Wanneer plasma-elektriciteitsproducenten werkelijkheid worden

Bijna iedereen die geïnteresseerd was in energie hoorde over de vooruitzichten van MHD-generatoren. Maar het feit dat deze generatoren al meer dan 50 jaar de status van veelbelovend hebben, is weinig bekend. De problemen in verband met plasma-MHD-generatoren worden in het artikel beschreven.

Verhaal met plasma, of magnetohydrodynamische (MHD) generatoren verrassend vergelijkbaar met de situatie met kernfusie. Het lijkt erop dat je maar één stap hoeft te zetten of een beetje moeite moet doen, en de directe omzetting van warmte in elektrische energie wordt een vertrouwde realiteit. Maar een ander probleem duwt deze realiteit voor onbepaalde tijd.

Allereerst over de terminologie. Plasmagenerators zijn een van de variëteiten van MHD-generators. En die hebben op hun beurt hun naam gekregen door het effect van het verschijnen van een elektrische stroom wanneer elektrisch geleidende vloeistoffen (elektrolyten) in een magnetisch veld bewegen. Deze fenomenen worden beschreven en bestudeerd in een van de takken van de natuurkunde - magnetohydrodynamica. Van hieruit hebben de generatoren hun naam gekregen.

Historisch gezien werden de eerste experimenten om generatoren te maken met elektrolyten uitgevoerd. Maar de resultaten toonden aan dat het heel moeilijk is om de stroom van elektrolyten naar supersonische snelheden te versnellen, en zonder dit is de efficiëntie (efficiëntie) van de generatoren extreem laag.

Verdere studies werden uitgevoerd met hogesnelheid geïoniseerde gasstromen of plasma. Daarom vandaag spreken over de vooruitzichten voor gebruik MHD-generatoren, moet u er rekening mee houden dat we het alleen hebben over hun plasmavariëteit.

Fysiek is het effect van het verschijnen van een potentiaalverschil en een elektrische stroom wanneer de ladingen in een magnetisch veld bewegen vergelijkbaar Hall-effect. Degenen die met Hall-sensoren werkten, weten dat wanneer een stroom door een halfgeleider stroomt die in een magnetisch veld is geplaatst, een potentiaalverschil op de kristalplaten loodrecht op de lijnen van het magnetische veld verschijnt. Alleen bij MHD-generatoren wordt een geleidende werkvloeistof doorgegeven in plaats van stroom.

De kracht van MHD-generatoren hangt rechtstreeks af van de geleidbaarheid van de stof die door zijn kanaal gaat, het kwadraat van zijn snelheid en het kwadraat van het magnetische veld. Uit deze relaties is het duidelijk dat hoe groter de geleidbaarheid, temperatuur en veldsterkte, hoe hoger het opgenomen vermogen.

Alle theoretische studies over de praktische omzetting van warmte in elektriciteit werden al in de jaren 50 van de vorige eeuw uitgevoerd. Een decennium later verschenen de Mark-V-pilootfabrieken in de VS met een capaciteit van 32 MW en U-25 in de USSR met een capaciteit van 25 MW. Sindsdien zijn verschillende ontwerpen en effectieve bedrijfsmodi van generatoren getest en verschillende soorten werkvloeistoffen en constructiematerialen getest. Maar plasmagenerators hebben geen wijdverbreid industrieel gebruik bereikt.

Wat hebben we vandaag? Enerzijds is er al een gecombineerde energie-eenheid met een MHD-generator met een vermogen van 300 MW in de Ryazan State District Power Plant. Het rendement van de generator zelf overschrijdt 45%, terwijl het rendement van conventionele thermische stations zelden 35% bereikt. De generator gebruikt een plasma met een temperatuur van 2800 graden, verkregen door de verbranding van aardgas, en krachtige supergeleidende magneet.

Het lijkt erop dat plasma-energie een realiteit is geworden. Maar vergelijkbare MHD-generatoren ter wereld kunnen op de vingers worden geteld en ze zijn in de tweede helft van de vorige eeuw gemaakt.

De eerste reden ligt voor de hand: hittebestendige constructiematerialen zijn vereist voor de werking van generatoren. Sommige materialen zijn ontwikkeld als onderdeel van de implementatie van fusieprogramma's. Anderen worden gebruikt in de raketwetenschap en zijn geclassificeerd.In elk geval zijn deze materialen extreem duur.

Een andere reden zijn de eigenaardigheden van de werking van MHD-generatoren: ze produceren uitsluitend gelijkstroom. Daarom zijn krachtige en economische omvormers vereist. Zelfs vandaag, ondanks de prestaties van de halfgeleidertechnologie, is een dergelijk probleem nog niet volledig opgelost. En zonder dit is het onmogelijk om enorme capaciteiten over te dragen aan consumenten.

Het probleem van het creëren van supersterke magnetische velden is ook niet volledig opgelost. Zelfs het gebruik van supergeleidende magneten lost het probleem niet op. Alle bekende supergeleidende materialen hebben een kritische magnetische veldsterkte waarboven supergeleiding eenvoudig verdwijnt.

Men kan alleen raden wat er kan gebeuren als een plotselinge overgang naar een normale toestand van geleiders waarbij de stroomdichtheid 1000 A / mm2 overschrijdt. Explosie van wikkelingen in de nabijheid van plasma verwarmd tot bijna 3000 graden zal geen wereldwijde catastrofe veroorzaken, maar een dure MHD-generator zal zeker falen.

De problemen van plasmaverwarming tot hogere temperaturen blijven bestaan: bij 2500 graden en additieven van alkalimetalen (kalium) blijft de plasmageleidbaarheid echter zeer laag, onvergelijkbaar met de geleidbaarheid van koper. Maar een temperatuurstijging vereist opnieuw nieuwe hittebestendige materialen. De cirkel sluit.

Daarom demonstreren alle vandaag ontwikkelde power units met MHD-generatoren het bereikte niveau van technologie in plaats van economische haalbaarheid. Het prestige van het land is een belangrijke factor, maar het bouwen van enorm dure en grillige MHD-generatoren is tegenwoordig erg duur. Daarom blijven zelfs de krachtigste MHD-generatoren in de status van pilootfabrieken. Op hen werken ingenieurs en wetenschappers toekomstige ontwerpen uit en testen ze nieuwe materialen.

Wanneer dit werk eindigt, is het moeilijk te zeggen. De overvloed aan verschillende ontwerpen van MHD-generatoren suggereert dat de optimale oplossing nog ver weg is. En de informatie dat het thermonucleaire fusieplasma een ideaal werkmedium is voor MHD-generatoren, blijft tot het midden van onze eeuw op grote schaal worden gebruikt.