Прямое преобразование энергии
Прямое преобразование энергии (DEC) или просто прямое преобразование заряженной частицы преобразует кинетическую энергию в напряжение . Это схема извлечения энергии из ядерного синтеза .
История и теоретические основы
[ редактировать ]Электростатические прямые коллекторы
[ редактировать ]В середине 1960-х годов прямое преобразование энергии было предложено как метод улавливания энергии выхлопных газов в термоядерном реакторе . Это будет генерировать постоянный ток электричества. Ричард Ф. Пост из Ливерморской национальной лаборатории Лоуренса был одним из первых сторонников этой идеи. [1] Пост рассуждал, что для улавливания энергии потребуется пять шагов: [2] (1) Упорядочение заряженных частиц в линейный пучок. (2) Разделение позитива и негатива. (3) Разделение ионов на группы по их энергии. (4) Сбор этих ионов при их соприкосновении с коллекторами. (5) Использование этих коллекторов в качестве положительной стороны цепи. Пост утверждал, что эффективность теоретически определяется количеством коллекторов.
Венецианские жалюзи
[ редактировать ]Конструкция жалюзи представляет собой тип электростатического прямого коллектора. Название конструкции «Венецианские жалюзи» происходит от визуального сходства лент с жалюзи . В проектах начала 1970-х годов Уильяма Барра и Ральфа Мойра в качестве пластин коллектора ионов использовались повторяющиеся металлические ленты под определенным углом. Эти металлические лентообразные поверхности более прозрачны для ионов, движущихся вперед, чем для ионов, движущихся назад. Ионы проходят через поверхности с последовательно возрастающим потенциалом, пока не поворачиваются и не отправляются обратно по параболической траектории . Затем они видят непрозрачные поверхности и их ловят. Таким образом, ионы сортируются по энергии, при этом ионы высокой энергии улавливаются на электродах с высоким потенциалом. [3] [4] [5]
Затем Уильям Барр и Ральф Мойр возглавили группу, которая в конце 1970-х — начале 1980-х годов провела серию экспериментов по прямому преобразованию энергии. [6] Первые эксперименты использовали в качестве топлива лучи позитива и негатива и продемонстрировали захват энергии с максимальной эффективностью 65 процентов и минимальной эффективностью 50 процентов. [7] [8] В следующих экспериментах использовался настоящий прямой преобразователь плазмы, который был протестирован на Tandem Mirror Experiment (TMX), действующем термоядерном реакторе с магнитными зеркалами . В эксперименте плазма двигалась по расходящимся силовым линиям, расширяя ее и превращая в поступательный пучок с дебаевской длиной в несколько сантиметров. [9] Затем сетки-подавители отражают электроны, а аноды-коллекторы восстанавливают энергию ионов за счетзамедляя их и собирая на высокопотенциальных пластинах. Эта машина продемонстрировала эффективность улавливания энергии 48 процентов. [10] Однако Маршалл Розенблют утверждал, что сохранение нейтрального заряда плазмы на очень коротком дебаевском расстоянии на практике будет очень сложной задачей, хотя он сказал, что эта проблема не возникнет в каждой версии этой технологии. [9]
Конвертер «Венецианские жалюзи» может работать с DT-плазмой напряжением от 100 до 150 кэВ, с эффективностью около 60% в условиях, совместимых с экономикой, и верхним техническим КПД преобразования до 70% без учета экономических ограничений. [4]
Периодическая электростатическая фокусировка
[ редактировать ]Второй тип электростатического преобразователя, первоначально предложенный Постом, а затем разработанный Барром и Мойром, — это концепция периодической электростатической фокусировки. [2] [5] [11] Как и концепция жалюзи, это также прямой коллектор, но коллекторные пластины расположены в несколько этапов вдоль продольной оси электростатического фокусирующего канала. Поскольку каждый ион замедляется вдоль канала до нулевой энергии, частица становится «чрезмерно сфокусированной» и отклоняется в сторону от луча, а затем собирается. Конвертер с периодической электростатической фокусировкой обычно работает с DT-плазмой напряжением 600 кэВ (от 400 кэВ до 800 кэВ) с эффективностью около 60% в условиях, совместимых с экономикой, и верхним техническим КПД преобразования до 90% без учета экономических ограничений. . [12]
