Энергияны тікелей түрлендіру - Direct energy conversion

Энергияны тікелей түрлендіру (DEC) немесе жай тікелей түрлендіру зарядталған бөлшекті түрлендіреді кинетикалық энергия ішіне Вольтаж. Бұл электр қуатын алу схемасы ядролық синтез.

Негізгі тікелей түрлендіргіш

Тарих және теориялық негіздер

Электростатикалық тікелей коллекторлар

1960 жылдардың ортасында а-да шығарылған газдан энергия жинау әдісі ретінде энергияны тікелей түрлендіру ұсынылды термоядролық реактор. Бұл а тұрақты ток электр қуаты. Ричард Ф. Пост кезінде Лоуренс Ливермор ұлттық зертханасы идеяның алғашқы жақтаушысы болды.[1] Пост энергияны алу үшін бес қадам қажет деп ойлады:[2] (1) Зарядталған бөлшектерді сызықтық сәулеге тапсырыс беру. (2) Позитивтер мен негативтерді бөлу. (3) Иондарды энергияға, топтарға бөлу. (4) Бұл иондарды коллекторларға тиген кезде оларды жинау. (5) Осы коллекторларды тізбектегі оң жағы ретінде пайдалану. Пост тиімділік теориялық тұрғыдан коллекторлар санымен анықталады деген пікір айтты.

Венециялық соқыр

1970 жылдардың басында Уильям Барр мен Ральф Моирдің дизайны осы иондарды жинау үшін бұрышта орналасқан металл таспаларды қолданды. Бұл Венециандық соқыр дизайн деп аталды, өйткені ленталар ұқсас терезе перделері. Металл таспа тәрізді беттер артқа кеткен иондарға қарағанда алға жылжитын иондарға мөлдір. Иондар потенциалы біртіндеп өсетін беттерден а айналғанға дейін және кері бұрылғанша өтеді параболалық траектория. Содан кейін олар мөлдір емес беттерді көріп, ұсталады. Осылайша, иондар жоғары потенциалды электродтарға түсіп, жоғары энергиялы иондармен энергия бойынша сұрыпталады.[3][4][5]

Содан кейін Уильям Барр мен Ральф Моир 1970-ші жылдардың аяғы мен 80-ші жылдардың басында энергияны конверсиялау бойынша бірқатар тәжірибелер жасаған топты басқарды.[6] Алғашқы тәжірибелерде жағымды және негативті сәулелер отын ретінде пайдаланылды және энергияның ең жоғары тиімділік деңгейінде 65 пайыз және минималды тиімділікте 50 пайыз қуат алуы көрсетілді.[7][8] Келесі тәжірибелер плазмадағы тікелей түрлендіргішті қамтыды, ол тексерілген Tandem Mirror эксперименті (TMX), операциялық магниттік айна термоядролық реактор. Тәжірибеде плазма өрістің әр түрлі сызықтары бойымен қозғалады, оны жайып, алға жылжитын сәулеге айналдырады. Қарыз ұзындығы бірнеше сантиметр.[9] Содан кейін супрессорлық торлар электрондарды шағылыстырады, ал коллекторлық анодтар ион энергиясын баяулатып, оларды әлеуеті жоғары плиталарға жинай отырып қалпына келтірді. Бұл машина энергияны үнемдеу тиімділігін 48 пайызға көрсетті.[10] Алайда, Маршалл Розенблют плазманың бейтарап зарядын Дебай ұзындығының өте қысқа қашықтығында ұстау іс жүзінде өте қиын болатындығын алға тартты, дегенмен ол бұл проблема осы технологияның кез-келген нұсқасында болмайды деп айтты.[9]

Венециандық соқыр түрлендіргіш 100-ден 150 кВ-қа дейінгі D-T плазмасымен жұмыс істей алады, экономикаға сәйкес келетін жағдайда тиімділігі шамамен 60%, ал экономикалық шектеулерді ескермей, техникалық конверсияның жоғарғы тиімділігі - 70% дейін.[4]

