LINEBURG


<< Пред. стр.

страница 2
(всего 11)

ОГЛАВЛЕНИЕ

След. стр. >>

наращивание абсолютной мощности всей электроэнергетики (на-
ряду с сохранением некоторой доли на ТЭС), должно базировать- 1.1. Электроядерные АЭС (ЭЯЭС)
ся на применении новых типов «беспарниковых» электростанций. Электроядерная АЭС, упрощённо, состоит из подкритичного
Сегодня, при мощности всех ЭС 3млрд. кВт. и численности ядерного реактора на урановом или ториевом топливе и располо-
населения мира 6млрд. чел. среднедушевое электропотребление, женного в непосредственной близости от него, вдоль оси – уско-
составляет 0,5кВт.эл/чел. По демографическим прогнозам, к концу рителя протонов, питаемого от базовой электросети. Между ними
2050г, население Земли должно возрасти до 10млрд.чел. размещена бериллийсодержащая мишень. Полученный в ускори-
Какова же должна быть установленная мощность всех ЭС в теле пучок протонов большой мощности (до 100МВт) и высокой
2050г, и структура ТЭКа. При душевом электропотреблении – плотности, проходя через мишень, образует поток нейтронов, ко-
2кВт/чел. стабилизируются такие важнейшие показатели качества торый и вызывает реакцию деления. Система начинает работать
жизни, как детская смертность и продолжительность жизни. При только после включения ускорителя и прекращает работу, соот-
снижении этой величины, показатели существенно ухудшаются, а ветственно, после его выключения (с учётом запаздывающих ней-
при росте – практически остаются неизменными (это, естественно, тронов). Способы теплосъёма с реактора и превращения тепла в
не означает, что при большем энергопотреблении нельзя найти электроэнергию – традиционны для АЭС [5].
способов повышения уровня жизни – от «комфорта», до «роско- Особенностью и главными преимуществами такой схемы яв-
ши»!). Здесь рассматривается минимально приемлемый уровень. ляются:
Учитывая сильную инерционность ТЭКа ( доля которого в вало- – полный контроль над критичностью реактора и невозмож-
вом продукте развитых стран, составляет до 15%), и, полагая, что ность аварии, типа чернобыльской.
17 18
– высокая плотность нейтронного потока в реакторе, что од- то стендовыми ограничениями по системе охлаждения), она, с
новременно с выработкойэлектроэнергии позволяет осуществлять точки зрения физики реактора, достаточна для подтверждения ус-
«трансмутацию» получающихся радионуклидов, «выжигая» наи- тойчивости плазменного кольцевого шнура. Правда, с экологиче-
более активные, снижая общий объём полученных РАО и упрощая ской точки зрения эта реакция небезупречна. Во-первых, в состав
проблему их захоронения. топлива входит радиоактивный тритий (период полураспада ˜ 12
– возможность применения в топливном цикле урана-238, что лет), который нарабатывается в специальных ядерных реакторах.
позволяет эффективно использовать все запасы природного урана Во вторых, уровень нейтронного потока (а, следовательно, и про-
и обеспечить электростанции топливом, по крайней мере, на не- блемы активации материалов конструкции) сохраняются. Высокая
сколько сотен лет. энергия нейтронов (˜ 15МэВ) приводит к достаточно быстрому
Техническое состояние разработок характеризуется высоким разрушению материалов внутренней стенки тороидальной камеры.
уровнем, запуск головной ЭЯЭС возможен через 20-25 лет. Эколо- По оценкам, оказывается, что после 2-х – 3-х лет работы, придётся
гическая чистота в части норм облучения обеспечивается в преде- полностью менять систему посекционно, при массе секции до
лах нормативов. 500т. И делать это в условиях сильной наведённой радиоактивно-
сти конструкции с помощью автоматических роботов-
манипуляторов, что потребует почти года работы. Тем не менее,
1.2. Экологически чистые термоядерные ЭС (ТЯЭС)
основные удельные параметры такой установки уже заложены в
Учитывая особую важность критерия экологической чистоты
недавно завершенный и прошедшей экспертизу проект термо-
(при безусловном отсутствии парникового эффекта) предложено,
ядерного экспериментального международного реактора ITER
для ТЯЭС, несколько типов термоядерных реакций (с использова-
(Япония, США, РФ и Европейский центр ядерных исследований).
нием различных типов термоядерного топлива, отличающихся
Постройка этого термоядерного реактора должна завершиться к
уровнем радиоактивности исходного топлива и конструкций реак-
2010 году (без решения проблемы получения электроэнергии).
тора, а также температурой «поджига» реакции).
Так, наиболее экологически чистая реакция 3Не+3Не («аней- В Висконсинском университете (США), ведутся исследования
в обеспечение возможности замены топлива D+T на более эколо-
тронная») требует исключительно высокой температуры поджига
гически чистое топливо D+3Hе [6], в том числе путём повышения
˜ 3млрд.К и пока представляется малореалистичной.
температуры реакции и напряженности магнитного поля на 20%.
