двуокись азота поглощает солнечное
излучение главным образом в синей области
спектра, поэтому пропущенный свет кажется
красноватым. Окись азота — бесцветный газ,
двуокись имеет красновато-бурый цвет. В
результате пелена сильно загрязненного возду-
321

ха, нависшая над городом, имеет хорошо всем
знакомый цвет ржавчины.
С точки зрения проблем, относящихся к
состоянию воздушного бассейна, представляет
интерес не столько вредное воздействие самих
окислов азота, сколько воздействие вторичных
загрязняющих компонентов, которые
образуются в результате реакций с участием этих
окислов. Имеется много различных веществ,
известных под общим названием оксидантов;
о них будет рассказано ниже.
Загрязнение воздуха в помещениях
Прежде чем перейти ко вторичным
загрязняющим веществам, рассмотрим один из
аспектов загрязнения воздуха, который лишь
недавно приобрел актуальность; это —
загрязнение воздуха в помещениях. Когда в США
внезапно началась кампания за экономию
энергии, многие решили сделать свои дома
герметичными, чтобы уменьшить
инфильтрацию воздуха, а значит, и сократить расходы на
отопление помещений и увлажнение воздуха
(об этом говорилось в гл. 11). Каким же
оказался результат? Во многих зданиях суточная
кратность воздухообмена не достигает 0,2;
воздух внутри помещений до такой степени
загрязнен, что им вредно дышать. По сути дела,
в домах с недостаточной вентиляцией
качество воздуха может быть хуже, чем качество
наружного воздуха, предусмотренное
федеральными стандартами!
Наибольшее значение имеют четыре
основных загрязнителя: радон, окись углерода,
твердые частицы и органические вещества.
Радон в форме H30Tona222Rn — это
благородный газ, который образуется при
радиоактивном распаде урана1. Радон —
радиоактивный элемент, являющийся источником а-излу-
чения. Изотоп 222Rn обладает периодом
полураспада 3,8 сут, однако продукты распада
также радиоактивны и испускают а-лучи.
Частицы — продукты распада легко пристают к
частицам домашней пыли и вместе с ними
попадают вдыхательные пути. Как описано в гл.
14, ингалированные радионуклиды гораздо
опаснее для организма, нежели внешнее
облучение. Эпидемиологические исследования
показывают, что шахтеры урановых рудников в
большей степени подвержены риску
заболевания раком легких, поскольку они вынуждены
вдыхать пыль, насыщенную радоном.
Химически инертный газ радон — радиоактивный
дочерний продукт распада радия, одного из
дочерних продуктов распада урана. Если в
здании не слишком много элементов конструкции
из бетона и кирпича, присутствие в воздухе
1 Точнее, 226Ra. (Примеч. п е р е в.)
радона не вызовет никаких проблем. Если
вентиляция кирпичного или каменного здания
слаба, фоновый уровень радиации может
возрасти втрое из-за того, что в строительных
материалах накапливается радон,
образующийся при распаде урана. В подобных
случаях необходимо принять все меры для
обеспечения достаточно эффективной вентиляции,
даже если придется увеличить расходы на
отопление помещений и увлажнение воздуха.
Окись углерода образуется в основном при
сжигании дров, которое получило широкое
распространение, а за последнее время даже
стало выгодным. Недостаточно интенсивное
удаление продуктов сгорания из дровяных
печей и каминов, особенно если в помещении
много курят, может привести к значительному
увеличению концентрации окиси углерода.
Отметим также, что многие энтузиасты
борьбы за экономию энергии, чересчур увлекшись,
решили самостоятельно переоборудовать
домашние системы отопления. Это грозит
обернуться большой бедой, поскольку не
исключено образование летальных количеств окиси
углерода. Есть доброе старое правило: «Раз
ничто другое не помогает, загляни в
инструкцию!» Но еще лучше заглянуть в
инструкцию до того, как все остальное пойдет прахом.
Твердые частицы, о которых выше было
сказано, что они способны увеличивать
загрязнение воздуха в помещениях, — это
главным образом волокна асбеста. В жилых
домах и школьных зданиях асбест давно
применяется в качестве теплоизоляционного
материала, и столь же давно все знают, что
существует прямая причинная связь между
использованием асбеста, с одной стороны, и
возникновением респираторных заболеваний
и рака легких — с другой. Наблюдается
также совместный эффект асбестовых волокон и
табачного дыма. Вероятность того, что
курящие рабочие предприятий асбестовой
промышленности заболеют раком, в 92 раза выше, чем
вероятность заболевания некурящих.
Наконец, есть много органических веществ,
имеющих непосредственное отношение к
рассматриваемой проблеме. Самые крупные
неприятности доставляет формальдегид. Это
органическое соединение входит в состав дре-
весно-стружечных плит, макулатурного
картона и теплоизоляции из мипоры — пенопласта,
получаемого из мочевиноформальдегидной
смолы. Присутствие формальдегида обычно
обнаруживается в зданиях, особенно в
мобильных жилищах1. При концентрации
формальдегида менее 1 млн-1 могут появиться следую-
1 Небольшие односемейные сборные дома
заводского изготовления, которые можно при желании
перевозить с места на место. (П р и м е ч п е р е в.)
32?

щие симптомы: сильное слезотечение,
раздражение носоглотки, гортани и легких,
головокружение, кожная сыпь, головные боли,
чувство усталости, общее недомогание. Эти
симптомы чаще всего появляются в теплую,
влажную погоду после того, как в доме была
установлена теплоизоляция из мипоры, или после
вселения в только что изготовленное
мобильное жилище; однако они могут появиться и
зимой, если в хорошо уплотненном доме
недостаточна кратность воздухообмена. До сего
времени в США нет национальных стандартов на
допустимую концентрацию формальдегида; по
законам штата Висконсин в новых мобильных
жилищах этот показатель должен составлять
менее 0,02 млн-1. Если дом построен с
использованием мипоры, полагается вывешивать
предупреждающие таблички. Ну, а жители
остальных штатов должны просто помнить
мудрый совет: Caveant emptor1.
ВТОРИЧНЫЕ ЗАГРЯЗНИТЕЛИ ВОЗДУХА
Выше было рассмотрено прямое
воздействие большинства загрязняющих веществ,
выделяемых при промышленном производстве, в
том числе при работе электростанций и
двигателей внутреннего сгорания. Однако многие из
этих загрязняющих веществ реагируют между
собой под действием солнечного излучения и
при определенных метеорологических
условиях; в результате образуются вторичные
загрязнители воздуха, которые по своему вредному
воздействию не уступают первичным, а подчас
даже и превосходят их. Обратимся вначале к
метеорологическим явлениям, от которых
зависят эти процессы.
Инверсии температуры
Естественные источники загрязнения
воздуха, в том числе вулканические извержения,
брызги морской воды, пыльные бури,
поставляют в воздушный бассейн неизмеримо
больше частиц, чем все источники загрязнений,
возникающие в результате деятельности
человека, вместе взятые. Но в таком случае стоит
ли беспокоиться? Стоит, и для этого есть три
причины: в атмосферу сбрасываются самые
разнородные вещества; источники
загрязнения концентрируются в урбанизированных
районах; наступит момент, когда не будет
больше надежды, что загрязнители, появившиеся
в результате деятельности человека, будут
унесены, разбавлены и рассеяны естественным
путем.
1 «Покупатель, будь осторожен»
рев.)
(Примеч. п е-
Рис. 13.10. Атмосферный столб с
небольшим объемом, на верхнюю
грань которого действует большее
давление, чем на нижнюю
Рассеянию загрязнителей в атмосфере
мешает, в частности, так называемая инверсия
температуры.
Как правило, температура воздуха в
атмосфере равномерно убывает с высотой. Можно
определить, как происходит ее понижение.
Представим себе столб жидкости или газа
(рис. 13.10). Для того чтобы элемент столба
находился в состоянии равновесия, должно
выполняться условие:
Д/7=-?РДг, (13.10)
где р — плотность флюида; g" — ускорение
свободного падения. Это основное уравнение
статики (атмосферы).
Температура не обязательно входит в это
уравнение, однако поскольку речь идет о
газообразной среде — атмосфере, между
температурой, давлением и объемом должна
существовать зависимость. Предположим, что она такая
же, как и для идеального газа. Вспомним, что
p = m/V (13.11)
или
m
пМ,
(13.12)
где п — количество молей вещества,
содержащееся в рассматриваемом элементарном
объеме; М — молярная масса вещества, кг/моль.
Используем (13.11) и (13.12) в уравнении
состояния для идеальных газов:
р = pRT/M.
(13.13)
Решив (13.13) относительно искомой
плотности р и подставив результат в основное
уравнение статики атмосферы, получим формулу,
которая однозначно характеризует
зависимость температуры от высоты:
dp =
(13.14)
323

Здесь представлено выражение в
дифференциальной форме, а не в виде конечных
разностей.
Однако еще не определялся коэффициент
изменения температуры с высотой, а он
должен иметь вид dT/dz. Для этого примем
одно допущение, а именно предположим, что
процесс перехода элемента воздушного
столба на другую высоту протекает
адиабатически. В таком случае (см. гл. 3)
Tpd-y)/y = const; (13 15)
.0-v)/v^ И^Тр^'Чр = 0. (13.16)
dTp{
'+
После несложного алгебраического
преобразования (13.16) примет вид:
J^L=(Y_1)JL. (13.17)
Т р
Сочетание полученного результата с (13.14)
дает формулу, позволяющую определить
искомый коэффициент пропорциональности
изменения температуры:
dT I у — 1 у gM
dz
¦-(-
¦)¦
(13.18)
Метеорологи называют эту величину
адиабатическим градиентом температуры. Для
сухого воздуха у=1,14 и /W = 28,96; тогда —
(dT/dz) =9,9- 10"3°С/см, или сухоадиабатиче-
ский градиент приблизительно равен 1 °С/
/100 м. Это — интенсивность, с которой
температура сухого воздуха будет уменьшаться в
зависимости от высоты вплоть до самой
границы тропопаузы, а далее, как уже говорилось
в гл. 12, температура начнет возрастать. В
случае влажного воздуха дело обстоит сложнее,
поскольку изменения температуры приводят к
изменениям относительной влажности, что
сопровождается выделением или поглощением
теплоты вследствие фазовых переходов. Из-за
того что эти явления зависят от начальных
значений температуры и относительной
влажности, не представляется возможным вывести
единое численное значение
влажно-адиабатического градиента температуры. Достаточно
сказать, что он может существенно отличаться
от значения ГС/100 м, полученного для
сухого воздуха.
По значению вертикального градиента
изменения температуры можно судить о том,
насколько устойчиво состояние атмосферы, т. е.
поднимется ли элемент воздушного столба,
опустится ли на первоначальную высоту либо
останется на той высоте, куда он был смещен.
Адиабатический градиент представляет собой
«образцовую» интенсивность изменений
температуры. В реальной атмосфере
действительный вертикальный градиент температуры
может быть в зависимости от сезона года мень-
Температура
Рис. 13.11. Зависимость температуры воздуха от высоты:
/ — адиабатический градиент температуры- 2 — устойчивое
состояние атмосферы; 3 — неустойчивое состояние атмосферы
ше или больше адиабатического градиента.
Рассмотрим ситуацию, при которой
действительное значение вертикального градиента
больше, например 1,2°С/100 м1. Это означает,
что температура воздуха в атмосфере падает
быстрее, чем если бы вертикальный градиент
температуры был равен адиабатическому
градиенту. Тогда, если элемент воздушного
столба, который первоначально находился в
состоянии равновесия, переместится вверх на
расстояние Аг, не смешиваясь с окружающим
воздухом, его температура изменится следующим
образом:
АТ=— 9,9-10""3 Дг,
(13.19)
в то время как температура окружающего
воздуха изменилась бы на величину:
AT =— 12.10~3Дг. (13.20)
Элемент воздушного столба очутился бы в
окружении более холодного воздуха, поэтому
он продолжал бы подниматься. Подобное
состояние атмосферы называется неустойчивым.
Оно благоприятно, когда речь идет о
загрязнении воздушного бассейна. В этих условиях
загрязняющие вещества уносились бы вверх,
смешивались с большими объемами воздуха и
рассеивались на огромном пространстве.
Если действительный вертикальный
градиент температуры воздуха в атмосфере будет
меньше 1°С/100 м, возникнет
противоположная картина. Элемент начнет возвращаться
обратно на исходную высоту, поскольку
плотность его выше, чем плотность окружающего
воздуха. Это — устойчивое состояние
атмосферы, и оно, разумеется, неблагоприятно с точки
зрения рассеяния загрязнителей.
Часто значения вертикального градиента
температуры наносят на график зависимости
температуры воздуха Т от высоты z (рис.
13.11). Если угол наклона любой другой линии
меньше, чем угол наклона адиабаты, состоя-
Здесь подразумевается, что — (dT/dz) = 1,2 °С/100 м.
324

ние атмосферы неустойчиво. Обратите
внимание, какой наклон здесь имеется в виду: dz/dT\
Пример 13.4. Если преобладающий вертикальный
градиент температуры равен +0,75 СС/100 м, воздух
выходит из дымовой трубы на отметке 25 м и его
температура на 1 °С выше температуры окружающего
воздуха, на какую высоту поднимется этот объем?
Процесс представлен на рис. 13.12. Температура
воздуха на высоте 25 м
Т0 — 0,75-0,25 = Т0 — 0,19,
где Г0 — температура воздуха у поверхности земли.
Температура воздуха, выходящего из дымовой трубы,
равна ГоН-0,81. Объем воздуха будет подниматься в
соответствии с адиабатическим градиентом до тех пор,
пока его температура не станет той же, что и
температура окружающего воздуха:
(Т0 + 0,81) — \г = (Г0 — 0,19) — 0,75г;
Т0 + 0,81 — Т0 + 0,19 = г — 0,75г;
1,00 = 0,25z;
2=400 м выше устья дымовой трубы.
Значит, две линии вертикальных градиентов
температуры (рис. 13.12) пересекутся в точке, которая
соответствует высоте 425 м.
Из этого примера следует, что, если
вертикальный градиент температуры менее
1°С/100 м, происходит подавление
вертикальных потоков воздуха на некоторой
определенной высоте. Вертикальный градиент
температуры может иметь противоположный знак; это
означает, что температура воздуха с высотой
растет. Подобное явление называется
инверсией температуры, и оно также приводит к
задержке вертикальных воздушных потоков.
Инверсии часто возникают ночью, при
ясном небе. Температура нагревшейся за день
земной поверхности в результате
радиационного охлаждения падает ниже температуры
Рис. 13.12. Диаграмма к
примеру 13.5
воздуха, находящегося в непосредственном
контакте с поверхностью. После этого воздух
в приземном слое атмосферы медленно
охлаждается за счет теплопроводности. Когда
восходит солнце, земная поверхность
нагревается и, в свою очередь, начинает нагревать
нижний слой атмосферы. Этот процесс показан
на рис. 13.13. Однако сильно загрязненная
атмосфера может настолько активно поглощать
солнечные лучи, что оставшейся теплоты уже
не хватит для ликвидации инверсии. Чаще
всего это бывает зимой; катастрофическое
загрязнение воздуха в Лондоне наблюдалось с
4 по 9 декабря 1952 г.
Другой вид инверсии температуры
возникает в свободной атмосфере в результате
медленного нисходящего движения воздушных
слоев, что характерно для антициклона.
Постепенное опускание воздушного слоя с
вышележащих уровней сопровождается
адиабатическим нагреванием верхней границы этого
слоя. Подобные инверсии оседания очень
часто наблюдаются поздней осенью, и тогда
наступает «бабье лето».
Именно инверсии температуры являлись
причиной многочисленных исключительно
больших загрязнений воздуха с тяжелыми
последствиями, имевших место в США и других
странах. Когда инверсия происходит над
территорией большого города, загрязняющие
вещества, которые образуются в данном районе,
не могут рассеиваться в атмосфере.
Напротив, они остаются в зоне инверсии.
Концентрация твердых частиц и окислов серы,
образующихся, в частности, при сжигании угля,
временами достигает исключительно высоких
уровней, как это произошло в Лондоне зимой
1952 г., когда скончалось 4 тыс. чел., или в
штате Пенсильвания в 1948 г., когда погибло
40 чел. Известно, что подобные случаи
нередко происходили на протяжении нескольких
минувших столетий.
Несмотря на все это, люди умудрились
совершить еще одно надругательство над
окружающей средой, собственноручно создав
условия для возникновения температурных
инверсий. Имеются в виду процессы, которые
происходят в атмосфере, когда химические ве-
Рис. 13.13. Образование радиационной инверсии:
а — ночью; б — в Юн утра; в — в полдень
325

щества, содержащиеся в выбросах
автомобильных двигателей, скапливаются в воздухе и
подвергаются воздействию солнечного света.
Фотохимические реакции
Вторичные загрязнители, наносящие
большой вред здоровью населения промышленных
городов, являются продуктом серии сложных
химических реакций, возникающих под
действием солнечного света. Сущность этих
реакций не удалось полностью выяснить до сих
пор. В «фотохимическом коктейле» две
главные составные части — озон и некоторые
углеводороды, не принадлежащие к ряду
метана, известные под названием оксидантов.
Условимся считать оксидантом любое вещество,
способное вызвать реакцию окисления.
Известно множество различных оксидантов,
образующихся из углеводородных соединений,
однако ввиду того, что они почти всегда
образуются в сочетании с озоном, удобнее как при
проведении измерений, так и при разработке
стандартов подразумевать под концентрацией
оксиданта только лишь концентрацию озона.
Озон образуется в нижних слоях
атмосферы при взаимодействии молекулярного
кислорода с атомарным кислородом,
высвобождающимся в процессе взаимодействия квантов
лучистой энергии Солнца с двуокисью азота:
(13.21)
(13.22)
Однако если в атмосфере нет других
примесей, N0 как продукт этой реакции снова
очень быстро окисляется озоном в N02 (рис.
13.14, а). Результирующий эффект будет
выражен незначтельным нагреванием
атмосферного воздуха зследствие поглощения фотонов
солнечного света. В присутствии
углеводородов (рис. 13.14,6) озон, образовавшийся на пер-
\
не noz ог
вой стадии, может уцелеть и, вступив, в
реакцию, образовать органическое азотсодержа^
щее соединение. Дополнительное количество
озона может образоваться в результате того,
что происходит окисление свободных
радикалов типа НСО окисью азота; при этом
генерируется также двуокись азота (N02).
Некоторые органические нитраты,
находящиеся в загрязненной атмосфере, являются
чрезвычайно сильными оксидантами. Они
принадлежат к веществам группы пероксиацетил-
нитратов (ПАН). Их структурная формула
имеет вид:
N02 + hv->NO + 6;
О, + 6-v03.
Рис. 13.14. Результирующий нагрев атмосферного
воздуха (а) и образование органических азотсодержащих
соединений в атмосфере под воздействием солнечного
света (б)
О
II
/?COON02,
(13.23)
где обычно # = СНз, но это может быть любой
другой алкановый радикал. Вещества группы
ПАН довольно неустойчивы, и их поведение
непредсказуемо, когда они подвергаются
лабораторному исследованию в большом
количестве. Это — сильнейшие оксиданты,
способные повредить ткани человеческого организма
и отрицательно влияющие на развитие
растений.
Образование оксидантов тесно связано с
образованием окислов азота. Это
подтверждается данными измерений; на рис. 13.15
построены кривые образования NO, N02,
углеводородов неметанового ряда и оксидантов в
воздушном бассейне крупного города в
зависимости от времени суток. Максимальная
концентрация N0 и N02 коррелирует с утренними и
вечерними часами пик. Образование
оксидантов возобновляется вскоре после восхода
солнца и достигает максимума примерно к
полудню. Если в данном районе возникнет
инверсия температуры, оксиданты не исчезнут
полностью с наступлением вечера — напротив, их
концентрация еще более возрастет в вечерние
часы интенсивного движения транспорта,
когда еще не стемнело.
6 12
Время суток, ч
Рис. 13.15. Зависимость концентрации загрязнителей в
городском воздухе от времени суток:
/_ углеводороды неметанового ряда; 2 — окись азота; 3 —
двуокись азота; 4 — оксиданты
326

