Жанр: Наука
Эврика-87
... птиц - все это
сложная, неподдающаяся полностью механизации, не говоря уже об
автоматизации, работа.
"Хайпоника" избавляет человека от этих операций. Аппарат,
контролирующий подачу смеси и ее состав, в общих чертах повторяет те
автоматизированные системы управления, которые уже используются на крупных
промышленных предприятиях. Непрерывная подача к корневой системе
концентрированного питательного раствора, отсутствие внешних факторов,
подавляющих в обычных условиях биохимические процессы,- все это резко
усиливает процесс фотосинтеза в растениях, Они активно и быстро
развиваются даже при недостаточной освещенности.
Инженеры "Киова" предлагают две "хайпоники" - вертикальную и
горизонтальную. Горизонтальная "хайпоника" дает возможность развивать
растению свою крону вширь. В этом случае урожай примерно в два раза выше,
чем при вертикальном методе выращивания. Но размер плодов неодинаков - чем
дальше от ствола, тем меньше становятся плоды. Вкусовые качества тоже
снижаются. При вертикальной "хайпонике" помидор вырастает до 5 метров.
Преимущество этого способа в строгой однородности урожая и экономии места.
Все помидорное дерево при вертикальном способе умещается на площади
примерно в один квадратный метр. Поэтому на сравнительно небольшой площади
может быть создан мощный овощной цех.
Широкое распространение "хайпоники" пока сдерживает система мелких
фермерских хозяйств, характерная для Японии. Мелкому собственнику не под
силу провести капитальные вложения, необходимые для открытия "хайпонного"
производства. Уже существующие хозяйства не могут в полной мере показать
превосходство новой технологии из-за ограниченных масштабов. Однако уже
сейчас ясно, что "хайпоника" может найти широкое применение в засушливых
районах земли, Антарктиде и даже на крышах городских кварталов. Для членов
будущих длительных космических экспедиций она может стать источником
обильной и вкусной пищи.
6. ГДЕ ВЗЯТЬ ТЕПЛО?
"Токамак":
проблемы и перспективы
Рассказывает академик Е. В е л и х о в.
Исследования в области управляемого термоядерного синтеза (УТС)
имеют более чем тридцатилетнюю историю. Начатые почти одновременно и
совершенно независимо в СССР, США и Англии, они в течение нескольких лет
проходили в условиях абсолютной секретности. В это же время в мире
интенсивно велись работы, завершившиеся демонстрацией термоядерной реакции
в форме неуправляемого разрушительного взрыва водородной бомбы. В отличие
от этого исследования по УТС имели целью разработку способа получения
энергии, выделяющейся при слиянии ядер легких элементов, в режиме с
контролируемой мощностью. В случае успеха в руках человечества оказался бы
источник энергии с огромными ресурсами топлива, распространенного
повсеместно, в том числе в воде Мирового океана.
В 1956 году во время посещения английского научного центра в Харуэлле
академик И. Курчатов по поручению Советского правительства впервые сообщил
зарубежным коллегам о работах по УТС, ведущихся в СССР. Так по инициативе
Советского Союза было положено начало широкому научному сотрудничеству
ученых различных стран мира, направленному на овладение колоссальной
энергией термоядерного синтеза в интересах мира, прогресса и
благосостояния.
Наиболее доступной для практического использования является
термоядерная реакция в смеси тяжелых изотопов водорода - дейтерия и
трития. В результате слияния ядер этих элементов на единицу веса топлива
выделяется примерно в 10 миллионов раз больше энергии, чем при сгорании
обычного органического топлива. Однако для зажигания такой смеси требуется
нагреть ее до температуры "всего" около 100 миллионов градусов, при
которой вещество может существовать только в виде плазмы. Поэтому, прежде
чем перейти к практическому освоению управляемого термоядерного синтеза,
ученым пришлось научиться получать в лабораторных условиях новый
физический объект - высокотемпературную плазму, исследовать ее свойства и
создать новую главу физики - науку о плазме, сегодня уже нашедшую
многочисленные практические применения.
