МГД-генераторы

Решая задачу термоядерного синтеза, в основе которого лежит горячая, высокотемпературная плазма, физики ведут всесторонние исследования холодной, низкотемпературной плазмы в целях широкого использования ее в технике.

Глядя на уходящую ввысь ракету, можно видеть вырывающийся из реактивного сопла огнедышащий шлейф. Это низкотемпературная плазма. Ученые смогли разглядеть в ней могучее средство для прямого превращения тепловой энергии в электрическую. Появились чертежи необычной электростанции - без парового котла, турбин и электрогенератора с традиционным вращающимся ротором. Первая промышленно-экспериментальная установка такого рода позволила говорить о новом направлении в энергетике.

На базе изучения космических туманностей и оболочек звезд родилась наука, получившая название магнитогидродинамики. Отсюда и общепринятый сегодня термин МГД-генератор. Основная деталь электростанции нового типа - топочный агрегат, похожий на камеру сгорания ракетного двигателя. В него подается нагретый воздух и впрыскивается топливо. Оно мгновенно сгорает, и температура в камере поднимается до 2500°. Раскаленные газы с ревом устремляются сквозь расширяющееся сопло. Этот ураган представляет собой холодную плазму.

Струя плазмы пролетает между полюсами магнита, пересекает магнитные силовые линии, и в ней возникает электрический ток. Его снимают электроды, расположенные с обеих сторон огненного потока. Здесь нет ни длинной цепи превращения энергии, ни передачи ее от одного носителя к другому, ни вращающихся деталей. Все просто и экономично.

Если в обычном электрическом генераторе проводником, в котором индуцируется ток, является обмотка якоря, то в МГД-генераторе им служит низкотемпературная плазма.

В чем же сложность создания таких машин? В том, что их работа возможна только при исключительно высокой температуре. Если температура окажется недостаточной, газ не превратится в плазму, а значит, не будет проводить электричество.

Нужны совершенно особые материалы, чтобы удержать огненную плазму в камере МГД-генератора. Ведь в магнитогидродиыамическом канале, словно в мощной аэрогидродинамической трубе, скорость газов достигает сотен метров в секунду.

Советские ученые впервые в истории осуществили прямое преобразование энергии огня в электричество. Расчеты свидетельствуют, что коэффициент полезного действия у МГД-генератора, составляющий 55-60%, в полтора раза больше, чем у лучших современных тепловых электростанций. Значит, только одна станция мощностью миллион киловатт, переведенная на новейшую технику, смогла бы ежегодно экономить 500 тыс. т топлива.

Созданию опытно-промышленной МГД-электростанции предшествовала большая работа. В соответствии с программой исследований метода магнитогидродинами-ческого преобразования тепловой энергии в электрическую в 1964 г. Институт высоких температур АН СССР совместно с организациями Министерства энергетики и электрификации СССР создал модельную экспериментальную установку У-0,2, включающую основные элементы будущей электростанции с МГД-генератором. Проведенные на ней исследования позволили приступить к сооружению более мощных опытно-промышленных станций.

В 1971 г. в Москве введен в строй первый в мире МГД-генератор У-25, пригодный для промышленного получения электроэнергии. Об этом советская делегация сообщила на 5-м международном симпозиуме по магнитогидродинамическому производству электроэнергии.

В генераторе У-25 мощностью 25МВт тепло сжигаемого природного газа непосредственно преобразуется в электрическую энергию трехфазного тока. Принцип его действия состоит в следующем. Обогащенный до 40% углекислым газом воздух нагревается до температуры 1200° и горит при температуре 2400°. Сильно нагретый газ истекает из сопла со скоростью 850 м/с, а затем проходит через магнитное поле напряженностью 20 тыс. гаусс. Вследствие высокой температуры и добавки карбоната калия или других щелочных металлов газ ионизируется и приобретает способность проводить электричество, поэтому от установленных с двух сторон газового потока 48 парных электродов получают электрический ток.

Присадка вводится для того, чтобы чрезмерно не повышать температуру продуктов сгорания. Одного процента ее достаточно, чтобы сделать газы электропроводными. На выходе из канала присадку улавливают специальными фильтрами и вновь пускают в дело.

Газ, который выходит из канала МГД-генератора, для повторного использования непригоден. Сначала он поступает в воздухоподогреватель, а затем в обычную паросиловую установку, являющуюся как бы второй ступенью МГД-генератора. Она служит для получения электрической энергии по обычной схеме.

