3 2. Магнитогидродинамическое

ПРЕОБРАЗОВАНИЕ ЭНЕРГИИ

К одной из центральных физико-технических задач энергетики относится создание магнитогидродинамиче­ских генераторов (МГД-генераторов), непосредственно преобразующих тепловую энергию в электрическую. Возможности практической реализации такого рода пре­образования энергии в широких промышленных масшта­бах появляются в связи с успехами в атомной физике, физике плазмы, металлургии и ряде других областей.

Непосредственное преобразование тепловой энергии в электрическую позволяет существенно повысить эффек­тивность использования топливных ресурсов.

Для современной электроэнергетики большое значе­ние имеет открытый Фарадеем закон электромагнитной индукции, который утверждает, что в проводнике, дви­

жущемся в магнитном поле, индуцируется ЭДС. При этом проводник может быть твердым, жидким или газо­образным. Область науки, изучающая взаимодействие между магнитным полем и токопроводящими жидкостя­ми или газами, называется магнитогидродинамикой.

Еще Кельвин показал, что движение в устье реки соленой воды в магнитном поле Земли вызывает появ­ление ЭДС. Схема такого МГД-генератора Кельвина по­казана на рис. 3.1. В соответствии с законом электро­

Рис. 3.1. Схема магнитогид­родинамического генератора

Рис. 3.2. Схема работы МГД-генератора

магнитной индукции сила тока в проводиках 1, присое­диненных к пластинам 2, опущенным в воду вдоль бере­гов реки, пропорциональна индукции магнитного поля Земли и скорости течения соленой морской воды в реке. При изменении направления течения воды в реке изме­нялось также и направление электрического тока в про­водниках между пластинами.

Принципиальная схема действия современного МГД- генератора (рис. 3.2) мало отличается от приведенной на рис. 3.1. В рассматриваемой схеме между металличе­скими пластинами, расположенными в сильном магнит­ном поле, пропускается струя ионизированного газа, обладающего кинетической энергией направленного дви­жения частиц. При этом в соответствии с законом элек­тромагнитной индукции появляется ЭДС, вызывающая протекание электрического тока между электродами внутри канала генератора и во внешней цепи. Поток ионизированного газа — плазмы — тормозится под дей­ствием электродинамических сил, возникающих при взаимодействии протекающего в плазме тока и магнит­ного потока. Можно провести аналогию между возника­

ющими силами и силами торможения, действующими со стороны рабочих лопаток паровых и газовых турбин на частички пара или газа. Преобразование энергии и про­исходит путем совершения работы по преодолению сил торможения.

Если какой-либо газ нагреть до высокой температу­ры (я±3000°С), увеличив тем самым его внутреннюю энергию и превратив в электропроводное вещество, то при последующем расширении газа в рабочих каналах МГД-генератора произойдет прямое преобразование теп­ловой энергии в электрическую.

МГД-генератор с паросиловой установ­кой. Принципиальная схема МГД-генератора с пароси­ловой установкой показана на рис. 3.3. В камере сгора­ния сжигается органическое топливо, получаемые при этом продукты в плазменном состоянии с добавлением присадок направляются в расширяющийся канал МГД-

г

Рис. 3.3. Принципиальная схе­ма МГД-генератора с пароси­ловой установкой:

1 — камера сгорания; 2 — теплооб­менник; 3 — МГД-генератор; 4 — об­мотка электромагнита; 5 — паро­генератор; 6 — турбина; 7 — гене­ратор; 5 — конденсатор; 9 — насос

енератора. Сильное магнит­ное поле создается мощными электромагнитами. Темпера­тура газа в канале генерато­ра должна быть не ниже 2000°С, а в камере сгорания 2500—2800°С. Необходи­мость ограничения мини­мальной температуры газов, покидающих МГД-генерато- ры, вызывается настолько значительным уменьшением электропроводности газов при температурах ниже 2000°С, что у них практиче­ски исчезает магнитогидро­динамическое взаимодейст­вие с магнитным полем.

Теплота отработанных в МГД-генераторах газов вна­чале используется для подо­грева воздуха, подаваемого в камеру сгорания топлива, и, следовательно, повышения эффективности процесса его сжигания. Затем в паросиловой установке теплота расходуется на образование пара и доведение его пара­метров до необходимых величин.

Выходящие из канала МГД-генератора газы имеют температуру примерно 2000°С, а современные теплооб-

не

менники, к сожалению, могут работать при температу­рах, не превышающих 800°С, поэтому при охлаждении газов часть теплоты теряется.

