Кіріспе

Магнитногидродинамикалық түрлендіргіш жылу және кинетикалық энергияны электр энергиясына айналдырады. Магнитногидродинамикалық генератор (МГД генераторы) – жылу энергиясы мен кинетикалық энергияны тікелей электр энергиясына айналдыратын магнитногидродинамикалық түрлендіргіш. МГД генераторы, дәстүрлі генератор сияқты, электр тогын тудыру үшін магнит өрісінде өткізгішті қозғалысқа келтіруге негізделген. МГД генераторы қозғалатын өткізгіш ретінде ыстық, өткізгіш иондалған газды (плазманы) пайдаланады. Механикалық динамо керісінше, осы мақсатқа механикалық құрылғылардың қозғалысын қолданады. МГД генераторлары дәстүрлі электр генераторларынан жоғары температураны шектеу үшін қозғалмалы бөлшектердің (мысалы, турбинаның) болмауымен ерекшеленеді. Сондықтан, олар кез келген электр энергиясын өндіру әдісінің ең жоғары теориялық термодинамикалық тиімділігіне ие. МГД электр энергиясын өндірудің тиімділігін арттыру үшін, әсіресе көмір немесе табиғи газды жағу кезінде, қосымша цикл ретінде кеңінен дамытылған. МГД генераторынан шығатын ыстық түтін газдары бу электр станциясының қазандықтарын қыздырып, жалпы тиімділікті арттыра алады. Құрылғылық МГД генераторлары қазба отыны үшін жасалған, бірақ оларды газ турбинасының немесе балқытылған карбонатты отын ұяшығының түтіндері бу турбинасын қуаттандыру үшін буды қыздыратын, арзан комбинирленген циклдар алмастырды. МГД динамолары сұйық металдарды, теңіз суын және плазманы сорғылауға қолданылатын МГД үдеткіштерінің толықтырушысы болып табылады. Табиғи МГД динамолары плазма физикасындағы белсенді зерттеу саласы болып табылады және Жер мен Күннің магнит өрістері осы табиғи динамолар арқылы пайда болғандықтан, геофизика және астрофизика қауымдастықтары үшін үлкен қызығушылық тудырады.

Электр энергиясын өндіру

Әдетте, үлкен электр станциясы компьютерлік модельдердің жұмыс тиімділігіне жақындасуы үшін өткізгіш материалдың электр өткізгіштігін арттыру қадамдары қабылдануы керек. Газды плазмалық күйге дейін қыздыру немесе сілті металдарының тұздары сияқты оңай иондалатын басқа заттарды қосу арқылы бұл арттыруға қол жеткізіледі. Іс жүзінде, МГД генераторын іске асыру кезінде генератордың тиімділігі, экономикасы және зиянды қосалқы өнімдер сияқты бірқатар мәселелерді қарастыру қажет. Бұл мәселелерге үш МГД генераторының түрін таңдау әсер етеді: Фарадей генераторы, Холл генераторы және дискілік генератор.

