Прямое преобразование энергии

Прямое преобразование энергии (DEC) или просто прямое преобразование преобразует кинетическую энергию заряженной частицы в напряжение . Это схема извлечения энергии из ядерного синтеза .

Базовый прямой преобразователь

История и теоретические основы

Электростатические прямые коллекторы

В середине 1960-х годов было предложено прямое преобразование энергии в качестве метода захвата энергии из выхлопных газов в термоядерном реакторе . Это позволило бы генерировать постоянный ток электричества. Ричард Ф. Пост из Ливерморской национальной лаборатории имени Лоуренса был одним из первых сторонников этой идеи. [1] Пост рассуждал, что захват энергии потребует пяти шагов: [2] (1) Упорядочение заряженных частиц в линейный пучок. (2) Разделение положительных и отрицательных. (3) Разделение ионов на группы по их энергии. (4) Сбор этих ионов, когда они касаются коллекторов. (5) Использование этих коллекторов в качестве положительной стороны в цепи. Пост утверждал, что эффективность теоретически определяется количеством коллекторов.

Венецианские жалюзи

Конструкция жалюзи представляет собой тип электростатического прямого коллектора. Название конструкции жалюзи происходит от визуального сходства лент с жалюзи . Конструкции начала 1970-х годов Уильяма Барра и Ральфа Мойра использовали повторяющиеся металлические ленты под определенным углом в качестве пластин-коллекторов ионов. Эти металлические лентообразные поверхности более прозрачны для ионов, идущих вперед, чем для ионов, идущих назад. Ионы проходят через поверхности последовательно увеличивающегося потенциала, пока не повернутся и не начнут движение назад по параболической траектории . Затем они видят непрозрачные поверхности и улавливаются. Таким образом, ионы сортируются по энергии, при этом ионы с высокой энергией улавливаются на высокопотенциальных электродах. [3] [4] [5]

Затем Уильям Барр и Ральф Мойр руководили группой, которая провела серию экспериментов по прямому преобразованию энергии в конце 1970-х и начале 1980-х годов. [6] В первых экспериментах в качестве топлива использовались пучки положительных и отрицательных ионов, и была продемонстрирована максимальная эффективность захвата энергии в 65 процентов и минимальная эффективность в 50 процентов. [7] [8] В следующих экспериментах использовался настоящий плазменный прямой преобразователь, который был испытан на Tandem Mirror Experiment (TMX), работающем термоядерном реакторе с магнитным зеркалом . В ходе эксперимента плазма двигалась вдоль расходящихся линий поля, рассеивая ее и преобразуя в движущийся вперед пучок с длиной Дебая в несколько сантиметров. [9] Затем решетки-подавители отражают электроны, а аноды-коллекторы восстанавливают энергию ионов, замедляя их и собирая на пластинах с высоким потенциалом. Эта машина продемонстрировала эффективность захвата энергии в 48 процентов. [10] Однако Маршалл Розенблут утверждал, что сохранение нейтрального заряда плазмы на очень коротком расстоянии Дебая будет очень сложной задачей на практике, хотя он и сказал, что эта проблема не возникнет в каждой версии этой технологии. [9]

Преобразователь Venetian Blind может работать с 100–150 кэВ DT-плазмой с эффективностью около 60% в условиях, совместимых с экономикой, и с верхней технической эффективностью преобразования до 70% без учета экономических ограничений. [4]

Периодическая электростатическая фокусировка

Второй тип электростатического преобразователя, первоначально предложенный Постом, затем разработанный Барром и Мойром, — это концепция периодической электростатической фокусировки. [2] [5] [11] Как и концепция жалюзи, это также прямой коллектор, но пластины коллектора расположены на многих этапах вдоль продольной оси электростатического фокусирующего канала. Поскольку каждый ион замедляется вдоль канала до нулевой энергии, частица становится «сверхфокусированной» и отклоняется вбок от пучка, а затем собирается. Преобразователь периодической электростатической фокусировки обычно работает с 600-кеВ DT-плазмой (от 400 кэВ до 800 кэВ) с эффективностью около 60% в условиях, совместимых с экономикой, и верхней технической эффективностью преобразования до 90% без учета экономических ограничений. [12]

Индукционные системы

Системы проводимости

С 1960-х по 1970-е годы были разработаны методы извлечения электрической энергии непосредственно из горячего газа ( плазмы ), движущегося внутри канала, снабженного электромагнитами (создающими поперечное магнитное поле ) и электродами (подключенными к нагрузочным резисторам ). Носители заряда (свободные электроны и ионы ), поступающие с потоком, затем разделяются силой Лоренца , и разность электрических потенциалов может быть получена из пар соединенных электродов . Ударные трубы, используемые в качестве импульсных МГД-генераторов, например, могли производить несколько мегаватт электроэнергии в каналах размером с банку для напитков . [13]

Индукционные системы

Помимо преобразователей, использующих электроды, чисто индуктивные магнитные преобразователи были также предложены Львом Арцимовичем в 1963 году [14] , затем Аланом Фредериком Хоутом и его командой из United Aircraft Research Laboratories в 1970 году [15] и Ральфом Мойром в 1977 году [16].

