Техника - молодёжи 1979-09, страница 34

ТЕХНИКА ЗАВТРАШНЕГО ДНЯ

ры плазмы пульсируют, изменяясь то в ту, то в другую сторону. Камера, сигнализируя о непорядке, громко «воет», вся конструкция колеблется в такт с этим «ревом», а иногда просто разваливается.

Короче говоря, плазма — создание крайне капризное, и, как она себя поведет, порой и предсказать нельзя.

Но будем считать, что все проблемы решены, топка сработала: плазма получена и готова к дальнейшим действиям. Ее путь — в МГД-канал!

Сердце установки

Сердце установки — МГД-канал, где происходят все главные события. Все остальное — камера, насосы, создающие давление, инвертор, преобразующий постоянный ток в переменный, подогреватели окислителя и присадки, поглотители и прочее оборудование — лишь «обслуга» МГД-канала. Без него они мертвы и ненужны.

Итак, в канале появилась скоростная низкотемпературная плазма (назовем ее полным титулом). Что же происходит дальше? Как только плазма попадает в магнитное поле, в ней по закону индукции наводится электрическое поле. А поскольку в плазме электроны и ионы свободны, они начинают двигаться в противоположных направлениях. Если перпендикулярно магнитному полю и направлению движения поместить электроды, то пойдет электрический ток. Как и в любом генераторе, он зависит от величины ЭДС, внутреннего сопротивления генератора и подключенной нагрузки. Все как обычно. Что касается мощности, которую можно снять с единицы объема генератора, то она пропорциональна электропроводности плазмы и квадрату ее скорости (вот почему плазму иногда доводят до сверхзвуковых скоростей), а также квадрату напряженности магнитного поля.

Отсюда ясно, к чему надо стремиться, чтобы перевести побольше тепловой энергии частичек плазмы в электрическую.

В современных конструкциях используют три вида каналов. Самый элементарный имеет всего два электрода, расположенных на противоположных стенках канала. При относительно небольших напряжениях можно снимать огромные токи, так как велика площадь электродов. Однако каналы такого типа обладают весьма существенными недостатками. Главный из них — большое значение Холл-эффекта. Явление это общеизвестно и причиняет немало забот конструкторам различного рода электротехниче

ских устройств. Не избежали их и создатели МГД-генераторов.

В электродах, как и любом проводнике с током, оказавшемся в магнитном поле, появляется перпендикулярная направлению тока разность потенциалов. Электроны плазмы устремляются в направлении этого электрического поля вдоль канала и, попадая на электроды, создают в канале немалый по величине паразитный ток. Особенно неприятно, что при этом снижается поперечная электропроводимость плазмы, повышается внутреннее сопротивление генератора, что во многом уменьшает снимаемую мощность. Чтобы бороться с этим эффектом, можно разделить длинные электроды на секции, изолируя их друг от друга. Тем самым предотвращается холловский ток вдоль электродов, но сразу же появляется новая забота. Энергию с такого секционированного канала, названного фарадеевским, надо снимать с каждой пары электродов отдельно, а потом как-то суммировать, что резко усложняет конструкцию.

И здесь пришлось искать обходной путь. А что, если основой получения электричества в МГД-уста-новках сделать именно Холл-эффект? Это оказалось вполне возможным.

Поскольку холловское электрическое поле пропорционально величине поперечного по отношению к каналу тока — он-то его и вызывает, — максимальным оно будет при коротком замыкании электродов. А сделать замыкание всегда можно с исключительной простотой. Вместо обычных электродов секционированного фарадеевского канала поставим кольца, то есть замкнем канал в нескольких местах накоротко. Вдоль потока плазмы появится теперь большое холловское поле с высокой разностью потенциалов между первым и последним кольцевыми электродами, с которых можно снять достаточно большую энергию.

Правда, беда канала такого типа — сравнительно низкий КПД.

Существуют и каналы третьего, смешанного типа — диагональные. Там в роли электродов снова выступают кольца, точнее говоря, рамки. Только наклонены они под определенным углом к оси канала. Таким образом происходит своего рода сочетание фарадеевского и холловско-го каналов — сочетание, имеющее ряд преимуществ перед своими «прародителями». Во-первых, такой генератор, как и холловский, имеет всего два токосъемника и в этом смысле ничем не отличается от любой «добропорядочной» электрической машины; но его удельная мощность не меньше, чем у лучшего в этом отношении секциониро

ванного фарадеевского канала. Наконец, достаточно велико выходное напряжение, что чрезвычайно выгодно для дальнейших преобразований полученного постоянного тока в переменный ток стандартного бытового напряжения.

В-четвертых, — видите, сколько пунктов можно насчитать, — рамочный диагональный канал прост конструктивно и привлекателен технологически.

Но для всех типов каналов, для любого МГД-генератора существует несколько общих проблем. В первую очередь касаются они продолжительности работы электродов.

Опять-таки со стороны все кажется элементарным. Подумаешь, невидаль — электроды! Все равно — два их или несколько, кольца, рамки или сплошные полосы металла.

Однако в свое время для конструкторов МГД-генераторов это было весьма тяжелой технологической задачей. Легко сказать — установить электроды. Температура потока достигает 2500 градусов. Подошли бы огнеупорные металло-кера-мические материалы. Температуру они переносят хорошо, но слишком уж недолговечны и дороги. Тогда инженеры с некоторым опасением начали экспериментировать с металлическими электродами. Их пугала необходимость охлаждения металла. Для того чтобы в плазме проходил ток, ^ необходимо поддерживать в ней определенное количество электронов. Как известно, для этого катод должен испускать — эмитировать электроны, чего холодный металл делать не умеет. А горячий теряет свои прочностные качества.

Образовался заколдованный круг, который был разорван благодаря открытию нового явления природы. Оказалось, что на поверхности холодного металла, служащего катодом, ток не распределяется равномерно по всей площади, а автоматически концентрируется в специфических пятнах — крошечных, ярко светящихся образованиях, где достигает громадной плотности — до десяти миллионов ампер на квадратный сантиметр! Температура пятен поднимается почти до 4000° С. Но остальная масса катода остается холодной! Вот из этих пятен и эмитируют электроны, поддерживая электрический ток МГД-каналов. С увеличением тока число пятен растет, и «холодный» электрод прекрасно работает. Но, поскольку он холодный, плазма около него тоже охлаждается, превращается в обычный газ и теряет электропроводность. Значит, ток пойти не может! Тут-то и происходит самый поразительный эффект нового явления природы, которая наконец как бы пришла на помощь энтузиастам, столько лет занимаю-

31