книги из ГПНТБ / Левитский С.М. Плазма служит человеку

Чем-то средним между электродуговой и газовой свар­ кой является атомно-водородная сварка. В ней через меж­ электродный промежуток, образуемый двумя вольфрамо­ выми электродами, непрерывно продувается струя чистого водорода. Проходя через плазму, которая образуется в электрической дуге, водород нагревается до такой сте­ пени, что все его молекулы Н2 распадаются (диссоции­ руют) на отдельные атомы Н. В таком виде водород по­ падает на поверхность обрабатываемого изделия, где он и сгорает обычным образом в атмосфере кислорода. Однако прежде чем сгореть, атомы водорода на поверх­ ности изделия вновь воссоединяются в молекулы. Тепло, получающееся при таком воссоединении, значительно превосходит то тепло, которое выделяется при простом химическом сгорании водорода. В результате температу­ ра в пламени атомно-водородной горелки доходит до 3000—4000°К. При такой температуре плавятся любые, даже наиболее тугоплавкие соединения и металлы. Атомно-водородная горелка имеет еще одно ценное свой­ ство: атомный водород является исключительно сильным химическим восстановителем, не допускающим окисле­ ния поверхности обрабатываемого изделия. Поэтому, не­ смотря на нагрев до высокой температуры, швы при атом­ но-водородной сварке получаются чистыми и блестя­ щими.

Но все же самую высокую температуру, используемую в современной технике, получают с помощью чисто плаз­ менной горелки — плазмотрона.

Схематический чертеж плазмотрона дан на рис. 5. В нем используется эффект повышения температуры плаз­ менного шнура по мере его сжатия. Действительно, еслш сжать плазменный шнур, уменьшая его сечение, но со­ храняя неизменным протекающий по нему ток, то одно­

временно должны увеличиться плотность тока в шнуре и его омическое сопротивление. В результате возрастет удельная мощность, вводимая в плазму, что, естественно, приведет к повышению температуры. В плазменной го­ релке радиальное сжатие плазменного шнура достигает­ ся пропусканием его через небольшое отверстие диамет­

ром порядка нескольких миллиметров. Вначале в такой горелке дуга зажигается с вольфрамового катода К на внутреннюю поверхность камеры горелки. Затем сильным потоком аргона (Аг), вдуваемым внутрь камеры, дуга выдувается через отверстие О наружу, и разряд продол­ жает гореть уже между катодом К и поверхностью из­ делия В. Из отверстия О вырывается плазменный шнур диаметром 1—2 мм и длиной в несколько сантиметров. Вследствие сильного сжатия температура в этом шнуре достигает 25 000—30 000°К-

Самой трудной задачей при создании такой горелки было сохранение канала О от плавления. Этого удалось достичь, изготовив корпус горелки из меди и пропуская

через каналы А, имеющиеся в нем, непрерывный поток воды.

30

Такая горелка может резать и сваривать любые электропроводящие материалы; нет вещества, которое бы выдержало температуру ее плазменного пламени.

Плазма в энергетике

Электропроводность плазмы находит успешное при­ менение в электротехнике, в устройствах, служащих для выпрямления переменного тока. Простейшим прибором, используемым для выпрямления переменного тока, яв­ ляется кенотрон. В нем имеются накаленный катод, спо­ собный испускать свободные электроны, и холодный анод. Кенотрон откачивается до высокого вакуума. Такой при­ бор может проводить ток только в одном направлении — когда положительный анод притягивает электроны, ис­ пускаемые катодом. Кенотроны широко применяются в приемниках,телевизорах и других маломощных радиотех­ нических приборах, но у них есть серьезный недостаток — они обладают большим внутренним сопротивлением и потому для выпрямления больших токов непригодны. В чем же дело? Вакуум, конечно, не создает никаких препятствий для движения электронов, летящих от ка­ тода к аноду. Но электроны, вылетевшие раньше, своим зарядом отталкивают назад новые электроны, вышедшие из катода, и препятствуют их движению к аноду.

Дело существенно изменится, если ввести в кенотрон небольшое количество газа. Тогда электроны, вылетев­ шие из катода и ускоренные электрическим полем, бу­ дут ионизировать газ. Между катодом и анодом возни­ кнет плазма низкого давления, которая как бы соединит эти электроды электропроводящим мостом. Если же по­ лярность электродов изменится и отрицательный потен­ циал будет подан уже на анод, то эмиссия электронов

31

прекратится, ликвидируется причина, ионизирующая газ, и плазма в межэлектродном промежутке исчезнет за вре­ мя, меньшее одной тысячной доли секунды. Межэлек­ тродный промежуток станет непроводящим. Такой вы­ прямительный прибор называется газотроном. В отличие от кенотрона через него могут проходить большие токи без значительного падения напряжения, так как внут­ реннее сопротивление газотрона — это сопротивление за­ полняющей его плазмы.