В урбанизированных ареалах отмечены
концентрации оксидантов, превышающие
0,3 млн.-1 Исследования показывают, что при
концентрациях около 0,05 млн-1 (100 мкг/м3)
меняется структура листьев у отдельных
видов растений. Концентрация свыше 0,1 млн-1
вызывают у человека раздражение слизистой
оболочки глаз, а при 0,25 млн-1 и более
обостряются респираторные заболевания.
Фотохимическое загрязнение воздуха
почти на 100 % происходит в результате вредных
выбросов автомашин. Существует тесная
зависимость между количеством выбросов
автотранспортных средств и возникновением
сильного смога — факт, полностью
документированный еще задолго до того, как в 1970 г.
были опубликованы федеральные нормативы
на допустимое загрязнение воздуха.
БОРЬБА С ЗАГРЯЗНЕНИЕМ ВОЗДУШНОЙ
СРЕДЫ
Загрязнение воздуха сопутствует развитию
цивилизации на протяжении нескольких
веков. Правда, фотохимическое загрязнение
воздушного бассейна появилось относительно
недавно.
Для того чтобы справиться с проблемами
окружающей среды, которые все более
обострялись, конгресс США в 1969 г. утвердил
закон о политике в области охраны среды, а в
1970 г. — поправки к Закону о чистом
воздухе (1955 г.). Принятие этих законодательных
актов значительно помогло усилить борьбу с
загрязнением атмосферы.
Законодательство в области охраны
окружающей среды позволило существенно
улучшить качество атмосферного воздуха, так как
были установлены критерии на содержание в
атмосфере определенных загрязняющих
веществ. Были разработаны первичные
стандарты, т. е. предельные уровни, обеспечивающие
(с коэффициентом запаса) защиту здоровья
населения, и вторичные стандарты — уровни,
при которых должно быть гарантировано
благополучие населения (табл. 13.3).
Опасным загрязнителем атмосферы,
предельно допустимое содержание которого не
регламентируется федеральными стандартами
качества атмосферного воздуха, считается
любое вещество, которое может вызвать либо
ускорить наступление смерти и возникновение
неизлечимых болезней или заболеваний,
приводящих к потере трудоспособности. В этом
перечне упомянуты винилхлорид, бериллий,
ртуть, асбест и бензол. Агентство по охране
окружающей среды разработало нормативы
на максимально допустимую концентрацию
этих материалов и веществ; при этом
возникли острые разногласия, а что касается винил-
Таблица 13.3. Федеральные стандарты качества
атмосферного воздуха
Количество
загрязняющего вещества,
мкг/м3 (млн г)
Твердые частицы
Окислы серы
Окись углерода
Двуокись азота
Озон
Углеводороды
неметанового
ряда*4
Интервал

осреднения, сут
356
l*i
365
l*i
1/8*1
1/3*!
1,24*х
365
1*1
1/8
Значения по стандарту
75/60
260/150
80 (0,03)/—
365 (0,14)/—
—/1300
104 (9)/104 (9)
4-Ю4 (35*2)/4-104 (35)
100 (0,05)/100 (0,05)
235 (0,12*3)/235 (0,12)
160 (0,24)/160 (0,24)
Примечания: 1. В числителе — первичные стандарт, в
знаменателе— вторичный.
2. Для данных по твердым частицам берутся
среднегеометрические значения, для остальных — среднеарифметические.
*1 Средние нормы выбросов могут быть нарушены не более
одного раза в год.
*2 В августе 1979 г. Агентство по охране окружающей
среды предложило уменьшить ^то значение до 25 млн .
*3. До пересмотра в январе 1979 г. это значение составляло
25 млн "" .
*4. Стандарт не имеет отношения к охране здоровья, он
используется для контроля за содержанием озона в атмосфере.
хлорида, дошло даже до судебного
разбирательства. В ходе обсуждения этих
животрепещущих проблем зародилась мысль о
существовании порогового уровня, ниже которого
отсутствуют заметные воздействия на здоровье.
Разумеется, таким порогом, если только он
вообще возможен, были бы крайне
незначительные концентрации — обстоятельство, из-
за которого еще труднее определить, имеется
ли на самом деле такой порог. Этот весьма
серьезный вопрос о пороговых уровнях будет
рассмотрен в гл. 14, когда будет
анализироваться влияние радиоактивных веществ на
здоровье людей.
Учреждение в США «районов чистого
воздуха» и стремление сохранить (а по
возможности — еще и улучшить) качество воздуха в
этих районах побудило агентство по охране
окружающей среды к тому, чтобы
потребовать ужесточения нормативов на выбросы
окислов серы. Представители частных
промышленных компаний выступили (в ряде слу-
чаеэ — довольно успешно) против первого
варианта нормативов; в мае 1979 г. был
опубликован окончательный текст. В нормативы
включено требование об удалении 70—90 %
двуокиси серы из дымовых газов с
осреднением показателей на месячной основе. Этот
показатель зависит от начального содержания
серы в угле. Кроме того, максимальное
количество выбрасываемой серы, равное 5,10Х
ХЮ~4 кг/МДж, должно осредняться за месяц,
а не за сутки. Однако существующий пер-
327

вичный стандарт для любого района — 80 мкг/
/м3 и без того не может быть превышен, если
показатель осредняется на годичной основе.
Эти нормы — довольно жесткие, но
предусмотренные в них максимально допустимые
концентрации вполне достижимы. Во всяком
случае, технические предпосылки для этого
уже существуют.
Методы и технические средства
предотвращения загрязнения воздушной
среды
Мощными источниками загрязнения
атмосферы являются автомобильные двигатели и
ТЭС, работающие на угле. В гл. 4 были
рассмотрены отдельные способы, позволяющие
уменьшить содержание загрязнителей в
выхлопных газах автомашин. Здесь
рассматриваются методы удаления твердых частиц
летучей золы и двуокиси серы из дымовых газов
электростанций, поскольку это —
единственные виды загрязнителей, выброс которых
можно эффективно ограничить.
На протяжении многих лет применялись
различные устройства, предназначенные для
улавливания летучей золы. К ним относятся,
например, механические золоуловители
(циклонные сепараторы), фильтры,
электрофильтры и мокрые золоуловители (скрубберы);
последние используются также для очистки
дымового газа от сернистых соединений.
Принцип действия циклонного
золоуловителя или просто циклона, показан на рис.
13.16. Частицы пыли отбрасываются к
стенкам корпуса центробежной силой. Ударяясь о
стенки, частицы скользят по ним, падают на
дно бункера и скапливаются там. Правда, с
потоком очищенных газов все же выносится
определенное количество золы. Устройство
подобного типа улавливает с высокой
эффективностью более тяжелые частицы; с
уменьшенидля золы \ /
Рис. 13.16. Циклонный золоуловитель
Загрязненный
газ
Рис. 13.17. Электрофильтр для очистки
дымовых газов
328
ем размеров и массы частиц КПД циклонного
сепаратора снижается. Если диаметр частиц
менее 5 мкм, КПД циклона не достигает и
50 %. Конструктивные параметры циклонов
выбираются на основе эмпирических
соотношений между габаритами циклона, с одной
стороны, давлением и скоростью поступающих
газов — с другой.
Уход за циклонами довольно прост,
расходы на эксплуатацию их невелики: в основном
они связаны с удалением накопившейся в
бункере золы. Однако из-за недостаточно высокой
эффективности, с которой происходит
улавливание мельчайших частиц пыли, а также
потому, что эти частицы представляют опасность
для здоровья, циклоны необходимо включать
последовательно с каким-либо другим
устройством.
Электрофильтры обладают высоким КПД
при улавливании частиц любого размера,
кроме самых мелких. Установка электрофильтров
стоит довольно дорого, зато расходы на
эксплуатацию и ремонт невелики. Типичная
система с использованием электрофильтров
схематически изображена на рис. 13.17.
Пульсирующий постоянный ток высокого
напряжения, получаемый путем двух- или однополупе-
риодного вырямления сетевого напряжения,
подводится к пластинчатым осадительным
электродам (плюс) и коронирующему
проволочному электроду (минус). При этом в
пространстве между электродами возникает
пульсирующее электрическое поле. Происходит
коронный разряд, и с поверхности проволочного
коронирующего электрода высвобождаются
электроны. Они могут приставать к
молекулам газа, которые затем адсорбируются (или
абсорбируются) твердыми частицами,
содержащимися в потоке газа. Частица, получив
результирующий отрицательный заряд,
перемещается (дрейфует) по направлению к осади-
тельному пластинчатому электроду
положительной полярности.

Благодаря большой скорости дрейфа
частиц достигается высокий коэффициент
золоулавливания. Как правило, чем мельче
частицы, тем выше скорость их дрейфа; однако,
несмотря на это, самые мелкие частицы
улавливаются недостаточно эффективно. Причина
состоит в том, что вероятность захвата иона
из газового потока частиц диаметром всего
менее 0,5 мкм крайне низка — она обратно
пропорциональна диаметру частицы.
Пример 13.5. Найти скорость дрейфа частицы
диаметром 30 мкм при плотности материала р=1,5 г/см3 в
момент ее удара об осадительную пластину. Допустим,
что напряженность однородного электрического поля
равна 10 кВ/м, межэлектродное расстояние- 15 см.
Приравняем силу электрического взаимодействия к
ускоряющей силе:
qE— та.
Тогда ускорение будет равно qE/m, и уравнения
линейного движения дают нам следующую зависимость:
v2=V о +2as. Отсюда
i>2 = 0 +
2 (1,6-Ю-19) Ю-4-15
= 0,52 см/с.
4/Зя (0,3-10-^)3.1,5
При этом предполагается, что частицей захвачен
однозарядный ион.
Системы фильтров, изображенные на рис.
13.18, обычно используются в таких
промышленных процессах, как производство цемента,
сажи, глины, фармацевтических препаратов.
Волокна фильтроткани могут сильно
пострадать, если температура дымовых газов
чересчур высока, а это вполне возможно на
электростанции. Для очистки тканевого (рукавного)
фильтра разработано несколько методов;
можно применять обратную продувку
пульсирующими струями воздуха, механическое
встряхивание.
Степень очистки дымовых газов в тканевых
фильтрах намного выше, чем в фильтрах лю-
бого другого типа. Даже при улавливании
частиц, диаметр которых меньше 0,3 мкм,
может быть обеспечена эффективность около
98%. Однако содержание в исправности и
эксплуатация таких фильтров обходятся
дороже, потому что ткань нужно периодически
менять, а кроме того, для очистки сильно
запыленных газов фильтр должен иметь большую
площадь поверхности. Типичная скрубберная
установка показана на рис. 13.19. Орошающая
жидкость (чаще всего — вода) впрыскивается
под высоким давлением; форсунки
расположены там, где загрязненный газ поступает в
камеру. Принцип очистки основан на
соударении твердых частиц с каплями воды. Такие
золоуловители эффективны для улавливания
частиц, размер которых превышает 0,3 мкм.
Комбинированные системы, состоящие из
электрофильтров и мокрых золоуловителей,
наиболее эффективны при улавливании самых
мелких частиц.
На мокрую очистку продуктов сгорания
расходуется больше энергии; очищенный газ
имеет высокую влажность, в процессе очистки
образуется золоводяная пульпа (шлам).
Возникают дополнительные затруднения,
связанные с охраной окружающей среды: в
атмосферу выносится влага, что может привести к
образованию туманов.
Удаление окислов серы можно обеспечить
либо путем мокрого пылеулавливания с
применением раствора, содержащего атомы натрия,
магния или кальция, либо посредством
превращения газообразных окислов серы в
твердые частицы, которые затем улавливаются в
электрофильтрах. Преобразование окислов
серы в частицы сульфатов или сульфитов
можно осуществить, вводя в скруббер щелочные
вещества (например, размолотый известняк)
или впрыскивая раствор щелочи в
заполненное газом пространство. В настоящее время
на промышленных предприятиях США около
70 % всех окислов серы удаляется из дымовых
газов при помощи этого метода, после чего
газы проходят через систему фильтров,
рассмотренных выше.
Рис. 13.19. Очистка газов в мокром
скруббере
329

Вряд ли можно выполнить требования
«Технологических норм для новых
стационарных источников»1, не подвергая дымовые газы
очистке в скрубберах; представители
промышленных кругов пытаются обойти этот пункт
требований. Однако еще не исчерпаны все
возможности сухого улавливания летучей золы,
и эксперименты в этой области продолжаются.
Тенденции в области загрязнения
воздушного бассейна
После того, как несколько лет назад были
введены федеральные стандарты качества
атмосферного воздуха, состояние воздушного
бассейна в городах заметно изменилось. На
рис. 13.20 представлены данные о качестве
воздуха в 25 стандартных метропольных
статистических ареалах США за период с 1974
по 1977 г. Хотя наблюдается явная тенденция
к улучшению, все же она пока еще
незначительна. Мало того, согласно прогнозам
министерства энергетики США по мере
ожидаемого роста объемов сжигания органического
топлива 2 в результате «энергетического кризиса»
следует быть готовым к ухудшению качества
воздуха, даже если на всех новых
электростанциях будут соблюдаться технологические
нормы (табл. 13.4).
Таблица 13.4. Рост объемов выбросов в атмосферу,
вызванный увеличением количества сжигаемого угля
Загрязнители
Взвешенные
частицы
S02
NO,
Выбросы за год, млн. т
1975 г. 1
(отчетные
данные)
14,1
24,0
15,8
1985 г.
(прогноз)
8,6
26,1
19,9
2000 г.
(прогноз)
12,0
28,6
25,9
Тенденция, представленная на рис. 13.20,
отображает лишь общую картину. Если
внимательно рассмотреть график, отображающий
тенденцию содержания озона (рис. 13.21),
станет очевидным, что, хотя по стране в це-
1 Технологические нормы для новых стационарных
источников загрязнения были впервые введены в
действие агентством США по охране окружающей среды
23 декабря 1971 г. Они относятся к таким
промышленным объектам, как ТЭС, цементные заводы,
мусоросжигательные установки, заводы по производству серной и
азотной кислоты, нефтеперерабатывающие заводы,
углеобогатительные фабрики, заводы фосфатных удобрений
и т. п. Подробнее — см. К. Уорк, С. Уорнер,
«Загрязнение воздуха. Источники и контроль». М.: Мир, 1980.
(Примеч. п е р е в.)
2 Автор, вероятно, имеет в виду твердые виды
органического топлива (см. табл. 13.4). (Примеч. ред.)
Рис. 13.20. Суммарное число суток в течение года в
25 стандартных метропольных статистических ареалах
США за период 1974—1977 гг. и сводный индекс
загрязнения воздуха:
/_ стандартный индекс загрязнения 100—200 (вредно); 2 — то
же 200—300 (очень вредно); 3 - то же свыше 300 (опасно)
Рис. 13.21. Количество дней в году на один округ,
когда по США в целом и в районе Лос-Анджелеса
наблюдалось загрязнение воздуха озоном (концентрация
озона свыше 0,12 млн-1):
/ — по стране в делом; 2 — в 44 округах на территории США,
кроме района Лос-Анджелеса; 3 — котловина Лос-Анджелеса
(пять округов)
лом достигнут известный прогресс, в
наиболее неблагополучном районе США —
котловине г. Лос-Анджелеса лишь крайне
незначительно сократилось количество суток в году,
характеризующихся нарушением стандартов.
Удивляться этому не следует: пока не
найдены эффективные и экономически рентабельные
методы очистки выхлопных газов
автомобильных двигателей от окислов азота, на базе
которых в основном и образуется озон в нижней
части атмосферы.
330

Надежда на то, что в 1990 г. воздух станет
намного чище, довольна слабая, даже если
будут приняты решительные меры по
соблюдению действующих ныне стандартов на
допустимую концентрацию загрязнителей. Введение
в дальнейшем более жестких стандартов
может оказаться нелегкой задачей. Не вызывает
сомнения, что городской воздух (а кое-где в
США — даже воздух в сельской местности)
стал вредным для здоровья и что неуклонный
рост производства энергии на базе
органических топлив (dE/E) приведет к
соответствующему росту заболеваемости и смертности
(dM/M),r. е.
Можно с полным правом возразить, что
значение k в (13.24) фактически является
отрицательным. Иными словами, в результате
роста производства энергии показатели
заболеваемости и смертности должны
уменьшиться, поскольку легче будет отапливать
помещения и повысится общий уровень жизни.
Веские аргументы можно выдвинуть в
пользу любого знака коэффициента k,
поэтому правильнее было бы придать выражению
(13.24) более обобщенный вид:
-^--ЧтГ-'-т- «3-25>
Теперь от абсолютных значений k и k'
будет зависеть, возрастет либо уменьшится d
М/М с изменением d E/E. Определение
значений этих параметров выходит за рамки
данной книги. Ответы на этот вопрос (и
аналогичные ему) должны быть найдены в течение
ближайшего десятилетия. Вредное
воздействие загрязненного атмосферного воздуха на
здоровье людей не подвергается никакому
контролю, и с годами оно станет еще сильнее,
если не будут приняты экстренные меры.
ЗАДАНИЯ ДЛЯ АУДИТОРИИ
1. Определите концентрацию СО в кафетерии либо
аналогичном предприятии общественного питания во
время вашего, обеденного перерыва. Примите в расчет
количество людей, число выкуриваемых сигарет и
сигар, кратность воздухообмена. Оцените характер
воздействия загрязненного воздуха на здоровье некурящих
посетителей.
2. Организуйте экскурсию на ближайшую
электростанцию, работающую на органическом топливе.
Определите количество выбрасываемых за сутки окислов
серы, окислов азота, твердых частиц. Зарегистрировано
ли преобладающее направление ветра? Определите, в
какой степени ощущают люди воздействие
загрязнителей на разных расстояниях от этой электростанции.
3. Если там, где вы живете, есть станция по
контролю за чистотой воздуха, ознакомьтесь с результатами
наблюдений, проводившихся в течение года. Какие
периоды года самые неблагополучные? Какие
загрязнители самые вредные? Каковы максимальные концентрации
загрязняющих веществ? Наолюдаются ли перемены к
лучшему с тех пор, как началась регистрация данных
измерений?
УПРАЖНЕНИЯ
1. Альбедо города равно 0,2; альбедо соседней
сельской местности, занимающей такую же площадь, 0,4.
Произведение тср для города составляет 7з
аналогичного показателя для сельской местности. Что можно
сказать о температуре воздуха в обоих районах перед
заходом солнца?
2. Какое количество теплоты потребовалось бы
выработать для того, чтобы увеличить температуру
воздуха в районе, где вы живете, на 0,01 °С? Какое
количество теплоты нужно выработать во всем мире, чтобы
температура воздуха у земной поверхности поднялась
на 1 °С?
3. Если смотреть днем с борта искусственного
спутника Земли на город, он покажется светлее или темнее,
чем окружающая местность? Объясните ваш ответ.
4. Обратившись к примеру 13.2, определите, какое
количество нитратов ежесуточно образуется над
районом Чикаго.
5. Температура воздуха в окрестностях пылеуголь-
ной ТЭС мощностью 1000 МВт равна 20 °С, влажность
30 %. Если сбросная теплота рассеивается в
испарительной градирне, с каким количеством атмосферного
воздуха должен смешиваться выходящий из градирни
пар, чтобы влажность воздуха не превысила 40 %?
Ответ: 3,3-1010 м3.
6. Город занимает площадь 7,5 тыс. км2. В нем
насчитывается 4 млн. автомашин со средним суточным
расходом бензина 40 л. Сколько влаги ежедневно
поступает в атмосферу из-за пользования этими машинами?
7. Некурящий входит в помещение, где
концентрация СО равна 35 млн-1. Спустя сколько времени этот
человек почувствует, что у него слегка понизилась
острота зрения?
8. Любитель сигарет пользуется своей машиной для
поездок на работу и с работы Если дорога в один конец
занимает 1 ч, а за это время средняя концентрация СО
в салоне достигает 100 млн.-1, каким будет процентное
содержание СОНЬ в крови по истечении этого часа?
Ответ: 4,15 % СОНЬ.
9. Если бы концентрация S02 в вашей аудитории
составляла 0,01 млн-1, какое количество серы находилось
бы в воздухе во взвешенном состоянии?
10. Количество смертных случаев за сутки,
вызванных обострением респираторных и сердечных
заболеваний в результате загрязнения воздуха твердыми
частицами и двуокисью серы, можно приблизительно
определить по формуле:
N = 150,3 + 0,25ср + 20,7 cs + 1,256,
где сР — концентрация твердых частиц, мкг/см3; cs —
концентрация двуокиси серы, мкг/см3; б — разность
между температурой окружающего воздуха и 18 СС.
Чему был бы равен показатель суточной смертности
при отсутствии загрязнения? Каким образом можно
видоизменить это уравнение, чтобы учесть повышенную
восприимчивость к болезням людей пожилого возраста?
11. Если вы проживаете в местности, находящейся
в 100 км по направлению господствующего ветра от
электростанции, которая выбрасывает золу с
концентрацией ее в газе на выходе, равной 1 г/см, и средняя
горизонтальная скорость ветра равна 6 м/с, каким будет
диаметр выпадающих частиц? Не лучше было бы жить
в 500 км от электростанции по направлению ветра?
Пусть высота трубы равна 200 м.
Ответ: На расстоянии 100 км d«2-10-3 см; на
расстоянии 500 км d«2-10"4 см.
12. Выведите формулу зависимости давления
воздуха от высоты.
331

