Научно- ж
Популярная
ИБЛИОТЕКА
ВОЕННОГО ИЗДАТЕЛЬСТВА

Л. В. ВИНОГРАДОВ

ЭНЕРГЕТИКА

ЗАВТРАШНЕГО ДНЯ

ВОЕННОЕ ИЗДАТЕЛЬСТВО
МИНИСТЕРСТВА ОБОРОНЫ СССР
МОСКВА — 1965

УДК 620.92(023) : 656.61

Виноградов Л. В.

ЭНЕРГЕТИКА ЗАВТРАШНЕГО ДНЯ

В этой небольшой книжке показаны основные направления раз­
вития энергетики ближайшего будущего, представляющие интерес
для военного дела, транспорта и некоторых других отраслей тех­
ники. Из нее читатель узнает о принципах и способах прямого пре­
образования тепловой и химической энергии в электрическую с по­
мощью термоэлектронных, термоэлектрических и магнитогидродина­
мических генераторов, а также с помощью топливных элементов.
Узнает он и о путях реализации этих способов в различных обла­
стях техники.
Книга рассчитана на широкий круг читателей.

Наиболее важными являются сле­
дующие задачи: ...открытие новых
источников энергии и способов пря­
мого преобразования тепловой, ядерной, солнечной и химической энергии
в электрическую...
(Из Программы КПСС)

ЭНЕРГЕТИКА СЕГОДНЯ И ПУТИ
В ЭНЕРГЕТИКУ БУДУЩЕГО
1

О существовании островов Тристан-да-Кунья боль­
шинство читателей впервые узнало из увлекательной
книги Жюля Верна «Дети капитана Гранта».
Разыскивая пропавшего капитана, герои этой книги
шли на яхте «Дункан» в южной части Атлантического
океана, и в точке, обозначенной на географических кар­
тах под 37°8' южной широты и
западной долготы,
они увидели несколько маленьких гористых островков.
«Дункан» стал на якорь в полумиле от берега, и путе­
шественники на шлюпке направились к небольшому по­
селку, расположенному недалеко от подножия высокого
вулкана на самом большом островке, по имени которого
назывался и весь крохотный архипелаг.
Угрюмые и суровые островки расположены вдали от
больших морских дорог, жители их почти никогда не
покидали родной земли, а письма шли туда иногда по
нескольку лет. Мир, занятый своими важными делами,
редко вспоминал о затерянных в огромном океане ска­
лах, над которыми развевался британский флаг. Жизнь
тристанцев текла размеренно и спокойно, и один год по­
ходил на другой, как походят одна на другую океанские
волны, приходящие к скалистым берегам Тристана.
Но в 1961 году спокойная жизнь острова была вне­
запно нарушена пробудившимся от вековой спячки вул­
каном. Потоки лавы, летящие камни, подземный рокот,
трещины, появившиеся на земле, — все это заставило
островитян покинуть Тристан и искать спасения в океа­
не. Жители острова, которых было всего 264 человека,
1*

3

10 октября 1961 года сели в баркасы и отошли подаль­
ше от грозившей смертью земли. Вскоре их подобрало
проходившее судно, которое взяло курс к берегам
Англии.
Когда команда судна познакомилась с подобранными
в океане людьми, то оказалось, что на борту находятся
очень странные пассажиры. Они лишились не только
крова, под которым спали, не только земли, по которой
ходили, но и времени, в котором до тех пор они жили.
Несколько миль, пройденные на баркасах от острова до
судна, одновременно перенесли тристанцев из первой
половины XIX века во вторую половину XX столетия!
Оказалось, что эти подданные цивилизованной Англии
отстали от нашего времени более чем на столетие. Они
говорили на одряхлевшем английском языке (один из
основателей тристанской общины — Томас Гласс — был
родом с Британских островов) и никогда не видели вы­
соких деревьев и обычных городских тротуаров, самоле­
тов и автомобилей, радиоприемников и телевизоров.
Удивительно? Да! Но не будем брать под сомнение
это сообщение. У нас другая задача. Допустим, что
спасенные островитяне в самом деле очень многого не
видели и не знают. И вот они попадают в мир совре­
менной техники, техники шестидесятых годов XX века!
В этом мире едва ли островитяне сразу же стали
удивляться достижениям человечества в области поко­
рения космоса, расщепления атомного ядра или созда­
ния «думающих» машин. Такие вещи не сразу можно
увидеть, понять и оценить. Но что же тогда могло пре­
жде всего поразить тристанцев в мире современной
техники?
Очевидно, что первоначально удивление и восхище­
ние тристанцев должно было вызвать то самое судно,
которое подобрало их в океане.
Тристанцев должна была поразить-современная энер­
гетическая установка, с помощью которой целый плаву­
чий город на большой скорости рассекал воды Атлан­
тики и которая питала энергией многочисленные устрой­
ства и системы судна. Энергетическая установка не
только освещала и обогревала судно. Она давала воз­
можность на камбузе варить и жарить пищу, а в рефри­
жераторных камерах позволяла поддерживать зимнюю
стужу, при которой оставались свежими продукты. Она

4

же давала жизнь сотням электродвигателей, навига­
ционным приборам, аппаратуре радиосвязи и многим
другим устройствам, о которых тристанцы даже не име­
ли и понятия.
Еще больше должны были удивиться тристанцы, ко­
гда спасшее их судно вошло в порт. Ведь они попали в
настоящее царство самодвижущихся предметов. Повора­
чивались гигантские хоботы подъемных кранов, по воде
сновали бесчисленные буксиры и катера, в небе проно­
сились самолеты, а по набережным непрерывным пото­
ком шли автомобили самых различных размеров, рас­
цветок и назначения.
Тристанцам, вероятно, объяснили, что все эти само­
леты, суда, краны, автомобили и многое, многое другое
летает по воздуху, плавает по воде и передвигается по
земле, а также выполняет полезную работу благодаря
устройствам, которые называются двигателями.
При виде таких чудес тристанцы должны были по­
нять, как далеко шагнуло вперед человечество в этой
области. И вполне естественно, если некоторые из них
подумали, что современная техника уже всего достигла.
А так ли это на самом деле?
2

Не будем рассказывать об истории развития двига­
телей от древнейших времен до наших дней. Рассмот­
рим сегодняшний двигатель.
Прежде всего вспомним, что двигателями называют
машины, служащие для преобразования различных ви­
дов энергии в механическую энергию, в полезную рабо­
ту. Двигатели бывают первичными и вторичными. Пер­
вичные двигатели преобразуют энергию природных
источников (топлива, ветра, движущейся воды), а вто­
ричные используют энергию, получаемую от первичных
двигателей. К первичным относятся тепловые, гидравли­
ческие и ветряные двигатели. Вторичные — это электри­
ческие двигатели и двигатели, работающие на сжатом
воздухе.
Какие же двигатели применяются, допустим, на со­
временных кораблях? Давно миновала эпоха гребного, а
затем и парусного флота. Гребные шлюпки служат те­
перь почти только для развития у моряков крепкой
мускулатуры и выносливости. В основном для учебных
5

целей используют и немногие в наши дни парусные
суда. Основной тип двигателя на современных кораблях
и судах — тепловой. В нем химическая энергия топлива
преобразуется в тепловую энергию, которая тем или
иным способом превращается в механическую работу.
Если необходимо получить электроэнергию, то ее полу­
чают преобразованием механической работы.
Современные атомные энергетические установки ко­
раблей принципиально ничем не отличаются от других
тепловых двигателей. Только тепловая энергия полу­
чается в них не за счет сжигания мазута или бензина,
а в результате ядерных реакций.
Из энергетических установок современных кораблей
есть смысл рассмотреть котлотурбинные, дизельные,
газотурбинные и атомные. Двигатели внутреннего сго­
рания, работающие на легком топливе (бензине), на
кораблях более или менее значительного водоизмеще­
ния почти не применяются. Не следует останавливаться
и на установках с паровыми машинами. Такие установ­
ки, хотя еще и есть на многих судах, менее экономичны,
чем паровые турбины, и наименее совершенны из всех
тепловых машин.
Начнем с котлотурбинной установки. Основными эле­
ментами ее являются паровой котел, главная паровая
турбина и главный конденсатор, а также различные
вспомогательные механизмы.
Каким же образом химическая энергия топлива пре­
образуется в такой установке в механическую работу?
Из цистерн, в которых размещается топливо (обычно
мазут) на корабле, оно топливными насосами подается
в топку котла. В топке мазут сгорает, и в процессе го­
рения его химическая энергия преобразуется в тепловую.
Эго тепло передается воде, находящейся в котле. Вода
испаряется, и в кстле образуется пар, обладающий за­
пасами потенциальной энергии, которые зависят от тем­
пературы и давления пара. По главному паропроводу
этот пар подается из котла к турбине (для простоты
рассмотрим только один из существующих типов тур­
бин) . В специальных устройствах — соплах — потенци­
альная энергия пара, находящегося под значительным
давлением, преобразуется в кинетическую энергию его
струи, вытекающей из сопел со значительной скоростью.
На лопатках, укрепленных на роторе турбины, кинети­
6

ческая энергия струи пара превращается в механиче­
скую работу, создавая определенный крутящий момент,
который с помощью валопровода передается на винт ко­
рабля. Отработавший в турбине пар поступает в глав­
ный конденсатор, где охлаждается забортной водой.
Этот пар превращается в воду (конденсат), которая
возвращается в котел.
Если заставить турбину вращать электрогенератор,
то механическая энергия будет преобразовываться в
электрическую.
Как видим, процесс получения механической энер­
гии из химической энергии топлива при помощи котло­
турбинной установки весьма сложен. Во-первых, он
требует промежуточных преобразований энергии. Вовторых, конструктивное оформление таких установок
получается весьма громоздким.
Другой вид теплового двигателя — двигатель внут­
реннего сгорания (дизель). У таких двигателей преобра­
зование химической энергии топлива в тепловую (сгора­
ние топлива), а также последующие преобразования
тепловой энергии в потенциальную энергию давления га­
зов и получение в результате этого механической работы
происходят в одном месте — в цилиндре двигателя.
В цилиндр подается топливо и необходимый для его го­
рения воздух. Тепло, выделившееся при сгорании топли­
ва, нагревает продукты горения — газы. Газы расширя­
ются и толкают поршень, производя тем самым механи­
ческую работу. Возвратно-поступательное движение пор­
шня с помощью шатунно-кривошипного механизма пре­
образуется во вращательное движение коленчатого вала.
Двигатели внутреннего сгорания принципиально
проще паросиловых установок. Здесь нет промежуточ­
ного рабочего тела — пара, получение которого требует
дополнительного оборудования (котла, конденсатора,
паропроводов и т. д.) и ведет к излишним потерям энер­
гии. Однако и в двигателях внутреннего сгорания име­
ются промежуточные преобразования энергии и преоб­
разования одного вида движения в другое.
После второй мировой войны на военных кораблях
и торговых судах стал применяться новый тип двига­
теля — газовая турбина. В камеру сгорания такого дви­
гателя подаются топливо и воздух. Химическая энергия
топлива преобразуется в потенциальную энергию давле­
7

ния газов, которые затем поступают к проточной части
(соплам и лопаткам) турбины. Там потенциальная энер­
гия преобразуется в кинетическую, а последняя — в ме­
ханическую работу.
Такова схема работы простейшей газовой турбины.
Но и в более сложных установках сохраняются в основ­
ном те же самые промежуточные преобразования энер­
гии. По своему конструктивному оформлению газотур­
бинная установка является весьма сложным агрегатом,
предъявляющим очень высокие требования к материа­
лам, особенно идущим на изготовление проточной части.
Коротко остановимся на атомных энергетических
установках.
Основное отличие атомных установок от других энер­
гетических установок состоит в том, что в них в каче­
стве источника энергии применяется ядерное горючее.
При расщеплении этого горючего выделяется огромное
количество энергии, во много раз больше, чем при
сгорании того же количества обычного топлива. На­
пример, при расщеплении 1 кг урана-235 'выделяется
86 млрд, кдж * тепла, тогда как при сжигании 1 кг ка­
менного угля можно получить только 29,3 тыс. кдж, а
при сжигании 1 кг мазута — 41,4 тыс. кдж.
Расщепление ядерного горючего происходит в специ­
альном устройстве — атомном реакторе. Выделяющееся
при этом тепло нагревает циркулирующий через реактор
теплоноситель. В качестве последнего используют воду
под большим давлением, можно также применять неко­
торые металлы в расплавленном виде или газы. Нагре­
тый теплоноситель подается в парогенератор.
Парогенератор, по сути дела, — обыкновенный паро­
вой котел. Только нагрев и испарение воды в нем про­
исходят благодаря теплу, которое приносит теплоноси­
тель из реактора.
На этом, собственно1 говоря, и кончается атомная
энергетика. Дальше идет обычная паровая турбина, ра­
ботающая на паре, образующемся в парогенераторе.
Таким образом, отличие обычной котлотурбинной
установки от так называемой атомной состоит только1 в
источнике тепла, идущего на испарение воды. В атом­
* В СССР с 1963 года введена Международная система единиц
СИ, в которой количество тепла измеряется в джоулях (дж) или
килоджоулях (кдж)', 1 ддж=0,24 ккал.

8

ной установке также сохраняются промежуточные пре­
образования энергии, а по конструкции она сложнее
обычной.
Из рассмотрения основных типов корабельных энер­
гетических установок видно, что все они требуют про­
межуточных преобразований энергии и сложны по кон­
струкции. Но может быть это оправдано высокой
экономичностью установок? Рассмотрим цифры, харак­
теризующие коэффициент полезного действия перечис­
ленных выше энергетических установок.
Коэффициент полезного действия стационарных кот­
лотурбинных установок с конденсацией пара достигает
28—32%, у транспортных установок к. п.д. несколько
ниже и не превышает 22—25%.
У двигателей внутреннего сгорания высокого сжатия
к. п. д. достигает 37—41%.
Газотурбинные установки сложных схем могут иметь
к. п. д. 26—29%, а некоторые даже свыше 30%.
Коэффициент полезного действия первой в мире со­
ветской атомной электростанции — около 17%. Для бо­
лее совершенных установок к. п.д. может достигать
25—27%. При это-м необходимо иметь в виду, что при­
веденные цифры характеризуют только полезное ис­
пользование тепловой энергии, выделенной в реакторе.
Если же брать коэффициент полезного действия не по
теплу, а по использованию собственно атомной энергии,
то он равен примерно 0,1%.
Оказывается не так уж хороши наши двигатели, если
только сравнительно небольшую часть содержащейся в
топливе энергии они преобразуют в полезную работу, а
вся остальная энергия пропадает без пользы.
В чем же дело? Может быть, инженеры недоста­
точно хорошо продумали их конструкцию? Оказывается,
дело не в этом. Современные тепловые энергетические
установки и так достаточно отработаны. Тепловые схе­
мы и конструкции их тщательно рассчитаны и испытаны
в работе. Можно, конечно, внести еще кое-какие улуч­
шения, но и они не дадут резкого увеличения экономич­
ности. Речь может идти только о единицах, а то и о де­
сятых долях процента.
Чтобы понять причины этого, надо обратиться к тер­
модинамике, которая освещает вопросы, связанные с
превращением тепловой энергии в механическую работу.
2

Л. В. Виноградов

9

В основе термодинамики лежат два принципа, или
закона. Первый закон устанавливает количественную за­
висимость между тепловой энергией и механической ра­
ботой при их взаимных преобразованиях. Первый закон
можно выразить следующим образом: при взаимных
превращениях определенному количеству тепловой энер­
гии соответствует вполне определенное количество меха­
нической работы и наоборот.
Второй закон термодинамики определяет условия,
при которых тепловая энергия может быть преобразо­
вана в механическую работу. Получить работу за счет
теплоты возможно только при переходе тепла от тела
с -более высокой температурой к телу с более низкой
температурой. При этом нельзя превратить все тепло
горячего источника в механическую работу. Для того
чтобы выполнить это, потребовалось бы вести процесс
охлаждения до полного прекращения теплового движе­
ния молекул, т. е. до температуры 0°К
,
*
что практиче­
ски невозможно.
Рассмотрим для примера работу паросиловой уста­
новки. Горячий источник—паровой котел, холодный
источник, или приемник тепла, — главный конденсатор.
Рабочим телом служит водяной пар. В котле пар полу­
чает определенное количество тепла, которое обозна­
чим Qi. При поступлении пара в турбину часть тепла
будет преобразована в механическую работу, а осталь­
ное тепло будет унесено паром в конденсатор. Количе­
ство тепла, унесенное паром в конденсатор, обозна­
чим Q2. Тогда количество тепла, преобразованное в тур­
бине в механическую работу, будет равно Qi — Q2. Все
тепло в механическую работу превратить невозможно.
Поэтому коэффициент полезного действия тепловой
машины не может быть равен единице, а всегда мень­
ше ее.
Из термодинамики известно, что идеальным термо­
динамическим циклом тепловой машины является цикл
Карно. Если машина будет работать по- этому циклу, то
тепло будет наиболее полно преобразовываться в меха­
ническую работу. Необходимо помнить, что действитель­
ные тепловые машины работают по циклам, отличаю­
* В Международной системе единиц СИ температура измеряет­
ся в градусах Кельвина; 0° К=—273° С.

