До сих пор мы рассматривали общие идеи и некоторые проблемы, возникающие при разработке МГД-генераторов. Посмотрим же теперь, какие практические шаги предпринимаются в настоящее время.
В ноябре 1959 года фирмы «Авко-Эверетт», Американская электрическая компания и некоторые другие объявили о начале работ по созданию МГД-генератора электроэнергии. Они обещали, что применение таких генераторов позволит снизить стоимость электроэнергии по крайней мере на 25 %. Такое обещание было очень заманчивым, и к разработке МГД-генераторов присоединились еще некоторые фирмы.
Один из первых экспериментальных образцов МГД- генератора, на котором были проверены основные идеи нового метода генерирования электроэнергии и подтверждена возможность осуществления ранее запатентованных идей, был создан в лаборатории фирмы «Авко- Эверетт». Генератор развивал электрическую мощность около 10 квт и очень хорошо подтвердил ранее сделанные теоретические выводы.
На рис. 5 показана схема экспериментального МГД- генератора. Аргон и порошок карбоната калия (К2СО3) вводятся в камеру при давлении* около 30 н/см2, где они перемешиваются и нагреваются при помощи электрической дуги до температуры около 3000° К. При такой температуре карбонат калия диссоциирует, и свободный калий частично ионизируется, сообщая всему газу необходимую проводимость. Затем газ приобретает в сопле значительную скорость и с этой скоростью проходит в прямой канал между полюсами магнита, в котором установлены электроды. После этого газ поступает в выхлопной бак, откуда с помощью трубы выводится над крышей здания.
Надо сказать, что дуговая камера и канал генератора не были оборудованы водяным охлаждением и поэтому установка не могла работать более пяти секунд. Однако процессы устанавливались за доли секунды, и поэтому время работы установки вполне позволяло получить необходимые данные. При помощи дозирующего устройства в камеру вводилось около 1 г К2СО3 на 100 г аргона, это позволяло иметь хорошую проводимость газа.
Таким образом, уже первые эксперименты показали разрешимость двух основных проблем МГД-генераторов — обеспечения достаточной проводимости газа и подбора материалов для работы при высоких (точнее, сверхвысоких) температурах.
* В Международной системе единиц СИ сила измеряется в ньютонах (к), а давление в ньютонах на квадратный метр. 1 кгс ≈ 9,8 и; 1 ат ≈ 98066,5 н/м2 ≈ 9,8 н/см2.
Рис. 5. Схема устройства первого экспериментального МГД-генератора фирмы «Авко-Эверетт»:
1 — дуговая камера плазматрона; 2 — электрод для создания дуги; 3 — подвод аргона; 4 — подача карбоната калия; 5 — второй электрод для создания дуги, служащий также соплом; 6 — корпус генератора; 7 — электромагниты; 8 — канал генератора (электроды для отвода генерируемого тока не показаны); 9 — обмотки электромагнитов;
10 — выход газа из генератора
После экспериментального генератора, на котором были проведены важные исследования, фирма «Авко-Эверетт» построила новый МГД-генератор «Марк-11», мощность которого была доведена уже до 205 квт. В камеру сгорания подавался либо керосин, либо изопропиловый спирт, который сжигался в кислороде. Для увеличения проводимости газов в первом случае добавлялся порошок К2СО3, а во втором — раствор КОН. Камера сгорания работала при давлении около 20 н/см2, расход горючей смеси составлял вначале примерно 1,8 кг/сек. Горячие газы входили в рабочий канал генератора с температурой 3000° К. Время работы генератора было увеличено по сравнению с первым образцом и доведено до 1 мин, что было вполне достаточно для изучения различных аэрогидродинамических процессов. Магнитное поле в генераторе создавалось сильным электромагнитом, который не имел железного магнито- провода, но для усиления магнитного поля были применены железные полюсные наконечники массой 25 т. Обмотка электромагнита была выполнена из медных полос и весила тоже немало — ее масса равнялась 22 т.