Вариантом подобного плазменного выпрямителя яв­ ляется ртутный выпрямитель. Он отличается от газотрона только способом эмиссии электронов из катода. Если же в газотроне между катодом и анодом мы поставим сетку, то получим газонаполненный триод — тиратрон. Такой прибор сочетает в себе преимущества газотрона — его малое внутреннее сопротивление и свойства триода — возможность управлять проходящим током путем изме­ нения напряжения на сетке.

Следует признать, что в области низких напряжений и слабых токов и газотрон, и тиратрон, и ртутный выпря­ митель последнее время вытесняются простыми мало­ габаритными полупроводниковыми приборами. Но в об­ ласти мощной энергетики, где мы имеем дело с высокими напряжениями и очень сильными токами, плазменные приборы продолжают прочно удерживать свои позиции.

Роль сильноточных плазменных приборов особенно возросла теперь, когда передача электрической энергии на большие расстояния начинает осуществляться с по­ мощью постоянного тока высокого напряжения. Преоб­ разование выработанного генераторами переменного то­ ка в постоянный и обратное превращение постоянного тока в переменный осуществляются в таких системах мощными плазменными приборами.

32

В последние годы в энергетике предпринимаются по пытки использовать плазму для целей не только пре­ образования, но и генерации электрического тока. Дело в том, что на современных тепловых электростанциях путь от химической энергии, заключенной в топливе, до электрической энергии довольно длинен: сперва топливо сжигают, его химическая энергия переходит в тепловую, затем тепловая энергия с помощью турбин превращает­ ся в механическую, которая вращает электрический ге­ нератор— динамомашину и уже ею преобразуется в элек­ трическую энергию. В каждом звене этой цепи есть свои потери, в результате чего наивысший коэффициент по­ лезного действия современных тепловых электростанций не превышает 40%. Поэтому одной из первоочередных задач современной энергетики является сокращение этой цепочки и поиск возможностей непосредственного пре­ образования тепловой энергии в электрическую, без ме­ ханического звена. Одним из путей решения этой задачи являются магнито-гидродинамические генераторы (МГДгенераторы).

Принцип, лежащий в основе работы всех генераторов электрического тока, общеизвестен. Электрический про­ водник, движущийся со скоростью V, пересекает сило­ вые линии магнитного поля, направленные перпендику­ лярно к плоскости чертежа (рис. 6,а). При этом на кон­ цах проводника возникает разность потенциалов. Если теперь концы проводника замкнуть через сопротивле­ ние Я, то в образовавшейся цепи потечет электрический ток /. Взаимодействуя с магнитным полем, этот ток бу­ дет порождать силу Е, которая противодействует движе­ нию проводника. Если все же перемещать проводник во­ преки этой силе, то будет совершаться механическая ра­ бота, которая и превращается в электрическую энергию.

33

В МГД-генераторе роль проводника выполняет дви­ жущаяся плазма (рис. 6,6). Эта плазма получается пу­ тем нагревания газа в камере К до высокой температу­ ры. Нагретый газ, стремясь расшириться, с силой выры­ вается через сопло С и попадает в магнитное поле,

::::/гПт ; Л1

Т±

силовые линии которого перпендикулярны к плоскости чертежа. Газ в камере К нагревается до столь высокой температуры, что превращается в плазму и становится электропроводящим. Поэтому при прохождении через магнитное поле в плазме возникает такая же разность потенциалов, как и на концах проводника, изображенно­

34

го на рис. 6,а. Конкретно это происходит из-за того, что при ■прохождении через магнитное поле содержащиеся в плазме свободные заряды отклоняются в противопо­ ложные стороны.

В случае, который мы рассматриваем, электроны от­ клоняются к верхнему электроду Еи а ионы — к нижне­ му электроду Е2. Оседая на электроды и двигаясь затем по соединяющему их проводнику, эти заряды создают электрический ток /. При прохождении тока через плаз­ му на нее, так же как и на металлический проводник, действует тормозящая сила К. Вследствие этого при про­ хождении мимо электродов МГД-генератора скорость плазмы несколько уменьшается. Утраченная плазмой ки­ нетическая энергия превращается в электрическую энер­ гию. Основные трудности при создании МГД-генерато­ ров заключаются в нагреве газа до очень высокой температуры и в выборе материалов, которые могли бы выдержать длительный контакт с этим раскаленным га­ зом. Дело в том, что чем выше температура, тем больше электропроводность газа, а чем больше электропровод­ ность газа, тем лучше работает МГД-генератор. Кроме того, с повышением температуры увеличивается скорость истечения газов из сопла. Подсчитано, что для получения такого же к, п.д., как у существующих тепловых электро­ станций, температура газа должна быть не ниже

2000°К.

