Plazma generatoru - plazma məşəli
Bərk cisim güclü qızdırılırsa, maye halına gəlir. Temperaturu daha da yüksəltsəniz, maye buxarlanaraq qaza çevriləcək.
Bəs temperaturu artırmağa davam etsəniz nə olar? Maddənin atomları müsbət ionlara çevrilərək elektronlarını itirməyə başlayacaq. Qazın əvəzinə sərbəst hərəkət edən elektronlar, ionlar və neytral atomlardan ibarət qazlı qarışıq əmələ gəlir. Buna plazma deyilir.
Hal-hazırda plazmadan elm və texnikanın müxtəlif sahələrində geniş istifadə olunur: metalların istilik müalicəsi, onların üzərinə müxtəlif örtüklərin vurulması, əritmə və digər metallurgiya əməliyyatları. Son illərdə plazma kimyaçılar tərəfindən geniş istifadə olunur. Onlar müəyyən etdilər ki, bir çox kimyəvi reaksiyaların sürəti və səmərəliliyi plazma reaktivində çox artır. Məsələn, hidrogen plazma jetinə metan daxil etməklə onu çox qiymətli asetilenə çevirmək olar. Və ya neft buxarlarını bir sıra üzvi birləşmələrə - etilen, propilen və başqalarına təşkil edin, sonradan müxtəlif polimer materialların istehsalı üçün mühüm xammal kimi xidmət edir.
Plazma generatorunun sxemi - plazma məşəli
1 - plazma jet;
3 - qövs boşalması;
4 - qaz "spin" kanalları;
5 - odadavamlı metal katod;
6 - plazma qazı;
7 - elektrod tutucusu;
8 bitlik kamera;
9 - solenoid;
10 - mis anod.
Plazma necə yaradılır? Bu məqsədlə plazma məşəli və ya plazma generatoru xidmət edir.
Metal elektrodları qazlı bir qaba yerləşdirsəniz və onlara yüksək gərginlik tətbiq etsəniz, elektrik boşalması baş verəcəkdir. Qazda həmişə sərbəst elektronlar olur. Elektrik cərəyanının təsiri altında onlar sürətlənir və neytral qaz atomları ilə toqquşaraq onlardan elektronları çıxarır və elektrik yüklü hissəciklər - ionlar əmələ gətirirlər, yəni. atomları ionlaşdırır. Buraxılan elektronlar da elektrik sahəsi ilə sürətlənir və yeni atomları ionlaşdırır, sərbəst elektronların və ionların sayını daha da artırır. Proses uçqun kimi inkişaf edir, maddənin atomları çox tez ionlaşır və maddə plazmaya çevrilir.
Bu proses qövs plazma məşəlində baş verir. Katod və anod arasında yüksək gərginlik yaranır, bu, məsələn, plazmadan istifadə edərək işlənməli olan bir metal ola bilər. Boşaltma kamerasının məkanında plazma əmələ gətirən maddə ən çox qazla - hava, azot, arqon, hidrogen, metan, oksigen və s. Yüksək gərginliyin təsiri altında qazda boşalma baş verir və katod və anod arasında plazma qövsü əmələ gəlir. Boşaltma kamerasının divarlarının həddindən artıq istiləşməsinin qarşısını almaq üçün onlar su ilə soyudulur. Bu tip cihazlara xarici plazma qövsü olan plazma məşəlləri deyilir. Onlar metalların kəsilməsi, qaynaqlanması, əridilməsi və s.
Plazma reaktivi yaratmaq üçün plazma məşəli bir qədər fərqli şəkildə qurulmuşdur. Plazma əmələ gətirən qaz yüksək sürətlə spiral kanallar sistemi vasitəsilə üfürülür və anod olan katod və boşalma kamerasının divarları arasındakı boşluqda "alovlanır". Spiral kanallar səbəbindən sıx bir reaktivə çevrilən plazma burundan atılır və sürəti 1 ilə 10.000 m / s-ə çata bilər. İndüktör tərəfindən yaradılan maqnit sahəsi plazmanı kameranın divarlarından "sıxmağa" və onun reaktivini daha sıx etməyə kömək edir. Nozzin çıxışında plazma jetinin temperaturu 3000 ilə 25000 K arasındadır.