Интересно отметить, что мощность генератора достигала 205 квт в том случае, когда сечение рабочего канала было постоянным. После проведения первой части исследований конфигурация канала была изменена, его сделали слегка расширяющимся, так что соотношение площади поперечного сечения на выходе к той же площади на входе в канал равнялось 1,22. Затем это соотношение было еще увеличено до 1,45. Расход рабочего тела также был увеличен до 2,25 кг/сек. Все это позволило еще больше повысить мощность генератора, ее удалось довести до 600 кет.
В настоящее время опубликованы сведения о самых разнообразных МГД-генераторах. Работы по созданию таких генераторов ведутся не только в США, но и в других странах. Например, в Англии новый способ получения электроэнергии считается наиболее перспективным изо всех других методов прямого преобразования тепловой энергии в электрическую. Работы по созданию МГД-генераторов ведутся в нескольких государственных исследовательских центрах, занимается этим и такая известная фирма, как Парсонс. Английские специалисты предполагают примерно через два года изготовить МГД- генератор тепловой мощностью 200000 квт.
Проводятся работы по созданию МГД-генераторов и в Польской Народной Республике. Первый в Польше экспериментальный МГД-генератор был запущен в Институте ядерных исследований АН ПНР в январе 1961 года, после чего было введено в строй еще несколько образцов таких генераторов.
Прежде чем перейти к перспективам магнитогидродинамического способа генерирования электроэнергии, остановимся еще на одном интересном вопросе. Как мы уже видели из кратких сведений о генераторе «Марк-11», он имеет очень тяжелую и громоздкую магнитную систему. Другие генераторы, на которых мы не останавливались подробно, также отличаются этим недостатком. И первое время казалось, что облегчить электромагниты не удастся. Ведь даже незначительное уменьшение напряженности магнитного поля резко ухудшит данные генератора, так как мощность генератора зависит от напряженности магнитного поля в квадрате. Но нельзя ли создать необходимую напряженность магнитного поля при помощи более легких и менее громоздких электромагнитов? Оказывается, можно. Для этого использовали свойство сверхпроводимости. Дело в том, что при низких температурах (меньше 20° К) некоторые проводники практически полностью теряют электрическое сопротивление. По таким проводникам становится возможным при сравнительно небольшом сечении пропускать очень большие токи. Например, при температуре ниже 7,26° К удельное сопротивление свинца уменьшается в 1012 раз по сравнению с удельным сопротивлением при 273° К. Ток в несколько сотен ампер, созданный в свинцовом кольце при температуре 4,12° К, уменьшался за час не более чем на одну сорокатысячную. Естественно, что если взять такой сверхпроводник, то обмотка из него для электромагнита может быть во много раз легче и компактней, чем обмотка из обычной меди.
Но оказалось, что вопрос решается не так просто, как могло показаться на первый взгляд. Применению сверхпроводников для электромагнитов мешало то обстоятельство, что в достаточно сильном магнитном поле они теряли свойство сверхпроводимости и становились обычными проводниками. Следовательно, задача состояла в том, чтобы сохранить свойство сверхпроводимости в сильных магнитных полях.
Буквально в последние годы было открыто, что проводник, изготовленный из соединения ниобия с оловом, будет сохранять свойство сверхпроводимости и в сильных магнитных полях. Затем был изготовлен проводник с такими же свойствами из сплава ниобия с цирконием. Ясное представление о том, какое огромное преимущество у сверхпроводников дает следующее сравнение. По мнению специалистов фирмы «Вестингауз», магнитное поле у магнита со сверхпроводящей обмоткой при массе 0,45 кг вдвое сильнее, чем у обычного электромагнита с железным сердечником при массе 20 т.
Кроме того, магнит со сверхпроводящей обмоткой во много раз уменьшает и потери на возбуждение. Оказывается, на дополнительное устройство для охлаждения обмотки до низких температур идет во много раз меньше энергии, чем затрачивается на потери в медных обмотках обычных магнитов. Расчеты показали, что для одного из МГД-генераторов эти потери могут быть снижены с 6000 до 80 квт.
Недаром на одном из симпозиумов, посвященных проблемам магнитогидродинамики (Рочестер, США, 1962 год), было признано, что главнейшим достижением за истекший год в этой области явилось создание электромагнитов со сверхпроводящими обмотками.