Простая на первый взгляд идея МГД-генератора воплотилась в жизнь только в наши дни. Трудность заключалась в подборе материала для футеровки внутренней поверхности канала генератора. Материал этот должен обладать высокой термо- и коррозиестойкостыо и к тому же быть хорошим изолятором. Другой, не менее сложной проблемой было создание электродов для вывода тока из струи плазмы во внешнюю электрическую цепь. Пока еще не решены некоторые технические проблемы, связанные с прочностью и долговечностью МГД-генераторов.

Ожидается, что новые МГД-генераторы будут обладать еще более высокой работоспособностью. Советские ученые планируют создание мощных МГД-установок с общим коэффициентом полезного действия более 60%. Получаемая от них электроэнергия будет значительно дешевле, чем, например, энергия, получаемая от гидроэлектростанций. МГД-генераторы особенно перспективны для покрытия увеличения нагрузки энергосистемы в часы пик.

По прогнозу вице-президента Эдисоновского электрического института США Р. Н. Джердеса, к 2000 г. мощности электростанций с МГД-генераторами будут составлять почти половину соответствующих вновь вводимых мощностей.

Советские ученые и конструкторы продолжают работы по созданию новых магнитогидродинамических установок для большой энергетики. Разрабатывается, в частности, проект МГД-электростанции на твердом топливе - угле, создаются МГД-установки, которые можно будет сочетать с атомными реакторами.

Принцип МГД-генератора находит применение в металлургии и других отраслях производства. Так, на базе системы МГД-машин Институту физики АН Латвийской ССР впервые в мировой практике удалось разработать принципиально новую технологию производства ртути высокой чистоты. Технология эта уже внедрена на многих предприятиях Советского Союза и по лицензионному соглашению передана в Алжирскую Народную Демократическую Республику.

"Работа наших ученых, - рассказывает директор Института физики АН Латвийской ССР, академик Ю. А. Михайлов, - открывает исключительно интересные, многообещающие перспективы. Прежде всего появилась возможность объяснить очень много природных явлений в ионосфере и в океанических течениях. Латвийским физикам удалось развить электромагнитную теорию смерча. Теперь мы надеемся развить теорию течения Гольфстрим. Полученные в лабораториях института новые сведения по самовозбуждению магнитного поля в больших потоках жидкого металла и феррожидкостей помогли не только внести вклад в теорию происхождения магнитного поля Земли и других космических тел, но и прогнозировать возникновение явлений, которые непременно дадут о себе знать в реакторах недалекого будущего на быстрых нейтронах и в бланкетах термоядерных установок".

"Первый в опрос, который задает нам наше любопытство при изучении окружающих нас тел, начинается с "почему", - утверждает известный английский физик-теоретик Р. Пайерлс. - Под объяснением, ответом на "почему" мы всегда понимаем демонстрацию того, что рассматриваемый факт следует из некоторых принятых законов или принципов". Поиски ответов на эти "почему" лежат в основе всех открытий и изобретений, помогают рождению нового в технике.

Обратимость МГД-действия позволила создать плазменный двигатель - ускорить плазму при пропускании через нее тока во внешнем магнитном поле. Плазменные двигатели хорошо зарекомендовали себя в космосе. Еще в 1964 г. впервые в мире на советской автоматической станции "Зонд-2", удалившейся от Земли на миллионы километров, были успешно проведены испытания плазменных электрореактивных двигателей.

В плазменных электрореактивных двигателях рабочее тело (плазма) разогревается с помощью электрической энергии. Затем на плазму воздействуют электромагнитным полем, при этом она движется, подобно тому как в электромоторе движется проводник, по которому течет ток. Отсюда вытекает возможность ускорения частиц рабочего тела до скоростей в десятки и сотни километров в секунду, недостижимых в двигателях, работающих на химическом топливе или сжатом газе.

Электроэнергию для питания плазменных электрореактивных двигателей можно брать в космосе от солнечных батарей или от специального источника электроэнергии. Тягу плазменных двигателей очень легко регулировать в широких пределах изменением параметров их электропитания. Такие двигатели обладают большим ресурсом работы. Все это делает плазменные двигатели очень перспективными для применения на космических объектах с длительным временем полета.

На многомиллионном пути к далеким планетам система ориентации обязана сохранять заданное положение аппарата в пространстве или изменять его определенным образом, если в этом возникает необходимость. Она должна, например, следить за тем, чтобы на полупроводниковые панели солнечных батарей попадал максимум энергии Солнца, иными словами, чтобы они всегда были перпендикулярны его лучам. Система ориентации направляет на Землю антенну станции во время сеанса связи.

