Plazma generator - plazma baklja
Ako se krutina jako zagrije, ona će se pretvoriti u tekućinu. Povisite li temperaturu još više, tekućina će ispariti i pretvoriti se u plin.
Ali što se događa ako nastavite povećavati temperaturu? Atomi materije počet će gubiti svoje elektrone, pretvarajući se u pozitivne ione. Umjesto plina nastaje plinovita smjesa koja se sastoji od slobodno pokretnih elektrona, iona i neutralnih atoma. Zove se plazma.
Danas se plazma široko koristi u raznim područjima znanosti i tehnologije: za toplinsku obradu metala, nanošenje raznih premaza na njih, taljenje i druge metalurške operacije. Posljednjih godina kemičari naširoko koriste plazmu. Otkrili su da se brzina i učinkovitost mnogih kemijskih reakcija uvelike povećava u mlazu plazme. Primjerice, uvođenjem metana u mlaz vodikove plazme, on se može pretvoriti u vrlo vrijedan acetilen. Ili složiti naftne pare u niz organskih spojeva – etilen, propilen i druge, koji kasnije služe kao važna sirovina za proizvodnju raznih polimernih materijala.
Shema generatora plazme - plazma baklja
1 - plazma mlaz;
3 - lučno pražnjenje;
4 - plinski "spin" kanali;
5 - katoda od vatrostalnog metala;
6 - plazma plin;
7 - držač elektrode;
8 - bitna kamera;
9 - solenoid;
10 - bakrena anoda.
Kako stvoriti plazmu? U tu svrhu služi plazma baklja, odnosno generator plazme.
Stavite li metalne elektrode u posudu s plinom i na njih primijenite visoki napon, doći će do električnog pražnjenja. U plinu uvijek postoje slobodni elektroni. Pod djelovanjem električne struje oni se ubrzavaju i sudarajući se s neutralnim atomima plina izbijaju iz njih elektrone i tvore električno nabijene čestice - ione, t.j. ionizirati atome. Oslobođeni elektroni također se ubrzavaju električnim poljem i ioniziraju nove atome, dodatno povećavajući broj slobodnih elektrona i iona. Proces se razvija poput lavine, atomi tvari se vrlo brzo ioniziraju i tvar se pretvara u plazmu.
Ovaj proces se odvija u lučnoj plazma baklji. U njemu se između katode i anode stvara visoki napon, koji može biti npr. metal koji treba obraditi plazmom. U prostoru ispusne komore tvar koja stvara plazmu najčešće se opskrbljuje plinom - zrakom, dušikom, argonom, vodikom, metanom, kisikom itd. Pod djelovanjem visokog napona dolazi do pražnjenja u plinu, a između katode i anode nastaje plazma luk. Kako bi se izbjeglo pregrijavanje zidova komore za pražnjenje, oni se hlade vodom. Uređaji ovog tipa nazivaju se plazma baklje s vanjskim plazma lukom. Koriste se za rezanje, zavarivanje, taljenje metala itd.
Plazma baklja za stvaranje mlaza plazme je raspoređena nešto drugačije. Plin koji stvara plazmu se velikom brzinom upuhuje kroz sustav spiralnih kanala i "zapaljuje" u prostoru između katode i stijenki komore za pražnjenje, koje su anoda. Plazma koja se kovitla u gusti mlaz zbog spiralnih kanala, izbacuje se iz mlaznice, a njezina brzina može doseći od 1 do 10.000 m/s. Magnetno polje, koje stvara induktor, pomaže da se plazma "istisne" sa stijenki komore i da njen mlaz postane gušći. Temperatura mlaza plazme na izlazu iz mlaznice je od 3000 do 25000 K.
Pogledajte još jednom ovaj crtež. Podsjeća li vas na nešto dobro poznato?