Bu rəsmə bir daha baxın. Bu sizə məlum bir şeyi xatırladırmı?
Təbii ki, bu reaktiv mühərrikdir. Bir reaktiv mühərrikdə itələmə qüvvəsi burundan yüksək sürətlə atılan isti qazların jetindən yaranır. Sürət nə qədər böyükdürsə, dartma qüvvəsi də bir o qədər böyükdür. Plazmanın nə problemi var? Reaktivin sürəti olduqca uyğundur - 10 km / s-ə qədər. Xüsusi elektrik sahələrinin köməyi ilə plazma daha da sürətləndirilə bilər - 100 km / s-ə qədər. Bu, mövcud reaktiv mühərriklərdəki qazların sürətindən təxminən 100 dəfə çoxdur. Bu o deməkdir ki, plazma və ya elektrik reaktiv mühərriklərinin təkan gücü daha çox ola bilər və yanacaq sərfiyyatı əhəmiyyətli dərəcədə azala bilər. Plazma mühərriklərin ilk nümunələri artıq kosmosda sınaqdan keçirilib.
Elm dəqiq bilir: istiliyin işə çevrilməsi daha sərfəlidir, buxar daha güclü qızdırılır. Əgər adi müasir elektrik stansiyasında buxarın temperaturu 1000-1500°C-ə qaldırılarsa, onun səmərəliliyi avtomatik olaraq bir yarım dəfə artacaq. Ancaq problem ondadır ki, bunu heç bir şəkildə etmək mümkün deyil, çünki belə bir dəhşətli istilik hər hansı bir turbini çox tez məhv edəcəkdir.
Odur ki, alimlər hesab edirdilər ki, biz ümumiyyətlə turbinsiz işləməyə çalışmalıyıq. İsti qaz axınının enerjisini elektrik cərəyanına çevirəcək bir generator qurmaq lazımdır! Və onu tikdilər. Maqnit sahəsində elektrik cərəyanını keçirən mayelərin hərəkətini öyrənən sürətlə inkişaf edən bir elm, maqnitohidrodinamika plazma elektrik generatorunun yaradılmasına kömək etdi.
Məlum olub ki, maqnit sahəsinə yerləşdirilən maye keçirici öz davranışına görə bərk keçiricidən, məsələn, metaldan fərqlənmir. Amma biz yaxşı bilirik ki, metal keçirici maqnitin qütbləri arasında hərəkət edirsə, onda nə baş verir: onda elektrik cərəyanı induksiya olunur (induksiya olunur). Bu o deməkdir ki, bu jet maqnit sahəsini keçərsə, cərəyan maye axınında da görünəcəkdir.
Bununla belə, maye keçirici ilə generator qurmaq hələ də mümkün deyildi. Maye axını çox yüksək sürətlə sürətləndirilməli idi və bunun üçün çoxlu enerji tələb olunurdu ki, bunun da böyük hissəsi turbulentlik zamanı reaktivin özündə itirdi. Məhz o zaman belə bir fikir yarandı: niyə mayeni qazla əvəz etməyək? Axı biz çoxdan qaz reaktivlərinə böyük sürətlər çatdıra bilmişik - heç olmasa reaktiv mühərriki xatırlayın. Ancaq bu fikir dərhal atılmalı idi: heç bir qaz cərəyan keçirmir.
