직접 에너지 변환

Direct energy conversion
이 기사는 핵융합으로부터 전력을 수확하는 계획에 관한 것이다.융접 반응이 없는 플라즈마(부분적 또는 완전 이온화 가스)의 직접 에너지 변환은 MHD 발생기를 참조한다.

직접 에너지 변환(DEC) 또는 단순 직접 변환은 충전된 입자의 운동 에너지를 전압으로 변환한다.핵융합에서의 전력추출 방안이다.

기본 다이렉트 컨버터

역사와 이론적 기초

정전기 다이렉트 컬렉터

1960년대 중반에는 핵융합로에서 배기가스로부터 에너지를 포착하는 방법으로 에너지 직접 변환이 제안되었다.이것은 전류의 직류를 발생시킬 것이다.리처드 F. Lawrence Livermore 국립 연구소의 게시물은 그 아이디어의 초기 지지자였다.[1]에너지 포획이 다섯 가지 단계를 필요로 한다는 사후 이유 (1) 충전된 입자를 선형 빔으로 정렬.[2] (2) 양과 음의 분리. (3) 이온을 그룹으로 분리하여, 에너지에 의해. (4) 수집기에 접촉하면서 이온을 모으는 것. (5) 이 수집기를 회로의 양으로 사용하는 것.포스트는 이론적으로 수집가 수에 따라 효율성이 결정된다고 주장했다.

베네치아 맹인

1970년대 초 윌리엄 바와 랄프 모이어의 디자인은 이온들을 모으기 위해 금속 리본을 비스듬히 사용했다.이것은 베니션 블라인드 디자인이라고 불렸는데, 그 이유는 리본들이 창문 블라인드처럼 생겼기 때문이다.그 금속 리본 같은 표면은 뒤로 가는 이온보다 앞으로 가는 이온에 더 투명하다.이온은 포물선 궤적을 따라 회전하고 다시 시작할 때까지 연속적으로 전위를 증가시키는 표면을 통과한다.그러면 그들은 불투명한 표면을 보고 잡힌다.따라서 이온은 고에너지 이온이 고전위 전극에 잡히면서 에너지별로 분류된다.[3][4][5]

그 후 William Barar와 Ralph Moir는 1970년대 후반과 1980년대 초까지 일련의 직접적인 에너지 전환 실험을 하는 그룹을 운영했다.[6]첫 번째 실험에서는 양과 음의 빔을 연료로 사용했으며, 에너지 포획을 피크 효율 65%와 최소 효율 50%로 입증했다.[7][8]다음의 실험에는 작동 중인 자기 미러 융접 원자로인 TMX(Tandem Mirror Experiment)에서 시험한 실제 플라즈마 직접 변환기가 포함되었다.이 실험에서 플라즈마는 자기장 선을 쪼개면서 움직여서 그것을 펼쳐서 데비 길이 몇 센티미터의 전방 이동빔으로 변환시켰다.[9]이어 억제기 그리드는 전자를 반사하고, 집열기 양극은 전자를 감속시켜 고전위 판에 모아 이온 에너지를 회수했다.이 기계는 48퍼센트의 에너지 포획 효율을 보였다.[10]그러나 마샬 로젠블루스는 이 기술의 모든 버전에서 이 문제가 발생하지 않을 것이라고 말했지만, 아주 짧은 데비예 길이 거리에 걸쳐 플라즈마의 중성 전하를 유지하는 것은 실제로 매우 어려울 것이라고 주장했다.[9]

베네치아 블라인드 컨버터는 100~150 keV D-T 플라즈마로 작동할 수 있으며, 경제성과 호환되는 조건에서 약 60%의 효율과 경제적 한계를 무시하는 최대 70%의 상위 기술 전환 효율을 제공한다.[4]