Более «умеренная» температура – 800млн.К, требуется для ре-
акции 3Не+D, которая теоретически, также является «анейтрон- Хотя сама возможность сохранения законов подобия в плазме при
ной». Однако наличие в смесевом топливе 3Не+D дейтерия D, переходе от реализованной температуры 100 млн. К к 800 млн. К
теоретически пока не обоснована. Кстати, даже после успешного
приводит к возникновению побочных реакций D+D, которые дают
завершения работ по слаборадиоактивному реактору с топливом
заметный фон нейтронов (хотя по оценкам, этот уровень значи-
D+3Hе, при его будущей эксплуатации должна предусматриваться
тельно, на несколько порядков, ниже, чем в энергетических реак-
и кратковременная работа на радиоактивном топливе T+D в каче-
торах деления сегодняшних АЭС, работающих на обогащённом
уране. Пока реакция D+3Не практически не реализована, но ин- стве «запального» режима, по крайней мере, в течение нескольких
минут, после чего при сохранении подачи D производится посте-
тенсивные исследования по ней ведутся.
пенный переход в системе подачи от трития к 3Не.
Ещё более умеренны требования по температуре реакции на
Поскольку среди «беспарниковых» ЭС схема ТЯР типа тока-
топливе D+T (дейтерий + тритий) ˜ 100млн.К. Здесь уже достиг-
мак на дейтерий-гелиевом топливе является (наряду с электро-
нуты конкретные и впечатляющие экспериментальные результа-
ядерной АЭС) наиболее проработанной, как с точки зрения конст-
ты: на установке JET типа токамак (в Кембридже, Англия) уже в
рукции, эксплуатации и экологической безопасности, в данном
1991г. была получена тепловая мощность ˜ 2МВт, в конце 90-х
случае выделим именно радиационную безопасность. Остановим-
годов доведённая до 10МВт. Хотя продолжительность этих экспе-
ся на этих вопросах более подробно. Проблема обеспечения «чис-
риментов составляла всего несколько секунд (и определялась чис-
19 20
тым» термоядерным топливом будет рассмотрена специально. В ляет увеличить общий КПД преобразования, снизить тепловое за-
дальнейшем, для упрощения, дейтрий-гелиевые ТЯР, условно бу- грязнение биосферы и уменьшить долю энергии, преобразуемую в
дем называть «чистыми». тепловых турбомашинных системах, что снижает уровень шума.
С экологической точки зрения и с точки зрения безопасности Благодаря малому нейтронному потоку, уменьшается и остро-
наземные ТЯЭС на базе «чистых» ТЯР, работающие на дейтерий- та проблемы радиационной безопасности. Наведённая активность
гелиевом топливе имеют ряд существенных преимуществ перед конструкции низка. Не требуется специальных, достаточно слож-
урановыми АЭС и перед ТЯЭС с ТЯР на дейтрий-тритиевом топ- ных, способов подготовки и захоронения радиоактивных отходов
ливе [7]. (РАО), характерных для урановых АЭС и включающих остекло-
Во-первых, в любых ТЯР принципиально невозможен ядер- вывание их с последующим захоронением блоков или контейне-
ный взрыв из-за малых количеств топлива одновременно находя- ров с РАО в глубоких бетонированных колодцах или шахтах в
щегося в реакторе и из-за отсутствия самого понятия критической скалистых породах. Вполне допустимо безопасное захоронение
массы. Секундный расход топлива в ТЯР крайне мал и, например, РАО после 30-летней эксплуатации ТЯР даже в упакованных бу-
для ТЯР мощностью в 1ГВт. не превышает 3-х мг/с. В дейтерий- мажных пакетах на глубину более 2-х метров в обычный грунт.
гелиевом ТЯР нейтронный поток на внутренней стенке реактора В результате эксплуатации «чистого» ТЯР образуется, тем не
существенно (в 15 раз) меньше, чем в дейтерий-тритиевом и соот- менее, небольшое количество активного трития. За 30 лет непре-
ветствует температуре стенки всего 550о C, что позволяет: рывной эксплуатации реактора, мощностью 1ГВт., нарабатывается
– использовать в качестве основного конструкционного мате- 160кг. трития, от которого в результате идущего одновременно
риала стенки относительно дешевую нержавеющую сталь, обеспе- процесса распада остаётся всего ˜ 60кг. Большая часть трития
превращается в 3Не, общая стоимость которого, кстати, достаточ-
чивающую низкую активацию и высокую стойкость. Это позволя-
ет провести 30-ти летнюю кампанию ТЯР без смены стенки. В но велика и оценивается в 160млн$. Наработанный тритий может
дейтриево-тритиевом же ТЯР из-за высокого нейтронного потока, храниться, например, в сосудах (банках) ёмкостью по несколько
смена стенки неизбежна многократно при применении любых ма- литров при умеренном тепловыделении (˜100Вт.), общее количе-
териалов. ство сосудов 1000шт. Как по объёму, так и по условиям теплоот-
вода, технических проблем нет. Полученный 3Не, может в прин-
– перейти в контуре охлаждения от высокотемпературного
жидкометаллического литиевого теплоносителя, крайне опасного ципе, использоваться для экономии основного топлива в ТЯР (од-
в пожарном отношении, к относительно низкотемпературным те- нако его масса составляет всего лишь доли процента от необходи-
мого 3Не для работы в течение 30-ти летний кампании реактора).
