Энергетика завтрашнего дня - Проблемы при создании МГД-генераторов

Рассмотрим теперь некоторые проблемы, возникающие при создании МГД-генераторов, а также пути решения этих проблем.
Одной из самых важных характеристик, определяющих работоспособность МГД-генератора, является электропроводность газа. Ведь не случайно для обмоток обычного генератора берут медь — один из лучших проводников электричества. Если сделать обмотку из плохого проводника, то генератор с такой обмоткой будет очень невысокого качества. Так же обстоит дело и с МГД-генератором. Величина электропроводности газа определяет напряженность магнитного поля, которую необходимо создать в генераторе, а также размеры самого генератора, обеспечивающие получение заданной мощности.
Следует отметить, что электропроводность газа, при которой он может применяться в МГД-генераторе, на несколько порядков меньше электропроводности металлических проводников. Правда, уменьшение электропроводности газа несколько компенсируется увеличением его скорости в магнитном поле, которая гораздо выше, чем линейная скорость металлического проводника в обычном генераторе.
Но, оказывается, даже такую, относительно ничтожную, электропроводность газа получить не так просто. Ведь при нормальных атмосферных условиях газы являются хорошим изолятором. Вспомните хотя бы высоковольтные линии передач электроэнергии. В них провода с огромной разностью потенциалов разделяет небольшой промежуток воздуха.
Как же заставляют газы проводить электричество? Выше было сказано, что газы начинают проводить электричество при высоких температурах, так как они ионизируются.
При повышении температуры повышается энергия электронов, вращающихся вокруг ядра атома. Когда эта энергия достигает определенной величины, происходит отрыв электрона от атома. В результате вместо нейтральной частицы образуются заряженный ион и носитель единичного отрицательного заряда — электрон.
Ионизация газа его нагревом называется термической ионизацией. Надо сказать, что при повышении температуры газа сначала подвергаются ионизации лишь отдельные атомы. С дальнейшим ростом температуры увеличивается число таких атомов, а молекулы многоатомных газов, кроме того, диссоциируют (распадаются) на отдельные атомы, которые также подвергаются ионизации.
Заметим, что при термической ионизации требуются затраты только тепловой энергии. Такое положение делает термическую ионизацию особенно удобной для МГД-генераторов. Ведь при нагреве газ не только ионизируется, но и получает запас энергии для истечения с большой скоростью. Никаких дополнительных воздействий на газ производить не требуется.
Кроме термической, существуют и другие виды ионизации газов. Однако они требуют какого-либо внешнего воздействия на газы (ударной волны, электрических разрядов, электронного облучения). В настоящее время наиболее изученной является термическая ионизация, однако в печати имеются сведения о попытках использовать в МГД-генераторах и другие виды ионизации. Основная цель этих работ, ради которой приходится даже идти на усложнение конструкции генератора,— уменьшение температуры, при которой газы становятся проводниками.
Термическая ионизация при всех ее достоинствах имеет очень большой недостаток. Например, если взять в качестве рабочего газа для МГД-генератора чистый аргон, то даже при температуре 4000° К он практически еще не начнет проводить электричество. А при такой температуре плавится даже графит! Где же выход?
Для работы МГД-генератора, как уже говорилось выше, не обязательно, чтобы газ обладал очень высокой проводимостью, т. е. был полностью ионизирован. Для этой цели вполне пригодны частично ионизированные газы, состоящие из положительных ионов, электронов и нейтральных атомов. Удовлетворительной проводимостью газ будет обладать уже при наличии 1% ионизированных атомов. Однако и для такого незначительного процента газ необходимо нагревать до очень высокой температуры, которую не выдерживают известные сегодня материалы.
Выход из создавшегося положения был найден путем добавления к чистому газу легко ионизируемых веществ, например паров щелочных металлов. Если к тому же аргону добавить всего 1 % паров калия, то приемлемая электропроводность газовой смеси может быть получена при температуре около 2000° К, при которой уже могут работать некоторые жаростойкие материалы.
Смысл введения в газ легко ионизируемых веществ состоит в том, что в газовой смеси такие вещества становятся источником заряженных частиц, обеспечивающих электропроводность всей газовой смеси. Поэтому температура, при которой газовая смесь начнет проводить электричество, будет определяться уже не температурой ионизации чистого газа, а температурой ионизации добавленных веществ. Последняя же не столь высока. Например, добавка 1°/о цезия делает неон достаточно электропроводным при 1580° К, а гелий — при 1670° К.
Необходимость введения в газы добавок требует специальных дозирующих устройств и усложняет конструкцию генератора, но такие расходы с избытком окупаются снижением температуры газов.
Второй проблемой, имеющей важное значение для практического применения МГД-генераторов в различных областях техники, является проблема материалов. Выше мы ознакомились с температурами, при которых газы становятся проводниками электричества. К этому нужно добавить, что газ, естественно, должен обладать достаточной проводимостью прежде всего тогда, когда он приобретает значительную скорость и проходит через магнитное поле. А такую скорость газ приобретает в сопле, снижая свою температуру. Следовательно, если на выходе из сопла газ должен иметь достаточную температуру для обеспечения его проводимости, то тем более высокую температуру он должен иметь перед входом в сопло, т. е. на выходе из камеры сгорания или другого аналогичного аппарата. Кроме того, нужно иметь в виду, что раскаленный газ должен двигаться со скоростью, близкой к скорости звука, а иногда и превосходящей ее. При такой скорости даже не сильно нагретые газы производят на ограничивающие их стенки значительное эрозионное воздействие.
Читатель может сказать, что примерно в таких же температурных условиях работают сопла ракет. Да, скорости газов там не меньше. Почему же эти проблемы не вызывают сомнения в случае ракетных двигателей и влекут за собой большие осложнения в МГД-генераторах?
Дело в том, что продолжительность работы для двигателя ракет измеряется минутами, а то и долями минуты, тогда как для МГД-генераторов продолжительность непрерывной работы должна определяться сотнями, тысячами, а то и десятками тысяч часов. Электропроводность стенок у сопел ракет не имеет особого значения, тогда как в МГД-генераторах, по крайней мере на участке взаимодействия струи газа с магнитным полем, стенки сопла (за исключением электродов) должны быть выполнены из диэлектриков. Иначе будут большие утечки тока через стенки сопла. Необходимо найти жаростойкие материалы, хорошо проводящие электричество, для изготовления электродов, которые практически образуют две другие противоположные стенки сопла.
Таким образом, для создания МГД-генератора требуются изоляторы и проводники электричества, которые могут длительное время работать при высоких температурах. Оказалось, что такая задача под силу современной науке и технике. Правда, если бы узлы генератора, кроме всего прочего, испытывали бы и значительные механические напряжения, как в роторах турбин, то подобрать для них материалы сегодня еще не удалось бы.
В настоящее время считается, что для применения в МГД-генераторах пригодны следующие основные группы материалов:

Ниже приведены температуры плавления некоторых материалов (в °К):

Кроме обеспечения хорошей проводимости газа и подбора соответствующих материалов, необходимо также позаботиться об источнике тепловой энергии для нагрева газа, о создании достаточно сильного магнитного поля, об уменьшении всевозможных потерь и решить многие другие проблемы, связанные с постройкой работоспособного МГД-генератора.