10

щимся от идеального', и экономичность этих циклов
всегда ниже, чем у цикла Карно.
Тепловой к. п.д. цикла Карно определяется выраже­
нием

Л=21 = 1_ Л
Л
Л

где
и Т2— температуры в градусах Кельвина источ­
ника и приемника тепла, т. е. температуры, в пределах
которых работает данная машина.
Из этого выражения можно сделать следующие вы­
воды:
— тепловой к. п.д. цикла Карно не зависит от при­
роды рабочего тела, а определяется только значениями
температуры источника и приемника тепла;
— для повышения теплового к. п. д. цикла Карно
следует увеличивать температуру 7\ и уменьшать темпе­
ратуру Т2;
— тепловой к. п. д. цикла Карно может быть равен
единице только при
= оо или Т2 = 0, что практически
неосуществимо.
Из всего сказанного о современном состоянии тепло­
вых двигателей следует, что положение в данной обла­
сти не так уж блестяще, как это могло показаться быв­
шему жителю островов Тристан-да-Кунья.
Двигатели сложны по конструкции, недостаточно
экономичны, и простым их усовершенствованием добить­
ся коренных изменений в этой области невозможно.
Сама природа тепловых двигателей предполагает неиз­
бежность потерь с уходящим из двигателя теплом.
Кроме того, промежуточные преобразования энергии
также вызывают дополнительные потери. Да еще трение,
утечки рабочего вещества через неплотности, накипь,
нагарообразование и прочие неприятности, неизбежные
при эксплуатации. Вот и получается, что больше поло­
вины содержащейся в топливе энергии в современных
двигателях так и не преобразуется в полезную работу,
а идет на совершенно бесполезное дело—подогрев
окружающего воздуха или забортной воды.
Специалисты пришли к выводу, что способы преоб­
разования энергии топлива в полезную работу, которые
применяются в настоящее время, еще очень далеки от
совершенства. И не только из-за низкой экономичности.
2*

11

Иногда с этим можно было бы смириться. Но уж очень
сложен и многоступенчат процесс преобразования энер­
гии в современных установках. Отсюда и сложность
конструкции. Трубопроводы, зубчатые передачи, клапа­
ны, сальники, десятки подшипников. Попробуйте,
оставьте все это надолго без ухода. А сколько шума,
вибраций, дыма и других неприятностей...
Но какой же выход из этого положения?
3

Когда убедились, что современные тепловые двига­
тели страдают рядом крупных, органически им прису­
щих дефектов и дальнейшее усовершенствование этих
двигателей не может коренным образом улучшить их
показатели, стали искать выход из создавшегося поло­
жения.
Особенно интенсивно эти поиски проводятся в по­
следние годы. И не только потому, что лишь теперь
вскрылись недостатки существующих тепловых двига­
телей. Нет! Недостатки были видны и раньше. Но только
благодаря развитию науки и техники стало возможным
наметить пути к их устранению.
Проникновение пытливой человеческой мысли в
строение вещества, успех науки об электричестве и раз­
витие химии, создание новых материалов — все это по­
зволило приступить к разработке новых методов преоб­
разования энергии, к разведке боем путей в энергетику
будущего.
Выше было показано, что> для повышения экономич­
ности тепловой машипы необходимо увеличить темпе­
ратуру источника тепла Т\ и уменьшить температуру
приемника тепла Т2. Другими словами, надо расширить
интервал температур, в пределах которых работает теп­
ловая машина. Там же было сказано, что тепловой
к. п.д. цикла Карно может быть равен единице только
при условии 7\ = оо или Т2 = 0, что практически неосу­
ществимо.
Хорошо! Пусть к. п.д. не может быть равен единице.
Но, может быть, его можно сделать близким к единице?
Это тоже будет неплохо!
Очевидно, для резкого увеличения теплового к. п. д.
требуется значительно снизить температуру Т2 или по12

высить Л. Начнем с Т2— температуры приемника
тепла.
В условиях корабля температура Т2 не зависит от
конструкции и типа энергетической установки, так как
практически Т2 — это температура забортной воды, кото­
рая прокачивается через холодильник. Температура за­
бортной воды зависит от района плавания корабля, и
она всегда выше 273° К, а в некоторых морях может
достигать и 303° К. А эти величины все же слишком да­
леки от нуля!
Некоторые могут сказать, что современная холодиль­
ная техника позволяет получить температуру, очень
близкую к абсолютному нулю. Казалось бы, стоит только
разработать приемник тепла (конденсатор) с темпера­
турой, близкой к нулю (хотя бы 3°К), — и проблема
будет решена. Тепловой к. п.д. двигателя с таким холо­
дильником будет близок к единице.
Но это только кажется. Дело> в том, что на работу
холодильной установки, которая понижала бы темпе­
ратуру приемника тепла, потребуется затратить опреде­
ленную часть полезной работы, производимой самой
энергетической установкой. И эта часть будет тем боль­
ше, чем ниже температура холодильника. Так что об­
щий коэффициент полезного действия установки от та­
кого «усовершенствования» не только не улучшится, но
может и ухудшиться. Попробуем теперь увеличить тем­
пературу 7\.
В реальных тепловых двигателях температура 7\
является температурой рабочего тела данного двигате­
ля. В паросиловых установках — это пар, в двигателях
внутреннего сгорания и газовых турбинах — смесь про­
дуктов сгорания топлива с воздухом. Прежде чем гово­
рить о<б увеличении температуры Ть посмотрим, каковы
эти температуры в современных тепловых двигателях.
У паросиловых установок температура перегретого
пара достигает 773—873° К, У двигателей внутреннего
сгорания в период горения топлива в цилиндре темпе­
ратура достигает 1873—2073° К, после чего она снижает­
ся до 773—873° К, у газотурбинных установок темпера­
тура смеси газов и воздуха перед турбиной составляет
873—973° К. Газовые турбины авиационных двигателей,
имеющие небольшой срок службы, работают и при бо­
лее высоких температурах.
13

Как-будто температуры не так уж высоки, и их мож­
но еще увеличить. Однако в действительности это сде­
лать не просто. Материалы, из которых делают маши­
ны, с повышением температуры быстро теряют свои
механические свойства и не могут противостоять воздей­
ствию на них значительных усилий. Если бы эти усилия
определялись только давлением пара или газа, положе­
ние было бы совсем не плохое. Но, например, роторы и
рабочие лопатки современных турбин испытывают, кро­
ме того, огромные нагрузки вследствие центробежных
сил, возникающих при вращении этих узлов. А враща­
ются они со скоростью нескольких тысяч оборотов в
минуту, да и диаметр у них немалый.
Над созданием новых жаростойких материалов ра­
ботают многие ученые и инженеры. Возможно, в бли­
жайшем будущем появятся материалы, из которых
можно будет изготавливать движущиеся части турбин,
работающие длительное время при температурах
1800—2300° К. Однако и такие температуры не смогут
обеспечить резкого повышения экономичности двига­
телей.
На основании приведенных выше рассуждений
можно прийти к выводу, что для значительного увели­
чения коэффициента полезного действия двигателей
необходимо либо сделать тепловую машину без дви­
жущихся частей (что позволит резко повысить темпе­
ратуру Т1) и устранить промежуточные преобразования
энергии, которые приводят к дополнительным потерям,
либо разработать принципиально новый преобразова­
тель энергии, экономичность которого не определяется
законами термодинамики.
Для существенного упрощения конструкции двигате­
лей и других преобразователей энергии необходимо пре­
жде всего упростить сам метод преобразования энергии,
сведя к минимуму все промежуточные процессы.
4

Основным видом энергии, необходимым и наиболее
удобным для обеспечения жизни и деятельности совре­
менного общества, является электрическая энергия.
В самом деле, электроэнергия необходима для осве­
щения, для работы радио, телевидения, рентгеновской
14

аппаратуры, разнообразной аппаратуры связи и многих
других потребителей. Наконец, электроэнергия является
наиболее удобным видом для преобразования в меха­
ническую работу. Ее легко передавать на различные
расстояния, а электрические двигатели могут быть соз­
даны самых различных типов, размеров, мощностей и
назначений, с очень высоким к. п.д. и с удобно регули­
руемым числом оборотов.
Возьмите морской флот. Многие корабли и суда яв­
ляются турбо- или дизель-электроходами. Это значит,
что энергия топлива по обычной схеме тепловой уста­
новки преобразуется во вращательное движение вала
генератора, который вырабатывает электроэнергию.
Электроэнергия от генераторов подводится к электро­
двигателям, преобразующим ее снова в механическую
работу вращения гребного винта.
Такое дополнительное преобразование энергии вво­
дят из-за того, что тепловые двигатели получаются бо­
лее экономичными и легкими, если они имеют большое
число оборотов. Но как гребные винты кораблей, так и
колеса наземного транспорта могут работать только
при ограниченном числе оборотов, во много раз мень­
шем, чем развивают двигатели. Поэтому между двига­
телем, с одной стороны, и колесом или винтом — с дру­
гой, требуется поставить какое-то устройство, снижающее
число оборотов. Иногда для этой цели используют обыч­
ную зубчатую передачу, а иногда применяют электри­
ческую передачу. Последняя хороша также тем, что по­
зволяет быстро развивать значительную мощность и
резко изменять режим работы энергетической установ­
ки. А такое свойство совершенно необходимо, например,
для энергетической установки ледокола.
Как видите, и на транспорте выгодно получать из
топлива электроэнергию, которую очень просто исполь­
зовать для вращения колес локомотива или гребных
винтов морского гиганта!
Таким образом, задачи, которые стоят перед энер­
гетикой, можно примерно сформулировать следующим
образом: найти методы преобразования различных видов
энергии в электрическую, которые позволяли бы произ­
водить такие преобразования без излишних промежу­
точных превращений энергии, с наиболее возможной
15

экономичностью и при наиболее простом конструктив­
ном оформлении преобразующих устройств.
Оказывается, наука может указать нам ряд методов,
которые позволяют преобразовать некоторые виды энер­
гии прямо в электроэнергию. Но часть таких методов
еще не вышла из стадии научных исследований и по­
этому в настоящее время не представляет практического!
интереса.
Для многих отраслей техники, в том числе и для фло­
та, практический интерес представляют следующие спо­
собы прямого получения электроэнергии: термоэлектрон­
ный (или термоионный), термоэлектрический, магнитогидродинамический (или магнитогазодинамический),
электрохимический.
Первые три метода служат для прямого преобразо­
вания тепловой энергии в электрическую при помощи
устройств, являющихся тепловыми машинами. Однако
эти машины не имеют движущихся частей, что позво­
ляет значительно повысить температуру 7\ и упростить
до! некоторой степени конструктивное оформление самих
устройств. Правда, сразу же надо' оговориться, что на
путях создания подобных преобразователей стоят огром­
ные трудности. Но многие из этих трудностей уже пре­
одолены, a coi временем и остальные препятствия неуто­
мимый ум человека сможет преодолеть.
Четвертый метод позволяет непосредственно преоб­
разовывать химическую энергию обычного топлива в элек­
троэнергию. Этот метод не подчинен законам термоди­
намики, и поэтому его коэффициент полезного действия
не зависит от теплового к. п.д. цикла Карно. Преобра­
зование энергии по этому методу осуществляется при
помощи так называемых топливных элементов, являю­
щихся одной из разновидностей электрохимических пре­
образователей энергии.
Итак, мы установили основные недостатки современ­
ных двигателей. Выяснили мы и пути, которые ведут в
энергетику завтрашнего дня, в энергетику ближайшего
будущего. Рассмотрим теперь новые методы преобразо­
вания энергии более подробно.

ТЕРМОЭЛЕКТРОННЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ
1

Преобразование тепловой энергии в электрическую в
термоэлектронных преобразователях основано на явле­
нии термоэлектронной эмиссии, т. е. на свойстве сильно
нагретых металлов испускать со своей поверхности
электроны.
Попробуем представить, хотя бы упрощенно, физиче­
скую сущность этого явления. Атом металла может быть
представлен как положительно заряженное ядро, окру­
женное электронными оболочками, расположенными на
различных расстояниях (энергетических уровнях) от
ядра. Количество таких электронных оболочек и коли­
чество электронов на них у каждого металла свое. Пе­
реход электрона с одного энергетического уровня на
другой (т. е. с одной оболочки на другую) связан с по­
глощением или испусканием частицы энергии.
При вращении электрона вокруг ядра атома на него
действуют две основные силы: сила, стремящаяся ото­
рвать его от ядра, и сила, 'Притягивающая его к ядру
атома.
Грубо действие этих сил можно представить себе
следующим образом. Возьмем достаточно тяжелый ша­
рик, привяжем к нему нитку и будем вращать его с
определенной скоростью, но так, чтобы не оборвать нит­
ку. В такой модели шарик будет изображать электрон,
а держащий нитку кулак — ядро. Все будет идти нор­
мально до тех пор, пока мы не начнем увеличивать ско­
рость вращения шарика. Тогда в определенный момент
действующие на шарик центробежные усилия превысят
прочность нитки, она оборвется и шарик улетит.
17

Установлено, что кинетическая энергия электрона
пропорциональна абсолютной температуре. Следователь­
но, если мы будем нагревать металл, то при определен­
ной температуре сила, стремящаяся оторвать электрон
от ядра, превысит силу притяжения и электрон покинет
свою оболочку. Такой электрон может просто перейти
на следующую оболочку, но
если температура будет доста­
точно высока, то он покинет
атом. Если атом будет нахо­
диться на поверхности, то эле­
ктрон вылетит с поверхности
нагреваемого металла. Таков в
общих чертах механизм термо­
электронной эмиссии. Рассмот­
рим теперь схематическое уст­
ройство
термоэлектронного,
или, как иногда его называют,
термоионного, преобразователя
энергии.
Схема преобразователя по­
казана на рис. 1. К катоду под­
водится тепло, и он нагревает­
ся до температуры 7\, обеспе­
чивающей процесс термоэлект­
Рис. 1. Схема термоэлек­
ронной эмиссии. Для облегче­
тронного
преобразователя ния прохождения электронов
тепловой энергии в электри­
между анодом и катодом соз­
ческую:
дан
вакуум. Электроны вылета­
/ — катод; 2— изоляторы; 3 —
анод; 4 — нагрузка
ют с поверхности катода и че­
рез разряженное пространство
достигают анода, от которого отводится тепло, и он ох­
лаждается до температуры Т2. Необходимость в охлаж­
дении анода будет пояснена ниже. Материалы катода и
анода должны быть соответствующим образом подоб­
раны.
В результате такого процесса между анодом и като­
дом образуется разность потенциалов и по замкнутой
внешней цепи через 'Сопротивление R потечет ток.
Может возникнуть вопрос: является ли термоэлек­
тронный преобразователь тепловой машиной? Попробуем
в этом разобраться. Во-первых, термоэлектронная эмис­
сия не будет происходить без нагрева катода, т. е. без
18

подвода тепла. Но для тепловой машины необходим
также и отвод тепла. Отвод тепла должен производить­
ся при температуре Т% которая ниже температуры 7\.
Допустим, чтоТ2 = Л. Тогда катод и анод будут
находиться в равных температурных условиях и, следо­
вательно, будут излучать равное количество электронов
coi своих поверхностей. Очевидно, что поток электронов
от катода к аноду при этом не образуется и получить
электроэнергию для полезной работы не удастся.
Теперь допустим, что температура анода будет
меньше температуры катода, hoi охлаждать анод, т. е.
отводить от него тепло, мы не будем. Тогда в первый
момент между катодом и анодом пойдет поток электро­
нов и во внешней цепи потечет ток, который может дать
полезную работу. Но так будет только в первый мо­
мент.
Необходимо учитывать, что если для вылета элек­
трона с поверхности металла необходимо затратить
энергию, сообщить металлу тепло, то при попадании
электрона в металл будет происходить выделение энер­
гии или, попросту говоря, при попадании электрона в
металл металл будет нагреваться. Поэтому анод, если
его не охлаждать, быстро нагреется до температуры,
практически равной температуре катода, и процесс пе­
рехода электронов от катода к аноду прекратится.
Исходя из этого можно сделать вывод, что для рабо­
ты термоэлектронного преобразователя необходимо на­
гревать катод и охлаждать анод, т. е. такой преобразо­
ватель является тепловым аппаратом, подвластным за­
конам термодинамики.
На работу термоэлектронного преобразователя в
значительной мере влияет следующее обстоятельство.
Между катодом и анодом при работе преобразователя
будет все время находиться какое-то количество элек­
тронов, своего рода электронное облако, имеющее об­
щий отрицательный заряд. Это явление, называемое
пространственным зарядом, создает дополнительное
препятствие на пути следования электрона от катода к
аноду. В самом деле, электрон, имеющий с пространст­
венным зарядом одинаковый знак, будет стремиться
оттолкнуться от него и возвратиться снова к поверхно­
сти катода. Наличие пространственного заряда умень­
шает количество электронов, которые достигают анода,
з*

