Электричество— по трубам

• К пуску готовится «Ангара 5»
• Лучи и геометрия.
• Лазер на Марсе
• Ателье „ЮТ» к выпускному вечеру
• Как зарядить аккумулятор

…В последнее время я не раз слышал, что ученые ищут новые принципы передачи электрической энергии на большие расстояния. Нельзя ли рассказать об этих работах!

В. Шовин, Куйбышевская область

Об одном из новых проектов передачи высоких энергий мы попросили рассказать сотрудника Института высоких температур АН СССР, доктора технических наук Е. А. АБРАМЯНА.

Прежде чем говорить о нашем проекте, попробуем представить, как передать по проводам тысячу киловатт электроэнергии. Сделать это можно при напряжении в тысячу вольт и токе в тысячу ампер, можно при напряжении, равном пятимиллионам вольт, и токе всего в две десятые ампера… Мощность, как видите, одна и та же. Какой вариант выгоднее?

Искушенный читатель наверняка ответит: чем выше напряжение, тем меньше потери в линии. Это верно. Чем больший ток течет по проводам, тем больше потери мощности на сопротивлении линии. Второй вариант экономичнее. Но только на первый взгляд.

Гуляя по лесу или собирая грибы, наверное, многие из читателей пересекали лесные просеки, по которым проходят трассы линий электропередачи, слышали шелест, жужжание, сопровождающее их работу. Эти звуки издает воздух, ионизированный высоким напряжением. Воздух, проводящий электричество…

Вообще-то воздух неохотно становится проводником тока, но чем выше напряжение, тем легче это происходит. Если мы возьмем конденсатор, у которого зазор между пластинами равен одному миллиметру, то для того, чтобы произошел электрический пробой, к пластинам нужно приложить напряжение в две-три тысячи вольт. Десятимиллиметровый зазор вряд ли выдержит десять тысяч вольт, а при напряжении в пять миллионов вольт разность потенциалов так меняет свойства воздуха, что пробой наступит даже при зазоре в несколько десятков… метров! А ведь провода воздушной ЛЭП можно уподобить одной пластине конденсатора. Землю — второй. Даже если удалось бы научиться дешево строить очень высокие опоры для ЛЭП, чтобы они выдерживали пять миллионов вольт, то грозовые разряды — а из-за них напряжение на линии иногда подскакивает в два- три раза — неизбежно мешали бы нормальной работе линии, потому что ни одна мачта не может выдержать таких сверхнапряжений!

Не гнаться за столь высокими напряжениями? Если бы нужно было передавать сравнительно малые энергии, как в нашем примере, можно было обойтись и сотнями тысяч вольт. Но нетрудно подсчитать: для того чтобы передать сотню миллионов киловатт — а такими мощностями оперирует современная энергетика страны,— даже при напряжении линии в миллион вольт ток в ней составит тысячи ампер! А чем больше ток, тем больше, как мы знаем, потери. Да и чем больше ток, тем провод должен быть большего диаметра. Нужны более мощные опоры… Можно было бы продолжить перечисление, но, думаю, ясно и так: возможности ЛЭП близки к пределу.

Сегодня существуют проекты параллельных линий электропередачи, разрабатываются проекты сверхпроводниковых линий, где ток будет течь без сопротивления по проводнику, охлажденному до температур, близких к нулю градусов Кельвина… Мы работаем над тем, чтобы научиться передавать энергию совсем без проводника.

Вспомним, как устроена электронная лампа. В баллон, из которого откачан воздух, впаяны два электрода. К ним приложено напряжение. Катод раскален электрическим током, поэтому из него вылетают электроны. Электрическое поле заставляет их двигаться в вакууме к аноду. Они отдают ему свои электрические заряды, и в цепи течет ток. Другими словами, в лампе происходит передача энергии в нагрузку по вакууму. Но это лишь пример. Если даже построить «лампу» длиной в километр, то для того, чтобы подвести к ней питание, придется строить… линию электропередачи, рассчитанную на тот же ток, что потечет в вакууме. Но обязательно ли передавать с помощью электронов заряды?

В вакууме электроны могут двигаться быстрее или медленнее. Это зависит от того, какую энергию придало им ускоряющее поле. Если использовать для разгона электронов мощный ускоритель, в них можно «закачать» гигаватты энергии, разогнав частицы почти до скорости света! По вакуумированной трубе поток электронов, сфокусированный магнитным полем в узкий пучок, можно транспортировать на нужное расстояние, а затем затормозить с помощью антиускорителя — ускорителя, работающего «наоборот». При этом электроны вернут энергию, затраченную на их разгон, в виде электромагнитного излучения! В этом суть способа, над которым мы работаем.

Каковы же его достоинства и недостатки? Прежде всего для такой транспортировки энергии не потребуются опоры в отличие от ЛЭП. Трубу-проводник можно будет уложить на небольшой глубине под землей. Это гораздо дешевле. Но, с другой стороны, в трубе, по которой помчится пучок электронов, нужно обеспечить хороший, «чистый» вакуум. Чем меньше в ней будет посторонних молекул, тем меньше испытают электроны «сопротивление» во время полета. Далее. Трубу наверняка придется прокладывать по сложному маршруту. С поворотами, с изменением уровня. Магнитная фокусировка должна будет заставить пучок частиц проделать все эти повороты, не натыкаясь на стенки трубы, иначе он потеряет часть своей энергии. Но даже если это удастся, все равно без потерь не обойтись. При изменении траектории движущиеся частицы часть своей энергии выделят в виде излучения. Правда, расчеты показывают, что потери не превысят долей процента. Это меньше, чем у воздушных линий передачи, теряющих энергию на преодоление сопротивления.

И еще одна проблема.

Существуют ускорители, мощность которых достигает 1000 гигаватт. Этого хватило бы для передачи энергии всех электростанций страны. Но с такой мощностью ни один ускоритель не может работать дольше нескольких… миллионных долей секунды. Мешают десятки причин. К примеру, так называемый шланговый эффект.

Многие знают: если по резиновому шлангу пустить мощную струю воды, его конец начнет извиваться по земле вправо-влево. То же происходит с мощными пучками быстро движущихся частиц. При передаче энергии по трубе шланговый эффект может нарушить фокусировку и пучок частиц начнет «хлестать» по стенкам трубы, отдавая им энергию. Как быть? Для борьбы с этим, возможно, придется время от времени отключать энергию, работать в импульсном режиме, то есть именно так, как сейчас работают сверхмощные ускорители.

Пока трудно сказать, дадут ли такие линии передачи энергии большой выигрыш энергетике по сравнению с воздушными ЛЭП. Для проверки расчетов в ИВТАНе строят опытную установку. Это будет линия энергопередачи длиной семьдесят пять метров и мощностью десять миллиардов ватт при токе десять тысяч ампер.

Опыт, который будет накоплен в ходе испытаний, в любом :лучае пригодится. Например, для создания сверхмощных СВЧ-генераторов. Ведь в принципе система «ускоритель — волновод — ускоритель», в которой происходит попеременное ускорение и замедление электронного пучка, если «замкнуть» ее в кольцо, может стать своеобразной генераторной лампой мощностью в миллиарды ватт!

Кроме того, пучками электронов, мчащимися с околосветовой скоростью, можно будет разгонять более тяжелые частицы — ионы. А быстрые ионные пучки очень эффективны для бомбардировки вещества при исследовании его строения.

Записал А. ФИН

ЮТ №1 1984 год |