Магнит за три тысячелетия (4-е изд., перераб. и доп.)
Шрифт:
металлические пластинки. Если скорость реки 0,2 м/с, то, уподобив струи воды
проводникам, движущимся с запада на восток в магнитном поле Земли (его
вертикальная составляющая примерно равна 5·10-5 Тл), с электродов можно
снять напряжение примерно 10 мкВ/м.
К сожалению, этот опыт окончился неудачей, "генератор-река" не заработал.
Фарадей не смог замерить тока в цепи. Но через несколько лет лорд Кельвин
повторил опыт Фарадея и получил
Фарадея: те же пластины, та же река, те же приборы. Разве что место не совсем
то. Кельвин построил свой генератор ниже по Темзе, там, где ее воды смешиваются
с соленой водой пролива.
Вот она разгадка! Вода ниже по течению была более соленой и, следовательно,
обладала большей проводимостью! Это было сразу же зарегистрировано приборами.
Увеличение проводимости "рабочего тела" — генеральный путь увеличения мощности
МГД-генераторов. Но увеличить мощность можно и другим способом — повышая
магнитное поле. Мощность МГД-генератора прямо пропорциональна квадрату
напряженности магнитного поля.
Мечты об МГД-генераторах получили реальную основу примерно в середине нашего
века вместе с появлением первых партий сверхпроводящих промышленных материалов
(ниобий-титан, ниобий-цирконий), из которых удалось сделать первые, еще
маленькие, но работающие модели генераторов, двигателей, токопроводов,
соленоидов. А в 1962 г. на симпозиуме в Ньюкасле англичане Вильсон и Роберт
предложили проект МГД-генератора на 20 МВт с полем 4 Тл. Если обмотку сделать из
медного провода, то при стоимости 0,6 мм/долл. джоулевы потери в ней "съедят" —
полезной мощности (15 МВт!). Зато на сверхпроводниках обмотка будет компактно
облегать рабочую камеру, потерь в ней не будет, а на охлаждение уйдет всего 100
кВт мощности. КПД возрастет с 25 до 99,5 %! Тут есть о чем задуматься.
МГД-генераторами занялись всерьез во многих странах, потому что в таких машинах
можно использовать плазму в 8…10 раз более горячую, чем пар в турбинах
тепловых электростанций, а при этом по известной формуле Карно КПД будет уже не
40, а все 60 %. Вот почему в ближайшие годы недалеко от Рязани заработает первый
промышленный МГД-генератор на 500 МВт.
Конечно, создать и экономично использовать такую станцию непросто: нелегко
разместить рядом поток плазмы (2500 К) и криостат с обмоткой в жидком гелии
(4…5 К), раскаленные электроды обгорают и зашлаковываются, из шлаков надо
выщелачивать те присадки, которые только что добавлялись в топливо для ионизации
плазмы, но ожидаемые выгоды должны окупить
Можно представить себе, как выглядит сверхпроводящая магнитная система МГД-
генератора. Две сверхпроводящие обмотки расположены по бокам канала с плазмой,
отделенного от обмоток многослойной тепловой изоляцией. Обмотки закреплены в
титановых кассетах, и между ними поставлены титановые распорки. Кстати сказать,
эти кассеты и распорки должны быть чрезвычайно прочными, так как
электродинамические силы в обмотках с током стремятся разорвать их и притянуть
друг к другу.
Поскольку в сверхпроводящей обмотке тепло не выделяется, рефрижератор, который
требуется для работы сверхпроводящей магнитной системы, должен отводить лишь то
тепло, которое поступает в криостат с жидким гелием через тепловую изоляцию и
токоподводы. Потери в токоподводах можно свести практически к нулю, если
использовать короткозамкнутые сверхпроводящие катушки, питаемые от
сверхпроводящего трансформатора постоянного тока.
Гелиевый ожижитель, который будет восполнять потери гелия, испаряющегося через
изоляцию, по расчетам должен вырабатывать несколько десятков литров жидкого
гелия в 1 ч. Такие ожижители выпускает промышленность.
Без сверхпроводящих обмоток были бы нереальными крупные токамаки. В установке
"Токамак-7", например, обмотка массой 12 т обтекается током 4,5 кА и создает на
оси плазменного тора объемом 6 м3 магнитное поле 2,4 Тл. Это поле создается 48
сверхпроводящими катушками, потребляющими за час всего 150 л жидкого гелия,
повторное сжижение которого требует мощности 300…400 кВт.
Не только большая энергетика нуждается в экономичных компактных мощных
электромагнитах, без них трудно обойтись ученым, работающим с рекордно сильными
полями. На порядок производительнее становятся установки для магнитного
разделения изотопов. Уже не рассматриваются проекты крупных ускорителей без
сверхпроводящих электромагнитов. Совершенно нереально обойтись без
сверхпроводников на пузырьковых камерах, которые становятся чрезвычайно
надежными и чувствительными регистраторами элементарных частиц. Так, одна из
рекордно больших магнитных систем на сверхпроводниках (Аргоннская национальная
лаборатория, США) создает поле 1,8 Тл с запасенной энергией 80 МДж. Исполинская
обмотка массой 45 т (из них 400 кг ушло на сверхпроводник) при внутреннем
диаметре 4,8 м, наружном 5,3 м и высоте 3 м требует для охлаждения до 4,2 К