19

а это вызывает снижение напряжения между электро­
дами и уменьшение тока во внешней цепи термоэлек­
тронного преобразователя.
Таким образом, устранение или снижение вредного
влияния пространственного заряда имеет очень важное
значение для получения достаточно работоспособного
термоэлектронного преобразователя.
Одним из наиболее действенных способов преодоле­
ния вредного влияния пространственного заряда являет­
ся максимальное сближение катода и анода в преобра­
зователе. Считается, что' такое влияние практически не­
значительно, если расстояние между анодом и катодом
не превышает сотых долей миллиметра. Однако полу­
чить такое расстояние на практике при наличии тепло­
вого расширения материалов весьма затруднительно.
Ведь при этом температура катода должна достигать
нескольких тысяч градусов, да и разница между темпе­
ратурой катода и анода должна быть по возможности
наибольшей, так как от этого во многом зависит эконо­
мичность преобразователя.
Вторым способом служит нейтрализация простран­
ственного заряда положительными ионами. Если в про­
странстве между анодом и катодом объемная концент­
рация положительных ионов будет равна концентрации
электронов, то исчезнет и вредное влияние пространст­
венного заряда. При этом необходимо! учитывать, что
электроны не будут соединяться с положительными за­
рядами, а те и другие будут существовать самостоя­
тельно, передвигаясь с различными скоростями, тогда
как суммарный заряд их будет равен нулю.
Одним из наиболее подходящих элементов для тако­
го способа нейтрализации пространственного заряда
является цезий. Пары цезия вводятся в пространство
между электродами, где часть паров ионизируется в ре­
зультате поверхностной ионизации, которая происходит
следующим образом. При ударе атома цезия о горячую
металлическую поверхность катода внешние электроны
атома цезия могут оказаться прочно связанными с раз­
личными материалами, применяющимися для изготовле­
ния катода. Когда такой атом отскакивает от поверхно­
сти катода, он становится положительным ионом, так
как связанные электроны остаются на катоде. Кроме
того, скорость ионов цезия, имеющих значительную
20

массу, невелика, благодаря чему обеспечивается хоро­
шая нейтрализация пространственного заряда.
К недостаткам цезия следует отнести его высокую
химическую активность. Под воздействием паров цезия
разрушается спай стекла и металла, но хорошо проти­
востоит разрушению в атмосфере паров цезия керамика
из чистой окиси алюминия.
2

Мы рассмотрели принцип работы и схематическое
устройство термоэлектронного преобразователя. Перей­
дем теперь к применению таких преобразователей в
технике.
Термоэлектронную эмиссию наблюдал еще Эдисон.
Он заметил, что если взять лампу накаливания с двумя
нитями и нагревать одну из них, то в цепи, соединяю­
щей нити, появится электрический ток. Однако вопросы
практического применения этого явления для получения
электроэнергии начали разрабатываться совсем недав­
но — с конца пятидесятых годов нашего века.
Термоэлектронный метод преобразования тепловой
энергии в электрическую, пожалуй, самый молодой из
четырех способов прямого преобразования энергии, о
которых говорится в этой брошюре. Пока еще не соз­
даны промышленные образцы таких преобразователей,
но проведенные исследования уже позволили наметить
следующие основные пути практического применения
этого способа.
1) С помощью термоэлектронного генератора можно
существенно повысить коэффициент полезного действия
обычной котлотурбинной паросиловой установки. Для
этого специалисты США предлагают в стенки топки кот­
ла вмонтировать батарею термоэлектронных преобразо­
вателей. Катод, как и водогрейные трубы, будет нагре­
ваться при сгорании топлива и начнет работать при
температуре около 1500° К. Анод можно охлаждать па­
ром с температурой около 820° К, который затем будет
использоваться в обычной паровой турбине. Коэффициент
полезного действия установки, построенной по такой схе­
ме, может быть доведен до 49% при к. п.д. самого тер­
моэлектронного преобразователя около 16%.
Аналогично можно использовать термоэлектронные
21

преобразователи в атомных энергетических установках,
работающих по принятой в настоящее время схеме. В та­
ких установках термоэлектронные преобразователи мо­
гут играть роль «высокотемпературной надстройки» над
паротурбинным циклом, позволяющей существенно повы­
сить температуру 7\ и тем самым увеличить экономич­
ность всей установки. В этом случае преобразователи
могут быть размещены внутри активной зоны атомного
реактора. Катод будет нагреваться теплом, выделяю­
щимся при делении ядерного горючего. Такая схема по­
зволит увеличить к. п.д. всей установки до 50%. Неко­
торые специалисты считают, что первое промышленное
применение термоэлектронные преобразователи найдут
именно в качестве таких «надстроек» на атомных элек­
тростанциях.
2) Использование термоэлектронного преобразовате­
ля позволяет значительно упростить схему атомных энер­
гетических установок. В современных атомных установ­
ках требуется какое-то рабочее тело для переноса тепла
от активной зоны реактора к парогенератору. Таким
телом в известных установках являются вода под срав­
нительно высоким давлением (чтобы она не закипала),
жидкий металл или другие вещества. Кроме того, в этих
установках обязательно имеется паротурбинный цикл,
служащий для преобразования тепла в механическую
работу. От всего этого можно избавиться с помощью
термоэлектронного преобразователя.
Подобный преобразователь, находящийся в актив­
ной зоне атомного реактора, был испытан в 1959 году в
Лос-Аламосе (США). Катод у него изготовлен из кар­
бида урана, анод—из стали. Между катодом и анодом
для уменьшения влияния пространственного заряда на­
ходятся пары цезия. Снаружи анод охлаждается цирку­
лирующим маслом. Температура охлаждающего масла
определяет давление паров цезия. Диаметр этого эле­
мента—около 6 см, он определяется диаметром экспе­
риментального канала реактора. При температуре ка­
тода около 2200° К этот элемент развивал мощность до
90 вт при к. п.д. 10%. Однако полученные величины не
являются предельными. Для увеличения экономичности
преобразователя необходимо повысить температуру ка­
тода, что требует более жаростойких материалов. Рас­
четы американских специалистов показывают, что если

22

делящееся вещество заключить в молибденовую или
танталовую оболочку, то это позволит поднять рабочую
температуру до 2500° К. При такой температуре теоре­
тически можно получить к. п.д. преобразователя око­
ло 35%.
В 1962 году два подобных элемента были испытаны
в реакторе, установленном в Харуэлле (Англия). Каж­
дый из этих преобразователей состоит из цилиндриче­
ского катода, выполненного из смеси карбида урана с
карбидом циркония. Длина катода — 5,7 см, диаметр —
1 см. Температура плавления такой смеси примерно
равна 3270° К. Катод на длине примерно 3 см обогащен
ураном-235. Анод представляет собой капсулу из нержа­
веющей стали, нижняя часть которой служит цезиевым
резервуаром. Радиальный зазор между катодом и ано­
дом примерно равен 0,5 мм. Для предохранения от вы­
падания материала катода при его разрушении или рас­
плавлении элемент имеет предохранительную капсулу,
покрытую с внутренней стороны танталом. С наружной
стороны анод окружен оболочкой из двуокиси кремния.
Между оболочкой и анодом имеется зазор около
0,25 мм, заполненный гелием. Тепло от анода передает­
ся через этот зазор к теплоносителю реактора — тяже­
лой воде. В таком элементе был получен ток 140 а
(плотность тока 14 а/см2), а напряжение на нагрузке
составляло 0,3 в. При этом температуры катода и анода
были равны соответственно 2373° К и 953° К.
3) Термоэлектронные преобразователи могут служить
в качестве источников электроэнергии малых мощно­
стей, предназначенных для самых различных целей. На­
пример, дисковый преобразователь диаметром 38 мм,
схема которого! показана на рис. 2, при нагреве катода
до 1400° К может обеспечить на выходе мощность около
1 вт при напряжении 1 в и плотности тока около
10 а!см2. Если между электродами будет вакуум, то
коэффициент полезного действия преобразователя соста­
вит 4%. Если же это пространство! заполнить цезием, то
к. п.д. увеличится до 10%, при этом и мощность может
быть увеличена до десятков ватт. Последовательное сое­
динение элементов позволит достичь более высоких на­
пряжений.
Американские фирмы разрабатывают для армии
аналогичный источник электроэнергии мощностью 45 вт
23

и массой 4,5 кг, в котором топливом будет служить бен­
зин. Вслед за этим предполагается разработать порта­
тивные термоэлектронные генераторы мощностью до
200 вт.
4) Термоэлектронный преобразователь может быть
использован для преобразования в электроэнергию теп­
ла, выделяемого радиоактивными изотопами. Подобный
источник электроэнергии разработан в США для пита­
ния искусственных спутников Земли *. В качестве источ­
ника тепла в этом генераторе взят кюрий-242. В рабо­
чем состоянии термоэлектронный генератор имеет массу

Рис. 2.

Схематическое устройство дискового термо­
электронного преобразователя:

1 — анод; 2 — изолятор; 3 — катод; 4 — защитное покрытие

400 г и форму цилиндра диаметром и высотой 50,8 мм.
Катод выполнен из импрегнированного! пористого вольф­
рама, анод — из молибдена. Генератор дает мощность
4—5 вт. Модель такого генератора с электронагревом
вместо радиоактивного изотопа была испытана в работе
в течение 2100 часов.
Таковы основные направления в использовании тер­
моэлектронных преобразователей. Сделано в этой обла­
сти уже немало. За сравнительно короткий срок (практи­
чески с 1957 года) разработаны основные положения
теории термоэлектронных преобразователей, проведено
немало экспериментов, решены многие инженерные за­
дачи, связанные с конструированием таких преобра­
зователей, и намечены основные пути практического их
* IRE Transactions, Nuclear Science, 1962, 9, No 1, стр. 34—44.

24

применения. Это был, по сути дела, первый этап ра­
бот.
Второй этап состоит в повышении мощности и эко­
номичности генераторов, в разработке конструкций и
поиске новых материалов, пригодных для работы при
высоких температурах, а также в создании высокотем­
пературных источников тепла или в приспособлении для
этой цели уже имеющихся. При этом должны быть обес­
печены длительный срок службы и надежность в экс­
плуатации всех узлов генератора.
Следует отметить, что по экономичности термоэлек­
тронные преобразователи со временем займут одно из
первых мест среди тепловых машин. Отсутствие движу­
щихся частей и другие особенности их устройства позво­
ляют достигнуть очень высоких значений температуры
1\. Среди достоинств этого типа преобразователей важ­
ное значение имеет также малая их чувствительность
к радиации, что в ряде случаев заставляет отдавать им
предпочтение перед другими источниками электроэнер­
гии для космических кораблей.
Конечно, впереди еще много трудностей, которые
должны быть преодолены, прежде чем термоэлектрон­
ный преобразователь как источник электроэнергии зай­
мет прочное место в технике. Но современная наука и
техника в состоянии разрешить их, и термоэлектронный
способ прямого преобразования тепловой энергии в
электрическую, безусловно, найдет свое место в энерге­
тике ближайшего будущего, в том числе и в энергети­
ческих установках морских кораблей.

4

Л. В. Виноградов

ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ
1

Другим видом тепловых машин без движущихся ча­
стей являются термоэлектрические преобразователи теп­
ловой энергии в электрическую, или, как их часто назы­
вают, термоэлектрогенераторы. Физические явления,
положенные в основу конструкции таких генераторов,
стали известны человечеству свыше ста сорока лет тому
назад. Сравнительно давно они уже используются в тех­
нике. Но для получения достаточно больших количеств
электроэнергии, пригодных для промышленных целей,
эти явления стали использоваться совсем недавно. Толь­
ко успехи современной науки и техники, глубокое про­
никновение человеческого разума :в строение вещества,
умение создавать материалы, обладающие нужными
свойствами, часто такими, которые не встречаются в
природе, — только это позволило поставить на очередь
вопрос об использовании ранее известных явлений для
получения новых источников электроэнергии.
Если взять спай из двух различных металлов и на­
греть его, то в цепи, замыкающей холодные концы ме­
таллов, появится электрический ток. Проведенные иссле­
дования термоэлектрического эффекта показали, что
возникающая при нагреве электродвижущая сила зави­
сит от температуры нагрева спая, от температуры, при
которой находятся «холодные» концы проводников, а
также от свойств самих металлов. Найдя определенную
закономерность между значениями возникающей при
26

нагреве спая термоэлектродвижущей силы и величиной
температуры, до которой нагрет этот спай, нетрудно
было приспособить спаи различных металлов, так назы­
ваемые термопары или термоэлементы, для измерения
температуры, а также для измерения других явлений,
которые могут быть сведены к измерению температуры.
Термоэлектрический эффект объясняется тем, что за­
висящие от температуры энергия и скорость электронов
на горячем конце выше, чем на холодном. Электроны с
большой скоростью перетекают с горячего на холодный
конец, где их скорость уменьшается, и они там накапли­
ваются. В результате этого между горячим и холодным
концами возникает разность потенциалов. Если не отво­
дить тепло от холодного конца термоэлемента, то тем­
пература его постепенно поднимется до температуры
горячего конца, скорости электронов везде станут оди­
наковыми и термоэлектрический эффект наблюдаться не
будет.
Таким образом, термоэлемент также является теп­
ловой машиной и его экономичность определяется
все тем же коэффициентом полезного действия цикла
Карно.
Ученые и инженеры быстро оценили по достоинству
открытие термоэлектрического эффекта’, и лучшие умы
того времени поняли возможности, которые давало в
руки человека это явление. Действительно, если при на­
греве спая металлов удается получить малую электродви­
жущую силу и малый ток, то почему же нельзя, усовер­
шенствовав устройство, получить большую электродви­
жущую силу и большой ток? Почему бы не использовать
термопары в качестве источников электроэнергии?
Было предпринято немало попыток создать доста­
точно мощный термоэлектрогенератор. Но1 все они не
увенчались успехом. Несмотря на различные конструк­
ции и самые разнообразные источники тепла, нечего
было и думать получить ог таких генераторов электро­
энергию, которой хватило1 бы на питание маломощного
потребителя вроде радиоприемника или лампочки для
освещения.
Сравнительно недавно даже не было надежд создать
термоэлектрогенераторы, имеющие практическое значе­
ние. Так, в 1934 году в «Технической энциклопедии» в
статье «Термоэлемент, термопара» было написано:
4*

27

«Было сделано много попыток использовать Т. (термо­
пары) в технических целях для непосредственного пре­
вращения тепловой энергии в электрическую без приме­
нения промежуточного тела, каким являются вода и во­
дяные пары. Однако к. п. д. таких термобатарей настоль­
ко низок (порядка 1—3‘%), что применение их для тех­
нических целей по экономическим соображениям в на­
стоящее время совершенно исключается».
В чем же дело? Какой общий недостаток был при­
сущ всем ранее изготовленным термобатареям? Почему
еще тридцать лет назад создание термоэлектрогенера­
торов считалось делом безнадежным, а теперь наше
мнение изменилось?
Определим примерно величину термоэлектродвижу­
щей силы (термо-э. д. с.), возникающей при нагреве
спая двух металлов. Формула будет выглядеть следую­
щим образом:
£ = а(7\-Т2),

где Е —термо-э. д. с.;
а —так называемый коэффициент термо-э. д. с.;
Л —температура горячего спая;
Т2 —температура холодного спая.
Коэффициент термо-э. д. с. определяется прежде все­
го свойствами материалов, из которых выполнены пер­
вая и вторая ветви термопары. В некоторых случаях
этот коэффициент в значительной степени зависит от
интервала температур горячего и холодного спаев и
даже может менять свой знак с изменением темпера­
туры.
Чтобы получить представление о действительной ве­
личине этого коэффициента, возьмем термопару, одна
ветвь которой изготовлена из свинца, а другую ветвь
будем поочередно делать из других металлов и сплавов.
Величины коэффициентов термо-э. д. с. для таких термо­
пар в интервале температур от 273° К до 373° К приве­
дены в табл. 1 *. Положительный знак означает, что к
данному веществу течет ток через горячий спай.
* Сборник статей «Полупроводники в науке и технике». М.—JL,
Изд-во АН СССР, 1957, стр. 114.

28

Таблица 1
Металл или сплав

Сурьма ...................
Железо...................
Молибден...............
Кадмий ...................
Вольфрам ...............
Медь .......................
Цинк...........................
Золото .......................
Серебро ...................
Олово .......................
Алюминий...............

Коэффициент
термо-э.д.с.,
мкв/г рад

43
15

4,6
3,6
3,2
3,1
2,9
2,7
—0,2
—0,4

Металл или сплав

Коэффициент
термо-э.д.с.,
мкв/г рад

Ртуть...................
Платина ....
Натрий...............
Калий ...............
Никель...............
Висмут ...............
Хромель ....
Нихром ...............
Алюмель ....
Константан . . .