Существуют две принципиальные возможности осуществления управляемой
термоядерной реакции: спокойное длительное горение термоядерного топлива в
так называемых магнитных ловушках, в которых горячая плазма изолируется от
контакта со стенками реактора с помощью магнитного поля /магнитное
удержание плазмы/, и непрерывная серия микровзрывов твердых топливных
таблеток, воспламеняемых с помощью мощных лазерных пучков, пучков
заряженных частиц или при быстром сжатии магнитным полем, причем
образовавшаяся плазма имеет возможность свободно разлетаться в
пространстве инерционное удержание плазмы/.
В настоящее время наиболее близко к достижению условий осуществления
управляемой термоядерной реакции подошли системы первого типа /системы с
магнитным удержанием плазмы/, среди которых лидирующее положение занимает
"Токамак", идея которого была выдвинута и практически осуществлена
коллективом ученых Института атомной энергии имени И. В. Курчатова в
Москве под руководством выдающихся советских физиков академиков Л.
Арцимовича и М. Леонтовича.
"Токамак" представляет собой замкнутую в кольцо вакуумную камеру,
помещенную внутрь тороидального соленоида. В камере в разреженном газе,
как во вторичной обмотке обычного трансформатора, возбуждается
электрический разряд с током, текущим вдоль ее оси. Создаваемое соленоидом
магнитное поле изолирует плазму разряда от стенок камеры.
При соблюдении некоторых дополнительных условий для равновесия
плазменного кольца плазма должна нагреваться текущим по ней током. Нагрев
плазмы можно увеличить, вводя в нее интенсивные пучки быстрых атомов или
высокочастотную мощность.
Понадобились многолетние усилия советских специалистов, пока наконец в
1968 году на "Токамаке" Т-3 удалось нагреть водородную плазму до
температуры 10 миллионов градусов. В "Токамак" поверили во всем мире, и
70-е годы прошли под знаком его последовательных успехов. На использование
систем типа "Токамак" были переориентированы национальные программы США,
Японии, Франции, ФРГ, Англии и ряда других стран.
Сегодня в мире насчитывается более 70 действующих "Токамаков". В СССР
завершается сооружение "Токамака" предреакторного масштаба Т-15,
особенностью которого является сверхпроводящий тороидальный соленоид,
прототип аналогичной системы термоядерного реактора.
Совместные усилия ученых многих стран привели к быстрому прогрессу в
понимании физических процессов в "Токамаках". Температуру плазмы удалось
поднять до 80 миллионов градусов. Показано, что потери из плазмы находятся
на допустимом уровне. Накоплен большой инженерный опыт по проектированию и
сооружению установок в целом и эксплуатации их отдельных систем. В целом
до настоящего времени экспериментальные результаты, полученные на
"Токамаках", не обнаружили принципиальных препятствий к созданию
термоядерного реактора.
В 1978 году Советский Союз предложил Международному агентству по
атомной энергии /МАГАТЭ/ объединить усилия стран, активно ведущих
термоядерные исследования, в деле создания первого демонстрационного
термоядерного реактора. Об этом говорил с трибуны специальной сессии
Генеральной Ассамблеи ООН 31 мая 1978 года А. А. Громыко.
Инициатива СССР была поддержана правительствами США, Японии и ряда
стран Западной Европы, входящих в Евроатом. Был создан объединенный
коллектив ведущих специалистов этих стран для разработки проекта первого в
мире термоядерного реактора, получившего название ИНТОР. В таком реакторе
должны быть получены параметры плазмы и осуществлены плазмофизические
режимы работы, близкие к соответствующим параметрам и режимам будущих
энергетических реакторов. Он должен содержать все основные системы и узлы,
присущие энергетическим реакторам, должна быть проверена работоспособность
этих систем и узлов, исследована работоспособность первой стенки реактора
при высоких циклических нейтронных нагрузках. ИНТОР должен
продемонстрировать надежность производства электроэнергии и
воспроизводства трития, а также дать опыт эксплуатации и дистанционного
обслуживания термоядерного реактора.
На основе проведенного анализа специалисты Международной рабочей группы
ИНТОРа показали, что накопленный экспериментальный и теоретический опыт
позволяет разработать проект такого реактора "Токамака", базируясь в
основном на современном уровне развития техники. В 1982 году был завершен
эскизный проект ИНТОРа, после этого проводились работы по оптимизации
основных технических решений реактора.