주기적인 정전기 초점

Post가 처음에 제안한 정전기 변환기의 두 번째 유형은 Barr과 Moir가 개발한 정전기 변환기로서, 주기적 정전기 포커싱 개념이다.[2][5][11]베네치아 블라인드 개념과 마찬가지로 다이렉트 컬렉터이기도 하지만 수집기 판은 정전기 초점 채널의 세로축을 따라 여러 단계로 걸쳐 폐기된다.각 이온이 영에너지를 향해 채널을 따라 감속되면서 입자는 "과집중"이 되고 빔으로부터 옆으로 꺾인 다음 수집된다.정전기초점 변환기는 일반적으로 600 keV D-T 플라즈마(최저 400 keV 및 최대 800 keV)로 작동하며, 경제성과 호환되는 조건에서 약 60%의 효율과 최대 90%의 높은 기술 변환 효율로 경제적 한계를 무시한다.[12]

유도 시스템

전도계통

주요기사 : 자기유체역학발전기

1960년대부터 1970년대까지 전자석(횡단 자기장 생성)과 전극(저항기에 연결)이 장착된 채널 내에서 움직이는 뜨거운 가스(플라즈마)에서 직접 전기 에너지를 추출하는 방법이 개발되었다.흐름과 함께 들어오는 전하 운반체(자유 전자와 이온)는 로렌츠 힘에 의해 분리되며, 전위차는 연결된 전극 쌍에서 판독할 수 있다.예를 들어 펄스 MHD 발전기로 사용되는 충격 튜브는 음료수 캔 크기만한 채널에서 수 메가와트의 전기를 생산할 수 있었다.[13]

유도 시스템

전극을 이용한 컨버터 외에도 순수 귀납자기 컨버터는 1963년 레브 아르티모비치,[14] 1970년 앨런 프레데릭 하우프트와 그의 [15]팀이, 1977년 랄프 모이어가 제안한 바 있다.[16]

자기압축팽창직접에너지 변환기는 내연기관과 유사하다.뜨거운 플라즈마가 자기장에 대해 팽창할 때 피스톤에 대해 팽창하는 뜨거운 가스와 유사한 방식으로 내부 플라즈마의 에너지의 일부는 도체의 전자파(전압)로서 전자기 코일로 유도적으로 변환된다.

변환기가 "자기 4행정 엔진"과 같이 작동하기 때문에 이 방식은 펄스 장치에 가장 잘 사용된다.

  1. 압축:플라즈마 기둥이 피스톤처럼 작용하는 자기장에 의해 압축된다.
  2. 열핵 연소:압축은 플라즈마를 열핵 점화 온도로 가열한다.
  3. 확장/전원:핵융합 반응 제품(충전된 입자)의 팽창은 플라즈마 압력을 증가시키고 자기장을 바깥쪽으로 밀어낸다.전자기 코일에 전압이 유도되어 수집된다.
  4. 배기/리퓨얼 : 팽창 후 부분 연소된 연료가 플러싱되어 가스의 형태로 새로운 연료가 유입되어 이온화됨; 주기가 다시 시작된다.

1973년 로스 알라모스와 아르곤느 연구소의 팀은 알파 입자 에너지에서 작업으로 자석 직접 변환 주기의 열역학적 효율이 62%[17]라고 발표했다.

이동파 직파 에너지 변환기

1992년, 일본과 미국의 공동팀은 정전기 변환기에 비해 에너지가 너무 높은 D-He3 핵융합 반응에 의해 생산된 14.7 MeV 양성자를 위한 새로운 직접 에너지 변환 시스템을 제안했다.[18]

변환은 TWDEC(Travel-Wave Direct Energy Converter)를 기반으로 한다.자이로트론 컨버터는 우선 퓨전 제품 이온을 10테슬라 자기장으로 채워진 10m 길이의 마이크로파 캐비티에 빔으로 유도하고, 여기서 155MHz의 마이크로파가 생성되어 직장을 통해 고전압 DC 출력으로 변환한다.