Магнитный преобразователь прямой энергии сжатия-расширения аналогичен двигателю внутреннего сгорания . Поскольку 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 в этом случае работает как «магнитный четырехтактный двигатель »:

  1. Сжатие : столб плазмы сжимается магнитным полем, которое действует как поршень.
  2. Термоядерный горение : Сжатие нагревает плазму до температуры термоядерного воспламенения.
  3. Расширение/Мощность : Расширение продуктов реакции синтеза (заряженных частиц) увеличивает давление плазмы и выталкивает магнитное поле наружу. Напряжение индуцируется и собирается в электромагнитной катушке.
  4. Выхлоп/Заправка : После расширения частично сгоревшее топливо вымывается, а новое топливо в виде газа вводится и ионизируется; и цикл начинается снова.

В 1973 году группа ученых из лабораторий Лос-Аламоса и Аргонна заявила, что термодинамическая эффективность цикла прямого магнитного преобразования энергии альфа-частиц в работу составляет 62% [17] .

Прямой преобразователь энергии на бегущей волне

В 1992 году совместная японо-американская группа предложила новую систему прямого преобразования энергии для протонов с энергией 14,7 МэВ, полученных в результате реакций синтеза D- 3He , энергия которых слишком высока для электростатических преобразователей. [18]

Преобразование основано на преобразователе энергии с бегущей волной (TWDEC). Гиротронный преобразователь сначала направляет ионы продукта синтеза в виде пучка в микроволновую полость длиной 10 метров, заполненную магнитным полем 10 Тесла, где генерируются микроволны частотой 155 МГц, которые преобразуются в выходной постоянный ток высокого напряжения через ректенны .

Реактор с обращенным полем ARTEMIS в этом исследовании был спроектирован с эффективностью 75%. Прямой преобразователь с бегущей волной имеет максимальную проектную эффективность 90%. [19]

Обратный циклотронный преобразователь (ОЦП)

Первоначальные прямые преобразователи были разработаны для извлечения энергии, переносимой ионами с энергией от 100 до 800 кэВ, полученными в результате реакций синтеза DT. Эти электростатические преобразователи не подходят для ионов с более высокой энергией, превышающей 1 МэВ, полученных в результате других видов термоядерного топлива, таких как реакции нейтронного синтеза D -3He или p - 11B .

Гораздо более короткое устройство, 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 входящие ионы на основе экспериментов, проведенных в 1950 году Феликсом Блохом и Карсоном Д. Джеффрисом , [22] для извлечения их кинетической энергии. Преобразователь работает на частоте 5 МГц и требует магнитного поля всего 0,6 тесла. Линейное движение ионов-продуктов синтеза преобразуется в круговое движение магнитным каспом. Энергия собирается из заряженных частиц, когда они по спирали проходят мимо квадрупольных электродов. Более классические электростатические коллекторы также могут использоваться для частиц с энергией менее 1 МэВ. Обратный циклотронный преобразователь имеет максимальную проектируемую эффективность 90%. [19] [20] [21] [23] [24]

Рентгеновский фотоэлектрический преобразователь

Значительная часть энергии, высвобождаемой в результате реакций синтеза, состоит из электромагнитного излучения , в основном рентгеновских лучей , вызванных тормозным излучением . Эти рентгеновские лучи не могут быть преобразованы в электрическую энергию с помощью различных электростатических и магнитных преобразователей прямой энергии, перечисленных выше, и их энергия теряется.

В то время как более классическое тепловое преобразование рассматривалось с использованием излучения/котла/энергообменника, где энергия рентгеновских лучей поглощается рабочей жидкостью при температурах в несколько тысяч градусов, [25] более поздние исследования, проведенные компаниями, разрабатывающими ядерные безнейтронные термоядерные реакторы, такими как Lawrenceville Plasma Physics (LPP) с Dense Plasma Focus и Tri Alpha Energy, Inc. с Colliding Beam Fusion Reactor (CBFR), планируют использовать фотоэлектрические и оже- эффекты для восстановления энергии, переносимой рентгеновскими лучами и другими высокоэнергетическими фотонами . Эти фотоэлектрические преобразователи состоят из листов поглотителя рентгеновских лучей и коллектора электронов, концентрически вложенных в луковицеобразный массив. Действительно, поскольку рентгеновские лучи могут проходить через гораздо большую толщину материала, чем электроны, для поглощения большей части рентгеновских лучей требуется много слоев. LPP объявляет об общей эффективности 81% для схемы фотоэлектрического преобразования. [26] [27]