— 4,4
— 4,4
— 6,5
— 13,8
—20,8
—68
—24
— 18
— 17,8
-38

Например, если для второй ветви термопары мы
возьмем сурьму, то коэффициент термо-э.д. с. будет ра­
вен 43. Если же возьмем никель, то коэффициент по
своей абсолютной величине будет равен 20,8, но при
этом ток потечет в обратном направлении. В случае
изготовления первой ветви не из свинца, а из другого
металла величина коэффициента термо-э.д. с. термо­
пары определится как разность коэффициентов термо-э. д. с. тех металлов, из которых изготовлены ветви
термопары. Пусть первая ветвь будет из сурьмы, а вто­
рая— из висмута. Тогда а = 43—(—68) = 111. Для
термопары из металлов эта величина вполне достаточна,
даже больше того, такая термопара является одной из
лучших. Однако, как мы видели раньше, термоэлектро­
генераторы, составленные из металлических термопар,
не могли обеспечить получение удовлетворительных зна­
чений электродвижущей силы и тока. Очевидно, как бы
ни меняли конструкцию таких генераторов, какие бы
источники тепла для них ни брали, результаты суще­
ственно не изменились бы. Само строение металлов, их
физические свойства не позволяют добиться от них луч­
ших результатов.
Какой же вывод? Он может быть только один —
надо менять свойства материалов, из которых делаются
ветви термопар. Надо искать новые материалы. И такие
материалы были найдены среди полупроводников.
29

2

Полупроводники — различные по своему химическо­
му составу твердые вещества, которые объединены в
один класс по своим электрическим свойствам. Эти ве­
щества занимают промежуточное положение между ме­
таллическими проводниками и изоляторами. Среди
полупроводников имеются чистые элементы, например
германий, кремний, теллур. Имеются различные сплавы.
И даже некоторые металлы при определенных условиях
становятся полупроводниками.
Как известно, электрическая проводимость вещества
определяется наличием в нем свободных валентных
электронов, которые образуют внешнюю оболочку атома
вещества. В тех веществах, которые относятся к классу
проводников, имеется множество таких свободных элек­
тронов. Когда мы прикладываем к проводнику электро­
движущую силу, электроны начинают перемещаться
вдоль проводника и по нему идет ток. В изоляторе
(диэлектрике) свободных электронов почти нет. Поэто­
му, несмотря на то что к нему будет подведена электро­
движущая сила, ток по такому веществу не пойдет.
В полупроводнике свободных электронов гораздо
меньше, чем в металлическом проводнике, но больше,
чем в диэлектрике. Полупроводник является плохим
проводником электричества и в то же время он не мо­
жет применяться как изолятор. Понятно, что такие ве­
щества долгое время не могли найти применения в тех­
нике.
Изучение полупроводников показало, что их электри­
ческое сопротивление с повышением температуры умень­
шается, тогда как у проводников оно увеличивается.
Причем зависимость сопротивления полупроводников от
температуры оказалась во много раз большей, чем у
проводников. Кроме того, было установлено, что сопро­
тивление полупроводников в значительной степени зави­
сит от освещенности. И, наконец, оказалось, что термо­
электрические свойства проявляются в полупроводниках
во много раз сильнее, чем в металлических проводниках.
В последнем нетрудно убедиться, если сравнить табл. 1
с аналогичной табл. 2 для полупроводников, которая
приводится ниже.
30

Таблица 2
Полупроводник

MoS
ZnO
CuO
FeO
Fe3O4
FeS?
SnCT
F2O3

Коэффициент
термо-э.д.с.»
мкв/град

—770
—714
—696
—500
—430
—200
— 139
— 60

Полупроводник

Коэффициент
термо-э.д.с.»
мкв/град

CdO
CuS
FeS
NiO
Mn2O3
Cu2O

— 41
— 7
+ 26
+ 240
+ 385
+1000

Таким образом, если изготовить термопару из полу­
проводников MoS и Си2О, то коэффициент термо-э. д. с.
достигнет 1770 мкв1град, т. е. станет в полтора десятка
раз больше, чем у термопары из чистых металлов! А это
уже позволяет создавать термоэлектрогенераторы, кото­
рые находят практическое применение в технике.
Большой вклад в дело изучения полупроводников и
в создание теории термоэлектрогенераторов внес совет­
ский ученый академик А. Ф. Иоффе, работавший в этой
области с 1930 года. Под его руководством был разра­
ботан ряд образцов полупроводниковых термоэлектро­
генераторов.
В Институте полупроводников Академии наук СССР,
которым руководил А. Ф. Иоффе, первоначально был
разработан термоэлектрогенератор, в термоэлементах
которого использовались в одной ветви сернистый сви­
нец, а в другой — сплав сурьмы и цинка с небольшими
добавками олова и висмута. Горячие спаи нагревались
теплом, выделяющимся при сгорании древесного угля.
Холодные спаи охлаждались при помощи специальной
водяной рубашки.
После этого был разработан термоэлектрогенератор
с термоэлементами из сурьмяно-цинкового сплава и
медно-никелевого «сплава типа константан. Это были пер­
вые шаги. Они показали, что термоэлектрогенератор —
вполне реальная вещь и что он уже созрел для выхода
на широкую арену. Первым на такой арене был термо­
электрогенератор ТГК-1, созданный сотрудниками Ин31

ститута полупроводников. Источником тепла для ТГК-1
служила обычная десятилинейная керосиновая лампа.
Мощность термоэлектрогенератора составляла 1,6 вт при
напряжении 1,2 в одной батареи и 1,7 в другой. Такой
генератор мог питать электроэнергией батарейные ра­
диоприемники «Воронеж» и «Тула». После генератора
ТГК-1 был разработан более совершенный генератор
ТГК-3, использующий в качестве источника тепловой
энергии двадцатилинейную круглофитильную лампу ти­
па «Молния». Новый термоэлектрогенератор имел мощ­
ность уже 3 вт. Следующим образцом термоэлектроге­
нератора была опытная установка ТГУ-1. Источником
тепла в ней был керогаз, мощность установки составила
14 вт, что вполне достаточно для питания полевой кол­
хозной радиостанции типа «Урожай». Новый генератор
ТГК-36 обладал уже мощностью 36 вт\
Возможность преобразования тепловой энергии в
электрическую с помощью полупроводниковых элемен­
тов заинтересовала ученых и в других странах.
Следует отметить, что одним из крупных недостатков
большинства твердых полупроводников является ухуд­
шение их работы с увеличением температуры. Но работа
при низких температурах ограничивает величину к. п.д.
термоэлектрогенераторов, как, впрочем, и любых других
тепловых машин.
Поиски высокотемпературных полупроводниковых
материалов привели к созданию жидких полупроводни­
ков. Например, исследования, проведенные в Денверском
университете (США), показали, что жидкие полупровод­
ники в виде расплавленных металлов могут решить за­
дачу повышения экономичности термоэлектрогенерато­
ров путем повышения их температурного режима. Наи­
более подходящим для этой цели оказался сплав из 75%
теллуристой меди и 25% сернистой меди.
Полупроводниковые термоэлектрогенераторы, создан­
ные к настоящему времени, еще недостаточно экономич­
ны и уступают в этом отношении старым способам полу­
чения электроэнергии из тепловой энергии топлива.
Полупроводниковые материалы позволяют пока полу­
чить теоретический коэффициент полезного действия тер­
моэлектрогенераторов до 12%; к. п.д. уже созданных и
работающих генераторов такого типа, как правило, не
превышает 10%.
32

3

В начале брошюры было сказано, что недостатком
старых, уже испытанных методов преобразования энер­
гии является низкая их экономичность. А мы предла­
гаем в качестве нового', перспективного, такой метод,
который имеет еще более «низкую экономичность! Где же
тут логика?
Попытаемся ответить на этот вопрос.
Во-первых, работы над новыми полупроводниковыми
материалами продолжаются учеными мира усиленными
темпами, и можно надеяться, что современная наука по­
зволит достичь желаемых результатов. Получение но­
вых полупроводников с более высоким коэффициентом
термо-э. д. с., полупроводников, которые могут работать
при более высокой температуре горячего спая, чем со­
временные материалы, позволит значительно повысить
коэффициент полезного действия термоэлектрогенера­
торов.
Во-вторых, в ряде случаев решающую роль при выбо­
ре того или иного типа источника электроэнергии играет
не его экономичность, а простота устройства, малые вес
и размеры, способность длительное время работать без
ухода за ним. Такие свойства источников электроэнер­
гии особенно важны для различных искусственных спут­
ников Земли, автоматических метеостанций, которые
устанавливаются в полярных областях, для автоматиче­
ских морских буев и других устройств. Портативные
источники электроэнергии необходимы и в военном деле.
С получением новых полупроводниковых материалов,
которые позволят значительно увеличить мощность и по­
высить экономичность термоэлектрогенераторов, область
их применения, несомненно, расширится. А пока рассмот­
рим несколько образцов уже созданных термоэлектроге­
нераторов, которые можно классифицировать по источ­
никам тепловой энергии.
а) Термоэлектрогенераторы, в которых тепловая энер­
гия получается за счет горения обычного топлива.
К таким генераторам относятся образцы, разработанные
в Институте полупроводников. Подобные генераторы
созданы также в США и применяются в качестве порта­
тивных источников электроэнергии для различных целей.
5

Л. В. Виноградов

33

Например, при разработке системы катодной защиты
линии газопровода в США оказалось, что место наиболее
выгодного расположения источника тока находится ря­
дом с газопроводом, а от линии электропередачи это ме­
сто расположено в двухстах метрах. Подсчеты показали,
что стоимость кабеля для ответвления от линии перемен­
ного тока и стоимость выпрямителя превышают цену
термоэлектрогенератора. Поэтому в качестве источника
электрического тока для катодной защиты был взят тер­
моэлектрогенератор, тепло для работы которого полу­
чалось при сгорании газа, взятого от той же линии газо­
провода. Генератор давал максимальную мощность —
6 вт при рабочем токе 0,5 а и напряжении 12 в. Масса
генератора — 8 кг, размеры в сантиметрах — 32 X 30 X
X 18. Коэффициент полезного действия генератора от­
носительно полученного тепла равен 12,3%.
Для американской армии создан генератор такого же
типа, но работающий на бензине. Вместе с топливом этот
генератор весит около 13,5 кг. Его может переносить
один человек за спиной. Мощность генератора— 150 вт.
Для непрерывной работы в течение четырех часов тре­
буется 1,8 л бензина. Особым преимуществом этого гене­
ратора для военных условий является полная бесшум­
ность его при работе.
б) Термоэлектрогенераторы, у которых нагревание
горячих спаев термоэлементов производится лучами
Солнца. Такие генераторы находят применение на искус­
ственных спутниках Земли и космических кораблях. Мо­
гут они применяться и в наземных установках, в обла­
стях, где Солнце стоит достаточно высоко и редко бывает
закрыто облаками.
Одна из американских систем таких генераторов пред­
ставляет собой сборку из отдельных элементов, каждый из
которых состоит из параболического зеркала небольшого
диаметра с расположенным внутри приемником энергии.
Солнечные лучи падают на поверхность зеркала и, отра­
жаясь от него, концентрируются на приемнике, который
изготовлен в виде шара, покрытого поглощающим мате­
риалом. Шар нагревается и благодаря теплопроводности
нагревает соединенный с ним конус, являющийся одно­
временно горячим спаем термоэлемента. Для уменьше­
ния тепловых потерь за счет теплоизлучения конус по­
крыт отражающим материалом. Тепло от холодного спая
34

(Выводится на параболоидный диск, покрытый материа­
лом с высокой излучающей способностью, и излучается
с его поверхности в пространство. Используя такие еди­
ничные элементы, можно образовать панель практически
любой формы и любого размера. Экспериментальные и
расчетные проверки этой конструкции позволяют полу­
чить удельную мощность системы энергоснабжения спут­
ника Земли (при наличии аккумулятора) 17,9 вт!кг или
22,5 вт1кг в зависимости от наличия или отсутствия си­
стемы ориентации. Эти данные справедливы для уста­
новки мощностью 1,5 кет.
в) Термоэлектрогенераторы, получающие тепловую
энергию за счет ядерных реакций. Такие генераторы
тоже пригодны как для спутников различного назначе­
ния, так и для наземных установок, преимущественно для
автоматических устройств, расположенных вдали от
жилья человека.
Ядерные источники энергии могут применяться двух
типов. Первый основан на использовании энергии, выде­
ляющейся при распаде радиоактивных изотопов. Второй
основан на применении ядерных реакторов. Выделяюще­
еся в этих источниках тепло с помощью термоэлектриче­
ского преобразователя превращается в электроэнергию,
которую можно использовать для различных целей.
Источник электроэнергии первого типа был приме­
нен для практических целей в июне 1961 года на амери­
канском спутнике «Транзит 1VA». В качестве ядерного
топлива в этом генераторе был применен плутоний-238.
Генератор массой 2,1 кг давал мощность 2,7 вт. Летом
того же года в 1100 км от Северного полюса американ­
цами была установлена автоматическая метеостанция с
термоэлектрогенератором, получающим тепло от радио­
активного изотопа — титаната стронция, к которому
были подведены горячие спаи термоэлементов. Тепло от
холодных спаев отводилось через корпус и свинцовую
биологическую защиту в окружающую среду. Позднее
были разработаны аналогичные источники питания для
навигационных буев и для других целей.
В Советском Союзе успешно прошел испытания тер­
моэлектрогенератор с радиоактивным источником- теп­
ла, получивший название «Бета-1». Этот генератор
предназначен для питания электроэнергией типовых
автоматических радиометеорологических станций. За5*

35

пас радиоактивного изотопа позволяет работать такой
•станции в течение года. В генераторе применяются тер­
моэлементы, изготовленные из тройных полупроводни­
ковых сплавов. *С помощью соответствующих накопите­
лей создается электрическая мощность в 150—200 вт,
которая достаточна для работы радиопередатчика с ра­
диусом действия 200—600 км.
В термоэлектрогенераторах подобной системы коли­
чество энергии, которое выделяется радиоактивным изо­
топом, не остается постоянным, а постепенно уменьшает­
ся. Чем меньше период полураспада данного радиоактив­
ного вещества, тем быстрее уменьшается количество вы­
деляемой энергии. Но потребители энергии на спутнике
или в другом устройстве со временем не теряют «аппе­
тита», и расход ими энергии не уменьшается (а иногда
увеличивается). Следовательно, необходимо обеспечить
нормальную работу всех потребителей энергии во время
всего расчетного периода действия устройства. Для этого
в генератор закладывают такое количество радиоактив­
ного вещества, которое даже в конце расчетного пе­
риода выделяло бы достаточно энергии для работы всех
потребителей. Но отсюда вытекает, что в начале работы
энергии будет выделяться значительно больше, чем тре­
буется.
В табл. 3 приводятся некоторые данные по американ­
ским термоэлектрогенераторам с радиоактивными изо­
топами в качестве источников тепла. Первые два генера­
тора были изготовлены к моменту опубликования этих
данных в американской печати, остальные находились в
стадии разработки, и производились испытания отдель­
ных элементов.
В качестве примера из этой группы термоэлектроге­
нераторов рассмотрим генератор SNAP 1 А. Контейнер, со­
держащий радиоизотоп, представляет собой цилиндри­
ческий блок диаметром 96 мм, длиной 410 мм. В блок
вставлены семь труб из нержавеющей стали, заполнен­
ных шариками из окиси церия. Заряженный радиоизото­
пом блок можно перевозить отдельно от всей остальной
системы в специальном транспортном контейнере и уста­
навливать в генератор перед его запуском. Тепловая
энергия, выделяющаяся в этом блоке, излучается на вну­
тренние экраны из нержавеющей стали, которые выпол­
няют роль горячих спаев термоэлементов. Тепловая энер-

36

Для спут­
ника
Для лун­
ника
Для кос­ 100
мического
зонда

0,5 года

Кюрий-242

холодный
спай, °К

О/о

28
3

6,75
—

4,7
—

838
838

441
422

ПОЛНЫЙ,

горячий
спай, °К

Церий-144
Поло­
ний-210
Плуто14,5 5—10 лет
ний-238
0,5 года Кюрий-242
19
1 год
90 дней

К .П .Д .

125
3

Радио­
изотоп

К.п.д. преобра ­
зователя, о/о

SNAP1A
SNAP3

Время
работы

Рабочая
темпера­
тура

Напряжение, в

Генератор

Мощность, вт

Таблица 3

3

6,54 5,5

755

386

3

6,51

4,8

811

461

3

5,4

5,2 1033

509

гия, не преобразованная в электроэнергию, проходит че­
рез термоэлементы и излучается с внешнего алюминие­
вого экрана. В первый момент после загрузки в генера­
тор свежего радиоизотопа тепловая мощность источника
энергии равна примерно 6000 вт. После работы в тече­
ние расчетного периода (один год) мощность уменьшит­
ся до 2700 вт. Для обеспечения постоянной температуры
горячего спая термоэлементов при различных мощностях
источника энергии служит специальный клапан, приво­
димый в действие ртутным паром, который регулирует
величину облучаемой поверхности внутреннего экрана.
Рассмотрим американский генератор для подводных
сейсмических станций. В качестве источника энергии для
него взят радиоизотоп цезий-137, который является более
умеренным источником (3-излучения, чем другие изотопы,
о которых говорилось ранее. В связи с этим генератор кон­
структивно проще других, так как не требует массивной
защиты от радиации. Считается, что по своей стоимости
такой генератор вполне может соперничать с большинст­
вом портативных химических источников тока, которые
можно применить для подобных целей. Сравнительные
данные приведены в табл. 4.
В качестве материала для термоэлементов в этом
генераторе, как впрочем и в большинстве других, приме37

Таблица 4

Тип источников тока

Стоимость источ­
ника 5 вт и сро­
ком службы
10 лет, доллары

Батарея из сухих элементов
Лекланше..............................
10 000
Свинцово-кислотная аккумуля­
торная батарея .......................
12 000
Никель-кадмиевая аккумулятор­
ная батарея ...........................
70 000
Серебряно-цинковая аккумуля­
торная батарея .......................
200 000
Термоэлектрогенератор с цезием 41 768 (включая
стоимость
топлива)

Размеры
источника,
М

1,2X1,2X2,4
1,2X1,2X2,25

1,35X2,4X2,4

1,2Х1,2ХМ65
0,3X0,зхо,6

нен теллурид свинца. Для соединения термоэлементов в
батарею используются печатные схемы. Температура го­
рячего спая равна 773° К, температура холодного спая
373° К. Коэффициент полезного действия материала до­
стигает il4,9%.
В качестве примера термоэлектрогенератора с ядерным реактором рассмотрим советский преобразователь
«Ромашка» (рис. 3). Тепло в нем получается за счет
деления урана-235 в активной зоне высокотемператур­
ного реактора. Цилиндрическая активная зона реактора
состоит из пластинчатых тепловыделяющих элементов и
графитовых конструкций. Она окружена бериллиевым
отражателем, который возвращает быстрые нейтроны в
активную зону и позволяет обеспечить начало' цепной
реакции с меньшим количеством урана. Температура в
центре зоны превышает 2000° К. Для поддержания за­
данной мощности имеется автоматическое регулирующее
устройство. С наружной стороны отражателя установ­
лены термоэлементы, горячие спаи которых нагреваются
за счет выделяющегося в реакторе тепла. Элементы
соединены между собой и обеспечивают получение элек­
трического тока в 88 а. Электрическая мощность «Ро­
машки» составляет 500 вт.
В настоящее время уделяется большое внимание соз­
данию новых полупроводников, которые обладали бы
низкой теплопроводностью, высокой подвижностью носи­
телей (электронов), большими эффективными массами

38

и др. Но беда в том, что эти качества никак не удается
собрать в каком-либо одном материале. ’Нужная тепло­
проводность получена у одного материала, подвижность
носителей — у другого и т. д.
В связи с этим специалисты известной электротехниче­
ской фирмы «Белл» высказывают мнение, что если удаст­
ся объединить все положительные -свойства в одном
полупроводнике, то разработанный на основе такого по­
лупроводника термоэлектрогенератор сделал бы бессмыс­
ленным применение таких «отсталых» машин, как двига­
тели внутреннего сгорания и паровые турбины.

