Конспект лекцій до самостійного вивчення розділів з дисципліни
| Вид материала | Конспект |
- Короткий конспект лекцій для самостійного вивчення дисципліни „ухвалено, 1135.56kb.
- Конспект самостійного вивчення з навчальної дисципліни, 929.88kb.
- Конспект лекцій з дисципліни „Радіоекологія для студентів спеціальності 040106 „Екологія,, 1393.76kb.
- Конспект лекцій вступ метою дисципліни "Економіка підприємства", 822.54kb.
- І. В. Фісун методичні вказівки для самостійного вивчення дисципліни «Менеджмент», 620.87kb.
- І. В. Фісун методичні вказівки для самостійного вивчення дисципліни «Маркетинг», 454.74kb.
- Методичні рекомендації з дидактичним забезпеченням до самостійного вивчення дисципліни, 942.14kb.
- Навчально-методичний посібник для самостійного вивчення модуля дисципліни, 3343.26kb.
- Конспект лекцій Удвох частинах Частина 2 Суми, 1998.47kb.
- Конспект лекцій Удвох частинах Частина 1 Суми, 2323.63kb.
Рис. 3.2. Електрохімічний елемент з розведеною кислотою
3. Типи паливних елементів.
Воднево-кисневі паливні елементи. Кінцевим результатом електролізу розчину сірчаної кислоти є розпад розчинника (води) на її складові елементи - водень і кисень. Потрібна енергія для розпаду молекули води в електролітичному елементі береться із зовнішнього джерела струму, тобто від батареї. Зворотній процес - утворення води з водню і кисню – супроводжується визволенням хімічної енергії. Якщо підпалити суміш газів, яка складається з водню та кисню, отримаємо вибух, який стане причиною енергійного протікання реакції горіння. У даному випадку хімічна енергія виділяється головним чином у вигляді тепла та звуку. Але якби цей же процес протікав у відповідному хімічному елементі, то хімічна енергія стала перетворюватись в електричну. У цьому і полягає принцип дії воднево-кисневого паливного елемента, у якому відбувається окислення водню (рис. 3.3).
Першим діючим прикладом воднево-кисневого елемента була газова батарея Грове. Іззовні вона не дуже відрізнялась від наведеного вище електролітичного елемента. Електролітом у ній слугував розчин сірчаної кислоти, а електроди були зроблені з платини. Підводячи водень і кисень до електродів, Грове отримав електричний струм від цього елемента і довів, що процес електролізу протікає у зворотному напрямку: енергія, яка отримується у результаті з'єднання кисню і водню з утворенням води, виділяється у вигляді електричного струму.
У
принципі цей струм можна використовувати для обертання вала двигуна і т.п., але потужність воднево-кисневого елемента, сконструйованого Грове, була надзвичайно мала, щоб мати практичний інтерес. Крім того, цей елемент може працювати тільки на дуже чистих (і, звичайно, дорогих) газах
Пористі платинові електроди
Рис. 3.3. Найпростіший воднево–кисневий паливний елемент
Як зазначав сам Грове, робочі реакції можуть проходити тільки "на лінії рівня води, де поєднуються рідина, газ і платина; тому головна складність полягає у тому, щоб створити яку-небудь значну активну поверхню". Збільшення площини робочої поверхні шляхом використання пористих електродів допомогло подолати ці складнощі. Розмір пор має вирішальну роль: вони повинні забезпечувати повільну дифузію газу в електрод без прориву частин газу до основного посуду з електролітом. Атоми кисню приносять з собою у розчин електрони, переміщення яких створює електричний струм елемента тільки у тому випадку, якщо вони вступають у взаємодію з розчином на поверхні електрода.
Усі ці три способи підвищення швидкостей реакцій використано у паливному елементі, який розроблявся протягом останньої чверті сторіччя.
