НАПРЯЖЕНИЕ ПЛАЗМЕННОГО СМЕРЧА ИЛИ ПРОСТО - ОБ МГД-ГЕНЕРАТОРЕ
Андрей Касьян

В 1831 г. в Америке великим Фарадеем было открыто явление электромагнитной индукции. Оно легло в основу всей современной электротехники и электроники! Но, что же такое индукция?

Если говорить очень кратко, то электромагнитная индукция - это явление, связанное с возникновением в проводнике электродвижущей силы под действием поля. Именно электродвижущая сила обуславливает возникновение электрического тока.

Для того, чтобы понять происходящие процессы, необходимо поближе познакомиться с электрическим и магнитным полями. Можно кратко сказать, что в микромире существуют только поля и частицы. Правда, и поля, и частицы бывают разные, и существуют они различным способом. Хорошо известно, что электрическое поле напрямую связано с электрическим зарядом. С одной стороны, электрическое поле порождается зарядами, с другой - само оказывает действие на заряд. Существует и магнитное поле, которое так же, как и электрическое, создается электрическими зарядами и тоже действует на них. Магнитное поле образует с электрическим единое целое - электромагнитное поле (родители у них одни - заряды). Электромагнитное поле очень интересный объект: оно может распространяться в виде волны. Впрочем, в нерушимом единстве электрического и магнитного полей имеются и диалектические различия.

Для нас важно отметить следующее: если заряженная частица попадает в электрическое поле, то она подобно лодке подхватывается полем и несется (точнее сказать - испытывает ускорение) вдоль направления его действия - по так называемым силовым линиям. Законы природы в том и проявляются, что свободная заряженная частица обязательно движется вдоль силовых линий. Это означает, что электрическое поле может порождать ток в проводящей среде. Ясно, что если мы поместим проводник вдоль силовых линий поля, то по нему потечет ток.

Совсем по-другому ведет себя магнитное поле. Для примера предположим, что магнитное поле действует в каком-нибудь определенном направлении. Пусть оно перпендикулярно плоскости этой журнальной страницы и его силовые линии "прокалывают" страницу. Не имеет принципиального значения, куда фактически направлено поле: на нас или от нас (обычно считают, что магнитное поле направлено с "севера" - N на "юг"- S, но и эти понятия относительны, как "правое" и "левое" - как встанешь). Предположим также, что заряженная частица (неважно, какого знака) влетает в это поле в плоскости страницы и движется вдоль нее. Казалось бы, что магнитное поле должно притянуть частицу по направлению к нам, либо оттолкнуть (в направлении действия силовых линий). Но магнитное поле ведет себя по-другому. Оно будет отклонять частицу в плоскости страницы, не приближая и не отдаляя ее от нас, а как бы закручивая, навивая ее траекторию на силовые линии. Немножко изменим ситуацию. Не частица, а проволочка подобным же образом движется параллельно вдоль страницы. В металле имеются свободные заряды (электроны), которые вынуждены двигаться вместе с проволочкой. Магнитное поле, проникает внутрь проволочки и действует на них аналогично. Оно будет отклонять частицы "вбок", заставляя их "вальсировать". Но электроны не имеют достаточно энергии, чтобы вылететь из проволочки. Поэтому они вынуждены перемещаться в ту или другую сторону к одному из концов проволочки. Именно по этой причине по проволочке потечет ток. Например, справа налево, куда закружило поле. Вот это и есть явление индукции, и на нем основан принцип преобразования механической энергии в электрическую путем перемещения (вращения) проводника в магнитном поле. Чем быстрее мы будем перемещать проволочку, тем больше будет сила тока.

