Plazmový generátor - plazmový horák
Ak sa pevná látka silne zahreje, zmení sa na kvapalinu. Ak zvýšite teplotu ešte vyššie, kvapalina sa vyparí a zmení sa na plyn.
Čo sa však stane, ak budete teplotu naďalej zvyšovať? Atómy hmoty začnú strácať svoje elektróny a premenia sa na kladné ióny. Namiesto plynu sa vytvára plynná zmes pozostávajúca z voľne sa pohybujúcich elektrónov, iónov a neutrálnych atómov. Volá sa to plazma.
V súčasnosti sa plazma široko používa v rôznych oblastiach vedy a techniky: na tepelné spracovanie kovov, nanášanie rôznych povlakov na ne, tavenie a iné metalurgické operácie. V posledných rokoch je plazma široko používaná chemikmi. Zistili, že rýchlosť a účinnosť mnohých chemických reakcií sa v plazmovom prúde výrazne zvyšuje. Napríklad zavedením metánu do prúdu vodíkovej plazmy sa môže premeniť na veľmi cenný acetylén. Alebo olejové pary usporiadať do množstva organických zlúčenín – etylénu, propylénu a iných, ktoré neskôr slúžia ako dôležitá surovina na výrobu rôznych polymérnych materiálov.
Schéma plazmového generátora - plazmového horáka
1 - plazmový prúd;
3 - oblúkový výboj;
4 - plynové "odstreďovacie" kanály;
5 - žiaruvzdorná kovová katóda;
6 - plazmový plyn;
7 - držiak elektródy;
8-bitová kamera;
9 - solenoid;
10 - medená anóda.
Ako vytvoriť plazmu? Na tento účel slúži plazmový horák alebo plazmový generátor.
Ak umiestnite kovové elektródy do nádoby s plynom a privediete na ne vysoké napätie, dôjde k elektrickému výboju. V plyne sú vždy voľné elektróny. Pôsobením elektrického prúdu sa zrýchľujú a pri zrážke s neutrálnymi atómami plynu z nich vyrážajú elektróny a vytvárajú elektricky nabité častice - ióny, t.j. ionizovať atómy. Uvoľnené elektróny sú tiež urýchľované elektrickým poľom a ionizujú nové atómy, čím sa ďalej zvyšuje počet voľných elektrónov a iónov. Proces sa vyvíja ako lavína, atómy látky sa veľmi rýchlo ionizujú a látka sa mení na plazmu.
Tento proces prebieha v oblúkovom plazmovom horáku. Medzi katódou a anódou v ňom vzniká vysoké napätie, čo môže byť napríklad kov, ktorý je potrebné spracovať pomocou plazmy. V priestore výbojovej komory sa najčastejšie s plynom privádza plazmotvorná látka - vzduch, dusík, argón, vodík, metán, kyslík atď. Pri pôsobení vysokého napätia dochádza v plyne k výboju a medzi katódou a anódou sa vytvára plazmový oblúk. Aby sa zabránilo prehriatiu stien výtlačnej komory, sú chladené vodou. Zariadenia tohto typu sa nazývajú plazmové horáky s vonkajším plazmovým oblúkom. Používajú sa na rezanie, zváranie, tavenie kovov atď.
Plazmový horák na vytvorenie plazmového prúdu je usporiadaný trochu inak. Plyn tvoriaci plazmu je fúkaný vysokou rýchlosťou cez systém špirálových kanálov a „zapaľuje sa“ v priestore medzi katódou a stenami výbojovej komory, ktoré sú anódou. Plazma, stočená do hustého lúča vďaka špirálovým kanálom, je vyvrhovaná z dýzy a jej rýchlosť môže dosahovať od 1 do 10 000 m/s. Magnetické pole, ktoré induktor vytvára, pomáha „vytláčať“ plazmu zo stien komory a zahusťovať jej prúd. Teplota plazmového prúdu na výstupe z dýzy je od 3000 do 25000 K.
Pozrite sa znova na tento výkres. Pripomína vám to niečo známe?
