Прямое преобразование энергии - Direct energy conversion

Эта статья о схеме получения электроэнергии от ядерного синтеза. Для прямого преобразования энергии плазмы (частично или полностью ионизированного газа) без термоядерных реакций см. Генератор МГД.

Прямое преобразование энергии (DEC) или просто прямое преобразование преобразует заряженные частицы кинетическая энергия в Напряжение. Это схема извлечения энергии из термоядерная реакция.

Базовый прямой преобразователь

История и теоретические основы

Электростатические прямые коллекторы

В середине 1960-х годов прямое преобразование энергии было предложено как метод улавливания энергии выхлопных газов в термоядерный реактор. Это сгенерирует постоянный ток электричества. Ричард Ф. Пост на Национальная лаборатория Лоуренса Ливермора был одним из первых сторонников этой идеи.[1] Пост рассудил, что для сбора энергии потребуется пять шагов:[2] (1) Упорядочивание заряженных частиц в линейный пучок. (2) Разделение плюсов и минусов. (3) Разделение ионов на группы по их энергии. (4) Сбор этих ионов, когда они касаются коллекторов. (5) Использование этих коллекторов в качестве положительной стороны цепи. Пост утверждал, что эффективность теоретически определяется количеством сборщиков.

Жалюзи

В конструкциях начала 1970-х годов Уильяма Барра и Ральфа Мойра для сбора этих ионов использовались металлические ленты, расположенные под углом. Это было названо дизайном жалюзи, потому что ленты выглядят как оконные жалюзи. Эти металлические ленточные поверхности более прозрачны для идущих вперед ионов, чем для ионов, идущих назад. Ионы проходят через поверхности с последовательно увеличивающимся потенциалом, пока не повернутся и не начнут возвращаться по параболическая траектория. Затем они видят непрозрачные поверхности и их ловят. Таким образом, ионы сортируются по энергии, при этом ионы высокой энергии захватываются электродами с высоким потенциалом.[3][4][5]

Уильям Барр и Ральф Мойр затем руководили группой, которая в конце 1970-х - начале 1980-х годов выполнила серию экспериментов по прямому преобразованию энергии.[6] Первые эксперименты использовали пучки положительных и отрицательных элементов в качестве топлива и продемонстрировали захват энергии с максимальной эффективностью 65 процентов и минимальной эффективностью 50 процентов.[7][8] В следующих экспериментах использовался настоящий плазменный прямой преобразователь, который был протестирован на Эксперимент с тандемным зеркалом (TMX), операционная магнитное зеркало термоядерный реактор. В эксперименте плазма двигалась по расходящимся силовым линиям поля, растекаясь и превращая ее в движущийся вперед пучок с Длина Дебая на несколько сантиметров.[9] Затем решетки подавителя отражают электроны, а аноды коллектора восстанавливают энергию ионов, замедляя их и собирая на пластинах с высоким потенциалом. Эта машина продемонстрировала эффективность захвата энергии 48 процентов.[10] Тем не мение, Маршалл Розенблют утверждал, что удержание нейтрального заряда плазмы на очень коротком расстоянии Дебая было бы очень сложной задачей на практике, хотя он сказал, что эта проблема не будет возникать в каждой версии этой технологии.[9]

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

Периодическая электростатическая фокусировка

Второй тип электростатического преобразователя, первоначально предложенный Постом, а затем разработанный Барром и Мойром, - это концепция периодической электростатической фокусировки.[2][5][11] Как и в случае с венецианскими жалюзи, он также является прямым коллектором, но коллекторные пластины расположены поэтапно вдоль продольной оси канала электростатической фокусировки. Когда каждый ион замедляется вдоль канала до нулевой энергии, частица становится «сверхфокусированной» и отклоняется в сторону от луча, а затем собирается. Преобразователь с периодической электростатической фокусировкой обычно работает с плазмой DT 600 кэВ (от 400 кэВ до 800 кэВ) с эффективностью около 60% в условиях, совместимых с экономикой, и с максимальной технической эффективностью преобразования до 90% без учета экономических ограничений. .[12]

Индукционные системы

Системы проводимости

Основная статья: Магнитогидродинамический генератор

С 1960-х по 1970-е годы были разработаны методы извлечения электроэнергия непосредственно от горячего газа ( плазма ) в движении в канале, снабженном электромагниты (производя поперечный магнитное поле ), и электроды (подключен к нагрузке резисторы ). Носители заряда (свободный электроны и ионы ), входящие с потоком, разделяются Сила Лоренца и разность электрических потенциалов может быть извлечен из пар подключенных электродов. Ударные трубы использованные в качестве импульсных МГД-генераторов, например, могли производить несколько мегаватты из электричество в каналах размером с банка для напитков.[13]

