СпецТехника ГАЗ

Металлы для современной энергетики

Во всех ныне действующих атомных электростанциях и у нас, и за рубежом энергия претерпевает целый каскад превращений. Сначала атомная энергия преобразуется в тепловую. Эта последняя нагревает специальный теплоноситель, переводя его в парообразное состояние. (Мы уже знаем, что теплоносителем может быть не только вода, но и металлы, например натрий.) Пар теплоносителя движет турбины, которые в свою очередь вращают валы электрогенераторов, где рождается, наконец, электрическая энергия. В ТЭПах же нет всех этих промежуточных стадий. Это их первое преимущество.

Для нагревания катода можно ведь использовать самые высокотемпературные источники (не только атомный реактор и радиоактивные изотопы, но и энергию Солнца, и газопламенный нагрев, и др.).

Раз нет движущихся частей, стало быть, нет и потерь на трение, нет механического износа деталей. Устранение трения особенно важно для космических источников электроэнергии — в космическом вакууме ведь смазки испаряются чрезвычайно быстро.

Не лишне отметить и то, что ТЭПы компактны и надежны в работе, они могут длительное время исправно трудиться без систематического ухода и обслуживания человеком.

Родившись совсем недавно, они уже достигли к. и. д. в 27%. Для будущего развития энергетики, особенно атомной и космической, значение ТЭПов трудно переоценить.

Если спаять два разных металла, то в месте контакта при нагревании возникает разность потенциалов, так как концентрация электронов в «электронном газе» (образно говоря, давление «электронного газа») у различных металлов неодинакова. В цепи из разных металлов потечет электрический ток, если концы спаев находятся при разной температуре. Чем больше разность температур, тем сильнее ток. Это позволяет превращать тепловую энергию непосредственно в электричество, минуя все промежуточные стадии (паровой котел или турбину и т. п.). Таким образом, можно использовать для выработки электроэнергии внутреннее тепло нашей планеты или тепло, выделяемое атомным реактором.

Металлы в этой роли пока просто незаменимы. Причину высокой электропроводности металлов мы уже знаем: электроны у них не «закреплены» в атомах, как у изоляторов, а свободно «гуляют» в кристаллической решетке, образуя «электронный газ». В отсутствие электрического напряжения они движутся беспорядочно, как молекулы в обычном газе. Но стоит присоединить металл к источнику тока и замкнуть цепь, как электроны начинают двигаться дружно, в строгом порядке. Их направленный поток и носит название электрического тока. При своем движении в металле электроны встречают на пути ионы и, сталкиваясь с ними, передают последним часть своей энергии. Ионы в узлах кристаллической решетки начинают колебаться быстрее, а это значит, что температура металлического проводника повышается. При покупке больших объемов металлопроката для изготовления тех или инных энергетических устройств менеджерами по закупкам часто используется калькулятор массы металла для подсчета точной массы проката по весу или наоборот.

Но чем быстрее колеблются ионы, чем чаще они сталкиваются с электронами, а стало быть, тем больше мешают их движению. Вот почему электрическое сопротивление металлов с ростом температуры увеличивается, а с понижением ее — уменьшается.

В кристаллической решетке различных металлов электроны встречают разное сопротивление. Меньше всего оно у серебра. Если его электропроводность принять за единицу, то у меди она равна 0,94, у алюминия — 0,55, у железа и ртути — 0,02, у титана — 0,003.

Чем сильнее искажена кристаллическая решетка любого металла, тем большее сопротивление встречают в ней электроны на своем пути, поэтому сплавы проводят электрический ток

гораздо хуже, чем чистые металлы. Поэтому для электрических проводов используют медь, в которой примесей не больше 0,05%, или достаточно чистый алюминий, а для реостатов или электронагревательных приборов применяют сплавы с большим электросопротивлением.

Медь проводит электрический ток в два раза лучше алюминия, но она в 3,3 раза тяжелее его, поэтому алюминий начинает теснить медь; при равной электропроводности алюминиевый провод легче медного. Масса алюминиевого электрического кабеля вдвое меньше, чем у медного, и алюминиевый кабель вдвое, а то и втрое дешевле при равной мощности передаваемого электрического тока. Не удивительно поэтому, что теперь не менее 85% всех силовых кабелей уже имеют токопроводящие жилы из алюминия. И все же пока что медь остается главным металлом электротехники. Почти половина ее производства идет на изготовление электрических проводов.

В новой пятилетке выпуск меди намечено увеличить в 1,2—1,3 раза, не смотря на то что удельный вес металла меди больше алюминия, ее малое сопротивление току делает медь одним из лучших проводников в настоящее время.