Файл: Курс лекций для студентов электроэнергетиков Направление подготовки 140400 Электроэнергетика.doc

Следует отметить, что технико-экономические показатели приливной электростанции невысокие. В этом можно убедиться, ознакомившись с работой приливной электростанции, построенной в 1966 г. во Франции на реке Ранс, на берегу Ла-Манша, мощностью 240 тыс. кВт. Стоимость ее строительства обошлась в 2,5 раза дороже обычной гидроэлектростанции такой же мощности. При этом число часов использования установленной мощности этой станции гораздо ниже, чем у ГЭС (годовая выработка составляет около 500 млн. кВтч).

В России c 1968 года действует экспериментальная ПЭС в Кислой губе на побережье Баренцева моря. На 2009 год её мощность составляет 1,7 МВт. На этапе проектирования находится Северная ПЭС мощностью 12 МВт. В советское время были разработаны проекты строительства ПЭС в Мезенской губе (мощность 4 000 МВт) на Белом море, Пенжинской губе и Тугурском заливе (мощностью 8000 МВт) на Охотском море, в настоящее время статус этих проектов неизвестен, за исключением Мезенской ПЭС, включённой в Генеральную схему развития электроэнергетики России [34].

К достоинствам приливных электростанций по отношению к ГЭС следует отнести, прежде всего, независимость выработки от погодных условий и колебаний водности.

3.2.6. Перспективы практического использования управляемой термоядерной реакции

Если рассмотренные выше ядерные реакции представляют собой деление ядер тяжелых элементов, обладающих большим атомным весом, причем инициатором процесса является нейтрон, а ядра делящегося вещества, как говорят физики, служат мишенью, то в термоядерной реакции, при которой происходит синтез ядер легких элементов, все начинается со сближения ядер атомов (как часто говорят, столкновения атомов) на расстояние порядка 10^-13 см [17]. Сближению ядер противостоят электростатические силы отталкивания, так как ядра атомов имеют одинаковый положительный заряд. Чтобы преодолеть эти силы, взаимодействующие частицы должны обладать большой кинетической энергией. Другими словами, вещество должно иметь, в отличие от реакции деления ядер очень высокую температуру (десятки миллионов градусов). Именно поэтому реакция синтеза ядер называется термоядерной. При такой высокой температуре вещество пребывает в плазменном состоянии. Плазма отличается от газа тем, что ее составляют не молекулы и атомы, а ядра атомов и свободные электроны. Важно отметить, что частицы, составляющие плазму, электрически заряжены: ядра атомов – положительно, электроны – отрицательно.

---

Водород имеет три изотопа; протий (Н) – «обычный» водород, ядром которого является протон; дейтерий (D) – более тяжелый водород, его атомное ядро состоит из протона и нейтрона; тритий (Т) – еще более тяжелый водород, его атомное ядро состоит из одного прото­на и двух нейтронов. Атомные массы трех названных изотопов водорода (Н, D, Т) относятся между собой как 1:2:3.

По современным научным представлениям, источником энергии звезд, в том числе нашего Солнца, служит термоядерная реакция, в результате которой водород превращается в гелий (Не) – инертный газ без цвета и запаха, который сжижается труднее всех других газов при t = -268,93 °С. В результате термоядерной реакции превращения водорода в гелий выделяется, огромное количество тепла.

Возможность осуществления в земных условиях термоядерной реакции, для которой исходными веществами служат тяжелые изотопы водорода – дейтерий и тритий, доказана. Именно такая реакция протекает в термоядерной (водородной) бомбе, где она носит характер неуправляемого кратковременного мощного взрыва [17]. Для того чтобы использовать термоядерную реакцию в мирных целях, нужно сделать ее управляемой.Реакция термоядерного синтеза записывается в виде:
+ энергия (17,6 МэВ).
Для исследования этой реакции в мире создано около 300 установок типа «Токамак» (название произошло от сокращения слов «тороидальная камера в магнитном поле»). Нагрев плазмы до высокой температуры осуществляется в них за счет протекания через плазму электрического тока очень большой силы, порядка сотен тысяч ампер. Этот огромный ток возбуждается внешним индуктором. Вследствие электрического сопротивления плазмы образуется «джоулево тепло», плазма нагревается.

Как уже сказано выше, еще более сложной задачей является удержание тепла. Разумеется, не может быть и речи о соприкосновении плазмы со стенкой – на свете нет такого материала, который остался бы цел, (не испарился бы) после такого соприкосновения. В «Токамаках» удержание плазмы производится с помощью магнитного поля. Решающим является то, что плазму составляют частицы, имеющие электрический заряд – ядра атомов и электроны, на которые можно воздействовать магнитным полем. Плазма отжимается магнитным полем к оси канала и не соприкасается с его стенками. Плазма должна иметь необходимую плотность (необходимую концентрацию ядер дейтерия и трития в единице объема), а также достаточное время сохранения (удержания) плазмы. Эти две величины (плотность и время сохранения) связаны между собой: чем выше концентрация, тем меньше необходимое время сохранения, и наоборот.