Индукционные системы

В дополнение к преобразователям, использующим электроды, чистые индуктивные магнитные преобразователи также были предложены Лев Арцимович в 1963 г.,[14] затем Алан Фредерик Хаот 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 двигатель внутреннего сгорания. Поскольку горячая плазма расширяется против магнитное поле, подобно тому, как горячие газы расширяются относительно поршня, часть энергии внутренней плазмы составляет индуктивно преобразован в электромагнитная катушка, как ЭДС (Напряжение ) в проводнике.

Эту схему лучше всего использовать с импульсными устройствами, потому что преобразователь тогда работает как «магнитный». четырехтактный двигатель ":

  1. Сжатие: Столб плазмы сжимается магнитным полем, которое действует как поршень.
  2. Термоядерный ожог: 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 команда из Лос-Аламос и Аргонн лаборатории заявили, что термодинамическая эффективность цикла прямого магнитного преобразования из альфа-частица энергия для работы 62%.[17]

Преобразователь прямой энергии бегущей волны

В 1992 г. Япония – США. совместная группа предложила новую систему прямого преобразования энергии на 14,7 МэВ. протоны производства D-3Это термоядерные реакции, энергия которых слишком велика для электростатических преобразователей.[18]

Преобразование основано на преобразователе прямой энергии бегущей волны (TWDEC). А гиротрон преобразователь сначала направляет ионы продуктов термоядерного синтеза в виде луча в микроволновую резонатор длиной 10 метров, заполненную магнитным полем силой 10 тесла, где генерируются микроволны 155 МГц и преобразуются в высоковольтный выход постоянного тока через ректенны.

В Перевернутая конфигурация поля Реактор ARTEMIS в данном исследовании был разработан с КПД 75%. Максимальный расчетный КПД прямого преобразователя бегущей волны составляет 90%.[19]

Обратный циклотронный преобразователь (ICC)

Оригинальные прямые преобразователи были разработаны для извлечения энергии, переносимой ионами от 100 до 800 кэВ, произведенными в реакциях D-T синтеза. Эти электростатические преобразователи не подходят для ионов продуктов с более высокой энергией выше 1 МэВ, генерируемых другими видами термоядерного топлива, такими как D-3Он или п-11B аневтронный синтез реакции.

Устройство, намного более короткое, чем преобразователь прямой энергии бегущей волны, было предложено в 1997 г. и запатентовано Tri Alpha Energy, Inc. как обратное Циклотрон Конвертер (ICC).[20][21]

ICC способен замедлять поступающие ионы на основе экспериментов, проведенных в 1950 г. Феликс Блох и Карсон Д. Джеффрис,[22] для извлечения их кинетической энергии. Преобразователь работает на частоте 5 МГц и требует магнитного поля всего 0,6 тесла. В линейное движение ионов продуктов синтеза превращается в круговое движение магнитным выступом. Энергия собирается у заряженных частиц, когда они проходят по спирали мимо квадрупольных электродов. Более классические электростатические коллекторы также будут использоваться для частиц с энергией менее 1 МэВ. Инверсный циклотронный преобразователь имеет максимальную расчетную эффективность 90%.[19][20][21][23][24]

Рентгеновский фотоэлектрический преобразователь

Значительное количество энергии, выделяемой реакциями синтеза, состоит из электромагнитные излучения, по сути Рентгеновские лучи из-за Тормозное излучение. 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 теплообменника излучения / бойлера / энергии, в котором энергия рентгеновского излучения поглощается рабочей жидкостью при температурах в несколько тысяч градусов,[25] более поздние исследования, проведенные компаниями, разрабатывающими ядерные анейтронные термоядерные реакторы, такими как Lawrenceville Plasma Physics (LPP) с Фокус плотной плазмы, и Tri Alpha Energy, Inc. с термоядерным реактором на встречных пучках (CBFR), планируйте использовать фотоэлектрический и Оже эффекты для восстановления энергии, переносимой рентгеновскими лучами и другими высокоэнергетическими фотоны. Эти фотоэлектрические преобразователи состоят из листов поглотителя рентгеновского излучения и коллектора электронов, концентрически расположенных в виде луковицы. В самом деле, поскольку рентгеновские лучи могут проходить через материал гораздо большей толщины, чем электроны, для поглощения большей части рентгеновских лучей необходимо много слоев. LPP заявляет, что общая эффективность схемы фотоэлектрического преобразования составляет 81%.[26][27]

