När plasma-generatorer blir verklighet

Nästan alla som var intresserade av energi hörde talas om utsikterna för MHD-generatorer. Men det faktum att dessa generatorer har varit i lovande status i mer än 50 år är känt för få. Problemen förknippade med plasma-MHD-generatorer beskrivs i artikeln.

Berättelse med plasma, eller magnetohydrodynamiska (MHD) generatorer förvånansvärt liknande situationen med kärnfusion. Det verkar som om du bara behöver ta ett steg eller göra lite ansträngning, och direkt omvandling av värme till elektrisk energi kommer att bli en bekant verklighet. Men ett annat problem driver denna verklighet på obestämd tid.

Först och främst om terminologin. Plasmageneratorer är en av variationerna av MHD-generatorer. Och de fick i sin tur sitt namn genom effekten av en elektrisk ström när elektriskt ledande vätskor (elektrolyter) rör sig i ett magnetfält. Dessa fenomen beskrivs och studeras i en av fysikens grenar - magneto. Härifrån fick generatorerna sitt namn.

Historiskt genomfördes de första experimenten för att skapa generatorer med elektrolyter. Men resultaten visade att det är mycket svårt att påskynda flödet av elektrolyter till supersoniska hastigheter, och utan detta är effektiviteten (effektiviteten) för generatorerna extremt låg.

Ytterligare studier genomfördes med höghastighetsjoniserade gasflöden eller plasma. Därför talar vi idag om utsikterna för användning MHD-generatorer, måste du komma ihåg att vi uteslutande pratar om deras plasmasortiment.

Fysiskt är effekten av utseendet på en potentialskillnad och en elektrisk ström när laddningarna rör sig i ett magnetfält likadana Hall effekt. De som arbetade med Hall-sensorer vet att när en ström passerar genom en halvledare placerad i ett magnetfält, visas en potentialskillnad på kristallplattorna vinkelrätt mot magnetfältets linjer. Endast i MHD-generatorer passerar en ledande arbetsvätska istället för ström.

Kraften hos MHD-generatorer beror direkt på konduktiviteten hos ämnet som passerar genom dess kanal, kvadratet med dess hastighet och kvadratet på magnetfältet. Av dessa förhållanden är det uppenbart att ju större ledningsförmåga, temperatur och fältstyrka är, desto högre kraft tas.

Alla teoretiska studier om den praktiska omvandlingen av värme till elektricitet genomfördes redan i 50-talet av förra seklet. Ett decennium senare dök upp Mark-V-pilotanläggningarna i USA med en kapacitet på 32 MW och U-25 i USSR med en kapacitet på 25 MW. Sedan dess har olika konstruktioner och effektiva driftsätt för generatorer testats, och olika typer av arbetsfluider och konstruktionsmaterial har testats. Men plasmageneratorer har inte nått utbredd industriell användning.

Vad har vi idag? Å ena sidan verkar redan en kombinerad kraftenhet med en MHD-generator med en kapacitet på 300 MW vid Ryazan State District Power Plant. Generatorens effektivitet överstiger 45% medan effektiviteten hos konventionella värmestationer sällan når 35%. Generatorn använder en plasma med en temperatur på 2800 grader, erhållen genom förbränning av naturgas, och kraftfull superledande magnet.

Det verkar som om plasmaenergi har blivit verklighet. Men liknande MHD-generatorer i världen kan räknas på fingrarna, och de skapades under andra hälften av förra seklet.

Det första skälet är uppenbart: värmebeständiga konstruktionsmaterial krävs för drift av generatorer. Vissa av materialen har utvecklats som en del av implementeringen av termonukleära fusionsprogram. Andra används inom raketvetenskap och klassificeras.I vilket fall som helst är dessa material extremt dyra.

Ett annat skäl är det speciella med driften av MHD-generatorer: de producerar uteslutande likström. Därför krävs kraftfulla och ekonomiska inverterare. Även i dag, trots resultaten av halvledartekniken, har ett sådant problem inte lösts helt. Och utan detta är det omöjligt att överföra enorm kapacitet till konsumenterna.

Problemet med att skapa yttersta magnetfält har inte heller lösts helt. Till och med användningen av superledande magneter löser inte problemet. Alla kända superledande material har en kritisk magnetfältstyrka över vilken superledningen helt enkelt försvinner.

Man kan bara gissa vad som kan hända när ledarna plötsligt övergår till det normala tillståndet, där strömtätheten överstiger 1000 A / mm2. Explosion av lindningar i närheten av plasma uppvärmd till nästan 3000 grader orsakar inte en global katastrof, men en dyr MHD-generator kommer att misslyckas med säkerhet.

Problemen med plasmauppvärmning till högre temperaturer kvarstår: vid 2500 grader och tillsatser av alkalimetaller (kalium) förblir plasmakonduktiviteten emellertid mycket låg, omöjlig att koppla med konduktiviteten. Men en ökning av temperaturen kommer att kräva nya värmebeständiga material. Cirkeln stängs.

Därför visar alla kraftenheter med MHD-generatorer som skapats idag nivån på uppnådd teknik snarare än ekonomisk genomförbarhet. Landets prestige är en viktig faktor, men att bygga massivt dyra och lustiga MHD-generatorer idag är mycket dyra. Därför förblir även de mest kraftfulla MHD-generatorerna status som pilotanläggningar. På dem arbetar ingenjörer och forskare med framtida konstruktioner och testar nytt material.

När det här arbetet är slut är det svårt att säga. Överflödet av olika konstruktioner av MHD-generatorer tyder på att den optimala lösningen fortfarande är långt borta. Och informationen om att den termonukleära fusionsplasma är ett idealiskt arbetsmedium för MHD-generatorer driver deras utbredda användning fram till mitten av vårt århundrade.