Другие перспективные задачи

Физика плазмы служит научной основой не только для управляемого термоядерного синтеза, но и для других важных научно-технических задач. Одна из них - задача непосредственного преобразования тепловой энергии в электрическую.

В обычных тепловых электростанциях процесс получения электроэнергии разбивается на следующие стадии: топливо сгорает в некотором объеме и нагревает воду, образуя пар; пар попадает на лопатки турбины и вращает ее; турбина вращает ротор электрогенератора, дающего электрический ток.

Является ли такая система наилучшей? Коэффициент полезного действия системы, превращающей химическую энергию топлива в электрическую, тем выше, чем выше температура рабочего вещества, поступающего в тепловой двигатель. Но мы не можем нагреть рабочее вещество - пар или газ - до многих тысяч Кельвинов, потому что не выдержат лопатки турбины. А нельзя ли вообще обойтись без турбины и электрогенератора? Тогда можно было бы повысить температуру рабочего вещества.

На помощь приходит плазма. Предположим, что топливо сгорает в камере сгорания и образующиеся горячие газы через сопло выходят в область, где создано сильное магнитное поле, перпендикулярное струе газа. Если к топочным газам добавить легко ионизирующуюся примесь, например калий, то при температуре 2500-3000 К газ будет ионизирован, т. е. превратится в плазму, а значит, станет проводником электрического тока.

Из законов физики известно, что, когда проводник пересекает силовые линии магнитного поля, в нем возникает электродвижущая сила индукции. Проще говоря, между концами проводника появляется электрическое напряжение тем большее, чем больше скорость проводника и чем больше напряженность магнитного поля.

Роль движущегося проводника выполняет горячая плазма, с большой скоростью вырывающаяся из сопла и пересекающая силовые линии магнитного поля. При этом между боковыми поверхностями плазменной струи возникает электродвижущая сила индукции, которая снимается специальными электродами и используется для питания различных потребителей. Такая система является источником энергии без всяких движущихся механических узлов и деталей. Она получила название магнитогидродинамического преобразователя энергии (сокращенно МГД). В нем плазма является уже источником не ядерной, а тепловой энергии, которую мы сообщили плазме нагреванием. В поперечном магнитном поле плазменная струя тормозится, т. е. теряет часть своей кинетической энергии, которая и переходит в электрическую энергию (рис. 9).

Основная сложность при разработке МГД-генераторов состоит в получении хорошо проводящей ионизированной плазменной струи. Начальную температуру газа на входе в пространство, где создано магнитное поле, не удается поднять выше 3000-3500 К. При такой температуре вырывающиеся из сопла продукты сгорания оказываются слабоионизированными и не обладают достаточно высокой теплопроводностью. Поэтому добавляют в газовую струю пары легко ионизирующихся щелочных металлов.

Для того чтобы дать общее представление о характеристиках МГД-генератора, приведем возможные значения основных параметров. Скорость плазменной струи - около 1000 м/с, толщина струи - около 1 м. Напряженность магнитного поля - 1,6 МА/м. В этом случае э. д. с. индукции составит около 2000 В, причем во внешнюю нагрузку можно будет отвести мощность несколько тысяч киловатт. А вообще от МГД-генератора можно получать значительно большую мощность.

По-видимому, в будущем с помощью МГД-преоб-разователя удастся значительно поднять к. п. д. тепловых электростанций. Но уже и сейчас такие системы могут найти применение в тех случаях, когда нужны кратковременные мощные источники энергии. Роль газовой струи при этом выполняет реактивная струя, получаемая при сжигании жидкого реактивного топлива.

В МГД-генераторе плазменная струя тормозится и кинетическая энергия струи преобразуется в энергию электрического тока. Можно, наоборот, ускорить плазменную струю с помощью электрического поля и использовать ее как источник реактивной тяги. Речь идет о перспективах применения плазмы в так называемых электрореактивных, или плазменных, двигателях.