Индукционные системы
[ редактировать ]Проводящие системы
[ редактировать ]С 1960-х по 1970-е годы были разработаны методы извлечения электрической энергии непосредственно из горячего газа ( плазмы ), движущегося внутри канала, оснащенного электромагнитами (создающими поперечное магнитное поле ) и электродами (подключенными к нагрузочным резисторам ). Носители заряда (свободные электроны и ионы ), приходящие с потоком, затем разделяются силой Лоренца , и разность электрических потенциалов может быть получена от пар соединенных электродов. Ударные трубки, в качестве импульсных МГД-генераторов, например, были способны производить несколько мегаватт электроэнергии используемые в каналах размером с банку с напитком . [13]
Индукционные системы
[ редактировать ]Помимо преобразователей с использованием электродов, Львом Арцимовичем в 1963 г. были предложены также чисто индуктивные магнитные преобразователи. [14] затем Алан Фредерик Хоут и его команда из United Aircraft Research Laboratories в 1970 году, [15] и Ральф Мойр в 1977 году. [16]
Магнитный преобразователь прямой энергии сжатия-расширения аналогичен двигателю внутреннего сгорания . Когда горячая плазма расширяется против магнитного поля , подобно тому, как горячие газы расширяются против поршня, часть энергии внутренней плазмы индуктивно преобразуется в электромагнитную катушку в виде ЭДС ( напряжения ) в проводнике.
Эту схему лучше всего использовать с импульсными устройствами, поскольку преобразователь тогда работает как «магнитный четырехтактный двигатель »:
- Сжатие : Столб плазмы сжимается магнитным полем, которое действует как поршень.
- Термоядерный ожог : сжатие нагревает плазму до температуры термоядерного воспламенения.
- Расширение/Мощность : Расширение продуктов реакции синтеза (заряженных частиц) увеличивает давление плазмы и выталкивает магнитное поле наружу. Напряжение индуцируется и собирается в электромагнитной катушке.
- Выхлоп/дозаправка : после расширения частично сгоревшее топливо вымывается, а новое топливо в виде газа вводится и ионизируется; и цикл начинается заново.
В 1973 году группа из лабораторий Лос-Аламоса и Аргонны заявила, что термодинамический КПД цикла прямого магнитного преобразования энергии альфа-частиц в работу составляет 62%. [17]
Преобразователь прямой энергии бегущей волны
[ редактировать ]В 1992 году совместная группа Японии и США предложила новую систему прямого преобразования энергии для протонов с энергией 14,7 МэВ, производимых D- 3 Он проводит реакции термоядерного синтеза, энергия которых слишком высока для электростатических преобразователей. [18]
Преобразование основано на преобразователе прямой энергии бегущей волны (TWDEC). Гиротронный через преобразователь сначала направляет ионы продуктов термоядерного синтеза в виде луча в микроволновую полость длиной 10 метров, заполненную магнитным полем силой 10 тесла, где генерируются микроволны частотой 155 МГц, которые преобразуются в выходной сигнал высокого напряжения постоянного тока ректенны .
Реактор с обращенной конфигурацией поля ARTEMIS в этом исследовании был спроектирован с эффективностью 75%. Прямой преобразователь бегущей волны имеет максимальный прогнозируемый КПД 90%. [19]
Обратный циклотронный преобразователь (ICC)
[ редактировать ]Оригинальные прямые преобразователи были разработаны для извлечения энергии, переносимой ионами с энергией от 100 до 800 кэВ, образующимися в реакциях DT-синтеза. Эти электростатические преобразователи не подходят для ионов с более высокой энергией выше 1 МэВ, генерируемых другими термоядерными топливами, такими как D-. 3 или п- Он 11 Б реакции анейтронного синтеза .