Проектные параметры ИНТОРа: объем плазмы более 200 кубических метров,
длительность горения реакции 200 секунд, термоядерная мощность 620
мегаватт, электрическая мощность экспериментального электрического модуля
50 мегаватт, коэффициент воспроизводства трития 0,65. Стоимость такого
реактора оценивается около 3 миллиардов долларов. В научных кругах,
руководствующихся прежде всего здравым смыслом и принципом рациональности,
идея ИНТОРа пользуется популярностью и поддержкой. Сложность технологии и
высокая стоимость демонстрационного реактора при реализации проекта делают
весьма выгодным не соперничество, а объединение усилий различных стран.
Лучом лазера
Ученые лаборатории квантовой радиофизики Физического института имени
Лебедева АН СССР предложили идею лазерного управляемого термоядерного
синтеза и получили приоритетные результаты в этой области. На крупнейшей в
мире лазерной термоядерной установке "Дельфин" ведутся эксперименты по
нагреву и сжатию плазмы для получения термоядерного синтеза. Результаты
этих исследований находят широкое применение в разработке новых приборов,
технологических процессов, в получении веществ с новыми свойствами в
медицине, метрологии и в новейших методах обработки информации.
Термояд в молнии
Антенна детектора, установленная индийскими учеными у подножия
Гималаев, во время грозы уловила излучение... нейтронов. Явление
необычное, поскольку теоретически нейтроны высвобождаются либо при синтезе
ядер дейтерия - дейтронов, либо во время слияния двух дейтронов при
высокой плотности и температуре. Физики предположили, что условия для
начала таких термоядерных реакций может создать и молния. В пользу их
гипотезы свидетельствуют 124 грозовых разряда из 11 тысяч
зарегистрированных. По расчетам, каждый из этих природных реакторов
излучал в среднем по миллиарду нейтронов.
Есть ли будущее у угля!
Есть, и очень большое - утверждают ученые. В цивилизации третьего
тысячелетия ему предстоит сыграть заметную роль, так как в мировых запасах
горючих ископаемых на долю твердого топлива приходится 93 процента, на
долю нефти и газа - всего 7 процентов. Общие геологические запасы углей в
мире оцениваются сейчас в 14 300 миллиардов тонн. Максимальный удельный
вес угля в мировом энергетическом балансе в нынешнем столетии был
достигнут на рубеже двадцатых годов. Затем уголь постепенно стал
вытесняться нефтью и природным газом. Перестройка структуры
энергетического баланса проходила неодинаково в капиталистическом мире и в
странах социалистического содружества. В государствах-членах СЭВ она не
сопровождалась массовым закрытием шахт, резким снижением объема добычи
угля. Угольная промышленность СССР, несмотря на разведку и освоение новых
нефтегазовых месторождений, не только сохранила созданные производственные
мощности, но и про должала их наращивать, хотя и мень шими темпами.
Разразившийся в семидесятых годах в капиталистическом мире нефтяной
энергетический кризис стал стимулом к перестройке топливно-энергетического
хозяйства мира. Добыча угля вновь стала быстро расти. За период с 1970 по
1983 год она увеличилась более чем на миллиард тонн и достигла 3933
миллионов тонн. По некоторым прогнозам, на рубеже третьего тысячелетия она
может составить 5,8, а в 2020 году - 8,8 миллиарда тонн. Уже к началу
следующего тысячелетия доля угля и нефти в мировом балансе станет примерно
одинаковой.
Отечественная угольная промышленность в дальнейшем будет развиваться
преимущественно за счет увеличения добычи угля открытым способом в
восточных районах страны.
Этим способом намечено добывать в перспективе 56-60 процентов угля
против 38 процентов в 1980 году.
Наиболее значительные и экономичные запасы, уже пригодные для открытой
разработки, сосредоточены в пределах Канско-Ачинского бассейна.
Здесь находятся 24 крупных месторождения угля с мощностью пласта от 6
до 96 метров. Часть этих углей пойдет на тепловые электростанции, энергия
которых будет передаваться в Западную Сибирь, на Урал и в европейскую
часть страны. А другая часть станет сырьем для производства синтетического
жидкого топлива. Для освоения этого вида переработки углей в нашей стране
построена крупная экспериментальная установка.
Текучая драгоценность
Тревожный вопрос
Земная природа - хозяйка рачительная. Тысячи, миллионы лет крупинка к
крупинке собирает свои богатства: россыпи драгоценных камней и металлов,
залежи руды, угля, солей. Миллионами лет в глухих подземельях растут
кристаллы, накапливаются пласты различных минералов, в толщах осадков
скапливаются нефтяные залежи.