본 연구의 현장반복형 구성 원자로 ARTEMIS는 75%의 효율로 설계되었다.이동파 다이렉트 컨버터는 최대 예상 효율이 90%이다.[19]

역 사이클로트론 컨버터(ICC)

원래의 다이렉트 컨버터는 D-T 핵융합 반응에 의해 생성된 100~800 keV 이온이 운반하는 에너지를 추출하도록 설계되었다.이러한 정전기 변환기는 D-He3 또는 p-B11 아뉴트로닉 핵융합 반응과 같은 다른 핵융합 연료에 의해 생성된 1MeV 이상의 높은 에너지 제품 이온에는 적합하지 않다.

Travel-Wave Direct Energy Converter보다 훨씬 더 짧은 장치는 1997년에 제안되었고 Tri Alpha Energy, Inc.에 의해 Inverse Cyclotron Converter(ICC)로 특허를 받았다.[20][21]

ICC는 1950년 펠릭스 블로흐와 카슨 D에 의해 만들어진 실험을 바탕으로 들어오는 이온을 감속할 수 있다. 제프리,[22] 운동 에너지를 추출하기 위해서.변환기는 5MHz에서 작동하며 0.6 테슬라만 자장을 필요로 한다.핵융합 제품 이온의 선형 운동은 자석 정지에 의해 원형 운동으로 전환된다.에너지는 충전된 입자로부터 수집된다. 그것들이 4극 전극을 지나 나선형으로 흐를 때.더 많은 고전적인 정전기 수집기가 1 MeV 이하의 에너지를 가진 입자에도 사용될 것이다.역 사이클로트론 컨버터의 최대 예상 효율은 90%이다.[19][20][21][23][24]

X선 광전 변환기

핵융합 반응에 의해 방출되는 에너지의 상당량은 전자기 방사, 즉 브렘스스트라흘룽으로 인한 X선으로 구성된다.그러한 X선은 위에 열거된 다양한 정전기 및 자기 직접 에너지 변환기로 전력으로 변환될 수 없으며, 에너지가 손실된다.

반면에 더 많은 고전 열 변환이 엑스선 에너지가 작동 유체에 의해 수천 degrees,[25]의 온도에서 지불되 radiation/boiler/energy 교환기의 사용 것으로 간주되어 왔다는 더 최근의 연구 번째로 로렌스 빌 플라즈마 물리학(LPP) 같은 회사 핵aneutronic 핵 융합 원자로 개발에 의해 이루어져다.e드nse Plasma Focus와 충돌빔 핵융합로(CBFR)를 사용하는 Tri Alpha Energy, Inc.는 광전 및 오거 효과를 활용하여 X선과 기타 고에너지 광자에 의해 전달되는 에너지를 회수할 계획이다.이 광전 변환기는 X선 흡수기와 전자 수집기 시트로 구성되어 있으며, 양파와 같은 배열로 동심원적으로 중첩되어 있다.실제로 X선은 전자보다 훨씬 더 큰 두께의 물질을 통과할 수 있기 때문에 X선의 대부분을 흡수하기 위해서는 많은 층이 필요하다.LPP는 광전 변환 방식의 전체 효율 81%를 발표한다.[26][27]

핵분열 생성물에서 직접 에너지 변환

주요 기사:핵분열 파편 원자로

2000년대 초에, 연구 산디아 국립 연구소, 로스 알라모스 국립 연구소, 대학은 플로리다, 텍사스 A&amp의;M대학교와 제너럴 Atomics 핵 분열 반응에서, 본질적으로 에너지를 추출하기 위한 직접적인 변환을 위해 하전 입자의 선형 운동을 fis에서 에너지를 추출하기 위한 시도하고 있다.sion반작용[28]