Samozrejme, je to prúdový motor. Ťahová sila v prúdovom motore je vytváraná prúdom horúcich plynov vystreľovaných vysokou rýchlosťou z trysky. Čím väčšia rýchlosť, tým väčšia ťažná sila. Čo je zlé na plazme? Rýchlosť prúdu je celkom vhodná - až 10 km / s. A pomocou špeciálnych elektrických polí možno plazmu zrýchliť ešte viac – až na 100 km/s. To je asi 100-násobok rýchlosti plynov v existujúcich prúdových motoroch. To znamená, že ťah plazmových alebo elektrických prúdových motorov môže byť väčší a spotreba paliva môže byť výrazne znížená. Prvé vzorky plazmových motorov už boli testované vo vesmíre.
Veda vie určite: premena tepla na prácu je tým výnosnejšia, čím silnejšie sa para zohrieva. Ak sa v bežnej modernej elektrárni zvýši teplota pary na 1000-1500°C, jej účinnosť sa automaticky zvýši jedenapolkrát. Problém je však v tom, že sa to v žiadnom prípade nedá urobiť, pretože také strašné teplo veľmi rýchlo zničí každú turbínu.
Vedci uvažovali, že by sme sa mali pokúsiť zaobísť sa bez turbíny. Je potrebné postaviť generátor, ktorý by sám premieňal energiu prúdu horúceho plynu na elektrický prúd! A postavili to. Rýchlo sa rozvíjajúca veda, magnetohydrodynamika, ktorá študuje pohyb tekutín, ktoré vedú elektrický prúd v magnetickom poli, pomohla postaviť plazmový generátor.
Zistilo sa, že tekutý vodič umiestnený v magnetickom poli sa svojím správaním nelíši od pevného vodiča, akým je napríklad kov. Ale dobre vieme, čo sa deje v kovovom vodiči, ak sa pohybuje medzi pólmi magnetu: indukuje sa v ňom (indukuje sa) elektrický prúd. To znamená, že prúd sa objaví aj v prúde kvapaliny, ak tento prúd prekročí magnetické pole.
Generátor s kvapalinovým vodičom však stále nebolo možné postaviť. Prúd kvapaliny sa musel zrýchliť na veľmi vysokú rýchlosť, čo si vyžadovalo obrovské množstvo energie, z ktorej väčšina sa stratila v samotnom prúde v turbulenciách. Vtedy prišla myšlienka: prečo nenahradiť kvapalinu plynom? Plynovým tryskám totiž už dávno vieme komunikovať obrovské rýchlosti – spomeňte si aspoň na prúdový motor. Ale táto myšlienka musela byť okamžite zavrhnutá: ani jeden plyn nevedie prúd.
Dopadlo to ako úplná slepá ulička. Pevné vodiče nevydržia vysoké teploty; tekuté nezrýchľujú na vysoké rýchlosti; plynné vôbec nie sú vodičmi. Ale…
Sme zvyknutí si myslieť, že hmota môže existovať iba v troch skupenstvách – pevnom, kvapalnom a plynnom. A to sa napokon deje aj v štvrtom stave – plazme. Plazma, ako je známe, pozostáva zo Slnka a väčšiny hviezd. Tu je - plazmový generátor!
Plazma je plyn, ale ionizovaný
V ňom sa medzi molekulami stretávajú nabité ióny, teda „úlomky“ atómov s narušenými elektronickými dráhami. Existujú aj voľné elektróny. Ióny a elektróny sú nositeľmi elektrického náboja, čo znamená, že plazma je elektricky vodivá.
Ale na získanie plazmy je potrebné plyn silnejšie zahriať. So stúpajúcou teplotou sa molekuly plynu pohybujú stále rýchlejšie, často a silne sa navzájom zrážajú. Prichádza moment, kedy sa molekuly postupne rozpadajú na atómy. Ale plyn nevedie prúd. Zohrievajme to ďalej!
Tu teplomer ukazoval 4000 °. Atómy získali vysokú energiu. Ich rýchlosti sú obrovské a jednotlivé zrážky sa končia „katastrofálne“: elektrónové obaly atómov sú rozbité. To je to, čo potrebujeme - teraz sú v plyne ióny a elektróny - objavila sa plazma.
Zahriatie plynu na 4000° nie je ľahká úloha. Najlepšie druhy uhlia, ropy a zemného plynu poskytujú oveľa nižšiu teplotu pri spaľovaní. Ako byť?