Прямое преобразование энергии из продуктов деления

Основная статья: Реактор осколочного деления

В начале 2000-х исследования проводились Сандийские национальные лаборатории, Лос-Аламосская национальная лаборатория, Университет Флориды, Техасский университет A&M и General Atomics использовать прямое преобразование для извлечения энергии из реакций деления, по сути, пытаясь извлечь энергию из линейного движения заряженных частиц, исходящих из реакции деления.[28]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Пост, Ричард Ф. (ноябрь 1969). «Прямое преобразование тепловой энергии высокотемпературной плазмы». Бюллетень Американского физического общества. 14 (11): 1052.
  2. ^ а б Пост, Ричард Ф. (сентябрь 1969 г.). Зеркальные системы: топливные циклы, снижение потерь и рекуперация энергии (PDF). Конференция по ядерному термоядерному реактору БНЭС. Culham Center for Fusion Energy, Оксфордшир, Великобритания: Британское общество ядерной энергии. С. 87–111.
  3. ^ Moir, R.W .; Барр, В. Л. (1973). ""Жалюзи «прямой преобразователь энергии для термоядерных реакторов» (PDF). Термоядерная реакция. 13: 35–45. Дои:10.1088/0029-5515/13/1/005.
  4. ^ а б Barr, W. L .; Берли, Р. Дж .; Dexter, W. L .; Moir, R.W .; Смит, Р. Р. (1974). «Эскизный проект преобразователя прямой энергии« жалюзи »для термоядерных реакторов» (PDF). IEEE Transactions по науке о плазме. 2 (2): 71. Bibcode:1974ITPS .... 2 ... 71B. Дои:10.1109 / TPS.1974.6593737.
  5. ^ а б Moir, R.W .; Barr, W. L .; Майли, Г. Х. (1974). «Требования к поверхности для электростатических преобразователей прямой энергии» (PDF). Журнал ядерных материалов. 53: 86–96. Bibcode:1974JNuM ... 53 ... 86M. Дои:10.1016/0022-3115(74)90225-6.
  6. ^ Моррис, Джефф. "В память." (н.о.): н. стр. Rpt. в ленте новостей. 19 изд. Vol. 29. Ливермор: Ливерморская национальная лаборатория им. Лоуренса, 2004. 2. Печать.
  7. ^ Барр, Уильям Л .; Доггетт, Джеймс Н .; Гамильтон, Гордон В .; Кинни, Джон; Мойр, Ральф В. (25–28 октября 1977 г.). Разработка прямого преобразования пучка для ионного пучка 120 кВ, 1 МВт (PDF). 7-й симпозиум по инженерным проблемам термоядерных исследований. Ноксвилл, Теннесси.
  8. ^ Barr, W. L .; Moir, R.W .; Гамильтон, Г. В. (1982). «Экспериментальные результаты прямого преобразователя пучка на 100 кВ». Журнал термоядерной энергии. 2 (2): 131. Bibcode:1982JFuE .... 2..131B. Дои:10.1007 / BF01054580.
  9. ^ а б Розенблют, М. Н .; Хинтон, Ф. Л. (1994). «Общие вопросы прямого преобразования термоядерной энергии из альтернативных видов топлива». Физика плазмы и управляемый синтез. 36 (8): 1255. Bibcode:1994PPCF ... 36.1255R. Дои:10.1088/0741-3335/36/8/003.
  10. ^ Барр, Уильям Л .; Мойр, Ральф В. (январь 1983 г.). «Результаты испытаний плазменных прямых преобразователей». Ядерные технологии - термоядерный синтез. Американское ядерное общество. 3 (1): 98–111. Дои:10.13182 / FST83-A20820. ISSN  0272-3921.
  11. ^ Barr, W. L .; Howard, B.C .; Мойр, Р. В. (1977). «Компьютерное моделирование периодического электростатического фокусирующего преобразователя» (PDF). IEEE Transactions по науке о плазме. 5 (4): 248. Bibcode:1977ITPS .... 5..248B. Дои:10.1109 / TPS.1977.4317060.
  12. ^ Смит, Бобби Х .; Берли, Ричард; Декстер, Уоррен Л .; Регинато, Льюис Л. (20–22 ноября 1972 г.). Инженерное исследование электрической конструкции прямого преобразователя мощностью 1000 МВт для зеркальных реакторов. Техасский симпозиум по технологии экспериментов по управляемому термоядерному синтезу и техническим аспектам термоядерных реакторов. Остин, Техас: Комиссия по атомной энергии США.