Фарадей генераторы

Фарадей генераторы Майкл Фарадейдің Темза өзенінде зарядталған бөлшектерді қоздыру бойынша жүргізген тәжірибелерінің құрметіне аталған. Қарапайым Фарадей генераторы белгілі бір өткізбейтін материалдан жасалған көлбеу пішіндес құбыр немесе түтікшеден тұрады. Электр тогын өткізгіш сұйықтық құбыр арқылы ағарда, күшті перпендикуляр магнит өрісінің әсерінен сұйықтықта кернеу туындайды, оны магнит өрісіне 90 градус бұрышпен орналасқан электродтар арқылы электр қуаты ретінде алуға болады. Қолданылатын өрістің тығыздығы мен түріне шектеулер бар. Алынатын қуаттың мөлшері құбырдың көлденең қимасының ауданымен және өткізгіш ағынның жылдамдығымен пропорционалды. Осы процесте өткізгіш зат да салқындатылып, жылдамдығы төмендейді. МГД генераторлары әдетте өткізгіш заттың температурасын плазма температурасынан 1000°C-тан сәл жоғары деңгейге дейін төмендетеді. Фарадей генераторының басты практикалық мәселесі – сұйықтықтағы кернеулер мен токтардың артықшылықтарының каналдың жақтарындағы электродтар арқылы қысқа тұйықталуы. Ең көп шығындар Холл эффектісі тогынан туындайды. Бұл Фарадей каналын тиімсіз етеді. Көптеген МГД генераторлары осы мәселені шешуге бағытталған. Түтік тәрізді МГД генераторлары үшін ең қолайлы магнит өрісі – ернеу пішіндес. Мұндай өріс алу үшін үлкен генераторға өте қуатты магнит қажет. Көптеген зерттеу топтары осы мақсатқа арналған суперотказғыш магниттерді бейімдеуге тырысты, нәтижелері әртүрлі болды. (Қосымша мәліметтер үшін генератордың тиімділігі туралы талқылауға қараңыз.)

Холл генераторы

Тарихи тұрғыдан алғанда, әдеттегі шешім – Холл эффектін пайдаланып, сұйықтықпен бірге ағатын ток құру болып табылады. (Суретті қараңыз.) Бұл конструкцияда каналдың екі жағында қысқа, бөлінген электродтар орналасқан. Каналдағы бірінші және соңғы электродтар жүктемені қуатпен жабдықтайды. Қалған электродтардың әрқайсысы каналдың қарсы жағындағы электродқа қысқаша тұйықталған. Фарадей тогының осы қысқа тұйықтары сұйықтықтың ішінде күшті магниттік өріс тудырады, бірақ Фарадей тогына перпендикуляр, шеңбердің хордасында. Бұл екінші, индукцияланған өріс бірінші және соңғы электродтар арасында токтың доға тәрізді ағынын қамтамасыз етеді. Жоғалулар Фарадей генераторынан кем, ал кернеу жоғары, себебі соңғы индукцияланған ток аз қысқаша тұйықталады. Дегенмен, бұл конструкцияда мәселелер бар, өйткені материал ағынының жылдамдығы Фарадей тоқтарын «ұстау» үшін ортадағы электродтарды ығыстыруды қажет етеді. Жүктеме өзгергенде сұйықтық ағынының жылдамдығы да өзгереді, бұл Фарадей тогын тиісті электродтармен дұрыс бағыттамайды және генератордың тиімділігін жүктемеге өте сезімтал етеді.

Диск генераторы

Үшінші және қазіргі уақытта ең тиімді конструкция – Холл эффектісіне негіделген дискілі генератор. Бұл конструкция қазіргі таңда МГД генерациясы бойынша тиімділік және энергия тығыздығы рекордтарын сақтап тұр. Дискілі генераторда сұйықтық дискінің ортасы мен шетіне оралған арна арасында ағып тұрады. (Арналар көрсетілмеген.) Магниттік өріс дискінің жоғары және төмен жағында орналасқан дөңгелек Гельмгольц орамдарының жұбы арқылы жасалады. (Орамдар көрсетілмеген.) Фарадей тогы дискінің шеті бойында толық қысқа тұйықтама арқылы ағады. Холл эффектісі тогы орталық арнаға жақын сақина тәрізді электродтар мен шеттік арнаға жақын сақина тәрізді электродтар арасында ағып өтеді. Кең, жазық газ ағыны қашықтықты қысқартып, қозғалатын сұйықтықтың кедергісін азайтады. Бұл тиімділікті арттырады. Бұл конструкцияның тағы бір маңызды артықшылығы – магниттердің жоғары тиімділігі. Біріншіден, олар қарапайым параллель магнит өріс сызықтарын жасайды. Екіншіден, сұйықтық дискіде өңделгендіктен, магнит сұйықтыққа жақынырақ орналаса алады, ал осы магниттік геометрияда магнит өрісінің күші қашықтыққа қатысты жетінші дәрежеде өседі. Соңында, генератор өнімділігіне шағын болғандықтан, магнит те кішірек болады. Нәтижесінде алынған магнит, генерирленген қуаттың өте аз пайызын ғана пайдаланады.

