2.8. Магнитогидродинамические генераторы

В магнитогидродинамическом генераторе (МГД-генераторе) происходит прямое преобразование механической энергии движущейся среды в электрическую энергию. Движение таких сред описывается магнитной гидродинамикой, что и дало наименование устройству.

Также как и в обычных машинных генераторах, принцип работы МГД-генератора основан на явлении электромагнитной индукции, то есть на возникновении тока в проводнике, пересекающем силовые линии магнитного поля. Но, в отличие от машинных генераторов, в МГД-генераторе проводником является само рабочее тело, в котором при движении поперёк магнитного поля возникают противоположно направленные потоки носителей зарядов противоположных знаков.

Первые МГД-генераторы использовали в качестве рабочего тела электропроводные жидкости (электролиты), в настоящее время применяют плазму, в которой носителями зарядов являются в основном свободные электроны и положительные ионы, отклоняющиеся в магнитном поле от траектории, по которой газ двигался бы в отсутствие поля.

Принципиальная схема МГД-генератора приведена на рис. 2.39. Между металлическими электродами, расположенными в сильном магнитном поле, пропускается струя ионизированного газа, который имеет кинетическую энергию движения частиц. При этом в соответствии с законом электромагнитной индукции наводится ЭДС, которая создает ток между электродами внутри канала генератора и во внешней цепи. Поток ионизированного газа (плазма) тормозится под действием электродинамических сил, которые возникают при взаимодействии тока, протекающего в плазме, и магнитного потока.

Секционирование электродов выполняется для того, чтобы уменьшить циркуляцию тока вдоль канала и через электроды и тем самым направить носители зарядов перпендикулярно оси канала на электроды и в нагрузку.

Для создания электропроводности газа, его необходимо нагреть до температуры термической ионизации (около 10 000°K). Для работы при меньших температурах газ обогащают парами щелочных металлов, что позволяет снизить температуру смеси до 2200–2700°K.

Мощность МГД-генератора пропорциональна проводимости рабочего тела, квадрату его скорости и квадрату напряжённости магнитного поля. Скорости потока в МГД-генераторе могут находиться в широком диапазоне — от дозвуковых до сверхзвуковых. Индукция магнитного поля определяется конструкцией магнитов и ограничивается значениями около 2 Тл для магнитов со сталью и до 6–8 Тл для сверхпроводящих магнитных систем.

Основное преимущество МГД-генератора — отсутствие в нём движущихся узлов или деталей, непосредственно участвующих в преобразовании тепловой энергии в электрическую. Это позволяет существенно увеличить начальную температуру рабочего тела и, следовательно, КПД электростанции.

Теоретически, существуют четыре направления промышленного применения МГД-генераторов:

— тепловые электростанции с МГД-генератором на продуктах сгорания топлива (открытый цикл); такие установки наиболее просты и имеют ближайшую перспективу промышленного применения;

— атомные электростанции с МГД-генератором на инертном газе, нагреваемом в ядерном реакторе (замкнутый цикл); перспективность этого направления зависит от развития ядерных реакторов с температурой рабочего тела свыше 2000 K;

— термоядерные электростанции cМГД-генератором на высокотемпературной плазме;

— циклы с МГД-генератором на жидком металле, которые перспективны для атомной энергетики и для специальных энергетических установок сравнительно небольшой мощности.

Схема МГД-генератора с паросиловым устройством приведена на рис. 2.40. В камере сгорания сжигается органическое топливо, а продукты, которые получаются при этом, в плазменном состоянии вместе с добавленными присадками направляются в канал МГД-генератора, который расширяется. Сильное магнитное поле образовывается мощными электромагнитами. Температура газа в канале генератора должна быть не ниже 2000°C, а в камере сгорания — 2500–2800°C. Необходимость ограничения минимальной температуры газов обусловлена настолько значительным уменьшением электропроводности газов при температурах ниже 2000°C, что в них практически исчезает магнитогидродинамическое взаимодействие с магнитным полем. Теплота отработанных в МГД-генераторе газов сначала используется для подогрева воздуха, который подается в камеру сгорания топлива. КПД таких установок может достигать 60% против 40% у обычных тепловых станций.

Газы, которые выходят из канала МГД-генератора, имеют температуру приблизительно 2000°C, а современные теплообменники, к сожалению, могут работать при температурах, которые не превышают 800°С. Из-за этого при охлаждении газов часть тепла теряется.

Трудность в создании МГД-генераторов состоит в создании материалов необходимой прочности. Несмотря на статические условия работы, к материалам ставят высокие требования, так как они должны продолжительное время работать в агрессивных средах при высоких температурах (2500-2800°С). Для потребностей ракетной техники созданы материалы, которые способны работать при таких условиях, однако на протяжении нескольких минут. Продолжительность работы промышленных энергетических устройств может измеряться месяцами и больше. Жаростойкость зависит не только от материалов, но и от среды. Снижение температуры плазмы добавлением к ней присадок служит причиной повышенной коррозии конструкционных материалов. Сейчас созданы материалы, которые могут работать продолжительное время при температуре 2200-2500°C(графит, оксид магния и т.п.), тем не менее они не способные противостоять механическим напряжениям. Несмотря на достигнутые успехи, задача создания материалов для МГД-генераторов пока еще не решена.

Производятся также поиски газа с наилучшими свойствами. Гелий с небольшим добавлением цезия при температуре 2000°Cимеет одинаковую проводимость с продуктами сгорания минерального топлива при температуре 2500°С. Разработан проект МГД-генератора, который работает по замкнутому циклу, в котором гелий беспрерывно циркулирует в системе.

Перспективны МГД-генераторы с ядерными реакторами, которые используются для нагревания газов и их термической ионизации. Трудность создания МГД-генератора с ядерным реактором состоит в том, что современные тепловыделяющие элементы, которые вмещают уран и покрыты оксидом магния, выдерживают температуру около 600°C, а для ионизации газов необходима температура около 2000°С.

Первые экспериментальные конструкции МГД-генераторов имеют пока что высокую стоимость. В будущем можно ожидать существенного снижения их стоимости, которая разрешит успешно использовать МГД-генераторы для покрытия пиков нагрузки в энергосистемах, то есть в режимах относительно недолговременной работы. В этих режимах КПД не имеет решающего значения, и МГД-генераторы можно использовать и без паросилового устройства.

В данный момент в мире сооружены мощные опытно-промышленные образцы МГД-преобразователей энергии, на которых ведутся исследования относительно усовершенствования их конструкций и создания эффективных МГД-электростанций, которые смогут конкурировать с обычными электростанциями.