Как используется плазма в альтернативной энергетике31.03.2023 19:17

В сфере экологичных энергетических технологий упор как правило делается на энергию солнца и ветра. Тем временем правительства многих стран вкладывают огромные суммы в развитие контролируемого термоядерного синтеза и плазменной энергетики. Плазма — четвёртное состояние вещества — используется или могла быть использована в самых разных проектах. Какие-то из них так и не удалось воплотить из-за недостаточного количества нужных материалов, а какие-то открывают перед человечеством новые перспективы. 

В чём особенность плазмы 

Плазмой называют ионизированный газ. Он состоит из смеси нейтральных атомов и заряженных электронов и ионов. В таком состоянии атомы или молекулы газа более активны, так как на их электронных оболочках много свободных мест — это облегчает взаимодействие с другими материалами и веществами. 

Чтобы газ стал ионизированным, нужно его нагреть или облучить. Как правило, используется электрический газовый разряд. Сложности возникают при изготовлении электродов и других элементов, которые нужны для реализации механизма. Нужны устойчивые к высоким температурам металлы — бериллий (становится радиоактивным при перегреве), торий (выделяет токсичные вещества), а также гафний и цирконий. 

Плазма разогревается до огромных температур, которые могут превышать температуру в ядре Солнца. Мысли об использовании этого типа вещества появлялись ещё в начале XX века, но реализация стала возможна гораздо позже. 

Термоядерный синтез

Энергию плазмы можно использовать, если в контролируемой и намагниченной среде происходит ядерный синтез. По подобному типу существуют звёзды (во вселенной вообще большая часть вещества существует именно в виде плазмы). Генераторы такого типа иногда называют захватом звезды в банку. 

Многие методы использования термоядерного синтеза являются абсолютно экологичными или даже дают полезные выбросы. На изучение возможностей использования плазмы в энергетике правительства самых разных стран затрачивают огромные ресурсы. Некоторые даже считают, что плазма может стать основным источником энергии в будущем. 

Пока что все исследования в этой области скорее теоретические. На банальный запуск устройств, позволяющих проводить контролируемые термоядерные реакции, нужно огромное число электроэнергии и других ресурсов. Выделенная энергия не оправдывает затраты, а поддерживать плазму в стабильном состоянии удаётся всего несколько минут. Однако в теории использование уже известных технологий, в том числе подхода токамака, может привести к появлению на земле практически неисчерпаемого и при этом совершенно экологичного источника энергии. 

Один из крупнейших плазменных реакторов, Англия

Одним из последних значимых событий в этой области стал запуск «искусственного солнца» в Китае, которое достигло температуры в 75 млн градусов Цельсия. Считается, что эта разработка обошлась в 1 трлн долларов.  Это не первое устройство подобного типа и масштаба, но одно из самых успешных. Температура, которой смогли достичь, превысила температуру солнечного ядра в 5 раз. Другие разработки включают в себя:

1. Международный экспериментальный термоядерный реактор во Франции (ITER). Начинать эксперименты с плазмой там планируют только в 2025 году;  

2. Токамак Alcator C-Mod в Массачусетском технологическом институте. При его помощи уже удалось достичь температуры в 35 млн градусов Цельсия. Проект перестал финансироваться в пользу ITER;

3. Wendelstein 7-X fusion energy, Германия. Это стелларатор со сверхпроводящими катушками, позволяющими длительно поддерживать стабильность вещества в четвертом состоянии. Плазма этого устройства достигает температуры в 80 млн градусов Цельсия, а в качестве отходов производит гелий. 

4. Реактор KSTAR в Национальном институте термоядерных исследований в Южной Корее. Достигнутая температура — 300 млн градусов Цельсия на протяжении 30 секунд. В целом в стабильном состоянии плазму удалось поддерживать на протяжении 70 секунд. 

Разумеется, это не все разработки. Существует даже обширная критика того, как дорого стоят подобные проекты, так как практических результатов так и не было достигнуто, а в теории для запуска нужны очень труднодоступные материалы и вещества. 

Плазмотроны и МИД-генераторы

Генераторы плазмы — это особые электротехнические конструкции, которые используют для создания плазмы высоковольтную дугу в разреженной газовой среде. Впервые такие устройства появились в 50-х годах прошлого века вместе с возможностью добывать устойчивые к высоким температурам металлы. Высокие температуры были нужны для обработки таких металлов — именно под эту цель создавались первые плазмотроны. Позже технологию также стали применять для получения редких химических элементов. 

Плазмотроны или генераторы плазмы уже используется некоторыми компаниями для решения проблемы загрязнения. Компания Advanced Plasma Power из Великобритании запатентовала технологию Gasplasma. Совмещение газификации и плазменной обработки позволяет из не подвергающихся вторичной переработке отходов сделать топливо. Дополнительно в процессе образуется вещество Plasmarok, продающееся компанией как строительный материал. 

Также существуют МГД-генераторы, основными преимуществами которых в теории является КПД, превышающее таковое у обычных станций. То есть для получения плазмы используют привычные ресурсы, такие как уголь или природный газ, но выработка энергии при этом выше, чем в стандартных генераторах. 

Однако на практике получить МГД с действительно достаточным КПД, который можно было бы использовать промышленно, практически не удаётся. Есть целый набор препятствий:

1. Дефицит и дороговизна жаропрочных материалов;  

2. Сложность с передачей энергии потребителям. Плазмотроны дают только постоянный ток, для реализации которого нужны особые инверторы, создание которых на текущем уровне развития техники затруднительно;  

3. Нужно создавать сверхсильные магнитные поля. Существующие сверхпроводящие магниты недостаточно совершенны. 

Также для достижения действительно высокого КПД плазму нужно разогревать до более высоких температур, чем в существующих генераторах. 

Отдельно задействующие плазму технологии используются в авиапромышленности, особенно для создания высокоскоростных аппаратов. 

Итоги

Использование плазмы в энергетике зачастую называют будущим решением энергетического кризиса, а разработки по важности и сложности ставят на одно место с тёмной материей и антивеществом. Однако пока что реально используются только плазмотроны как специальные устройства для нагрева различных материалов, обработки тугоплавких веществ и получения редких элементов. Это скорее инструменты, чем источники энергии. Плазменные генераторы могут стать реальным источником энергии, но пока что это также только инструмент для исследований и испытаний. 

О сервисе Онлайн Патент

© Habrahabr.ru