Жизнедеятельность, благоденствие и безопасность государства напрямую зависят от состояния энергетики.
Взгляд в будущее
Согласно расчетам, перспективным прогнозам, основой российской и мировой энергетики еще долгое время будет органическое топливо, причем наиболее распространенным у нас пока остается газ. В относительных величинах мы его потребляем в два раза больше, чем остальные страны мира. Сегодня большая часть энергии (до 80%) вырабатывается с помощью тепловых машин, и в ближайшие 50-70 лет такая тенденция сохранится, однако роль возобновляемой, атомной и термоядерной энергии будет возрастать, что со временем позволит решить многие проблемы будущего.
Стремительный технический и экономический прогресс ставит перед энергетикой новые масштабные задачи, что невозможно без опоры на новейшие достижения фундаментальной науки. В частности, для повышения КПД и эффективности тепловых машин необходим переход к предельно высоким температурам и давлениям, приближающимся к экстремальным, причем как для конструкционных материалов, так и для рабочих сред. Сегодня исследователи разработали множество новых способов получения энергии. Не все из них готовы к немедленному внедрению, но в любом случае намечена траектория дальнейшего развития отрасли.
Парогазовые силовые установкиНаиболее совершенными на сегодняшний день тепловыми устройствами считаются парогазовые силовые установки, предложенные в свое время нашим академиком С.А. Христиановичем. Принцип их действия основан на соединении высокотемпературной газовой турбины с паросиловой установкой, использующей тепло выходящих из турбины горячих газов. КПД таких комбинированных циклов в 1,2-2 раза выше обычных и достигает 60%, а с использованием высокотемпературных оксидных топливных элементов может достигать 80%. Эти машины используют опыт авиационно-космической техники. Так, стоимость одной лопатки турбины сопоставима с ценой Мерседеса Е-класса.
Подобные агрегаты работают в экстремальных условиях, а потому одним из важнейших направлений современной теплофизики становится создание материалов, способных эффективно функционировать при сверхвысоких температурах и давлениях. Российская теплофизика высоких температур многим обязана таким выдающимся ученым, академикам, как В.А. Кириллин и А.Е. Шейндлин, которые в свое время провели уникальные исследования теплофизических свойств конструкционных материалов, воды и водяного пара, что позволило вывести паросиловые установки на сверхкритический и суперсверхкритический уровень, значительно подняв их КПД.
Среды и материалыСегодня ученые, используя новейшие методики электровзрыва фольг и проволочек, впервые в мире достигли сверхкритических параметров многих металлов и открыли плазменные фазовые переходы, которые еще в 1942 г. были предсказаны Л.Д. Ландау и Я.Б. Зельдовичем. Лазерные методы изучения теплофизических свойств позволят продвинуться еще дальше в область экстремальных состояний и осуществить высокотемпературные измерения термодинамики и теплопроводности облученного диоксида урана - основного топлива современной ядерной энергетики. Создание фемтосекундных лазеров позволило не только получать рекордные плотности, мощности и температуры, но и изучать сверхбыстрые процессы и кинетику фазовых превращений. В ходе опытов выяснилось, что кратковременная прочность материалов значительно выше, чем статическая, что важно учитывать при анализе высокочастотных режимов работы энергетических машин.
Российские физики продолжают свои изыскания в данном направлении. В частности, РАН в "соавторстве" с Росатомом осуществили масштабные исследования теплофизических свойств рабочих сред и материалов, в результате чего были созданы банки данных и пакеты прикладных программ для численного моделирования высокоэнергетических процессов. В частности, были построены широкодиапазонные уравнения состояния, описывающие все фазовые переходы: плавление, испарение, ионизацию давлением и нагревом. Кстати, эти данные, являющиеся основой для численного моделирования гидродинамики и теплообмена, приобретают все большее значение для энергетики, поскольку ни одно сложное техническое устройство не может быть создано без предварительных расчетов и оптимизации.