Це - воднево-кисневий паливний елемент, у якому роль електроліту виконує концентрований розчин їдкого калію. Електроди виготовляють з пористого нікелю, середній діаметр пор у якому складає близько 25 мк, причому у тонкому поверхневому шарі нікелю, який омивається електролітом, пори ще менші, що дуже важливо для запобігання прориву пухирів газу у рідину. Робочі умови: температура 200оС і тиск близько 27 ат. Електроліт проникає у пори металу, а коли до іншої стінки електрода подається під тиском газ, він витісняє рідину з більш крупних пор, але залишає її у більш дрібних. За рахунок пористості кожен з електродів забезпечує більшу поверхню дотику намоченого металу з газом (близько 42 м2) .
Тепло, яке потрібно для того, щоб підтримувати робочу температуру близько 200оС, виділяється у самому паливному елементі, коли через нього йде електричний струм, ця обставина не заперечує твердження про те, що паливний елемент перетворює хімічну енергію в електричну безпосередньо; воно скоріше відображає перетворення у тепло частини електричної енергії. Підтримування робочої температури за рахунок внутрішнього тепла без додаткових зовнішніх теплових джерел - це тріумф інженерної думки.
Суттєвою умовою нормальної роботи елемента є контроль за тиском кисню і водню. Тиск кисню підтримується постійним, а тиск водню з допомогою диференціального манометра. Вода, що утворюється у результаті реакції може закупорити пори, вивести їх з ладу, якщо її безперервно не знищувати воднем, який циркулює з потрібною швидкістю.
Під час дослідів у паливному елементі хімічна енергія перетворювалась в електричну з ККД, досягавши 80%. Батарея з 40 таких елементів дозволяла розвивати потужність 6 кВт. Цього достатньо для того, щоб приводити у рух невеликий автомобіль. За своїми розмірами батарея була такою ж, як і автомобільний двигун (76*38*30 см). Однак, загальна маса приладу разом з балонами газу і допоміжним приладдям, яке потрібно для керування роботою батареї, складала близько 300кг, а для її розташування знадобився б вантажний автомобіль. Таким чином, загальне відношення потужності до маси даної установки є дуже низьким, щоб її можна було використовувати на транспорті.
Для стаціонарних генераторів, призначених для електричних станцій, не потрібно жорстких вимог щодо маси та компактності. Але оскільки вони мають виробляти багато енергії, у них повинно використовуватись доступне недороге пальне. Батарея ефективно працювала тільки на водневі, ступінь чистоти якого дорівнював 99,5%. А такий чистий водень і дорогий, і виробництво його обмежене.
Паливний елемент на вуглеводних газах. На побудову елементів, які б працювали на більш дешевому паливі, витрачається багато зусиль.
У жовтні 1959 р. демонструвався трактор, який приводився у рух від батареї паливних елементів, що працювали на суміші пропану та інших газів. Уперше транспортна машина приводилась у дію від паливних елементів, установлених на ній самій.
Батарея складалась з 1008 складених послідовно елементів і розвивала потужність 15 кВт. Деталі змісту елементів не були опубліковані, але, оскільки вони працювали при низькій температурі висока швидкість реакцій досягалась якимось іншим шляхом. Це можна було отримати, наприклад, активуванням електродів через відповідний каталізатор.
Елементи, які приводили у дію трактор, були різновидом елементів, які працювали на вуглеводних газах. Паливом для них був пропан (газоподібний вуглевод). Однак ці елементи здатні ефективно працювати тільки тоді, коли у них подається порівняно чистий кисень.
Слід спробувати використати в якості окисника атмосферне повітря: це дозволило б уникнути витрат на виділення кисню. Повітря являє собою суміш газів, у якій, якщо говорити відносно, одна об'ємна частина кисню змішана з чотирма частинами інших газів, переважно азотом. Хоча азот не бере безпосередньої участі у реакціях, які виникають в елементі, він значно розріджує кисень, знижуючи тим самим швидкість реакції. Цей вплив азоту у деяких випадках можна подолати шляхом підвищення робочої температури.
Високотемпературний паливний елемент, у якому використовуються дешеві газоподібні палива (наприклад, природний газ), а окисником слугує повітря, і є найбільш перспективним типом паливного елемента для виробництва електроенергії у великих масштабах. Електролітом у ньому є розплав будь-якої дешевої солі. Такий елемент, працюючи при температурах 500-900ºС й атмосферному тиску, уже давав електроенергію безперервно протягом 6 місяців. Головною причиною обмеження терміну служби цього елемента була корозія електродів. Спостерігались і втрати електроліту від випарювання, але їх можна було поповнювати без зупинки роботи елемента. Шестимісячний термін служби – досягнення, що подає надії. Однак, для виробничих потреб і цього недостатньо: двічі на рік замінювати генератори на електростанції не раціонально, як би дешево не коштувало подане у них паливо.
