Плазменные генераторы: сколько еще ждать нового источника энергии?

О перспективах использования магнитогиродинамических генераторов электроэнергии наверняка слышал каждый, кто хоть немного в курсе происходящего в современной энергетике. Но далеко не всем известно, что в статусе многообещающей разработки МГД пребывают уже ни много ни мало полвека. О проблемах, возникающих на пути внедрения в жизнь этой технологии будущего, пойдет речь в данной публикации.

МГД-генераторы: как все начиналось

История МГД удивительно напоминает историю другого знаменитого изобретения – теплового ядерного синтеза. Казалось бы, вот еще один последний шаг, незначительное усилие – и преобразование энергии тепла в электроток станет повседневной обыденностью. И вдруг очередная проблема уже в который раз откладывает ее на более поздний срок.

МГД, одной из видов которых и являются плазменные генераторы (ПГ), были названы так в связи с открытием способности к генерации электротока при передвижении токопроводящих жидкостей (электролитов) внутри магнитного поля. Описанию и изучению этих явлений посвящен целый раздел физики - магнитная гидродинамика. Вот отсюда и пошло название этого вида генераторов.

Первые исследования по созданию плазменных источников электроэнергии осуществлялись с электропроводящими жидкостями. Но очень скоро выяснилось, что разогнать потоки жидкости до необходимых сверхскоростей чрезвычайно сложно, а без этого КПД электростанций остается недопустимо низким.

Именно поэтому исследователи переключились на эксперименты с плазмой – ионными потоками газа высокой скорости. С того времени за перспективными МГД-генераторами прочно закрепилось название плазменные, поскольку все последующие опыты проводились только с этим источником энергии.

Эффект разницы потенциалов и электротока во время движения зарядов внутри магнитного поля схож с эффектом Холла. Все, кому приходилось иметь дело с датчиками Hall, знают: электроток, проходя через находящийся в магнитном поле проводник, провоцирует появление на поверхности кристалла разности потенциалов. Только в магнитогидродинамических установках вместо электротока пропускается проводящее тепло.Чем выше т-ра, проводимость и напряжение поля, тем больше мощности забирается.

Опыты по преобразованию тепла в электроток активно проводились в 50 гг. прошлого века. А уже в 60-е гг. практически одновременно появились созданные образцы «Mark-V» (Соединенные Штаты) и «У-25» (Советский Союз). С того времени не прекращается работа над способами работы ПГ, их конструкцией; проводятся испытания материалов и видов рабочих тел. Но на стадию промышленного производства это изобретение так и не вышло.

А что же сегодня?

На ГРЭС в г. Рязани функционирует комбинированный блок с МГД-генератором в 300 мВт, КПД которого превышает 45%, в то время как КПД теплостанций очень редко достигает даже 35%. В установке используется раскаленная до 2800 гр. плазма, полученная в процессе сгорания газа, и высокомощный проводящий магнит.

Получается, что энергетика, основанная на нагревании плазмы, это уже реальность? Но не все так просто. Подобных опытных образцов в мире насчитывается всего несколько штук, и всем им больше 50 лет.

Причин тому несколько. Во-первых, для эффективной работы МГД-генераторов необходимы конструкционные материалы с высочайшей степенью жаропрочности, подобные тем, что были разработаны в ходе реализации программ ядерного синтеза. Аналоги таких материалов и сейчас используются в космической отрасли, но остаются засекреченными. Как бы там ни было, это весьма дорогостоящие материалы, способные свести на нет экономический эффект от промышленного применения плазменных генераторов.

Во-вторых, МГД-генераторы могут производить только постоянный ток, поэтому для них нужны экономичные и мощные инвенторы. Несмотря на то, что полупроводниковые технологии развиваются в последние десятилетия бурными темпами, решить эту задачу на сегодня не представляется возможным.

Нерешенной остается и проблема создания суперсильных магнитных полей. Все известные науке проводящие материалы ограничены критическим показателем напряженности МП, выше которого проводимость попросту исчезает.

Мы можем лишь догадываться, что случится при переходе в другое состояние проводников с плотностью тока больше тысячи А/м2. Конечно, взрыв поблизости от раскаленной плазмы не станет мировой катастрофой, но вот дорогостоящее оборудование точно выведет из строя.

Проблема необходимых показателей разогрева плазмы между тем тоже остается на повестке дня. Даже при температуре в 2500°С проводимость плазмы является несоразмерно низкой в сравнении с аналогичным показателем меди. Дальнейшее повышение температуры плазмы потребует новых, еще более жаростойких материалов. Круг проблем замыкается.

Таким образом, все действующие сегодня энергоблоки с ПГ показывают скорее уровень достижений инновационных технологий, нежели какую-либо целесообразность. И хотя престиж державы – весьма важный фактор, запускать в массовое производство столь дорогостоящие МГД невыгодно. По этой причине даже сверхмощные магнитногидродинамические генераторы многие десятилетия остаются в ранге опытных образцов. Ученые – физики и инженеры проводят на них испытания новых материалов, отрабатывают экспериментальные конструкционные решения.

Сложно сказать, сколько потребуется времени для завершения этой работы. Количество конструктивных решений МГД-установок с каждым годом увеличивается, что является явным свидетельством тому, что до единственно верного решения еще очень далеко. А данные о том, что лучшим рабочим телом для ПГ является плазма ядерного синтеза, отдаляет дату их массового использования как минимум до середины текущего столетия.