La conversión de energía directa (DEC) o simplemente la conversión directa convierte la energía cinética de una partícula cargada en voltaje . Es un esquema para la extracción de energía de la fusión nuclear .
Historia y fundamentos teóricos
Colectores directos electrostáticos
A mediados de la década de 1960, se propuso la conversión de energía directa como método para capturar la energía de los gases de escape en un reactor de fusión . Esto generaría una corriente continua de electricidad. Richard F. Post, del Laboratorio Nacional Lawrence Livermore, fue uno de los primeros defensores de la idea. [1] Post razonó que capturar la energía requeriría cinco pasos: [2] (1) Ordenar las partículas cargadas en un haz lineal. (2) Separación de positivos y negativos. (3) Separar los iones en grupos, por su energía. (4) Recolectar estos iones cuando tocan a los recolectores. (5) Usando estos colectores como el lado positivo en un circuito. Post argumentó que la eficiencia estaba determinada teóricamente por el número de recolectores.
La persiana veneciana
Los diseños de principios de la década de 1970 de William Barr y Ralph Moir usaban cintas de metal en ángulo para recolectar estos iones. Esto se llamó el diseño de persiana veneciana, porque las cintas parecen persianas de ventana . Esas superficies metálicas en forma de cinta son más transparentes a los iones que avanzan que a los iones que retroceden. Los iones atraviesan superficies de potencial creciente sucesivamente hasta que giran y comienzan a retroceder, siguiendo una trayectoria parabólica . Luego ven superficies opacas y quedan atrapados. Por lo tanto, los iones se clasifican por energía y los iones de alta energía quedan atrapados en electrodos de alto potencial. [3] [4] [5]
William Barr y Ralph Moir dirigieron un grupo que realizó una serie de experimentos de conversión de energía directa a fines de la década de 1970 y principios de la de 1980. [6] Los primeros experimentos utilizaron haces de positivos y negativos como combustible y demostraron la captura de energía con una eficiencia máxima del 65 por ciento y una eficiencia mínima del 50 por ciento. [7] [8] Los siguientes experimentos involucraron un verdadero convertidor directo de plasma que fue probado en el Tandem Mirror Experiment (TMX), un reactor de fusión de espejo magnético en funcionamiento . En el experimento, el plasma se movió a lo largo de líneas de campo divergentes, extendiéndolo y convirtiéndolo en un rayo que se mueve hacia adelante con una longitud de Debye de unos pocos centímetros. [9] Las rejillas supresoras luego reflejan los electrones, y los ánodos colectores recuperaron la energía iónica ralentizándolos y recogiéndolos en placas de alto potencial. Esta máquina demostró una eficiencia de captura de energía del 48 por ciento. [10] Sin embargo, Marshall Rosenbluth argumentó que mantener la carga neutra del plasma sobre la distancia de longitud Debye muy corta sería muy desafiante en la práctica, aunque dijo que este problema no ocurriría en todas las versiones de esta tecnología. [9]
El convertidor de persiana veneciana puede operar con plasma DT de 100 a 150 keV, con una eficiencia de aproximadamente el 60% en condiciones compatibles con la economía, y una eficiencia de conversión técnica superior hasta el 70% ignorando las limitaciones económicas. [4]
Enfoque electrostático periódico
Un segundo tipo de convertidor electrostático propuesto inicialmente por Post, luego desarrollado por Barr y Moir, es el concepto de Enfoque Electrostático Periódico. [2] [5] [11] Al igual que el concepto de persiana veneciana, también es un colector directo, pero las placas colectoras están dispuestas en muchas etapas a lo largo del eje longitudinal de un canal de enfoque electrostático. A medida que cada ión se desacelera a lo largo del canal hacia la energía cero, la partícula se vuelve "sobreenfocada" y se desvía lateralmente del haz y luego se recoge. El convertidor de enfoque electrostático periódico normalmente funciona con un plasma DT de 600 keV (tan bajo como 400 keV y hasta 800 keV) con una eficiencia de aproximadamente el 60% en condiciones compatibles con la economía, y una eficiencia de conversión técnica superior de hasta el 90% sin tener en cuenta las limitaciones económicas. . [12]
Sistemas de inducción
Sistemas de conducción
Desde la década de 1960 hasta la de 1970, se han desarrollado métodos para extraer energía eléctrica directamente de un gas caliente (un plasma ) en movimiento dentro de un canal equipado con electroimanes (que producen un campo magnético transversal ) y electrodos (conectados a resistencias de carga ). Los portadores de carga ( electrones e iones libres ) que entran con el flujo son separados por la fuerza de Lorentz y se puede recuperar una diferencia de potencial eléctrico de los pares de electrodos conectados. Los tubos de choque utilizados como generadores MHD pulsados fueron capaces, por ejemplo, de producir varios megavatios de electricidad en canales del tamaño de una lata de bebida . [13]
Sistemas de inducción
Además de los convertidores que utilizan electrodos, Lev Artsimovich también propuso convertidores magnéticos inductivos puros en 1963, [14] luego Alan Frederic Haught y su equipo de United Aircraft Research Laboratories en 1970, [15] y Ralph Moir en 1977. [16 ]
El convertidor magnético de energía directa de compresión-expansión es análogo al motor de combustión interna . A medida que el plasma caliente se expande contra un campo magnético , de manera similar a los gases calientes que se expanden contra un pistón, parte de la energía del plasma interno se convierte inductivamente en una bobina electromagnética , como un EMF ( voltaje ) en el conductor.