13. Преобладающий вертикальный градиент
температуры равен 1,2 °С/100 м, за исключением слоя между 1
и 1,5 км, где он равен —0,5°С/100 м. Опишите движение
элементарного объема воздуха, который был выпущен
в атмосферу у поверхности земли и первоначально
находился в состоянии равновесия.
14. ТЭС мощностью 100 МВт постоянно работает на
угле с содержанием серы 5 %. Предположим, что эта
ТЭС находится в центре города, застройка которого
имеет форму круга радиусом 10 км, и что на высоте 500 м
существует инверсия температуры, из-за которой
эффективно задерживаются все загрязняющие выбросы.
Допустим, что эти загрязнители равномерно перемешаны
в воздушном бассейне над городом. Какова будет
концентрация окислов серы через 24 ч?
15. Температура дыма, выходящего из трубы
высотой 100 м, на 20 °С выше температуры окружающего
воздуха. На какую высоту поднимется дым, если
преобладающий вертикальный градиент температуры равен
+0,5°С/100 м? А если бы он составлял —0,5 °С/100 м?
Ответ: 4100 м, 1366 м.
16. Факел дыма поднимается из трубы на высоту
900 м. Если температура дыма на 25 °С отличается от
температуры окружающего воздуха, измеренной на
уровне земли, чему будет равен преобладающий
вертикальный градиент температуры?
17. Дым, выходящий из трубы высотой 25 м, имеет
ту же температуру, что и окружающий воздух. Опиши-
Ошва Щ
Использование ядерной энергии приносит
для человечества и новую заботу — заботу о
предотвращении загрязнения окружающей
среды радиоактивными продуктами деления.
Опасная перспектива подвергаться
воздействию невидимой, но всепроникающей радиации,
способной вызывать раковые заболевания,
вызывает тревогу среди населения. В этой главе
обсуждается природа как естествейной, так и
возникающей в результате человеческой
деятельности радиации или излучения,
рассматривается воздействие излучения на человека.
В заключение описываются различные
подходы к оценке радиационной опасности и
выбору средств контроля и защиты.
ВОЗДЕЙСТВИЕ ИЗЛУЧЕНИЯ НА ВЕЩЕСТВО
Радиация или излучение — весьма
широкое понятие. Оно объединяет разные виды
излучений, которые различным образом
воздействуют на вещество. Некоторые виды
излучения встречаются в природе, другие можно
получить только искусственным путем. Ниже
приводится краткая характеристика
различных типов излучения.
те, что произойдет с дымом, если преобладающий
вертикальный градиент температуры будет равен
—7°С/100 м.
18. Электростанция мощностью 1000 МВт с КПД
40 % работает на угле с содержанием серы 4,5 %. На
сколько процентов должны быть очищены от серы
дымовые газы, чтобы это соответствовало требованиям по
защите окружающей среды?
29. Каким должно быть максимально допустимое
содержание серы в угле для того, чтобы новая ТЭС
мощностью 100 МВт с КПД 40 % отвечала требованиям
по защите окружающей среды? Как изменлт_я этот
показатель, если КПД понизится до 35 %?
20. Циклонный золоуловитель обладает пропускной
способностью 100 тыс. м3/ч. Начальная запыленность
газа 100 г/м3, средняя эффективность его очистки 70 %.
Какое количество твердых частиц удаляется из
дымовых газов за сутки? Если р=1,5, какова должна быть
емкость приемного бункера, опорожняемого раз в
неделю? Предположим, что коэффициент уплотнения пыли
в бункере равен 60 %•
Орет: 1,68-108 г; 1306,7 м3.
21. Если горизонтальная скорость потока газов в
в электрофильтре (см. пример 13.5) равна 4 м/с, каким
должно быть минимальное расстояние между осади-
тельными электродами (длина их 3 м), для того чтобы
на них оседало 50 % ионизированных частиц? (Все
остальные параметры те же, что и в примере 13.5).
Природа излучений
Прежде всего следует различать
корпускулярное излучение, состоящее из частиц с
массой, отличной от нуля, и фотонное или
электромагнитное излучение, состоящее из не
имеющих массы фотонов. Корпускулярные
излучения могут состоять как из заряженных частиц,
так и из частиц с нулевым зарядом.
Некоторые виды корпускулярных излучений
существуют в природе. Альфа-излучение
представляет собой поток ядер гелия, испускаемых
при ядерных превращениях изотопов тяжелых
элементов, расположенных в периодической
системе после свинца. Бета-излучение
представляет собой поток электронов или
позитронов, испускаемых при бета-распаде ядер
различных элементов периодической системы
или нестабильных частиц. Свойства некоторых
частиц приводятся в табл. 14.1.
Космическое излучение также
представляет собой корпускулярное излучение, которое
приходит на Землю из космоса. В его составе
могут быть протоны или более тяжелые
частицы. Обычно они не проникают далеко вглубь
атмосферы. Взаимодействуя на своем пути с
ядрами атомов., они образуют потеки
вторичных частиц с промежуточной массой, называ-
Радиационная экология
332

Таблица 14.1. Свойства частиц
Ч астицы
Электрон
Мюон
Пион
Протон
Нейтрон
Альфа
Масса, МэВ
0,511
105,659
139,569
134,964
938,280
939,573
3726,40
Период
полураспада, с
2,197- Ю-6
2,603-Ю-8
0,828- Ю-16
918
емых мезонами. В ядерных взаимодействиях,
осуществляемых на больших ускорителях,
которые разгоняют протоны до очень высоких
энергий, образуется несколько видов как
заряженных, так и нейтральных мезонов.
Под действием космического излучения
возникают только два вида мезонов, способных
достигать поверхности Земли: пи-мезоны
(пионы) и мю-мезоны (мюоны). Мезоны
обладают чрезвычайно малым временем жизни.
Заряженные мезоны распадаются с
образованием электрона (позитрона) и нейтральной
частицы с нулевой массой, называемой
нейтрино. Нейтральные мезоны распадаются по
другой схеме. Мезоны, которые образуются под
действием первичного космического
излучения, вероятно, не представляют опасности для
здоровья людей, хотя они и находятся
постоянно в поле мезонного излучения.
Различные виды фотонного излучения
имеют единую электромагнитную природу и
отличаются только энергией фотонов, а
следовательно, и частотой излучения [см. уравнение
(5.21)]. Спектр электромагнитных излучений
представлен на рис. 14.1. Фотоны самых
высоких энергий составляют гамма-излучение.
На противоположном конце энергетического
спектра находится радиоволновое излучение.
Все виды фотонов возникают в результате
ускорения электрических зарядов. В случае
гамма-излучения это — заряды частиц,
составляющих атомное ядро. Поскольку по атомной
шкале энергия связи нуклонов в ядре очень
велика, внутриядерные колебания приводят к
возникновению фотонов высоких энергий.
Электроны, которые находятся на
окружающих ядро атома оболочках, также могут
порождать фотоны. При переходах электронов во
внутренних оболочках, где энергии связи
велики, возникает рентгеновское излучение.
Колебания валентных электронов приводят к
возникновению фотонов ультрафиолетового (УФ),
видимого или инфракрасного (ИК) излучения.
Ускорения зарядов в электрических цепях
или электрические разряды в атмосфере
служат источником фотонов еще более низких
энергий — радиоволнового излучения, кото-
Энергия,
ЭВ
4*10*
4*707
4*105
4*70*
40
0,4
4*70'5
4*10-5
4*70'7
4*70~s
4*70'11
4x?o-fJ
4*t0-f5
Длина Частота>
волны,
м
3*10f6
3*70f*
3*701г
3*70~10
3*70~д
3*706
3*70'*
3*70'г
3
300
3*70*
3*70е
3*70в
гч
- 70" 1
- югг
¦ 1°го L
Гамма ~
излучение
1в \Рентгеновсное
- Ю I излучение
4с ^Ультрафио"
" 707Ь ,\^ летовое
- 70" 1
4е излучение
Видимый свет
9 Инфранрасное
- 10u ш, излучение
10 Минроволно-
10 вое
в \ излучение
-10* %, ВЧ
1о ънч &ОЛНЬ1
-10г
-10°
снч.
Рис. 14.1. Спектр электромагнитных излучений (между
смежными областями спектра нет резких границ)
рое, в свою очередь, в зависимости от длины
волны подразделяется на ряд областей.
Например, радиоволновое излучение с длинами волн
примерно между 10 см и 1 мм называют
областью микроволнового излучения.
Все эти излучения представляют собой
электромагнитные волны. Хотя привычно и
удобно пользоваться приведенными здесь
наименованиями различных видов
электромагнитного излучения, резких границ между
смежными областями электромагнитного спектра,
например между рентгеновским и
ультрафиолетовым излучением, не существует. И,
конечно, никакой измерительный прибор не сможет
указать, например, каково происхождение
данного фотона с энергией 5 эВ.
Некоторые виды излучений, которые в
природе не встречаются и обязаны своим
происхождением деятельности человека,
представляют интерес, поскольку оказывают воздействие
на биологические объекты. Например,
продукты деления урана и плутония, которые
содержатся в высокорадиоактивных отходах
переработки отработавшего реакторного топлива
или в выпадениях после испытаний ядерного
оружия, могут оказывать значительное
воздействие на биологические системы, так как
обладают радиоактивностью и по своим
химическим свойствам ничем не отличаются от
стабильных изотопов тех же элементов,
входящих в состав этих систем.
Некоторые легкие ионы, например
протоны, представляют интерес благодаря способу
333

передачи энергии при их взаимодействии с
веществом. Некоторые радиоактивные элементы,
которые образуются в ядерных реакторах и не
встречаются в природе, распадаются с
испусканием протонов. Протоны могут также
разгоняться до высоких энергий в ускорителях.
Пучки протонов высокой энергии могут
применяться как для облучения тканей при
лучевой терапии рака, так и для исследования
радиационных повреждений материалов.
Нейтроны — нестабильные частицы с
периодом полураспада 636 с, поэтому они не могут
существовать в природе в заметных
количествах. Очень большие количества нейтронов
образуются в ядерных реакторах и при ядерных
взрывах. Нейтроны также применяются в
терапии рака.
Механизмы передачи энергии
Различные виды излучений по-разному
взаимодействуют с веществом в зависимости от
свойств частиц, составляющих излучение: их
заряда, массы и энергии. Поскольку
значительная часть излагаемого в настоящей главе
материала так или иначе связана с этими
фундаментальными взаимодействиями,
остановимся подробнее на их рассмотрении.
Заряженные частицы (электроны, протоны,
продукты деления и т. д.) взаимодействуют с
частицами вещества, главным образом с
электронами, окружающими ядра атомов. Если
частицы излучения несут достаточно большую
энергию, каждое такое взаимодействие будет
приводить к отрыву электрона от атома и
образованию положительно заряженного иона.
Для того чтобы это произошло, необходимо,
чтобы энергия налетающей частицы
превышала энергию связи электрона в атоме.
Значение энергии связи электрона меняется в
очень широких пределах: от нескольких
электрон-вольт для валентных электронов до
многих тысяч электрон-вольт для электронов k-й
оболочки тяжелых элементов. В данной
главе прежде всего рассмотрим взаимодействие
излучения с живой тканью, которую можно
представить как смесь атомов легких
элементов (табл. 14.2). Подобный подход может быть
применен и к любому другому типу вещества.
Таблица 14.2. Эффективный элементный состав мягкой
ткани
Элемент
Водород
Углерод
Азот
Кислород
Заряд
ядра
1
6
7
8
Концентрация, см 8
5,98-1022
9,03-1021
1,29-1021
2,45.1022
Z 3 4 68W 2D30 60Г00 200 SOOfOOQ
Энергия про/поной, МэВ
Рис. 14.2. Зависимость для протонного излучения
линейной тормозной способности мягкой ткани, меди и
свинца от энергии протонов
Количество энергии, передаваемой при
взаимодействии частицы излучения с
электроном, зависит от заряда, массы и энергии
налетающей частицы. Точная зависимость
является достаточно сложной и для данного
исследования не представляет большого интереса.
Проходя через слой вещества, заряженная
частица совершает тысячи соударений.
Поэтому при рассмотрении воздействия излучения
на вещество представляет интерес такая
величина, как линейная тормозная способность
этого вещества1, которая может выражаться
в килоэлектрон-вольтах на сантиметр или в
других единицах. На практике нередко
оказывается более удобным определять толщину,
измеряя площадь поверхности и массу. Так
же как и в гл. 7, выразим поверхностную плот*
ность \ как
Е-Р*. (ИЛ)
где р—плотность вещества. На рис. 14.2 в
графическом виде для протонного излучения
представлена зависимость линейной тормозной
способности различных веществ от энергии
протонов.
Пример 14.1. Какова толщина алюминиевой
фольги, имеющей поверхностную плотность 2,4 мг/см2?
Из (14.1) *=1/р.
Так как для алюминия р=2,7 г/см3,
2 4-10—3
х— =0,89-10-3 см.
2,7
Следует заметить, что линейная тормозная
способность вещества не является постоянной
величиной. Она нелинейно возрастает с
уменьшением энергии частиц. Рисунок 14.3
иллюстрирует этот эффект для протонов с
первоначальной энергией 400 МэВ. Особо отметим
резкое увеличение линейной тормозной спо-
1 Представляет собой отношение энергии dE,
теряемой заряженной частицей при прохождении
элементарного пути dl в веществе, к длине этого пути.
(Примеч. пер е в.)
334

собности в конце пробега. Оно происходит
вследствие того, что медленно движущаяся
частица способна передать электронам атомов
значительно больше энергии, чем быстро
движущаяся частица.
Следует заметить, что в конце тормозного
пути при каждом столкновении теряется
значительная доля остаточной энергии частицы,
и в силу случайного характера этих
процессов длина пробега оказывается
неопределенной величиной. Это служит причиной
значительного разброса длины пробега, так что для
частицы с заданной энергией предсказать
точное значение ее невозможно. Приблизительное
значение средней длины линейного пробега
частицы с первоначальной энергией ?,• можно
определить по формуле
Ei
При очень низких энергиях необходимо
внести некоторые поправки. Составлены
таблицы значений среднего линейного пробега
ионизирующих частиц в различных средах,
которыми пользуются в практических целях.
Большой пик на кривой зависимости
линейной тормозной способности вещества от
глубины проникновения частицы в слой
вещества в конце тормозного пути называют
пиком Брэгга. Это явление используют в
лучевой терапии рака, где очень важно добиться
максимального выделения энергии в глубоко
расположенной опухоли, не, разрушив
окружающую здоровую ткань или, по крайней
мере, причинив ей минимальный вред. В этом
отношении еще более эффективным по
сравнению с протонным излучением является
использование пионов, поскольку в этом случае
не только имеется пик Брэгга, но происходит
поглощение пиона одним из ядер вещества,
которому полностью передается энергия
массы покоя пиона (см. табл. 14.1), следствием
чего является расщепление или скалывание
этого ядра. Пионная терапия делает только
первые шаги, поскольку получение пионных
пучков (для этого требуются специальные
ускорители) является не очень простой задачей.
При электронном излучении необходимо
обратить внимание еще на один эффект.
Поскольку масса электрона мала, любое
столкновение будет сопровождаться передачей
значительного момента от налетающего
электрона. Это вызывает изменение направления
движения, т. е. ускорение. Как указывалось в гл.
12, заряженная частица* которая движется с
ускорением, должна излучать
электромагнитную энергию. Это излучение получило
название тормозного излучения. На его долю мо-
10-д\ т, ¦ ¦ г т т., и—I
О 20 40 ВО 60
Глу&ина проникновения 3 см
Рис. 14.3. Зависимость линейной тормозной способности
ткани от глубины проникновения протонов в слой
вещества (в конце пробега можно наблюдать пик Брэгга)
I I I I I Mill ' I'" i"i ¦ ' ' ' ""'
*0~г 70'f W° 101
Рис. 14.4. Зависимость для электронного излучения
массовой тормозной способности ткани от энергии
электронов
жет приходиться значительная часть общей
энергии электронов. Фотонные пучки,
используемые в терапии рака и в ядерных
исследованиях, получают торможением
высокоэнергетических электронных пучков в мишенях из
тяжелых металлов. Этот же способ обычно
используют для получения рентгеновского
излучения, только в последнем случае энергия
электронного пучка меньше.
Поскольку электроны легче, чем
большинство других заряженных частиц, они
обладают и меньшей способностью ионизировать
атомы и молекулы, входящие в состав
вещества. На рис. 14.4 для электронного излучения
показана зависимость массовой тормозной
335

Таблица 14.3. Средние значения параметров некоторых
частиц
Частица
Электрон
Протон
Альфа-частица
Е,
МэВ 1
0,01
0,1
1,0
0,1
2
5
100
0,1
5
V
кэВ/мкм
2,3
0,42
0,25
90
16
8
4
260
95
R в мягкой
ткани, мкм
1
180
5000
3
80
350
1400
1
35
способности1 ткани от энергии электронов.
Для сравнения заметим, что глубина
проникновения протонов с энергией 10 МэВ в
мягкую ткань (средний линейный пробег)
составляет 0,12 см. В качестве удобной меры,
позволяющей сравнивать степень радиационного
повреждения вещества при воздействии на
него различных ионизирующих частиц с разной
энергией, предложено использовать величину
линейной передачи энергии LA, выражаемую
как отношение энергии d?, кэВ, локально
переданной среде ионизирующей частицей
вследствие столкновения на элементарном
пути dl, к длине этого пути, мкм, (ЛЭП).
Средние значения ?ддля различных частиц и
энергий приведены в табл. /14.3.
Нейтроны не имеют электрического заряда,
и, следовательно, механизм их
взаимодействия с веществом иной по сравнению с тем
случаем, когда главную роль играют кулонов-
ские силы. Как отмечалось в гл. 7, нейтроны
можно охарактеризовать их скоростью.
Нейтроны с энергией менее 0,05 эВ называют
тепловыми2, нейтроны с энергией до 0,1 кэВ
относят к медленным, а с энергией,
превышающей 0,1 кэВ, — к быстрым. Быстрые нейтроны
передают энергию главным образом в
результате прямых столкновений с ядрами. Если
масса ядра более чем в 5 раз превосходит
массу нейтрона, при таком столкновении в
соответствии с законами сохранения энергии и
момента количества движения количество
энергии, передаваемой ядру, будет очень
незначительно. Иначе обстоит дело при
взаимодействии нейтронов с живой тканью,
содержащей большое количество атомов водорода и
1 Массовая тормозная способность вещества —
отношение линейной тормозной способности вещества к
плотности вещества. (Примеч. п е р е в.)
2 Разделение нейтронного излучения на
энергетические диапазоны является в известной мере условным;
в СССР принято нейтроны с энергией в интервале от
средней энергии тепловых нейтронов (0,05 эВ) до
200 кэВ относить к промежуточным, нейтроны с
энергией от 200 кэВ до 20 МэВ — к быстрым, а с энергией
jrBbiLLie 20 МэВ — к сверхбыстрым. (Примеч. п е -
рев.)
очень близкой к воде по своей плотности и
тормозной способности. В результате
лобового столкновения с ядром атома водорода
нейтрон может передать ему почти всю свою
энергию. В случае других ядер количество
переданной энергии в каждом соударении в
среднем будет меньше, но конечный результат
будет один и тот же: в мягкой ткани будут
возникать вторичные заряженные частицы с
высокими значениями La .
Нейтроны могут также вызывать ядерные
реакции. Реакции 160(п, а)13С и 160(n, p)16N
имеют высокие сечения на быстрых
нейтронах и, по-видимому, также вносят вклад в
суммарный эффект повреждающего воздействия
быстрых нейтронов на живую ткань.
Подобные реакции, конечно, происходят и с
участием заряженных частиц, но их доля в
суммарном количестве переданной энергии ничтожна
по сравнению с процессом прямой ионизации.
В результате неупругого рассеяния
нейтронов на ядрах может возникать
гамма-излучение. Доля энрргии этих процессов может
составлять до 20 % всей передаваемой энергии.
Тепловые нейтроны в отличие от быстрых не
могут образовывать вторичные заряженные
частицы с высокими значениями La . Энергия
тепловых нейтронов часто не превышает
энергии связи атомов в молекулах водородсодер-
жащих соединений. Однако эти нейтроны
могут вызывать возбуждение атома, а также
возбуждать колебательные переходы в
молекулах, что приводит к разогреву вещества.
Кроме того, тепловые нейтроны могут
поглощаться некоторыми ядрами с образованием
радиоактивных продуктов. Однако ядра
атомов, которые в основном составляют живую
ткань, имеют небольшие сечения поглощения
нейтронов.
Фотоны взаимодействуют с веществом
совершенно иначе, чем заряженные частицы.
Если заряженная частица в каждом
отдельном столкновении передает только небольшую
часть своей энергии, то фотон в одном
элементарном акте взаимодействия обычно
теряет большую часть своей энергии, а иногда и
всю энергию. Если заряженные частицы
испытывают очень частые соударения (через
каждые несколько атомов), то фотоны могут
проходить в веществе путь в несколько метров,
а иногда и километров, не вступая в
какие-либо взаимодействия. Ослабление интенсивности
пучка фотонов при прохождении через слой
вещества носит экспоненциальный характер и
в любой точке слоя вещества в направлении
х зависит от интенсивности пучка в этой
точке / и свойств данного вещества:
- 4- -- **> (14-3)
336