Рис. 3. Термоэлектрогенератор «Ромашка»

Военно-морские силы США уделяют большое внима­
ние исследованию термоэлектрогенераторов. Эта работа
проводится на военно-морской инженерно-эксперимен­
тальной базе. По мнению американских специалистов,
несмотря на сравнительно низкий к. п.д., уже в настоя­
щее время термоэлектрогенераторы целесообразно при­
менять в тех случаях, когда необходимы простота кон­
струкции источника электроэнергии, отсутствие в нем
движущихся частей, бесшумная работа. Такие генерато­
39

ры могут применяться в качестве портативных источни­
ков энергии для средств связи и наблюдения на некото­
рых судах и для других целей.
На этой экспериментальной базе всесторонне изуча­
лись факторы, влияющие на экономичность генераторов,
их прочность и надежность, исследовались эксплуатаци­
онные характеристики термоэлектрических устройств.
Проведенные работы показали, что термоэлектрогенера­
торы достаточно надежны в эксплуатации. Например,
генератор мощностью 2,5 кет, состоящий из 1322 термо­
элементов, работал периодически в течение 18 месяцев,
и за это время было отмечено только одно повреждение
в термоэлектрической цепи, вызванное действием терми­
ческих напряжений.

МАГНИТОГИДРОДИНАМИЧЕСКИЕ

ГЕНЕРАТОРЫ

1

■Более ста лет назад был открыт закон электромаг­
нитной индукции, суть которого состоит в том, что при
пересечении проводником магнитного поля в проводнике
возникает электродвижущая сила.
При демонстрации опытов, иллюстрирующих этот за­
кон, обычно имеют дело с металлическим проводником.
А если взять проводник жидкий или газообразный?
В 1838 году Фарадей произвел интересный опыт. Он
сделал попытку измерить напряжение, созданное дви­
жением потока воды в магнитном поле Земли. Для
этого в Лондоне, около моста Ватерлоо, на противопо­
ложных берегах реки Темзы были установлены два
электрода, напряжение между 'которыми и стал заме­
рять английский ученый. И надо сказать, что его опыт
удался. Даже при весьма несовершенной измерительной
технике того времени и не очень хорошем проводнике,
каким была вода Темзы, он получил на приборах вполне
ощутимые, хотя и неустойчивые, показания.
Так впервые была осуществлена идея магнитогидро­
динамического генератора, или сокращенно МГД-генератора.
На рис. 4 показана схема такого! генератора. Поток
проводящей электричество жидкости или газа направ­
лен перпендикулярно к плоскости чертежа, от читателя.
Поток омывает расположенные по его сторонам элек­
троды, которые соединяются внешней цепью через по41

лезную нагрузку. При взаимодействии потока с магнит­
ным полем в потоке наводится электродвижущая сила,
под действием которой через замкнутую внешнюю цепь
пойдет электрический ток. Электроды в данном случае
играют роль щеток, которые мы привыкли видеть в обыч­
ных генераторах постоянного тока.

Рис. 4. Схема МГД-генератора:
1 — северный полюс магнита; 2 — электроды; 3 — направ­
ление потока проводящей жидкости; 4 — направление
э. д. с ; 5 — южный полюс магнита; 6 — нагрузка

Как видно, схема МГД-генератора очень проста.
Поэтому не случайно все основные идеи, которые могли
быть положены в основу конструкции такого генера­
тора, были запатентованы еще в начале нашего столе­
тия. Но одно дело взять патент на идею, другое — во­
плотить эту идею в конструкцию, пригодную для прак­
тического использования.
Идея использовать в качестве жидкости, проводя­
щей электричество, соленую воду при ближайшем рас42

смотрении оказалась мало пригодной, особенно- для
создания универсального генератора, который можно
было бы установить в любом месте, в том числе и на
различных транспортных средствах.
Обратили внимание на газ. Уже давно известно, что
при высокой температуре происходит ионизация газа
и он становится проводником электричества. При этом
газ, нагретый до температуры в несколько тысяч граду­
сов, становится не только проводником электричества,
но и приобретает значительный запас энергии. Если та­
кой газ направить в сопло, то потенциальная энергия
газа преобразуется в кинетическую энергию струи газа,
вытекающей из сопла с большой скоростью.
Как раз то, что и нужно для МГД-генератора,—
хороший проводник и его большая скорость в магнит­
ном поле. Правда, по сравнению с ранее описанными
способами прямого преобразования тепловой энергии в
электрическую этот способ более сложный (появляются
некоторые промежуточные преобразования энергии, а
также рабочее тело, движущееся с большой скоростью).
Но МГД-генератор при отсутствии движущихся узлов
и деталей позволяет получить громадные мощности. За­
бежим вперед и скажем, что если мощность первых об­
разцов термоэлектронных и термоэлектрических преоб­
разователей не превышала нескольких ватт, то даже
самые первые экспериментальные образцы МГД-генераторов развивали мощность в несколько десятков кило­
ватт. А в перспективе — десятки тысяч киловатт и
более.
Казалось бы, все просто. Но зерно упало на непод­
готовленную почву. Наука и техника начала XX века не
могли дать людям правильных ответов на многочислен­
ные вопросы, которые стали возникать при попытках
создать генераторы такого типа. Поэтому долгое время
способу получения электроэнергии при помощи МГДгенератора не уделялось внимания.
Лишь в последние годы многие ученые вновь обра­
тились к идее получения электроэнергии магнитогидро­
динамическим способом. Помогло этому бурное разви­
тие отраслей науки и техники, связанных с ракетострое­
нием и вопросами прохождения ракет через атмосферу.
Развитие науки о поле, в том числе и магнитном, а так­
же успехи в изучении физики плазмы позволили разо­
43

браться в процессах, происходящих при взаимодействии
магнитного поля и струи газа. А развитие реактивных
двигателей помогло усовершенствовать способы полу­
чения такой струи. Кроме того, появились материалы,
которые могли работать при температуре 2000—3000° К,
появилась возможность создавать более сильные магнит­
ные поля, были разработаны новые методы ионизации
газов. Все это вместе взятое и позволило вновь обратить
внимание на известные раньше идеи получения электри­
чества при помощи МГД-генератора и пересмотреть эти
идеи с точки зрения современной науки и техники.
2

Рассмотрим теперь некоторые проблемы, возникаю­
щие при создании МГД-генераторов, а также пути ре­
шения этих проблем.
Одной из самых важных характеристик, определяю­
щих работоспособность МГД-генератора, является элек­
тропроводность газа. Ведь не случайно для обмоток
обычного генератора берут медь — один из лучших про­
водников электричества. Если сделать обмотку из пло­
хого проводника, то генератор с такой обмоткой будет
очень невысокого качества. Так же обстоит дело и с
МГД-генератором. Величина электропроводности газа
определяет напряженность магнитного поля, которую
необходимо создать в генераторе, а также размеры са­
мого генератора, обеспечивающие получение заданной
мощности.
Следует отметить, что электропроводность газа, при
которой он может применяться в МГД-генераторе, на
несколько порядков меньше электропроводности метал­
лических проводников. Правда, уменьшение электропро­
водности газа несколько компенсируется увеличением его
скорости в магнитном поле, которая гораздо выше, чем
линейная скорость металлического проводника в обыч­
ном генераторе.
Но, оказывается, даже такую, относительно ничтож­
ную, электропроводность газа получить не так просто.
Ведь при нормальных атмосферных условиях газы явля­
ются хорошим изолятором. Вспомните хотя бы высоко­
вольтные линии передач электроэнергии. В них провода
44

с огромной разностью потенциалов разделяет небольшой
промежуток воздуха.
Как же заставляют газы проводить электричество?
Выше было сказано, что газы начинают проводить элек­
тричество при высоких температурах, так как они иони­
зируются.
При повышении температуры повышается энергия
электронов, вращающихся вокруг ядра атома. Когда эта
энергия достигает определенной величины, происходит
отрыв электрона от атома. В результате вместо нейтраль­
ной частицы образуются заряженный ион и носитель
единичного отрицательного заряда — электрон.
Ионизация газа его нагревом называется термиче­
ской ионизацией. Надо сказать, что при повышении тем­
пературы газа сначала подвергаются ионизации лишь
отдельные атомы. С дальнейшим ростом температуры
увеличивается число таких атомов, а молекулы много­
атомных газов, кроме того, диссоциируют (распадаются)
на отдельные атомы, которые также подвергаются иони­
зации.
Заметим, что при термической ионизации требуются
затраты только тепловой энергии. Такое положение де­
лает термическую ионизацию особенно удобной для
МГД-генераторов. Ведь при нагреве газ не только иони­
зируется, но и получает запас энергии для истечения с
большой скоростью. Никаких дополнительных воздейст­
вий на газ производить не требуется.
Кроме термической, существуют и другие виды иони­
зации газов. Однако они требуют какого-либо внеш­
него воздействия на газы (ударной волны, электриче­
ских разрядов, электронного облучения). В настоящее
время наиболее изученной является термическая иони­
зация, однако в печати имеются сведения о попытках
использовать в МГД-генераторах и другие виды иониза­
ции. Основная цель этих работ, ради которой приходит­
ся даже идти на усложнение конструкции генератора,—
уменьшение температуры, при которой газы становятся
проводниками.
Термическая ионизация при всех ее достоинствах
имеет очень большой недостаток. Например, если взять
в качестве рабочего газа для МГД-генератора чистый
аргон, то даже при температуре 4000° К он практиче­
ски еще не начнет проводить электричество. А при
45

такой температуре плавится даже графит! Где же
выход?
Для работы МГД-генератора, как уже говорилось
выше, не обязательно, чтобы газ обладал очень высокой
проводимостью, т. е. был полностью ионизирован. Для
этой цели вполне пригодны частично ионизированные га­
зы, состоящие из положительных ионов, электронов и
нейтральных атомов. Удовлетворительной проводимо­
стью газ будет обладать уже при наличии 1% ионизи­
рованных атомов. Однако и для такого незначительного
процента газ необходимо нагревать до очень высокой
температуры, которую не выдерживают известные сего­
дня материалы.
Выход из создавшегося положения был найден путем
добавления к чистому газу легко ионизируемых ве­
ществ, например паров щелочных металлов. Если к тому
же аргону добавить всего P/о паров калия, то приемле­
мая электропроводность газовой смеси может быть
получена при температуре около 2000° К, при кото­
рой уже могут работать некоторые жаростойкие мате­
риалы.
Смысл введения в газ легко ионизируемых веществ
состоит в том, что в газовой смеси такие вещества
становятся источником заряженных частиц, обеспечи­
вающих электропроводность всей газовой смеси. Поэтому
температура, при которой газовая смесь начнет про­
водить электричество, будет определяться уже не темпе­
ратурой ионизации чистого газа, а температурой иони­
зации добавленных веществ. Последняя же не столь
высока. Например, добавка P/о цезия делает неон до­
статочно электропроводным при 1580° К, а гелий — при
1670° К.
Необходимость введения в газы добавок требует спе­
циальных дозирующих устройств и усложняет конструк­
цию генератора, но такие расходы с избытком окупа­
ются снижением температуры газов.
Второй проблемой, имеющей важное значение для
практического применения МГД-генераторов в различ­
ных областях техники, является проблема материалов.
Выше мы ознакомились с температурами, при которых
газы становятся проводниками электричества. К этому
нужно добавить, что газ, естественно, должен обладать
достаточной проводимостью прежде всего тогда, когда

46

он приобретает значительную скорость и проходит че­
рез магнитное поле. А такую скорость газ приобретает
в сопле, снижая свою температуру. Следовательно, если
на выходе из сопла газ должен иметь достаточную тем­
пературу для обеспечения его проводимости, то тем
более высокую температуру он должен иметь перед вхо­
дом в сопло, т. е. на выходе из камеры сгорания или
другого аналогичного аппарата. Кроме того, нужно
иметь в виду, что раскаленный газ должен двигаться со
скоростью, близкой к скорости звука, а иногда и пре­
восходящей ее. При такой скорости даже не сильно на­
гретые газы производят на ограничивающие их стенки
значительное эрозионное воздействие.
Читатель может сказать, что примерно в таких же
температурных условиях работают сопла ракет. Да,
скорости газов там не меньше. Почему же эти проблемы
не вызывают сомнения в случае ракетных двигателей и
влекут за собой большие осложнения в МГД-генераторах?
Дело в том, что продолжительность работы для дви­
гателя ракет измеряется минутами, а то и долями ми­
нуты, тогда как для МГД-генераторов продолжитель­
ность непрерывной работы должна определяться сот­
нями, тысячами, а то и десятками тысяч часов. Элек­
тропроводность стенок у сопел ракет не имеет особого
значения, тогда как в МГД-генераторах, по крайней
мере на участке взаимодействия струи газа с магнитным
полем, стенки сопла (за исключением электродов) долж­
ны быть выполнены из диэлектриков. Иначе будут боль­
шие утечки тока через стенки сопла. Необходимо найти
жаростойкие материалы, хорошо проводящие электри­
чество, для изготовления электродов, которые практи­
чески образуют две другие противоположные стенки
сопла.
Таким образом, для создания МГД-генератора тре­
буются изоляторы и проводники электричества, которые
могут длительное время работать при высоких темпера­
турах. Оказалось, что такая задача под силу современ­
ной науке и технике. Правда, если бы узлы генератора,
кроме всего прочего, испытывали бы и значительные
механические напряжения, как в роторах турбин, то
подобрать для них материалы сегодня еще не уда­
лось бы.
47

В настоящее время считается, что для применения в
МГД-генераторах пригодны следующие основные груп­
пы материалов:
Изоляторы

Проводники

Жаропрочные металлы
Большая часть нитридов
Бориды
Карбиды

Оксиды
Некоторые нитриды
Большая часть цирконатов

Ниже приведены температуры плавления некоторых
материалов (в ° К):
Графит..............................
Вольфрам...........................
Тантал ..............................
Двуокись тория...............

Двуокись циркония . . . 2953
Окись магния................... 3073
Окись бериллия................. 2813
Нитрид бора....................... 3003

3973
3673
3273
3323

Кроме обеспечения хорошей проводимости газа и
подбора соответствующих материалов, необходимо так­
же позаботиться об источнике тепловой энергии для на­
грева газа, о создании достаточно сильного магнитного
поля, об уменьшении всевозможных потерь и решить
многие другие проблемы, связанные с постройкой рабо­
тоспособного МГД-генератора.
з

До сих пор мы рассматривали общие идеи и некото­
рые проблемы, возникающие при разработке МГД-генераторов. Посмотрим же теперь, какие практические
шаги предпринимаются в настоящее время.
В ноябре 1959 года фирмы «Авко-Эверетт», Амери­
канская электрическая компания и некоторые другие
объявили о начале работ по созданию МГД-генератора
электроэнергии. Они обещали, что применение таких
генераторов позволит снизить стоимость электроэнергии
по крайней мере на 25
*%.
Такое обещание было очень
заманчивым, и к разработке МГД-генераторов присо­
единились еще некоторые фирмы.
Один из первых экспериментальных образцов МГДгенератора, на котором были проверены основные идеи
нового метода генерирования электроэнергии и под­
тверждена возможность осуществления ранее запатен48

тованных идей, был создан в лаборатории фирмы «АвкоЭверетт». Генератор развивал электрическую мощность
около 10 кет и очень хорошо подтвердил ранее сделан­
ные теоретические выводы.
На рис. 5 показана схема экспериментального МГДгенератора. Аргон и порошок карбоната калия (К2СО3)
вводятся в камеру при давлении * около 30 н!см2, где
они перемешиваются и нагреваются при помощи электри­
ческой дуги до температуры около 3000° К. При такой
температуре карбонат калия диссоциирует, и свободный
калий частично ионизируется, сообщая всему газу необ­
ходимую проводимость. Затем газ приобретает в сопле
значительную скорость и с этой скоростью проходит в
прямой канал между полюсами магнита, в котором уста­
новлены электроды. После этого газ поступает в вы­
хлопной бак, откуда с помощью трубы выводится над
крышей здания.
Надо сказать, что дуговая камера и канал генера­
тора не были оборудованы водяным охлаждением и по­
этому установка не могла работать более пяти секунд.
Однако процессы устанавливались за доли секунды, и
поэтому время работы установки вполне позволяло по­
лучить необходимые данные. При помощи дозирующего
устройства в камеру вводилось около 1 г К2СО3 на 100 г
аргона, это позволяло иметь хорошую проводимость
газа.
Таким образом, уже первые эксперименты показали
разрешимость двух основных проблем МГД-генераторов — обеспечения достаточной проводимости газа и под­
бора материалов для работы при высоких (точнее, сверх­
высоких) температурах.
После экспериментального генератора, на котором
были
проведены
важные
исследования,
фирма
«Авко-Эверетт»
построила
новый
МГД-генератор
«Марк-11», мощность которого была доведена уже до
205 кет. В камеру сгорания подавался либо керосин,
либо изопропиловый спирт, который сжигался в кисло­
роде. Для увеличения проводимости газов в первом слу­
чае добавлялся порошок К2СО3, а во втором — раствор
* В Международной системе единиц СИ сила измеряется в
ньютонах (ft), а давление в ньютонах на квадратный метр.
1 кгс 9,8 ft; 1 ат 98066,5 н/м2 ~ 9,8 н/см2.