Мерзімді электростатикалық фокустау

Бастапқыда Пост ұсынған, содан кейін Барр мен Мойр жасаған электростатикалық түрлендіргіштің екінші түрі - периодты электростатикалық фокустау тұжырымдамасы.[2][5][11] Венециандық соқыр тұжырымдамасы сияқты, ол да тікелей коллектор болып табылады, бірақ коллекторлық тақталар электростатикалық фокустық арнаның бойлық осі бойымен көптеген сатыларда орналастырылады. Әрбір ион арнаның бойымен нөлдік энергияға қарай баяулаған сайын, бөлшек «шамадан тыс фокусталған» болады және сәуленің бүйіріне қарай ауытқиды, содан кейін жиналады. Периодты электростатикалық фокустық түрлендіргіш, әдетте, экономикаға сәйкес келетін жағдайларда тиімділігі 60 кВ-қа тең DT плазмасымен (400 кэВ-тан төмен және 800 кэВ-қа дейін) жұмыс істейді, ал экономикалық шектеулерді ескермей, техникалық конверсияның жоғарғы тиімділігі 90% дейін. .[12]

Индукциялық жүйелер

Өткізгіштік жүйелер

1960-1970 жылдар аралығында өндіру әдістері дамыды электр энергиясы тікелей ыстық газдан (а плазма ) жабдықталған арнаның ішінде электромагниттер (көлденең шығару магнит өрісі ), және электродтар (жүктеуге қосылды резисторлар ). Заряд тасымалдаушылар (Тегін электрондар және иондар ) ағынмен бірге келетіндер содан кейін бөлінеді Лоренц күші және ан электрлік потенциалдар айырымы қосылған электродтардың жұптарынан алуға болады. Шокқа арналған түтіктер Импульстік MHD генераторлары ретінде пайдаланылған, мысалы, бірнеше генерациялауға қабілетті мегаватт туралы электр қуаты а өлшеміндегі арналарда сусын құтысы.[13]

Индукциялық жүйелер

Электродтарды қолданатын түрлендіргіштерден басқа, таза индуктивті магниттік түрлендіргіштер де ұсынылған Лев Арцимович 1963 жылы,[14] содан кейін Алан Фредерик Хаут және оның командасы Біріккен авиациялық зерттеулер зертханаларынан 1970 ж.[15] және Ральф Моир 1977 ж.[16]

Магниттік сығымдау-кеңейту тікелей энергия түрлендіргіші ұқсас ішкі жану қозғалтқышы. Ыстық плазма а-ға қарсы кеңейген сайын магнит өрісі, поршеньге қарсы кеңейіп жатқан ыстық газдарға ұқсас, ішкі плазма энергиясының бөлігі индуктивті түрлендірілді электромагниттік катушка, ретінде ЭҚК (Вольтаж ) өткізгіште.

Бұл схема импульсті құрылғылармен жақсы қолданылады, өйткені конвертер «магнит» тәрізді жұмыс істейді төрт тактілі қозғалтқыш ":

  1. Қысу: Плазма бағанасы поршень тәрізді әрекет ететін магнит өрісі арқылы қысылады.
  2. Термоядролық күйік: Қысу плазманы термоядролық тұтану температурасына дейін қыздырады.
  3. Кеңейту / қуат: Балқу реакциясы өнімдерінің (зарядталған бөлшектердің) кеңеюі плазма қысымын жоғарылатады және магнит өрісін сыртқа шығарады. Электромагниттік катушкада кернеу шығарылады және жиналады.
  4. Шығару / жанармай құю: Кеңеуден кейін ішінара жанған отын жуылады, ал газ түріндегі жаңа отын енгізіліп иондалады; және цикл қайтадан басталады.

1973 жылы команда Лос-Аламос және Аргонне зертханалардан магниттік конверсиялық циклдің термодинамикалық тиімділігі альфа-бөлшек жұмысқа деген энергия 62% құрайды.[17]

Толқынды тікелей түрлендіргіш

1992 жылы Жапония - АҚШ бірлескен команда 14,7 МВ-қа жаңа энергияны түрлендірудің жаңа жүйесін ұсынды протондар өндірген D-3Ол электростатикалық түрлендіргіштер үшін энергиясы өте жоғары синтез реакциялары.[18]

Конверсия Traveling-Wave тікелей энергия түрлендіргішіне негізделген (TWDEC). A гиротрон конвертер алдымен термоядролық өнімнің иондарын сәуле ретінде 10 тесла магнит өрісімен толтырылған 10 метрлік микротолқынды қуысқа бағыттайды, мұнда 155 МГц микротолқындар пайда болады және жоғары кернеулі тұрақты ток шығысына айналады тікенналар.