На рис. 3.4 (см. форзац II) схематически показаны основные элементы МГД-электростанции с паросиловой установкой и их взаимосвязи.

Трудности в создании МГД-генераторов состоят в по­лучении материалов необходимой прочности. Несмотря на статические условия работы, к материалам предъяв­ляют высокие требования, так как они должны длитель­но работать в агрессивных средах при высоких темпера­турах (2500—2800°С). Для нужд ракетной техники соз­даны материалы, способные работать в таких условиях, однако они могут работать непродолжительное время — в течение минут. Продолжительность работы промыш­ленных энергетических установок должна исчисляться, по крайней мере, месяцами.

Жаростойкость зависит не только от материалов, но и от среды. Например, вольфрамовая нить в электриче­ской лампе при температуре 2500—2700°С может рабо­тать в вакууме или среде нейтрального газа несколько тысяч часов, а в воздухе расплавляется через несколько секунд.

Понижение температуры плазмы добавлением к ней присадок вызывает повышенную коррозию конструкци­онных материалов. В настоящее время созданы материа­лы, которые могут работать длительно при температуре 2200—2500°С (графит, окись магния и др.), однако они не способны противостоять механическим напряжениям.

Несмотря на достигнутые успехи, задача создания материалов для МГД-генератора пока не решена. Ве­дутся также поиски газа с наилучшими свойствами. Гелий с небольшой добавкой цезия при температуре 2000°С имеет одинаковую проводимость с продуктами сгорания минерального топлива при температуре 2500°С. Разработан проект МГД-генератора, работающего по замкнутому циклу, в котором гелий непрерывно цирку­лирует в системе.

Для работы МГД-генератора необходимо создавать сильное магнитное поле, которое можно получить про­пусканием огромных токов по обмоткам. Во избежание сильного нагревания обмоток и потерь энергии в них сопротивление проводников должно быть по возможно­сти наименьшим. Поэтому в качестве таких проводников

Жидкий аммиак

-р Теплая Т~ борская бода — гэ 'с

т~

Газводразный Л аммиак

О

Пасов

J—...... j I Халоднря

морская Soda 4 'О

Жидкий аммиак

Из указанных возможных энергий океана пока наи­более ясно использование вертикальных термоградиен­тов. На рис. 3.15 показана работа так называемой «за­крытой» системы. Насос обеспечивает циркуляцию аммиака, имеющего очень низкую температуру кипения, в замкнутом контуре. Теплая океаническая вода нагре­вает аммиак (верхняя часть схемы), который переходит

в газообразное состояние и в этом виде поступает на турбину, где он расширяет­ся и приводит в действие генератор. С турбины амми­ак выходит с пониженной температурой и при мень­шем давлении и пропускает­ся через теплообменник, ис­пользующий холодную воду; газ сжижается, и цикл по­вторяется. В «открытой» си­стеме в качестве рабочего тела используется морская вода; ее температура кипе­ния снижается в вакуумной камере, где поддерживается

Рис. 3.15. Технологическая давление на уровне 3,5 /о

схема работы океанической от нормального атмосфер-

электростандии: НОГО.

/-электрический генератор; 2- Рассматривая ВОЗМОЖ-

турбина; 3 — теплообменник, 4 — ^г

насос; 5 — конденсатор НЫе СПОСОбЫ Преобразования

энергии, необходимо учиты­вать, что в соответствии с законами физики все энерге­тические процессы сводятся к трансформации одного вида энергии в другой. Здесь важно то обстоятельство, что плотности потоков энергии ограничиваются физиче­скими свойствами среды. Это, в свою очередь, практиче­ски исключает применение в энергетике больших мощ­ностей многих казалось бы эффективных процессов трансформации энергии. Например, в топливных эле­ментах химическая энергия окисления водорода непо­средственно превращается в электрическую. Такой спо­соб получения электрической энергии, несмотря на очень высокий КПД, равный примерно 70%, на сегодня при­ходится признать непригодным для промышленности из-за малой скорости диффузионных процессов в элек­тролите и, следовательно, малой плотности энергии. Так,

,

с 1 м^! электрода можно получить не более 200 Вт мощ­ности. А это означает, что при генерировании 100 МВт мощности рабочая площадь электродов должна быть примерно 1 км², что, конечно, практически нереализуемо.

Из-за малой плотности потока энергии неперспектив­ным представляется применение в энергетике и прямого преобразования химической энергии в механическую. Такое преобразование происходит с высоким КПД в мус­кулах животных. Механизм его достаточно глубоко пока не изучен. Но даже если предположить, что такое преоб­разование энергии будет воспроизведено искусственно, то оно, видимо, не сможет найти применение в энергети­ке из-за малой плотности потока энергии, которая не может быть больше, чем у топливных элементов.