Naravno, radi se o mlaznom motoru. Silu potiska u mlaznom motoru stvara mlaz vrućih plinova koji se velikom brzinom izbacuje iz mlaznice. Što je veća brzina, to je veća vučna sila. Što nije u redu s plazmom? Brzina mlaza je sasvim prikladna - do 10 km / s. A uz pomoć posebnih električnih polja, plazma se može još više ubrzati - do 100 km / s. To je oko 100 puta brže od brzine plinova u postojećim mlaznim motorima. To znači da potisak plazma ili električnih mlaznih motora može biti veći, a potrošnja goriva značajno smanjena. Prvi uzorci plazma motora već su testirani u svemiru.
Znanost sigurno zna: pretvaranje topline u rad je isplativije, što se para zagrijava jače. Ako se temperatura pare podigne na 1000-1500°C u konvencionalnoj modernoj elektrani, njezina će se učinkovitost automatski povećati jedan i pol puta. No, nevolja je što se to nikako ne može učiniti, jer će tako strašna vrućina vrlo brzo uništiti svaku turbinu.
Dakle, zaključili su znanstvenici, trebali bismo pokušati uopće bez turbine. Potrebno je izgraditi generator koji bi sam pretvarao energiju mlaza vrućeg plina u električnu struju! I izgradili su ga. Brzo razvijajuća znanost, magnetohidrodinamika, koja proučava kretanje tekućina koje provode električnu struju u magnetskom polju, pomogla je u izgradnji plazma generatora energije.
Utvrđeno je da se tekući vodič smješten u magnetskom polju ne razlikuje po ponašanju od čvrstog vodiča, kao što je metal. Ali dobro znamo što se događa u metalnom vodiču ako se pomiče između polova magneta: u njemu se inducira (inducira) električna struja. To znači da će se struja pojaviti i u mlazu tekućine ako taj mlaz prijeđe magnetsko polje.
Međutim, još uvijek nije bilo moguće izgraditi generator s tekućim vodičem. Mlaz tekućine morao se ubrzati do vrlo velike brzine, a to je zahtijevalo ogromnu količinu energije, koja se najvećim dijelom gubila u samom mlazu u turbulencijama. Tada se pojavila misao: zašto tekućinu ne zamijeniti plinom? Uostalom, već dugo smo bili u mogućnosti komunicirati ogromne brzine plinskim mlaznicama - sjetite se barem mlaznog motora. Ali ovu misao trebalo je odmah odbaciti: niti jedan plin ne provodi struju.
Ispalo je kao potpuna slijepa ulica. Čvrsti vodiči ne podnose visoke temperature; tekući ne ubrzavaju do velikih brzina; plinoviti uopće nisu vodiči. Ali…
Navikli smo misliti da materija može postojati samo u tri agregatna stanja – čvrstom, tekućem i plinovitom. A to se, uostalom, događa i u četvrtom stanju - plazmi. Plazma se, kao što je poznato, sastoji od Sunca i većine zvijezda. Evo ga - generator plazme!
Plazma je plin, ali ionizirana
U njemu među molekulama nailaze nabijeni ioni, odnosno "fragmenti" atoma s poremećenim elektronskim orbitama. Postoje i slobodni elektroni. Ioni i elektroni su nositelji električnih naboja, što znači da je plazma električno vodljiva.
Ali da bi se dobila plazma, potrebno je jače zagrijati plin. Kako temperatura raste, molekule plina se kreću sve brže, često se i snažno sudaraju jedna s drugom. Dolazi trenutak kada se molekule postupno raspadaju u atome. Ali plin ne provodi struju. Nastavimo zagrijavati!
Ovdje je termometar pokazao 4000 °. Atomi su stekli visoku energiju. Brzine su im ogromne, a pojedinačni sudari završavaju "katastrofalno": razbijaju se elektronske ljuske atoma. To je ono što nam treba - sada u plinu ima iona i elektrona - pojavila se plazma.
Zagrijavanje plina na 4000° nije lak zadatak. Najbolji kvaliteti ugljena, nafte i prirodnih plinova daju mnogo nižu temperaturu kada izgaraju. Kako biti?