Прямое преобразование энергии из продуктов деления

В начале 2000-х годов Национальные лаборатории Сандия , Национальная лаборатория Лос-Аламоса , Университет Флориды , Техасский университет A&M и General Atomics провели исследования по использованию прямого преобразования для извлечения энергии из реакций деления, по сути, пытаясь извлечь энергию из линейного движения заряженных частиц, возникающих в результате реакции деления. [28]

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ Пост, Ричард Ф. (ноябрь 1969 г.). «Прямое преобразование тепловой энергии высокотемпературной плазмы». Бюллетень Американского физического общества . 14 (11): 1052.
  2. ^ ab Post, Richard F. (сентябрь 1969 г.). Mirror Systems: Fuel Cycles, Loss Reduction and Energy Recovery (PDF) . BNES Nuclear Fusion Reactor Conference. Culham Centre for Fusion Energy, Oxfordshire, UK: British Nuclear Energy Society. стр.  87–111 . Архивировано из оригинала (PDF) 23-06-2015 . Получено 22-06-2014 .
  3. ^ Moir, RW; Barr, WL (1973). ""Venetian-blind" direct energy converter for fusion nuclear nuclear" (PDF) . Nuclear Fusion . 13 : 35–45 . doi :10.1088/0029-5515/13/1/005. S2CID  54532893. Архивировано из оригинала (PDF) 20.03.2016 . Получено 29.08.2015 .
  4. ^ ab Barr, WL; Burleigh, RJ; Dexter, WL; Moir, RW; Smith, RR (1974). "Предварительный инженерный проект прямого преобразователя энергии "Venetian blind" для термоядерных реакторов" (PDF) . IEEE Transactions on Plasma Science . 2 (2): 71. Bibcode :1974ITPS....2...71B. doi :10.1109/TPS.1974.6593737. Архивировано из оригинала (PDF) 2016-04-23 . Получено 2015-08-29 .
  5. ^ ab Moir, RW; Barr, WL; Miley, GH (1974). "Требования к поверхности для электростатических преобразователей прямой энергии" (PDF) . Journal of Nuclear Materials . 53 : 86– 96. Bibcode :1974JNuM...53...86M. doi :10.1016/0022-3115(74)90225-6. Архивировано из оригинала (PDF) 2016-03-05 . Получено 2015-08-29 .
  6. ^ Моррис, Джефф. «In Memoriam». (nd): n. pag. Rpt. in Newsline. 19-е изд. Том 29. Ливермор: Ливерморская национальная лаборатория им. Лоуренса, 2004. 2. Печать.
  7. ^ Барр, Уильям Л.; Доггетт, Джеймс Н.; Гамильтон, Гордон У.; Кинни, Джон; Мойр, Ральф У. (25–28 октября 1977 г.). Инженерное проектирование прямого преобразования пучка для ионного пучка 120 кВ, 1 МВт (PDF) . 7-й симпозиум по инженерным проблемам исследований термоядерного синтеза. Ноксвилл, Теннесси. Архивировано из оригинального (PDF) 22 июля 2016 г. . Получено 23 июня 2014 г.
  8. ^ Barr, WL; Moir, RW; Hamilton, GW (1982). "Экспериментальные результаты прямого преобразователя пучка при 100 кВ". Journal of Fusion Energy . 2 (2): 131. Bibcode : 1982JFuE....2..131B. doi : 10.1007/BF01054580. S2CID  120604056.
  9. ^ ab Rosenbluth, MN; Hinton, FL (1994). "Общие вопросы прямого преобразования энергии термоядерного синтеза из альтернативных видов топлива". Plasma Physics and Controlled Fusion . 36 (8): 1255. Bibcode : 1994PPCF...36.1255R. doi : 10.1088/0741-3335/36/8/003. S2CID  250805049.
  10. ^ Barr, William L.; Moir, Ralph W. (январь 1983). "Результаты испытаний плазменных прямых преобразователей". Ядерные технологии - Термоядерный синтез . 3 (1). Американское ядерное общество: 98– 111. Bibcode : 1983NucTF...3...98B. doi : 10.13182/FST83-A20820. ISSN  0272-3921.
  11. ^ Barr, WL; Howard, BC; Moir, RW (1977). "Computer Simulation of the Periodic Electrostatic Focusing Converter" (PDF) . IEEE Transactions on Plasma Science . 5 (4): 248. Bibcode :1977ITPS....5..248B. doi :10.1109/TPS.1977.4317060. S2CID  12552059. Архивировано из оригинала (PDF) 2016-03-04 . Получено 2015-08-29 .