The Өрісте қалпына келтірілген конфигурация ARTEMIS реакторы осы зерттеуде 75% тиімділікпен жасалған. Толқынды тікелей түрлендіргіштің болжамды тиімділігі 90% құрайды.[19]

Кері циклотрон түрлендіргіші (ICC)

Түпнұсқа тікелей түрлендіргіштер D-T синтез реакциялары нәтижесінде пайда болатын 100-ден 800 кэВ-қа дейінгі иондармен энергияны бөліп алуға арналған. Бұл электростатикалық түрлендіргіштер D-сияқты басқа балқытылатын отындар шығаратын 1 МэВ-тан жоғары энергия өнімінің иондары үшін жарамсыз.3Ол немесе б-11B аневтронды синтез реакциялар.

Толқынды тікелей энергия түрлендіргішінен әлдеқайда қысқа құрылғы 1997 жылы ұсынылған және патенттелген Tri Alpha Energy, Inc. Кері ретінде Циклотрон Конвертер (ICC).[20][21]

ICC 1950 жылы жасалған эксперименттер негізінде кіретін иондарды баяулатуға қабілетті Феликс Блох және Карсон Д. Джеффрис,[22] олардың кинетикалық энергиясын алу үшін. Түрлендіргіш 5 МГц жиілікте жұмыс істейді және оған тек 0,6 тесла магнит өрісі қажет. The сызықтық қозғалыс термоядролық өнімнің иондары айналады айналмалы қозғалыс магниттік ойықпен Энергия зарядталған бөлшектерден квадруполды электродтардан айналғанда жиналады. Энергиясы 1 МэВ-тан аз бөлшектер үшін классикалық электростатикалық коллекторлар қолданылады. Кері циклотрон түрлендіргішінің максималды болжамды тиімділігі 90% құрайды.[19][20][21][23][24]

Рентгендік фотоэлектрлік түрлендіргіш

Термоядролық реакциялар шығаратын энергияның едәуір мөлшері тұрады электромагниттік сәулелер, мәні бойынша Рентген сәулелері байланысты Bremsstrahlung. Рентген сәулелерін жоғарыда келтірілген әртүрлі электростатикалық және магниттік тікелей энергия түрлендіргіштерімен электр энергиясына айналдыру мүмкін емес және олардың энергиясы жоғалады.

Классикалық термиялық конверсия радиациялық / қазандық / энергия алмастырғышты қолдану арқылы қарастырылған, мұнда рентген сәулесі бірнеше мың градус температурада жұмыс істейтін сұйықтықпен жұтылады,[25] Лоуренсвилл Плазма Физикасы (LPP) сияқты ядролық аневтронды синтез реакторларын жасаушы компаниялар жасаған соңғы зерттеулер Тығыз плазмалық фокус, және Tri Alpha Energy, Inc. соқтығысатын сәулелік синтездеу реакторымен (CBFR) пайдалану жоспарлаңыз фотоэлектрлік және Огер рентген сәулесімен және басқа жоғары энергиямен жүретін энергияны қалпына келтіруге арналған әсерлер фотондар. Фотоэлектрлік түрлендіргіштер пияз тәрізді массивте концентрлі түрде салынған рентгендік абсорбер және электронды коллектор парақтарынан тұрады. Шынында да, рентген сәулелері материалдардың электрондардан әлдеқайда көп қалыңдығынан өте алатындықтан, рентген сәулелерінің көп бөлігін сіңіру үшін көптеген қабаттар қажет. LPP фотоэлектрлік түрлендіру схемасы бойынша жалпы тиімділігі 81% болатынын хабарлайды.[26][27]

Бөлінетін өнімдерден энергияны тікелей түрлендіру

2000 жылдардың басында зерттеулер жүргізілді Сандия ұлттық зертханалары, Лос-Аламос ұлттық зертханасы, Флорида университеті, Texas A&M University және Жалпы атом бөліну реакцияларынан энергияны алу үшін тікелей конверсияны қолдану, негізінен бөліну реакциясынан шығатын зарядталған бөлшектердің сызықтық қозғалысынан энергия алуға тырысу.[28]