---

К сожалению, в настоящее время отсутствуют какие-либо значимые результаты исследований, подтверждающие возможность практического использования реакции термоядерного синтеза [17]. Вместе с тем, поскольку при термоядерном синтезе отсутствуют вредные для человека продукты реакции, а энерговыделение, отнесенное к единице массы исходного вещества, примерно в 4 раза больше по сравнению с ядерной реакцией деления U²³⁵, использование в практической энергетике термоядерной реакции представляет большой интерес для науки. Основной задачей при этом является создание управляемой термоядерной реакции.

---

3.2.7. Разработка методов прямого преобразования энергии

Под методом прямого преобразования энергии понимается такое производство электрической энергии из тепловой, при котором число промежуточных ступеней преобразования энергии сокращается или по крайней мере процесс получения электроэнергии из тепловой упрощается [17]. Чаще всего исключается промежуточное превращение тепловой энергии в механическую.

В настоящее время наибольшее распространение из устройств прямого преобразования энергии получили химические источники тока и фотоэлектрические преобразователи. Кроме них существуют еще три основных вида установок прямого преобразования энергии: магнитогидродинамические, термоэлектрические и термоэмиссионные.

Магнитогидродинамический метод преобразования тепловой энергии в электрическую основан на использовании двух типов преобразователей: теплового двигателя, напоминающего газовую турбину, преобразующего теплоту в кинетическую энергию струи газа (продуктов сгорания), и электродинамическую машину, преобразующую кинетическую энергию струи газа в электрическую [1].

На рис.3.13 представлена схема МГД-электростанции открытого цикла, то есть рабочим телом МГД-генератора являются продукты сгорания, которые после прохождения канала и парогенератора выбрасываются в атмосферу.


Рис.3.13. - Схема МГД-электростанции открытого цикла
В МГД-установке в результате сжигания органического топлива (например, природного газа) образуются газообразные продукты сгорания. Необходимо, чтобы их температура была не ниже 2500°С. При этой температуре газ становится электропроводным, переходит в плазменное состояние. Другими словами, происходит ионизация газа: от молекул газа отрываются электроны. Плазма при такой относительно низкой температуре (не меньше 2500 °С) ионизирована лишь частично: она состоит не только из продуктов ионизации – электрически заряженных свободных электронов и ионов (имеющих положительный заряд частиц, образующихся в результате потери молекулой одного или нескольких электронов), но и еще не подвергшихся ионизации молекул. Чем выше температура, тем больше ионизация газа и, следовательно, его электропроводность. При температуре порядка 10 000°С любой газ ионизируется полностью, то есть состоит только из свободных электронов и ядер атомов. Плазма, присутствующая в термоядерных процессах, температура которой измеряется многими миллионами градусов, называется высокотемпературной. Плазма же, используемая в МГД-генераторах и имеющая температуру,

---

измеряемую тысячами градусов, именуется низкотемпературной [10].

Чтобы низкотемпературная плазма продуктов сгорания имела достаточную электропроводность уже при температуре около 2500 °С, к ней необходимо добавить одно из легкоионизирующихся веществ, обычно щелочные металлы: натрий, калий или цезий. Пары этих веществ ионизируются при более низкой температуре.

Плазма с небольшой добавкой легкоионизирующегося вещества при температуре 2600 °С (рис.3.13) поступает в канал МГД-генератора и за счет уменьшения ее тепловой энергии разгоняется там до скорости, близкой к звуковой или даже более высокой. Протекая по каналу, электропроводная плазма пересекает силовые линии специально созданного магнитного поля, имеющего большую индукцию. В соответствии с законами электродинамики в направлении, перпендикулярном и движению потока, и силовым линиям магнитного поля, от одной стенки канала к другой возникнет электрический ток, протекающий через плазму. Электроды, размещенные на противоположных стенках канала, замкнуты на внешнюю цепь.

Из вышеизложенного следует, что принцип работы МГД-генератора не отличается от принципа работы обычного электромеханического генератора. В обоих случаях электрический проводник пересекает силовые линии магнитного поля, в результате чего в проводнике генерируется ЭДС.

Главное преимущество МГД-электростанции в том, что она позволяет получать высокий КПД, который, по-видимому, может достигнуть 50-60% против 40% для лучших ТЭС. Большинство существующих и строящихся в настоящее время опытных и опытно-промышленных МГД-установок рассчитано для работы на газовом топливе.

Другим важным преимуществом МГД-электростанций является их высокая маневренность, создаваемая возможностью полного выключения МГД-ступени.

Основными проблемами, с которыми сталкиваются ученые при разработке промышленных МГД-генераторов

---