Нам еще не совсем ясно, как возникли нефтяные месторождения. Но нет
сомнения, что они долго вызревали в недрах и сохранились только потому,
что были изолированы на долгие сроки.
Современная техника ненасытно пожирает минеральные энергетические
ресурсы, в первую очередь нефть, Горючего требуется все больше и больше. И
вот уже возникла вполне реальная проблема: кладовые земной природы не
бездонны; уничтожая горючие полезные ископаемые, мы рискуем лишиться их
вовсе.
Об этом начали писать давно, по крайней мере с конца прошлого века.
Называли даже сроки, когда наступит всемирный энергетический кризис.
Подсчитывали известные запасы энергетических ресурсов, учитывали темпы
роста их потребления и вычисляли, когда ресурсы будут исчерпаны.
Получалось - через десятки лет. Время шло, проходили назначенные сроки, а
горючих ископаемых становилось вроде бы даже больше. Почему? Потому что
геологи открывали новые и новые крупные месторождения угля, нефти, газа.
Однако с середины нашего век! энергетические ресурсы стали
использоваться с невиданной ранее интенсивностью. И вновь встает вопрос:
надолго ли хватит? В особенности нефти, уникального природного продукта,
очень сложного по структуре и происхож дению.
Глобальный оптимизм
В геологических науках оптимистичные прогнозы даются обычно с немалой
осторожностью, с оговорками. И понятно: мы все еще не слишком хорошо
ориентируемся в вечной тьме зекных недр. Тем удивительнее слышать
положительные заключения специалистов, оценивающих перспективы открытия
новых значительных по объему месторождений нефти и газа. Однако, когда в
Москве на 27-м Международном геологическом конгрессе обсуждались
актуальнейшие проблемы геологии, и среди них как одна из важнейших - о
перспективах поисков нефти и газа, то, пожалуй, большинство крупнейших
специалистов по этим вопросам высказывало вполне оптимистические взгляды.
И, надо сказать, их мнение покоилось на солидном основании.
Задал тон такому, можно сказать, глобальному оптимизму видный
американский ученый и предприниматель М. Хэлбути. Он постарался оценить
географическое положение перспективных нефтегазоносных бассейнов мира.
Представил соответствующие карты. Ориентировался прежде всего на открытия
последнего десятилетия:
9 гигантских месторождений в Северном море, гигантские залежи нефти и
газа на севере Аляски и у Ньюфаундленда и т. д. Согласно этим данным,
перспективные площади охватывают около 77,6 миллиона квадратных
километров, из них около трети приходится на окраины континентов
(преимущественно шельфовые зоны морей). В арктической зоне, по мнению
Хэлбути, будет совершено не менее половины будущих открытий нефтегазовых
залежей.
"Я твердо убежден,- сказал Хэлбути,- что в будущем мы откроем в
глобальном масштабе по крайней мере столько же нефти и значительно больше
газа, чем открыто сегодня. Я полагаю также, что нас ограничивают только
недостаток воображения, решительности и технология".
На геологических картах, показывающих перспективные на нефть и газ
территории, оконтурены обширнейшие регионы. Но это еще сугубо
предварительные и весьма неопределенные прогнозы. Требуется уточнить, на
каких глубинах, в каких геологических условиях, в отложениях каких эпох
можно ожидать промышленных скоплений нефти и газа. Иногда такие уточнения
оборачиваются приятной неожиданностью: удается обнаружить нефтяные залежи
даже в таких подземных условиях, которые прежде считались неперспективными
для этого полезного ископаемого.
Так, в США есть обширная полоса вдоль Скалистых гор, которую долгое
время называли "кладбищем скважин на нефть". Действительно, из 500
разведочных скважин, пробуренных здесь, ни одна не вскрыла залежи
полезного ископаемого. Казалось, безнадежный район; буровые врезаются L.
древние безжизненные гранитные толщи. Но вот рискнули пробиться глубже-и
удача! Было обнаружено первое месторождение нефти, а затем большие залежи.
Оказалось, что здесь древние толщи надвинулись на более молодые осадочные
слои, в которых сформировались месторождения нефти и газа.