плоносителям на основе синтетических кремнийорганических со-
единений. Тритий же вполне может использоваться в составе пускового топ-
– повысить безопасность реактора в аварийных ситуациях при лива (D+T). Таким образом, техническая возможность создания
отказах системы охлаждения из-за существенно меньшего оста- малорадиоактивных ТЯР для ТЯЭС и достаточно высокий уровень
точного тепловыделения в конструкции. проработки (хотя фундаментальные проблемы остаются) позво-
– улучшить условия эксплуатации труда персонала при ре- ляют рассматривать наземные ТЯЭС как часть триады «беспарни-
монтных и регламентных работах, поскольку остаточная актив- ковых» ЭС.
ность после выключения реактора снижается до безопасного
уровня уже через несколько суток. 1.3. Лунные электрические станции (ЛЭС) дистанцион-
Благодаря тому, что основная энергия в реакции выделяется в ного электроснабжения Земли по микроволновому лучу
виде энергии заряженных частиц, возможно использование син- Предлагаемый проект лунных энергетических станций явля-
хротронного излучения для прямого его преобразования в элек- ется результатом достаточно длительной эволюции взглядов на
троэнергию с помощью электростатических преобразователей ти- прямое использование возобновляемых космических ресурсов –
па, например, ректенн, встроенных в стенку реактора. Это позво- энергии Солнца, а также практически неисчерпаемых запасов
21 22
космического сырья – в интересах базовой сверхмощной электро- – ограниченность выбора мест размещения СЭС, характери-
энергетики глобального масштаба. зующихся большим числом солнечных дней в году (300-350). Это,
Анализ проработок первых проектов прямого использования в основном, пустыни со своими недостатками: частыми песчаны-
энергии Солнца в наземных солнечно-энергетических электро- ми бурями, оказывающими сильное эрозионное воздействие на
станциях – как в безмашинных статических преобразователях ти- внешний защитный слой СБ, что, в свою очередь затрудняет дос-
па ФЭП в виде планарных СБ – так и в тепловых турбоэлектро- тижение длительного ресурса, подвижные барханы, требующие
машинных преобразователях (ТЭМП), подтвердил полную техни- размещения планарных СБ на высоких опорах и т.д.
ческую возможность создания агрегатов умеренной мощности – низкие напряжения на выходе СБ по постоянному току и
обоих типов. необходимость преобразования в высоковольтный переменный
Однако по технико-экономическим и эксплутационным пока- ток промышленной частоты для передачи с помощью проводных
зателям они не удовлетворяли требованиям «большой» электро- ЛЭП.
энергетики. Так, для наземных СБ с выходной мощностью 3 млрд – большая протяженность ЛЭП от района размещения СЭС
кВт потребуются исключительно большие площади из-за малой (Сахара, Калахари, Атакама, Саудовская Аравия и др.) до энерго-
реальной среднегодовой плотности падающего солнечного излу- дефицитных районов-потребителей (до нескольких тысяч кило-
чения (примерно 20 Вт/м2 вместо 1360 Вт/м2 на внешней границе метров).
земной атмосферы, за счет потерь при прохождении сухой атмо- – желательность двухосной системы наведения СЭУ на
сферы, облачности, осадков, учета циклов «день-ночь», «зима- Солнце, что ограничивает размеры единичного СБ-модуля (по ус-
лето» и т.д.). Кроме того, низок КПД солнечных батарей. Дос- ловиям прочности) величиной L*L˜5*5м. (возможно до 10*10м.).
тигнутый максимальный КПД на арсенид-галлиевых многослой- Главные недостатки тепловых электромашинных солнечных
ных, крайне дорогих, образцах СБ небольшого размера – пример- электростанций (ТЭМП):
но 35%; при больших же площадях он обычно снижается (при- – для получения высокого КПД замкнутого термодинамиче-
мерно до 25-30%). Вообще применение СБ из арсенида галлия ского цикла необходима высокая температура теплоприёмника (до
при таких масштабах мощности и, соответственно, площадях со- 1400-1500К), что требует либо параболического зеркального сол-
вершенно нереально из-за отсутствия галлия и мышьяка в необхо- нечного концентратора больших габаритов с высоким качеством
димых количествах и крайне высокой стоимости самих материа- внутренней (рабочей) поверхности (при КПД = 35% и пиковой
лов из-за низкого содержания их в сырье. Так, например, в ба- электрической мощности 100 МВт в ясный полдень, диаметр мо-
зальтовых породах относительное содержание галлия и мышьяка ноблочного концентратора ˜20 м), либо большого количества пло-
составляет всего 0,0015% и 0,0005%, соответственно. Это почти в ских зеркал, управляемых по углу места одноосным разворотом, а
20 000 и 60 000 раз меньше, чем содержание, например, кремния, по азимуту – перемещением по кольцевому рельсовому пути.
который, кстати, является достаточно привлекательным материа- – большой высоты размещения теплоприёмника (десятки мет-
лом для СБ, хорошо освоенным в промыщленном крупнотоннаж- ров), от поверхности Земли, на тяжелой опорной башне.
ном производстве, хотя он обеспечивает меньший КПД СБ (около Практически реализована максимальная электрическая мощ-
10% для СБ с полумикронным электрогенерирующим слоем ность в такой многозеркальной системе ˜80МВт.
кремния на стальной фольге-подложке). Для обеспечения потреб- В перспективе, для питания электричеством и теплом отдель-
ной мощности 3 млрд. кВт при КПД 10 % площадь СБ составит ных анклавов, такие СЭС годятся. Для глобальных же масштабов
1,5·1012 м2 (квадрат 1220 на 1220 км), либо 6 отдельных анклавов – нет. Сегодня вся земная солнечная электроэнергетика не превы-
по 550 на 550 км. При толщине стальной подложки 100 мкм, даже шает 1ГВт.эл.(0,3% всех ЭС). И в перспективе вряд ли превысит
без учета защитного стеклянного слоя, масса энергосистемы со- несколько процентов, что проблемы не решает.
