Quando os geradores de eletricidade a plasma se tornam realidade

Quase todo mundo que estava interessado em energia ouviu falar das perspectivas dos geradores de MHD. Mas o fato de que esses geradores estão no status de promissores há mais de 50 anos é conhecido por poucos. Os problemas associados aos geradores de plasma MHD são descritos no artigo.

História com plasma ou geradores magneto-hidrodinâmicos (MHD) surpreendentemente semelhante à situação com fusão. Parece que você precisa dar apenas um passo ou fazer um pequeno esforço, e a conversão direta de calor em energia elétrica se tornará uma realidade familiar. Mas outro problema empurra essa realidade indefinidamente.

Primeiro de tudo, sobre a terminologia. Os geradores de plasma são uma das variedades de geradores MHD. E esses, por sua vez, receberam esse nome pelo efeito do aparecimento de uma corrente elétrica quando líquidos eletricamente condutores (eletrólitos) se movem em um campo magnético. Esses fenômenos são descritos e estudados em um dos ramos da física - magneto-hidrodinâmica. A partir daqui, os geradores receberam seu nome.

Historicamente, os primeiros experimentos para criar geradores foram realizados com eletrólitos. Mas os resultados mostraram que é muito difícil acelerar o fluxo de eletrólitos para velocidades supersônicas e, sem isso, a eficiência (eficiência) dos geradores é extremamente baixa.

Estudos adicionais foram realizados com fluxos de gás ionizado de alta velocidade, ou plasma. Portanto, hoje, falando sobre as perspectivas de uso Geradores MHD, lembre-se de que estamos falando exclusivamente sobre a variedade de plasma.

Fisicamente, o efeito da aparência de uma diferença de potencial e de uma corrente elétrica quando as cargas se movem em um campo magnético é semelhante Efeito Hall. Aqueles que trabalharam com sensores Hall sabem que, quando uma corrente passa por um semicondutor colocado em um campo magnético, uma diferença de potencial aparece nas placas de cristal perpendicular às linhas do campo magnético. Somente nos geradores MHD um fluido de trabalho condutor é passado em vez de corrente.

A potência dos geradores de MHD depende diretamente da condutividade da substância que passa através de seu canal, do quadrado de sua velocidade e do quadrado do campo magnético. A partir dessas relações, fica claro que quanto maior a condutividade, a temperatura e a força do campo, maior a potência consumida.

Todos os estudos teóricos sobre a conversão prática de calor em eletricidade foram realizados desde os anos 50 do século passado. E uma década depois, as usinas piloto “Mark-V” apareceram nos EUA com capacidade de 32 MW e “U-25” na URSS com capacidade de 25 MW. Desde então, vários projetos e modos operacionais eficazes de geradores foram testados e vários tipos de fluidos de trabalho e materiais estruturais foram testados. Mas os geradores de plasma não alcançaram amplo uso industrial.

O que temos hoje? Por um lado, uma unidade de energia combinada com um gerador MHD com capacidade de 300 MW na Usina do Distrito Estadual de Ryazan já está em operação. A eficiência do próprio gerador excede 45%, enquanto a eficiência das estações térmicas convencionais raramente chega a 35%. O gerador utiliza um plasma com uma temperatura de 2800 graus, obtido pela combustão de gás natural, e poderoso ímã supercondutor.

Parece que a energia do plasma se tornou realidade. Porém, geradores MHD similares no mundo podem ser contados nos dedos, e eles foram criados na segunda metade do século passado.

A primeira razão é óbvia: são necessários materiais estruturais resistentes ao calor para a operação de geradores. Alguns dos materiais foram desenvolvidos como parte da implementação de programas de fusão termonuclear. Outros são usados ​​na ciência de foguetes e são classificados.De qualquer forma, esses materiais são extremamente caros.

Outro motivo são as peculiaridades da operação dos geradores MHD: eles produzem corrente exclusivamente direta. Portanto, são necessários inversores potentes e econômicos. Ainda hoje, apesar das conquistas da tecnologia de semicondutores, esse problema ainda não foi completamente resolvido. E sem isso, é impossível transferir enormes capacidades para os consumidores.

O problema de criar campos magnéticos super fortes também não foi completamente resolvido. Mesmo o uso de ímãs supercondutores não resolve o problema. Todos os materiais supercondutores conhecidos têm uma força crítica do campo magnético acima da qual a supercondutividade simplesmente desaparece.

Só se pode adivinhar o que pode acontecer quando os condutores repentinamente passam para o estado normal, no qual a densidade de corrente excede 1000 A / mm2. A explosão de enrolamentos próximos ao plasma aquecido a quase 3000 graus não causará uma catástrofe global, mas um gerador MHD caro falhará com certeza.

Os problemas do aquecimento do plasma a temperaturas mais altas permanecem: a 2500 graus e aditivos de metais alcalinos (potássio), a condutividade do plasma, no entanto, permanece muito baixa, incomensurável com a condutividade do cobre. Mas um aumento na temperatura exigirá novamente novos materiais resistentes ao calor. O círculo se fecha.

Portanto, todas as unidades de potência com geradores de MHD criados hoje demonstram o nível de tecnologia alcançado e não a viabilidade econômica. O prestígio do país é um fator importante, mas a construção de geradores de MHD maciços e caprichosos hoje é muito cara. Portanto, mesmo os geradores MHD mais poderosos permanecem no status de plantas piloto. Neles, engenheiros e cientistas estão elaborando projetos futuros, testando novos materiais.

Quando esse trabalho termina, é difícil dizer. A abundância de vários projetos de geradores MHD sugere que a solução ideal ainda está longe. E as informações de que o plasma de fusão termonuclear é um meio de trabalho ideal para geradores de MHD aumentam seu uso generalizado até a metade do nosso século.