Если прежде, вскрывая переплавленные или сильно преобразованные в
недрах магматические или метаморфические породы, геологи-нефтяники обычно
прекращали поиски, то теперь ситуация меняется. В ряде случаев под
покровами платформенных областей обнаружены богатейшие залежи нефти и
газа. Более того, в качестве коллекторов могут быть даже вулканические и
трещиноватые метаморфические породы. Это показали исследования советских
геологов и венгерских. Раньше не знали о возможной нефтегазоносности
глинистых толщ. Сейчас такие своеобразные карбонатно-кремнистоглинистые
отложения (доманикиты), пропитанные органическим веществом, обнаружены в
нашей стране. В США признаны перспективными на нефть глинистые доломиты
Калифорнии. Извлечение нефти из подобных отложений требует новой
технологии. В США после долгих поисков создан эффективный метод добычи с
помощью закачки воды и газов, электроподогрева и гидровзрыва.
Но самые выдающиеся за последние десятилетия открытия
геологов-нефтяников связаны с Западно-Сибирской низменностью. То, что там
должна быть нефтегазовая провинция (площадью 2,4 миллиона квадратных
километров!), было теоретически предсказано еще полвека назад И. Губкиным.
Сейчас здесь эксплуатируются залежи нефти, заключенные преимущественно в
мезозойских породах, возраст которых до 235 миллионов лет. Это то время,
когда на Земле жили звероящеры.
Советские исследователи (Д. Дробот и другие) сумели доказать, что на
Сибирской платформе перспективны на нефтегазоносность и более глубокие,
более древние горизонты. Это отложения нижнего кембрия, им полмиллиарда
лет, и еще значительно более старшие.
Специалисты теперь признали, что и в других регионах есть смысл
проводить более глубокую нефтегазоразведку. Но за отметками, превышающими
пятикилометровую глубину, все же больше шансов обнаружить не нефть, а газ.
Пока еще месторождений на суше явно больше. Однако начали набирать мощь
нефтегазопромыслы шельфовых областей - морские. Северное море в этом
отношении последовало за Каспийским. Теперь все настойчивее раздаются
голоса, предлагающие обратить пристальное внимание не только на
мелководные шельфы, но и на более глубокие акватории, на переходные зоны
от континентальных окраин к океану, а также на районы островных дуг.
Перспективность этих регионов связана с особенностями истории их развития
и с условиями осадкообразования.
Словом, к известным прежде перспективным на нефть и газ участкам земной
коры ныне добавилось немало новых, очень обширных. И получилось, что на
некоторых наиболее оптимистичных картах прогноза нефтегазоносности
перспективными показаны едва ли не все шельфовые зоны и большая часть
территории суши.
Получается, что искать можно почти везде. Но ведь важно знать, где
такие поиски дадут наилучший экономический эффект (как было, скажем, с
открытием Западно-Сибирского нефтегазоносного региона), а где обнаружатся
лишь редкие и небогатые скопления нефти или газа, и, как говорится,
"овчинка выделки не стоит".
Освоение опыта
Приступая к освоению новых, неведомых регионов, специалисты стараются
полнее и конструктивнее использовать опыт прошлого. С этой целью советские
ученые обобщили имеющиеся сведения об условиях формирования крупных зон
нефтегазонакопления.
Вот некоторые их выводы.
Из двух полушарий планеты заметно богаче нефтью Восточное. Здесь
находится более 65 процентов нефтяных ресурсов мира, почти девять десятых
месторождений-гигантов.
Нефть чаще всего встречается в интервалах глубин 750-3000 метров (86
процентов всех известных запасов нефти). По возрасту нефтеносные толщи
преимущественно мезозойские (66 процентов крупных нефтяных месторождений).
По составу вмещающих пород абсолютно преобладают песчаниковые коллекторы и
карбонатные.
Как известно, для формирования залежей нефти и газа необходимы особые
подземные ловушки, в которых накапливается и сохраняется полезное
ископаемое. Виды ловушек бывают разные. Давний опыт показывает, что
наиболее перспективны и надежны так называемые структурные ловушки,
которые располагаются в верхних частях антиклинальных складок (то есть
складок выпуклостью вверх, в виде купола). С ними связано около 86
процентов всех ресурсов нефти.