где (х — линейный коэффициент ослабления.
Это уравнение аналогично уравнению
(1.6); знак минус означает, что интенсивность
пучка падает с увеличением глубины его
проникновения в слой вещества. Значение его
непостоянно и находится в сложной
зависимости от энергии излучения и свойств вещества,
подвергаемого облучению. Отношение \i/p
называют массовым коэффициентом ослабления,
который подобен коэффициенту ослабления,
использованному в гл. 12. Сложная
зависимость этих коэффициентов от энергии
определяется сложным характером взаимодействия
фотонного излучения с веществом.
Пример 14.2. Массовый коэффициент ослабления для
излучения с энергией фотонов 1 МэВ в свинце
составляет 0,04 см2/г. Какова толщина слоя, необходимого для
того, чтобы уменьшить интенсивность пучка фотонов с
энергией 1 МэВ на 90%? Для свинца р=11,3 г/см3.
Из (14.3)
/ = /0е-<*/Р>*;
In0,5=— 0,04л:; х = 17,33 г/см2.
Для 50%-ного ослабления х= 15,33 мм; для 90%-
ного ослабления х=50,9 мм.
Полученный результат наглядно показывает,
насколько велика проникающая способность фотонов
высоких энергий.
Различают пять типов взаимодействия
фотонного излучения с веществом: рассеяние
фотонов на ядрах (упругое и неупругое),
фотоэлектрический эффект, комптоновское
рассеяние, образование пар и атомное или
молекулярное возбуждение.
При упругом рассеянии на ядрах фотоны
только меняют направление своего движения.
Их энергия меняется только в той мере, в
какой это обусловлено законом сохранения
энергии. При неупругом рассеянии энергия фотона
передается ядру. Поглотив избыточную
энергию, ядро, как правило, излучает ее в виде
вторичного фотона, направление движения
которого скорее всего не совпадает с
направлением движения первичного фотона. Если
исключить ту небольшую долю актов неупругого
рассеяния, которые сопровождаются
излучением электронов с атомных оболочек, можно
сказать, что рассеяние фотонного пучка на
ядрах приводит к ослаблению его интенсивности
при незначительном выделении энергии в
веществе.
Рисунок 14.5 схематически иллюстрирует
другой тип взаимодействия фотонного
излучения с веществом — фотоэлектрический эффект,
при котором фотон полностью передает свою
энергию одному из электронов атомной
оболочки. В результате этот электрон отрывается
от атома и образуется ионная пара. При этом
для замещения выбывшего электрона
происходит один или несколько переходов электронов
с других энергетических уровней атомной обо-
Рис. 14.5. Фотоэлектрический эффект:
а — атом полностью поглощает фотон с энергией hv; б —
возбужденный атом излучает электрон
Рис. 14.6. Эффект Комптона:
а — столкновение фотона с энергией hv с электроч^м атомной
оболочки; б — рассеяние фотона с более низкой энергией hv
и вылет электроь а со скоростью v
лочки. Эти переходы сопровождаются
излучением вторичных фотонов. Это могут быть
фотоны рентгеновского, ультрафиолетового,
инфракрасного или видимого диапазонов
электромагнитного излучения в зависимости от
того, с какими энергетическими уровнями
связаны переходы электронов в оболочке. И,
конечно, энергия вторичного фотона всегда
будет меньше энергии того первичного фотона,
который инициировал данный процесс.
Комптоновское рассеяние (эффект
Комптона) характеризуется сохранением энергии и
момента количества движения при
столкновении фотона с электроном атомной оболочки.
Энергия и момент количества движения
фотона выражаются через длину волны фотонного
излучения следующим образом:
E = hc/X (14.4)
и
Р = h/K (14.5)
Отсюда можно показать, что
Г — Х=—(1— cos0), (14.6)
гпс
где m — масса электрона; %' — длина волны
рассеянного излучения; 6 — угол рассеяния
(рис. 14.6).
337

Рис. 14.7. Образование пар:
а — фотон с энергией /iv>l,32 МэВ, оказавшийся вблизи
электронной оболочки" атома- б — спонтанное превращение фотона в
электрон-позитронную пару в присутствии электрона при
сохранении момента количества движения
Рис. 14,8. Зависимость массового коэффициента
ослабления фотонного излучения в мягкой ткани от энергии
фотонов:
/ — суммарное значеьие; 2 — фотоэлектрический эффект; 3 —
образование пар; 4 — комптоновское рассеяние
Образование пар (рис. 14.7) представляет
собой процесс, не имеющий аналогов в
классической физике. Фотон, обладающий
достаточно высокой энергией, может спонтанно (при
этом по условию сохранения момента
необходимо присутствие другого тела) превращаться
в электрон-позитронную пару. Минимальная
энергия фотона, необходимая для образования
пары, соответствует удвоенной массе
электрона, т.е. 1,02 МэВ. Если энергия фотона
превышает это значение, избыточная энергия
преобразуется в кинетическую энергию электрона
и позитрона.
Взаимодействие фотонного излучения с
веществом, протекающее по типу
фотоэлектрического эффекта, комптоновского рассеяния
или образования пар, зависит от энергии
фотонов. Характер этой зависимости для трех
указанных процессов взаимодействия фотонов
с мягкой тканью иллюстрируется на рис. 14.8.
Для других веществ коэффициент ослабления
обычно имеет более высокие значения в
области энергии фотонов ниже 1 МэВ и выше
примерно 5 МэВ.
Фотоны с энергией ниже 5 эВ не могут
взаимодействовать с веществом таким
образом, как это описано выше. Значение энергии
этих фотонов, как правило, не превышает
энергии связи электронов в атомах. Однако
фотоны низких энергий могут вызывать
атомные или молекулярные возбуждения. При
этом происходит полное поглощение энергии
фотона атомом или молекулой, которые
переходят в возбужденное состояние.
Возбужденные атомы или молекулы, возвращаясь в
основное состояние, излучают один или более
фотонов, которые в свою очередь могут точно
таким же путем поглощаться соседними
атомами или молекулами. В конечном счете
энергия первичного фотона преобразуется в
тепловые колебания частиц вещества,
поглощающего излучение. Энергия микроволнового
излучения недостаточна для ионизации
вещества. Воздействуя на биологическую ткань, оно
способно только вызывать ее нагрев. Хотя
высказывалось много соображений относительно
других видов воздействия микроволнового
излучения на живую ткань, ни одно из них не
получило убедительного экспериментального
подтверждения (в том числе и эффекты,
связанные с низкими уровнями облучения).
Из рассмотрения процессов воздействия
различных типов излучений высокой энергии
на вещество можно сделать общий вывод о
том, что это воздействие сводится в конечном
счете к образованию быстрых заряженных
частиц, электронов или положительных ионов,
т.е. к ионизации вещества. Радиационные
повреждения в первую очередь вызываются
именно этими вторичными заряженными
частицами, поскольку они взаимодействуют с
большим числом атомов, чем частицы
первичного излучения. Как можно убедиться из
приведенного ниже примера, процессы ионизации
вещества имеют очень короткую временную
шкалу.
Пример 14.3. Сколько времени потребуется для
полной остановки протона с энер1ией 2 МэВ, движущегося
в ткани с постоянный ускорением?
Используем уравнения для равномерно ускоренного
движения:
v2 = ср§ + 2aS;
v = v0-{- at.
Отсюда время до полной остановки протона
(v~v0)2S / 2Е у/2
О2 —1$ \ т I
Из рис. 14.2
5да_!_=1)3.,о-м
338

и
г =8,2- Ю-12 с.
Этот промежуток времени настолько мал, что всеми
другими явлениями, например химическими реакциями
и т. п., протекающими в данной системе, можно
пренебречь. Поэтому радиационное воздействие отдельной
частицы можно представить как чрезвычайно короткий
временной импульс.
Радиационная химия
Время жизни ионной пары составляет
около 1(Н0 с, т.е. оно достаточно велико по
сравнению с временем ионизации. Ионы вступают
с молекулами вещества в различные
взаимодействия, конечным продуктом которых
являются свободные радикалы, представляющие
собой электрически нейтральные атомы или
молекулы, которые имеют неспаренные
электроны на внешних оболочках. Свободные
радикалы чрезвычайно легко вступают в
реакции. Типичная схема цепочки реакций:
А-*А+ + е~; (14.7)
EF + e~^EF"; (14.8)
EF~-*E~ + F.; (14.9)
F. + 02+(F02).. (НЛО)
Образующийся на конечной стадии перок-
сильный радикал также легко вступает в
реакции и может вызывать структурные
изменения макромолекул, играющих важную роль в
биологических процессах.
Поскольку живая ткань состоит главным
образом из воды, при облучении ее
ионизирующими излучениями различных типов в ней
образуется большое количество радикалов
Н- и ОН-. Первый из этих радикалов
является сильным восстановителем, превосходящим
по своему действию такой достаточно сильный
окислитель, как ОН-. Однако суммарный
эффект воздействия ионизирующих излучений на
живую ткань имеет окислительный характер,
поскольку большая часть реакций, которые
протекают здесь в результате облучения,
приводит к образованию окислителей. Гидрок-
сильные радикалы часто вступают друг с
другом во взаимодействие (ОН-+ОН*) с
образованием перекиси водорода, Н202, которая
также является сильным окислителем.
Если в предшествующем изложении речь
шла о таких процессах взаимодействия
излучения с веществом, физическая и
биофизическая природа которых относительно хорошо
изучена, то при рассмотрении реакций с
участием свободных радикалов приходится
сталкиваться со значительно менее исследованной
областью.
Недостаточно хорошо известны возможные
пути образования радикалов, недостает дан-
ных по относительной вероятности протекания
тех или иных процессов, по скоростям
реакций и т. п. До сих пор при обсуждении
вопросов воздействия излучения на вещество
количественные оценки не производились. Для
этого следует рассмотреть единицы измерения
ионизирующих излучений.
ЕДИНИЦЫ ИЗМЕРЕНИЯ ИЗЛУЧЕНИЙ
Поскольку прежде всего интерес
представляют биологические эффекты, вызываемые
различными излучениями и связанные с
поглощением энергии в живой ткани, может
показаться достаточным использовать для
измерения радиационных эффектов такие
общепринятые единицы, как джоули или джоули на
килограмм. В действительности, однако,
действие излучений на вещество представляет
собой несколько более сложный процесс, чем
простая передача энергии от одного вещества
другому, в связи с чем возникает
необходимость применения специальных единиц.
В 1975 г. 15-я Генеральная конференция по
вопросам мёр и весов рекомендовала
применять для измерения излучений и
радиационных эффектов систему единиц СИ1.
Поскольку, однако, в течение многих лет во всем мире
широко использовалась специальная система
единиц, рекомендации Генеральной
конференции предусматривают 10-летний (до 1985 г.)
переходный период, в течение которого
допускается применение прежней системы единиц.
Поэтому в настоящей монографии приводятся
определения как новых, так и старых единиц
радиационных измерений, хотя при
изложении материала, насколько это возможно,
используются единицы СИ. В то же время
данные, заимствованные из литературных
источников, выражаются в тех единицах, которые
были использованы авторами оригинальных
публикаций.
Активность радионуклида в источнике
Выше уже встречалась единица измерения
активности радионуклида кюри (Ки). Эта
единица была предложена много лет назад для
измерения мощности радиоактивных
источников. Один кюри определяется как активность
радионуклида в источнике, в котором
происходит 3,7-1010 актов распада2 в секунду. Ос-
1 Радиационная защита. Рекомендации МКРЗ.
Публикация № 26. Пер. с англ. М.: Атомиздат, 1978 и
Нормы радиационной безопасности НРБ—76. М.:
Атомиздат, 1978, (Примеч. пер ее.). См. также
рекомендации Международной и Национальной комиссии по
радиационной защите.
2 Спонтанных переходов из определенного ядерно-
энергетического состояния радионуклида. (Примеч.
п ер ев.)
339

тается, однако, неясным, относится ли это
определение к объему или массе вещества. Для
того чтобы устранить этот недостаток, а также
сделать единицу активности независимой от
свойств отдельных веществ * или произвольно
выбранных величин, была предложена новая
единица активности радионуклида в
источнике — беккерель (Бк), которая определяется
как один распад в секунду. Беккерель
включен в систему единиц СИ; для выражения
значений различного масштаба употребляются,
как это принято в системе СИ,
соответствующие кратные единицы.
Экспозиционная доза излучения
Практическое применение рентгеновского
излучения началось еще до того, как была
открыта радиоактивность. Уже на ранних
стадиях радиационных исследований было
принято использовать в качестве количественной
меры экспозиционной дозы значение эффекта
ионизации воздуха, вызываемой
рентгеновским излучением. Это было удобно, так как
эффективный атомный номер воздуха и
биологической ткани приблизительно одинаков и
поэтому можно было ожидать, что в обоих
случаях будет иметь место сходная реакция на
действие рентгеновского излучения. Единицу
экспозиционной дозы рентгеновского
излучения назвали рентгеном (Р). Доза 1 Р создает
в 1 кг воздуха суммарный заряд ионов одного
знака, равный 2,58-10-4 Кл. Поскольку в СИ
экспозиционная доза фотонного излучения
выражается в кулонах на килограмм (Кл/кг),
Генеральная конференция 1975 г. признала
нецелесообразным дальнейшее употребление
рентгена. Тем не менее на практике и рентген
и миллирентген широко используются до
настоящего времени, причем представляется
маловероятным, что эти единицы полностью
выйдут из употребления и по истечении
установленного 10-летнего периода.
Поглощенная доза излучения
Ни беккерель, ни кулоны на килограмм
массы не могут, рассматриваться в качестве
подходящей единицы для измерения
биологического воздействия ионизирующего
излучения, так как они не выражают
действительного количества энергии, поглощенной живой
тканью. Если при воздействии ионизирующего
излучения на какой-то организм
экспозиционная доза составила 1 Кл/кг, это не означает,
что ткани данного организма поглотили
большое количество энергии.
1 Первоначально кюри определялся как число
распадов в 1 г радия.
Биологический эффект зависит от вида
излучения и условий облучения. Так, в случае
альфа-излучения, если радиоактивное
вещество не попало внутрь организма, указанная
экспозиционная доза не окажет практически
никакого биологического воздействия. Мерой
воздействие ионизирующего излучения на
вещество служит поглощенная доза — средняя
энергия, переданная излучением единице
массы вещества. В старой системе единицей
измерения поглощенной дозы служил рад
(1 рад=0,01 Дж/кг). В СИ в качестве
единицы поглощенной дозы принят грэй (Гр), при_
этом 1 Гр = 1 Дж/кг. Расчет поглощенной
дозы, однако, даже в том случае, если известны
все данные о радиоактивном источнике,
является непростой задачей.
Пример 14.4. В организм человека попало через
органы пищеварения 10 мг 55Fe. Найти значение
поглощенной дозы в организме этого человека за 10-летний
период.
Железо-55 распадается по схеме: К-захват с
последующим испусканием фотона рентгеновского излучения.
Количество выделяющейся при этом энергии составляет
0,22 МэВ на акт распада. Период полураспада 55Fe
составляет 2,9 г. Отсюда т = 0,239 и масса
радиоактивного вещества через 10 лет составляет: 10 ехр(—0,239Х
X10) =0,916 мг. Масса вещества, претерпевшего распад,
равна 10,0—0,916=9,084 мг. Отсюда найдем число
распавшихся атомов:
9,084-Ю-3
—¦ -6,022-1023 = 1,0849.10м.
55
Далее найдем общее количество выделившейся при
радиоактивном распаде энергии:
1,0849- 1020-0,22-106 = 2,3867-1025 эВ (1,49-103 Дж).
Чтобы найти количество энергии на единицу массы,
необходимо знать массу тела данного человека, а
точнее, массу тех органов и тканей, которые подверглись
воздействию излучения (маловероятно, что в данном
случае облучение было равномерным по всему телу).
Если принять среднее значение массы тела человека
(мужчины) равным 75 кг и взять для расчета
поглощенной дозы одну треть этой массы (25 кг), то искомое
значение поглощенной дозы составит:
1 49-Ю6
—— =5,96-10* Гр (5,96-10« рад).
25
Это — очень большое значение поглощенной дозы, и
оно указывает на то, какую опасность для здоровья
человека может представлять такое, казалось бы,
незначительное количество радионуклида, попавшее внутрь
организма.
Хотя значение поглощенной дозы может
служить приемлемой мерой количества
энергии, переданной излучением единице массы
вещества, она не вполне удовлетворяет
требованиям задачи оценки биологических
эффектов, вызываемых различными ионизирующими
излучениями. Дело в том, что повреждение
ткани связано не только с количеством
поглощенной энергии, но и с ее пространственным
распределением, характеризуемым значением
линейной передачи энергии 1д: чем выше L д
340

или, иначе, линейная плотность ионизации,
тем больше степень биологического
повреждения, вызываемого ионизирующим излучением
данного вида. Значение LA для различных
видов первичного ионизирующего излучения
зависит от механизма процессов, протекающих
с участием вторичных заряженных частиц и
радикалов, образующихся в ткани в
результате облучения. Подробнее это рассмотрено
ниже, там, где речь будет идти об эффектах
малых доз облучения.
Эквивалентная доза ионизирующего
излучения
Чтобы учесть эффект, обусловленный
различием значений La для разных видов
ионизирующего излучения, вводится понятие
эквивалентной дозы ионизирующего излучения,
которая определяется равенством
H = DQNy (14.11)
где D — поглощенная доза, Гр; Q —
безразмерный коэффициент качества
ионизирующего излучения, значения которого зависят от
типа излучения (приведен ниже); N—
безразмерный коэффициент, зависящий от вида
биологической ткани (его значения для разных
органов и тканей организма различны).
Ниже приведены значения коэффициента
качества ионизирующего излучения1:
Линейная передача энергии в воде, кэБ/мкм Q
3,5 1
3,5—7,0 1—2
7,0—23 г— 5
23—53 5—10
53—175 10—20
Единицей измерения эквивалентной дозы
в системе СИ служит зиверт (Зв). До
настоящего времени, однако, значения
эквивалентной дозы чаще выражаются в старых
единицах— бэрах. Значение эквивалентной дозы в
бэрах получится, если выразить значение по-
глощеной дозы в (14.11) в радах.
Может возникнуть вопрос: в чем состоит
разница между грэем и зивертом? Обе
единицы имеют одинаковую размерность — Дж/кг.
В связи с этим необходимо подчеркнуть, что
только поглощенная доза в грэях выражает
истинное количество энергии, переданной
излучением единице массы вещества
(биологической ткани), в то же время соответствующее
значение эквивалентной дозы в зивертах
выражает эффективное воздействие поглощенной
энергии ионизирующего излучения данного
вида на определенную биологическую ткань,
отнесенное к единице массы этой ткани. При
1 Для рентгеновского излучения, а также для
электронов и позитронов любой энергии Q=l.
этом численное значение эквивалентной дозы
в зивертах может быть значительно больше
соответствующего ему численного значения
поглощенной дозы в грэях.
Коэффициент N можно рассматривать как
взвешивающий коэффициент, учитывающий
различия в чувствительности органов и тканей
к воздействию излучения. Некоторые виды
биологической ткани, например кость,
довольно нечувствительны к воздействию
ионизирующих излучений, тогда как другие, например
половые железы, отличаются повышенной
чувствительностью. Ниже приведены значения
биологического взвешивающего
коэффициента для различных органов и тканей организма
человека, рекомендованные Международной
комиссией по радиационной защите:
Орган или ткань 1/W
Все тело . . . 1,0
Половые железы 0,25
Молочная железа 0,15
Красный костный мозг . . . . 0,12
Легкие 0,12
Щитовидная железа 0,03
Кость 0,03
Повреждающее воздействие на
биологическую ткань ионизирующего излучения с
высокими значениями ЛПЭ значительно больше
воздействия излучения с низким значением
ЛПЭ при одинаковой поглощенной дозе. Так,
альфа-частицы с энергией 5 МэВ имеют
значение Q«15. Поэтому попадание внутрь
организма через дыхательный или
пищеварительный тракт тяжелых радиоактивных
элементов, например плутония, значительно более
опасно для здоровья, чем внешнее
воздействие на организм любого вида радиоактивного
излучения.
Хотя нейтроны сами по себе не ионизируют
вещество, они вызывают образование
вторичных заряженных частиц, которые производят
ионизацию. Именно это обстоятельство
следует иметь в виду, когда речь идет о значении
La для нейтронов. Для тепловых нейтронов
(т. е. нейтронов с энергиями ниже примерно
0,1 эВ) Q = l, для быстрых нейтронов Q«10.
Суммарные сведения относительно единиц
измерения излучений приводятся в табл. 14.4.
Как уже указывалось выше, для измерения
радиационных эффектов следует использовать
единицу системы СИ зиверт. Это — новая
единица, и пока она используется не слишком
широко (в 1975 г. зиверт еще не попал в число
единиц, рекомендованных 15-й Генеральной
конферейцией по вопросам мер и весов;
предполагается, что такая рекомендация будет
выдана в ближайшее время). Некоторые страны
уже перешли на использование новых единиц,
хотя при этом иногда возникают
определенные проблемы. Так, в Великобритании в ка-
34!

