Коли стануть реальністю плазмові генератори електрики?

Про перспективність МГД генераторів чув майже кожен, хто цікавився енергетикою. А ось те, що ці генератори знаходяться в статусі перспективних вже більше 50 років, відомо небагатьом. Про проблеми, пов'язані з плазмовими МГД генераторами, розповідається в статті.

Історія з плазмовими, або магнітогідродинамічними (МГД) генераторами дивно схожа на ситуацію з термоядерним синтезом. Здається, що потрібно зробити тільки один крок або докласти невелике зусилля, і пряме перетворення тепла в електричну енергію стане звичною реальністю. Але чергова проблема відсуває цю реальність на невизначений час.

Перш за все, про термінологію. Плазмові генератори є однією з різновидів МГД генераторів. А ті, в свою чергу, отримали свою назву за ефектом появи електричного струму при русі електропровідних рідин (електролітів) в магнітному полі. Ці явища описуються і вивчаються в одному з розділів фізики - магнітогідродинаміка. Звідси і отримали свою назву генератори.

Історично перші експерименти по створенню генераторів проводились з електролітами. Але результати показали, що розігнати потоки електролітів до надзвукових швидкостей дуже важко, а без цього ККД (коефіцієнт корисної дії) генераторів надзвичайно низький.

Подальші дослідження проводилися з високошвидкісними іонізованими потоками газу, або плазмою. Тому сьогодні, говорячи про перспективи використання МГД генераторів, потрібно мати на увазі, що мова йде виключно про плазмової їх різновиди.

Фізично ефект появи різниці потенціалів і електричного струму при русі зарядів в магнітному полі аналогічний ефекту Холла. Ті, хто працював з датчиками Холла, знають, що при проходженні струму через напівпровідник, поміщений в магнітне поле, на обкладинках кристала, перпендикулярних ліній магнітного поля, з'являється різниця потенціалів. Тільки в МГД генераторах замість струму пропускають проводить робоче тіло.

Потужність МГД генераторів безпосередньо залежить від провідності проходить через його канал речовини, квадрата його швидкості та квадрата напруженості магнітного поля. З цих співвідношень зрозуміло, що чим більше провідність, температура і напруженість поля, тим вище відбирається потужність.

Всі теоретичні дослідження щодо практичного перетворення тепла на електрику були виконані ще в 50-х роках минулого століття. А через десятиліття з'явилися дослідно-промислові установки «Марк-V» в США потужністю 32 МВт і «У-25» в СРСР потужністю 25 МВт. З тих пір ведеться відпрацювання різних конструкцій і ефективних режимів роботи генераторів, випробування різноманітних типів робочих тіл і конструкційних матеріалів. Але до широкого промислового використання плазмові генератори так і не дійшли.

Що ми маємо на сьогоднішній день? З одного боку, вже працює комбінований енергоблок з МГД генератором потужністю 300 МВт на Рязанської ГРЕС. ККД власне генератора перевищує 45%, тоді як ККД звичайних теплових станцій рідко досягає 35%. У генераторі використовується плазма з температурою 2800 градусів, отримана при згорянні природного газу, і потужний надпровідний магніт.

Здавалося б, плазмова енергетика стала реальністю. Але подібні МГД генератори в світі можна порахувати на пальцях, і створені вони ще в другій половині минулого століття.

Перша причина очевидна: для роботи генераторів потрібні жароміцні конструкційні матеріали. Частина матеріалів розроблено в рамках виконання програм з термоядерного синтезу. Інші використовуються в ракетобудуванні і засекречені. У будь-якому випадку, ці матеріали надзвичайно дорогі.

Інша причина полягає в особливостях роботи МГД генераторів: вони виробляють виключно постійний струм. Тому потрібні потужні і економічні інвертори. Навіть сьогодні, незважаючи на досягнення напівпровідникової техніки, подібне завдання до кінця не вирішена. А без цього передати величезні потужності споживачам неможливо.

Не вирішена повністю і завдання створення надсильних магнітних полів. Навіть застосування надпровідних магнітів не вирішує проблему. Всі відомі надпровідні матеріали мають критичну величину напруженості магнітного поля, вище якої надпровідність просто зникає.

Можна тільки гадати, що може статися при раптовому переході в нормальний стан провідників, в яких щільність струму перевищує 1000 А / мм2. Вибух обмоток в безпосередній близькості з плазмою, розігрітій майже до 3000 градусів не викличе глобальної катастрофи, але дорогий МГД генератор виведе з ладу напевно.

Залишаються проблеми розігріву плазми до більш високих температур: при 2500 градусах і добавках лужних металів (калію) провідність плазми, проте, залишається дуже низькою, яку можна з провідністю міді. Але підвищення температури зажадає знову нових жароміцних матеріалів. Коло замикається.

Тому все створені на сьогодні енергоблоки з МГД генераторами демонструють швидше рівень досягнутих технологій, ніж економічну доцільність. Престиж країни - це важливий фактор, але будувати в масовому порядку дорогі і примхливі МГД генератори сьогодні дуже накладно. Тому навіть найпотужніші МГД генератори залишаються в статусі дослідно-промислових установок. На них інженера і вчені відпрацьовують майбутні конструкції, випробовують нові матеріали.

Коли закінчиться ця робота, сказати важко. Достаток різних конструкцій МГД генераторів говорить про те, що до оптимального рішення ще далеко. А інформація про те, що ідеальним робочим тілом для МГД генераторів є плазма термоядерного синтезу, відсуває широке застосування їх до середини нашого століття.