Интересно, что Фарадей давным-давно показал, что для выработки электроэнергии не обязательно использовать металлический проводник, и его агрегатное состояние не имеет принципиального значения. Оставим все без изменения, но пусть теперь вдоль страницы движется некая среда или рабочее тело, содержащее заряды. Магнитное поле будет действовать на заряды вышеописанным образом. Поскольку мы считаем заряды в среде свободными, они начинают двигаться так, как это было описано для проволочки. Если по направлению их движения поместить электроды, то заряды будут попадать на них, и в движущейся среде потечет ток, направленный перпендикулярно вектору скорости и вектору напряженности магнитного поля.
Вот мы, наконец, и подошли к МГД-методу преобразования энергии. В МГД-генераторе (а точнее - в его каналах) движется электропроводящая среда, содержащая свободные заряды (почему и принята эта аббревиатура МГД - "магнитогидродинамический"). Она выполняет ту же функцию, что и вращающийся якорь обычного генератора. В простейшем линейном МГД-генераторе на параллельных магнитному полю стенках канала возникает электродвижущая сила, т.е. образуется разность потенциалов. Заряды, двигаясь вместе со средой, отклоняются и попадают на стенки, накапливаясь там. Итак, проволочкой или проводником является, по сути, движущееся рабочее тело (плазма, электролиты, жидкие металлы), в котором возникают противоположно направленные потоки носителей зарядов, так как положительные заряды отклоняются в одну сторону, а отрицательные - в другую.

Мы видим, что МГД-генератор совмещает в себе функции сразу двух устройств, входящих в состав обычной электростанции: паровой турбины и электрогенератора. Паровая турбина вращает якорь электрогенератора, а электрогенератор вырабатывает ток. В случае с МГД-генератором вращение "якоря" не требуется, и энергия электропроводящей среды преобразуется непосредственно в электрическую. Отсутствие вращающихся деталей повышает надежность системы. Надо также сказать, что рассматриваемые генераторы являются объемными машинами - в них протекают объемные процессы. С увеличением объема уменьшается роль нежелательных поверхностных процессов (загрязнения, токов утечки). В то же время увеличение объема, а с ним и мощности генератора практически ничем не ограничено (и 2 ГВт, и более), что соответствует тенденции роста мощности единичных агрегатов.

Рассматриваемый метод имеет преимущества и по экологической составляющей. При более высоком к.п.д. МГД-генераторов существенно уменьшается выброс вредных веществ, которые обычно содержатся в отработанных газах.
Рабочее тело может представлять собой электролит, жидкий металл, или ионизированный газ - плазму. Если мы, например, увеличиваем скорость потока, разгоняем плазму, то из камеры сгорания ее надо подавать в сопло, где благодаря преобразованию тепловой энергии в кинетическую при расширении температура уменьшится. Подводя итог можно сделать вывод, что процесс образования высокотемпературной электропроводящей среды довольно сложен и на этом пути предстоит еще много сделать.

Как было сказано выше, рабочее тело попадает в так называемый МГД-канал, где и происходит возникновение электродвижущей силы. Канал может быть трех видов. Надежность и продолжительность работы электродов - общая проблема всех каналов. При температуре среды в несколько тысяч градусов электроды весьма недолговечны. Несмотря на то, что генерируемая мощность пропорциональна квадрату индукции магнитного поля, для промышленных установок требуются очень мощные магнитные системы, гораздо более мощные, чем опытные.

Трудности, о которых мы рассказали, решаются многими остроумными способами, но опасность выхода мощных магнитов из-под контроля всегда остается.

Этап концептуальных поисков в области МГД-генераторов в основном пройден. Еще в шестидесятых годах прошлого века были проведены основные теоретические и экспериментальные исследования, созданы лабораторные установки. Результаты исследований и накопленный инженерный опыт позволили отечественным ученым в 1965 г. ввести в действие комплексную модельную энергетическую установку "У-02", работавшую на природном топливе. Несколько позднее было начато проектирование опытно-промышленной МГД-установки "У-25", которое проводилось одновременно с исследовательскими работами на "У-02". Успешный пуск этой первой опытно-промышленной энергетической установки, имевшей расчетную мощность 25 МВт, состоялся в 1971 г.

…Мы сами очень долго не верили, что дождемся, когда это произойдет, но МГД-электричество, несмотря на все трудности, приходит на службу человеку. Увы, нефть кончится на глазах у ныне живущих обитателей планеты Земля.