Регенеративні елементи. Інший і, потрібно відмітити, вдалий підхід до вирішення проблеми щодо підвищення швидкості реакції подано у регенеративному типі паливного елемента, рис. 3.4. Тут паливо (наприклад, водень або вуглевмісний газ) і окислювач (наприклад, повітря або кисень) потрапляють не до елемента, а в зовнішні регенераційні камери. А до електродів замість них потрапляють інші, більш активні хімічні речовини. Тут вони беруть участь у реакціях, які підтримують роботу елемента. Продукти цих реакцій потрапляють у регенераційні камери, де початкові енергійні реагенти поновлюються у процесі взаємодії або з паливом, або з окисником.
Хімічні реакції, які проходять у типовому регенеративному елементі дуже складні і вивчені повністю не для всіх його різновидів. Однак спрощену картину циклу реакцій, які проходять на аноді, можна представити у наступному вигляді. Енергійний реагент, нехай X1 , окислюється у ході реакції на аноді і окислившись (ХО) переходить в анодну камеру регенерації, де змішується з паливом. Якщо паливом є водень, то реакція має вигляд:
Н2 + ХО→Х + Н2О
Тому, у даному випадку виконується поновлення початкового реагенту з утворенням води як побічного продукту. Паливом може бути і який-небудь вуглевмісний газ. Реагент X поновлюватиметься і в цьому випадку, а побічним продуктом буде вуглекислий газ (СО2). Схема реакції при цьому має вигляд:
С + 2ХО→2Х + СО2
Катод, який задіяний у реакціях, скажімо У, поновлюється у катодному відділі у результаті взаємодії з окисником. Побічними продуктами у даному випадку можуть бути або вода, або вуглекислий газ, або ж їх суміш у залежності від характеру даної реакції.
Рис. 3.4. Регенеративний паливний елемент
Кінцевий результат складного циклу перетворень у регенеративному елементі буде отримано той же, що й в інших, описаних вище паливних елементах: паливо окислюється, а вивільнена хімічна енергія перетворюється в електричний струм. Реагенти X та Y відіграють роль каталізаторів: вони прискорюють процес у цілому, але самі при цьому не використовуються. Якщо у регенеративному елементі можна для швидкої реакції скористатися активними реагентами, занадто високі температури вже не потрібні. Англійськими та американськими вченими створені експериментальні зразки елементів, які працюють при температурах нижче точки кипіння води.
Можливі регенеративні елементи й інших типів. Можливі інші джерела енергії. Відомо, наприклад, пропозицію, згідно з якою регенерацію пропонується здійснювати шляхом термічної дисоціації продуктів реакції в ядерному реакторі. Тоді кінцевий продукт анодної реакції ХО переходив би у реактор, де під дією тепла молекули ХО дисоціювали б на атоми X та О, повертаючись потім відповідно до анода та катода. Однак, ККД такої системи не можна зробити достатньо великим, оскільки первинне джерело енергії у даному випадку має вже не хімічну природу, а теплову (нагрівання у реакторі). Тому на нього поширюється обмеження, яке накладається другим законом термодинаміки.
Ядерний реактор можна використовувати і для поновлення енергійних реагентів шляхом радіолітичної, а не термічної дисоціації. При радіолітичній дисоціації енергія ядерних часток, створюваних у процесі ділення, використовується безпосередньо, без попереднього перетворення у тепло.
Існує ще один різновид регенеративного елемента, у якому для поновлення реагентів у процесі фотохімічного розпаду використовується сонячна енергія. У подібному елементі електрична енергія виробляється паливним елементом за рахунок поєднання хлору з окисом азоту. Створений у результаті цієї реакції хлористий нітроген розпадається потім під дією світла на хлор та окис азоту, які або повертаються у паливний елемент, або ж зберігаються для подальшого використання.
