Kiedy plazmowe generatory elektryczności stają się rzeczywistością

Prawie wszyscy zainteresowani energią słyszeli o perspektywach generatorów MHD. Ale fakt, że te generatory są obiecujące od ponad 50 lat, jest znany niewielu. Problemy związane z generatorami plazmowego MHD opisano w artykule.

Historia z plazmą lub generatory magnetohydrodynamiczne (MHD) zaskakująco podobny do sytuacji z fuzja. Wydaje się, że musisz zrobić tylko jeden krok lub zrobić mały wysiłek, a bezpośrednia konwersja ciepła w energię elektryczną stanie się znaną rzeczywistością. Ale inny problem przesuwa tę rzeczywistość na czas nieokreślony.

Przede wszystkim o terminologii. Generatory plazmy są jedną z odmian generatorów MHD. A te z kolei swoją nazwę zawdzięczają pojawieniu się prądu elektrycznego, gdy ciecze przewodzące prąd (elektrolity) poruszają się w polu magnetycznym. Zjawiska te opisano i zbadano w jednej z dziedzin fizyki - magnetohydrodynamika. Stąd generatory mają swoją nazwę.

Historycznie pierwsze eksperymenty mające na celu stworzenie generatorów przeprowadzono z elektrolitami. Ale wyniki pokazały, że bardzo trudno jest przyspieszyć przepływ elektrolitów do prędkości naddźwiękowych, a bez tego sprawność (wydajność) generatorów jest niezwykle niska.

Dalsze badania przeprowadzono z szybkimi przepływami zjonizowanego gazu lub plazmy. Dlatego dziś mówimy o perspektywach użytkowania Generatory MHD, należy pamiętać, że mówimy wyłącznie o ich odmianie plazmy.

Fizycznie efekt pojawienia się różnicy potencjałów i prądu elektrycznego, gdy ładunki poruszają się w polu magnetycznym, jest podobny Efekt Halla. Ci, którzy pracowali z czujnikami Halla, wiedzą, że gdy prąd przepływa przez półprzewodnik umieszczony w polu magnetycznym, na kryształowych płytach pojawia się różnica potencjałów prostopadła do linii pola magnetycznego. Tylko w generatorach MHD zamiast prądu przepuszczany jest przewodzący płyn roboczy.

Moc generatorów MHD zależy bezpośrednio od przewodności substancji przechodzącej przez jej kanał, kwadratu jej prędkości i kwadratu pola magnetycznego. Z tych zależności jasno wynika, że ​​im większa przewodność, temperatura i natężenie pola, tym wyższa pobierana moc.

Wszystkie teoretyczne badania dotyczące praktycznej konwersji ciepła w elektryczność przeprowadzono już w latach 50. ubiegłego wieku. Dziesięć lat później pojawiły się pilotażowe elektrownie Mark-V w USA o mocy 32 MW i U-25 w ZSRR o mocy 25 MW. Od tego czasu przetestowano różne konstrukcje i skuteczne tryby pracy generatorów oraz przetestowano różne rodzaje płynów roboczych i materiałów konstrukcyjnych. Ale generatory plazmy nie osiągnęły powszechnego zastosowania przemysłowego.

Co mamy dzisiaj? Z jednej strony działa już połączona jednostka napędowa z generatorem MHD o mocy 300 MW w Elektrowni Okręgu Stanowego Ryazan. Sprawność samego generatora przekracza 45%, podczas gdy sprawność konwencjonalnych stacji cieplnych rzadko osiąga 35%. Generator wykorzystuje plazmę o temperaturze 2800 stopni, uzyskaną przez spalanie gazu ziemnego i mocny magnes nadprzewodzący.

Wydawałoby się, że energia plazmy stała się rzeczywistością. Ale podobne generatory MHD na świecie można policzyć na palcach i zostały one utworzone w drugiej połowie ubiegłego wieku.

Pierwszy powód jest oczywisty: do działania generatorów potrzebne są żaroodporne materiały konstrukcyjne. Niektóre materiały zostały opracowane w ramach realizacji programów termojądrowych. Inne są wykorzystywane w rakietach i są klasyfikowane.W każdym razie materiały te są niezwykle drogie.

Innym powodem są osobliwości działania generatorów MHD: wytwarzają wyłącznie prąd stały. Dlatego potrzebne są wydajne i ekonomiczne falowniki. Nawet dzisiaj, pomimo osiągnięć technologii półprzewodnikowej, problem taki nie został całkowicie rozwiązany. Bez tego niemożliwe jest przeniesienie ogromnych możliwości na konsumentów.

Problem tworzenia super silnych pól magnetycznych również nie został całkowicie rozwiązany. Nawet zastosowanie magnesów nadprzewodzących nie rozwiązuje problemu. Wszystkie znane materiały nadprzewodzące mają krytyczne natężenie pola magnetycznego, powyżej którego nadprzewodnictwo po prostu zanika.

Można się tylko domyślać, co może się stać, gdy nagłe przejście do normalnego stanu przewodów, w którym gęstość prądu przekracza 1000 A / mm2. Eksplozja uzwojeń w pobliżu plazmy podgrzanej do prawie 3000 stopni nie spowoduje globalnej katastrofy, ale z pewnością drogi generator MHD na pewno zawiedzie.

Pozostają problemy związane z ogrzewaniem plazmy do wyższych temperatur: przy 2500 stopniach i dodatkach metali alkalicznych (potasu) przewodnictwo plazmy pozostaje jednak bardzo niskie, niewspółmierne do przewodnictwa miedzi. Ale wzrost temperatury będzie znów wymagał nowych materiałów żaroodpornych. Koło zamyka się.

Dlatego wszystkie obecnie tworzone jednostki napędowe z generatorami MHD pokazują osiągnięty poziom technologii, a nie wykonalność ekonomiczną. Prestiż kraju jest ważnym czynnikiem, ale budowa ogromnie drogich i kapryśnych generatorów MHD jest dziś bardzo droga. Dlatego nawet najmocniejsze generatory MHD pozostają w stanie instalacji pilotażowych. Na nich inżynierowie i naukowcy opracowują przyszłe projekty, testując nowe materiały.

Po zakończeniu tej pracy trudno powiedzieć. Bogactwo różnych konstrukcji generatorów MHD sugeruje, że optymalne rozwiązanie jest jeszcze daleko. A informacja, że ​​termojądrowa plazma termojądrowa jest idealnym medium roboczym dla generatorów MHD, popycha ich szerokie zastosowanie do połowy naszego wieku.