Este esquema se usa mejor con dispositivos pulsados, porque el convertidor entonces funciona como un " motor magnético de cuatro tiempos ":
- Compresión : una columna de plasma es comprimida por un campo magnético que actúa como un pistón.
- Quemadura termonuclear : La compresión calienta el plasma a la temperatura de ignición termonuclear.
- Expansión / Poder : La expansión de los productos de la reacción de fusión (partículas cargadas) aumenta la presión del plasma y empuja el campo magnético hacia afuera. Se induce un voltaje y se recoge en la bobina electromagnética.
- Escape / repostaje : después de la expansión, el combustible parcialmente quemado se elimina y se introduce e ioniza nuevo combustible en forma de gas; y el ciclo comienza de nuevo.
En 1973, un equipo de los laboratorios de Los Alamos y Argonne declaró que la eficiencia termodinámica del ciclo de conversión magnética directa de energía de partículas alfa al trabajo es del 62%. [17]
Convertidor de energía directa de onda progresiva
En 1992, un equipo conjunto Japón-EE. UU. Propuso un nuevo sistema de conversión de energía directa para protones de 14,7 MeV producidos por reacciones de fusión D- 3 He, cuya energía es demasiado alta para los convertidores electrostáticos. [18]
La conversión se basa en un convertidor de energía directa de onda progresiva (TWDEC). Un convertidor gyrotron primero guía los iones del producto de fusión como un haz hacia una cavidad de microondas de 10 metros de largo llena con un campo magnético de 10 tesla, donde se generan microondas de 155 MHz y se convierten en una salida de CC de alto voltaje a través de rectennas .
El reactor de configuración de campo invertido ARTEMIS en este estudio fue diseñado con una eficiencia del 75%. El convertidor directo de onda viajera tiene una eficiencia máxima proyectada del 90%. [19]
Convertidor de ciclotrón inverso (ICC)
Los convertidores directos originales fueron diseñados para extraer la energía transportada por iones de 100 a 800 keV producidos por las reacciones de fusión DT. Esos convertidores electrostáticos no son adecuados para iones de productos de mayor energía por encima de 1 MeV generados por otros combustibles de fusión como las reacciones de fusión aneutrónica D- 3 He o p - 11 B.
En 1997 se propuso un dispositivo mucho más corto que el Convertidor de energía directa de onda viajera y Tri Alpha Energy, Inc. lo ha patentado como convertidor de ciclotrón inverso (ICC). [20] [21]
El ICC es capaz de desacelerar los iones entrantes basándose en experimentos realizados en 1950 por Felix Bloch y Carson D. Jeffries , [22] para extraer su energía cinética. El convertidor funciona a 5 MHz y requiere un campo magnético de solo 0,6 tesla. El movimiento lineal de los iones producto de fusión se convierte en movimiento circular mediante una cúspide magnética. La energía se recolecta de las partículas cargadas mientras pasan en espiral por los electrodos cuadrupolos. También se utilizarían colectores electrostáticos más clásicos para partículas con energía inferior a 1 MeV. El convertidor de ciclotrón inverso tiene una eficiencia máxima proyectada del 90%. [19] [20] [21] [23] [24]
Convertidor fotoeléctrico de rayos X
Una cantidad significativa de la energía liberada por las reacciones de fusión está compuesta por radiaciones electromagnéticas , esencialmente rayos X debidos a Bremsstrahlung . Esos rayos X no se pueden convertir en energía eléctrica con los diversos convertidores de energía directa electrostática y magnética enumerados anteriormente, y su energía se pierde.