Таблица 14.4. Единицы измерения излучения
Величина
Активность
Экспозиционная доза
Поглощенная доза
Эквивалентная доза
Единицы СИ
беккерель (Бк)
кулон/килограмм
(Кл/кг)
грэй (Гр)
зиверт (Зв)
Единицы, не входящие
в СИ
кюри, (Ки)
рентген (Р)
рад
бэр
Определение величины
1 распад в секунду
3,7-1010 распадов в
секунду
2,58-104 Кл/кг
1 Дж/кг
0,01 Дж/кг
H=DQN
H=DQN**
Размерность*
т-1
т-1
Q/M
Q/M
L2/T2
L2/T2
L2/T2
L2/T2
' Размерность выражается через основные величины- T — время; Q — электрический заряд; L — длина; т — масса.
D в бэрах.
честве единицы эквивалентной дозы принят
сантизиверт (в точности соответствующий
старой единице — бэру). Это решение, однако,
следует признать неудачным. Если, к
примеру, потребуется выразить малые значения
эквивалентной дозы (масштаба бэров), сделать
это по правилам системы СИ окажется
невозможным: применение такой единицы как мил-
лисантизиверт здесь недопустимо.
Новое вообще внедряется с трудом,
особенно в областях человеческой деятельности с
установившимся, привычным порядком. Особую
заботу об использовании новой терминологии
должны, по-видимому, проявлять авторы
учебных пособий, по которым обучаются новые
поколения специалистов.
ЕСТЕСТВЕННЫЙ ФОН ИЗЛУЧЕНИЯ
Излучение воздействует на человека
постоянно: солнечные лучи, излучения природных
радиоактивных веществ, радиоактивных
продуктов, образующихся в ядерных реакторах,
и радиоактивных выпадений после испытаний
ядерного оружия. Кроме того, облучение
происходит при рентгенографических
обследованиях, при лечении с использованием методов
радиационной терапии, а также при просмотре
телепередач и в ряде других случаев, о
которых речь пойдет ниже.
Поток солнечного излучения
В состав солнечного излучения, помимо
видимого света, входит также
ультрафиолетовое и инфракрасное излучение. Энергия
инфракрасного излучения недостаточна для
ионизации атомов и молекул вещества, оно
оказывает только тепловое воздействие на
кожу. Ультрафиолетовое излучение способно
ионизировать отдельные атомы, но, главным
образом, его воздействие на биологическую
ткань приводит к нарушению
внутримолекулярных связей. По этой причине
ультрафиолетовое излучение может вызывать опасные
повреждения кожи. Оно может быть причиной
тяжелых ожогов, а при длительном
воздействии может вызывать рак кожи. Было
установлено, что среди групп населения со слабой
пигментацией кожи, которые подвергаются
избыточному воздействию солнечного
излучения, заболевания раком кожи встречаются
гораздо чаще, чем среди групп населения, для
которых не характерно длительное
пребывание в условиях воздействия прямых солнечных
лучей.
Поскольку ультрафиолетовое излучение
поглощается атмосферой, с высотой его
интенсивность возрастает: это хорошо известно
каждому, кто в течение какого-то времени
загорал в горах. Жители тех местностей, которые
расположены значительно выше уровня моря,
342

подвергаются в среднем более интенсивному
воздействию ультрафиолетового излучения,
чем жители равнинных районов. Этот фактор,
наряду с более высоким уровнем облучения
космическим излучением (см. ниже), служит
согласно данным эпидемиологических
исследований причиной повышенного числа случаев
заболеваний, вызванных действием излучения,
среди жителей таких городов, как Денвер и
Мехико.
Подобного рода данные дают, однако,
лишь суммарную картину: они не позволяют
оценить обусловленную разными причинами
долю каждого фактора в общем числе
заболеваний. Нетрудно представить себе, что в таком
городе, как Денвер, расположенном в области
Скалистых гор с развитой горнодобывающей
промышленностью, должен наблюдаться
также повышенный уровень активности
природных радиоактивных веществ.
Природные радиоактивные вещества
В табл. 14.5 представлены радиоактивные
изотопы, которые присутствуют на Земле со
времени образования нашей планеты. В
природе встречаются также дочерние
радиоактивные изотопы — продукты распада 238U и 232Th,
среди которых следует упомянуть 226Ra с
периодом полураспада 1622 года.
Образование быстро распадающихся
радиоактивных изотопов происходит непрерывно в
результате бомбардировки земной атмосферы
частицами космического излучения.
Космическое излучение так же, как и
ультрафиолетовые лучи, поглощается атмосферой. Можно
ожидать поэтому более высоких уровней
космического излучения на больших высотах, и
Таблица 14.5. Радионуклиды, изначально существующие
на Земле
Изотоп
Уран-238
Торий-232
Калий-40
Ванадий-50
Рубидий-87
Индий-115
Лантан-138
Самарий-147
Лютеций-176
Содержание
в земной коре,
млн-1 (г/г*)
(4-Ю-6)
(12-10—в)
(3-10-4)
0,2
75
0,1
0,01
1
0,1
Период
полураспада, годы
4,5-109
1,4-1010
1,3-109
5- Ю14
4,7-Ю10
6- 10й
1,1-Юн
1,2« Ю11
2,МО10
' Тип
излучения
Альфа
Альфа,
гамма
Бета,
гамма
Гамма
Бета
Бета
Бета, гам*
ма
Альфа
Бета,
гамма
* Грамм на гламм вещества земной коры.
Таблица 14.6. Некоторые из радионуклидов, образуемых
космическим излучением
Изотоп
Тритий-3
Бериллий-7
Бериллий-10
Углерод-14
Натрий-22
Кремний-32
Фосфор-32
Фосфор-33
Сера-35
Хлор-36
Период
полураспада, годы (сут)
12,3
(53)
2,7-Ю6
5760
2,6
700
(14,3)
(25)
(87)
3-105
Объемная активность
в нижних слоях
атмосферы, Бк/м3*
Ю-1
2- Ю-2
2-Ю-9
8- Ю-2
2- 10-6
4-Ю-8
4-Ю-4
3- 10-*
3-Ю-4
6- Ю-10
* Воздуха.
это действительно так: среднее значение
потока космического излучения в Денвере (1610 м
над уровнем моря) эквивалентно 2•1О-3 Кл/
/(кг-ч), тогда как в Бостоне (6,5 м над
уровнем моря)—0,9-10~3 Кл/(кг-ч). В табл. 14.6
представлены некоторые из радионуклидов,
образующихся в результате ядерных реакций
с участием частиц космического излучения.
Наиболее важным из них, по-видимому,
следует считать 14С, поскольку он легко
включается в пищевую цепочку и имеет довольно
большой период полураспада.
Многие из природных радионуклидов
более или менее равномерно рассеяны по всему
земному шару; другие могут под действием
различных естественных процессов
концентрироваться в определенных геологических обра*
зованиях или в определенных видах растений.
Так, например, для некоторых областей
Бразилии (штаты Минас-Жерайс, Эспириту-Сан-
ту) и Индии (штат Керала), где имеются
аллювиальные отложения монацитовых песков,
характерен повышенный естественный фон
ионизирующего излучения, обусловленный
высоким содержанием в монаците тория и
редкоземельных элементов.
Тяжелые радионуклиды представляют
особую опасность при попадании внутрь
организма, поскольку они откладываются прежде
всего в костях, отличаются длительным
периодом пребывания в организме и являются
источниками альфа-излучения. Более легкие
радионуклиды, такие как 14С и 40К,
биологически более активны и поэтому выводятся из
организма значительно быстрее. В табл. 14.7
приводятся для ряда элементов (независимо
от их изотопного состава) некоторые данные,
характеризующие их биологическую
активность.
Благодаря наличию радионуклидов, как
изначально присутствующих на Земле, так и
образуемых космическим излучением, на на-
ЗчЗ

Таблица 14»7. Биологическая активность некоторых
элементов

Элемент
н
с
Na
К
Sr
I
Cs
Ва
Ra
Th
и
Pu
Наиболее
чувствительный орган
или ткань
организма человека
Все тело
Жировая ткань
Все тело
Мышечная
ткань
Кость
Щитовидная
железа •
Мышечная
ткань
Кость
Кость
Кость
Почки
Кость
Масса
вещества
органа
или ткани,
кг
70
10
70
30
7
0,2
30
7
7
7
0,3
7
Период
полу
выведения из
1
организма, сут
19
35
19
37
4000
120
17
200
20 000
40 000
30
43 000
Доля полной
дозы,
полученная
данным органом
или тканью
1,0
0,6
1,0
0,92
0,7
0,2
0,45
0,96
0,99
0,82
0,065
0,75
шей планете существует естественный фон
ионизирующего излучения, воздействию
которого постоянно подвергается все живущее иа
Земле. Естественный фон ионизирующего
излучения неоднороден, он варьируется в
зависимости от высоты местности,
географического региона, состава употребляемых продуктов
питания, типа жилища и других факторов.
В США, например, уровень фона
ионизирующего излучения варьируется примерно от
0,85 мГр/год (85 мрад/год) на Атлантическом
побережье до 1,8 мГр/год (180 мрад/год) в
районе Скалистых гор. Заметим, что это —
средние значения; фоновое значение
поглощенной дозы ионизирующего излучения
может оказаться для некоторых людей на 10—
20 % выше, например для тех, кто живет в
домах из камня или бетона, кто часто
совершает путешествия самолетом, или для тех, кто
работает с радиоактивными веществами.
Те, кто живет в каменных или бетонных
зданиях, получают большую дозу вследствие
повышенного содержания в этих
строительных материалах урана, тория и их дочерних
продуктов, особенно газообразного радона.
Хотя увеличение годовой дозы фонового
излучения на 20 % может показаться не слишком
существенным, не следует забывать, что, если
люди находятся под воздействием
повышенного фонового излучения в течение многих лет,
кумулятивный эффект такого облучения
может быть весьма значительным.
Пример 14.5. Пусть среднее значение
индивидуальной дозц за счет естественного радиационного фона в
США равно 1,0 мГр/год, а риск заболеть раком для
жителя этой страны в среднем составляет 1800 на
1 000 000. Какова была бы степень риска заболеть раком
в течение 30 лет для жителя США, если бы
естественный фон ионизирующего излучения был выше на 20 %?
(Примем, что при увеличении дозы облучения на 0,01 Гр
смертность от рака увеличивается на 120 случаев на
миллион).
За 30 лет среднее значение индивидуальной дозы
составило бы 1,0-10"3-30=3,0-10~2 Гр. При 1,2 мГр/год
оно составило бы 3,6-10~2 Гр, т. е. возросло бы на 0,6 X
Х10"2 Гр. Это привело бы к увеличению смертности от
рака на 72 случая на миллион. Следовательно, для
отдельного жителя США риск заболеть раком с летальным
исходом увеличился бы до 1872 на 1 000 000, т. е. на 4 %.
Радиация, возникающая в результате
деятельности человека
Помимо воздействия природных
источников радиации, каждый из нас может
подвергаться воздействию самых разнообразных
источников ионизирующего излучения,
возникающих в результате деятельности человека.
Среди этих техногенных источников радиации
наиболее заметная роль, без сомнения,
принадлежит рентгеновскому излучению, которое
используется для целей медицинской
диагностики. Доза, получаемая при рентгеновском
обследовании, колеблется в широких пределах
в зависимости от типа применяемой пленки, от
того, какие органы подвергаются облучению,
от состояния и качества используемого
оборудования, от профессионального умения
специалистов-рентгенологов. Экспозиционные дозы
по оценкам варьируются от 10 мР (2,4 X
ХЮ-7 Кл/кг) до 3000 мР (7,2-Ю-4 Кл/кг),а
поглощенные дозы — от 100 мкГр (10 мрад)
до 30 мГр (3 рад). Индивидуальная доза,
полученная при однократном рентгеновском
обследовании, вполне может оказаться
сравнимой с годовой дозой за счет естественного
радиационного фона.
В США было принято решение о
прекращении массовых рентгеновских обследований
грудной клетки, которые регулярно
проводились в 40-е и 50-е годы.
В некоторых штатах к работе в качестве
рентгенологов допускаются только
дипломированные специалисты, прошедшие
соответствующую профессиональную подготовку. В
большинстве же штатов такие специальные
требования к медицинскому персоналу не
предъявляются. Большая часть дантистов и
врачей других специальностей не получают
достаточной радиологической подготовки.
Кроме того, во многих медицинских учреждениях
все еще используется устаревшее
рентгеновское оборудование, которое не имеет хорошей
защиты и не обеспечивает получения строго
коллимированного пучка. В качестве общей
рекомендации укажем, что каждый человек
должен следить за тем, чтобы не подвергаться
рентгенодиагностическим процедурам без
особой необходимости.
Другим источником, вносящим в последние
20 лет существенный вклад в радиационный
344"

фон, создаваемый в результате деятельности
человека, являются радиоактивные осадки при
испытаниях ядерного оружия. Заключенного в
1962 г. соглашения о запрещении ядерных
испытаний в атмосфере придерживаются все
ядерные державы, за исключением КНР и
Франции, которые продолжают производить
ядерные взрывы. В общем частота проведения
испытательных ядерных взрывов в атмосфере
заметно снизилась. До того как был подписан
договор о запрещении испытаний ядерного
оружия в атмосфере, суммарная мощность
произведенных ядерных взрывов составила
около 511 Мт (в тротиловом эквиваленте).
При этом около 193 Мт приходится на долю
ядерного оружия, использующего цепную
реакцию деления ядер тяжелых элементов, а
оставшуюся часть составляют взрывы
термоядерного (или водородного) оружия.
При взрыве атомной бомбы в атмосфере
образуется более 200 радионуклидов. Большая
часть из них имеет очень короткие времена
жизни и распадается до выпадения на землю.
Среди тех радионуклидов, которые живут
достаточно долго (см. табл. 7.7), наибольшую
опасность для здоровья людей представляют
131I, 90Sr и 137Cs. Все они биологически
активны и имеют период полураспада
соответственно 8 сут, 28 лет и 30 лет. Стронций в
химическом отношении ведет себя подобно кальцию,
поведение цезия в организме человека сходно
с поведением калия. Отмечалось, что в США
значительно менялось содержание 1311 в
молоке с конца 1961 до начала 1963 г., т.е. в
период наиболее интенсивных ядерных испытаний
в атмосфере. Были сделаны оценки
среднемесячных значений по всей стране; в разных
частях страны среднемесячные значения
варьировались в широких пределах, достигая в
отдельных случаях уровня 26 Бк/л (700пКи/л).
Результаты суточных измерений в некоторых
местностях нередко в три раза превышали
это значение.
Эти три радионуклида проникают в
организм с пищей, обычно с молоком от коров,
которые поедали траву, загрязненную
радиоактивными выпадениями после испытаний
ядерного оружия. Биологическая активность этих
продуктов (см. табл. 14.7) делает их особенно
опасными и может привести к накоплению
очень больших доз в некоторых
чувствительных органах.
Пример 14.6. Количество 90Sr, которое в 1963 г.
ежедневно попадало с пищей в организм жителя Нью-
Йорка, составляло в среднем около 0,94 Бк. Каково
значение дозы, накопленной в костной ткани жителя Нью-
Йорка в среднем в течение 1963 г.?
Бета-распад 9oSr приводит к образованию 90Y,
который в свою очередь, подвергаясь бета-распаду (рис.
14.9), превращается в стабильный 90Zr. Указанные на
схеме значения энергии бета-излучения 90Sr и 90Y coot-
Рис. 14.9. Схема радиоактивного распада 90Sr и его
дочернего продукта Y90
ветствуют максимальным значениям спектра энергий
бета-частиц, испускаемых этими радионуклидами.
Средние значения энергии бета-частиц составляют 0,3 или 0,4
максимальных значений (в зависимости от того, с
какими изменениями ядерного квантового числа связан
данный процесс распада).
Примем среднее значение энергии равным 0,4?щах
(худший случай). Гамма-излучение радионуклидов не
полностью поглощается тканями человеческого тела.
Пусть в костной ткани поглощается 10 % энергии
гамма-излучения. Тогда общее количество поглощенной
энергии в результате одного акта превращения 90Sr в
90Zr составит
(0,54 + 2,27).0,4+ 1,75-0,1 МэВ =
= 1,299 МэВ(2,078.10-13 Дж).
Согласно данным табл. 14.7 доля поглощаемой
костной тканью активности радионуклида 90Sr, ежедневно
попадающего внутрь организма в количестве 0,94 Бк,
составляет 70 %, или 0,658 Бк, что соответствует 5,685 X
ХЮ4 распадов в сутки. Таким образом, костная ткань
ежедневно поглощает 5,685-104-2,078- Ю-13 Дж.
Значение дозы, накопленной в костной ткани в течение года,
получим делением общего количества поглощенной
энергии за год в джоулях на массу костной ткани в
организме. Полученное в результате значение поглощенной
дозы составит 0,79 мГр.
Итак, радиоактивные выпадения от
испытаний ядерного оружия, облучение в
медицинских целях, радиоактивные продукты,
образующиеся в результате работы атомных
электростанций, даже рентгеновское облучение от
телевизоров — все это создает дополнительный
радиационный фон и обусловливает
возрастание дозы облучения, получаемой каждым
человеком. Индивидуальная доза варьируется
в значительных пределах, но для большинства
людей ее значение лежит в области от 1 до
3 мГр (от 100 до 300 миллирад). Какое же
влияние оказывает ионизирующее излучение
на человеческий организм?
БИОЛОГИЧЕСКОЕ ВОЗДЕЙСТВИЕ
ИОНИЗИРУЮЩЕГО ИЗЛУЧЕНИЯ
Эффекты воздействия ионизирующего
излучения на живой организм обычно
разделяются на две категории: соматические (телес-
345