Генератордың тиімділігі

МДҚ энергиясын өндіруде тікелей энергияны түрлендірудің тиімділігі магнит өрісінің күшін және плазма өткізгіштігін арттырады, бұл тікелей плазма температурасына және одан да толығырақ электрон температурасына байланысты. Өте ыстық плазмаларды жылдам жылулық материалдың тозуына байланысты тек импульстік МДҚ генераторларында (мысалы, соққы құбырларын пайдалану) қолдануға болады. Сондықтан, тұрақты МДҚ генераторларында жұмыс сұйықтығы ретінде термиялық емес плазмаларды пайдалану көзделді, онда тек еркін электрондар күшті қыздырылады (10,000–20,000 Кельвин), ал негізгі газ (нейтральді атомдар мен иондар) әлдеқайда төмен температурада, әдетте 2500 Кельвинде қалады. Мақсат – генератордың материалдарын (қабырғалар мен электродтарды) сақтау, сондай-ақ осындай нашар өткізгіштердің шектеулі өткізгіштігін термодинамикалық тепе-теңдіктегі плазмамен бірдей деңгейге көтеру болды, яғни 10,000 Кельвиннен астам температураға дейін қыздыру, ал мұндай температураға ешбір материал төтеп бере алмайды. Бірақ Евгений Велихов 1962 жылы теориялық және 1963 жылы тәжірибелік жолмен иондану тұрақсыздығын, кейіннен Велихов тұрақсыздығы немесе электртермиялық тұрақсыздық деп аталатын құбылысты ашты. Магниттелген термиялық емес плазмаларды ыстық электрондармен пайдаланатын кез келген МДҚ түрлендіргішінде, иондану дәрежесіне және магнит өрісіне байланысты, сынды Холл параметріне жеткенде бұл тұрақсыздық жылдам пайда болады. Мұндай тұрақсыздық тепе-теңдіксіз МДҚ генераторларының жұмысын күрт нашарлатады. Алғашында керемет тиімділіктерді болжаған бұл технологияның перспективалары бүкіл әлемдегі МДҚ бағдарламаларын тоқтатты, себебі тұрақсыздықты жеңілдетуге сол кезде шешім табылмады. Сөйтіп, электртермиялық тұрақсыздықты жеңу үшін шешімдерді енгізбей, практикалық МДҚ генераторлары Холл параметрін шектеуге немесе ыстық электрондармен суық плазмалардың орнына орташа қыздырылған жылу плазмаларын қолдануға мәжбүр болды, бұл тиімділікті қатты төмендетті. 1994 жылға қарай, жабық циклді дискілік МДҚ генераторларының 22% тиімділік рекордын Токио Техникалық Институты иеленді. Бұл тәжірибелердегі энтальпияны алудың ең жоғары көрсеткіші 30,2% құрады. Типикалық ашық циклді Hall & duct көмір МДҚ генераторларының көрсеткіші төмендеу, шамамен 17% шамасында. Бұл тиімділік МДҚ-ны электр энергиясын өндіру үшін өте тартымсыз етеді, себебі дәстүрлі Ранкин циклы электр станциялары оңай 40% тиімділікке жетеді. Дегенмен, МДҚ генераторының отынды жағудан шығатын газдары оттай ыстық. Бұл газдарды турбинаның Брейтон циклы немесе бу генераторының Ранкин циклы үшін жылу алмастырғышына бағыттай отырып, МДҚ табиғи жанар-жағармайларды электр энергиясына 60% дейін тиімділікпен айналдыра алады, бұл көрсеткіш дәстүрлі көмір зауытының 40% тиімділігінен жоғары. Магнитогидродинамикалық генератор газ ядролық реактордың бірінші сатысы ретінде де қолданылуы мүмкін.