Mientras que la conversión térmica más clásica se ha considerado con el uso de un intercambiador de radiación / caldera / energía donde la energía de rayos X es absorbida por un fluido de trabajo a temperaturas de varios miles de grados, [25] investigación más reciente realizada por compañías que desarrollan aneutrónicos nucleares. Los reactores de fusión, como Lawrenceville Plasma Physics (LPP) con Dense Plasma Focus , y Tri Alpha Energy, Inc. con Colliding Beam Fusion Reactor (CBFR), planean aprovechar los efectos fotoeléctricos y Auger para recuperar la energía transportada por los rayos X y otros fotones de alta energía . Esos convertidores fotoeléctricos se componen de absorbentes de rayos X y láminas colectoras de electrones anidadas concéntricamente en una matriz similar a una cebolla. De hecho, dado que los rayos X pueden atravesar un espesor de material mucho mayor que los electrones, se necesitan muchas capas para absorber la mayoría de los rayos X. LPP anuncia una eficiencia general del 81% para el esquema de conversión fotoeléctrica. [26] [27]
Conversión de energía directa a partir de productos de fisión
A principios de la década de 2000, Sandia National Laboratories , Los Alamos National Laboratory , The University of Florida , Texas A&M University y General Atomics llevaron a cabo una investigación para utilizar la conversión directa para extraer energía de las reacciones de fisión, esencialmente, intentando extraer energía del movimiento lineal. de partículas cargadas que salen de una reacción de fisión. [28]
Ver también
- Desacelerador antiprotón
- Radiación de Cherenkov
- Amortiguación Landau
Referencias
- ^ Post, Richard F. (noviembre de 1969). "Conversión directa de energía térmica de plasma de alta temperatura". Boletín de la Sociedad Estadounidense de Física . 14 (11): 1052.
- ^ a b Post, Richard F. (septiembre de 1969). Sistemas de espejos: ciclos del combustible, reducción de pérdidas y recuperación de energía (PDF) . Conferencia de Reactores de Fusión Nuclear de BNES. Culham Centre for Fusion Energy, Oxfordshire, Reino Unido: Sociedad Británica de Energía Nuclear. págs. 87-111.
- ^ Moir, RW; Barr, WL (1973). " Convertidor de energía directa " veneciano-ciego "para reactores de fusión" (PDF) . Fusión nuclear . 13 : 35–45. doi : 10.1088 / 0029-5515 / 13/1/005 .
- ^ a b Barr, WL; Burleigh, RJ; Dexter, WL; Moir, RW; Smith, RR (1974). "Un diseño de ingeniería preliminar de un convertidor de energía directa" persiana veneciana "para reactores de fusión" (PDF) . Transacciones IEEE sobre ciencia del plasma . 2 (2): 71. Bibcode : 1974ITPS .... 2 ... 71B . doi : 10.1109 / TPS.1974.6593737 .
- ^ a b Moir, RW; Barr, WL; Miley, GH (1974). "Requisitos de superficie para convertidores de energía directa electrostática" (PDF) . Revista de materiales nucleares . 53 : 86–96. Código Bibliográfico : 1974JNuM ... 53 ... 86M . doi : 10.1016 / 0022-3115 (74) 90225-6 .
- ^ Morris, Jeff. "En memoria." (nd): n. pag. Rpt. en Newsline. 19a ed. Vol. 29. Livermore: Laboratorio Nacional Lawrence Livermore, 2004. 2. Impresión.
- ^ Barr, William L .; Doggett, James N .; Hamilton, Gordon W .; Kinney, John; Moir, Ralph W. (25 a 28 de octubre de 1977). Ingeniería de conversión directa de haz para un haz de iones de 120 kV, 1 MW (PDF) . VII Simposio sobre Problemas de Ingeniería de la Investigación de la Fusión. Knoxville, Tennessee.
- ^ Barr, WL; Moir, RW; Hamilton, GW (1982). "Resultados experimentales de un convertidor directo de haz a 100 kV". Revista de energía de fusión . 2 (2): 131. Bibcode : 1982JFuE .... 2..131B . doi : 10.1007 / BF01054580 . S2CID 120604056 .
- ^ a b Rosenbluth, MN; Hinton, FL (1994). "Temas genéricos para la conversión directa de energía de fusión a partir de combustibles alternativos". Física del plasma y fusión controlada . 36 (8): 1255. Código Bibliográfico : 1994PPCF ... 36.1255R . doi : 10.1088 / 0741-3335 / 36/8/003 .
- ^ Barr, William L .; Moir, Ralph W. (enero de 1983). "Resultados de la prueba en convertidores directos de plasma". Tecnología nuclear - Fusión . Sociedad Nuclear Estadounidense. 3 (1): 98-111. doi : 10.13182 / FST83-A20820 . ISSN 0272-3921 .
- ^ Barr, WL; Howard, BC; Moir, RW (1977). "Simulación por computadora del convertidor de enfoque electrostático periódico" (PDF) . Transacciones IEEE sobre ciencia del plasma . 5 (4): 248. Bibcode : 1977ITPS .... 5..248B . doi : 10.1109 / TPS.1977.4317060 . S2CID 12552059 .
