Из экономических соображений в паротурбинном процессе выдерживаются определенные температурные ограничения. В газотурбинном процессе температура газа также не может подниматься до любого уровня. Она ограничена стойкостью материала турбинных лопаток и должна быть не выше примерно 1050° С.
Дальнейшее повышение температуры экономически целесообразно только без теплообменных устройств и быстроходных механизмов, т. е. в статических устройствах с непосредственным подводом горячего гелия. Магнитогидродинамические (МГД) генераторы являются установками такого типа (они называются иногда магнитоплазмодинамические). Принцип действия МГД- генератора достаточно прост и основан на законах индукции: при прохождении вещества, обладающего свободными зарядами, через канал перпендикулярно к магнитному полю в нем перпендикулярно к направлению скорости и магнитному полю индуцируется электрический ток [24]. Преобразование энергии в таком процессе прямо пропорционально проводимости движущегося вещества (в рассматриваемом случае — гелия) и, следовательно, зависит от степени ионизации газа.
Поскольку гелий как инертный газ обладает очень высокой энергией ионизации, к нему добавляют материал с малой энергией ионизации, например цезий. Несмотря на это, стационарная температура в МГД-канале составляет 1800—2000° К [25]. При этом степень ионизации может достигать от 10-4 до 10-3. Здесь речь идет о неравновесной ионизации, когда электроны имеют значительно большую температуру, чем весь остальной газ. т. е. о двухтемпературной плазме.
В МГД-генераторах энергонапряженность может составлять от 20 до 100 МВт/м3 (при использовании сверхпроводящих магнитов), а электрическая мощность одного канала — несколько тысяч мегаватт [26].
В то время как МГД-установки, работающие на газовых продуктах горения, распространены довольно широко и уже используются в сочетании с электростанциями, МГД-установки на инертных газах находятся в стадии лабораторных исследований. Основные трудности здесь заключены в решении сложных физических проблем, связанных с нестабильностью плазмы.
Большие опытные МГД-установки с замкнутым контуром проектируются и строятся в Юлихе (ARGAS, [27])1. Они могут работать с аргоном или гелием при массовом расходе аргона от 4,5 до 5 кг/с, стационарной температуре МГД-канала 1900° К, скорости потока в канале до 0,98 М, магнитном поле 1,5 тесла и тепловой мощности 1,5 МВт. Установка выполнена таким образом, чтобы опробовать все главное оборудование будущей МГД-АЭС. Например, она содержит газодувку с газовыми подшипниками, теплообменник, рассчитанный на температуру газа 1800° К, установку сепарации цезия, систему газоочистки и т. д. МГД-установка снабжена сверхпроводящим магнитом.1 Крупнейшая в мире МГД-установка У-25 работает в Москве. Ее электрическая мощность — 25 МВт. — Прим. ред.
Имеются различные варианты объединения МГД- генератора с реактором HTR [25]. По некоторым соображениям, целесообразна двухконтурная установка, в которой МГД-контур разделен с первым контуром реактора, при этом решаются следующие проблемы:
- разобщаются загрязненный активностью первый контур и МГД-установка;
- не требуется непрерывного удаления присадочного вещества (цезия) из контура перед возвратом газа в реактор, что улучшает коррозионные условия работы;
- разница в давлении контуров не будет иметь существенного значения. В реакторе HTR давление составляет от 60 до 90 ат. а в МГД-установке по условиям ионизации оно должно быть не более 30—40 ат. Однако из-за трудности создания теплообменника на такие сверхвысокие температуры двухконтурная установка подобного типа не может быть реализована в обозримый отрезок времени. Даже в паровых циклах уже в настоящее время имеется ограничение по температурам и условиям теплообмена. Кроме того, возникают большие температурные потери, которые потребуют еще больших температур на входе в теплообменник.
Для одноконтурных установок можно ограничиться рассмотрением двух принципиально разных тепловых схем, представленных на рис. 9.16. В каждой из этих схем МГД-генератор непосредственно питается горячим гелием.
Рис. 9.16. Принципиальные одноконтурные схемы объединения реактора HTR и МГД-генератора.
Из МГД-генератора гелий либо направляется в реактор после рекуператора и охладителя, либо вначале направляется на обычную электростанцию, работающую с газовыми или паровыми турбинами, и лишь затем вновь поступает в реактор.
Коэффициент полезного действия МГД-электростанции по отношению к полной мощности, по крайней мере, на 10% больше, чем у газотурбинной станции. У такой АЭС меньше потребности в охлаждающей воде. Все это представляет значительные преимущества по сравнению с реакторами HTR, в особенности работающими с паровыми турбинами.
Основные проблемы создания МГД-электростанций связаны с реактором и касаются как физических вопросов (нестабильности в МГД-канале, снижающей эффективность энергетических превращений и к. п. д. установок), так и технологических (в области высокотемпературного материаловедения). Применяя современное топливо в реакторах HTR, нельзя при требуемых для МГД-установок температурах создать циркуляционный контур с малой активностью.
Фундаментальные исследования проницаемости R/B при температурах МГД-генераторов проведены еще в недостаточном объеме. Однако ясно, что при этих условиях величина R/В для современных микротвэлов была бы очень высокой. Поэтому, используя такие микротвэлы, можно создать только сильно загрязненный контур, что вряд ли приемлемо из-за отложений активных' продуктов деления.
Главное в исследованиях, направленных на создание МГД-электростанций с реакторами HTR, заключается в разработке подходящего топлива, однако в этой области пока нет каких-либо альтернативных предложений. Для решения этой проблемы необходимы новые виды покрытий частиц топлива. Это относится также и к вентилируемым твэлам, которые в ближайшее время не предполагается использовать в реакторах HTR.