Рис. 14.10. Схема живой клетки, состоящей из ядра,
окруженного цитоплазмой, которая заключена в
оболочку
ные) и генетические эффекты. Соматические
эффекты возникают в организме человека,
который подвергался облучению; генетические
эффекты проявляются у его потомков. В
зависимости от мощности поглощенной дозы
проявления радиационного воздействия на живой
организм могут носить характер острого или
хронического поражения. Острые
радиационные поражения возникают при действии
больших доз облучения в течение короткого
времени. Хроническое радиационное воздействие
обычно имеет место при поглощении малых
доз облучения в течение продолжительного
периода времени. При описании соматических и
генетических влияний облучения обычно не
возникает особых затруднений. Относительно
просто могут быть также охарактеризованы
эффекты остропоражающих доз; этого,
однако, нельзя сказать об эффектах хронического
воздействия малых доз, представления о
которых носят довольно противоречивый
характер. Вначале рассмотрим более простые
вопросы воздействия ионизирующего излучения
на живой организм и затем коснемся
некоторых фактов, имеющих отношение к сложной
и пока не решенной проблеме биологических
эффектов малых доз облучения.
Соматические эффекты
Действие больших доз облучения на
биологическую ткань изучено достаточно
хорошо. Не совсем ясными остаются, как это
видно из предшествующего изложения, лишь
некоторые детали процессов преобразования
энергии ионизирующего излучения при его
поглощении биологической тканью на
микроскопическом уровне. Один из возможных
механизмов поражающего действия
ионизирующего излучения связывают с образованием в
процессе взаимодействия этого излучения с
биологической тканью множества свободных
радикалов, которые служат причиной гибели
большого числа живых клеток вследствие
разрушения их плазменных мембран.
Живая клетка схематически показана на
рис. 14.10. Она состоит из ядра, окруженного
цитоплазмой, на долю которой приходится
основная часть массы вещества клетки.
Цитоплазма, в свою очередь, окружена
оболочкой — плазменной мембраной. Клеточная
мембрана селективно пропускает питательные
вещества и отходы жизнедеятельности.
Цитоплазма использует питательные вещества для
выработки энергии, необходимой для
функционирования клетки и ее размножения путем
деления. Генетическая природа клетки
определяется хромосомами, которые находятся в
ее ядре. Как показано на рис. 14.10, в клетке
имеются и некоторые другие
специализированные структурные элементы.
Структура клеточных мембран
характеризуется послойным расположением фосфолипи-
дов и белковых веществ. Фосфолипиды
подвергаются активному воздействию свободных
радикалов ОН- и О-, а также Н202, которые,
как известно, в больших количествах
образуются в облученной ткани. Результатом этого
воздействия является разрушение мебраны,
приводящее к потере клеткой цитоплазмы и к
прекращению ее нормального
функционирования. Действие этого механизма разрушения
клеток может усиливаться в присутствии
больших количеств кислорода. Именно этот
фактор, по-видимому, служит причиной усиления
эффекта радиационной терапии раковых
заболеваний в случаях, когда раковая опухоль
находится в ткани с повышенным содержанием
воды, например в органах пищеварительного
тракта, по сравнению с теми случаями, когда
опухоль находится в ткани с низким
содержанием воды (легкие или костная ткань).
Гибель живой клетки может произойти
также в результате ее прямого поражения
ионизирующим излучением. Если трек частицы
ионизирующего излучения проходит вблизи
молекулы дезоксирибонуклеиновой кислоты
(ДНК) в одной из хромосом, это может
привести к ионизации одного или нескольких
атомов или радикалов ДНК или даже к полному
разрушению спиральной структуры молекулы
ДНК. Как было установлено, ДНК является
носителем генетической информации, которая
позволяет делящимся клеткам в точности
воспроизводить те функции, которые они должны
выполнять в организме. Если пораженная
молекула ДНК оказывается неспособной к са-

мовосстановлению и если эта молекула
играет существенную роль в репродуктивном
процессе, клетка утрачивает способность
делиться. Такая клетка погибает. Повреждение
молекулы ДНК не обязательно приводит к
утрате возможности клетки к размножению,
оно может привести к изменению
генетической информации, которую несет данная
молекула. В таком случае после деления клетки
возникает мутация. Эта мутация может, как
это и происходит в большинстве случаев,
оказаться гибельной для клетки — клетка не
сможет больше выполнять свои функции.
Появление мутации может произойти и без каких
бы то ни было последствий для живой клетки.
Наконец, мутация может оказаться
канцерогенной; мутантная клетка начинает
размножаться со значительно большей скоростью,
чем нормальные клетки, и образовавшаяся
опухоль может привести к гибели всего
организма.
Гибель большого числа клеток,
составляющих тот или иной орган, приводит к
нарушению функционирования этого органа, а
возможно, и к полному выходу его из строя.
Достаточно большие дозы облучения могут
привести и действительно приводят к смерти.
Но радиационные воздействия далеко не
всегда привадят к фатальному исходу. Радиация
действует подобно яду — ее действие не
ограничивается отдельными органами, а
поражает весь организм. Эффект радиационного
воздействия может проявиться совсем не в том
месте, которое подвергалось облучению.
Большая доза облучения, полученная одним
органом, например рукой, может привести к
появлению опухоли в другом органе. Подобно
действию ядов радиационное поражение может
быть общим или избирательным по
отношению к тому или иному органу или ткани.
Эффекты радиационного воздействия
определяются накопленной дозой, т. е. они могут иметь
кумулятивный характер. Как мы уже видели,
некоторые органы отличаются повышенной
чувствительностью к воздействию
ионизирующего излучения. В отличие от большинства
ядов ионизирующее излучение может очень
быстро приводить к поражающему
воздействию. Оно может вывести из строя иммунную
систему организма и сделать его более
восприимчивым к таким заболеваниям, как
пневмония.
Распределение энергии, выделяемой в тка-
цях организма при воздействии
ионизирующего излучения, носит случайный характер.
Точно так же случайным образом происходят
взаимодействия ионов и свободных радикалов
с окружающими молекулами. По этой
причине совсем не обязательно, что выделение
одного и того же количества энергии при воз-
Рис 14.11. Зависимость процента смертельных исходов
за 30 сут в результате облучения людей от поглощенной
дозы:
/' — доза LD50 (30)
действии ионизирующего излучения в разное
время на разных людей или на близкие
области тела приводит к одинаковому эффекту.
Нельзя утверждать, что определенная доза
облучения всегда вызывает совершенно
определенный эффект. Если нанести на график
процент случаев, когда в течение
определенного периода времени наблюдается в
зависимости от поглощенной дозы определенный
эффект действия ионизирующего излучения,
получим кривую, подобную представленной
на рис. 14.11. Видно, что значение дозы,
от которой в течение 30 суток погибает 50 %
людей, подвергавшихся облучению, составляет
приблизительно 3 Гр. Эту дозу принято
обозначать LD50 (30). Значение дозы LD5o (30)
для крыс, подвергаемых действию
рентгеновского излучения, составляет около 7,4 Гр^ для
различных живых существ значения этой
величины, как видно из данных,
представленных ниже, варьируются в значительных
пределах:
Доза
LD60
(30),
Гр
Лягушки . . . . 7,0
Куры 6,0
Мыши ь>и
Обезьяны . . . . 5,5
Морские свинки . 4,0
Собаки . . . . 3,5
Реакция человеческого организма на
воздействие больших доз ионизирующего
излучения зависит от поглощенной дозы.
Дозы свыше 100 Гр, по-видимому,
приводят к поражению нервной системы.
Симптомы, наблюдавшиеся в тех немногочисленных
случаях, когда в результате аварий люди
получали такие дозы, по данным сообщений,
совпадают с симптомами заболеваний,
связанных с серьезными повреждениями
центральной нервной системы. Получение столь
больших доз является результатом воздействия
мощных потоков ионизирующего излучения.
Это можно проиллюстрировать следующим
примером.
Золотые рыбки
Черепахи .
Воробьи .
Кролики .
Крысы . .
Хомяки
Доза
tD50
(30),
Гр
20,0
15,0
8,0
8,0
7,5
7,0
ZYJ

Пример 14.7. Индивидуальная доза облучения в
результате воздействия источника 60Со в течение 10 с
составила 100 Гр. Сколько фотонов гамма-излучения
попало при этом в организм человека, если каждый
фотон теряет в тканях тела около 40 % свогй энергии?
Схема распада 60Со показана на рис. 14.12.
Наиболее вероятное превращение — бета-распад с
образованием нуклида 60Ni в возбужденном состоянии с энергией
2,50 МэВ. Это состояние претерпевает распад с
последовательным испусканием гамма-фотонов с энергиями 1,17
и 1,33 МэВ. Каждая такая пара фотонов в среднем
выделит в тканях человеческого тела энергию в количестве
0,4-2,50^=1,00 МэВ = 1,6-10-13 Дж. Для человека,
имеющего массу 75 кг, поглощенная доза от одной пары
фотонов составит
1,6-Ю-3
= 2,13-10-15 Гр.
Следовательно, для получения дозы 100 Гр необходимо
100
5 =4,688-1016 пар фотонов, или 9,37-1016
гамма-фотонов.
При поглощенных дозах от 9 до 100 Гр
летальный исход обычно наступает в
результате инфекционного заболевания, которое
является следствием проникновения бактерий в
организм через стенки кишечника, пораженные
действием радиации. По этой причине данный
эффект часто называют желудочно-кишечным
синдромом. Следует заметить, что четко
разграничить этот синдром и синдром поражения
центральной нервной системы невозможно.
И в том, и в другом случае результат один и
тот же: необратимое нарушение
функционирования жизненно важных систем организма,
Рис. 14.12. Бета-распад в0Со и последующее
гамма-излучение дочернего нуклида 60Ni
Рис. 14.13. Эффект сокращения продолжительности
жизни в результате воздействия радиации
практически неизбежно приводящее к смерти.
В области значений поглощенной дозы от
3 до 9 Гр чаще всего также имеет место
летальный исход. У всех людей, получивших
такие дозы, наблюдаются характерные
изменения клеток крови и кроветворных органов, в
связи с чем этот эффект получил название
синдрома кроветворных органов.
При поглощенных дозах ниже примерно
0,5 Гр процент умерших в течение 30 сут
весьма невелик. Однако для получивших такие
дозы существует повышенный риск
заболевания лейкемией и другими формами рака, так
же как и риск других заболеваний.
В результате экспериментов на животных
было показано, что воздействие ионизирующих
излучений сокращает продолжительность
жизни: облученные животные умирали раньше,
чем животные из контрольной группы, не
подвергавшиеся облучению. Этот эффект
схематически представлен на рис. 14.13. Здесь
прямая А изображает нормальный процесс
старения животного, в ходе которого происходит
накопление эффектов повреждающих
воздействий на организм, вызванных резличными
естественными причинами, вплоть до момента,
когда жизнь обрывается в результате
болезни или выхода из строя одного или
нескольких жизненно важных органов. Кривая В
соответствует случаю, когда в момент времени
tB животное получает остропоражающую
сублетальную дозу облучения. В течение периода
времени до ^происходит до определённой
степени восстановление нарушенных функций
организма, а затем процесс старения вновь
протекает с прежней скоростью. Однако смерть
облученного животного наступает раньше, в
момент времени Ы. Эффект сокращения
продолжительности жизни в результате
облучения наблюдался для многих видов животных;
понятно, однако, что количественное
определение этого сокращения продолжительности
жизни для людей экспериментальным путем
невозможно.
Наука пока не может дать точного ответа
на вопрос о том, как происходит образование
и рост раковых клеток. Полагают, что в
человеческом организме раковые клетки
образуются непрерывно под действием самых
различных причин, таких как ионизирующее
излучение, химические канцерогены, а также
спонтанно. Обычно эти клетки либо погибают
сами, либо разрушаются иммунной системой
организма. У некоторых людей, возможно,
ввиду их генетической предрасположенности
раковые клетки образуют некий очаг, который
развивается в опухоль. В настоящее время
одним из наиболее тяжелых эффектов
биологического действия ионизирующего излучения
считают отдаленное по срокам появление ра-
348

ковых заболеваний; с самого начала, однако,
наиболее важное значение придавалось
генетическим эффектам радиации.
Генетические эффекты
В соматических (неполовых) клетках
человеческого организма генетическая
информация — наследственные признаки —
содержится в двух наборах хромосом (по 23
хромосомы в каждом), находящихся в ядрах клеток.
Половые клетки, сперматозоиды и яйцеклетки
содержат по одному набору хромосом.
Полагают, что носителем генетических данных для
каждого признака является соответствующий
ген, определенным образом локализованный
в хромосоме. Хромосомы состоят из молекул
ДНК, которые служат в качестве банков
генетических данных. При делении клетки
молекулы ДНК выполняют роль кальки, с которой
точно воспроизводится новая ДНК, таким
образом происходит репликация хромосом.
Каждая половина вновь образовавшегося набора
из 46 пар хромосом переходит в одну из двух
новых клеток, как это показано на рис. 14.14.
Этот процесс получил название митоза.
Половые клетки содержат только по 23 хромосомы
(а не 23 пары). Процесс их деления (мейоз)
имеет несколько более сложный характер.
Когда клетка претерпевает процесс
деления, в ее ядре содержится значительно
большее, чем в обычном состоянии, количество
ДНК. Как следствие этого, делящиеся клетки
существенно более чувствительны к
воздействию ионизирующего излучения. Повреждения
хромосом могут носить различный характер:
разрывы, образование поперечных связей,
изменение расположения генов, изменение
структуры молекул. ДНК. Любое из этих
повреждений может привести к гибели клетки, так
как оно может нарушить процесс митоза.
Генетические изменения, вызванные
внешними причинами, такими как ионизирующее
излучение, не обязательно приводят к
фатальным последствиям. Некоторые генетические
изменения, называемые мутациями, могут
порождать жизнеспособные клетки, которые
могут передавать то или иное изменение из
поколения в поколение. Иногда эти изменения
имеют доброкачественный характер, как, на-
Интерраза
Лрофаза
Метшраза
Интерсраза Телоф а за /Iна (раза
Рис. 14.14. Митоз — процесс деления клеток, при котором генетическая информация
дублируется в каждой новой клетке
31Г)

Отец Мать Рис. 14.15. Закон пере-
Кг Кг дачи наследственной ин-
I I формации Менделя
КК КК кг Гг
flomoMcmffa
пример, изменения окраски радужной
оболочки глаза или пигментации кожи (альбинизм),
появление кожных перепонок между
пальцами и т. п.
Однако часто мутации оказываются
вредными или крайне опасными, например синдром
Дауна (монголизм), гемофилия,
средиземноморский синдром, серповидноклеточная
анемия, болезнь Тэя-Закса и MHofne другие.
Некоторые мутации являются
рецессивными. В этом случае, для того чтобы данный
признак передался потомству,
соответствующим образом измененная хромосома должна
присутствовать у обоих родителей.
Доминантный признак обязательно наследуется, если
измененный ген присутствует хотя бы у
одного из родителей.
Последнее пояснение необходимо для
того, чтобы понять, каким образом
генетическая информация передается от одного
поколения к другому, следующему за ним.
Классический пример из менделевской генетики —
передача генетической информации о цвете
радужной оболочки глаз. Известно, что карие
глаза — признак доминантный, голубые —
рецессивный. Если, например, у одного из
родителей хромосомную пару, которая содержит
гены, определяющие цвет радужной оболочки
глаз, можно обозначить Кг (один — карие
глаза, другой — голубые), а у другого родителя
сочетание генов в хромосомах аналогично
(тоже Кг), то у потомства возможны различные
комбинации генов, как это показано на рис.
14.15. Из четырех детей; у троих могут
оказаться карие глаза, а у одного — голубые. Но это
средние цифры, они получены в результате
усреднения данных для большого числа
подобных случаев. Необходимо иметь в виду, что
передача наследственных признаков —
процесс стохастический, хотя конечно у потомства
возможны только те комбинации признаков,
которые определяются генами, имеющимися у
обоих родителей. Так, для рассматриваемого
случая можно представить себе такую (хотя
и маловероятную) ситуацию, когда все дети
данной пары будут иметь голубые глаза.
Подобным же образом потомству могут
передаваться и какие-то нежелательные
признаки, даже если они не проявляются у
данного носителя соответствующего гена. В
определенной популяции эти нежелательные гены
постепенно утрачиваются, особенно если их
наличие может приводить к гибельным
последствиям для индивидуума. Однако поскольку
многие из таких генов являются
рецессивными, для их полного исчезновения
потребуется весьма длительное время, должны будут
смениться многие поколения. Это бремя
нежелательных наследственных признаков
часто называют генетической нагрузкой. Казалось
бы, со временем общий генетический фонд
может быть освобожден от нежелательных ге-
нов. Этого, однако, не происходит, так как
непрерывно возникают мутации за счет
естественного фона ионизирующего излучения,
действия химических мутагенов или
спонтанных эффектов, природа которых недостаточно
ясна. В конечном счете устанавливается
равновесие между этими двумя процессами —
появлением мутаций и удалением из генофонда
нежелательных признаков за счет
естественного отбора.
Частоту возникновения новых мутаций
можно оценить непосредственно путем
наблюдения за теми представителями новых
поколений, которые проявляют доминантные
признаки, отсутствовавшие у родителей.
Установлено, например, что такой генетически
обусловленный признак, как карликовый рост,
проявляется в среднем у одного из
двенадцати тысяч детей (т.е. 1 из 24 тыс. генов).
Большая часть «прямых» наблюдений подобного
типа указывает на то, что частота
возникновения мутаций лежит в пределах от 1 на 10 тыс.
до 1 на 1 млн.
Ионизирующее излучение может привести
к многократному увеличению частоты
мутаций (от 10 до 10 тыс. раз в зависимости от
типа излучения и дозы облучения). Важное
значение при этом имеет тип клеток,
подвергаемых облучению, и их митотическое состояние
(фаза митоза). Особой чувствительностью
отличаются клетки, находящиеся в состоянии
деления; половые клетки также чувствительны
к действию ионизирующего излучения.
Напротив, клетки мышечной ткани, не имеющие
ядра, и нервные клетки, которые имеют ядро, но
не делятся, не очень чувствительны к
ионизирующим излучениям. Последние особенно
сильно действуют на развивающийся зародыш,
который наиболее чувствителен к этому
воздействию на протяжении первой трети
периода внутриутробного развития.
Имеется немало доказательств мутагенных
эффектов, вызываемых относительно
большими дозами облучения". На рис. 14.16
представлен график зависимости доли (в процентах)
летальных мутаций от дозы облучения для
плодовой мушки. Эта зависимость имеет ли-
нвйный характер вплоть до достаточно малых
350

Z5 SO 75 100 .
(WOO) (2000) (13000) (П0О0)
Доза о5луЧ?ния; МНп/нг(р)
Рис. 14.16. Зависимость доли летальных мутаций,
наблюдаемых у плодовой мушки, от дозы облучения
значений дозы. На основании подобных
данных, полученных для других видов животных
экспериментальным путем или для человека
в результате эпидемиологических
исследований, можно в ряде случаев количественно
оценить величину радиационных эффектов.
Например, общепринятым значением риска
летального исхода от рака в результате
облучения при поглощенной дозе 0,01 Гр является
100 на 1 млн. (табл. 14.8). Такое значение
риска при облучении большого пальца
соответствовало бы значительно большим дозам —
вероятно свыше 1 Гр. Остается, однако, спорным
вопрос о том, сохраняется ли линейный
характер зависимости степени биологического
воздействия ионизирующего излучения от
большой дозы до весьма малых значений дозы
(около 0,01 Гр).
Таблица 14.8. Число летальных исходов
от злокачественных опухолей на I млн. чел.
Вид ракового заболевания
Лейкемия
Рак легких
Рак молочной железы женщин
Опухоли костной ткани
Рак щитовидной железы
Опухоли других органов и
тканей
Все злокачественные опухоли