참고 항목

참조

  1. ^ Post, Richard F. (November 1969). "Direct Conversion of Thermal Energy of High Temperature Plasma". Bulletin of the American Physical Society. 14 (11): 1052.
  2. ^ a b Post, Richard F. (September 1969). Mirror Systems: Fuel Cycles, Loss Reduction and Energy Recovery (PDF). BNES Nuclear Fusion Reactor Conference. Culham Centre for Fusion Energy, Oxfordshire, U.K.: British Nuclear Energy Society. pp. 87–111.
  3. ^ Moir, R. W.; Barr, W. L. (1973). ""Venetian-blind" direct energy converter for fusion reactors" (PDF). Nuclear Fusion. 13: 35–45. doi:10.1088/0029-5515/13/1/005.
  4. ^ a b Barr, W. L.; Burleigh, R. J.; Dexter, W. L.; Moir, R. W.; Smith, R. R. (1974). "A preliminary engineering design of a "Venetian blind" direct energy converter for fusion reactors" (PDF). IEEE Transactions on Plasma Science. 2 (2): 71. Bibcode:1974ITPS....2...71B. doi:10.1109/TPS.1974.6593737.
  5. ^ a b Moir, R. W.; Barr, W. L.; Miley, G. H. (1974). "Surface requirements for electrostatic direct energy converters" (PDF). Journal of Nuclear Materials. 53: 86–96. Bibcode:1974JNuM...53...86M. doi:10.1016/0022-3115(74)90225-6.
  6. ^ 모리스, 제프"암기암에." (n.d.): n.page.rpt. in Newsline. 19 Ed.제29권리버모어: 로렌스 리버모어 국립 연구소, 2004. 2. 인쇄
  7. ^ Barr, William L.; Doggett, James N.; Hamilton, Gordon W.; Kinney, John; Moir, Ralph W. (25–28 October 1977). Engineering of Beam Direct Conversion for a 120kV, 1MW Ion Beam (PDF). 7th Symposium on Engineering Problems of Fusion Research. Knoxville,Tennessee.
  8. ^ Barr, W. L.; Moir, R. W.; Hamilton, G. W. (1982). "Experimental results from a beam direct converter at 100 kV". Journal of Fusion Energy. 2 (2): 131. Bibcode:1982JFuE....2..131B. doi:10.1007/BF01054580. S2CID 120604056.
  9. ^ a b Rosenbluth, M. N.; Hinton, F. L. (1994). "Generic issues for direct conversion of fusion energy from alternative fuels". Plasma Physics and Controlled Fusion. 36 (8): 1255. Bibcode:1994PPCF...36.1255R. doi:10.1088/0741-3335/36/8/003.
  10. ^ Barr, William L.; Moir, Ralph W. (January 1983). "Test results on plasma direct converters". Nuclear Technology - Fusion. American Nuclear Society. 3 (1): 98–111. doi:10.13182/FST83-A20820. ISSN 0272-3921.
  11. ^ Barr, W. L.; Howard, B. C.; Moir, R. W. (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.
  12. ^ Smith, Bobby H.; Burleigh, Richard; Dexter, Warren L.; Reginato, Lewis L. (20–22 November 1972). An Engineering Study of the Electrical Design of a 1000-Megawatt Direct Converter for Mirror Reactors. Texas Symposium on Technology of Controlled Thermonuclear Fusion Experiments and the Engineering Aspects of Fusion Reactors. Austin, Texas: U.S. Atomic Energy Commission.
  13. ^ Sutton, George W.; Sherman, Arthur (July 2006). Engineering Magnetohydrodynamics. Dover Civil and Mechanical Engineering. Dover Publications. ISBN 978-0486450322.