  13. ^ Саттон, Джордж В .; Шерман, Артур (июль 2006 г.). Инженерная магнитогидродинамика. Дуврское строительство и машиностроение. Dover Publications. ISBN  978-0486450322.
  14. ^ Арцимович, Л. А. (1963). Управляемые термоядерные реакции [Контролируемые термоядерные реакции] (2-е изд.). Москва: Физматгиз.
  15. ^ Хаот, А. Ф. (1970). «Ограничение магнитного поля плазмы твердых частиц, облученной лазером». Физика жидкостей. 13 (11): 2842. Bibcode:1970PhFl ... 13.2842H. Дои:10.1063/1.1692870.
  16. ^ 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.
  17. ^ Oliphant, T. A .; Ribe, F. L .; Култас, Т.А. (1973). «Прямое преобразование энергии термоядерной плазмы за счет сильного магнитного сжатия и расширения». Термоядерная реакция. 13 (4): 529. Дои:10.1088/0029-5515/13/4/006.
  18. ^ Момота, Хирому; Исида, Акио; Кодзаки, Ясудзи; Майли, Джордж Х .; Охи, Шоичи; Охниши, Масами; Сато, Кунихиро; Steinhauer, Loren C .; Томита, Юкихиро; Тушевский, Мишель (июль 1992 г.). «Эскизный проект реактора D-3He Artemis» (PDF). Наука и технологии термоядерного синтеза. 21 (4): 2307–2323. Дои:10.13182 / FST92-A29724.
  19. ^ а б Ростокер, Н .; Binderbauer, M. W .; Монкхорст, Х. Дж. (1997). "Термоядерный реактор на встречных пучках" (PDF). Наука. 278 (5342): 1419–22. Bibcode:1997Научный ... 278.1419R. Дои:10.1126 / science.278.5342.1419. PMID  9367946. Архивировано из оригинал (PDF) 20 декабря 2005 г.
  20. ^ а б Патент США 6850011, Монкхорст, Хендрик Дж. И Ростокер, Норман, «Управляемый термоядерный синтез в конфигурации с обратным полем и прямое преобразование энергии», выпущенный 01.02.2005, передан Правителям Калифорнийского университета и Исследовательскому фонду Университета Флориды 
  21. ^ а б Заявка WO 2006096772, Binderbauer, Michl; Быстрицкий, Виталий и Ростокер, Норман и др., «Система плазменной генерации электроэнергии», опубликовано 28 декабря 2006 г., присвоено Биндербауэру, Михлю и Быстрицкому, Виталию 
  22. ^ Блох, Ф .; Джеффрис, К. (1950). «Прямое определение магнитного момента протона в ядерных магнетонах». Физический обзор. 80 (2): 305. Bibcode:1950PhRv ... 80..305B. Дои:10.1103 / PhysRev.80.305.
  23. ^ Yoshikawa, K .; Noma, T .; Ямамото, Ю. (май 1991 г.). «Прямое преобразование энергии из ионов высоких энергий посредством взаимодействия с электромагнитными полями». Наука и технологии термоядерного синтеза. Американское ядерное общество. 19 (3P2A): 870–875. Дои:10.13182 / FST91-A29454.
  24. ^ Ростокер, Н .; Binderbauer, M .; Монкхорст, Х. Дж. (1997). Управление отчетов военно-морских исследований (Технический отчет).
  25. ^ Тауссиг, Роберт Т. (апрель 1977 г.). Усовершенствованные термоядерные реакторы на основе излучения с высоким тепловым КПД. Пало-Альто, Калифорния: 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», опубликованный 27 января 2009 г., переданный Lawrenceville Plasma Physics, Inc. 
  27. ^ Заявка США 2013125963, Binderbauer, Michl & Tajima, Toshiki, "Преобразование фотонов высоких энергий в электричество", опубликовано 23 мая 2013 г., передано Tri Alpha Energy, Inc. 
  28. ^ l.c. Браун (2002). «Годовой отчет реактора деления с прямым преобразованием энергии за период с 15 августа 2000 г. по 30 сентября 2001 г.». Дои:10.2172/805252. Цитировать журнал требует | журнал = (помощь)