Облучение при
дозе
10 мкЗв
15—25
25—50
60
2—5
5—15
25
120
Спонтанные
причины
(естественный
канцерогенез)
69
410
160
9
5
1117
1770
Малые дозы облучения
Долгое время полагали, что при очень
малых дозах существует порог биологического
действия ионизирующего излучения, подобный
тому, который можно видеть на кривой а (рис.
14.17). Кривая Ь на том же рисунке соответст-
Поглощенная доза.
Рис. 14.17. Гипотезы о зависимости биологического
воздействия ионизирующего излучения от дозы облучения
в области очень малых доз
вует гипотезе о линейной зависимости, а
кривая с — о наличии надлинейных эффектов,
т. е. более высокого выхода поражений на
единицу дозы в области малых доз, чем при
больших значениях дозы. В настоящее время
существуют данные, которые могут быть
использованы для подтверждения каждой из этих
трех гипотез. Как показали эксперименты на
животных, в то время как однократное
воздействие некоторой большой дозы может
привести к гибели животного, та же самая общая
доза, накопленная небольшими порциями в
результате нескольких сеансов облучения в
течение определенного периода времени,
может дать очень незначительный эффект.
Возможное объяснение этому — наличие каких-то
механизмов восстановления, позволяющих
пораженным клеткам устранить соматические
или генетические повреждения, вызванные
воздействием ионизирующего излучения.
Очевидным, однако, является и то, что полное
восстановление не может быть достигнуто, о чем
свидетельствует изменение значений дозы
LD5o (30) д^я тех животных, которые прежде
подвергались облучению.
Исходя из общеизвестных представлений
об отсутствии полного восстановления,
большинство специалистов по радиационной
биологии придерживается гипотезы о беспороговой
линейной зависимости доза — эффект. В
пользу этой гипотезы говорят результаты целого
ряда исследований, однако прямые
экспериментальные доказательства линейной
зависимости при очень малых дозах пока
отсутствуют. Гипотеза, которая иллюстрируется на рис.
14.17 кривой с, не подтверждается
какими-либо известными теоретическими предпосылками
усиления эффектов действия излучения при
очень малых дозах, В этом отношении
представляют интерес результаты одного
экспериментального исследования, в котором
измерялась зависимость времени, необходимого для
разрушения клеточных мембран в водном
растворе, содержащем 22Na, от мощности дозы.
Было обнаружено, что с увеличением мощно-
351

сти дозы это время уменьшается. Однако, как
ясно следовало из рассмотрения рассчитанных
по данным экспериментов значений полной
дозы облучения, приводящей к разрушению
клеточной мембраны, при небольшой мощности
дозы разрушение мембраны происходило при
меньших значениях дозы облучения, чем при
большой мощности дозы.
Этот эффект можно объяснить, если
принять, что главную роль в разрушении
клеточной мембраны играют свободные радикалы.
Свободные радикалы образуются в объем.е
микроскопического цилиндра, окружающего
трек частицы ионизирующего излучения. Если
в таком цилиндре одновременно находится
большое число свободных радикалов,
вероятность того, что многие из них, если не
большая часть, рекомбинируют, не успев покинуть
пределы цилиндра, оказывается достаточно
высокой. В этом случае могут пострадать
только те клетки, которые находятся внутри
этого цилиндра. Если же свободных
радикалов образуется немного, существует довольно
большая вероятность, что они не
рекомбинируют внутри цилиндра, а диффундируют
вовне, в результате чего будет поражено большее
число клеток. Такое объяснение, однако, еще
нуждается в проверке.
Получение достоверных данных о
радиационных эффектах малых доз облучения весьма
затруднительно. Прежде всего это связано с
недопустимостью проведения каких-либо
экспериментов, которые могли бы представлять
потенциальную опасность для здоровья
людей. А именно к этой категории экспериментов
следовало бы отнести любые опыты над
людьми, связанные с получением ими
контролируемых доз облучения, даже если речь идет об
очень малых дозах. Отсюда — необходимость
проведения экспериментов на животных, хотя
экстраполяция получаемых при этом данных
на людей далеко не всегда дает надежные
результаты. Известно, что насекомые более
устойчивы к действию радиации, чем мыши,
которые, в свою очередь, более устойчивы, чем
обезьяны, и т.д. Еще одна немаловажная
трудность заключается в том, что для
проведения экспериментальных исследований
требуется очень большое количество животных.
Пример 14.8. Для того чтобы предсказать
количество злокачественных опухолей определенного вида,
индуцированных у мышей высокими дозами облучения,
используют соотношение
C=AR,
где С — число раковых опухолей на 100 тыс. мышей;
R — поглощенная доза, Гр; А — постоянная, равная
1000. Частота появления раковых опухолей вследствие
естественного канцерогенеза составляет 5 на 100 тыс.
Сколько животных необходимо подвергать облучению
при дозе 1 мГр для того, чтобы получить статистически
значимые результаты?
Оценка по приведенному выше соотношению при
дозе 1 мГр дает С=\ на 100 тыс. мышей. При каком
условии это значение- окажется статистически значимым
на фоне естественного канцерогенеза? Если принять
уровень значимости равным 10 %, то это условие может
быть выражено как V 6/6 = 0,1 (где 6—разность
общего числа случаев появления раковых опухолей и
числа случаев, обусловленных естественным
канцерогенезом). Из этого условия найдем количество животных,
которых необходимо подвергать облучению. Поскольку
где /V-100 000 — число облучаемых мышей,
°'1= w.6 — N-5 "" N '
откуда
Итак, потребуется подвергать облучению 10 млн. мышей!
Учитывая огромные трудности получения
достоверных данных о радиационных
эффектах малых доз, международные органы,
отвечающие за выработку норм радиационной
безопасности, приняли за основу при
нормировании радиационного воздействия беспороговую
линейную гипотезу зависимости доза —
эффект. Хотя не исключено, что эта гипотеза
преувеличивает опасность радиационного
воздействия малых доз, она лучше отвечает
гуманным требованиям надежной защиты людей от
ионизирующего излучения.
НОРМЫ РАДИАЦИОННОЙ БЕЗОПАСНОСТИ
На ранних стадиях деятельности,
связанной с источниками ионизирующего излучения,
отсутствовало ясное представление о
биологическом воздействии радиации. Как следствие
этого — преждевременная смерть многих
людей, работавших в этрй области. Сегодня,
когда всеми осознается необходимость
установления безопасных пределов допустимого
облучения как профессионалов, работающих с
источниками ионизирующего облучения, так и
всего населения, все еще отсутствует общая
точка арения в отношении критериев,
определяющих эти безопасные пределы.
Действующие нормы
В 1928 г. была создана комиссия
International commitee on Radiation protection
(ICRP) x для выработки норм радиационной
безопасности персонала, подверженного
профессиональному облучению. Хотя этот
персонал подвержен большему, чем другие группы
населения, риску получения повышенных доз
облучения, и в то время, и сейчас признаются
недопустимыми такие уровни облучения персо-
1 Международная комиссия по радиационной
защите (МКРЗ). (Примеч. п е р е в.)
?52

нала, при которых для его коллективного
генофонда могла бы возникнуть угроза
необратимых изменений.
В США нормы радиационной безопасности
устанавливаются агентством Environmental
Protection Agency (EPA), которое обычно
следует рекомендациям ICRP. Агентство
обратилось к Академии наук США с просьбой
выработать критерии для установления безопасных
норм облучения. Созданный академией
специальный комитет периодически выпускает
отчеты «Биологические эффекты ионизирующего
излучения» (ВЕЩ), последний из которых был
опубликован в 1979 г. Отчет BEIR-III
подтверждает нормы, первоначально
сформулированные в 1972 г. в отчете BEIR-I. В качестве
одного из основных положений принята
концепция беспороговой линейной зависимости
доза— эффект. В соответствии с этими нормами
для лиц, подверженных профессиональному
облучению, предельно допустимая доза
(ПДД) составляет 50 мГр/в год (5 рад). При
этом ПДД не должна превышать 1 мГр
(0,1 рад) в неделю и 30 мГр (3 рад) за один
квартал. Установлены также ПДД для
отдельных органов и предельно допустимые
концентрации (ПДК) некоторых радионуклидов в
воздухе и в воде.
В соответствии с нормами радиационной
безопасности, установленными агентством
ЕРА, для населения индивидуальная доза
облучения от источников ионизирующего
излучения, исключая естественный радиационный
фон и добавки к нему за счет медицинских
диагностических процедур, не должна
превышать 50 мГр (5 рад) за 30 лет, что
эквивалентно 1,7 мГр (170 мрад) в год. В последних
рекоменддциях МКРЗ, посвященных
регламентации дозовых нагрузок для населения,
указывается, что дозы облучения должны
поддерживаться «на таких низких уровнях, какие
только можно разумно достигнуть»
(критерий ALARA).
Поскольку ПДД не включает дозы за счет
естественного радиационного фона и
медицинских процедур, в число основных
источников, которые необходимо принимать во
внимание, входят: профессиональное облучение,
выпадения от испытаний ядерного оружия,
выбросы и сбросы АЭС и других предприятий
ядерного топливного цикла, облучение лиц из
населения, которые не работают
непосредственно с источниками ионизирующего
излучения, но по условиям размещения рабочих мест
могут подвергаться воздействию
радионуклидов или других источников радиации. Ниже
приводятся рекомендации МКРЗ относительно
минимально необходимых вкладов в ПДД за
счет различных источников ионизирующего
излучения,
Источник Доза облучения
рад мГр
Облучение на рабочем месте ... 1.0 10
Облучение лиц, непосредственно не
работающих с источниками
ионизирующего излучения 0,5 5
Общее облучение, связанное с
использованием атомной энергии . 2,0 20
Резерв' 1,5 15
5,0 50
1 Для источников, которые могут появиться в будущем
Максимальная доза облучения за счет
источников, связанных с работой АЭС и других
предприятий ядерного топливного цикла, не
должна превышать й рад за 30 лет, или
67 мрад (670 мкГр) в год. Для того чтобы
обеспечить выполнение этих требований,
комиссия США (Nuclear Regulatory
Commission) ввела ряд ограничений, касающихся
выбросов и сбросов АЭС с водоохлаждаемыми
реакторами:
интегральное значение эквивалентной дозы
от выбросов радионуклидов благородных
газов в любой точке на границе площадки АЭС
не должно превышать 10 мбэр (100 мкЗв) в
год;
расчетное значение индивидуальной
эквивалентной дозы, обусловленной сбросами
жидких отходов, не должно превышать 5 мбэр
(50 мкЗв) в год;
эквивалентная доза для любого из органов
тела человека в результате выбросов и
сбросов долгоживущих радионуклидов (t\/2^S сут)
не должна превышать 5 мбэр (50 мкЗв).
При условии выполнения этих требований
индивидуальная эквивалентная доза
облучения населения за счет источников, связанных
с работой АЭС и других предприятий
ядерного топливного цикла, не превысит 15 мбэр
(150 мкЗв), что существенно ниже
рекомендованного МКРЗ нормативного значения 67 мбэр
и составляет около 10 % среднего значения
дозы естественного радиационного фона.
Возможность значительного выхода
радионуклидов в окружающую среду нельзя
исключить даже при нормальной работе водо-
охлаждаемых ядерных реакторов» И, конечно,
большие количества радиоактивных
продуктов могут быть выброшены в случае
аварийных ситуаций, таких как известный инцидент
на АЭС Три Майл Айленд (США). Однако,
как показывают оценки, даже в этой
чрезвычайной ситуации для человека, который
находился бы у северного входа АЭС на
протяжении 24 ч в сутки в течение первых трех дней
сразу же после инцидента, интегральная
эквивалентная доза облучения всего тела
составила бы не более 90 мбэр. Это значение дозы
может показаться большим, если сравнить его
353

с годовой ПДД. Попробуем, однако,
посмотреть на него с несколько иной точки зрения.
Пример 14.9. Сколько времени может потребоваться
для того, чтобы эквивалентная доза облучения жителя
г. Денвера оказалась на 900 мкЗв больше эквивалентной
дозы облучения жителя г. Бостона?
Ранее в этой главе отмечалось, что годовая доза
естественного радиационного фона в г. Денвере может
составить i,8 мГр, а в г. Бостоне около 0,85 мТр. В этом
случае доза, полученная жителем г. Денвера в течение
года, была бы на 0,95 мГр больше годовой дозы
облучения жителя г. Бостона. Отсюда следует, что для
получения жителем г. Денвера дополнительной по
сравнению с жителем г. Бостона эквивалентной дозы
облучения за счет естественного радиационного фона,
значение которой равно значению дозы облучения, полученной
наблюдателем в течение 3 сут после инцидента на АЭС
Три Майл Айленд, потребовалось бы несколько менее
одного года. (При этом, конечно, предполагается, что
житель г. Денвера не будет подвергаться облучению в
медицинских целях. Принимается также, что для
ионизирующего излучения с низким значением LA
поглощенной дозе в 1 Гр соответствует эквивалентная доза в
1 Зв.)
Представляет также интерес
сопоставление масштабов последствий аварии на АЭС
Три Майл Айленд и последствий такого
явления природы, как извержение вулкана Сент-
Хеленс. По оценке значение общей активности
радионуклидов, выброшенных в окружающую
среду в результате аварии на АЭС Три Майл
Айленд, составляет 9-Ю16 Бк, тогда как при
извержении вулкана Сент-Хеленс 18 мая
1980 г. в атмосферу попали радиоактивные
вещества, активность которых приблизительно
составляет 1,1-1017 Бк. Следует заметить, что
основная доля активности аварийных
выбросов АЭС Три Майл Айленд приходится на
радиоактивный газ ксенон, тогда как в составе
радиоактивных продуктов извержения
вулкана Сент-Хеленс преобладают радий, торий,
полоний, свинец и калий. Эти элементы
биологически гораздо более активны, чем ксенон,
и поэтому потенциально значительно более
опасны.
Конечно, нормы радиационной
безопасности, рекомендованные ICRP и принятые
агентством ЕРА являются условными. Они не
принимают во внимание, например, возможный
синергизм эффектов ионизирующего
излучения и некоторых наследственных заболеваний,
таких как астма. Как показывают
исследования, больные астмой подвержены гораздо
более высокому риску заболевания раком, чем
остальные люди. Возможно существуют и
другие подобные комбинации, пока не столь
хорошо известные.
Ввиду отсутствия нижнего порога дозы
облучения, который можно было бы признать
безопасным, оценка какого-то значения дозы,
даже такого как 170 мрад в год (что может
оказаться ниже дозы естественного
радиационного фона), как допустимого на основе
критерия ALARA, означает признание его
разумно достижимым. Некоторые специалисты
полагают, что оно разумно до такой степени, что
кажется смехотворно низким. Другие считают,
что оно завышено не меньше, чем на порядок.
Наличие столь противоречивых оценок
заставляет искать ответ на вопрос: каких затрат
требует понижение риска и какую пользу это
принесет обществу?
Соотношение польза — риск
Вопрос о том, сколько стоит жизнь, может
показаться бессмысленным, но именно так
стоит вопрос. В действительности почти
ежедневно, не отдавая себе в том отчета, так или
иначе приходится отвечать на этот вопрос,
например решая, какой марки автомобильные
шины следует приобрести, или нужно или не
нужно показаться врачу и т. д. Подобным же
образом поступает и человеческое общество,
когда принимается решение из-за слишком
высоких затрат не вводить нормы,
предусматривающие строгое ограничение содержания
сернистого газа в отходящих газах угольных
электростанций. Это означает, что такой
экономический показатель, как стоимость,
фактически соотносится с человеческими жизнями и
делается вывод, что эта стоимость слишком
высока.
Постоянно приходится сталкиваться с
разного рода опасностями; поведение при этом
определяет степень риска, которому человек
подвергается. Например, пересечение
Атлантического океана связано с определенным
риском. Однако степень риска при этом зависит
от вида транспорта: при путешествии на
гребной лодке риск высок, а на океанском
лайнере — невелик. Ионизирующие излучения,
связанные с работой АЭС, представляют
определенную опасность для населения; приемлемая
степень риска, обусловленного
использованием атомной энергии, зависит от большого
числа факторов, которыми, в общем, можно
управлять.
Практически по отношению ко всем видам
риска, поддающимся контролю, справедливо
следующее правило: уменьшение риска
требует прогрессирующего возрастания расходов,
что иллюстрируется кривой а на рис. 14.18,
Эта кривая представляет собой график
зависимости общественных затрат, связанных с
регулированием риска, от степени риска и
отражает то очевидное положение, что по мере
возрастания степени риска контролировать
его становится все труднее и дороже. Кривая
Ь изображает зависимость приносимого
обществу ущерба от той опасности, риск которой
контролируется, от степени риска (а
фактически — от меры контроля). Эта кривая пока-
354

зывает, что при низкой степени риска (и,
соответственно, при небольших расходах на его
регулирование) общество терпит большой
ущерб от данной опасности. По мере
увеличения степени риска и соответственно расходов
на его регулирование ущерб, приносимый
обществу, уменьшается. Кривая с,
представляющая результат сложения кривых а и Ь,
проходит через минимум. Соответствующая этому
минимуму степень риска является
оптимальной; в этой точке кривые а и Ь имеют
одинаковый, но противоположный по знаку
наклон. Если использовать экономическую
терминологию, можно сказать, что в этой точке
небольшому приращению суммы
общественных затрат на регулирование риска
соответствует точно такое же по абсолютной
величине понижение ущерба, наносимого обществу
данной опасностью. Дальнейшее увеличение
расходов на регулирование риска приведет
уже к меньшему снижению ущерба.
Теоретически все выглядит хорошо.
Однако на практике при использовании этого
подхода приходится сталкиваться с двумя
трудностями: оценки риска и определения
общественных затрат, соответствующих той или иной
степени риска. В течение многих лет
производилась оценка риска, связанного с
различными видами деятельности человека, с разными
событиями и индивидуальными действиями.
Было выполнено большое число
исследований, результаты которых в целом
согласуются. На рис. 14.19 графически представлена
связь частоты разного рода событий и числа
погибших в результате одного события. О чем
говорят эти данные? Понятие риска связано
не только с вероятностью, но и с некоторой
абсолютной величиной. Если некоторое
событие имеет низкую вероятность проявления, то
при этом подразумевается, что связанный с
ним риск невелик. Но если такое
маловероятное событие может повлечь за собой гибель
большого числа людей, риск, обусловленный
этим событием, будет выше.
Все кривые, приведенные на рис. 14.19,
относятся к такого рода событиям, для которых
имеется достаточное количество
статистических данных. В области более высокой
смертности для некоторых видов событий имеются
только отрывочные сведения, поэтому здесь
сплошные линии переходят в штриховые.
Однако для целого ряда других видов опасности
отсутствуют столь же надежные данные,
позволяющие оценить степень риска. Это
относится и к оценке риска, связанного с работой
АЭС. Проблема риска от эксплуатации АЭС
сейчас повсеместно и активно обсуждается,
однако статистические данные,
характеризующие уровень облучения населения в
результате аварий на АЭС, практически отсутству-
Рис. 14.18.
Зависимость общественных
затрат, связанных с
регулированием
риска, от степени риска
Рис. 14.19. Зависимость частоты событий, связанных с
опасностью для жизни людей от числа погибших
(смертности) в результате одного события:
/ — суммарное значение; 2 — при пожарах; 3 — при взрывах;
4 — при разрушении плотин; 5 — при авиационных катастрофах
ют, поскольку крупных аварий было совсем
немного. Ничего неизвестно, например, о
каких-либо случаях с летальным исходом в
результате аварии на АЭС Три Майл Айленд, и
будет невозможно прямо связать с этой
аварией смерть тех людей из населения,
относительно которых можно было бы предположить,
что они подверглись облучению. Это
объясняется тем, что с общепринятой точки зрения
доза облучения местного населения
настолько мала, что число индуцированных раковых
опухолей и других заболеваний, вызванных
облучением, слишком незначительно для
того, чтобы его можно было выделить на фоне
статистики спонтанной (естественной)
заболеваемости.
Как же все-таки можно определить
частоту повреждений АЭС? Это можно сделать
двумя способами. Во-первых, только в США
имеется более 90 действующих АЭС, более 170
АЭС действует в других странах мира. В сред-
355