  14. ^ Artsimovich, L. A. (1963). Управляемые термоядерные реакции [Controlled Thermonuclear Reactions] (in Russian) (2nd ed.). Moscow: Fizmatgiz.
  15. ^ Haught, A. F. (1970). "Magnetic Field Confinement of Laser Irradiated Solid Particle Plasmas". Physics of Fluids. 13 (11): 2842. Bibcode:1970PhFl...13.2842H. doi:10.1063/1.1692870.
  16. ^ Moir, Ralph W. (April 1977). "Chapter 5: Direct Energy Conversion in Fusion Reactors" (PDF). In Considine, Douglas M. (ed.). Energy Technology Handbook. NY: McGraw-Hill. pp. 150–154. ISBN 978-0070124301.
  17. ^ Oliphant, T. A.; Ribe, F. L.; Coultas, T. A. (1973). "Direct conversion of thermonuclear plasma energy by high magnetic compression and expansion". Nuclear Fusion. 13 (4): 529. doi:10.1088/0029-5515/13/4/006.
  18. ^ Momota, Hiromu; Ishida, Akio; Kohzaki, Yasuji; Miley, George H.; Ohi, Shoichi; Ohnishi, Masami; Sato, Kunihiro; Steinhauer, Loren C.; Tomita, Yukihiro; Tuszewski, Michel (July 1992). "Conceptual Design of the D-3He Reactor Artemis" (PDF). Fusion Science and Technology. 21 (4): 2307–2323. doi:10.13182/FST92-A29724.
  19. ^ a b Rostoker, N.; Binderbauer, M. W.; Monkhorst, H. J. (1997). "Colliding Beam Fusion Reactor" (PDF). Science. 278 (5342): 1419–22. Bibcode:1997Sci...278.1419R. doi:10.1126/science.278.5342.1419. PMID 9367946. Archived from the original (PDF) on December 20, 2005.
  20. ^ a b 미국 특허 6850011, Monkhorst, Hendrik J. & Rostoker, Norman, 2005-02-01년 발행된 "현장에서의 제어된 핵융합은 구성을 역전시키고 직접적인 에너지 변환"이며 캘리포니아 대학과 플로리다 대학의 연구재단에 배정되었다.
  21. ^ a b WO 애플리케이션 2006096772, 바인더바우어, Michl; 비스트릿스키, 비탈리 & 로스토커, 노먼 외 연구진, "플라스마 전기 발전 시스템" 2006-12-28, 바인더바우어, Michl 및 비탈리 비스트릿스키, 노먼 로스토커, 프랑크 웨셀레에 할당됨
  22. ^ Bloch, F.; Jeffries, C. (1950). "A Direct Determination of the Magnetic Moment of the Proton in Nuclear Magnetons". Physical Review. 80 (2): 305. Bibcode:1950PhRv...80..305B. doi:10.1103/PhysRev.80.305.
  23. ^ Yoshikawa, K.; Noma, T.; Yamamoto, Y. (May 1991). "Direct-Energy Conversion from High-Energy Ions Through Interaction with Electromagnetic Fields". Fusion Science and Technology. American Nuclear Society. 19 (3P2A): 870–875. doi:10.13182/FST91-A29454.
  24. ^ Rostoker, N.; Binderbauer, M.; Monkhorst, H. J. (1997). Office of Naval Research Reports (Technical report).
  25. ^ Taussig, Robert T. (April 1977). High thermal efficiency, radiation-based advanced fusion reactors. Palo Alto, CA: Electric Power Research Institute. OCLC 123362448.
  26. ^ 미국 특허권 7482607, 레너, 에릭 J. & 블레이크, 애런 "X선, 이온 빔 및 핵융합 에너지를 생산하기 위한 방법과 장치"는 로렌스빌 플라즈마 물리학 주식회사에 할당되어 2009-01-27을 발행했다.
  27. ^ 미국의 응용 프로그램 2013125963, 바인더바워, 미첼 & 타지마, 토시키, "고 에너지 광자를 전기로 변환" 2013-05-23을 발행하여 트리 알파 에너지 주식회사에 할당하였다.
  28. ^ l.c. Brown (2002). "Direct Energy Conversion Fission Reactor Annual Report for the Period August 15,2000 Through September 30,2001". doi:10.2172/805252. {{cite journal}}:Cite 저널은 필요로 한다. journal=(도움말)