Vedci sa s týmto problémom vyrovnali. Zachránený draslík - lacný a bežný alkalický kov. Ukázalo sa, že v prítomnosti draslíka začína ionizácia mnohých plynov oveľa skôr. Do bežných spalín - produktov spaľovania uhlia a ropy sa oplatí pridať iba jedno percento draslíka, pretože ionizácia v nich začína pri 3000 ° a ešte o niečo nižšie.
Z pece, kde sa rodia horúce plyny, sú odvádzané do odbočnej rúrky, kde sa kontinuálne v tenkom prúde privádza potaš, uhličitan draselný. Je tu slabá, ale stále dostatočná ionizácia. Tryska sa potom hladko roztiahne a vytvorí trysku.
Vlastnosti expandujúcej dýzy sú také, že pri pohybe cez ňu plyn získava vysokú rýchlosť a stráca tlak. Rýchlosť plynov unikajúcich z trysky môže konkurovať rýchlostiam moderných lietadiel – dosahuje 3200 km/h.
Do hlavného kanála generátora vtrhne prúd žeravej plazmy
Jeho steny nie sú vyrobené z kovu, ale z kremeňa alebo žiaruvzdornej keramiky. Vonku sú póly najsilnejšieho magnetu privedené k stenám. Pôsobením magnetického poľa v plazme, ako v každom vodiči, sa indukuje elektromotorická sila.
Teraz je potrebné, ako hovoria elektrikári, "odstrániť" prúd, odviesť ho k spotrebiteľovi. Na tento účel sa do kanála plazmového generátora zavedú dve elektródy - samozrejme tiež nekovové, najčastejšie grafitové. Ak sú uzavreté vonkajším obvodom, potom sa v obvode objaví jednosmerný prúd.
Pre malé plazmové generátory, ktoré už boli postavené v rôznych krajinách, účinnosť dosiahla 50% (účinnosť tepelnej elektrárne nie je väčšia ako 35-37%). Teoreticky môžete získať 65% a ešte viac. Vedci pracujúci na plazmovom generátore čelia mnohým výzvam súvisiacim s výberom materiálov so zvýšením životnosti generátora (súčasné návrhy zatiaľ fungujú len niekoľko minút).
Takmer každý, kto sa zaujímal o energetiku, počul o perspektívach generátorov MHD. Ale skutočnosť, že tieto generátory sú už viac ako 50 rokov v stave nádeje, vie len málokto. Problémy spojené s plazmovými MHD generátormi sú popísané v článku.
Anamnéza s plazmou, príp magnetohydrodynamické (MHD) generátory nápadne podobná situácii s . Zdá sa, že stačí jeden krok alebo trochu úsilia a priama premena tepla na elektrickú energiu sa stane známou realitou. Ďalší problém však túto realitu odsúva na neurčito.
V prvom rade o terminológii. Plazmové generátory sú jednou z odrôd MHD generátorov. A tie zase dostali svoje meno podľa účinku objavenia sa elektrického prúdu pri pohybe elektricky vodivých kvapalín (elektrolytov) v magnetickom poli. Tieto javy sú opísané a študované v jednej zo sekcií fyziky - magnetohydrodynamika. Odtiaľ dostali generátory svoje meno.
Historicky prvé experimenty na vytvorenie generátorov sa uskutočnili s elektrolytmi. Výsledky však ukázali, že je veľmi ťažké urýchliť toky elektrolytu na nadzvukovú rýchlosť a bez toho je účinnosť (faktor účinnosti) generátorov extrémne nízka.
Ďalší výskum sa uskutočnil s vysokorýchlostnými prúdmi ionizovaného plynu alebo plazmy. Preto dnes hovoríme o vyhliadkach na použitie MHD generátory, treba mať na pamäti, že hovoríme výlučne o ich plazmovej odrode.
Fyzicky je účinok objavenia sa potenciálneho rozdielu a elektrického prúdu pri pohybe nábojov v magnetickom poli podobný. Tí, ktorí pracovali s Hallovými senzormi, vedia, že keď prúd prechádza polovodičom umiestneným v magnetickom poli, na kryštálových doskách kolmo na čiary magnetického poľa sa objaví potenciálny rozdiel. Iba v generátoroch MHD prechádza namiesto prúdu vodivá pracovná tekutina.