Tamamilə çıxılmaz vəziyyətə düşdü. Bərk keçiricilər yüksək temperaturlara tab gətirmir; maye olanlar yüksək sürətlə sürətlənmir; qazlar ümumiyyətlə keçirici deyillər. Amma…
Biz maddənin yalnız üç vəziyyətdə - bərk, maye və qaz halında mövcud ola biləcəyini düşünməyə öyrəşmişik. Və bu, dördüncü vəziyyətdə - plazmada da baş verir. Plazma, bilindiyi kimi, Günəşdən və əksər ulduzlardan ibarətdir. Budur - plazma elektrik generatoru!
Plazma qazdır, lakin ionlaşmışdır
Orada molekullar arasında yüklü ionlar, yəni elektron orbitləri pozulmuş atomların "parçaları" ilə qarşılaşır. Sərbəst elektronlar da var. İonlar və elektronlar elektrik yüklərinin daşıyıcılarıdır, yəni plazma elektrik keçiricidir.
Amma plazma əldə etmək üçün qazı daha bərk qızdırmaq lazımdır. Temperatur yüksəldikcə qaz molekulları daha sürətli və daha sürətli hərəkət edir, bir-biri ilə tez-tez və güclü şəkildə toqquşurlar. Elə bir an gəlir ki, molekullar tədricən atomlara parçalanır. Lakin qaz cərəyan keçirmir. Gəlin onu qızdırmağa davam edək!
Burada termometr 4000 ° göstərdi. Atomlar yüksək enerji əldə etdilər. Onların sürətləri çox böyükdür və fərdi toqquşmalar "fəlakətlə" başa çatır: atomların elektron qabıqları qırılır. Bizə lazım olan budur - indi qazda ionlar və elektronlar var - plazma meydana çıxdı.
Qazı 4000°-yə qədər qızdırmaq asan məsələ deyil. Kömür, neft və təbii qazların ən yaxşı növləri yanan zaman çox aşağı temperatur verir. Necə olmaq?
Alimlər bu çətinliyin öhdəsindən gəliblər. Xilas edilmiş kalium - ucuz və ümumi qələvi metal. Məlum oldu ki, kaliumun iştirakı ilə bir çox qazların ionlaşması daha erkən başlayır. Adi baca qazlarına kaliumun yalnız bir faizini - kömür və neftin yanma məhsulları əlavə etməyə dəyər, çünki onlarda ionlaşma 3000 ° və hətta bir az aşağı başlayır.
İsti qazların doğulduğu sobadan, onlar bir filial borusuna yönəldilir, burada kalium - kalium karbonat davamlı olaraq nazik bir axınla qidalanır. Zəif, lakin hələ də kifayət qədər ionlaşma var. Daha sonra nozzle rəvan şəkildə genişlənir və burun əmələ gətirir.
Genişlənən burunun xüsusiyyətləri elədir ki, onun içindən keçərkən qaz yüksək sürət qazanır, təzyiqi itirir. Başlıqdan çıxan qazların sürəti müasir təyyarələrin sürətləri ilə rəqabət apara bilər - 3200 km/saata çatır.
Generatorun əsas kanalına közərmə plazma axını partlayır
Onun divarları metaldan deyil, kvarsdan və ya odadavamlı keramikadandır. Çöldə ən güclü maqnitin dirəkləri divarlara gətirilir. Plazmada bir maqnit sahəsinin təsiri altında, hər hansı bir keçiricidə olduğu kimi, bir elektromotor qüvvəsi induksiya olunur.
İndi elektriklərin dediyi kimi, cərəyanı “çıxarmaq”, istehlakçıya çatdırmaq lazımdır. Bunu etmək üçün plazma generatorunun kanalına iki elektrod daxil edilir - həmçinin, əlbəttə ki, qeyri-metal, çox vaxt qrafit. Xarici bir dövrə ilə bağlansalar, dövrədə birbaşa cərəyan görünəcəkdir.