  12. ^ Смит, Бобби Х.; Берли, Ричард; Декстер, Уоррен Л.; Реджинато, Льюис Л. (20–22 ноября 1972 г.). Инженерное исследование электрической конструкции 1000-мегаваттного прямого преобразователя для зеркальных реакторов . Техасский симпозиум по технологии экспериментов по управляемому термоядерному синтезу и инженерным аспектам термоядерных реакторов. Остин, Техас: Комиссия по атомной энергии США.
  13. ^ Саттон, Джордж У.; Шерман, Артур (июль 2006 г.). Инженерная магнитогидродинамика . Dover Civil and Mechanical Engineering. Dover Publications. ISBN 978-0486450322.
  14. ^ Арцимович, Л.А. (1963). Управляемые термоядерные процессы[ Управляемые термоядерные реакции ] (2-е изд.). М.: Физматгиз.
  15. ^ Haught, AF (1970). «Удержание магнитным полем плазмы твердых частиц, облученной лазером». Physics of Fluids . 13 (11): 2842–2857 . Bibcode : 1970PhFl...13.2842H. doi : 10.1063/1.1692870.
  16. ^ Moir, Ralph W. (апрель 1977 г.). "Глава 5: Прямое преобразование энергии в термоядерных реакторах" (PDF) . В Considine, Douglas M. (ред.). Energy Technology Handbook. NY: McGraw-Hill. стр. 150–154. ISBN 978-0070124301.
  17. ^ Олифант, TA; Райб, FL; Коултас, TA (1973). «Прямое преобразование энергии термоядерной плазмы путем сильного магнитного сжатия и расширения». Ядерный синтез . 13 (4): 529. doi :10.1088/0029-5515/13/4/006. S2CID  121133314.
  18. ^ 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 . Бибкод : 1992FuTec..21.2307M. doi : 10.13182/FST92-A29724.
  19. ^ ab Rostoker, N.; Binderbauer, MW; Monkhorst, HJ (1997). "Colliding Beam Fusion Reactor" (PDF) . Science . 278 (5342): 1419– 22. Bibcode :1997Sci...278.1419R. doi :10.1126/science.278.5342.1419. PMID  9367946. Архивировано из оригинала (PDF) 20 декабря 2005 г.
  20. ^ ab патент США 6850011, Монкхорст, Хендрик Дж. и Ростокер, Норман, «Управляемый синтез в конфигурации с обращенным полем и прямое преобразование энергии», выдан 01.02.2005, передан регентам Калифорнийского университета и Исследовательского фонда Университета Флориды 
  21. ^ ab WO application 2006096772, Биндербауэр, Михль; Быстрицкий, Виталий и Ростокер, Норман и др., "Plasma electric generation system", опубликовано 28.12.2006, присвоено Биндербауэру, Михлю и Виталию Быстрицкому, Норману Ростокеру, Франку Весселю 
  22. ^ Блох, Ф.; Джеффрис, К. (1950). «Прямое определение магнитного момента протона в ядерных магнетонах». Physical Review . 80 (2): 305. Bibcode : 1950PhRv...80..305B. doi : 10.1103/PhysRev.80.305.
  23. ^ Yoshikawa, K.; Noma, T.; Yamamoto, Y. (май 1991). «Прямое преобразование энергии из ионов высокой энергии посредством взаимодействия с электромагнитными полями». Fusion Science and Technology . 19 (3P2A). American Nuclear Society: 870– 875. Bibcode : 1991FuTec..19..870Y. doi : 10.13182/FST91-A29454. Архивировано из оригинала 26 июня 2014 г.
  24. ^ Ростокер, Н.; Биндербауэр, М.; Монкхорст, Х. Дж. (1997). Office of Naval Research Reports (Технический отчет).
  25. ^ Тауссиг, Роберт Т. (апрель 1977 г.). Высокотермические усовершенствованные термоядерные реакторы на основе излучения . Пало-Альто, Калифорния: Научно-исследовательский институт электроэнергетики. OCLC  123362448.
  26. ↑ 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 Lawrenceville Plasma Physics, Inc. 
  27. ↑ Заявка США 2013125963, Биндербауэр, Михль и Таджима, Тошики, «Преобразование высокоэнергетических фотонов в электричество», опубликована 23.05.2013, передана Tri Alpha Energy, Inc. 
  28. ^ lc Brown (2002). «Ежегодный отчет по реакторам деления с прямым преобразованием энергии за период с 15 августа 2000 г. по 30 сентября 2001 г.». doi :10.2172/805252. {{cite journal}}: Цитировать журнал требует |journal=( помощь )
Взято с "https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Прямое_преобразование_энергии&oldid=1268902641"