有趣的磁流体发电机

吕传彬

将煤粉或其他燃料燃烧，生成2760℃高温的等离子体，等离子体高速穿过超级磁化的工作管道，与不运动部件相作用，便产生了电流……

烧一吨煤，怎样做才能发出更多的电呢？

一种新的、效率更高的发电技术，正在研究与发展之中，这就是磁流体发电。美国爱菲尔特研究实验室在亚瑟·坎特洛维茨博士的主持下，正在进行这方面的试验研究工作。在实验室里，一台磁流体发电机已经安装好了，它大小如同一辆大轿车，周身布满管道和电线，中央是凸起的水冷式磁铁。运行时，发出震耳的嗡嗡声。它已经实现了连续运行250小时无故障。

坎特洛维茨博士指出，这种发电技术富有生命力，它能将燃料（煤、石油、天然气等）中50%以上的化学能转变为电能，向人们输送更多的电力。

不运动部件

通常的发电，都是使导体在磁场内运动以产生电流。在普通发电机中，导体是铜线绕组。用蒸汽（或水力、风力）去驱动与发电机相连的汽轮机（或水轮机、风车），再带动发电机的转子来发电。而在磁流体发电机中，却只有不运动部件。磁流体发电的原理是这样的：将某种气体加热到数千摄氏度的高温，使气体原子的外层电子完全同原子脱离，形成阳离子和自由电子。当这种能导电的气体流经磁场时，阳离子和自由电子便分离开来——分别被管道两侧的阴电极和阳电极所俘获。如果用导线将电极连通，导线中便有电流通过，经直流一交流转换器将直流电变成交流电后，即可送给用户。

这种简易的发电过程很引人注意。首先，它取消了运动部件，从而使发电机构造简单化并减少故障。其次，和普通发电装置相比，它的发电效率要高得多。现代的普通发电厂要经过一系列复杂而笨拙的能量转换过程：先将燃料燃烧，使其中的化学能转变为热能;然后，再用这种热能使水沸腾变成蒸汽，产生动能，驱动汽轮机做功，热能便转化为机械能;最后，汽轮机带动发电机转动，产生了电流，于是，机械能变成了电能。可见，将燃料变为电要經过化学能一热能一机械能一电能一系列能量转换过程，而每一步都要消耗掉一定的能量。

每吨燃料中含有一定量的化学能。由于受物理学规律的支配，释放这种化学能的热循环效率，要受到循环中最热区域与最冷区域之间的温差的限制。温差越大，则效率越高。现代的高温发电厂，产生的过热蒸汽，温度高达538℃左右。即使到了这样的水平，所达到的最高发电效率，也只有35%。

磁流体发电机巧妙地避开了这种局限性，因为它根本不是一种热机。它简单地把气体加热，使它成为导电气体，流过磁场。由于这个系统是直接从运动气体得到电能，所以它内在的发电效率是非常高的。

再有，等离子体气流在将部分动能转变成电能后，温度仍然很高，仍然可以用来使水沸腾，可以驱动一台普通发电机。这种磁流体发电机和汽轮发电机联合机组，能够使燃料化学能的50%～60%转变为电能。

不过，磁流体发电原理的单纯和实践的繁难恰好形成鲜明的对照。伴随它的优点而产生的是一大堆技术问题。不然，它为什么没有立即投入生产，为人们提供大量的电力呢？

磁流体发电机工作原理

平行金属板A、B之间有很强的匀强磁场，一束等离子体（高温下电离的气体，含有大量带正、负电的微粒，整体来说呈中性）喷入磁场，带电的微粒在磁场力作用下发生偏转，聚集在A、B两块金属板上，产生电压。

为了使气体电离，必须要有2760℃以上的高温。要做到这一点，就需要将煤炭粉碎，送人特制的燃烧室内燃烧。可是，电离了的气体，虽说是导体，其导电性能却不足以进行有效的电力生产。要进行有效的电力生产，还需要加入钾、铯等金属离子。于是，电离了的含有钾盐颗粒的气流，以接近声速的高速，穿过装在磁场中的由电极组成的矩形管道而产生了电。但电极也随之遭到了腐蚀……

电极的寿命

到目前为止，磁流体发电机面临的最大问题是电极的腐蚀。温度高达2760℃的等离子体，以接近声速的高速喷射，能使任何经久耐用的电极材料迅速腐蚀。总不能建造一座三天两头就得停产大修的发电厂吧！如今，这所实验室在解决电极腐蚀问题方面，已经取得了巨大的成绩。坎特洛维茨博士指出，磁流体发电机实现了220千瓦稳定输出，连续运行了250小时，“这是一个很有意义的实验，离电力工业部门对它感兴趣的日子已经不远了”。为了模拟燃烧的煤粉，这所实验室采用掺有灰尘与碳酸钾颗粒的燃料油做燃烧实验。他们采用覆盖了约0.5毫米厚铂层的铜板做阳极，覆盖了约1.6毫米厚钨钢合金层的铜板做阴极。实验结果表明，这种电极没有受到任何损伤。

不同的循环系统

爱菲尔特实验室的磁流体发电机的发电属于开放式循环系统，即工作流体（含钾盐的煤气）单程穿过工作管道之后，就被排放出去。而通用电气公司空间科学实验室所采用的方法截然不同。那里的磁流体发电机的发电系统属于封闭式循环系统。那里用的工作流体是氩气，它被加热后，穿过位于一个封闭式回路中的工作管道，不断循环使用。采用封闭式循环的发电厂最终可以与原子反应堆联合使用，以提高发电过程的热效率。封闭式循环有两大优点：（1）可以在较低的温度下有效地工作，只需要1650℃的温度，而开放式循环则需要2760℃的高温;（2）所用的气体（氩气）腐蚀性较小，从而使电极腐蚀不再是一个严重的问题。

这两个系统的不同之处在于：开放式循环系统面临的一个主要问题是材料问题，而封闭式系统在材料费用方面比较节约。封闭式系统温度较低，减轻了电极的负担。但维持氩气纯度所需的费用较高。这就向工程技术人员提出了新的问题。

强大的磁场

磁流体发电机需要一个极为强大的磁场。爱菲尔特实验室的磁流体发电机，它的工作管道就安放在一个巨大的水冷式磁铁中。人们都认为，企业规模的发电机必须使用超导磁铁。这种磁铁只能由绕组在温度接近绝对零度、电阻完全消失了的金属上取得。它可以产生高强磁场，而能量消耗几乎为零。美国已经投资700万美元建造一个长24尺、高14尺的超导磁铁。它能产生磁流体发电机所需要的高密度磁场。

（编辑 文墨）