МГД и гиперзвуковой генератор Фарадея

Лекция, прочитанная в Supaéro
10 июня 2003 года

МГД и гиперзвуковой полёт

Ж.П. Пети

стр. 1

Напоминание об истории МГД во Франции.

Изобретателем МГД (магнитогидродинамики) был английский учёный Майкл Фарадей. Эта дисциплина имеет два направления:

• МГД-ускорители — искусство и методика приведения жидкостей в движение с помощью сил Лапласа (в английском языке — силы Лоренца) J × B;
• МГД-генераторы — искусство и методика преобразования кинетической энергии движущейся жидкости в электричество.

Фарадей экспериментировал с обеими формулами. В обоих случаях он использовал линейный преобразователь, названный его именем. Схематически линейный преобразователь представляет собой сопло с электродами (сегментированными для лучшего распределения электрического тока в потоке), снабжённое катушками, создающими поперечное магнитное поле. Ось устройства, направление магнитного поля и направление электрического поля, создаваемого электродами, образуют трёхгранник с взаимно перпендикулярными осями.

Преобразователь Фарадея

В начале шестидесятых годов англичане первыми предложили производство электричества с помощью МГД без подвижных частей, посредством «прямого преобразования». На бумаге это выглядит очень просто. Жидкость поступает в сопло со скоростью V и пересекает линии магнитного поля B. В результате возникает электродвижущая сила V × B, которая создаёт ток J (плотность тока, в амперах на квадратный метр), который собирается электродами и замыкается на нагрузочные сопротивления. МГД-генераторы имели несколько преимуществ. Их можно было быстро запустить. Более того, они позволяли обойти ограничение, накладываемое «КПД Карно», при котором КПД газовых турбин того времени не превышал 40 %. Теоретические расчёты показывали, что «на бумаге» можно было рассчитывать на общий КПД, приближающийся к 60 %. Если бы эти машины работали, это означало бы, что из одного и того же количества ископаемого топлива можно было бы получить на 50 % больше электрической энергии.

Однако газы — плохие проводники электричества. Рассмотрим газовую смесь, образующуюся при сгорании углеводородов. Её компоненты обладают потенциалом ионизации. Но даже при самых высоких температурах, допустимых с точки зрения технологии, электропроводность среды остаётся низкой. Только небольшая часть энтальпии газа может быть преобразована в электричество, а основная часть рассеивается в потоке из-за эффекта Джоуля.

Поэтому было предложено повысить электропроводность газа путём добавления вещества с низким потенциалом ионизации, в основном щелочного металла. Проблема повышения электропроводности настолько критична, что с самого начала рассматривалась возможность использования самого легко ионизируемого вещества — цезия. Первоначальные эксперименты по МГД-преобразованию проводились путём подачи газа, образующегося при сгорании углеводородов, в линейный генератор Фарадея. Результаты были разочаровывающими. Для эффективной работы требовалась температура около 3000°, то есть температура нити накала лампы накаливания. Основное внимание было уделено термостойкости материалов — стенок и электродов. В начале шестидесятых годов во время экспериментов электроды часто разлетались на осколки, как и пластины, предназначенные для обеспечения термостойкости стенок. Эти исследования, касающиеся так называемых «открытых циклов», продолжались во многих лабораториях мира в течение шестидесятых годов. Во Франции участвовали EDF (в своём исследовательском центре в Ренардиера, недалеко от Море-сюр-Луар), Французский институт нефти и CGE (Общество общей электрической промышленности). Международные усилия в области гражданской МГД достигли 5000 исследователей, распределённых по десяткам лабораторий по всему миру. Неудача привела к постепенному прекращению исследований. Русские были последними, кто продолжал работу до середины семидесятых годов, используя экспериментальный генератор «U-25», установленный под Москвой.

Русский МГД-генератор U-25. На переднем плане — электромагнит.

Впечатляющие размеры канала генератора U-25. Электроды находятся слева и справа.

Было предложено и другое направление — использование так называемой «электропроводности вне термодинамического равновесия». Подробнее мы рассмотрим этот случай, когда температура электронов Te превышает температуру газа Tg. Такие условия существуют в неоновой лампе. Основная идея следующая. В неоновой лампе электрическое поле E, созданное электродами, ускоряет свободные электроны вдоль их средней длины свободного пробега (между двумя столкновениями с нейтральными атомами или ионами). Если средняя длина свободного пробега достаточно велика, кинетическая энергия, приобретённая электронами, может достичь энергии ионизации Ei атома. При столкновении возникает «электронная лавина». Таким образом, в лампе создаётся ионизированное состояние. Обратный процесс: ионы притягивают относительно медленные свободные электроны и стремятся их захватить (радиационная рекомбинация).

Я уже разместил на своём сайте два досье по МГД, представленные на уровне популяризации. В дальнейшем будут ссылки на эти материалы.

В середине шестидесятых годов (точнее, в 1964 году, на конгрессе в Ньюкасле, Англия) молодой российский учёный Велихов предсказал появление крайне резкой (длительностью в несколько микросекунд) неустойчивости ионизации. Теория этого явления не является очевидной. Его механизм противоречит интуиции. Вот изображение, датированное шестидесятыми годами, показывающее (в те времена численные модели требовали самых мощных вычислительных систем, и изображения были получены из СССР). Видно, как развивается неустойчивость, сжимающая в некоторых местах силовые линии электрического тока. Локальное увеличение плотности тока J вызывает реакцию газа в виде ионизации. Среда при этом стратифицируется, образуя слои с высокой электропроводностью, чередующиеся с участками с низкой электропроводностью.

Эволюция электротермической неустойчивости в преобразователе Фарадея (1968)

Именно эта неустойчивость, с которой никто не смог справиться, привела к краху всего мирового гражданского МГД-проекта (десятки лабораторий, 5000 учёных). К концу шестидесятых годов в Европе всё было решено. Все группы были распущены, несмотря на единственный успех, достигнутый в Институте механики жидкости в Марселе в период с 1966 по 1970 год. Было достигнуто два значимых результата.

• Первый запуск стабильного генератора вне термодинамического равновесия, устойчивого к неустойчивости ионизации (Ж.П. Пети, 1967, 7-й международный конгресс в Варшаве). Температура газа: 6000°, температура электронов: 10 000°, выработка мощности: 2 мегаватта. Заметный ток до 4000°.

• Ускорение аргонового плазменного потока. Параметры на входе: давление — 1 бар, скорость — 2700 м/с, температура — 10 000°, электропроводность — ...