Устройство, гораздо более короткое, чем преобразователь прямой энергии бегущей волны, было предложено в 1997 году и запатентовано компанией Tri Alpha Energy, Inc. как обратный циклотронный преобразователь (ICC). [20] [21]
ICC способен замедлять приближающиеся ионы на основе экспериментов, проведенных в 1950 году Феликсом Блохом и Карсоном Д. Джеффрисом . [22] с целью извлечения их кинетической энергии. Преобразователь работает на частоте 5 МГц и требует магнитного поля силой всего 0,6 Тл. Линейное движение ионов продуктов термоядерного синтеза преобразуется в круговое движение с помощью магнитного каспа. Энергия собирается от заряженных частиц, когда они проходят по спирали мимо квадрупольных электродов. Более классические электростатические коллекторы также будут использоваться для частиц с энергией менее 1 МэВ. Обратный циклотронный преобразователь имеет максимальный прогнозируемый КПД 90%. [19] [20] [21] [23] [24]
Рентгеновский фотоэлектрический преобразователь
[ редактировать ]Значительное количество энергии, выделяемой в реакциях термоядерного синтеза, состоит из электромагнитного излучения , в основном рентгеновских лучей , обусловленных тормозным излучением . Эти рентгеновские лучи не могут быть преобразованы в электроэнергию с помощью различных электростатических и магнитных преобразователей прямой энергии, перечисленных выше, и их энергия теряется.
В то время как более классическое термическое преобразование рассматривалось с использованием излучения/котла/энергообменника, где энергия рентгеновских лучей поглощается рабочим телом при температуре в несколько тысяч градусов, [25] более поздние исследования, проведенные компаниями, разрабатывающими ядерные анейтронные термоядерные реакторы, такие как Lawrenceville Plasma Physics (LPP) с плотным плазменным фокусом и Tri Alpha Energy, Inc. с термоядерным реактором на встречных лучах (CBFR), планируют использовать фотоэлектрический и оже -эффекты. для восстановления энергии, переносимой рентгеновскими лучами и другими фотонами высокой энергии . Эти фотоэлектрические преобразователи состоят из поглотителя рентгеновского излучения и листов коллектора электронов, концентрически вложенных в луковичную решетку. Действительно, поскольку рентгеновские лучи могут проходить сквозь материал гораздо большей толщины, чем электроны, для поглощения большей части рентгеновских лучей необходимо множество слоев. LPP заявляет об общей эффективности схемы фотоэлектрического преобразования в 81%. [26] [27]
Прямое преобразование энергии из продуктов деления
[ редактировать ]провели исследования В начале 2000-х годов Национальные лаборатории Сандии , Национальная лаборатория Лос-Аламоса , Университет Флориды , Техасский университет A&M и General Atomics по использованию прямого преобразования для извлечения энергии из реакций деления, по сути, пытаясь извлечь энергию из линейного движения. заряженных частиц, вылетающих в результате реакции деления. [28]
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ Пост, Ричард Ф. (ноябрь 1969 г.). «Прямое преобразование тепловой энергии высокотемпературной плазмы». Бюллетень Американского физического общества . 14 (11): 1052.
- ^ Jump up to: а б Пост, Ричард Ф. (сентябрь 1969 г.). Зеркальные системы: топливные циклы, снижение потерь и рекуперация энергии (PDF) . Конференция БНЭС по термоядерным реакторам. Центр термоядерной энергетики Калхэма, Оксфордшир, Великобритания: Британское общество ядерной энергии. стр. 87–111. Архивировано из оригинала (PDF) 23 июня 2015 г. Проверено 22 июня 2014 г.
- ^ Мойр, RW; Барр, WL (1973). « Преобразователь прямой энергии для термоядерных реакторов «жалюзи»» (PDF) . Ядерный синтез . 13 :35–45. дои : 10.1088/0029-5515/13/1/005 . S2CID 54532893 . Архивировано из оригинала (PDF) 20 марта 2016 г. Проверено 29 августа 2015 г.
- ^ Jump up to: а б Барр, WL; Берли, Р.Дж.; Декстер, WL; Мойр, RW; Смит, Р.Р. (1974). «Предварительный проект преобразователя прямой энергии «жалюзи» для термоядерных реакторов» (PDF) . Транзакции IEEE по науке о плазме . 2 (2): 71. Бибкод : 1974ITPS....2...71B . дои : 10.1109/TPS.1974.6593737 . Архивировано из оригинала (PDF) 23 апреля 2016 г. Проверено 29 августа 2015 г.
