Плазменный генератор

Плазменный генератор

Наука твердо знает: превращение тепла в ра­боту тем выгоднее, чем сильнее нагрет пар. Если на обычной современной электростанции под­нять температуру пара до 1000—1500°, ее к. п. д. сам собой увеличится в полтора раза. Но беда в том, что сделать это никак нельзя — та­кой страшный жар очень быстро разрушит любую турбину.

Значит, рассуждали ученые, надо попробо­вать обойтись совсем без турбины. Надо построить такой генератор, который бы сам пре­вращал энергию струи раскаленного газа в элек­трический ток!

И построили. Помогла в этом молодая, быст­ро развивающаяся наука — магнитогид­родинамика. Она изучает движение в магнитном поле жидкостей, проводящих электрический ток.

Обнаружилось вот что. Жидкость-провод­ник, помещенная в магнитное поле, ничем не отличается по поведению от твердого провод­ника, например металла. Но мы хорошо знаем, что происходит в металлическом проводнике, если его двигать между полюсами магнита: в нем наводится (или, как говорят, индукти­руется) электрический ток. Значит, ток по­явится и в струе жидкости, если эта струя пере­сечет магнитное поле.

Однако построить генератор с жидким про­водником все же не удалось. Струю жидкости нужно было разогнать до очень высокой ско­рости, а на это требуется громадное количество энергии, большая часть которой теряется в са­мой струе на завихрения. Вот тогда-то и яви­лась мысль: а не заменить ли жидкость газом? Ведь газовым струям мы давно умеем сообщать огромные скорости — вспомните хотя бы реак­тивный двигатель. Но эту мысль сразу же при­шлось отбросить: ни один газ не проводит тока!

Получился как будто полный тупик. Твер­дые проводники не выдерживают высоких тем­ператур; жидкие не разгоняются до высоких скоростей; газообразные не проводники во­все. Но...

Мы привыкли думать, что вещество может находиться только в трех состояниях — твер­дом, жидком и газообразном. А оно, оказывается, бывает еще и в четвертом состоянии — плазменном. Из плазмы, как теперь известно, состоит Солнце и большинство звезд.

Плазма — это газ, но ионизированный. В нем среди молекул попадаются заряженные ионы, т. е. «осколки» атомов с нарушенными электронными орбитами. Есть и свободные электроны. Ионы и электроны — носители электрических зарядов.

Плазма электропроводна!

Но чтобы получить плазму, необходимо по­сильнее нагреть газ. С повышением темпера­туры молекулы газа движутся все быстрее, они часто и сильно сталкиваются между собой. Наступает момент, когда молекулы постепенно распадаются на атомы. Но газ пока тока не проводит. Продолжаем его нагревать!

Вот термометр показал 4000°. Атомы при­обрели высокую энергию. Их скорости огром­ны, а отдельные столкновения заканчиваются «катастрофически»: электронные оболочки ато­мов нарушаются. Это нам и нужно — теперь в газе есть ионы и электроны. Есть плазма!

Нагреть газ до 4000° — нелегкое дело. Луч­шие сорта угля, нефти и природных газов дают при сгорании куда более низкую температуру. Как быть?

Сравнительно недавно ученые справились и с этой трудностью. Выручил калий — деше­вый и распространенный щелочной металл. Оказалось, что в присутствии калия иониза­ция многих газов начинается гораздо раньше. Стоит добавить всего один процент калия к обычным топочным газам — продуктам сго­рания угля и нефти, как ионизация в них на­чинается при 3000° и даже чуть ниже. Плаз­ма есть — можно строить генератор.

Из топки, где рождаются горячие газы, их отводят в патрубок, куда непрерывно подается тоненькой струйкой поташ — углекислый ка­лий. Происходит слабая, но все же достаточная ионизация. Патрубок затем плавно расширяет­ся, образуя сопло.

Свойства расширяющегося сопла таковы, что при движении по нему газ набирает высо­кую скорость, теряя давление. Скорость газов, вырывающихся из сопла, может соперничать со скоростями современных самолетов — она достигает 3200 км/час.

Раскаленный поток плазмы врывается в глав­ный канал генератора. Его стенки не из ме­талла, а из кварца или огнеупорной керамики. Снаружи к стенкам подведены полюсы силь­нейшего магнита. Под действием магнитного поля в плазме, как во всяком проводнике, на­водится электродвижущая сила.

Теперь надо, как говорят электрики, «снять» ток, отвести его к потребителю. Для этого в канал вводят два электрода — тоже, конечно, неметаллических, чаще всего графитовых. Если их замкнуть внешней цепью, то в цепи появится постоянный ток (см. рис.).

У небольших плазменных генера­торов, уже построенных в разных странах, к. п. д. достиг 50% (к. п. д. тепловой электро­станции не больше 35—37%). Есть надежда получить в ближайшие годы и 65%, а потом еще больше. Перед учеными, работающими над плазменным генератором, стоит много проблем, связанных с выбором материалов, с увеличе­нием срока работы генератора (нынешние образ­цы работают пока лишь минуты).