有趣的磁流體發(fā)電機(jī)

呂傳彬

將煤粉或其他燃料燃燒，生成2760℃高溫的等離子體，等離子體高速穿過超級磁化的工作管道，與不運(yùn)動(dòng)部件相作用，便產(chǎn)生了電流……

燒一噸煤，怎樣做才能發(fā)出更多的電呢？

一種新的、效率更高的發(fā)電技術(shù)，正在研究與發(fā)展之中，這就是磁流體發(fā)電。美國愛菲爾特研究實(shí)驗(yàn)室在亞瑟·坎特洛維茨博士的主持下，正在進(jìn)行這方面的試驗(yàn)研究工作。在實(shí)驗(yàn)室里，一臺磁流體發(fā)電機(jī)已經(jīng)安裝好了，它大小如同一輛大轎車，周身布滿管道和電線，中央是凸起的水冷式磁鐵。運(yùn)行時(shí)，發(fā)出震耳的嗡嗡聲。它已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了連續(xù)運(yùn)行250小時(shí)無故障。

坎特洛維茨博士指出，這種發(fā)電技術(shù)富有生命力，它能將燃料（煤、石油、天然氣等）中50%以上的化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔埽蛉藗冚斔透嗟碾娏Α?/p>

不運(yùn)動(dòng)部件

通常的發(fā)電，都是使導(dǎo)體在磁場內(nèi)運(yùn)動(dòng)以產(chǎn)生電流。在普通發(fā)電機(jī)中，導(dǎo)體是銅線繞組。用蒸汽（或水力、風(fēng)力）去驅(qū)動(dòng)與發(fā)電機(jī)相連的汽輪機(jī)（或水輪機(jī)、風(fēng)車），再帶動(dòng)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子來發(fā)電。而在磁流體發(fā)電機(jī)中，卻只有不運(yùn)動(dòng)部件。磁流體發(fā)電的原理是這樣的：將某種氣體加熱到數(shù)千攝氏度的高溫，使氣體原子的外層電子完全同原子脫離，形成陽離子和自由電子。當(dāng)這種能導(dǎo)電的氣體流經(jīng)磁場時(shí)，陽離子和自由電子便分離開來——分別被管道兩側(cè)的陰電極和陽電極所俘獲。如果用導(dǎo)線將電極連通，導(dǎo)線中便有電流通過，經(jīng)直流一交流轉(zhuǎn)換器將直流電變成交流電后，即可送給用戶。

這種簡易的發(fā)電過程很引人注意。首先，它取消了運(yùn)動(dòng)部件，從而使發(fā)電機(jī)構(gòu)造簡單化并減少故障。其次，和普通發(fā)電裝置相比，它的發(fā)電效率要高得多。現(xiàn)代的普通發(fā)電廠要經(jīng)過一系列復(fù)雜而笨拙的能量轉(zhuǎn)換過程：先將燃料燃燒，使其中的化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?然后，再用這種熱能使水沸騰變成蒸汽，產(chǎn)生動(dòng)能，驅(qū)動(dòng)汽輪機(jī)做功，熱能便轉(zhuǎn)化為機(jī)械能;最后，汽輪機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，產(chǎn)生了電流，于是，機(jī)械能變成了電能。可見，將燃料變?yōu)殡娨?jīng)過化學(xué)能一熱能一機(jī)械能一電能一系列能量轉(zhuǎn)換過程，而每一步都要消耗掉一定的能量。

每噸燃料中含有一定量的化學(xué)能。由于受物理學(xué)規(guī)律的支配，釋放這種化學(xué)能的熱循環(huán)效率，要受到循環(huán)中最熱區(qū)域與最冷區(qū)域之間的溫差的限制。溫差越大，則效率越高。現(xiàn)代的高溫發(fā)電廠，產(chǎn)生的過熱蒸汽，溫度高達(dá)538℃左右。即使到了這樣的水平，所達(dá)到的最高發(fā)電效率，也只有35%。

磁流體發(fā)電機(jī)巧妙地避開了這種局限性，因?yàn)樗静皇且环N熱機(jī)。它簡單地把氣體加熱，使它成為導(dǎo)電氣體，流過磁場。由于這個(gè)系統(tǒng)是直接從運(yùn)動(dòng)氣體得到電能，所以它內(nèi)在的發(fā)電效率是非常高的。

再有，等離子體氣流在將部分動(dòng)能轉(zhuǎn)變成電能后，溫度仍然很高，仍然可以用來使水沸騰，可以驅(qū)動(dòng)一臺普通發(fā)電機(jī)。這種磁流體發(fā)電機(jī)和汽輪發(fā)電機(jī)聯(lián)合機(jī)組，能夠使燃料化學(xué)能的50%～60%轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔堋?/p>

不過，磁流體發(fā)電原理的單純和實(shí)踐的繁難恰好形成鮮明的對照。伴隨它的優(yōu)點(diǎn)而產(chǎn)生的是一大堆技術(shù)問題。不然，它為什么沒有立即投入生產(chǎn)，為人們提供大量的電力呢？