- ^ Jump up to: а б Мойр, RW; Барр, WL; Майли, GH (1974). «Требования к поверхности электростатических преобразователей прямой энергии» (PDF) . Журнал ядерных материалов . 53 : 86–96. Бибкод : 1974JNuM...53...86M . дои : 10.1016/0022-3115(74)90225-6 . Архивировано из оригинала (PDF) 5 марта 2016 г. Проверено 29 августа 2015 г.
- ^ Моррис, Джефф. «В память». (нд): н. стр. Рпт. в Ленте новостей. 19-е изд. Том. 29. Ливермор: Ливерморская национальная лаборатория Лоуренса, 2004. 2. Печать.
- ^ Барр, Уильям Л.; Доггетт, Джеймс Н.; Гамильтон, Гордон В.; Кинни, Джон; Мойр, Ральф В. (25–28 октября 1977 г.). Разработка прямого преобразования луча для ионного луча напряжением 120 кВ и мощностью 1 МВт (PDF) . 7-й симпозиум по инженерным проблемам термоядерных исследований. Ноксвилл, Теннесси. Архивировано из оригинала (PDF) 22 июля 2016 года . Проверено 23 июня 2014 г.
- ^ Барр, WL; Мойр, RW; Гамильтон, GW (1982). «Результаты экспериментов с прямым преобразователем луча на 100 кВ». Журнал термоядерной энергетики . 2 (2): 131. Бибкод : 1982JFuE....2..131B . дои : 10.1007/BF01054580 . S2CID 120604056 .
- ^ Jump up to: а б Розенблут, Миннесота; Хинтон, Флорида (1994). «Общие вопросы прямого преобразования термоядерной энергии из альтернативных видов топлива». Физика плазмы и управляемый термоядерный синтез . 36 (8): 1255. Бибкод : 1994PPCF...36.1255R . дои : 10.1088/0741-3335/36/8/003 . S2CID 250805049 .
- ^ Барр, Уильям Л.; Мойр, Ральф В. (январь 1983 г.). «Результаты испытаний плазменных прямых преобразователей». Ядерные технологии – термоядерный синтез . 3 (1). Американское ядерное общество: 98–111. дои : 10.13182/FST83-A20820 . ISSN 0272-3921 .
- ^ Барр, WL; Ховард, Британская Колумбия; Мойр, RW (1977). «Компьютерное моделирование периодического электростатического фокусирующего преобразователя» (PDF) . Транзакции IEEE по науке о плазме . 5 (4): 248. Бибкод : 1977ITPS....5..248B . дои : 10.1109/TPS.1977.4317060 . S2CID 12552059 . Архивировано из оригинала (PDF) 4 марта 2016 г. Проверено 29 августа 2015 г.
- ^ Смит, Бобби Х.; Берли, Ричард; Декстер, Уоррен Л.; Реджинато, Льюис Л. (20–22 ноября 1972 г.). Инженерное исследование электрической конструкции прямого преобразователя мощностью 1000 мегаватт для зеркальных реакторов . Техасский симпозиум по технологии экспериментов по управляемому термоядерному синтезу и инженерным аспектам термоядерных реакторов. Остин, Техас: Комиссия по атомной энергии США.
- ^ Саттон, Джордж В.; Шерман, Артур (июль 2006 г.). Инженерная магнитогидродинамика . Дуврское гражданское и машиностроительное строительство. Дуврские публикации. ISBN 978-0486450322 .
- ^ Арцимович, Л. А. (1963). Управляемые термоядерные реакции [ Управляемые термоядерные реакции ] (2-е изд.). Москва: Физматгиз.
- ^ Хаут, А.Ф. (1970). «Удержание магнитного поля плазмы твердых частиц, облученной лазером». Физика жидкостей . 13 (11): 2842. Бибкод : 1970PhFl...13.2842H . дои : 10.1063/1.1692870 .