Ситуація сьогодення та перспективи. Розглянуті паливні елементи вже були побудовані та більш-менш успішно працювали у лабораторних умовах. Тривалість безперервної роботи деяких з них складала близько тижня, тоді як для інших вона перевищувала півроку. Паливні елементи - плідна галузь винахідництва: у ній постійно з'являються нові або оновлюються старі ідеї. Але одна справа – створити лабораторний прилад і зовсім інша - побудувати генератор, раціональний і з економічної точки зору, і з виробничої. Нещодавно був запропонований біохімічний паливний елемент, у якому до анода подаються бактерії та поживне середовище, до катода – кисень. Бактерії розчиняють поживні речовини, а енергія перетворюється в електрику, а не у тепло.
У спеціальних випадках, коли витрати не відіграють великої ролі (у наш час це переважно військова та космічна техніка), воднево-кисневий елемент використовується, не дивлячись на вартість палива, яке він поглинає. Уявімо, наприклад, що нам потрібен генератор потужністю 1 кВт, який міг би працювати 100 год. (не обов'язково безперервно) без нагляду і був би достатньо легким. Допустимо вартість енергії, що виробляється, не має великої ролі. Батарея сухих елементів, які задовольняють ці вимоги, мала б вагу близько 730 кг, тоді як воднево-кисневий паливний елемент разом з необхідним запасом палива важить близько 120 кг. А при більшій тривалості роботи генератора переваги воднево-кисневого паливного елемента будуть ще більш вражаючими.
Якщо мати на увазі вироблення електроенергії у великих промислових масштабах, то розробка всіх видів паливних елементів наштовхується на вирішення головної проблеми: підвищення швидкості хімічних реакцій до такого рівня, за якого можливо було б знімати достатньо велику питому потужність. Одна суттєва вимога, як ми вже бачили, полягає в тому, щоб максимально збільшити площину загальної поверхні розділу між паливом, електролітом та електродами, бо практично тільки тут можуть розвиватись робочі реакції. У випадку газоподібного палива цю умову можна виконати, узявши пористі електроди, через які буде дифундувати газ. Для твердих і рідких палив задовільного вирішення поки що не винайдено. Зокрема, поки що не вдалось здійснити безпосереднє використання вугілля у паливних елементах. Можливо, що в кінці кінців вдасться використати вугілля у розпиленому вигляді, але зараз ніхто не уявляє чітко, як це практично зробити. Багато вчених вважають, що найбільш перспективний шлях до досягнення результатів, які могли б зацікавити підприємства, зосередження зусиль на розробці дешевих методів газифікації і використання газів, що містять вуглець, у якості палива.
Для підвищення швидкості реакцій зараз використовуються зі змінним успіхом й інші методи. Хоча про основні способи ми вже згадували, їх корисно перерахувати ще раз:
- підвищення температури і тиску, при яких проходять реакції;
- активування поверхні електродів;
- підведення більш енергійних проміжних реагентів до електродів та поновлення цих реагентів за межами елемента.
Вимоги підвищення температури, тиску і т.п., націлені на прискорення реакцій, означають у той же час, що серйозною складністю на шляху до використання паливних елементів для вироблення електроенергії у промислових масштабах може стати корозія електродів та посудин для електроліту. Щоб вирішити цю проблему, як бачимо, знадобиться створити спеціальні матеріали, у тому числі струмопровідну кераміку.
Одиночний паливний елемент виробляє постійний струм низької напруги (як правило, 1-2 В). З'єднуючи послідовно множину елементів, можна створити напругу у декілька сотень вольт; постійний струм можна перетворити у змінний за допомогою відповідних електронних приладів. Отже, змінний струм зручніший за постійний у користуванні. На побутові потреби споживається змінний електричний струм напругою 200-250 В. Для деяких цілей потрібен постійний струм, а в інших випадках споживача задовольняє і змінний, і постійний струм. Електрохімічна промисловість, наприклад - крупний споживач постійного струму низької напруги. Створення генераторів прямого перетворення для використання в інших галузях пов'язано з вирішенням задачі перетворення постійного струму низької напруги у змінний струм високої напруги. До цього питання ми повернемось у розділі «Магнітогідродинамічні генератори».