Большинство месторождений нефти и газа (около 90 процентов) находится
на платформах - территориях относительно устойчивых, в истории которых за
последние десятки и сотни миллионолетий не было крупных геологических
катастроф: глубоких прогибов и
разрывов земной коры, воздымания горных хребтов и т. п.
Итак, напрашиваются некоторые обобщения. Основные нефтеносные регионы
все же тяготеют к континентам. Именно поэтому Западное полушарие,
преимущественно океаническое, менее богато месторождениями нефти и газа.
Кроме того, повышенная активность земных недр, вызывающая интенсивное
складко- и горообразование, не благоприятствует сохранности там нефтяных
залежей.
Толика сомнений
Ироничный писатель Жуль Ренар както сказал: "Ученый-это человек,
который в чем-то почти уверен". Только лишь "почти". Потому что в науке
любые догмы и общепринятые суждения постоянно подвергаются сомнению.
Глобальный оптимизм нефтегазовых прогнозов, прозвучавших на конгрессе
геологов, тут же был несколько поколеблен отдельными высказываниями.
Так, например, по мнению французского ученого П. Ф. Бюролле, упования
на открытие новых залежей, соизмеримых по общему объему с уже известными,
по меньшей мере необоснованны.
Никто из специалистов не оспаривает утверждение о том, что еще будет
обнаружено немало месторождений нефти и газа. Однако многие считают, что
это будут залежи преимущественно некрупные по запасам, трудные для
разведки и сложные по технологии извлечения полезного ископаемого.
Принимать их в расчет можно лишь при условии новой технологии добычи нефти.
Благоприятных для нефтегазообразования регионов в принципе на планете
может быть очень много. Скажем, в крупных осадочных толщах вполне можно
ожидать залежей нефти. А подобных толщ накоплено в разных регионах немало.
Но есть ли среди них продуктивные нефтематеринские породы? Есть ли
надежные ловушки!
Достаточно ли велики они по объему?..
Чтобы ответить на эти вопросы, даже при самых благоприятных общих
предпосылках, в каждом отдельном случае необходимо учитывать частные
конкретные условия. Известно, например, что золото встречается в россыпях,
а россыпей (скоплений мелких обломков различных горных пород) повсюду
великое множество. Означает ли это, будто повсюду следует активно искать и
разрабатывать россыпное золото?
Иногда превосходные, казалось бы, ловушки оказываются пустыми. Как
определить, в каких подземных ловушках есть нефть, а какие из них это
текучее полезное ископаемое по каким-то причинам сумело избежать или
ухитрилось уйти из них?
Локальный прогноз
Теперь, когда определены принципы выделения крупных регионов,
перспективных на нефть и газ, резко возросло значение точных локальных
прогнозов.
Ведь нефть не станешь искать "где-то вообще", на площади в сотни и
тысячи квадратных километров. Требуется наиболее рационально распределить
разведочные скважины, а полученную с их помощью информацию использовать с
максимальной эффективностью.
Бурить приходится на значительные глубины, и цена каждой скважины -
около миллиона рублей и более.
Можно ли заранее предусмотреть количество, качество и степень
заполненности подземных ловушек нефти!
Геологи В. Ильин, А. Золотов, Л.Кирюхин обратили внимание на такую
закономерность. Хорошие скопления нефти встречаются в рифовых отложениях,
оставленных древними морями.
Нефтегазоносные рифы открыты в Волго-Уральской и Тимано-Печерской
провинциях, на Северном Кавказе, в Средней Азии... Эти рифы - как бы
аккумуляторы нефти и газа. Нередко они перекрыты экранирующими слоями
солей. Ловушки превосходные! Вот только обнаружить их не так-то просто.
Но есть некоторые критерии поиска, учет которых существенно облегчает и
уточняет локальный прогноз нефтегазоносности. Скажем, над рифами толщина
слоев соли обычно понижена, а между рифами повышена. Этот признак
использовался и прежде для обнаружения рифов, хотя и не давал надежных
результатов. Теперь выявили и стали учитывать еще ряд дополнительных
признаков. Например, то, что прослои и линзы калийных солей тяготеют к
межрифовым участкам; там же обычно встречаются линзы рапы.
Подобные закономерности специалистами обобщены. Составлена
соответствующая методика поисков - стратегия глубокой геологической
разведки, основанной на макс
...Поділитися у соцмережах