3.9. СОЛНЕЧНЫЕ ЭЛЕКТРОСТАНЦИИ

Солнце — источник жизни на нашей планете и основ­ной источник всех видов получаемой на ней энергии. В настоящее время большое внимание уделяется прямо­му использованию солнечной энергии. Заманчиво созда­ние солнечных элементов для превращения энергии сол­нечной радиации в электрическую. В солнечных элемен­тах используется явление фотоэффекта, т. е. вырывание электронов из тела под действием света.

Фотоэффект открыт Герцем в 1887 г. и детально ис­следован А. Г. Столетовым в 1888 г. Несмотря на то что фотоэффект известен давно, природа его пока полностью не изучена. Практическое использование фотоэффекта для получения электроэнергии стало возможным в пос­леднее время в связи с применением полупроводников.

При соприкосновении полупроводников, имеющих электронную (n-типа) и дырочную (p-типа) проводимо­сти, на границе образуется контактная разность потен­циалов вследствие диффузии электронов. Если полупро­водник с дырочной проводимостью освещается, то его электроны, поглощая кванты света, переходят на полу­проводник с электронной проводимостью. В замкнутой цепи при этом образуется электрический ток.

В настоящее время наиболее совершенны кремниевые фотоэлементы, на которые действуют как направленные,

! так и рассеянные солнечные лучи. Кремниевые фотоэле­менты могут одинаково успешно работать зимой и летом. Зимой снижение светового потока компенсируется увели-

двигаться поперек магнитной силовой линии. Если соз­дать систему замкнутых магнитных силовых линий, то, в принципе, можно удерживать плазму в некотором огра­ниченном объеме.

Конкретных вариантов реализации этой идеи суще­ствует немало, но наиболее развит на сегодня вариант токамака.

Внешне токамак похож на большой трансформатор с железным замкнутым сердечником и первичной обмот­кой, по которой пропускают переменный электрический ток — в простейшем случае ток разряда конденсаторной батареи. В качестве вторичной обмотки служит единст­венный замкнутый виток вакуумной камеры — плазмен­ный шнур.

При разряде батареи в камере появляется вихревое электрическое поле, образование которого приводит к пробою газа, его ионизации и нагреванию до высоких температур. Это напоминает действие лампы дневного света, но в более крупных масштабах. Например, в уста­новке «Токамак-10», созданной в Институте атомной энергии им. И. В. Курчатова, ток в плазме достигает 600 000 А, а сама плазма имеет объем около 4 м³. Под действием тока плазма нагревается до очень высокой температуры — в больших установках до нескольких де­сятков миллионов градусов. В принципе, если отбросить некоторые чисто физические детали (в них-то и состоит суть проблемы), идея удержания плазмы в токамаке, очень проста. Однако реальные физические процессы не всегда совпадают с идеализированными представлениями

о них. При температурах в десятки миллионов градусов и сравнительно низкой плотности плазмы (около 10¹⁴ частиц/см³) образующие ее частицы — ионы или электроны — редко сталкиваются между собой, двига­ясь в магнитном поле.

Поведение плазмы зависит в первую очередь, от ка­чества магнитного поля токамака, его способности вы­полнять роль магнитной ловушки.

Магнитное поле токамака складывается из поля тока, протекающего по плазме, и поля катушек. Поле тока имеет силовые линии в виде колец, расположенных во­круг плазменного витка. Линии поля катушек также имеют вид замкнутых колец, но расположенных не во­круг плазменного витка, а вдоль него. Таким образом, силовые линии суммарного поля образуют спирали, ко­торые навиваются на вложенные одна в другую торои­дальные поверхности, называемые магнитными. В силь­ном магнитном поле заряженные частицы движутся в основном вдоль силовых линий по спиральным траекто­риям.

При столкновениях частицы могут переходить с од­ной спиральной траектории на другую на расстояние, равное ширине спирали. Столкновения частиц не долж­ны приводить к существенным поперечным перемеще­ниям их по направлению к стенке камеры. Поперечные потоки частиц учтены в теории, развитой советскими фи- зиками-теоретиками А. А. Галеевым и Р. 3. Сагдеевым и получившей название «неоклассической». Ее новизна, от­раженная в приставке «нео», состоит в учете реальных траекторий частиц в искривленном поле токамака, а сло­во «классическая» имеет в физике плазмы смысл учета только парных столкновений, а не более сложных коллек­тивных взаимодействий.