Література ( Л.2. стор. 124 – 126 ).
4. Питання для самоконтролю.
1. Що таке електрохімічний елемент?
2. Що таке електроліз? Процеси дисоціації та рекомбінації.
3. В чому полягає принцип дії воднево-кисневого паливного елемента?
4. Яким чином можна підвищити ефективність паливних елементів?
5. Що таке регенеративні паливні елементи?
6. Які перспективи розвитку та використання паливних елементів?
ЛЕКЦІЯ № 4. Магнітогідродинамічні генератори.
Актуальність: ознайомлення з принципом дії МГД-генераторів.
План :
1. Закони Фарадея.
2. Магнітогідродинаміка.
3. Гази як провідники.
4. Принципова схема установки для МГД-генерації електроенергії.
5. Використання МГД-генераторів у поєднанні з ядерними реакторами.
6. Системи з газоподібним паливом, яке розподіляється.
7. Ситуація сьогодення та перспективи.
8. Питання для самоконтролю.
1. Закони Фарадея.
Закони Фарадея. У лабораторії Лондонського королівського інституту разом з Хемфрі Деві, який першим зрозумів, що паливний елемент може бути джерелом електроенергії, працював Майкл Фарадей. Він мріяв узяти участь, нехай саму незначну, у науковій праці. Прийшовши до Королівського інституту, він почав з миття посуду, але скоро отримав можливість виявити свої здібності блискучого експериментатора і в кінці кінців у 1827 р., за два роки до смерті Хемфрі Деві, став його наступником. Фарадей був чудовим лектором, поклавши початок всесвітньо відомим різдвяним читанням для молоді.
Важко навіть перерахувати усі відкриття, які зробив Фарадей, оскільки вони відносяться до найрізноманітніших областей фізики та хімії. Працюючи під керівництвом Деві, він, звісно, скоро зацікавився електрохімією, тому частина його найважливіших праць стосується саме цієї сфери. Але найбільше значення мали його праці з електромагнітної індукції (взаємодія між електричним струмом і магнітним полем), які лежать в основі сучасної електротехніки.
Досліди, які проводив Фарадей, дозволили зробити відкриття світового значення зі створення двигуна – динамо-машини постійного струму.
2. Магнітогідродинаміка.
Магнітогідродинаміка. Відмітимо, що у законах Фарадея нічого не говориться про те, що провідник повинен бути обов'язково твердим. В існуючих генераторах у якості провідника з чисто практичних міркувань використовується твердий дріт. Але відомо і такі генератори, у яких рідина є провідником, що рухається.
Ми бачили у попередньому розділі, що солона вода є провідником електрики. Багато років тому лорд Кельвін показав, що припливні води у гирлі ріки здатні у полі земного магнетизму діяти як найпростіший генератор, рис.4.1. Він розмістив два мідних електроди у воді біля різних берегів річки і з'єднав їх ізольованим кабелем, увімкнувши у ланцюг амперметр; кабель був розташований під прямим кутом до напрямку силових ліній магнітного поля Землі, і до напрямку руху води. Виявилось, що ланцюгом, який зроблено з кабелю, амперметра, електродів і води між електродами, ішов струм, як цього і треба було очікувати, виходячи з другого закону Фарадея. Сила струму була прямо пропорційна швидкості, з якою тече вода між електродами. Після закінчення припливу струм зникав, а потім, коли вода починала текти у зворотному напрямку, у ланцюгу з’являвся струм, але вже з напрямком, зворотним початковому.
Інший приклад рідкого провідника, що рухається, пов'язаний з електромагнітними насосами для перекачування рідких металів, які використовуються в якості охолоджувача у ядерних реакторах деяких типів. Тут електричний струм проходить через рідкий метал, а силові лінії зовнішнього магнітного поля спрямовані під прямим кутом до напрямку струму. Рідина рухається, або "перекачується" у напрямку, перпендикулярному напрямку струму, як це можна було б передбачити, виходячи з першого закону Фарадея.