Итак, круг обязанностей плазменных двигателей в одной только системе ориентации весьма обширен. Но этим далеко не исчерпываются их возможности. Плазменные двигатели можно использовать при переводе спутников с одной орбиты на другую, для выполнения различных маневров при сборке околоземных космических станций, наконец, они могут служить и "маршевым двигателем" для многоступенчатых межпланетных ракет.

Эффект Т-слоя

Изучая закономерности, явления и свойства низкотемпературной плазмы, коллективы научных работников Института прикладной математики АН СССР и Института теоретической и прикладной механики Сибирского отделения АН СССР открыли новое явление в плазме. Авторами открытия являются академики А. Н. Тихонов и А. А. Самарский, кандидаты физико-математических наук П. П. Волосевич и С. П. Курдюмов и научные сотрудники Л. М. Дегтярев, Ю. П. Попов и А. П. Фаворский (Институт прикладной математики АН СССР), кандидат физико-математических наук В. С. Соколов и кандидат технических наук Л. А. Заклязьминский (Институт теоретической и прикладной механики Сибирского отделения АН СССР).

Оказалось, что при взаимодействии плазмы с магнитным полем в ней при определенных условиях возникает узкая высокотемпературная зона. Интересно, что в дальнейшем эта зона не исчезает, а, наоборот, самоподдерживается, и притом довольно устойчиво. Узкая зона, температура которой намного выше, чем у всей остальной плазмы, получила название Т-слоя (температурного слоя). Открытие именуется эффектом Т-слоя.

Существование Т-слоя в плазме, во-первых, во много раз усиливается взаимодействием плазмы с магнитным полем. Низкотемпературная плазма с помощью Т-слоя как поршня может эффективно взаимодействовать с магнитным полем. Во-вторых, благодаря наличию Т-слоя магнитное поле может играть роль катализатора, позволяющего сравнительно холодной плазме интенсивно преобразовывать свою энергию в свет.

Это открытие имеет большое значение как для теории, так и для практики. Появились новые перспективы решения задач, связанных с построением МГД-генераторов, а также с созданием мощных источников излучения.

Была показана возможность существования Т-слоя и в высокотемпературной плазме. Здесь его развитие приводит к возможности нагрева отдельных участков плазмы до температур, во много раз превышающих среднюю температуру плазмы. Поэтому эффект Т-слоя может оказаться существенным в проблеме управляемого термоядерного синтеза.

Явление Т-слоя играет определенную роль и в процессах, сопровождающих ускорение плазмы. Обнаружены нелинейные механизмы, при определенных условиях приводящие к "размножению" Т-слоя в плазме. В результате в ускоряемой плазме может возникать квазипериодическая структура, состоящая из горячих Т-слоев, разделенных сравнительно более холодными промежутками.

Изучение и открытие Т-слоя в плазме характерно для нового этапа се исследований, начавшегося в 60-е гг. и связанного с широким применением для этих целей электронно-вычислительных машин. ЭВМ используются не только для того, чтобы поскорее провести громоздкие вычисления. Они поднимают теоретические исследования физических процессов и явлений на более высокий уровень, позволяют рассматривать новые сложные задачи, недоступные для анализа другими средствами.

По аналогии с физическим экспериментом, можно говорить о своеобразном вычислительном эксперименте, основанном на расчетах с помощью ЭВМ. Вычислительный эксперимент позволяет глубже понять сложные нелинейные процессы, протекающие в плазме, оценить проекты новых установок до начала их конструирования, прогнозировать направление развития как фундаментальных, так и прикладных исследований в области плазмы. Открытый на такой основе эффект Т-слоя был подтвержден экспериментально сразу несколькими группами исследователей.

Открытие Т-слоя внесено в Государственный реестр открытий СССР под № 55 с приоритетом от 10 ноября 1965 г. Формула открытия следующая:

"Установлено ранее неизвестное явление образования самоподдерживающегося высокотемпературного электропроводного слоя (Т-слоя) при нестационарном движении в магнитном поле сжимаемой среды, электропроводность которой увеличивается с повышением температуры, приводящее к резкому увеличению эффективности, взаимодействия среды с магнитным полем.

Образование Т-слоя обусловлено существованием обратных нелинейных связей между электро- и газодинамическими величинами и происходит в тот момент и в том месте, где параметр гидромагнитного взаимодействия по порядку величины равен единице, и происходит наиболее интенсивно, когда магнитное число Рейнольдса также становится порядка единицы".