ставит примерно 1 млрд. тонн. Существенно больше перспективы имеют энергосистемы
К другим недостаткам наземных СБ следует отнести: космического базирования, где солнечная энергия преобразуется
23 24
на СБ сначала в электроэнергию постоянного тока, а последний Даже с учётом возможности экономичной самотранспорти-
питает микроволновые генераторы (например, СВЧ диапазона) ровки КЭС с низкой опорной орбиты на ГСО при помощи штат-
размещённые в виде плоской фазированной решетки (ФАР). На ных ЭРД стабилизации, ориентации и затрат топлива на эксплуа-
ФАР формируется острый СВЧ луч с расходимостью порядка ˜ тацию в течение 30 лет, характерный грузопоток на низкую опор-
3*10-4 радиан. Луч передается на наземные приёмо- ную орбиту при сроке развёртывания всей системы 30 лет, соста-
преобразовательные устройства (ректенны) диаметром ˜ 10км., вил бы 130тыс. т/год, что почти в 200 раз превышает сегодняшний
выполненные в виде нефазированных антенных решеток с твердо- грузопоток на ОИСЗ. Это совершенно нереалистично не только в
тельными диодами или с так называемыми обращёнными электро- техническом отношении, но и из-за неприемлемого количества
вакуумными приборами (типа, например, магнетрона или клис- выбросов в атмосферу продуктов сгорания маршевых РД средств
трона), размещаемыми в фокусе зеркальных радиоотражающих выведения при любых типах ракетных топлив, что регламентиру-
параболических антенн технологически освоенных габаритов ется экологическими соображениями. Это усугубится примени-
(диаметром 3-5м). В первом случае напряжение выходного посто- тельно к рассматриваемой в данном разделе «триаде» экологиче-
янного тока до 1кВ., во втором – до 100кВ. (но требует точной ски чистых «беспарниковых» ЭС – АЭС, ТЯЭС, и ЛЭС с учётом
системы наведения на Солнце). потребной мощности системы СВЧ энергоснабжения Земли с рас-
Первые предложения по энергоснабжению Земли с геоста- чётом на 2050г. (˜2,5млрд.кВт.эл.). Тогда грузопоток составил бы.
ционарной орбиты были высказаны В.Н. Варваровым (СССР) ещё ˜ 1млн.т/год.
в 1960г. [8],подробная инженерная проработка заявлена Тем не менее, проработки КС выявили одно важное преиму-
П.Глезером [9] в 1968г. (США) и подкреплена затем проектами щество дистанционной передачи с КС на ректенну СВЧ-лучём –
ряда космических фирм США в 70-х годах, подтвердивших её малые потери в атмосфере и в самой ректенне (до 10%). Это озна-
техническую реализуемость. Однако, заявляемая тогда экономич- чает, что доля локального теплового загрязнения, приводящего к
ность, базировалась на неоправданную оптимистическую стои- повышению температуры атмосферы, составляет всего 10% по
мость выведения (˜100$/кг. при выведении на низкую опорную отношению к вырабатываемой электроэнергии, что в 20 раз ниже,
околоземную орбиту). чем в АЭС и ТЭС и вдвое-втрое ниже, чем в «чистых» ТЯЭС.
Основная идея проекта состояла в создании с помощью авто- Наиболее крупными недостатками системы КЭС на ГСО яв-
матизированных заводов по изготовлению из доставленных с Зем- ляются большие баллистические энергозатраты при доставке ма-
ли (с ОИСЗ) материалов и части готовых изделий космической териалов с Земли.
энергоизлучательной станции (КЭС) на ГСО. Каждая КЭС имела 2 В 1975 О`Нейл (США) предложил для создания конструкций
основных функциональных элемента: крупногабаритную СБ не- различных поселений в космосе использовать лунное сырьё, а для
прерывно ориентированную на Солнце с выходной мощностью запуска в космос ампул с сырьём – электромагнитные (безрасход-
до…10млн.кВт.эл. и радиотехнический излучающий комплекс, ные, с точки зрения использования энергии лунных СБ, пушки
выполненный в виде плоской, круглой в плане крупногабаритной («ускорители») [10]. Характерные баллистические затраты, на-
(Dфар=1км) фазированной решетки (ФАР), непрерывно ориентиро- пример при полёте с поверхности Луны в точку либрации ˜ 2,4
ванной на конкретную наземную приёмно-преобразовательную км/с. При сравнении же потребных энергий (пропорциональных
антенну (ректенну). СВЧ луч КЭС при длине волны ? = 12,25см. квадрату скорости) доставка на ГСО с окололунной орбиты, почти
имел выходную мощность после ректенны до 5млн.кВт. Масса в 50 раз экономичней, чем с Земли. Дополнительным недостатком
каждой КЭС на ГСО ˜50000т.; масса всей космической части КЭС является наличие (из-за независимой ориентации СБ и ФАР)
электроэнергетической системы, состоящей из 60 КЭС – 3млн.т. подвижного токосъёмника на большие токи. При Nэл=10ГВт.эл. и
U=1кВ. сила тока в нём 104 кА. Относительная масса такого пово-
Она должна была вырабатывать до 300млн.кВт.эл. на выходных
клеммах всех ректенн. ротного узла по оценкам фирмы Мицубиси –до 30%. Серьёзным
же преимуществом дистанционного энергоснабжения по лучу (лу-
25 26
чам) является возможность размещения ректенн в наиболее удоб- 20*60м. общее количество таких зеркал составило бы более 700
ном, с точки зрения потребителя, месте (практически в пределах млн.шт – (!!!) (такое же количество – хотя и меньших по высоте,
геодезического расстояния от подспутниковой точки – до 5,5 тыс. но более сложных ФАР-облучателей). Не проработана проблема
км.); диаметр зоны обслуживания – 11тыс.км.). И, наконец, важ- доставки производственного комплекса, изготовляемого на Земле,
ным свойством КЭС на ГСО является непрерывность энергоснаб- на Луну. Указывалось лишь, что транспортировка ведётся «тради-
жения (за исключением 2-х коротких весеннее-осенних перерывов ционным» способом с помощью транспортных аппаратов, рабо-
длительностью по несколько часов), что необходимо для объектов тающих на земном топливе.