Галузь науки, яка вивчає взаємодію між магнітними полями і струмопровідними рідинами або газами, називається магнітогідродинамікою. Принципова схема сучасного МГД-генератора, у якому використовується така взаємодія, суттєво не відрізняється від схеми генератора, влаштованого Кельвіном у гирлі річки. Вода у них замінена електропровідним газом, який рухається з великою швидкістю повз електроди, а слабке магнітне поле Землі замінено потужним електромагнітом. Очевидна привабливість МГД-методу генерування електроенергії, який дозволяє отримати електрику безпосередньо від газового потоку, є у тому, що він робить непотрібними турбіни та обертаючі динамо-машини. Але практична розробка МГД-генераторів, як ми побачимо, пов'язана з подоланням різних складнощів (висока температура і т.п.), які з’являються з необхідністю підтримувати газ у такому стані, у якому він був би достатньо гарним провідником електричного струму.
Рис.4.1. МГД – генератор Кельвіна
3. Гази як провідники.
Гази як провідники. У природному стані гази погано проводять електричний струм. Але їх можна перетворити у гарні провідники через іонізацію. З цим процесом ми вже зустрічались у розділі, присвяченому електролізу. Як ми вже знаємо, чисту воду, яка не проводить електричного струму, можна перетворити у гарний провідник, розчинивши у ній небагато кислоти або солі. Молекули розчинених речовин дисоціюють на іони, які несуть позитивні та негативні заряди. У газах механізм дисоціації інший. Тут дисоціюють на іони самі молекули або атоми газу, а не молекули якоїсь речовини, доданої у газ. Правда, слід сказати, що деякі гази легше іонізуються у присутності дуже малих домішок відповідних рідин, але ці добавки не є істотно необхідними і їх безпосередня участь у переносі зарядів через газ, що проводить струм, практично не відчутна. Атоми звичайного, неіонізованого газу електрично нейтральні. Позитивні заряди протонів у ядрі будь-якого атома точно врівноважуються рівною кількістю негативних зарядів електронів, що обертаються навколо ядра, як це спостерігається для планет, що обертаються навколо Сонця, але тільки у фантастично більшому масштабі. Газ починає іонізуватись, коли вміст енергії у ньому підвищується в достатній мірі або шляхом нагрівання, або ж під дією рентгенівських променів, гама-променів і т. ін. Енергія, передана атомам і молекулам газу, збільшує швидкість їх хаотичного руху. У результаті зіткнення між ними частішають і стають настільки сильними, що деякі з орбітальних електронів починають відриватись від своїх атомів, стають вільними негативними іонами. Атоми або молекули, загубивши електрон, володіють надлишковим позитивним зарядом, інакше кажучи, стають позитивними іонами. Так, іонізацію газоподібного водню можна представити наступним чином:
Н2 → Н+2 + е
Цей запис показує, що нейтральна молекула водню (Н2) дисоціює на позитивно іонізовану молекулу водню (Н2+) і вільний електрон або негативний іон (е).
Маса електрона приблизно у 2000 разів менша маси атома водню (тобто у 4000 разів менша маси молекули водню, яка складається з двох атомів). Водень найлегший серед відомих газів. Для більш важких газів нерівність мас електронів і позитивних іонів ще більша. Так, коли іонізується молекула кисню (О2 → О+2 + е ˜ ), маса іона О2+
О2 → О+2 + е ˜
приблизно у 60000 разів перевищує масу електрона; в іонізованому вуглекислому газі (СО2 → СО2+ + е) маса іона СО2+ приблизно у 70000 разів більше маси електрона. Виключна легкість електронів у порівнянні з позитивними іонами означає, що електрони рухаються значно швидше за іони. Отже, коли через іонізований газ тече електричний струм, перенесення заряду здійснюється майже виключно електронами, що рухаються з великою швидкістю серед практично нерухливих позитивних іонів. Це є друга важлива відміна іонізованих газів від електроліту. В електролітах відміна іонів між масами позитивно та негативно заряджених іонів значно менша, завдяки чому у переносі зарядів беруть участь іони обох зарядів.