Müxtəlif ölkələrdə artıq qurulmuş kiçik plazma elektrik generatorları üçün səmərəlilik 50% -ə çatdı (istilik elektrik stansiyasının səmərəliliyi 35-37% -dən çox deyil). Teorik olaraq, 65% və daha çoxunu əldə edə bilərsiniz. Plazma generatoru üzərində işləyən elm adamları, generatorun ömrünün artması ilə materialların seçilməsi ilə bağlı bir çox problemlə üzləşirlər (indiyə qədər hazırkı dizaynlar yalnız bir neçə dəqiqə işləyir).
Enerji ilə maraqlanan demək olar ki, hər kəs MHD generatorlarının perspektivləri haqqında eşitmişdir. Amma bu generatorların 50 ildən artıqdır ki, perspektivli statusunda olması az adama məlumdur. Plazma MHD generatorları ilə bağlı problemlər məqalədə təsvir edilmişdir.
Plazma ilə tarix və ya maqnitohidrodinamik (MHD) generatorları ilə vəziyyətə olduqca oxşardır. Görünür, bunun üçün yalnız bir addım və ya bir az səy lazımdır və istiliyin birbaşa elektrik enerjisinə çevrilməsi tanış bir reallığa çevriləcəkdir. Amma başqa bir problem bu reallığı qeyri-müəyyən müddətə təxirə salır.
İlk növbədə terminologiya haqqında. Plazma generatorları MHD generatorlarının növlərindən biridir. Və onlar, öz növbəsində, bir maqnit sahəsində elektrik keçirici mayelərin (elektrolitlərin) hərəkəti zamanı elektrik cərəyanının görünüşünün təsirindən öz adlarını aldılar. Bu hadisələr fizikanın bölmələrindən birində təsvir edilir və öyrənilir - maqnitohidrodinamika. Generatorların adını buradan almışdır.
Tarixən generatorlar yaratmaq üçün ilk təcrübələr elektrolitlərlə aparılmışdır. Lakin nəticələr göstərdi ki, elektrolit axınını səsdən yüksək sürətlə sürətləndirmək çox çətindir və bunsuz generatorların səmərəliliyi (səmərəlilik əmsalı) son dərəcə aşağıdır.
Əlavə tədqiqatlar yüksək sürətli ionlaşmış qaz axınları və ya plazmalarla aparılmışdır. Buna görə də, bu gün istifadə perspektivləri haqqında danışırıq MHD generatorları, nəzərə almaq lazımdır ki, söhbət yalnız onların plazma müxtəlifliyindən gedir.
Fiziki olaraq, yüklər bir maqnit sahəsində hərəkət edərkən potensial fərq və elektrik cərəyanının görünüşünün təsiri oxşardır. Hall sensorları ilə işləyənlər bilirlər ki, cərəyan maqnit sahəsində yerləşdirilən yarımkeçiricidən keçəndə maqnit sahəsinin xətlərinə perpendikulyar olan kristal plitələrdə potensial fərq yaranır. Yalnız MHD generatorlarında cərəyan yerinə keçirici işçi maye keçir.
MHD generatorlarının gücü birbaşa onun kanalından keçən maddənin keçiriciliyindən, sürətinin kvadratından və maqnit sahəsinin gücünün kvadratından asılıdır. Bu əlaqələrdən aydın olur ki, keçiricilik, temperatur və sahənin gücü nə qədər çox olarsa, alınan güc də bir o qədər yüksək olar.
İstiliyin praktiki olaraq elektrikə çevrilməsinə dair bütün nəzəri tədqiqatlar hələ ötən əsrin 50-ci illərində aparılmışdır. Və on ildən sonra ABŞ-da 32 MVt gücündə "Mark-V" və SSRİ-də 25 MVt gücündə "U-25" pilot stansiyaları meydana çıxdı. O vaxtdan bəri generatorların müxtəlif konstruksiyaları və effektiv iş rejimləri sınaqdan keçirilmiş, müxtəlif növ işçi orqanları və konstruksiya materialları sınaqdan keçirilmişdir. Lakin plazma generatorları geniş sənaye istifadəsinə çatmadı.