49

Рис. 5. Схема устройства первого экспери­
ментального МГД-генератора фирмы «АвкоЭверетт»:
1 — дуговая камера плазматрона; 2 — электрод для
создания дуги; 3 — подвод аргона; 4 — подача кар­
боната калия; 5 — второй электрод для создания
дуги, служащий также соплом; 6 — корпус ге­
нератора; 7 — электромагниты; 8 — канал генера­
тора (электроды для отвода генерируемого тока
не показаны); 9 — обмотки электромагнитов;
10 — выход газа из генератора

50

КОН. Камера сгорания работала при давлении около
20 н/см2, расход горючей -смеси составлял вначале при­
мерно 1,8 кг)сек. Горячие газы входили в рабочий канал
генератора с температурой 3000° К. Время работы гене­
ратора было увеличено по сравнению с первым образ­
цом и доведено до 1 мин, что было вполне достаточно
для изучения различных аэрогидродинамических процес­
сов. Магнитное поле в генераторе создавалось сильным
электромагнитом, который не имел железного магнито­
провода, но для усиления магнитного поля были при­
менены железные полюсные наконечники массой 25 т.
Обмотка электромагнита была выполнена из медных
полос и весила тоже немало — ее масса равнялась 22 т.
Интересно отметить, что мощность генератора до­
стигала 205 кет в том случае, когда сечение рабочего
канала было постоянным. После проведения первой ча­
сти исследований конфигурация канала была изменена,
его сделали слегка расширяющимся, так что соотноше­
ние площади поперечного сечения на выходе к той же
площади на входе в канал равнялось 1,22. Затем это
соотношение было еще увеличено до 1,45. Расход рабо­
чего тела также был увеличен до 2,25 кг/сек. Все это
позволило еще больше повысить мощность генератора,
ее удалось довести до 600 кет.
В настоящее время опубликованы сведения о самых
разнообразных МГД-генераторах. Работы по созданию
таких генераторов ведутся не только в США, но и в
других странах. Например, в Англии новый способ по­
лучения электроэнергии считается наиболее перспектив­
ным изо всех других методов прямого преобразования
тепловой энергии в электрическую. Работы по созданию
МГД-генераторов ведутся в нескольких государственных
исследовательских центрах, занимается этим и такая из­
вестная фирма, как Парсонс. Английские специалисты
предполагают примерно через два года изготовить МГДгенератор тепловой мощностью 200 000 кет.
Проводятся работы по созданию МГД-генераторов и
в Польской Народной Республике. Первый в Польше
экспериментальный МГД-генератор был запущен в Ин­
ституте ядерных исследований АН ПНР в январе 1961 го­
да, после чего было введено в строй еще несколько об­
разцов таких генераторов.
Прежде чем перейти к перспективам магнитогидро51

динамического способа генерирования электроэнергии,
остановимся еще на одном интересном вопросе. Как
мы уже видели из кратких сведений о генераторе
«Марк-11», он имеет очень тяжелую и громоздкую маг­
нитную систему. Другие генераторы, на которых мы не
останавливались подробно, также отличаются этим не­
достатком. И первое время казалось, что облегчить
электромагниты не удастся. Ведь даже незначительное
уменьшение напряженности магнитного поля резко
ухудшит данные генератора, так как мощность генера­
тора зависит от напряженности магнитного поля в квад­
рате. Но нельзя ли создать необходимую напряженность
магнитного поля при помощи более легких и менее гро­
моздких электромагнитов? Оказывается, можно. Для
этого использовали свойство сверхпроводимости. Делов
том, что при низких температурах (меньше 20° К) неко­
торые проводники практически полностью теряют элек­
трическое сопротивление. По таким проводникам стано­
вится возможным при сравнительно небольшом сечении
пропускать очень большие токи. Например, при темпе­
ратуре ниже 7,26° К удельное сопротивление свинца
уменьшается в 1012 раз по сравнению с удельным сопро­
тивлением при 273° К. Ток в несколько сотен ампер,
созданный в свинцовом кольце при температуре 4,12° К,
уменьшался за час не более чем на одну сорокатысяч­
ную. Естественно, что если взять такой сверхпроводник,
то обмотка из него для электромагнита может быть во
много раз легче и компактней, чем обмотка из обычной
меди.
Но оказалось, что вопрос решается не так просто,
как могло показаться на первый взгляд. Применению
сверхпроводников для электромагнитов мешало то об­
стоятельство, что в достаточно сильном магнитном поле
они теряли свойство сверхпроводимости и становились
обычными проводниками. Следовательно, задача состоя­
ла в том, чтобы сохранить свойство сверхпроводимости
в сильных магнитных полях.
Буквально в последние годы было открыто, что про­
водник, изготовленный из соединения ниобия с оловом,
будет сохранять свойство сверхпроводимости и в силь­
ных магнитных полях. Затем был изготовлен проводник
с такими же свойствами из сплава ниобия с цирконием.
Ясное представление о том, какое огромное преимущест52

во у сверхпроводников дает следующее сравнение. По
мнению специалистов фирмы «Вестингауз», магнитное
поле у магнита со сверхпроводящей обмоткой при мас­
се 0,45 кг вдвое сильнее, чем у обычного электромагни­
та с железным сердечником при массе 20 т.
Кроме того, магнит со сверхпроводящей обмоткой во
много раз уменьшает и потери на возбуждение. Оказы­
вается, на дополнительное устройство для охлаждения об­
мотки до низких температур идет во много раз меньше
энергии, чем затрачивается на потери в медных обмот­
ках обычных магнитов. Расчеты показали, что для од­
ного из МГД-генераторов эти потери могут быть сни­
жены с 6000 до 80 кет.
Недаром на одном из симпозиумов, посвященных про­
блемам
магнитогидродинамики
(Рочестер,
США,
1962 год), было признано, что главнейшим достижением
за истекший год в этой области явилось создание элек­
тромагнитов со сверхпроводящими обмотками.
4

Итак, рождение МГД-генератора состоялось. Но
пока он совсем еще младенец, пользы не приносит, а
расходов требует немалых. Но так ведь бывает со вся­
ким младенцем, прежде чем он вырастет и начнет по­
могать своим родителям и всему обществу. Пока растет
младенец и набирает силы, окружающие и близкие с лю­
бопытством и надеждой присматриваются к нему — чтото из него получится? Какое же будущее сулят МГД-генератору инженеры и ученые различных стран, работаю­
щие над этой проблемой?
В зависимости от рода источника тепла МГД-генераторы предполагается создавать двух типов: генера­
тор, работающий по открытому циклу и предназначен­
ный для преобразования тепла, получающегося при сго­
рании обычных сортов жидкого, газообразного или твер­
дого топлива, и генератор, действующий по замкнутому
циклу. Этот генератор будет служить для превращения
в электроэнергию тепла, выделяющегося в атомных ре­
акторах.
В свою очередь, МГД-генераторы открытого цикла
могут разделяться на две основные разновидности. Пер­
вая— «чистые» МГД-генераторы, в которых электро53

энергия получается только за счет МГД-процесса. Такие
генераторы вряд ли будут применяться на практике.
Ведь выходящая из МГД-генератора струя газа имеет
температуру более 1000° К и, кроме того, обладает зна­
чительным запасом кинетической энергии, так как газы
выходят из генератора с большой скоростью. Бросать

Магнитное поле

Рис. 6. Схема энергетической установки с МГД-генератором:
1 — двигатель-генератор, служащий для
выработки электроэнергии; 2 — газовая
греватель воздуха; 5 — МГД-генератор;
МГД-генератора;

запуска компрессора, а затем для
турбина; 3—компрессор; 4 — подо­
6 — камера сгорания; 7 — электроды
8 — диффузор

такие богатства на ветер — непростительное расточи­
тельство!
Вторая разновидность — энергетические установки, в
которых газы, выходящие из МГД-генератора, исполь­
зуются для получения электроэнергии или производства
полезной работы при помощи тех или иных способов.
В этом случае МГД-генератор служит своего рода вы­
сокотемпературной приставкой, позволяющей увеличить
экономичность всей установки в целом.
Выходящие из МГД-генератора газы можно исполь­
зовать для дополнительной выработки электроэнергии с
помощью обычного генератора, соединенного с паровой
турбиной. Пар для работы турбины будет получаться в
котле, вода в котором нагревается горячими газами.
В другом случае газы могут непосредственно поступать
54

в газовую турбину, также соединенную с генератором
электроэнергии. Примерная схема такой установки по­
казана на рис. 6. Наконец, выходящие из МГД-генератора газы можно использовать для создания тяги, необ­
ходимой для движения какого-либо космического или
обычного корабля. Правда, тут правильнее говорить об
использовании части энергии струи газа реактивного
двигателя для получения электроэнергии МГД-способом.
У такого двигателя вся струя или часть ее будет прохо­
дить через магнитное поле и генерировать МГД-способом электроэнергию, необходимую для обеспечения ра­
боты многочисленных устройств корабля. При этом ос­
новная доля энергии будет, конечно, расходоваться на
создание тяги.
Несколько слов об МГД-генераторах, работающих
по замкнутому циклу. В таких генераторах можно обой­
тись без различных «хвостовых» частей, так как газы,
выходящие из генератора, снова возвращаются в ка­
меру, где они нагреваются теплом, получаемым от атом­
ного реактора. Кроме того, при замкнутом цикле будет
значительная экономия присадок, ионизирующих газ.
Эти присадки, или добавки, в реакциях не участвуют и
поэтому практически не будут расходоваться. Примене­
ние в качестве рабочего тела инертных газов (неона или
аргона) с добавкой цезия, позволяющей обеспечить
частичную ионизацию газа и получить необходимую
его проводимость при не столь высоких темпера­
турах, дает возможность решить и температурную про­
блему.
Каковы же перспективы МГД-способа получения
электроэнергии? Из опубликованных в печати материа­
лов следует, что такой метод прежде всего может быть
применен в качестве «высокотемпературной добавки» к
обычным электростанциям и другим энергетическим уста­
новкам. Такая «добавка» усложнит, конечно, всю
установку, но зато позволит увеличить ее экономич­
ность.
На рис. 7 дана примерная схема американской МГДэлектростанции, работающей на продуктах сгорания угля.
В такой установке размолотый уголь поступает в бун­
кер, откуда при помощи специального устройства попа­
дает в камеру сгорания, где сгорает в нагретом предва­
рительно воздухе. Продукты сгорания имеют температу55

1425 °К

Рис. 7. Схема МГД-электростанции, работающей
на угольной пыли:
1 — бункер с размолотым
углем; 2— камера сгорания;
3 — электроды
в
канале
МГД-генератора (магнитное
поле направлено перпенди­
кулярно к рисунку); 4 — по­
догреватель воздуха; 5 — па­
роперегреватель; 6 — проме­
жуточный перегреватель па­
ра; 7 — испарительный уча­
сток; 8 — выхлоп газов; 9 —
турбина среднего давления;
10 — турбина высокого дав­
ления; 11 — воздушный ком­
прессор; 12 — турбина низ­
кого давления; 13 — конден­
сатный насос; 14 — главный
конденсатор; 15 — дополни­
тельный генератор обычного
типа; 16 — преобразователь
постоянного тока в пере­
менный

ру около 3200° К. Нагретый до высокой температуры газ,
являющийся продуктом сгорания угольной пыли, посту­
пает в МГД-генератор. При этом для увеличения прово­
димости газа в него вводятся добавки.
Горячий газ проходит через МГД-генератор, разви­
вая мощность в режиме постоянного тока около
360 000 кет. Горячий газ выходит из МГД-генератора
при температуре около 2590° К и подогревает воздух, по­
ступающий в камеру сгорания генератора. Далее газ
направляют в паровой котел, состоящий из нескольких
секций. Первоначально газ проходит пароперегрева­
тель, затем — через секцию, в которой осуществляется
промежуточный перегрев пара, и после этого проходит
через испарительный пучок парового котла.
Примерный баланс мощности такой установки в ки­
ловаттах будет следующим:
Мощность МГД-генератора......................................................... 365 000
Мощность паротурбинного генератора...................................... 97 000
Итого . . . 462 000
Потери...............................................................................................
Затраты на создание магнитного поля..................................
Затраты на собственные нужды станции..............................
Итого

15 000
18 000
10 000

... 43 000

Таким образом, полезная мощность станции будет
равна 419 000 кет.
Удельный расход тепла при этом составит около
6530 кдж/квт-ч, что примерно на 25% ниже расхода
тепла у наиболее экономичных электростанций с уста­
новками, работающими по обычной схеме. Повышение
экономичности установки достигнуто прежде всего бла­
годаря увеличению начальной температуры цикла Л
путем использования МГД-генератора.
Сегодня еще нельзя построить такую электростанцию.
Но уже в ближайшем будущем, накопив эксперимен­
тальный материал и проведя дополнительные теоретиче­
ские исследования, можно будет приступить к этой ра­
боте.
57

До сих пор речь шла о получении постоянного тока.
Но ведь в современной технике наибольшее распростра­
нение получил переменный ток. Можно ли получить его
с помощью МГД-генератора?
Да, такая возможность существует. Для этого мож­
но, во-первых, создать переменное магнитное поле в
МГД-генераторе. Тогда ток, который снимается с элек­
тродов, будет изменяться по тому же закону, что и маг­
нитное поле. Во-вторых, можно сделать прерывистой
струю газов. Однако более выгодно вырабатывать в
МГД-генераторе постоянный ток и затем с помощью пре­
образователя превращать его в переменный.

С ПОМОЩЬЮ ТОПЛИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ —
В ОБХОД ЦИКЛА КАРНО

1

Всего несколько лет назад термин «топливные эле­
менты» ничего или почти ничего не говорил даже спе­
циалистам, работающим в области энергетики. Но по­
степенно это выражение стало все чаще мелькать на
страницах специальных изданий, стало оно появляться
и в популярных технических журналах. В начале бро­
шюры уже говорилось, что топливные элементы позво­
ляют непосредственно преобразовывать химическую
энергию в электрическую новым, экономичным спосо­
бом, за которым большое будущее. Остановимся на
принципе действия, устройстве и особенностях топлив­
ных элементов более подробно.
Получение электроэнергии с помощью топливных
элементов является одним из четырех способов прямого
преобразования энергии. В отличие от первых трех, ко­
торые служили для преобразования тепловой энергии в
электрическую, топливные элементы позволяют получать
электроэнергию непосредственно из химической энергии
топлива.
Интересно отметить, что идея топливных элементов,
как это было и в первых трех случаях, появилась более
ста лет назад. Много сделал в этой области известный
русский ученый П. Н. Яблочков. Но сравнительно низ­
кий уровень науки и техники того времени не позволил
практически применить этот способ. Да и сама жизнь
до последнего времени не ставила с такой остротой во­
прос о необходимости создания новых методов преобра­
зования энергии.
59

Что же представляют собой топливные элементы и
каковы их основные достоинства, привлекающие внима­
ние ученых во многих странах?
Топливные элементы — это химические источники
электрического тока, но в то же время топливные эле­
менты имеют характерные особенности, выделяющие их
из всех других химических источников тока.
В обычных батареях электроды состоят из химиче­
ски активных веществ, которые сами участвуют в реак­
циях. Для анода, например, используют цинк, магний,
свинец или натрий, которые не относятся к топливу. На
катоде в таких батареях реагируют, как правило, слож­
ные вещества, такие, как двуокись свинца, двуокись
магния, окись серебра, а также некоторые другие, из кото­
рых, по сути дела, выполнены сами электроды. В про­
цессе химических реакций активные вещества расходу­
ются, электроды разрушаются и батарея становится
непригодной для дальнейшего использования. В этом
каждый мог убедиться, вытащив из карманного фона­
рика отслужившую свой век батарейку. Аккумулятор
тоже хотя и не выходит из строя, но имеет вполне опре­
деленный запас активных веществ, после израсходования
которых нуждается в специальном восстановлении рабо­
тоспособности.
В топливном элементе электроды в процессе работы
не разрушаются: они изготовлены из нейтральных мате­
риалов и в реакциях не участвуют. Химические реакции
в топливных элементах протекают между активными ве­
ществами, которые в газообразном или жидком виде
подводятся к электродам. Пока идет подача активных
веществ, происходит их взаимодействие, только тогда и
выделяется электрическая энергия.
Какие же вещества подаются в топливные элементы
и какие необыкновенные реакции в них происходят?
Оказывается, ничего нового и необычного мы здесь не
встретим. В топливных элементах происходит самая
обыкновенная реакция окисления, которую чаще назы­
вают просто горением. Участвуют в этой реакции ка­
кое-либо топливо (откуда, собственно, и произошло на­
звание элемента), а также другой необходимый компо­
нент — окислитель.
Но известно, что при горении выделяется тепло, и до
сих пор не было слышно об электричестве. В чем же дело?
60

Оказывается, что реакция окисления топлива может
происходить без выделения тепла, а вместо него будет
выделяться электрическая энергия. Чтобы понять это,
рассмотрим простейшую схему топливного элемента
(рис. 8). В качестве топлива возьмем водород, а в каче­
стве окислителя — чистый кислород.