Сондай-ақ қараңыз

Әдебиеттер тізімі

  1. ^ Пошта, Ричард Ф. (қараша 1969). «Жоғары температуралық плазманың жылу энергиясын тікелей түрлендіру». Американдық физикалық қоғам хабаршысы. 14 (11): 1052.
  2. ^ а б Пост, Ричард Ф. (қыркүйек 1969). Айна жүйелері: отын циклдары, шығындарды азайту және энергияны қалпына келтіру (PDF). BNES ядролық синтез реакторы конференциясы. Кулем орталығы - Fusion Energy, Оксфордшир, Ұлыбритания: Британдық ядролық энергетика қоғамы. 87–111 бет.
  3. ^ Моир, Р. В .; Barr, W. L. (1973). ""Венециялық-соқыр «термоядролық реакторларға арналған тікелей энергия түрлендіргіші» (PDF). Ядролық синтез. 13: 35–45. дои:10.1088/0029-5515/13/1/005.
  4. ^ а б Барр, В.Л .; Берли, Р. Дж .; Декстер, В.Л .; Моир, Р. В .; Смит, Р.Р (1974). «Біріктіру реакторларына арналған» Венециандық соқыр «тікелей энергия түрлендіргішінің алдын-ала инженерлік жобасы» (PDF). Плазма ғылымы бойынша IEEE транзакциялары. 2 (2): 71. Бибкод:1974ITPS .... 2 ... 71B. дои:10.1109 / TPS.1974.6593737.
  5. ^ а б Моир, Р. В .; Барр, В.Л .; Miley, G. H. (1974). «Электростатикалық тікелей энергия түрлендіргіштеріне қойылатын талаптар» (PDF). Ядролық материалдар журналы. 53: 86–96. Бибкод:1974JNuM ... 53 ... 86M. дои:10.1016/0022-3115(74)90225-6.
  6. ^ Моррис, Джефф. «Естелікте». (nd): n. бет. Rpt. жаңалықтар желісінде. 19 басылым Том. 29. Ливермор: Лоуренс Ливермор ұлттық зертханасы, 2004. 2. Басып шығару.
  7. ^ Барр, Уильям Л .; Догетт, Джеймс Н .; Гамильтон, Гордон В .; Кини, Джон; Мойр, Ральф В. (25-28 қазан 1977). 120кВ, 1МВт ионды сәуле үшін тікелей түрлендіруді жобалау (PDF). Термоядролық зерттеулердің инженерлік мәселелері бойынша 7-ші симпозиум. Ноксвилл, Теннеси.
  8. ^ Барр, В.Л .; Моир, Р.В .; Гамильтон, Г.В. (1982). «100 кВ кернеудегі тікелей түрлендіргіштің тәжірибелік нәтижелері». Fusion Energy журналы. 2 (2): 131. Бибкод:1982JFuE .... 2..131B. дои:10.1007 / BF01054580.
  9. ^ а б Розенблют, М. Н .; Хинтон, Ф.Л. (1994). «Балқытылған отыннан балқу энергиясын тікелей түрлендірудің жалпы мәселелері». Плазма физикасы және бақыланатын синтез. 36 (8): 1255. Бибкод:1994 PPCF ... 36.1255R. дои:10.1088/0741-3335/36/8/003.
  10. ^ Барр, Уильям Л .; Мойр, Ральф В. (қаңтар 1983). «Плазмалық тікелей түрлендіргіштердегі тест нәтижелері». Ядролық технология - синтез. Американдық ядролық қоғам. 3 (1): 98–111. дои:10.13182 / FST83-A20820. ISSN  0272-3921.
  11. ^ Барр, В.Л .; Ховард, Б. С .; Moir, R. W. (1977). «Мерзімді электростатикалық фокустау конвертерін компьютерлік модельдеу» (PDF). Плазма ғылымы бойынша IEEE транзакциялары. 5 (4): 248. Бибкод:1977ITPS .... 5..248B. дои:10.1109 / TPS.1977.4317060.
  12. ^ Смит, Бобби Х.; Берли, Ричард; Декстер, Уоррен Л .; Реджинато, Льюис Л. (20-22 қараша 1972). Айна реакторларына арналған 1000 МВт тікелей конвертердің электрлік дизайнын инженерлік зерттеу. Техас симпозиумы бақыланатын термоядролық синтездеу технологиялары және синтез реакторларының инженерлік аспектілері. Остин, Техас: АҚШ атом энергиясы жөніндегі комиссия.
  13. ^ Саттон, Джордж В .; Шерман, Артур (2006 ж. Шілде). Инженерлік магнетогидродинамика. Dover азаматтық және машина жасау. Dover жарияланымдары. ISBN  978-0486450322.
  14. ^ Арцимович, Л.А. (1963). Управляемые термоядерные реакции [Бақыланатын термоядролық реакциялар] (орыс тілінде) (2-ші басылым). Мәскеу: Физматгиз.