Горение и детонация топливаОпределяющее значение для энергетики имеет адекватное описание процессов горения топлива. В основе науки об этих явлениях лежат работы академиков Н.Н. Семенова и Я.Б. Зельдовича - именно они заложили в свое время основы современной физикохимии, физической газодинамики и химической кинетики. Главная задача здесь заключается в том, чтобы найти оптимальные режимы смешения горючего и окислителя, чтобы в процессе горения при максимально возможных температурах выделялось как можно больше тепла, но как можно меньше токсичных выбросов. Однако, несмотря на мощный прогресс в данной области, мы видим, что имеющихся знаний в области физико-химических реакций горения и взрыва недостаточно, чтобы полностью управлять столь сложными явлениями и обеспечить надлежащую безопасность энергетики. Для дальнейших работ в этом направлении в РАН созданы крупнейшие в мире экспериментальные стенды, позволяющие моделировать и изучать возможное развитие тех или иных процессов.
ПолупроводникиВ области электрофизики перед учеными стоят ответственные задачи, связанные со снижением потерь электроэнергии и повышением надежности генерирующего, передающего и распределительного электрооборудования. Одно из наиболее перспективных направлений - сверхпроводимость, особенно высокотемпературная. Ученые уже добились значительного роста критической температуры сверхпроводящего перехода, который преодолел порог кипения жидкого азота. Активно ведутся работы по созданию сверхпроводящих индуктивных накопителей, ограничителей тока, сверхпроводящих кабелей и соленоидов, магнитных систем, моторов и трансформаторов.
Развитие физики полупроводников дало возможность создать надежные и эффективные сильноточные полупроводниковые приборы, позволяющие управлять значительными мощностями в энергопередающих, распределительных и ограничительных устройствах. Большая заслуга здесь принадлежит Физико-техническому институту им. А.Ф. Иоффе РАН, школе Нобелевского лауреата академика Ж.И. Алферова.
Очень привлекательным выглядит использование солнечной энергии - экологически чистого возобновляемого источника. Российская наука ведет обширные исследования в данной области. Особо следует отметить работы Нобелевского лауреата академика Ж.И. Алферова, посвященные многослойным гетероструктурным преобразователям, использующим максимально широкий диапазон падающего излучения, - такие приборы способны давать КПД, близкий к теоретическому пределу.
Импульсная электроникаМировое признание получили также работы академика Г.А. Месяца, посвященные мощной импульсной электронике, ставшие новым словом в электрофизике управления большими мощностями. Подобные разработки позволяют, используя методы временной компрессии и формирования импульсов, управлять гигантскими (мегаамперными) токами и тераваттными мощностями, сопоставимыми с мощностями всех электростанций Земли. Такие системы импульсной энергетики используются сегодня для проверки надежности и устойчивости энергосистем, а также для прямого преобразования химической энергии в мощное электромагнитное излучение. В частности, на основе данных разработок было создано первое в мире устройство, имитирующее удар молнии в промышленные линии электропередачи. Оно уже прошло испытания на одной из подстанций (кстати, аналогичной печально известной Чагинской) и показало уязвимые места ромышленного электрооборудования.
В последнее время новый импульс получили исследования в области управляемого термоядерного синтеза во многом благодаря усилиям академика Е.П. Велихова, развернувшего работы по созданию международного реактора ITER. Весной этого года проект ITER был отмечен международной премией "Глобальная энергия". Говоря об актуальных задачах энергетики, следует иметь в виду и ее безопасность, причем не только в плане надежности, защищенности от природных и техногенных воздействий, но и в смысле защиты энергоресурсов и энергосистем от возможных терактов.
Таким образом, для решения стоящих перед энергетикой ответственных задач необходимы не только неотложные и скоординированные усилия различных направлений академической и прикладной науки, но и политическая поддержка руководства страны. Необходимо принятие государственной программы создания современной, мощной и безопасной энергетики, которая на десятилетия вперед обеспечит развитие России.