- ^ Smith, Bobby H .; Burleigh, Richard; Dexter, Warren L .; Reginato, Lewis L. (20 a 22 de noviembre de 1972). Un estudio de ingeniería del diseño eléctrico de un convertidor directo de 1000 megavatios para reactores de espejo . Simposio de Texas sobre tecnología de experimentos de fusión termonuclear controlada y aspectos de ingeniería de los reactores de fusión. Austin, Texas: Comisión de Energía Atómica de EE. UU.
- ^ Sutton, George W .; Sherman, Arthur (julio de 2006). Ingeniería Magnetohidrodinámica . Dover Ingeniería Civil y Mecánica. Publicaciones de Dover. ISBN 978-0486450322.
- ^ Artsimovich, LA (1963). Управляемые термоядерные реакции[ Reacciones termonucleares controladas ] (en ruso) (2ª ed.). Moscú: Fizmatgiz.
- ^ Haught, AF (1970). "Confinamiento de campo magnético de plasmas de partículas sólidas irradiadas con láser". Física de fluidos . 13 (11): 2842. Bibcode : 1970PhFl ... 13.2842H . doi : 10.1063 / 1.1692870 .
- ^ Moir, Ralph W. (abril de 1977). "Capítulo 5: Conversión de energía directa en reactores de fusión" (PDF) . En Considine, Douglas M. (ed.). Manual de tecnología energética . Nueva York: McGraw-Hill. págs. 150-154 . ISBN 978-0070124301.
- ^ Oliphant, TA; Ribe, FL; Coultas, TA (1973). "Conversión directa de energía de plasma termonuclear por alta compresión y expansión magnética". Fusión nuclear . 13 (4): 529. doi : 10.1088 / 0029-5515 / 13/4/006 .
- ^ Momota, Hiromu; Ishida, Akio; Kohzaki, Yasuji; Miley, George H .; Ohi, Shoichi; Ohnishi, Masami; Sato, Kunihiro; Steinhauer, Loren C .; Tomita, Yukihiro; Tuszewski, Michel (julio de 1992). "Diseño conceptual del Reactor Artemis D-3He" (PDF) . Ciencia y tecnología de fusión . 21 (4): 2307–2323. doi : 10.13182 / FST92-A29724 .
- ^ a b Rostoker, N .; Binderbauer, MW; Monkhorst, HJ (1997). "Reactor de fusión de haz de colisión" (PDF) . Ciencia . 278 (5342): 1419–22. Bibcode : 1997Sci ... 278.1419R . doi : 10.1126 / science.278.5342.1419 . PMID 9367946 . Archivado desde el original (PDF) el 20 de diciembre de 2005.
- ^ a b Patente estadounidense 6850011 , Monkhorst, Hendrik J. & Rostoker, Norman, "Fusión controlada en una configuración invertida de campo y conversión de energía directa", emitida el 1 de febrero de 2005, asignada a The Regents Of The University of California y Fundación de Investigación de Florida
- ^ a b Solicitud WO 2006096772 , Binderbauer, Michl; Bystritskii, Vitaly & Rostoker, Norman et al., "Plasma electric generation system", publicado el 28 de diciembre de 2006, asignado a Binderbauer, Michl y Bystritskii, Vitaly
- ^ Bloch, F .; Jeffries, C. (1950). "Una determinación directa del momento magnético del protón en Magnetones nucleares". Revisión física . 80 (2): 305. Bibcode : 1950PhRv ... 80..305B . doi : 10.1103 / PhysRev.80.305 .
- ^ Yoshikawa, K .; Noma, T .; Yamamoto, Y. (mayo de 1991). "Conversión de energía directa de iones de alta energía a través de la interacción con campos electromagnéticos" . Ciencia y tecnología de fusión . Sociedad Nuclear Estadounidense. 19 (3P2A): 870–875. doi : 10.13182 / FST91-A29454 .
- ^ Rostoker, N .; Binderbauer, M .; Monkhorst, HJ (1997). Oficina de Informes de Investigación Naval (Informe técnico).
- ^ Taussig, Robert T. (abril de 1977). Reactores de fusión avanzados basados en radiación de alta eficiencia térmica . Palo Alto, CA: Instituto de Investigación de Energía Eléctrica. OCLC 123362448 .
- ^ Patente estadounidense 7482607 , Lerner, Eric J. & Blake, Aaron, "Método y aparato para producir rayos X, haces de iones y energía de fusión nuclear", emitida el 27 de enero de 2009 , asignada a Lawrenceville Plasma Physics, Inc.
- ^ Solicitud estadounidense 2013125963 , Binderbauer, Michl & Tajima, Toshiki, "Conversión de fotones de alta energía en electricidad", publicada el 23 de mayo de 2013, asignada a Tri Alpha Energy, Inc.
- ^ lc Brown (2002). "Informe anual del reactor de fisión de conversión de energía directa para el período del 15 de agosto de 2000 al 30 de septiembre de 2001" . doi : 10.2172 / 805252 . Cite journal requiere
|journal=
( ayuda )