Рис. 8. Схема топливного элемента:
1 — корпус;

2 — анод; 3 —электролит;
5 — полезная нагрузка

4 — катод;

Как и любой химический источник электрического
тока, топливный элемент имеет два электрода — анод и
катод. Электроды сделаны пористыми, и пространство
между ними заполнено электролитом, хотя бы раство­
ром КОН. С другой, сухой, стороны к аноду под неко­
торым давлением подводится газообразный водород, а
к другому электроду (катоду) — кислород. Электроды
соединены внешней цепью.
При работе топливного элемента водород проходит
через пористый анод и на границе между электродом и
электролитом диссоциирует, причем электроны уходят
по аноду во внешнюю цепь, а положительно заряжен­
ные ионы водорода поступают в электролит. На катоде
пришедшие из внешней цепи электроны соединяются с
атомами кислорода и образуют ионы кислорода. Эти
ионы кислорода в электролите соединяются с водой,
образуя гидроксильные ионы, которые вступают в реак­
61

цию с ионами водорода и образуют воду. Общий итог
реакций в топливном элементе следующий:
О2 + 2Н2 = 2Н2О + электроэнергия.

В топливных элементах нет большого запаса актив­
ных веществ, так как они подаются туда сравнительно
небольшими порциями, тогда как в других химических
источниках тока содержится весь запас активных ве­
ществ. Поэтому от топливных элементов нельзя полу­
чить большой разрядный ток за короткое время, как
от аккумуляторных батарей. Топливные элементы более
пригодны для обеспечения умеренного по величине, но
продолжительного по времени расхода электроэнергии.
Так, топливные элементы вполне подойдут как источник
энергии для движения корабля или автомобиля. Но для
стартера, с помощью которого производится запуск обыч­
ного автомобильного двигателя, топливные элементы
использовать нельзя, особенно если запускать двигатель
приходится в холодное зимнее утро.
2

Рассмотрим некоторые характерные особенности,
определяющие работу и устройство топливных эле­
ментов.
Самое главное в них, пожалуй, то, что они не отно­
сятся к тепловым машинам. На первый взгляд такое
утверждение вызывает сомнение. Действительно, в
устройство подаются топливо и окислитель, как и в лю­
бой тепловой двигатель, кроме того, во время работы
большинство топливных элементов разогревается. Од­
нако, несмотря на внешнюю аналогию с некоторыми
видами тепловых машин, топливные элементы принципи­
ально отличаются от них тем, что превращение химиче­
ской энергии в электрическую происходит в них непо­
средственно, без промежуточного преобразования в
тепловую энергию. Если в топливных элементах и про­
исходит выделение незначительного количества тепла,
то это явление вызывается второстепенными, сопутству­
ющими основному преобразованию процессами. Поэтому
ограничения, которые накладывал на экономичность теп­
62

ловых машин коэффициент полезного действия цикла
Карно, в данном случае отсутствуют.
Теоретически в топливных элементах можно превра­
тить в электроэнергию всю поданную в элемент химиче­
скую энергию и получить коэффициент полезного дейст­
вия, равный единице. Больше того, возможно, что в
электроэнергию будет превращаться не только вся хи­
мическая энергия самого топлива, но и некоторая часть
тепловой энергии, которую топливный элемент будет за­
бирать от окружающей среды. Тогда кажущийся к. п. д.
элемента станет даже больше единицы! А у тепловых
машин даже теоретически к. п.д. не может быть равен
единице.
Практически к. п.д. топливных элементов будет не­
сколько меньше единицы, так как некоторые потери не­
избежны. Незначительная часть химической энергии топ­
лива все же будет превращаться в тепло и рассеиваться
в окружающую среду. Эти потери будут, естественно,
тем больше, чем выше температура, при которой рабо­
тает топливный элемент. Расчеты показывают, что для
топливного элемента, работающего на чистом водороде
и кислороде, зависимость к. п.д. от температуры будет
следующей:
Температура,
°К

400

500

1000

2000

К.п.д., о/о

92

90

78

54

Если сравнить эти величины со значениями к. п.д.
тепловых машин, то станет ясным огромное преимуще­
ство новых преобразователей энергии. Если на корабле
при том же запасе топлива применить вместо обычных
тепловых машин топливные элементы, то дальность пла­
вания корабля возрастет в несколько раз!
Другой важной характеристикой является величина
электродвижущей силы, которая может быть получена
от топливных элементов.
Расчеты показывают, что э.д. с. одного топливного
элемента не превышает 1 в. Когда топливный элемент
63

находится под нагрузкой, величина напряжения на его
зажимах будет несколько ниже. Падение напряжения
происходит из-за побочных реакций на аноде, катоде
или в другом месте, помех протеканию основных реак­
ций на аноде и катоде, изменений концентраций элек­
тролита или активных веществ, участвующих в реакци­
ях, сопротивления электролита прохождению тока.
Поэтому для получения напряжений, требующихся
для практического использования топливных элементов,
необходимо соединять последовательно отдельные эле­
менты в батарею.
Кроме экономичности источника тока и величины на­
пряжения на его зажимах, для решения вопроса о его
применении существенно знать, какой ток можно от
него получить. С этой точки зрения топливные элементы,
как и другие химические источники электроэнергии, ха­
рактеризуются электродной плотностью тока. Величина
ее у топливных элементов определяется механизмом и
скоростью протекания реакций, а последние пока трудно
поддаются предварительному расчету. Поэтому элек­
тродную плотность тока в топливных элементах опреде­
ляют экспериментальным путем. Зная эту величину для
определенного типа элементов и зная ток, который тре­
буется получить, нетрудно рассчитать и площадь элек­
тродов. Для примера на рис. 9 приведены некоторые за­
висимости плотности тока и напряжения для нескольких
зарубежных типов топливных элементов.
Уровень наших знаний в области топливных элемен­
тов позволяет сделать некоторые общие выводы, на ос­
нове которых могут быть определены главные требова­
ния, предъявляемые к преобразователям энергии такого
типа. Следует считать, что приемлемый для практиче­
ских целей топливный элемент (именно один элемент,
а не батарея) должен иметь к. п.д. около 60%, рабочее
напряжение на зажимах не ниже 0,6 в и электродную
плотность тока не меньше 100 ма/см,2 при работе в те­
чение нескольких месяцев.
Чтобы получить такие характеристики, необходимо
выполнить два главных требования, которые сводятся к
обеспечению, во-первых, высокой электрохимической ак­
тивности и, во-вторых, стабильности во время работы
при минимальном внутреннем сопротивлении топливного
элемента.
64

Требование высокой электрохимической активности,
от которой зависит плотность тока, по сути дела со­
стоит из двух частей. Первая относится к обеспечению
наиболее выгодных соотношений между вступающими в
реакцию веществами и получению при этом определен­
ных конечных продуктов, при которых от топлива можно
получить максимальное количество электроэнергии.

Рис. 9. Кривые зависимости падения напряжения
от электродной плотности тока для топливных
элементов, использующих в качестве топлива
водород:
1 — окислитель воздух, атмосферное
2 — окислитель кислород, атмосферное
3 — окислитель кислород, атмосферное
4 — окислитель кислород, давление

давление, 333° К;
давление, 294° К;
давление, 333° К;
5 атм, 333° К

Вторая часть этого требования заключается в обес­
печении высокой электрохимической активности всту­
пающих в реакцию веществ, которая определяется ско­
ростью протекания окисления в топливном элементе.
Несмотря на то что механизм протекания реакций в топ­
ливных элементах еще недостаточно изучен, уже сегодня
можно назвать следующие пути, позволяющие повысить
электрохимическую активность:
1) увеличение поверхности, по которой соприкасают­
ся между собой газ, электролит и электрод;
2) применение катализаторов, активизирующих реак­
ции (катализатором может являться основной материал
65

электрода или же катализатор может быть вкраплен в
электрод в виде отдельных включений);
3) повышение давления горючего (топлива) и окис­
лителя, подводимых к электродам;
4)
соответствующий подбор горючего и окислителя;
5) повышение температуры, при которой происходит
реакция.
Особо следует отметить последний из перечисленных
путей. Повышение температуры, при которой протекает
реакция, позволяет во много раз увеличить ее скорость.
При высоких температурах в топливных элементах мож­
но с достаточной скоростью окислять различные деше­
вые сорта топлива (природный газ, нефтепродукты, не­
которые углеводороды и др.), которые в нормальных
условиях реагируют очень вяло. С этой целью были
разработаны специальные, так называемые высокотем­
пературные, топливные элементы. Такие элементы по­
зволяют применять более дешевые сорта топлива, чем
водород, так как они работают при температурах по­
рядка 500—1200° К. В них уже нельзя применить в каче­
стве электролита водные растворы щелочи, так как вода
испаряется. Поэтому электролитом в высокотемператур­
ных топливных элементах служат либо твердые веще­
ства с ионной проводимостью, либо расплавы солей.
Очень трудно добиться, чтобы при работе отдель­
ные конструктивные узлы и детали топливных элемен­
тов совершенно не изменялись и не изнашивались со
временем. Однако вполне возможно обеспечить какойто определенный срок службы топливных элементов,
необходимый для выполнения различных практических
задач. Надо сказать, что требования высокой электро­
химической активности и долговечности почти всегда
противоречивы. Так, при высоких температурах увели­
чивается электрохимическая активность, но зато труд­
нее избежать коррозии и других нежелательных процес­
сов. При низкой температуре увеличивается срок служ­
бы элементов, но зато вяло идут реакции.
3

В настоящее время разработано большое число топ­
ливных элементов, в которых используются различные
виды топлива, разнообразные электроды и электролиты,
66

работающие в большом диапазоне температур и отли­
чающиеся друг от друга по конструктивному оформле­
нию. В зависимости от этих факторов и классифициро­
ваны топливные элементы.
Применение того или иного типа топливного эле­
мента определяется прежде всего его назначением. В не­
которых первостепенное значение должно быть уделено
вырабатыванию энергии низкой стоимости, что дости­
гается увеличением массы, габаритных размеров и ухуд­
шением некоторых других показателей. Такими, напри­
мер, могут быть топливные элементы, предназначенные
для обеспечения электроэнергией предприятий химиче­
ской промышленности. В топливных элементах, которые
должны применяться в военном деле или в некоторых
других специальных областях техники, стоимость элек­
троэнергии отходит на второй план. Зато первостепенное
значение приобретают требования минимальных массы
и габаритных размеров, высокой надежности и другие
специфические качества. Американские специалисты
считают, что в таких элементах стоимость 1 кет мощно­
сти может обходиться в 10 000 долларов, тогда как в
элементах для промышленных установок эта величина
не должна превышать 100 долларов, иначе они не будут
рентабельными.
Топливные элементы разделяют также в зависимости
от типа топлива и окислителя, которые в них исполь­
зуются. В качестве окислителя на катоде в настоящее
время применяют либо чистый кислород, либо воздух:
Топливом, которое подводят к аноду, служат чистый
водород или же некоторые углеводороды и спирты, в том
числе метан, метиловый спирт и др.
Кроме того, топливные элементы можно разделить по
температуре и давлению, при которых они работают. Не
говоря уже о высокотемпературных элементах, которые
составляют особую группу, даже сравнительно неболь­
шие изменения рабочей температуры и давления влия­
ют на электродную плотность тока, массу и другие ха­
рактеристики элементов, как это видно из табл. 5, состав­
ленной по зарубежным источникам.
Масса и объем батарей в таблице приведены с уче­
том электрических и газовых выводов и соединений, но
они не включают запасы топлива и окислителя (водо­
род и кислород).
67

Таблица 5
Характеристика

Мощность, кет...................
Плотность тока, ма/см2 . .
Напряжение элементов, в
Масса батареи, кг ... .
Объем батареи, ж3 . . . .

Давление
атмосферное,
Т = 294°К

10
26,9
0,94
1180
1,02

Давление
атмосферное,
Т = 333°К

10
53,8
0,94
680
0,54

Давление
50 н/см2,
т = ззз°к

10
108
0,9
450
0,31

Из различных видов топлива и окислителей наиболь­
шее распространение в настоящее время получили со­
ответственно водород и кислород. Поэтому и наиболее
изучены водородно-кислородные топливные элементы.
В этих элементах продуктом реакции окисления яв­
ляется вода. Если элемент работает при нормальной
температуре, вода поступает в электролит, плотность его
уменьшается и ухудшаются характеристики топливных
элементов. Для поддержания нормальной плотности
электролита необходимо или добавлять свежий электро­
лит, или же непрерывно удалять образующуюся воду.
Если элемент работает при температуре 333—338° К,
воду можно удалять с потоком избыточного водорода,
который можно осушать и снова возвращать в элемент.
Если элемент работает не на чистом кислороде, а на
воздухе, то водяные пары могут вместе с азотом и неко­
торыми побочными продуктами реакции отводиться в
атмосферу.
Когда топливным элементам приходится работать
при низких температурах окружающей среды, для по­
вышения электрохимической активности подогревают
электролит с помощью электрических или химических
подогревателей с терморегуляторами. Но обычно такой
подогрев требуется только для маломощных батарей —
до 250 вт. Для батарей большей мощности подогрев не
требуется, так как они в достаточной степени сами на­
греваются теплом, выделяющимся в них при работе.
Применение воздуха вместо кислорода уменьшает
электродную плотность тока, поэтому воздух целесооб­
разно использовать в батареях, которые должны рабо­
тать при меньших величинах тока, Если батарея пред-

68

назначена для продолжительной работы, то плотность
тока не следует увеличивать сверх 26—38 ма/см2.
Работа топливных элементов с переменной нагрузкой
не вызывает нежелательных последствий, а даже оказы­
вает на элементы положительное влияние и позволяет
несколько повысить электродную плотность тока топ­
ливных элементов.
В настоящее время уже разработано более шести­
десяти различных образцов топливных элементов, при­
чем большинство из них является водородно-кислород­
ными. Рассмотрим некоторые из этих образцов.
4

Топливный элемент Бэкона работает на хорошо очи­
щенных кислороде и водороде. В качестве электродов при­
менены двуслойные пористые пластины толщиной около
1,6 мм, спрессованные из порошка никеля. Со стороны
подвода газов расположен основной слой с более круп­
ными порами диаметром около 30 мк, а со стороны
электролита — тонкий слой с порами диаметром 15 мк.
Электродом служит раствор КОН.
Давление газов подбирается таким, чтобы они не
допускали проникновения электролита в крупные поры,
но и не могли бы вытеснить его из тонких пор. Реакция
проходит внутри электрода, в районе раздела двух
слоев. При этом значительная поверхность границы трех
фаз (газ — электрод — электролит) позволяет получить
достаточно большую скорость реакции. Благодаря дву­
слойным электродам газы не проходят через них и в
пространстве над электролитом не может образоваться
взрывоопасная смесь водорода с кислородом. Для устра­
нения коррозирования электродов применяют предвари­
тельный обжиг пластин на воздухе, в результате чего
образуется предохранительный окисный слой.
Одна из последних батарей топливных элементов
Бэкона состоит из тридцати последовательно соединен­
ных элементов. Реакции в элементах протекают при
температуре около 473° К и давлении до 400 н/см2. Дли­
на батареи — 76 см, диаметр дисковых электродов —
около 25 см. Э.д. с. батареи 40 в. При токе 100 а напря­
жение на зажимах не падает ниже 32 в, при токе
240 а — ниже 24 в.
69

Вследствие высокого давления газов и довольно
сложных регулирующих систем (в том числе устройст­
ва для удаления воды) батарея имеет значительную
массу.
Другой водородно-кислородный топливный элемент
разработан группой специалистов фирмы Юнион Кар­
бид. Элемент имеет пористые угольные электроды, ре­
акции на которых протекают при температуре 323—
333° К и давлении газов в несколько атмосфер. Электро­
литом также служит раствор КОН. Для ускорения хода
реакций на электродах в угольную массу вкраплены ме­
таллические катализаторы. Электродная плотность тока
у топливных элементов Юнион Карбид благодаря приме­
нению катализаторов и другим мероприятиям доведена
до 100—150 ма]см2, а на короткое время может быть дове­
дена даже до 300—500 ма[см2.
Для предохранения пор угольных электродов от за­
ливания электролитом производится обработка электро­
дов особым водоотталкивающим составом. Однако пока
еще такая обработка недостаточно эффективна. В отли­
чие от элемента Бэкона топливные элементы Юнион
Карбид имеют не пластинчатые, а трубчатые электроды.
В одном случае две трубки погружают в электролит, а
газы подаются внутрь трубок под некоторым давлением
и продавливаются через пористый уголь. В другом слу­
чае трубчатые электроды располагаются концентрично
и электролит заливается в пространство между труб­
ками. Во внутреннюю трубку подается водород, а на­
ружная трубка соприкасается с воздухом, из которого и
берется кислород для реакции окисления.
Интересен топливный элемент Юсти (ФРГ), у кото­
рого в качестве электролита также применяется раствор
КОН, а электроды имеют особую конструкцию, позво­
ляющую добиться высокой электрохимической активно­
сти. Анод представляет собой каркас из спрессованного
и спеченного порошка углеродистого никеля, в котором
размещен высокоактивный губчатый никель. Примерно
так же изготовлен и катод, в качестве катализатора в
нем применено серебро. Однако катод не так активен,
как анод. Юсти на экспериментальных электродах диа­
метром около 40 мм получил электродную плотность
тока на аноде 700—750 ма/см2, а па катоде — 500 ма/см2.
В перечисленных топливных элементах электролитом
70