так называемого бесперебойного электропитания. Поэтому автору продуктивную идею Крисвелла пришлось, во
Однако, гораздо более перспективной, с точки зрения реали- многом, дорабатывать и видоизменять.
зации, может оказаться предложенная в конце 80-х годов идея 1. Прежде всего, снижена суммарная мощность штатной сис-
Крисвелла (США) [11] о размещении солнечно-микроволнового темы более чем на порядок – с 20млрд.кВт. до 2,3 – 2,5млрд.кВт. с
энергоизлучательного комплекса на Луне и изготовлении его из целью ускорить и удешевить создание системы. имея в виду, что
лунного сырья (фактически объединяющая идеи П.Глезера и к 2050г. (потребная общая мощность 10млрд.кВт. будет обеспечи-
О`Нейла). Дистанционная передача на наземные ректенны ведётся ваться для гарантированного электроснабжения, помимо 2,5-3
с помощью СВЧ луча (лучей) (рис. 1). млрд.кВт. тепловых электростанций, ещё и «триадой» «беспарни-
Главной особенностью крисвелловской ЛЭС, состоящей из, ковых» ЭС – электроядерными АЭС, экологически чистыми
ТЯЭС, работающими на 3Не+D и ЛЭС [12]).
собственно, 2-х энергоизлучающих комплексов (ЭИК) (по той же,
как на КЭС, схеме «СБ+ФАР»), геостационарных радиоотражаю- 2. Понимая, что даже создание ЛЭС мощностью в
щих переотражателей (КПО), окололунной системы плоских оп- 2,5млрд.кВт.эл. потребует решения большого числа инженерно-
тических зеркал для подсветки Солнцем ЭИКа, регулярно входя- технических и организационных проблем, обязательным является
щего в зону тени через 14 суток из-за вращения Луны вокруг соб- создание демонстрационной ЛЭС. Масштаб такой «мини»-ЛЭС
ственной оси, а также наземных ректенн, являлось изготовление (демонстрационной ЛЭС) по мощности оказалось невозможным
самих ЭИК (а также окололунных – оптических и околоземных сделать малым.(Nд лэс=5-10 млн.кВт.) [13, 14] (Рис. 4, 5, 6).
(на ГСО) плоских радиоотражателей из лунного сырья-реголита 3. Срок создания такой ЛЭС не должен превышать 10 лет (на
на лунной производственной базе. Предполагалось, что каждый создание штатной ЛЭС мощностью 2,5млрд.кВт. останется до
комплекс имеет мощность на выходе из ректенны 20млрд.кВт.эл. 2050г. всего 40 лет, хотя темп ввода мощностей ЛЭС ˜ 75
При отсутствии зеркал солнечной подсветки комплексы рабо- млн.кВт/год соизмерим с темпами строительства ТЭС в конце 20-
тают последовательно – в тактовом режиме – 14 суток ЭИК №1, го века. Но необходимо учитывать и одновременный ввод ТЭС,
14 суток ЭИК №2 (размещение ЭИКов предполагалось либо на ЭЯЭС, и ТЯЭС. Исходя из этого была обоснована вся схема, и
экваторе, либо в приэкваториальных широтах; по долготе они технология создания демонстрационной ЛЭС, сформированная,
размещаются почти через 150° – вблизи границ лунного лимба). как модуль будущей крупномасштабной штатной ЛЭС (каждый
К сожалению никаких обоснованных предложений ни по тех- модуль в штатном ЭИК формирует только один луч, автономен и
нике изготовления самих ЭИКов (хотя предполагалось, что они обслуживает только «свою» ректенну мощностью в 5-10млн.кВт.,
выполнены по схеме зеркальных антенн, облучаемых протяжен- что упрощает создание одноканальной системы наведения по
ными ФАР (рис. 2 и 3), обеспечивающими наведение лучей на сравнению с многоканальной).