Нагрев газа до такой температуры можно осуще­ ствить путем сжигания какого-нибудь высококалорийно­ го топлива (газа, нефти, керосина) в атмосфере возду­ ха, обогащенного кислородом. Для сжигания можно ис­ пользовать устройства, подобные ракетным реактивным двигателям. С целью увеличения проводимости плазмы в топливо иногда добавляют примеси легкоионизируемых

35

веществ (например, цезия или калия). Предпринимают­ ся также попытки нагревать газ в атомных реакторах.

Трудность изучения работы МГД-генераторов состоит еще в том, что их эффективность возрастает с увеличе­ нием мощности. Поэтому опыты на небольших лабора­ торных макетах не имеют особого смысла, и для иссле­ дований приходится строить мощные экспериментальные установки весом в десятки тонн. Так, например, камера сгорания одной такой экспериментальной установки бы­ ла подобна двигателю космической ракеты, а получен­ ная электрическая мощность составляла несколько ты­ сяч киловатт.

В настоящее время делаются попытки использовать МГД-генератор как первую ступень тепловой электро­ станции. Отработанные горячие газы с выхода МГД-ге- нератора направляют затем в котлы, где они служат для нагрева воды и получения пара. К- п. д. тепловой элек­ тростанции с «МГД-приставкой» сможет быть повышен до 50—60%. Следует ожидать, что первые промышлен­ ные электростанции с применением МГД-генераторов будут построены в ближайшее десятилетие.

В электротехнике известнб, что всякий электрический генератор может быть легко превращен в электродви­ гатель. Если в устройстве, аналогичном изображенному на рис. 6, вместо сопротивления Д поставить источник электродвижущей силы — батарею Е и пропускать по проводнику ток (рис. 7), то сила взаимодействия этого тока с магнитным полем будет стремиться вытолкнуть проводник в направлении, перпендикулярном к силовым линиям поля.

На этом принципе работают все существующие элек­ тромоторы. То же самое получится, если мы в МГД-гене- раторе .вместо того чтобы отбирать ток, будем про­

зе

пускать через плазму ток от некоторого постороннего источника Е. Под действием силы Е движущаяся плазма будет дополнительно ускоряться и выходить из межэлек­ тродного промежутка со скоростью Кг, значительно пре-

Рис. 7.

вышающей ее первоначальную скорость Кь Такое допол­ нительное электрическое ускорение можно использовать на выходе ракетного двигателя, реактивная тяга которо­ го при этом существенно увеличится.

Однако подобный электрический ускоритель плазмы может быть использован не только как дополнительная приставка к обычному ракетному двигателю на химиче­

37

ском топливе. Ускоряемую плазму можно создавать и внутри самого ускорителя. Источником плазмы может служить электрический разряд, горящий между элек­ тродами Е\ и Ё2, когда между ними идет ток. Для под­ держания разряда надо лишь непрерывно вводить в

межэлектродный промежуток какой-либо газ, который затем в виде плазмы будет выбрасываться из сопла, и тем самым создавать реактивную тягу. Можно, нако­ нец, обойтись вообще без магнитного поля, используя просто высокую температуру плазмы. Как мы видели, электрические дуги типа плазмотрона способны давать значительно большие температуры, чем любая химиче­ ская реакция. Если разогреть рабочий газ в пламени та­ кой дуги и выбросить его через сопло космического дви­ гателя, можно получить скорости истечения существен­ но большие, чем у ракет, работающих на химиче­ ском топливе. Высокие скорости истечения рабочего тела — вот основное преимущество плазменных реактив­ ных двигателей.

Сила тяги ракеты определяется произведением мас­ сы выброшенного вещества на скорость его истечения. Будет ли выброшено много топлива, но с небольшой ско­ ростью, или же немного, но со значительной ско­ ростью — сила тяги останется одинаковой.

Расчеты показывают, что для длительных космиче­ ских полетов на дальние расстояния плазменные реак­ тивные двигатели могут оказаться удобнее ракетных двигателей на химическом топливе: они значительно эко­ номнее расходуют рабочее вещество, предназначенное для выбрасывания из двигателей, и позволяют достичь намного больших скоростей полета.

В лабораториях всего мира сейчас ведутся интенсив­ ные работы по созданию плазменных реактивных двига­

38