нем каждая станция проработала более 8 лет,
и при этом имела место только одна &*зария,
причем эта авария не вызвала ни одного
случая гибели, людей. По оценке частота аварий
составляет 1 на 2520 реакторов Хлет работы.
Это значение, однако, нельзя принять как
достоверное; в действительности частота аварий
может оказаться значительно выше или
значительно ниже этого значения — нет
достаточно надежных статистических данных,
чтобы получить достоверный результат.
Другой способ оценки частоты аварий
основывается на проведении анализа
безопасности АЭС, исходя из данных по ожидаемой
частоте отказов отдельных компонентов, систем
обеспечения безопасности и т. д. Методы,
используемые в настоящее время, получили
название анализа дерева событий и анализа
дерева ошибок. При проведении анализа с
использованием дерева событий некоторое
событие (например, нарушение работы
запорного клапана) принимается в качестве
исходного, а затем во времени прослеживаются одна
за другой все возможные цепочки
последующих событий; при этом оцениваются
вероятности повреждений в каждом из звеньев; как
показано на рис. 14.20. Вероятность любой
отдельно взятой последовательности событий
равна произведению вероятностей всех
событий в цепочке, начиная от исходного.
Анализ с использованием дерева ошибок
выполняется аналогичным образом. Различие
состоит в том, что после выбора
определенного события прослеживаются все цепочки
событий, которые могли привести к данному
событию, т. е. анализ производится в
направлении, противоположном течению времени (рис.
14.21).
Дерево событий на рис. 14.20 содержит
четыре линии обеспечения безопасности (ЛОБ).
Каждая из них может с определенной
вероятностью привести к успеху (У) или к неудаче
(Н); оценки вероятности успеха или неудачи
указаны на рис. 14.20 для каждого из
разветвлений дерева событий. Например,
вероятность того, что сработает детектор дыма,
принята равной 0,7, хотя, конечно, не
исключается, что при тех или иных обстоятельствах это
значение может оказаться выше или ниже.
Вероятность того, что жители данного дома
поднимут тревогу, будет существенно
зависеть от того, сработает ли детектор дыма.
Оценка вероятности того, что тревогу
поднимут соседи (третья линия обеспечения
безопасности), составляет 0,5. В конечном счете
судьба дома будет зависеть от того,
достаточно ли быстро отреагирует на сигнал тревоги
противопожарная служба. Для описания
возможных последствий используются
аббревиатуры: ЖС — жители спасены, ДС — дом
спасен, ДР — дом разрушен и ЖП — жители
погибли. Интересно отметить, что, несмотря на
принятые в данном случае оптимистические
оценки вероятности успеха событий,
гарантирующих безопасность, полное конечное
значение вероятности того, что дом будет спасен,
лишь немного превышает 0,5.
С помощью дерева ошибок (рис. 14.21)
делается попытка выявить все возможные
причины и различные цепочки вызываемых
этими причинами последствий, приводящих в
конечном счете к пожару. На рис. 14.21
приведены оценки вероятности проявления действия
той или иной причины. Подобные оценки
вероятности приведены на основе статистики
определенных событий или отказов элементов
356
Рис. 14.20. Анализ пожара жилого дома с использованием дерева событий

различных систем, а, естественно, они
подвержены значительным колебаниям. В данном
случае, очевидно, наиболее вероятной
причиной пожара жилого дома является загорание
воспламеняемых материалов на кухонной
плите. Анализ таких диаграмм может быть
полезным, в частности, для выявления
дополнительных линий обеспечения безопасности.
Например, наличие на кухне углекислотного
огнетушителя могло бы привести к
значительному уменьшению вероятности опасных
последствий возгорания на кухонной плите.
Рассмотренный здесь для случая пожара
жилого дома достаточно простой подход к
анализу проблем безопасности может быть
применен и для значительно более сложных
систем, таких как ядерные реакторы. В
последние два десятка лет было опубликовано
очень большое число исследований,
посвященных анализу проблем безопасности в ядерной
энергетике. Одним из наиболее известных
является так называемый доклад Расмуссена
(ученый-физик из Массачусетского института
технологии, возглавлявший группу
исследователей). В этом исследовании также
применялись методы анализа, основанные на
использовании дерева событий и дерева ошибок.
Представленные в докладе Расмуссена
результаты оценки зависимости между частотой
проявления события и числом погибших
приведены в виде кривой на рис. 14.22. Эта
кривая проходит значительно ниже любой из
аналогичных кривых, относящихся к другим
сферам человеческой деятельности (см.,
например, рис. 14.18). Один из выводов доклада
состоит в том, что вероятность гибели в
результате воздействия, исходящего от АЭС
(радиационной аварии), близка к вероятности быть
убитым в результате падения на поверхность
Земли крупного метеорита.
Противники ядерной энергетики подвергли
доклад Расмуссена резкой критике как в
отношении оценок степени риска, так и в
отношении оценок возможного числа летальных
исходов вследствие радиационных аварий. Дело
в том, что результаты анализа методом дерева
событий или методом дерева ошибок целиком
зависят от надежности используемых
исходных данных. Нелегко получить, например,
надежные данные по отказам для всех
компонентов реактора.
Ошибки персонала также трудно
поддаются вероятностному анализу с получением
количественных оценок. Получаемые расчетным
путем значения степени риска неизбежно
будут иметь погрешность. Какова все-таки
точность этих оценок? Возможно, приемлемой
была бы ошибка в пределах порядка величины.
Но, если даже принять возможность ошибки на
два порядка величины, степень риска от атом-
Рис. 14.2L Анализ пожара жилого дома с
использованием дерева ошибок
ной энергетики остается ниже степени риска,
связанного с другими видами опасности.
Критике подвергаются также приведенные
в докладе Расмуссена результаты оценки
числа смертельных случаев в связи с авариями
АЭС. В исследовании, выполненном
физическим обществом American Physical Society,
получены значительно более высокие оценки
числа смертей вследствие радиационной
аварии. При этом принимались во внимание
также отдаленные последствия аварии — смерть
людей от рака и других заболеваний,
вызванных облучением и проявившихся позднее;
кроме того, в этих расчетах использовались
несколько отличные данные по вероятностям
отказов компонентов АЭС. По оценке общества
Рис. 14.22. Зависимость между частотой события
(аварии) и числом погибших в результате одного события
на основе анализа для 100 АЭС:
1 — по оценке группы Расмуссена; 2 — по оценке, полученной в
исследовании общества American Physical Society
357

American Physical Society количество случаев
с летальным исходом более чем на три
порядка превышает значения оценки этой
величины, данной в докладе Расмуссена; в то же
время оба исследования дают практически
совпадающую оценку вероятности аварии.
Работа, выполненная группой Расмуссена,
представляет собой наиболее глубокое и
всестороннее исследование вопросов
безопасности ядерной энергетики с использованием
методов анализа дерева событий и дерева
ошибок. Она внесла чрезвычайно ценный вклад в
наши представления по данной проблеме.
Можно не сомневаться в том, что в
дальнейшем эта методология будет
усовершенствована и позволит точнее оценивать степень риска
и возможные последствия (число
смертельных случаев) радиационных аварий на АЭС.
Вывод, который можно сделать на основе
недавней дискуссии по вопросам ядерной
безопасности, состоит в следующем: хотя ядерная
энергетика представляет определенную
опасность для населения, притом, вероятно, не в
большей мере, чем традиционные направления
энергетики, существует возможность
дальнейшего снижения степени риска от
использования АЭС. При этом, однако, не следует
забывать о том, что хорошо иллюстрирует кривая
с на рис. 14.18: начиная с определенного
момента, затраты на дальнейшее снижение
радиационного риска окупаются все меньше и
меньше.
Действительная трудность состоит не в
определении цены человеческой жизни: такие
оценки, сделанные разными автооами, в
общем согласуются между собой, а в
определении степени риска, а также того, насколько
она может быть снижена за счет применения
того или иного способа регулирования.
Несмотря на то что проблемы, связанные с
потенциальной опасностью ядерной энергетики,
изучены, вероятно, лучше, чем проблемы,
связанные с другими видами опасности, которым
подвергается человек, представления в этой
области могут получить дальнейшее развитие,
особенно в отношении исследования
деревьев отказов различных элементов и узлов
оборудования, а также ошибок персонала,
приводящих к радиационным авариям.
В течение последнего десятилетия были
проведены широкие исследования процессов
взаимодействия ионизирующего излучения
с тканями «человеческого тела. Природа и
последствия этих процессов изучены в
настоящее время гораздо лучше, чем более
значительные воздействия, оказываемые на
человеческий организм многочисленными
химическими канцерогенами, присутствующими в
биосфере. По-видимому, принятые в
настоящее время нормы радиационной безопасности
достаточно правильно отражают
действительную роль ионизирующих излучений с
точки зрения их вредности для здоровья людей.
Деятельность МКРЗ, освещаемая в периоди*
чески публикуемых ею обзорах, позволяет
рассчитывать на то, что любые новые факты,
Таблица 14.9. Области применения источников ионизирующего излучения и связанный с ними риск
Источник
Рентгеновская диагностика
Промышленная радиография
Цветное телевидение
Ядерная энергетика
Радиоизотопы
Ультрафиолетовое излучение
Радиолокация
Печи с СВЧ-нагревом
Цель, область применения
Сохранение здоровья
Контроль качества изготовления
ответственных изделий из металла
(крылья самолетов и т. п.) с
помощью рентгеновского излучения
Просвещение, информация,
развлечение
Низкая стоимость, малое загрязнение
воздуха, опреснение воды,
отопление жилищ
Совершенствование диагностики и
лечебных процедур в медицине
Использование в технологических
процессах промышленного
производства
Навигация, оборона
Приготовление пищи, улучшение
условий работы служб питания (в
больницах и т. п.)
Риск
Генетические изменения, лейкемия и
другие виды рака, сокращение
продолжительности жизни
То же
» »
» »
» »
Повреждения клеток кожи и органов
зрения
Повреждения органов зрения
(катаракта), генетические изменения
То же
358

относящиеся, например, к доказательству
наличия надлинейных эффектов в области
малых доз или значительному возрастанию
заболеваний, связанных с существенно
отдаленными последствиями облучения, найдут
незамедлительное отражение в ее рекомендациях
и радиационных нормативах.
Любой норматив всегда представляет
собой результат компромисса между риском и
выгодой. Например, допускается загрязнение
воздуха в крупных городах, поскольку нет
уверенности в том, что выигрыш, который
можно получить в результате мер по
предотвращению загрязнения и очистке воздуха,
оправдает необходимые затраты. По этой же
причине допускается неудовлетворительное
противопожарное состояние крупных
гостиничных зданий, построенных еще до того, как
были приняты строгие муниципальные нормы
противопожарной безопасности.
Перечисление подобных примеров можно было бы
продолжать бесконечно; не следует думать, что в
этом отношении проблемы безопасности,
связанные с радиационным фактором,
составляют исключение. В табл. 14.9 перечислены
различные области практического применения
источников ионизирующего излучения с
указанием получаемой пользы и возможного
риска. В большинстве случаев это —
добровольный риск: никто не заставляет людей покупать
печь с СВЧ-нагревом. Однако риск от ядерной
энергетики не является добровольным.
Поэтому всегда надо быть уверенным в
том, что степень риска, которому
подвергаются люди при развитии ядерной энергетики, не
превышает степени риска от использования
любой другой технологии, дающей такой же
полезный эффект. Ядерная энергетика как
отрасль энергетической промышленности
сегодня не является источником чрезмерного риска.
Однако отдельная АЭС вследствие
недостатков конструкции или неправильной
эксплуатации может оказаться таким источником.
В США эсплуатационные характеристики
каждой АЭС контролируются комиссией по
ядерному регулированию. Это позволит
легко обнаруживать отклонения от нормальной
работы.
УПРАЖНЕНИЯ
1. Покажите, что максимальное количество энергии,
которое частица с массой М и энергией К может
передать электрону оболочки атома, определяется
выражением
где т — масса электрона.
2. Кусок свинцовой фольги в форме прямолинейного
четырехугольника с координатами вершин на плоскости
(0,60; 0,71), (0,$9; 1,21), (2,22; 0,55) и (2 36; 1,38)
(цена деления по оси абсцисс и оси ординат равна 1 см)
имеет массу 120 мг Найдите поверхностную плотность
фольги.
Ответ: 170 мг/см2.
3. Определите плотность смеси атомов легких
элементов, эквивалентной по составу биологической ткани
(см. табл. 14.2).
4. Покажите, что толщина слоя вещества, проходя
через который заряженная частица с энергией Е\ теряет
часть своей энергии, равную Д?, определяется выраже-
нием
t = R(Ex) — R(EA — Д?),
где R(E)—длина пробега частицы данного вида с
энергией ? в данном веществе
5. Покажите, что ускорение заряженной частицы
определяется выражением
Используя это выражение, а также график на рис
14.3, покажите качественно, что время ионизации частиц
ткани в действительности значительно меньше численно*
го значения, полученного в примере 14.3.
6. График зависимости атомного коэффициента
ослабления фотонного излучения в свинце от энергии
фотонов имеет ряд резких пиков (рис. 14.24). Заметим, что
эти пики наблюдаются в области энергий, где
доминирующим типом взаимодействия фотонного излучения с
веществом является фотоэлектрический эффект, Какой
физический процесс является причиной появления этих
пиков?
7. Каково максимальное значение угла комптонов-
ского рассеяния фотона с первоначальной энергией
2,0 МэВ, при котором он будет иметь еще достаточно
Рис. 14.23.
Зависимость атомного
коэффициента ослабления
фотонного излучения
в свинце от энергии
фотонов (к
упражнению 6)
Рис. 14.24. Схема распада

энергии для образования электрон — позитронной пары?
Ответ. 60,7°.
8. Оцените толщину слоя" ткани, необходимого для
полного торможения протона с энергией 10 МэВ.
Сравните полученное значение с толщиной слоя,
необходимого для уменьшения на 99,9 % интенсивности пучка
гамма— фотонов с энергией 10 МэВ.
9. Какова активность радионуклида 239Ри (в бекке-
релях) в свежеприготовленном образце массой 100 мкг?
10. Студент предлагает использовать для работы с
Источником 90Sr, имеющим активность 270 МБк и
содержащимся в стеклянной пробирке, плотные перчатки.
Безопасно ли это? Как обстояло бы дело, если бы в
стеклянной пробирке находился 22Na активностью
370 МБк?
11. Какую поглощенную дозу (Гр) мог бы получить
человек, в организм которого через органы дыхания
попало (и осталось бы в нем) 100 мкг 239Ри?
Ответ: 7,2 Гр (720 рад).
12. Каково максимальное количество радионуклида
90Sr, г, при попадании которого в организм человека не
будет превышено максимально допустимое значение
индивидуальной поглощенной дозы от 1 мГр/год 90Sr?
13. По оценкам специалистов ядерный взрыв в
атмосфере мощностью в 1 Мт (в тротиловом эквиваленте)
приводит к тому, что среднее содержание активности
радионуклида 90Sr в костной ткани детей достигает
1,15 Бк на 1 г кальция. Суммарная мощность ядерных
взрывов, произведенных при испытаниях в атмосфере до
1963 г., составила 193 Мт (в тротиловом эквиваленте).
Каково значение поглощенной дозы, полученной детьми
от 90Sr за период от 1963 до 1983 г.?
14. При какой активности альфа-излучающего
радионуклида (энергия альфа-частиц принимается равной
4 МэВ) эквивалентная доза в легких окажется
одинаковой по значению величины с дозой от 1 кБк 90Sr в
крстной ткани?
15. Индивидуальная поглощенная доза от
естественного радиационного фона составляет в среднем 1,15 мГр
в год. Эта величина включает дозу от присутствующих
в биосфере природных радионуклидов земного
происхождения (около 600 мкГр), космического излучения
(около 300 мкГр), а также от радионуклидов, входящих
в состав органов и тканей человеческого тела
(примерно 250 мкГр). Основной вклад в эту последнюю
составляющую полной дозы от естественного радиационного
фона приходится на долю 40К.
а) Рассчитайте дозу от 40К, используя следующие
данные. В теле человека массой 70 кг содержится около
150 г калия. На каждые 8500 атомов калия приходится
один атом 40К. 40К имеет период полураспада 1,3-109
лет. При распаде ядра 40К выделяется энергия в
количестве 1,3 МэВ, из которых примерно 0,6 МэВ
поглощается в тканях человеческого тела.
б) Сравните дозу от 40К. полученную за 1 год, с
действующими нормативами, установленными комиссией
по ядерному регулированию США, в отношении доз
облучения населения за счет работы ядерного реактора.
Ответ: а) 280 мкГр.
16. Предположим, что человек, который подвергался
облучению в течение 10 с от источника 80Со (см.
пример 14.7), находился на расстоянии 3 м от источника.
Какова была активность этого источника в беккерелях?
17. На рис. 14.24 представлена схема распада
радионуклида 1311. Оцените дозу облучения щитозидной
железы ребенка, который с сентября 1961 г. по январь
1962 г. ежедневно выпивал 1 л молока.
18. Среднее значение дозы от естественного
радиационного фона в Нью-Хевене (штат Коннектикут) и Чей-
не (штат Вайоминг) составляет соответственно 720 мкГр
и 1,64 мГр в год. Сколько случаев раковых заболеваний
может ежегодно дополнительно возникать в Чейне
ввиду наличия избыточного фона? Будет ли эта разница
статистически значимой?
19. Человек, проживший 10 лет в г. Денвере, решил
с целью уменьшения уровня облучения переехать в штат
Северная Каролина, где среднегодовая индивидуальная
доза от естественного радиационного фона составляет
0,86 мГр. Как долго должен он прожить на новом
месте, чтобы среднегодовая доза за все прожитые им годы
соответствовала значению 1,0 мГр?
Ответ: 57,1 года.
20. В некотором многочисленном изолированном
сообществе 75 % людей имеют карие глаза (примем для
них соотношение: 50 % КК и 50 Кг), а 25 % —голубые.
Какова вероятность того, что в этом сообществе
родится ребенок с голубыми глазами?
21. В некотором многочисленном изолированном
сообществе 89 % новорожденных имеют карие глаза.
Какую долю составляют люди с карими (примем для
них соотношение: 50 % КК и 50 % Кг) и с голубыми
глазами -среди их родителей?
22. Индивидуальная доза облучения от
радиоактивных продуктов, которые попадают в окружающую
среду в результате нормальной работы АЭС, составляет в
расчете на одного жителя США примерно 10~7 Гр в год.
Сколько дополнительных случаев раковых заболеваний
может вызвать работа 200 реакторов в течение 30 лет?
Более реалистичная оценка предполагает, что полную
расчетную дозу от работы АЭС получит только около
1 % населения. Как изменится результат, если принять
эту оценку?
23. На ТЭС, работающей на угле, с хорошей скруб-
берной системой очистки дымовых газов около 2,5"%
массы угольной золы уходит в атмосферу в виде
аэрозолей, содержащих радий в количестве 4 частей на 1013.
Оцените суточный выброс радиоактивности от ТЭС,
работающей на угле мощностью 1000 МВт. Какова годовая
доза облучения в результате работы этой
электростанции жителя прилегающего к ней района, если
индивидуальная доза облучения в этой местности составляет
около 50 мГр от каждых 18 кБк радиоактивности,
содержащейся в выбросах?
Ответ: 3,12 мГр (0,31 рад).
24. При какой концентрации плутония в воздухе
годовая доза от его попадания в легкие при дыхании
составит 1,7 мГр? Для расчета примем, что в среднем
человек ежеминутно вдыхает 6 л воздуха и что в легких
остается 1 % Ри, попавшего в организм при вдохе.
25. Каков дополнительный риск возникновения
раковой опухоли у работника, подверженного
профессиональному облучению и получающего ежегодно в течение
30 лет максимально допустимую дозу?
26. В районе, расположенном в непосредственной
близости и с подветренной стороны по отношению к
АЭС мощностью 2000 МВт, радиоактивные выбросы
которой в атмосферу не превышают допустимого уровня,
проживает 400 тыс. чел. Каков дополнительный риск
образования злокачественной опухоли у жителя этого
района в течение года? Каково общее ожидаемое число
случаев заболевания раком среди всего населения
района? Сколько случаев из этого числа раковых
заболеваний можно отнести за счет воздействия АЭС?
27. Постройте дерево событий и дерево ошибок для
случая отказа автомобильных тормозов. Используйте
следующие линии обеспечения безопасности: тормоз
экстренного торможения, защитная ограда шоссе,
ремни безопасности. В качестве возможных последствий
примите травмы пассажиров и повреждение
автомобилей. Оцените различные вероятности. Какова полная
вероятность травмирования пассажиров?
28. Как изменилась бы полная вероятность спасения
дома (рис. 14.20) в случае, если бы вероятность
отказа детектора дыма была равной 1,0 (т. е. при
отсутствии детектора)?
Ответ: 0,455.
29. Какова должна быть вероятность того, что
тревога будет поднята жителями дома (рис. 14.20), если
успешно сработал детектор дыма, в случае, когда
полная вероятность спасения дома меньше 0,5?
360