磁流體發(fā)電機(jī)工作原理

平行金屬板A、B之間有很強(qiáng)的勻強(qiáng)磁場，一束等離子體（高溫下電離的氣體，含有大量帶正、負(fù)電的微粒，整體來說呈中性）噴入磁場，帶電的微粒在磁場力作用下發(fā)生偏轉(zhuǎn)，聚集在A、B兩塊金屬板上，產(chǎn)生電壓。

為了使氣體電離，必須要有2760℃以上的高溫。要做到這一點(diǎn)，就需要將煤炭粉碎，送人特制的燃燒室內(nèi)燃燒。可是，電離了的氣體，雖說是導(dǎo)體，其導(dǎo)電性能卻不足以進(jìn)行有效的電力生產(chǎn)。要進(jìn)行有效的電力生產(chǎn)，還需要加入鉀、銫等金屬離子。于是，電離了的含有鉀鹽顆粒的氣流，以接近聲速的高速，穿過裝在磁場中的由電極組成的矩形管道而產(chǎn)生了電。但電極也隨之遭到了腐蝕……

電極的壽命

到目前為止，磁流體發(fā)電機(jī)面臨的最大問題是電極的腐蝕。溫度高達(dá)2760℃的等離子體，以接近聲速的高速噴射，能使任何經(jīng)久耐用的電極材料迅速腐蝕。總不能建造一座三天兩頭就得停產(chǎn)大修的發(fā)電廠吧！如今，這所實(shí)驗(yàn)室在解決電極腐蝕問題方面，已經(jīng)取得了巨大的成績。坎特洛維茨博士指出，磁流體發(fā)電機(jī)實(shí)現(xiàn)了220千瓦穩(wěn)定輸出，連續(xù)運(yùn)行了250小時(shí)，“這是一個(gè)很有意義的實(shí)驗(yàn)，離電力工業(yè)部門對它感興趣的日子已經(jīng)不遠(yuǎn)了”。為了模擬燃燒的煤粉，這所實(shí)驗(yàn)室采用摻有灰塵與碳酸鉀顆粒的燃料油做燃燒實(shí)驗(yàn)。他們采用覆蓋了約0.5毫米厚鉑層的銅板做陽極，覆蓋了約1.6毫米厚鎢鋼合金層的銅板做陰極。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，這種電極沒有受到任何損傷。

不同的循環(huán)系統(tǒng)

愛菲爾特實(shí)驗(yàn)室的磁流體發(fā)電機(jī)的發(fā)電屬于開放式循環(huán)系統(tǒng)，即工作流體（含鉀鹽的煤氣）單程穿過工作管道之后，就被排放出去。而通用電氣公司空間科學(xué)實(shí)驗(yàn)室所采用的方法截然不同。那里的磁流體發(fā)電機(jī)的發(fā)電系統(tǒng)屬于封閉式循環(huán)系統(tǒng)。那里用的工作流體是氬氣，它被加熱后，穿過位于一個(gè)封閉式回路中的工作管道，不斷循環(huán)使用。采用封閉式循環(huán)的發(fā)電廠最終可以與原子反應(yīng)堆聯(lián)合使用，以提高發(fā)電過程的熱效率。封閉式循環(huán)有兩大優(yōu)點(diǎn)：（1）可以在較低的溫度下有效地工作，只需要1650℃的溫度，而開放式循環(huán)則需要2760℃的高溫;（2）所用的氣體（氬氣）腐蝕性較小，從而使電極腐蝕不再是一個(gè)嚴(yán)重的問題。

這兩個(gè)系統(tǒng)的不同之處在于：開放式循環(huán)系統(tǒng)面臨的一個(gè)主要問題是材料問題，而封閉式系統(tǒng)在材料費(fèi)用方面比較節(jié)約。封閉式系統(tǒng)溫度較低，減輕了電極的負(fù)擔(dān)。但維持氬氣純度所需的費(fèi)用較高。這就向工程技術(shù)人員提出了新的問題。

強(qiáng)大的磁場

磁流體發(fā)電機(jī)需要一個(gè)極為強(qiáng)大的磁場。愛菲爾特實(shí)驗(yàn)室的磁流體發(fā)電機(jī)，它的工作管道就安放在一個(gè)巨大的水冷式磁鐵中。人們都認(rèn)為，企業(yè)規(guī)模的發(fā)電機(jī)必須使用超導(dǎo)磁鐵。這種磁鐵只能由繞組在溫度接近絕對零度、電阻完全消失了的金屬上取得。它可以產(chǎn)生高強(qiáng)磁場，而能量消耗幾乎為零。美國已經(jīng)投資700萬美元建造一個(gè)長24尺、高14尺的超導(dǎo)磁鐵。它能產(chǎn)生磁流體發(fā)電機(jī)所需要的高密度磁場。

（編輯 文墨）