(МГД) машинах, осуществить которые Фарадей пытался еще в 1831 г.
Идея опыта проста. В воду Темзы на ее противоположных берегах погружали две
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 небольшой ток. Казалось бы, все осталось, как у
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 все трудозатраты.
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