Znanstvenici su se nosili s ovom teškoćom. Spašeni kalij - jeftin i uobičajen alkalni metal. Pokazalo se da u prisutnosti kalija ionizacija mnogih plinova počinje mnogo ranije. Vrijedno je dodati samo jedan posto kalija običnim dimnim plinovima - proizvodima izgaranja ugljena i nafte, jer ionizacija u njima počinje na 3000 °, pa čak i malo niže.
Iz peći, gdje se rađaju vrući plinovi, oni se preusmjeravaju u razvodnu cijev, gdje se potaša - kalijev karbonat - kontinuirano dovodi u tankom mlazu. Postoji slaba, ali ipak dovoljna ionizacija. Mlaznica se zatim glatko širi i formira mlaznicu.
Svojstva ekspanzivne mlaznice su takva da kada se kreće kroz nju, plin dobiva veliku brzinu, gubi tlak. Brzina plinova koji izlaze iz mlaznice može se natjecati s brzinama modernih zrakoplova - doseže 3200 km / h.
Struja užarene plazme izbija u glavni kanal generatora
Zidovi mu nisu metalni, već od kvarca ili vatrostalne keramike. Vani su polovi najjačeg magneta dovedeni do zidova. Pod djelovanjem magnetskog polja u plazmi, kao iu svakom vodiču, inducira se elektromotorna sila.
Sada je potrebno, kako kažu električari, "skinuti" struju, odvesti je do potrošača. Da biste to učinili, dvije elektrode se uvode u kanal generatora plazme - također, naravno, nemetalne, najčešće grafitne. Ako su zatvoreni vanjskim krugom, tada će se u krugu pojaviti istosmjerna struja.
Za male generatore plazme, već izgrađene u različitim zemljama, učinkovitost je dosegla 50% (učinkovitost termoelektrane nije veća od 35-37%). Teoretski, možete dobiti 65%, pa čak i više. Znanstvenici koji rade na generatoru plazme suočavaju se s brojnim izazovima vezanim uz izbor materijala, s produljenjem vijeka trajanja generatora (sadašnji dizajni rade samo nekoliko minuta).
Gotovo svi koji su bili zainteresirani za energiju čuli su za izglede MHD generatora. Ali činjenica da su ti generatori u statusu perspektivnih više od 50 godina malo tko zna. U članku su opisani problemi povezani s plazma MHD generatorima.
Povijest s plazmom, odn magnetohidrodinamički (MHD) generatori izuzetno slična situaciji s . Čini se da je potreban samo jedan korak ili malo truda, a izravna pretvorba topline u električnu energiju postat će poznata stvarnost. Ali još jedan problem ovu stvarnost odgađa na neodređeno vrijeme.
Prije svega, o terminologiji. Plazma generatori su jedna od varijanti MHD generatora. A oni su, pak, dobili ime po učinku pojave električne struje tijekom kretanja električno vodljivih tekućina (elektrolita) u magnetskom polju. Ove su pojave opisane i proučavane u jednom od odjeljaka fizike - magnetohidrodinamika. Odatle su generatori dobili ime.
Povijesno gledano, prvi eksperimenti za stvaranje generatora provedeni su s elektrolitima. No rezultati su pokazali da je vrlo teško ubrzati tokove elektrolita do nadzvučnih brzina, a bez toga je učinkovitost (faktor učinkovitosti) generatora iznimno niska.
Daljnja istraživanja provedena su s brzim ioniziranim plinskim tokovima, odnosno plazmama. Stoga, danas, govoreći o izgledima za korištenje MHD generatori, mora se imati na umu da je riječ isključivo o njihovoj plazma raznolikosti.
Fizički je sličan učinak pojave razlike potencijala i električne struje kada se naboji kreću u magnetskom polju. Oni koji su radili s Hallovim senzorima znaju da kada struja prolazi kroz poluvodič smješten u magnetsko polje, na kristalnim pločama okomito na linije magnetskog polja pojavljuje se razlika potencijala. Samo u MHD generatorima umjesto struje prolazi vodljivi radni fluid.