Bu gün nəyimiz var? Bir tərəfdən, Ryazanskaya QRES-də 300 MVt gücündə MHD generatoru olan birləşmiş enerji bloku artıq işləyir. Generatorun özünün səmərəliliyi 45% -i ötür, adi istilik elektrik stansiyalarının səmərəliliyi nadir hallarda 35% -ə çatır. Generator təbii qazın yandırılması ilə əldə edilən 2800 dərəcə temperaturlu plazmadan istifadə edir və.
Plazma enerjisinin reallığa çevrildiyi görünür. Amma dünyada oxşar MHD generatorlarını barmaqla saymaq olar və onlar ötən əsrin ikinci yarısında yaradılmışdır.
Birinci səbəb aydındır: generatorların işləməsi üçün yüksək temperaturlu struktur materialları tələb olunur. Materialların bəziləri termonüvə sintezi proqramları çərçivəsində hazırlanmışdır. Digərləri raket elmində istifadə olunur və təsnif edilir. Hər halda, bu materiallar olduqca bahalıdır.
Başqa bir səbəb MHD generatorlarının işinin xüsusiyyətlərindədir: onlar yalnız birbaşa cərəyan istehsal edirlər. Buna görə də güclü və qənaətcil çeviricilər tələb olunur. Bu gün də yarımkeçirici texnologiyasının irəliləməsinə baxmayaraq, bu problem tam həllini tapmamışdır. Və bunsuz böyük potensialı istehlakçılara ötürmək mümkün deyil.
Çox güclü maqnit sahələrinin yaradılması problemi də tam həll olunmayıb. Hətta superkeçirici maqnitlərin istifadəsi də problemi həll etmir. Bütün məlum superkeçirici materiallar kritik bir maqnit sahəsi gücünə malikdir, ondan yuxarı superkeçiricilik sadəcə yox olur.
Cari sıxlığın 1000 A/mm2-dən çox olduğu keçiricilərin normal vəziyyətinə qəfil keçidlə nə baş verə biləcəyini yalnız təxmin etmək olar. Demək olar ki, 3000 dərəcəyə qədər qızdırılan plazmaya yaxın olan sarımların partlaması qlobal fəlakətə səbəb olmayacaq, lakin bahalı MHD generatoru, şübhəsiz ki, onu söndürəcək.
Plazmanın daha yüksək temperaturlara qızdırılması problemləri qalır: 2500 dərəcə və qələvi metalların (kalium) əlavələrində plazma keçiriciliyi, lakin misin keçiriciliyi ilə müqayisə olunmayan çox aşağı olaraq qalır. Ancaq temperaturun artması yenidən istiliyədavamlı yeni materiallar tələb edəcəkdir. Dairə bağlanır.
Buna görə də, bu günə qədər yaradılmış MHD generatorları olan bütün enerji blokları iqtisadi məqsədəuyğunluqdan çox, əldə edilmiş texnologiyaların səviyyəsini nümayiş etdirir. Ölkənin nüfuzu mühüm amildir, lakin bu gün kütləvi miqyasda bahalı və şıltaq MHD generatorlarının yaradılması çox baha başa gəlir. Buna görə də ən güclü MHD generatorları belə pilot zavod statusunda qalır. Onların üzərində mühəndislər və alimlər gələcək dizaynları hazırlayır, yeni materialları sınaqdan keçirirlər.
Bu işin nə vaxt bitəcəyini söyləmək çətindir. MHD generatorlarının müxtəlif dizaynlarının bolluğu optimal həllin hələ də uzaq olduğunu göstərir. Və termonüvə birləşmə plazmasının MHD generatorları üçün ideal iş mühiti olması barədə məlumat onların geniş istifadəsini əsrimizin ortalarına qədər təxirə salır.