ректенны, не опубликовано). Не проведено оценки схемы конст- 4. Автор данного предложения отказался от пространственно-
рукции с точки зрения её технологичности при её массовом изго- го ЭИКа на основе зеркальных передающих антенн по ряду при-
товлении и, что не менее важно, при монтаже. Для представления чин. Анализ электродинамической структуры выходящего СВЧ-
о масштабах производства только «зеркал» и трудности монтажа и луча из ЭИКа, проведенный в МРТИ РАН (А.И.Свиридонов с
в предположении о размерах единичного плоского «радиозеркала» коллективом), показал, что при необходимости сканирования лу-
27 28
чом в большом диапазоне углов отклонения при наведении луча наземных потребителей, требующих непрерывного бесперебой-
на КПО на ГСО (-+_15°) и облучающая ФАР и отражатель-зеркало ного электроснабжения при высоких требованиях к параметрам
не могут быть плоскими, а должны представлять собой цилинд- получаемой электроэнергии (в т.ч. равномерного уровня мощно-
рические поверхности, образованные сетками или струнами, что сти), в реальной штатной системе дистанционного энергоснабже-
технологически исключает применение простых конструктивных ния, целесообразно предусмотреть небольшое количество геоста-
схем. Кроме того, практически почти невозможно автоматизиро- ционарных КЭС. Как будет позже обосновано в разделе «транс-
вать процесс монтажа многих зеркал и ФАР, без чего сроки резко портные системы», в качестве сырья КЭС возможно использовать,
возрастут. помимо лунного сырья, например, астероиды главного астероид-
5. Принята нетрадиционная, но простейшая схема ЭИКа, – со- ного пояса (r=2,6-3,2а.е.), доставляемые особой транспортной
вмещение тонкоплёночной СБ с ФАР (рис. 7-11) (микронный космической электроядерной системой, в значительной степени
электрогенерирующий слой аморфного кремния на железной унифицированной с системой доставки гелия-3 из атмосферы
фольге-подложке толщиной 20мкм, при характерной ширине лен- Урана (см. ниже).
ты 0,5м), на которую с шагом равным длине волны ?, принятой Какой же новый концептуальный подход реализован при вы-
?=5,2см (компромисс с учетом рекомендаций Международного полнении данного раздела?
совета по электросвязи, потерь в атмосфере и КПД СВЧ- 1. В первую очередь обозначена цель – качественно обоснова-
приборов) вмонтированы твёрдотельные транзисторы мощностью на действительно базовая роль энергетики, в первую очередь элек-
˜ 0,1Вт. Они работают в режиме усилителей, а в качестве вибра- троэнергетики, как основы развития человечества в направлении
тора применены четвертьволновые антенны, практически совпа- гармоничного развития (взаимодействия) человечества и окру-
дающие с внешней поверхностью СБ (с точностью до толщены жающей среды.
прокладки из тонкого, менее 0,1мм., материала с высокой магнит- 2. Исходя из признания не просто важной, а важнейшей базо-
ной проницаемостью). Такие ленты, уложенные на простейшие вой роли электроэнергетики в развитии любых типов обществ,
опоры высотой 0,5м, имеют полносборную заводскую готовность готовых принять за основу принципы устойчивого развития, обос-
и готовы к монтажу из рулона. Они образуют всю поверхность нована необходимость перестройки ТЭКа путём быстрого перехо-
ФАР в ЭИКе. Кстати и по материалоёмкости принятая интеграль- да к экологически чистой электроэнергетике – в первую очередь
ная схема ЭИК в несколько раз лучше, чем ЭИК с зеркальными предотвращающей дальнейшее глобальное потепление – к «бес-
антеннами со сканирующим лучом, что проработано в материалах парниковой» электроэнергетике.
МРТИ РАН. 3. Показано, что при увеличении к 2050 году населения до
6. Для доставки на Луну технических модулей лунных заводов 10млрд.чел., душевого потребления –вдвое против сегодняшнего и
по производству лент-антенн, использующих реголит в качестве неизбежности сохранения части «традиционных» ТЭС, высокой
сырья для изготовления лент-подложек и пенокерамических, либо готовности одного из технически наиболее проработанных типов
пеносиликатных волноводов разводки опорного СВЧ-сигнала, в «беспарниковых» ЭС на базе электроядерных наземных АЭС
рамках лунного производственного комплекса организованы так- (ЭЯЭС), на долю двух других «беспарниковых» ЭС – малорадио-
же линии по производству лунных топлив – «кислород+кремний» активных термоядерных ЭС (ТЯЭС), работающих на экологически
и «кислород+алюминий» для использования его компонентов в чистом топливе гелий-3, добываемом на Луне и в атмосфере Ура-
составе двухступенчатой транспортной системы «ОИСЗ – ОИСЛ – на, а также и лунных солнечно-микроволновых станций с дистан-
ОИСЗ»» и «Луна – ОИСЛ – Луна» (рис. 12-15). ционной передачей электроэнергии на Землю по микроволновым
7.Учитывая с одной стороны принципиальную неравномер- лучам (ЛЭС) придётся не менее 50% всей мощности (˜
ность выработки и транспортировки энергии с ЛЭС на Землю 5млрд.кВт.).
(связанную с особенностями взаимного расположения Солнца, 4. Создание «чистых» ТЯЭС и ЛЭС невозможно без прямого
Земли и Луны), а с другой – наличие небольшого числа важных использования космонавтики и изменения её роли от чисто ин-
29 30
формационной, которую она выполняет сейчас, к «силовой» – но равномерной энерговыработкой по 2,3млрд.кВт.эл. по ряду
крупномасштабным перевозкам грузов и людей для обеспечения причин:
«космическим» ракетным топливом и различными материалами, – из условий обеспечения надёжности («не следует склады-
для строительства ЛЭС. вать все яйца в одну корзину»).