Как показал эксперимент, ионы плазмы ведут себя в полном соответствии с этой теорией. Их столкновения между собой приводят к тому, что более горячие, т. е. высокоэнергичные, ионы выходят из центральных облас­тей к периферии, осуществляя тем самым перенос тепло­ты к стенкам.

Поведение электронов, как показали эксперименты, не подчиняется неоклассической теории. Согласно ей электронный перенос теплоты должен быть в десятки раз меньше ионного из-за того, что ширина электрон­ных траекторий — спиралей гораздо меньше ионных. На практике же электронный перенос оказался больше ион­ного.

Это расхождение теории с экспериментом наводило на мысль, что электроны помимо столкновения могут найти другие пути для выхода из внутренних областей ловушки к периферии. Возник вопрос: не преувеличена ли теорией надежность магнитной конфигурации, т. е. действительно ли магнитные силовые линии так хорошо «упакованы», что лежат на магнитных поверхностях, не соприкасающихся между собой.

Дальнейшие исследования показали, что в камере токамака могут создаваться такие условия, при которых конфигурация магнитных полей во внутренней области быстро перестраивается. Магнитные поверхности как бы выворачиваются наизнанку: в центр попадает более хо­лодная плазма, а на периферию — более горячая. Маг­нитные поверхности в этой области на время разрушают­ся — в них происходит «обмен» силовыми линиями, или, иначе, «перезамыкание» силовых линий.

Интересно отметить, что именно такой же процесс пе- резамыкания силовых линий в хвосте магнитосферы Зем­ли приводит к полярным сияниям, а на Солнце процессы перезамыкания порождают хромосомные вспышки — ис­точник космического излучения, опасного для космонав­тов. Физическая природа этих явлений оказывается поч­ти одной и той же.

Иногда в плазме токамака развивается явление, на­зываемое неустойчивостью, которая приводит к выбросу плазмы на стенки вакуумной камеры. Неустойчивость, по всей вероятности, также связана с процессами пере­замыкания, захватывающими в этом случае практически весь плазменный шнур. Существуют различные способы предотвращения неустойчивости. Один из способов — сни­жение до минимума загрязнения дейтериевой плазмы по­сторонними примесями. Другой — стабилизация неустой­чивости-использование обратных связей, которые гасят возмущение магнитных поверхностей раньше, чем оно успевает развиться до крупномасштабной неустой­чивости.

Научившись бороться с неустойчивостью плазмы, со­ветские физики провели на токамаках исследования, ре­зультаты которых оказались столь впечатляющими, что в начале 70-х годов токамаки стали создаваться в дру­гих странах, ведущих работы по УТС. Результаты иссле­дований по освоению УТС на токамаках основаны уже не на единичных экспериментах на отдельных установках, а на большом семействе из десятков установок с различ­ными линейными размерами, токами, магнитными поля­ми, плотностью плазмы и т. п. Для будущего термоядер­ного реактора потребуется температура плазмы 80—100 млн. °С. Продолжительность «жизни» плазмы, т. е. то время, в течение которого удается удерживать плазму, не позволяя ей коснуться стенок реактора и охладиться в «Токамаке-10», составляет 60—70 мс.

Определяющим параметром для термоядерной реак­ции является произведение времени удержания плазмы на ее плотность. Чтобы при термоядерном горении энер­гии выделялось больше, чем вкладывается в плазму, должно прореагировать как можно больше частиц. И чем плотнее плазма, тем больше столкновений происходит в единицу времени. Для дейтериево-тритиевой плазмы это произведение должно быть не менее 2 • 10¹⁴ см^-3-С.

В настоящее время проектируются демонстрационные реакторы с дейтериево-тритиевой плазмой, предназна­ченные для опытно-промышленной эксплуатации систе­мы нагревания, удержания и контроля плазмы, подачи топлива, его регенерации, для изучения свойств мате­риалов в мощных тепловых и нейтронных потоках.

Продолжительность удержания плазмы в реакторе возрастает с увеличением объема плазмы, а следователь­но, увеличиваются габариты и стоимости термоядерных установок.

Сумма затрат становится ощутимой уже при соору­жении токамаков нынешнего поколения. Поэтому различ­ные страны объединили усилия по созданию УТС.