Snaga MHD generatora izravno ovisi o vodljivosti tvari koja prolazi kroz svoj kanal, kvadratu njezine brzine i kvadratu jakosti magnetskog polja. Iz ovih odnosa je jasno da što je veća vodljivost, temperatura i jačina polja, to je veća snaga koja se uzima.
Sva teorijska istraživanja o praktičnoj pretvorbi topline u električnu energiju provedena su još 50-ih godina prošlog stoljeća. A desetljeće kasnije pojavile su se pilot-elektrane "Mark-V" u SAD-u snage 32 MW i "U-25" u SSSR-u snage 25 MW. Od tada su testirani različiti dizajni i učinkoviti načini rada generatora, testirani su različiti tipovi radnih tijela i konstrukcijskih materijala. Ali generatori plazme nisu dosegli široku industrijsku upotrebu.
Što imamo danas? S jedne strane, na Ryazanskaya GRES već radi kombinirani agregat s MHD generatorom snage 300 MW. Učinkovitost samog generatora prelazi 45%, dok učinkovitost konvencionalnih termoelektrana rijetko doseže 35%. Generator koristi plazmu s temperaturom od 2800 stupnjeva, dobivenu izgaranjem prirodnog plina, i.
Čini se da je energija plazme postala stvarnost. No, slični MHD generatori u svijetu mogu se nabrojati na prste, a nastali su u drugoj polovici prošlog stoljeća.
Prvi razlog je očit: generatori zahtijevaju visokotemperaturne konstrukcijske materijale za rad. Neki od materijala razvijeni su u okviru programa termonuklearne fuzije. Drugi se koriste u raketnoj znanosti i klasificirani su. U svakom slučaju, ovi materijali su iznimno skupi.
Drugi razlog leži u osobitostima rada MHD generatora: oni proizvode isključivo istosmjernu struju. Stoga su potrebni snažni i ekonomični pretvarači. Ni danas, unatoč napretku tehnologije poluvodiča, ovaj problem nije u potpunosti riješen. A bez toga je nemoguće prenijeti ogromne kapacitete na potrošače.
Nije u potpunosti riješen ni problem stvaranja superjakih magnetskih polja. Čak i korištenje supravodljivih magneta ne rješava problem. Svi poznati supravodljivi materijali imaju kritičnu jakost magnetskog polja iznad koje supravodljivost jednostavno nestaje.
Može se samo nagađati što se može dogoditi s naglim prijelazom u normalno stanje vodiča u kojem gustoća struje prelazi 1000 A/mm2. Eksplozija namota u neposrednoj blizini plazme zagrijane na gotovo 3000 stupnjeva neće uzrokovati globalnu katastrofu, ali skupi MHD generator će je sigurno onemogućiti.
Problemi zagrijavanja plazme na više temperature ostaju: pri 2500 stupnjeva i dodacima alkalnih metala (kalij), vodljivost plazme, međutim, ostaje vrlo niska, neusporediva s vodljivošću bakra. Ali povećanje temperature opet će zahtijevati nove materijale otporne na toplinu. Krug se zatvara.
Stoga svi do sada stvoreni agregati s MHD generatorima pokazuju razinu postignutih tehnologija, a ne ekonomsku isplativost. Prestiž zemlje je važan čimbenik, ali izgradnja skupih i hirovitih MHD generatora u masovnim razmjerima danas je vrlo skupa. Stoga i najsnažniji MHD generatori ostaju u statusu pilot postrojenja. Na njima inženjeri i znanstvenici razrađuju buduće dizajne, testiraju nove materijale.
Teško je reći kada će ovaj posao završiti. Obilje različitih dizajna MHD generatora sugerira da je optimalno rješenje još daleko. A informacija da je termonuklearna fuzijska plazma idealan radni medij za MHD generatore odgađa njihovu široku upotrebu do sredine našeg stoljeća.