5. Аппараты космической транспортной системы, действую- – трудности обеспечить высокие темпы ввода ЭЯЭС (при ко-
щие на трассах «Земля –Луна – Земля» или «Земля – Уран – Зем- нечной мощности 7млрд.кВт. за ˜ 50 лет темп ввода составит ˜
ля», наконец, переходят к «традиционной» экономичной схеме по 150ГВт/год, что, например, выше темпа ввода ТЭС за период
которой давно действует весь земной дальний транспорт – мор- 1950-2000г. (с1млрд.кВт. до 3млрд.кВт) почти в 3,5 раза.
ской, автомобильный, авиационный – на старте транспортное – бОльших преимуществах размещения ТЯЭС по сравнению с
средство заправляется только в один конец, а обратный рейс со- ЭЯЭС в высоких широтах (в зоне вечной мерзлоты) из-за меньше-
вершается на дозаправляемом местном топливе в пункте назначе- го локального тепловыделения (в 6 раз) и снижения опасности
ния. размораживания грунта под фундаментом ТЯЭС и опорами ЛЭП,
6. Выявлено, что существует, по крайней мере, еще две зада- а также выбросов в атмосферу «парникового газа» метана, нахо-
чи, также требующие большого количества «космического» топ- дящегося в замороженном состоянии в составе гидратов.
лива (помимо крупномасштабной экологически чистой электро- – невозможности размещения в высоких широтах приёмных
энергетики): – заправка баков дежурящего многочисленного фло- устройств (ректенн) ЛЭС по условиям обеспечения их прямой ви-
та ракет-перехватчиков с ядерными зарядами в системе защиты димости с Луны.
Земли от попадания тяжелых ОКО, обнаруженных лишь на близ- Преимущественно размещение ректенн будет в средних и
ком расстоянии, для отклонения траектории опасного астероида низких широтах, где, кстати, и находятся основные будущие по-
или ядра кометы, а также увод тяжелых сверхпрочных ампул с требители прироста электроэнергии – Юго-Восточная Азия, и
РАО (отходов атомной промышленности Земли), в надёжный возможно Южная Америка с размещением приёмных антенн (рек-
космический могильник –за пределы Солнечной системы. тенн) на шельфе в тёплых морях.
7. Создаваемые космические химические топлива (прежде Каждый тип «беспарниковой» ЭС найдёт из практики свою
всего «кислород – алюминий» и «кислород – кремний»), а также «экологическую» нишу и места размещения. Таким образом, не
соответствующие двигатели и многоразовые ракетные блоки менее 50% «беспарниковых» ЭС придутся на ТЯЭС и ЛЭС, кото-
большой и малой тяги на их основе, позволяют решить проблему рые, как будет видно ниже, требуют использования космических
создания ЛЭС и получения в небольших количествах гелия-3 с сырьевых ресурсов и, соответственно, мощной транспортной сис-
Луны; крупномасштабное же снабжение гелием-3 (на уровне не- темы (конвейера) «ОИСЗ – космос – ОИСЗ».
скольких сотен тонн в год для ТЯЭС общей мощностью 2- В отличие от электроядерных АЭС, где космонавтика прямым
3млрд.кВт. требует создания космических ядерных энергетиче- образом не участвует, создание ТЯЭС на экологически чистом то-
ских установок с мощностями до 100МВт.тепл. (Nэл=50МВт) и пливе гелий-3 невозможно без привлечения космонавтики и кос-
ЭРД. мической техники, поскольку гелий-3 на Земле практически от-
сутствует. В случае если полная мощность всех «беспарниковых»
электростанций (электроядерных АЭС, ТЯЭС и ЛЭС) составит
Глава 2. О рациональной структуре и мощностях элек-
7млрд.кВт. и будет (условно) распределена между всеми тремя
троэнергетики 21-го века
источниками равномерно – по 2,3млрд. кВт.эл., то, учитывая «ка-
лорийность» 3He 0,1т/год для ТЯЭС мощностью 1млн.кВт.эл., об-
Несмотря на потенциальную возможность обеспечить весь
щая потребность в 3Не составит 200-250т/год. В земной атмосфере
прирост электроэнергии (6-8млрд.кВт) только за счёт электро-
имеется ˜ 4000т. 3He (в верхних слоях атмосферы). Добыча его из-
ядерных АЭС (ЭЯЭС), практически целесообразно ввести дивер-
за низкой концентрации исключительно сложна, а запасов хватит
сификацию энергоснабжения между ЭЯЭС, ТЯЭС и ЛЭС с услов-
31 32
менее чем на 20 лет, что исключает Землю, как сырьевой источ- По системам увода РАО и защиты от ОКО сделаны предвари-
ник. Практически весь гелий-3 может быть добыт только с при- тельные оценки.
влечением космической техники. Кроме того, сделаны оценки по возможности добычи кисло-
Так, создание ЛЭС мощностью (на выходе наземных приём- рода на низкоорбитальных накопительно-ожижительных станци-
ных устройств) ˜ 2млрд.кВт. требует доставки на Луну оборудо- ях, энергоснабжение которых производится лазерным лучом с
вания для вскрышных работ для добычи сырья, на производство пространственной средневысотной орбитальной системы лазер-
материалов самой ЛЭС и топлива для кораблей транспортной сис- ных станций, использующих энергию Солнца.