Материалдық және жобалау мәселелері

МГД генераторлары қабырғалар мен электродтар үшін материалдарға қатысты қиын мәселелерге тап болады. Материалдар өте жоғары температурада балқымауы немесе коррозияға ұшырауы керек. Осы мақсатта экзотикалық керамика әзірленді және отын мен иондау тұқымымен үйлесімді болуы үшін таңдалуы тиіс. Экзотикалық материалдар мен күрделі өндіріс әдістері МГД генераторларының жоғары құнына себеп болады. Сонымен қатар, МГД-лар күшті магниттік өрістермен жақсы жұмыс істейді. Ең табысты магниттер – суперөткізгіштер, және олар каналға өте жақын орналасқан. Басты қиындық – осы магниттерді каналдан оқшаулап, салқындату болды. Магниттер каналға қаншалықты жақын болса, соғұрлым жақсы жұмыс істейді. Сондай-ақ, ыстық, морт керамикаға дифференциалдық жылулық жарылудан зақымдану қаупі зор. Магниттер әдетте абсолюттік нөлге жуық температурада, ал канал бірнеше мың градусқа жетеді. МГД үшін алюминий (Al2O3) және магний пероксиді (MgO2) оқшаулағыш қабырғалар үшін қолданылғандығы хабарланды. Магний пероксиді ылғалға жақын жерде ыдырайды. Алюминий суға төзімді және жеткілікті мықты болуы мүмкін, сондықтан көптеген МГД-ларда оқшаулағыш қабырғалар үшін алюминий қолданылады. Таза МГД (яғни, табиғи газды жағу) электродтары үшін 80% CeO2, 18% ZrO2 және 2% Ta2O5 қоспасы жақсы материал болып табылды. Көмірді жағуға арналған МГД-ларда шлакпен бірге қатал коррозиялық орта бар. Шлак МГД материалдарын қорғай да, тоздыра да алады. Атап айтқанда, шлак арқылы оттегінің жылжуы металл анодтардың коррозиясын күшейтеді. Дегенмен, 900К температурада тот баспайтын болаттан жасалған электродтармен жақсы нәтижелер алынған. Тағы бір, мүмкін, жақсырақ нұсқа – спинель керамикасы, FeAl2O4 – Fe3O4. Спинельдің электрондық өткізгіштігі бар, кедергілі реакциялық қабаты жоқ, бірақ алюминийге темірдің диффузиясы байқалған. Темірдің диффузиясын өте тығыз алюминий қабатымен және электродтар мен алюминий оқшаулағыштарын сумен салқындату арқылы бақылауға болады. Жоғары температуралы электродтарды дәстүрлі мыс шиналарға бекіту де қиындық тудырады. Әдеттегі әдістер химиялық пассивтеу қабатын құрып, шинаны сумен салқындатады.