Одна из трудностей в осуществлении дальних космических полетов заключается в необходимости иметь очень большие запасы топлива. Космический корабль, чтобы он мог маневрировать, должен обладать каким-то источником, создающим тяговое усилие. В ракетах из сопла вырывается реактивная струя, которая и создает тягу. Чем определяется размер тяги? Он определяется расходом вещества, т. е. его массой, вытекающей из системы в единицу времени, и скоростью этого вещества. В обычных ракетных двигателях скорость реактивной струи газов составляет несколько километров в секунду. Возьмем простой пример. Пусть у вас имеется двигатель, создающий тягу всего в 100 Н. Это совсем маленькая тяга. Скорость реактивной струи выхлопных газов примем 1000 м/с. Тогда простой расчет показывает, что в сутки нужно израсходовать 8 т реактивного топлива. Восемь тонн за сутки! Представьте себе, что зы совершаете путешествие к далеким планетам. Будет просто невозможно запастись топливом.

И здесь плазма приходит на помощь. Если ускорить плазму, можно получить реактивную струю со скоростью 100 км/с, т. е. в 100 раз больше, чем у существующих ракетных двигателей. Значит, при той же самой тяге расход горючего уменьшится в 100 раз. Правда, при этом корабль должен иметь мощный источник энергии, например атомный реактор, но зато можно обойтись значительно меньшими запасами топлива.

Принципиальная схема плазменного двигателя очень проста. Представьте себе два цилиндра, вложенных друг в друга. Приложим между внутренним и внешним цилиндрами напряжение и пропустим между ними газ. При этом через газ от одного цилиндра к другому пойдет ток. Этот ток создаст магнитное поле. Как показывает расчет, поле будет ускорять плазменную струю, которая и будет создавать необходимую реактивную тягу.

На этом принципе основано действие плазменных инжекторов, используемых в физических лабораториях для исследований по физике плазмы. В инжекторе легко разогнать сгустки плазмы до скорости порядка нескольких сотен километров в секунду. Сделаны первые шаги по применению таких систем для реактивной тяги. На советской автоматической станции "Зонд-2" в 1964 г. были впервые в реальных условиях космического полета проведены испытания электрореактивных плазменных двигателей в качестве органов управления для системы ориентации.

Физика плазмы важна и для понимания многих процессов, происходящих в космосе, потому что в космосе мы всюду имеем дело с плазмой. Физика плазмы развилась сейчас в очень серьезную область науки. Она найдет широкое техническое применение для решения самых животрепещущих задач, от которых зависит будущее цивилизации.

Отчего плазма светится

Пролетая вблизи иона, электрон испытывает воздействие со стороны электрического поля иона и в результате этого воздействия может изменить величину и направление своей скорости. Изменение скорости, следовательно и кинетической энергии, электрона приводит к испусканию электромагнитного излучения, частота которого определяется разницей между энергиями электрона до и после взаимодействия с полем иона. Такое излучение называют тормозным. Оно возникает из-за торможения электронов в поле ионов. Ион может не только изменить скорость пролетающего вблизи электрона, но и захватить его. Процесс соединения электрона с ионом, приводящий к образованию нейтрального атома, называют рекомбинацией. Рекомбинация также сопровождается электромагнитным излучением.

Столкновение электрона с нейтральным атомом может привести к возбуждению атома, т. е. повышению его внутренней энергии. Возбужденные атомы быстро возвращаются в нормальное состояние, испуская излишек энергии в виде излучения. Все эти явления и приводят к свечению плазмы в дуговых разрядах, оболочках Солнца и звезд, рекламных трубках. Но так светится "холодная" плазма, имеющая температуру несколько тысяч кель-винов. Чистая высокотемпературная плазма, используемая в экспериментах по управляемому термоядерному синтезу, невидима. Это не значит, что высокотемпературная плазма ничего не излучает. Просто ее излучение невидимо для глаза. Например, тормозное излучение горячей плазмы представляет собой в основном рентгеновские лучи. Кроме того, у плазмы, находящейся в магнитном поле, появляется дополнительный механизм излучения, связанный с взаимодействием движущихся электронов с магнитным полем. Это излучение лежит в диапазоне миллиметровых радиоволн.

перейти к началу страницы