有趣的磁流體發電機

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，與不運動部件相作用，便產生了電流……

燒一噸煤，怎樣做才能發出更多的電呢？

一種新的、效率更高的發電技術，正在研究與發展之中，這就是磁流體發電。美國愛菲爾特研究實驗室在亞瑟·坎特洛維茨博士的主持下，正在進行這方面的試驗研究工作。在實驗室里，一臺磁流體發電機已經安裝好了，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。運行時，發出震耳的嗡嗡聲。它已經實現了連續運行250小時無故障。

坎特洛維茨博士指出，這種發電技術富有生命力，它能將燃料（煤、石油、天然氣等）中50%以上的化學能轉變為電能，向人們輸送更多的電力。

不運動部件

通常的發電，都是使導體在磁場內運動以產生電流。在普通發電機中，導體是銅線繞組。用蒸汽（或水力、風力）去驅動與發電機相連的汽輪機（或水輪機、風車），再帶動發電機的轉子來發電。而在磁流體發電機中，卻只有不運動部件。磁流體發電的原理是這樣的：將某種氣體加熱到數千攝氏度的高溫，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。當這種能導電的氣體流經磁場時，陽離子和自由電子便分離開來——分別被管道兩側的陰電極和陽電極所俘獲。如果用導線將電極連通，導線中便有電流通過，經直流一交流轉換器將直流電變成交流電后，即可送給用戶。

這種簡易的發電過程很引人注意。首先，它取消了運動部件，從而使發電機構造簡單化并減少故障。其次，和普通發電裝置相比，它的發電效率要高得多。現代的普通發電廠要經過一系列復雜而笨拙的能量轉換過程：先將燃料燃燒，使其中的化學能轉變為熱能;然后，再用這種熱能使水沸騰變成蒸汽，產生動能，驅動汽輪機做功，熱能便轉化為機械能;最后，汽輪機帶動發電機轉動，產生了電流，于是，機械能變成了電能。可見，將燃料變為電要經過化學能一熱能一機械能一電能一系列能量轉換過程，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能。由于受物理學規律的支配，釋放這種化學能的熱循環效率，要受到循環中最熱區域與最冷區域之間的溫差的限制。溫差越大，則效率越高。現代的高溫發電廠，產生的過熱蒸汽，溫度高達538℃左右。即使到了這樣的水平，所達到的最高發電效率，也只有35%。

磁流體發電機巧妙地避開了這種局限性，因為它根本不是一種熱機。它簡單地把氣體加熱，使它成為導電氣體，流過磁場。由于這個系統是直接從運動氣體得到電能，所以它內在的發電效率是非常高的。

再有，等離子體氣流在將部分動能轉變成電能后，溫度仍然很高，仍然可以用來使水沸騰，可以驅動一臺普通發電機。這種磁流體發電機和汽輪發電機聯合機組，能夠使燃料化學能的50%～60%轉變為電能。

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

磁流體發電機工作原理

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

為了使氣體電離，必須要有2760℃以上的高溫。要做到這一點，就需要將煤炭粉碎，送人特制的燃燒室內燃燒。可是，電離了的氣體，雖說是導體，其導電性能卻不足以進行有效的電力生產。要進行有效的電力生產，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，磁流體發電機面臨的最大問題是電極的腐蝕。溫度高達2760℃的等離子體，以接近聲速的高速噴射，能使任何經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大修的發電廠吧！如今，這所實驗室在解決電極腐蝕問題方面，已經取得了巨大的成績。坎特洛維茨博士指出，磁流體發電機實現了220千瓦穩定輸出，連續運行了250小時，“這是一個很有意義的實驗，離電力工業部門對它感興趣的日子已經不遠了”。為了模擬燃燒的煤粉，這所實驗室采用摻有灰塵與碳酸鉀顆粒的燃料油做燃燒實驗。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。實驗結果表明，這種電極沒有受到任何損傷。

不同的循環系統

愛菲爾特實驗室的磁流體發電機的發電屬于開放式循環系統，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實驗室所采用的方法截然不同。那里的磁流體發電機的發電系統屬于封閉式循環系統。那里用的工作流體是氬氣，它被加熱后，穿過位于一個封閉式回路中的工作管道，不斷循環使用。采用封閉式循環的發電廠最終可以與原子反應堆聯合使用，以提高發電過程的熱效率。封閉式循環有兩大優點：（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嚴重的問題。

這兩個系統的不同之處在于：開放式循環系統面臨的一個主要問題是材料問題，而封閉式系統在材料費用方面比較節約。封閉式系統溫度較低，減輕了電極的負擔。但維持氬氣純度所需的費用較高。這就向工程技術人員提出了新的問題。

強大的磁場

磁流體發電機需要一個極為強大的磁場。愛菲爾特實驗室的磁流體發電機，它的工作管道就安放在一個巨大的水冷式磁鐵中。人們都認為，企業規模的發電機必須使用超導磁鐵。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。它可以產生高強磁場，而能量消耗幾乎為零。美國已經投資700萬美元建造一個長24尺、高14尺的超導磁鐵。它能產生磁流體發電機所需要的高密度磁場。

（編輯 文墨）