Жапонияның дамуы

1980 жылдардың соңында Жапония бағдарламасы жабық циклді МГД-ға (магнитогидродинамикалық) бағытталды. Оның жоғары тиімділікке және кішірек жабдықтарға ие болады деген сенім болды, әсіресе 100 мегаваттқа жуық (электрлік) қуаттылығы бар таза, шағын, экономикалық қуат станциялары, жапон жағдайларына сәйкес келеді. Ашық циклді көмірмен жұмыс істейтін станциялар әдетте 200 мегаватттан жоғары қуатта экономикалық болады деп есептеледі. Бірінші маңызды тәжірибелер сериясы – FUJI 1, ол Токио технология институтындағы соққылық түтікпен қуаттандырылатын, қысымды түсіру жүйесі болды. Бұл тәжірибелер энтальпияның 30,2%-ға дейін қамтиды және бір куб метрге 100 мегаватқа жуық қуат тығыздығына қол жеткізді. Бұл нысанды Токио электр компаниясы, басқа жапондық коммуналдық мекемелер және Білім министрлігі қаржыландырды. Кейбір мамандар бұл жүйені гелий мен аргон тасымалдаушы газы және калий иондаушы қоспасы бар дискілі генератор деп санайды. 1994 жылы FUJI 1 тәжірибесін пайдалана отырып, табиғи газбен жұмыс істейтін 5 МВт үздіксіз жабық циклді қондырғысы – FUJI 2 құрылысының егжей-тегжейлі жоспарлары жасалды. МГД-ның негізгі дизайны инертті газдарды пайдаланатын дискілі генератор жүйесі болуы тиіс еді. Мақсаты – 30% энтальпияны алу және 60% МГД жылу тиімділігіне қол жеткізу. FUJI 2 кейін 300 МВт табиғи газ станциясын қайта жаңартумен аяқталуы жоспарланған.

Австралия дамуы

1986 жылы Сидней университетінің профессоры Хьюго Карл Мессерле көмірмен қыздырылатын МГД (магнитогидродинамикалық) генераторларды зерттеді. Бұл нәтижесінде Сиднейдің сыртында 28 МВт қуаттылықтағы қосымша қондырғы жұмыс істеді. Мессерле сондай-ақ ЮНЕСКО білім беру бағдарламасы аясында жазылған ең жаңа анықтамалық еңбектердің бірін жазды (төменде қараңыз). Хьюгоның толық некрологы Австралияның Технологиялық ғылымдар және Инженерлік академиясының (ATSE) веб-сайтында қолжетімді.

Қытай дамуы

1992 жылы АҚШ пен Қытайдың бірлескен ұлттық бағдарламасы Асбахтағы №3 көмірмен жұмыс істейтін электр станциясын қайта жабдықтаумен аяқталды. 1994 жылдың наурыз айында тағы бір он бір жылдық бағдарлама мақұлданды. Бұл бағдарлама Қытай ғылым академиясының Пекин қаласындағы Электр техникасы институтында (МГД генераторларын жобалаумен айналысатын), Шанхай электр қуатын зерттеу институтында (жалпы жүйе және суперөткізгіш магниттерді зерттеумен айналысатын) және Нанкиннің Оңтүстік-Шығыс университетіндегі Термоэнергетикалық зерттеулер инженерлік институтында (кейінгі дамумен айналысатын) зерттеу орталықтарын құрды. 1994 жылғы зерттеуде 10 Вт (электрлік, 108 МВт жылулық) генераторы МГД және астыңғы цикл станциялары бу құбырлары арқылы байланыстырылды, бұл олардың екеуінің де дербес жұмыс істеуіне мүмкіндік берді.

Ресейлік оқиғалар

1971 жылы Мәскеудің жанында 25 мегаватт қуаттылығы жобаланған U 25 электр станциясы құрылысы аяқталды. 1974 жылы ол 6 мегаватт электр қуатын өндірді. 1994 жылға қарай Ресей Мәскеудегі Ресей Ғылым академиясының Жоғары Температура институтында U 25 көмірмен жұмыс істейтін нысанын жасап, пайдалануға енгізді. U 25 станциясының төменгі бөлігі Мәскеу коммуналдық кәсіпорнымен шарт бойынша жұмыс істеді және Мәскеудің электр желісіне қуат жіберді. Ресейде көмірмен жұмыс істейтін дискілі генераторды дамытуға зор қызығушылық болды. 1986 жылы МГД генераторы бар алғашқы өнеркәсіптік электр станциясы салынды, бірақ 1989 жылы МГД іске қосылмас бұрын жоба тоқтатылды, және бұл станция кейіннен Рязань электр станциясының 7-ші блогы ретінде дәстүрлі құрылыммен біріктірілді.