- ^ Мойр, Ральф В. (апрель 1977 г.). «Глава 5: Прямое преобразование энергии в термоядерных реакторах» (PDF) . В Консидайне, Дуглас М. (ред.). Справочник по энергетическим технологиям . Нью-Йорк: МакГроу-Хилл. стр. 150–154 . ISBN 978-0070124301 .
- ^ Олифант, штат Техас; Рибе, Флорида; Култас, Т.А. (1973). «Прямое преобразование энергии термоядерной плазмы путем сильного магнитного сжатия и расширения». Ядерный синтез . 13 (4): 529. дои : 10.1088/0029-5515/13/4/006 . S2CID 121133314 .
- ^ Момота, Хирому; Исида, Акио; Козаки, Ясудзи; Майли, Джордж Х.; Охи, Шоичи; Ониши, Масами; Сато, Кунихиро; Штайнхауэр, Лорен К.; Томита, Юкихиро; Тушевский, Мишель (июль 1992 г.). «Концептуальный проект реактора D-3He Artemis» (PDF) . Наука и технология термоядерного синтеза . 21 (4): 2307–2323. дои : 10.13182/FST92-A29724 .
- ^ Jump up to: а б Ростокер Н.; Биндербауэр, М.В.; Монкхорст, HJ (1997). «Реактор встречного пучка» (PDF) . Наука . 278 (5342): 1419–22. Бибкод : 1997Sci...278.1419R . дои : 10.1126/science.278.5342.1419 . ПМИД 9367946 . Архивировано из оригинала (PDF) 20 декабря 2005 г.
- ^ Jump up to: а б Патент США 6850011 , Монкхорст, Хендрик Дж. и Ростокер, Норман, «Управляемый термоядерный синтез в обратной конфигурации поля и прямое преобразование энергии», выдан 1 февраля 2005 г., передан Регентам Калифорнийского университета и Исследовательскому фонду Университета Флориды.
- ^ Jump up to: а б заявка WO 2006096772 , Биндербауэр, Михл; Быстрицкий, Виталий и Ростокер, Норман и др., «Система плазменной генерации электричества», опубликовано 28 декабря 2006 г., передано Биндербауэру, Миху и Виталию Быстрицким, Норману Ростокеру, Франку Весселю.
- ^ Блох, Ф.; Джеффрис, К. (1950). «Прямое определение магнитного момента протона в ядерных магнетонах». Физический обзор . 80 (2): 305. Бибкод : 1950ФРв...80..305Б . дои : 10.1103/PhysRev.80.305 .
- ^ Ёсикава, К.; Нома, Т.; Ямамото, Ю. (май 1991 г.). «Прямое преобразование энергии из ионов высоких энергий посредством взаимодействия с электромагнитными полями» . Наука и технология термоядерного синтеза . 19 (3П2А). Американское ядерное общество: 870–875. дои : 10.13182/FST91-A29454 . [ постоянная мертвая ссылка ]
- ^ Ростокер Н.; Биндербауэр, М.; Монкхорст, HJ (1997). Управление отчетов военно-морских исследований (технический отчет).
- ^ Тауссиг, Роберт Т. (апрель 1977 г.). Усовершенствованные термоядерные реакторы на основе радиации с высоким тепловым КПД . Пало-Альто, Калифорния: Научно-исследовательский институт электроэнергетики. OCLC 123362448 .
- ^ Патент США 7482607 , Лернер, Эрик Дж. и Блейк, Аарон, «Метод и устройство для получения рентгеновских лучей, ионных пучков и энергии ядерного синтеза», выдан 27 января 2009 г., передан компании Lawrenceville Plasma Physics, Inc.
- ^ Заявка США 2013125963 , Биндербауэр, Михл и Таджима, Тошики, «Преобразование фотонов высокой энергии в электричество», опубликованная 23 мая 2013 г., передана Tri Alpha Energy, Inc.
- ^ ЖК Браун (2002). «Годовой отчет реактора деления прямого преобразования энергии за период с 15 августа 2000 г. по 30 сентября 2001 г.» . дои : 10.2172/805252 .
{{cite journal}}: Для цитирования журнала требуется|journal=( помощь )