Výkon generátorov MHD priamo závisí od vodivosti látky prechádzajúcej ich kanálom, druhej mocniny jej rýchlosti a druhej mocniny sily magnetického poľa. Z týchto vzťahov je zrejmé, že čím väčšia je vodivosť, teplota a intenzita poľa, tým vyšší je odoberaný výkon.
Všetky teoretické štúdie o praktickej premene tepla na elektrickú energiu sa uskutočnili ešte v 50. rokoch minulého storočia. A o desať rokov neskôr sa objavili pilotné závody "Mark-V" v USA s kapacitou 32 MW a "U-25" v ZSSR s kapacitou 25 MW. Odvtedy sa testovali rôzne konštrukcie a efektívne prevádzkové režimy generátorov, testovali sa rôzne typy pracovných telies a konštrukčných materiálov. Ale plazmové generátory nedosiahli široké priemyselné využitie.
čo máme dnes? Na jednej strane už v Ryazanskaya GRES funguje kombinovaná pohonná jednotka s generátorom MHD s výkonom 300 MW. Účinnosť samotného generátora presahuje 45%, zatiaľ čo účinnosť bežných tepelných elektrární len zriedka dosahuje 35%. Generátor využíva plazmu s teplotou 2800 stupňov, získanú spaľovaním zemného plynu, a.
Zdalo by sa, že plazmová energia sa stala realitou. Ale podobné generátory MHD vo svete sa dajú spočítať na prstoch a vznikli v druhej polovici minulého storočia.
Prvý dôvod je zrejmý: generátory vyžadujú na prevádzku vysokoteplotné konštrukčné materiály. Niektoré z materiálov boli vyvinuté v rámci programov termonukleárnej fúzie. Iné sa používajú v raketovej vede a sú klasifikované. V každom prípade sú tieto materiály mimoriadne drahé.
Ďalší dôvod spočíva v zvláštnostiach prevádzky generátorov MHD: vyrábajú výlučne jednosmerný prúd. Preto sú potrebné výkonné a ekonomické meniče. Ani dnes, napriek pokroku v polovodičovej technológii, nie je tento problém úplne vyriešený. A bez toho nie je možné preniesť obrovské kapacity na spotrebiteľov.
Úplne vyriešený nie je ani problém vytvárania supersilných magnetických polí. Ani použitie supravodivých magnetov problém nerieši. Všetky známe supravodivé materiály majú kritickú intenzitu magnetického poľa, nad ktorou supravodivosť jednoducho zmizne.
Dá sa len hádať, čo sa môže stať pri náhlom prechode do normálneho stavu vodičov, v ktorých prúdová hustota presahuje 1000 A/mm2. Výbuch vinutí v tesnej blízkosti plazmy zohriatej na takmer 3000 stupňov nespôsobí globálnu katastrofu, ale drahý MHD generátor ju určite znefunkční.
Problémy ohrevu plazmy na vyššie teploty pretrvávajú: pri 2500 stupňoch a prídavku alkalických kovov (draslík) však vodivosť plazmy zostáva veľmi nízka, neporovnateľná s vodivosťou medi. Ale zvýšenie teploty bude opäť vyžadovať nové tepelne odolné materiály. Kruh sa uzatvára.
Všetky doteraz vytvorené pohonné jednotky s generátormi MHD preto demonštrujú skôr úroveň dosiahnutých technológií ako ekonomickú realizovateľnosť. Prestíž krajiny je dôležitým faktorom, ale výstavba drahých a rozmarných generátorov MHD v masovom meradle je dnes veľmi nákladná. Preto aj najvýkonnejšie generátory MHD zostávajú v stave poloprevádzok. Na nich inžinieri a vedci vypracúvajú budúce návrhy, testujú nové materiály.
Ťažko povedať, kedy táto práca skončí. Množstvo rôznych prevedení MHD generátorov naznačuje, že optimálne riešenie je ešte ďaleko. A informácia, že termonukleárna fúzna plazma je ideálnym pracovným médiom pre generátory MHD, odsúva ich široké využitie až do polovice nášho storočia.