Вільні електрони у газі - достатньо ефективні передавачі зарядів. Тому для забезпечення високої провідності у газі необхідно порівняно мало таких електронів. Для того щоб досягнути теоретично максимально можливої провідності, потрібно забезпечити повну іонізацію, тобто дисоціацію всіх молекул на позитивні іони й електрони.
Але вже 1% іонізації відповідає рівень провідності, що становить понад 90% теоретичного максимуму. Навіть якщо ступінь іонізації рівний усього лише 0,1%, іншими словами, якщо з кожної тисячі молекул, буде дисоціювати всього одна, то й у цьому випадку провідність газу складе приблизно половину максимальної. Іонізацію газу можна посилити, підігріваючи його. У надрах зірок, де температура досягає мільйонів градусів, гази повністю іонізовані і мають більш високу електропровідність, ніж звичайні метали при кімнатній температурі. Іонізований газ, або "плазму", інколи називають "четвертим станом речовини", щоб відрізнити його від більш звичних нам станів речовини: твердого тіла, рідини і газу (неіонізованого).У зірках плазма є "єдиним" станом речовини.
Магнітогідродинаміку як науку першими почали розвивати астрофізики, які хотіли пояснити взаємодію плазми з магнітними полями у зірках (у нашій власній зірці взаємодії виявляються у вигляді сонячних плям).
В останні роки ця наука отримала потужний стимул до розвитку у зв'язку з роботами, націленими на оволодіння керованими термоядерними реакціями. Такі реакції проходять тільки при температурах у мільйон градусів. Поки що ніхто не уявляє собі чітко, яким чином термоядерні реакції можна залучити на користь енергетики.
МГД-генератори повинні будуть працювати на більш низьких температурах (близько 2750о С). Це - майже гранична температура, за якої газ ще недостатньо іонізований, щоб задовільно проводити електричний струм (нижче цієї температури вже складно підтримувати навіть на такому низькому рівні, як 0,1% максимально можливого). Однак такі температури набагато перевищують робочу температуру в самих економічних сучасних генераторах (650о С). Майже усі технічні складнощі, з подоланням яких пов'язана розробка промислових МГД-генераторів, прямо зв'язані з високими температурами, які необхідні для ефективної роботи цих генераторів.
4. Принципова схема установки для МГД- генерації електроенергії
Робочий цикл, рис. 4.2, має такий вигляд: атмосферне повітря, втягуючись компресором і стискаючи приблизно до 5 ат, проходить через теплообмінник, де нагрівається до 1100-1370°С. Далі повітря надходить до камери згорання, де завдяки згоранню палива проходить подальше підвищення температури. Суміш повітря та продуктів згорання, розігріта до 2750°С, проходить потім через надзвукове сопло, розширюючись до надлишкового тиску 0,1 ат. У результаті його поширення гарячий, частково іонізований газ набуває дуже великої швидкості по осі сопла (декілька тисяч кілометрів на годину). При цьому потік газів проходить через магнітне поле потужного електромагніту. Струм, який виникає, відводиться від електродів (що омиваються газовим потоком), розташованих відповідним чином у магнітному полі між полюсами. Перед виходом в атмосферу газ, температура якого після проходження через магнітне поле ще досить висока (близько 1370°С), надходить до теплообмінника, підігріває стиснуте повітря, що надходить з компресора.
Ми описали систему з відкритим робочим циклом, у якій газ виходить до атмосфери. Пропонувались і системи із замкнутими циклами, у яких одна і та ж кількість газу безперервно циркулює у замкнутому колі, де газ спочатку нагрівається і стискується, а потім розширюється і охолоджується. При виборі між відкритим та замкнутим циклами виходять не лише з інженерного погляду. Газовий потік може містити занадто отруйні або дорогі речовини, щоб їх можна було викидати до атмосфери. Це слід враховувати якщо мова йде про систему, у якій для нагрівання газу замість камери згорання використовується ядерний реактор. У цьому випадку газ стає радіоактивним і випускати його у великих дозах в атмосферу не можна. Нещодавно сконструйовані ядерні енергетичні реактори газового охолодження працюють при температурі газу нижче 540°С. Така температура занадто мала для МГД-генераторів. Однак існують деякі можливі варіанти поєднати у майбутньому ядерну енергію з МГД-генераторами.