темы массой в тысячи тонн. Сформулировав цель и конкретизировав ее применительно к
Эксплуатация всех ТЯЭС мощностью 2,5млрд.кВт.эл. требует главной задаче – созданию технической базы для перехода гло-
непрерывной доставки гелия-3, например, с Урана [15] с темпом бальной экономики в режим устойчивого развития (по крайней
250т/год ( о роли «лунного» гелия-3 будет сказано особо) Вполне мере, в его технических аспектах), мы по существу задали требо-
приемлемые запасы 3Не (до 1млн.т) находятся на Луне – в верх- вания к грузопотокам, типам двигателей КА и космических топ-
нем слое реголита. Он находится в несвязанном химическом со- лив, исходя из химического состава космического сырья и ограни-
стоянии, а имплантирован в зёрна реголита вместе с элементами чений на размерность (массу) единичного КА по условиям выве-
«солнечного ветра» (корпускулярный поток частиц в составе ˜ дения на околоземную орбиту современными и разрабатываемы-
95% ядер водорода и 4% ядер гелия (обоих изотопов 3Не и 4Не в ми средствами выведения (СВ). Сразу укажем, что абсолютные
соотношении 1: 3000 – остальное более тяжелые элементы). Одна- грузопотоки полезных нагрузок будут непривычно велики (десят-
ко, лунный гелий-3 пригоден лишь на первых этапах разработки ки тысяч тонн в год!). Но не следует забывать и о грандиозности
ТЯЭС из-за малого удельного содержания (10 -8) в реголите. впервые возникшей задачи – предотвратить глобальную экологи-
В качестве топлива для транспортной лунной системы пона- ческую катастрофу. КА в разных системах транспортировки будут
добятся кислород, алюминий и кремний, а для конструкционных сильно различаться как по причине различия в баллистических
электротехнических, радиотехнических материалов – железо, ти- энергозатратах (Vхар˜250км/с для двухстороннего полёта к Урану
тан, магний, для самотранспортировки космического танкера к за 10 лет, Vхар˜2км/с для одностороннего полёта с поверхности
Урану – рабочее тело ЭРД, доставляемое с Земли или Луны (ар- Луны до низкой окололунной орбиты).
гон, кислород, калий). Возвращение на ЭРД – с «урановым» водо- Наиболее подробно рассмотрены две транспортные системы,
родом (более подробно о транспортных системах будет сказано в предназначенные для маршрутов:
соответствующем подразделе). 1 Земля – Луна – Земля
2. Земля – Уран – Земля
Система 1 состоит из двух подсистем – А и В. Подсистема А
Глава 3. Транспортные системы, работающие на
предназначена для грузовых перевозок к Луне (модулей заводов
«космическом» топливе – основа экологически чистой
по производству лунного топлива – только в сторону Луны, а так-
электроэнергетики.
же заводов по производству веществ и изготовлению деталей лун-
ных ЭИК); и посадки модулей заводов на космодром лунной про-
Обоснование основных параметров, порядка функционирова-
изводственной базы с окололунной орбиты – подсистемы В (с Лу-
ния и лётно-технических характеристик космических транспорт-
ны к Земле – лунное топливо). С Луны подсистема А доставляет
ных систем подробно проведено на примере двух конкретных сис-
окислитель для системы В.
тем, сильно различающихся по требованиям и по техническим
Подсистема В предназначена для быстрой доставки и смены
решениям: системы создания и обслуживания лунной производст-
экипажа на лунной производственной базе. Система – односту-
венной базы для ЛЭС и системы добычи 3Не из атмосферы Урана
пенчатая. Осуществляет быстрый полёт по кеплеровским траекто-
и доставки 3Не к Земле (рис. 16-22).
риям (Т˜2,5 -3,5сут. в один конец). В качестве окислителя исполь-
33 34
зуется «лунный» кислород, ранее доставленный на ОТЗС с Луны. сти солнечной энергии (˜ в 400 раз) из-за большой дальности от
Заправка окислителя обеспечивает только полёт к Луне с прямой Солнца – 2,9 млрд. км.
посадкой (или выходом на фазирующую орбиту). Заправка окис-
лителем для возвращения экипажа и персонала в капсуле к Земле 3.1. Лунные транспортные системы (ОИСЗ-Луна-ОИСЗ)
осуществляется на лунном топливном заводе. Горючее СН4 при Рассмотрим работу лунного транспортного конвейера приме-
старте КА с ОИЗС заправляется из расчёта полёта в оба конца. Все нительно к задаче создания «мини» ЛЭС (демонстрационной ЛЭС
КА системы А – межорбитальный грузовой буксир, лунная грузо- с уровнем ˜ 10 млн.кВт). Основное внимание обращено именно на
вая ракета и пилотируемый «быстроходный» грузовой корабль транспортную эффективность системы и порядок совместного
системы В – многоразовые. функционирования отдельных транспортных КА. Технологиче-
Дополнительной особенностью системы А является увязка ский процесс изготовления из реголита лунного топлива и мате-

<< Пред. стр.

страница 2
(всего 11)

ОГЛАВЛЕНИЕ

След. стр. >>

Copyright © Design by: Sunlight webdesign