Обсуждение задач международного сотрудничества привело к идее проекта международного реактора ИНТОР, в котором должна быть осуществлена самопод- держивающаяся термоядерная реакция в импульсном ре­жиме. Дейтериево-тритиевая плазма в течение 4—5 с будет нагреваться до необходимой температуры пример­но в 100 млн. °С, далее средства нагревания отключаются и в течение 200 с идет реакция. Затем прерывается реак­ция, чтобы удалить шлаки — продукты взаимодействия плазмы со стенками реактора, впрыскивается новая пор­ция топлива и через 20—30 с повторяется цикл. За стен­кой реактора будут установлены так называемые блан- кеты (от английского слова blanket — одеяло)—устрой­ства, которые поглощают потоки нейтронов, выделяю­щихся в результате реакции, и преобразуют их энергию в теплоту.

Проектируемая тепловая мощность ИНТОРа до­вольно велика — около 600 МВт, это сравнимо с мощно­стью первых промышленных АЭС.

На первом этапе реакция в термоядерных реакторах будет идти не на чистом дейтерии, а на смеси дейтерия с тритием. Но в природе нет трития в достаточных количе­ствах, его предполагается получить в реакторе искусст­венно из лития.

В бланкете должен идти процесс наработки трития так, чтобы система сама обеспечивала себя этим горю­чим.

Через 2—3 года после пуска ИНТОРа предполагает­ся получить на нем электроэнергию. При этом циркули­рующая в бланкете вода будет отбирать энергию у вы­деляющихся в реакции нейтронов и в теплообменнике передавать теплоту рабочему телу —пару, поступающе­му в турбину. ИНТОР сможет иметь электриче­скую мощность 5—10 МВт — примерно такую же, как первая АЭС.

В настоящее время разрабатывается также проект опытного термоядерного реактора (ОТР). Его реализа­ция преследует ряд целей: продемонстрировать возмож­ность надежного и безопасного производства электро­энергии и ядерного топлива; получить необходимый опыт разработки, строительства и эксплуатации реактора-то- камака в режимах, близких по длительности работы и удельным нагрузкам к режиму энергетического реактора; создать экспериментальную базу для научных и инже­нерных работ в области термоядерной энергетики; ис­пытать конструкционные материалы и проверить прин­ципиальные технические решения создания термоядер­ных электростанций.

Разработка ОТР в настоящее время находится на ста­дии концептуального проектирования. Предполагается, что большой радиус плазменного «бублика» в ОТР соста­вит 5,5 м, а малый—1,1 м. Плазма будет иметь плот­ность 1,4-10¹⁴ см^-3 при температуре около 120 млн. °С. Общая тепловая мощность реактора составит 1000 МВт, электрическая — 300 МВт. Первый советский термоядер­ный реактор будет представлять собой гибридную си­стему, в которую заложена идея своеобразного симбиоза атомной и термоядерной энергетики.

Выяснилось, что утилизацию урана-238 можно с боль­шой эффективностью проводить и в термоядерном реакто­ре. Для этого камеру, в которой будет протекать реакция синтеза, нужно окружить бланкетом из природного ура­на. Нейтроны, выделяющиеся в процессе синтеза и попа­дающие в бланкет, будут вызывать деление ядер урана и воспроизводство плутония из урана-238. Примерно 75— 80% мощности такого реактора будет обеспечено реак­циями деления, а термоядерные реакции будут в основ­ном служить источником быстрых нейтронов. К парамет­рам плазмы и стенкам камеры в гибридном реакторе предъявляются менее жесткие требования и реализовать их будет легче.

Гибридные реакции могут стать промежуточным зве­ном на пути к чистым термоядерным реакторам.

В настоящее время во многих лабораторях мира ин­тенсивно ведутся исследования по лазерному термоядер­ному синтезу (JITC). Впервые идея использования лазе­ров для нагревания плазмы была высказана советскими

физиками Н. Г. Басовым и О. Н. Крохиным. Твердые или жидкие частички из смеси дейтерия с тритием помеща­ются в фокус сходящихся лазерных лучей, сжимаются и нагреваются до высоких температур. Известно, что плот­ность ядер в твердом веществе почти в миллион раз вы­ше, чем плотность плазмы в токамаке. А скорость реак­ции в более плотном веществе выше. Поэтому, если быст­ро нагреть такую частичку вещества и сжать ее давлени­ем лазерных лучей, вещество успеет полностью прореагировать — быстрее, чем плазма распадется и остынет.

В Институте атомной энергии им. И. В. Курчатова от­рабатывают другой способ быстрого нагревания и сжатия термоядерных мишеней. Несколько мощных линейных ускорителей одновременно «выстреливают» со всех сто­рон по мишени пучками релятивистских (движущихся близко к скорости света) электронов. Как и с помощью лазеров, здесь удается быстро нагреть мишень до не­скольких десятков миллионов градусов и достичь ее тысячекратного сжатия.