служил раствор щелочи КОН, в котором электрохими­
ческие реакции проходят более активно, чем в нейтраль­
ной или кислой среде. Однако у щелочного электролита
есть и существенный недостаток — он требует примене­
ния очень чистых газов, особенно водорода. Если же
будет применяться дешевый водород, содержащий неиз­
бежные примеси углекислого газа, то будет происхо­
дить карбонизация раствора и характеристики элемен­
та резко ухудшатся.
Попытки применить в качестве электролита водный
раствор кислоты не дали положительных результатов.
Помогли в этом интересные материалы — иониты, или
ионообменные смолы. Они сочетают в себе ионную про­
водимость электролитов и механические свойства твер­
дого вещества. Этими качествами ионитов и воспользо­
вались специалисты американской фирмы «Дженерал
Электрик». Основной особенностью разработанного ими
топливного элемента является то, что вместо жидкого
электролита в нем применена твердая мембрана, изго­
товленная из кислой ионообменной смолы, прочность
которой увеличена при помощи связующих веществ.
К мембране толщиной около 0,6 мм прижаты с обеих
сторон электроды — тонкие сетки из платиновой или
платинированной никелевой проволоки. Общая толщина
одного элемента вместе с газовыми камерами состав­
ляет всего 3,2 мм.
Электрохимическая активность такого элемента не
очень высока. Электродная плотность тока у топливных
элементов фирмы «Дженерал Электрик» составляет при­
мерно 32 ма/см2 при напряжении 0,7 в. Однако они
очень компактны, могут работать на загрязненном при­
месями водороде, а также позволяют легко удалять
азот. Правда, стоимость этих элементов довольно вы­
сока.
5

Выше были рассмотрены топливные элементы, рабо­
тающие на кислороде и водороде. Из элементов, не отно­
сящихся к этой группе, следует остановиться на топлив­
ном элементе, в котором используется в качестве топ­
лива натрий, точнее, жидкая натриевая амальгама.
Окислителем в таком элементе служит кислород, а
71

электролитом — водный раствор NaOH. Последнее об­
стоятельство и приводит к необходимости применять не
чистый натрий, а его амальгаму, так как ртуть предо­
храняет натрий от бурной реакции с водой. Катод из­
готовляется из пористого угля или активного металла,
как в элементах Бэкона и Юсти. С одной стороны к
нему также подводится кислород, другую сторону омы­
вает электролит. Анодом служит железная пластина, по
которой в электролите стекает амальгама. На аноде про­
исходит ионизация натрия, положительный ион которого
направляется через электролит к катоду, а освободив­
шийся электрон по аноду уходит во внешнюю цепь.
Ртуть не участвует в реакции и собирается каплями на
дне сосуда с электролитом. На катоде происходит ней­
трализация иона натрия, который соединяется с кисло­
родом и водой, образуя NaOH. Таким образом, в ходе
реакций расходуются натрий, кислород и вода, а полу­
чается гидроокись натрия, что приводит к увеличению
концентрации электролита. Чтобы избежать этого, избы­
ток электролита необходимо отводить из элемента, а в
него добавлять воду, можно даже морскую.
Ртуть, освобожденную от натрия, отводят из эле­
мента в специальное устройство — амальгаматор, в кото­
ром вновь образуется амальгама, идущая в топливный
элемент.
Такие элементы, хотя и сложны конструктивно из-за
наличия оборудования для циркуляции ртути и подачи
натрия, имеют высокую электрохимическую активность.
Напряжение топливных элементов, работающих на
амальгаме натрия, почти в два раза выше, чем элемен­
тов, работающих на водороде. Мощность на одном эле­
менте может превосходить 1 кет. В американской пе­
чати сообщалось, что можно рассчитывать получить
установку из пяти таких элементов, которая при нор­
мальном режиме работы дает мощность 6,12 кет при
токе 720 а и напряжении 8,5 в. В случае перегрузки
установка развивает мощность 18,57 кет при 2855 а
и 6,5 в.
Выше было сказано о высокотемпературных топлив­
ных элементах. В них из-за увеличения температуры,
при которой протекает реакция окисления, можно при­
менять дешевые сорта топлива и получать при этом до­
статочные для практических целей плотность тока и
72

напряжение. Рассмотрим некоторые образцы элементов
такого типа.
В первых опытах по разработке высокотемператур­
ных топливных элементов в качестве электролита при­
менялись расплавленные карбонаты щелочных метал­
лов, которые обладают хорошей химической устойчиво­
стью и не изменяются при работе. Но вскоре от них
пришлось отказаться, так как расплавленные карбонаты
вызывали сильную коррозию электродов и других узлов,
что приводило к быстрому выходу топливного элемента
из строя.
В 1935 году немецкий ученый Шоттки предложил
вместо расплавленных карбонатов применять в высоко­
температурных топливных элементах твердый электро­
лит с ионной проводимостью. Затем были разработаны
еще несколько типов подобных электролитов. Однако
все они обладали низкой электропроводностью, что сни­
жало характеристики элементов. После Великой Оте­
чественной войны советский ученый Давтян предложил
другой состав твердого электролита, проводимость ко­
торого была увеличена почти в 100 раз.
Практически работоспособные высокотемпературные
топливные элементы были созданы в последние годы в
ряде стран. Отдельные образцы выработали примерно
по 1000 ч. Топливом в этих элементах служат как
водород, так и более дешевые сорта топлива — окись
углерода, пары метилового спирта, метана, пропана.
В настоящее время усилия многих исследователей на­
правлены на создание новых, более эффективных твер­
дых электролитов, а также на снижение температуры
в топливном элементе.
Американская печать сообщала, что проводятся опы­
ты по применению в качестве исходного топлива обык­
новенного каменного угля. В специальном генераторе
угольная пыль реагирует с двуокисью углерода и обра­
зует окись углерода С + СО2 = 2СО.
Окись углерода подается в топливный элемент, где
она окисляется кислородом до двуокиси, при этом по­
лучается электроэнергия:
2СО + О2 — 2СО2 + электроэнергия.

Полученная СО2 снова направляется в генератор СО.
Эти элементы имеют сравнительно небольшой срок
73

службы, так как реакции в них могут протекать
только при высоких температурах порядка 1070—1170° К.
Следует остановиться еще на одном типе топливных
элементов. Их называют биологическими или биохими­
ческими топливными элементами, а то и просто био­
элементами. Схема электрохимических реакций в них
такая же, как и в обычных топливных элементах, а от­
личаются они способом получения достаточно активного
топлива и окислителя. Иногда оба эти компонента, а
иногда только один из них получаются с помощью бак­
терий или ферментов из различных углеводородов, угле­
водов, кислот жирного ряда, мочевины, веществ, содер­
жащихся в морской воде, растительных и животных от­
бросов и многих других материалов, которые часто
нельзя использовать даже в обычных тепловых энерге­
тических установках.
Биоэлементы позволяют также получать электроэнер­
гию из отходов человеческого организма, что имеет боль­
шое значение для разработки соответствующих систем
на подводных лодках и обитаемых космических кораб­
лях. Такие системы позволят утилизировать отходы и
получить дополнительный источник электроэнергии.
Американская фирма «Мэгне Продакте» изготовила
по заказу ВМФ США биоокеаническую батарею, кото­
рая в качестве топлива использует металл, а окислитель
выделяется из морской воды с помощью бактерий
Удельная мощность такой батареи незначительна, но ее
можно использовать в качестве источника электроэнер­
гии для морских буев, автоматических метеостанций и
других подобных потребителей.
Та же фирма работает над созданием достаточно
мощной батареи биоэлементов, которые в качестве топ­
лива будут использовать мочевину, а окислителем в них
будет служить сульфат магния. Последний, как изве­
стно, в изобилии содержится в морской воде.
Фирма «Дженерал Сайнтифик Корпорейшн» уже по­
строила модель катера, которая движется за счет энер­
гии, получаемой из морской воды при помощи биоэле­
ментов.
Кроме перечисленных типов, существует еще целый
ряд разновидностей топливных элементов. Например,
имеются топливные элементы, служащие для аккумули­
рования электроэнергии. В такой элемент подается вода,
74

а к его электродам подводится электрический ток. Вода
электролизом разлагается на водород и кислород, кото­
рые собираются в соответствующих емкостях. Когда от
аккумулятора нужно получить электроэнергию, газы из
этих емкостей подаются в тот же элемент, который в
данном случае будет работать в качестве источника
электроэнергии как обычный водородно-кислородный
топливный элемент.
6

К общим достоинствам топливных элементов сле­
дует отнести сравнительно высокую экономичность, бес­
шумную работу, отсутствие вибраций, а также дыма,
копоти и других отходов. Пока еще трудно предугадать
все области, в которых могут найти применение топлив­
ные элементы, но уже сегодня можно с уверенностью
сказать, что таких областей будет немало. Взять хотя бы
автомобильный и железнодорожный транспорт, источники
электроэнергии для различных объектов, удаленных от
линий электропередач, и другие отрасли техники.
Интересна возможность получения электроэнергии в
качестве побочного продукта в химической промышлен­
ности. Дело в том, что получение серной кислоты свя­
зано с окислением серы. Американские специалисты под­
считали, что если бы всю серу, израсходованную в США
в 1959 году на получение серной кислоты, окислять в
топливных элементах, то можно было бы получить 2°/о
всей электроэнергии, выработанной в стране за год.
Это количество почти в 30 раз превосходило бы электро­
энергию, израсходованную в США за год на получение
магния электролитическим способом!
Благодаря своим качествам топливные элементы
представляют немалый интерес и для военно-морского
флота. Проблемами топливных элементов по контрак­
там с ВМФ США занимается целый ряд американских
фирм. Работы ведутся по двум основным направлениям.
Во-первых, изучаются все вопросы, так или иначе свя­
занные с топливными элементами, и накапливаются раз­
личные сведения из этой области. Во-вторых, предусмат­
ривается более детальная разработка тех типов топливных
75

элементов, которые полнее других отвечают требова­
ниям ВМФ.
По мнению американских специалистов, топливные
элементы могут быть использованы в качестве источни­
ков электроэнергии на подводных лодках. При этом,
конечно, учитывается, что подводные лодки с топливны­
ми элементами по многим показателям, в том числе и
по времени непрерывного пребывания под водой, не мо­
гут идти в сравнение с атомными подводными лодками.
Но в то же время топливные элементы позволят в не­
сколько раз улучшить основные показатели оснащенных
ими подводных лодок по сравнению с обычными дизельаккумуляторными лодками.
Естественно, что на подводных лодках нельзя исполь­
зовать воздух в качестве окислителя. Но для этой цели
могут быть применены кислород (возможно, жидкий)
или перекись водорода. Если на лодке будут установ­
лены водородно-кислородные элементы, то водород так­
же можно хранить на борту в жидком виде. Кроме того,
водород можно получать из некоторых сложных веществ,
например из углеводородов или аммиака.
Углеводороды при реакции с водяным паром обра­
зуют водород и СО2. Эти газы могут быть разделены с
помощью молекулярного сита, причем СО2 удаляется за
борт, а водород используется в топливных элементах.
Для такого способа получения водорода могут быть
использованы многие сорта топлива, в том числе дизель­
ное, и метиловый спирт.
Аммиак при нагревании разлагается на азот и водо­
род, которые можно отделить друг от друга также с
помощью молекулярного сита. В другом случае газовую
смесь можно пропускать через топливный элемент без
разделения. Тогда основная часть водорода будет окис­
ляться в топливном элементе, а остальная его часть
может быть использована для нагревания аммиака. Для
того чтобы не выпускать за борт газообразный азот и
не демаскировать тем самым подводную лодку, его мож­
но охладить жидким кислородом и превратить в жид­
кость, которую целесообразно сливать в емкости из-под
кислорода по мере их освобождения.
Кроме водородно-кислородных элементов, по мнению
американских специалистов, на подводных лодках мож­
но применить элементы, работающие на амальгаме нат­
76

рия, которые были описаны выше. У таких элементов
не создаются трудности с удалением отходов, так как
раствор NaOH легко может быть откачан за борт.
В печати сообщалось, что американская фирма «Дженерал Дайнемикс Корпорейшн» разработала проект ма­
лой подводной лодки противолодочной обороны с энер­
гетической установкой на водородно-кислородных топ­
ливных элементах. Вся установка вместе с батареями и
запасами топлива и окислителя размещается в трех
смежных отсеках общей длиной 22 м при наибольшем
диаметре 6,8 м. Масса батареи топливных элементов до­
стигает 150 т, а отсек, в котором размещена батарея,
занимает объем 270 м3 из общего объема трех отсеков
в 600 м3.
Запасы топлива и окислителя обеспечивают общий
ресурс энергии 78 000 квт-ч. Этот запас позволяет энер­
гетической установке работать на пониженной до 200 кет
мощности в течение 360 ч (15 суток) и, кроме того, до­
полнительно развивать полную мощность 600 кет в те­
чение 10 ч.
7

Программа КПСС ставит перед работниками науки
и техники нашей страны задачу овладения методами
прямого преобразования энергии и внедрения этих ме­
тодов в народное хозяйство. Мы привыкли, что совет­
ские ученые, инженеры и рабочие с честью и в срок
выполняют задания своей родной партии. Поэтому в бли­
жайшем будущем, а в исторических масштабах — уже
завтра новая энергетика появится в промышленности,
на морском и наземном транспорте и в других областях
техники.
Мы дали самые общие сведения о новых преобразо­
вателях энергии, которые сравнительно скоро могут
встретиться читателю. Может быть, он глубоко заинте­
ресуется проблемами прямого преобразования энергии
и своим трудом впишет новую страницу в развитие энер­
гетики.

Литература

Кузнецов Б. В. Развитие тепловых двигателей. М.—Л., Госэнергоиздат, 1953.
Л а шк а рев Г. В., Таранец А. М., Фоменко В. С. Но­
вые источники электрической энергии. Киев, изд-во АН УССР, 1962.
Плазма в магнитном поле и прямое преобразование тепловой
энергии в электрическую. Сб. статей, пер. с английского. М., Госатомиздат, 1962.
Багоцкий В. С., Флёров В. Н. Новейшие достижения в об­
ласти химических источников тока. М.—Л., Госэнергоиздат, 1963.

К ЧИТАТЕЛЯМ!
Военное издательство просит присылать свои
отзывы об этой книге по адресу:
Москва, К-160, Военное издательство

СОДЕРЖАНИЕ

Энергетика сегодня и пути в энергетику будущего...................
Термоэлектронные преобразователи..............................................
Термоэлектрические преобразователи ..........................................
Магнитогидродинамические генераторы......................................
С помощью топливных элементов — в обход цикла Карно . .
Литература............................................................................................

Стр.
3
17
26
41
59
78

Лев' Владимирович Виноградов
ЭНЕРГЕТИКА ЗАВТРАШНЕГО ДНЯ
М., Воениздат, 1965. 80 с.
Редактор Федоров А. В.
Художественный редактор Г речихо Г. В.
Художник Васильев В. В.
Технический редактор Каленова АГ. Н.
Корректор Шабашева Л. А.

Сдано в набор 24.8.64 г.
Г-24617
Подписано в печать 20.4.65 г.
Формат бумаги 84X108732—21/г печ. л.=4,1 усл. печ. л. 3,894 уч.-изд. л.
Изд. № 9/5579.
Тираж 7000 ТП 65 г. № 48
Зак. 425
Цена 14 коп.
1-я типография
Военного издательства Министерства обороны СССР
Москва, К-6, проезд Скворцова-Степанова, дом 3

ВОЕННОЕ ИЗДАТЕЛЬСТВО
ВЫПУСКАЕТ В 1965 ГОДУ
СЛЕДУЮЩИЕ КНИГИ:
Потапов И. Н. Послевоенные доктрины и развитие фло­
тов основных империалистических государств, 15 л., с илл., в

перепл., цена 90 к.
Коваленко В. А., Остроумов М. Н. Справочник по
иностранным флотам. 55 л., с илл., в перепл., цена 2 р. 95 к.
Ку пл ян ск ий В. М. и др. Главное оружие флота. 15 л.,
с илл, в перепл., цена 65 к.
Максимов В. Н. и др. Подводный флот специального
назначения. 8 л., с илл., цена 38 к.
Богословский А. С. Силовые полупроводниковые вы­
прямители. 10 л., с илл., в перепл., цена 35 к.
Ма датов Н. М. Подводный ремонт кораблей и судов.
15 л., с илл., в перепл., цена 68 к.
/Муру Н. П. Обеспечение непотопляемости корабля. 10 л.,
с илл., в перепл., цена 50 к.
П и н е г и н Т. А., Лобач -Жученко Б. Б. Яхта и
буер (парусный спорт). 7 л., с илл., в перепл., цена 25 к.
Ж е м а р и н Р. И., Г и б н е р Б. Г. Занимайтесь водно­
моторным спортом. 6 л., с илл., цена 21 к.
«КНИГИ Военного издательства продаются в магазинах и
киосках «Военная книга».

На печатающиеся книги Военного издательства, еще не
поступившие в продажу, магазины «Военная книга» прини­
мают предварительные заказы. Предварительный заказ обес­
печивает своевременное получение нужной ,Вам книги.

О поступлении книг в продажу заказчик будет извещен
по домашнему адресу.
Книги Военного издательства можно приобрести также
по почте наложенным платежом по домашнему адресу, на­
правив заказ отделу «Военная книга—почтой» окружного
магазина «Военная книга».

В случае отсутствия книг в окружном магазине заказы
следует направлять по адресу: Москва, А-167, Красноармей­
ская, 18А «Военная книга — почтой».