  15. ^ Хед, А.Ф. (1970). «Лазерлік сәулеленетін қатты бөлшектер плазмасының магнит өрісін шектеу». Сұйықтар физикасы. 13 (11): 2842. Бибкод:1970PhFl ... 13.2842H. дои:10.1063/1.1692870.
  16. ^ Мойр, Ральф В. (сәуір 1977). «5 тарау: Балқу реакторларындағы энергияның тікелей конверсиясы» (PDF). Консидинде, Дуглас М. (ред.) Энергетикалық технологиялар бойынша анықтамалық. NY: McGraw-Hill. бет.150–154. ISBN  978-0070124301.
  17. ^ Олифант, Т. А .; Рибе, Ф.Л .; Coultas, T. A. (1973). «Термоядролық плазма энергиясын жоғары магниттік сығымдау және кеңейту арқылы тікелей түрлендіру». Ядролық синтез. 13 (4): 529. дои:10.1088/0029-5515/13/4/006.
  18. ^ Момота, Хирому; Ишида, Акио; Кохзаки, Ясуджи; Майли, Джордж Х .; Охи, Шойчи; Охниши, Масами; Сато, Кунихиро; Штайнгауэр, Лорен С .; Томита, Юкихиро; Тусжевский, Мишель (шілде 1992). «D-3He реакторының концептуалды дизайны Артемида» (PDF). Fusion Science and Technology. 21 (4): 2307–2323. дои:10.13182 / FST92-A29724.
  19. ^ а б Ростокер, Н .; Биндербауэр, М. В .; Monkhorst, H. J. (1997). «Соқтығысатын сәулелік синтез реакторы» (PDF). Ғылым. 278 (5342): 1419–22. Бибкод:1997Sci ... 278.1419R. дои:10.1126 / ғылым.278.5342.1419. PMID  9367946. Архивтелген түпнұсқа (PDF) 2005 жылғы 20 желтоқсанда.
  20. ^ а б АҚШ патенті 6850011, Монхорст, Хендрик Дж. Және Ростокер, Норман, «Реттелген конфигурациядағы және энергияны тікелей түрлендіретін өрістегі бақыланатын синтез», Калифорния Университетінің Регенттеріне және Флорида Университетінің зерттеу қорына тағайындалған 
  21. ^ а б WO қосымшасы 2006096772, Биндербауэр, Михл; Быстрицкий, Виталий және Ростокер, Норман және басқалар, «Плазмалық электр генерация жүйесі», 2006-12-28 жж. Жарияланған, Биндербауэр, Мичль және Быстрицкий, Виталийге тағайындалған. 
  22. ^ Блох, Ф .; Джеффрис, C. (1950). «Протонның магниттік моментін ядролық магнетондарда тікелей анықтау». Физикалық шолу. 80 (2): 305. Бибкод:1950PhRv ... 80..305B. дои:10.1103 / PhysRev.80.305.
  23. ^ Йошикава, К .; Нома, Т .; Ямамото, Ю. (мамыр 1991). «Электромагниттік өрістермен өзара әрекеттесу арқылы жоғары энергетикалық иондардан энергияны тікелей түрлендіру». Fusion Science and Technology. Американдық ядролық қоғам. 19 (3P2A): 870-875. дои:10.13182 / FST91-A29454.
  24. ^ Ростокер, Н .; Биндербауэр, М .; Monkhorst, H. J. (1997). Әскери-теңіз есебі бөлімі (Техникалық есеп).
  25. ^ Тауссиг, Роберт Т. (сәуір 1977). Жоғары жылу тиімділігі, радиацияға негізделген жетілдірілген балқыту реакторлары. Пало Альто, Калифорния: Электр энергетикасы ғылыми-зерттеу институты. OCLC  123362448.
  26. ^ АҚШ патенті 7482607, Лернер, Эрик Дж. Және Блейк, Аарон, «Рентген сәулелерін, ион сәулелерін және ядролық синтез энергиясын өндірудің әдісі мен аппараты», 2009-01-27 шығарылған, Lawrenceville Plasma Physics, Inc. 
  27. ^ АҚШ-тың өтінімі 2013125963, Binderbauer, Michl & Tajima, Toshiki, «Жоғары энергетикалық фотондарды электр энергиясына айналдыру», 2013-05-23 жарияланған Tri Alpha Energy, Inc. 
  28. ^ л.к. Қоңыр (2002). «Тікелей энергия конверсиясының бөліну реакторының жылдық есебі 15,2000 тамыз бен 30,2001 қыркүйек аралығында». дои:10.2172/805252. Журналға сілтеме жасау қажет | журнал = (Көмектесіңдер)