Conversão direta de energia - Direct energy conversion
A conversão direta de energia (DEC) ou simplesmente a conversão direta converte a energia cinética de uma partícula carregada em uma tensão . É um esquema para extração de energia da fusão nuclear .
História e fundamentos teóricos
Coletores diretos eletrostáticos
Em meados da década de 1960, a conversão de energia direta foi proposta como um método para capturar a energia do gás de exaustão em um reator de fusão . Isso geraria uma corrente contínua de eletricidade. Richard F. Post , do Laboratório Nacional Lawrence Livermore, foi um dos primeiros defensores da ideia. Post concluiu que capturar a energia exigiria cinco etapas: (1) Ordenação das partículas carregadas em feixe linear. (2) Separação de positivos e negativos. (3) Separar os íons em grupos, por sua energia. (4) Reunir esses íons à medida que tocam os coletores. (5) Usando esses coletores como o lado positivo em um circuito. Post argumentou que a eficiência era teoricamente determinada pelo número de coletores.
A veneziana
Projetos no início dos anos 1970 por William Barr e Ralph Moir usavam fitas de metal em um ângulo para coletar esses íons. Isso foi chamado de design Venetian Blind, porque as fitas parecem cortinas de janela . Essas superfícies em forma de fita de metal são mais transparentes para os íons que vão para a frente do que para os íons que voltam. Os íons passam por superfícies de potencial crescente sucessivamente até girarem e recuarem, ao longo de uma trajetória parabólica . Eles então veem as superfícies opacas e são capturados. Assim, os íons são classificados por energia com os íons de alta energia sendo capturados em eletrodos de alto potencial.
William Barr e Ralph Moir então dirigiram um grupo que fez uma série de experimentos de conversão de energia direta até o final dos anos 1970 e início dos anos 1980. Os primeiros experimentos usaram feixes de positivos e negativos como combustível e demonstraram a captura de energia com uma eficiência máxima de 65% e uma eficiência mínima de 50%. Os experimentos a seguir envolveram um verdadeiro conversor direto de plasma que foi testado no Tandem Mirror Experiment (TMX), um reator de fusão de espelho magnético operacional . No experimento, o plasma se moveu ao longo de linhas de campo divergentes, espalhando-o e convertendo-o em um feixe de movimento para a frente com um comprimento de Debye de alguns centímetros. As grades supressoras então refletem os elétrons, e os ânodos coletores recuperaram a energia do íon reduzindo sua velocidade e recolhendo-os em placas de alto potencial. Esta máquina demonstrou uma eficiência de captura de energia de 48 por cento. No entanto, Marshall Rosenbluth argumentou que manter a carga neutra do plasma ao longo da distância curta de Debye seria muito desafiador na prática, embora ele disse que esse problema não ocorreria em todas as versões desta tecnologia.
O conversor Venetian Blind pode operar com plasma DT de 100 a 150 keV, com uma eficiência de cerca de 60% em condições compatíveis com a economia, e uma eficiência de conversão técnica superior de até 70%, ignorando as limitações econômicas.
Focalização eletrostática periódica
Um segundo tipo de conversor eletrostático inicialmente proposto por Post, depois desenvolvido por Barr e Moir, é o conceito de Focalização Eletrostática Periódica. Como o conceito Venetian Blind, também é um coletor direto, mas as placas coletoras são dispostas em vários estágios ao longo do eixo longitudinal de um canal de focalização eletrostática. À medida que cada íon é desacelerado ao longo do canal em direção à energia zero, a partícula torna-se "focalizada demais" e é desviada lateralmente do feixe e então coletada. O conversor de foco eletrostático periódico normalmente opera com um plasma DT de 600 keV (tão baixo quanto 400 keV e até 800 keV) com eficiência de cerca de 60% em condições compatíveis com a economia e uma eficiência de conversão técnica superior de até 90%, ignorando as limitações econômicas .
Sistemas de indução
Sistemas de condução
Dos anos 1960 até os anos 1970, foram desenvolvidos métodos para extrair energia elétrica diretamente de um gás quente (um plasma ) em movimento dentro de um canal equipado com eletroímãs (produzindo um campo magnético transversal ) e eletrodos (conectados a resistores de carga ). Os portadores de carga ( elétrons e íons livres ) que chegam com o fluxo são então separados pela força de Lorentz e uma diferença de potencial elétrico pode ser recuperada de pares de eletrodos conectados. Tubos de choque usados como geradores MHD pulsados eram, por exemplo, capazes de produzir vários megawatts de eletricidade em canais do tamanho de uma lata de bebida .
Sistemas de indução
Além de conversores usando eletrodos, conversores magnéticos indutivos puros também foram propostos por Lev Artsimovich em 1963, então por Alan Frederic Haught e sua equipe dos Laboratórios de Pesquisa da United Aircraft em 1970 e Ralph Moir em 1977.
O conversor de energia direta de compressão-expansão magnética é análogo ao motor de combustão interna . À medida que o plasma quente se expande contra um campo magnético , de maneira semelhante aos gases quentes que se expandem contra um pistão, parte da energia do plasma interno é indutivamente convertida em uma bobina eletromagnética , como uma EMF ( voltagem ) no condutor.
Este esquema é melhor usado com dispositivos pulsados, porque o conversor funciona como um " motor magnético de quatro tempos ":
- Compressão : uma coluna de plasma é comprimida por um campo magnético que atua como um pistão.
- Queima termonuclear : A compressão aquece o plasma à temperatura de ignição termonuclear.
- Expansão / Potência : A expansão dos produtos da reação de fusão (partículas carregadas) aumenta a pressão do plasma e empurra o campo magnético para fora. Uma tensão é induzida e coletada na bobina eletromagnética.
- Escape / Reabastecimento : Após a expansão, o combustível parcialmente queimado é lavado e novo combustível na forma de gás é introduzido e ionizado; e o ciclo começa novamente.
Em 1973, uma equipe dos laboratórios Los Alamos e Argonne afirmou que a eficiência termodinâmica do ciclo de conversão magnética direta da energia da partícula alfa para o trabalho é de 62%.
Conversor de energia direta de ondas viajantes
Em 1992, uma equipe conjunta Japão-EUA propôs um novo sistema de conversão de energia direta para prótons de 14,7 MeV produzidos por reações de fusão D- 3 He, cuja energia é muito alta para conversores eletrostáticos.
A conversão é baseada em um Conversor de Energia Direta de Ondas Viajantes (TWDEC). Um conversor de girotron primeiro guia íons de produto de fusão como um feixe em uma cavidade de microondas de 10 metros de comprimento preenchida com um campo magnético de 10 tesla, onde microondas de 155 MHz são geradas e convertidas em uma saída DC de alta tensão por meio de retêns .
O reator de configuração reversa de campo ARTEMIS neste estudo foi projetado com uma eficiência de 75%. O conversor direto de ondas viajantes tem uma eficiência máxima projetada de 90%.
Conversor de ciclotron inverso (ICC)
Os conversores diretos originais foram projetados para extrair a energia transportada por íons de 100 a 800 keV produzidos por reações de fusão DT. Esses conversores electrostáticos não são adequados para iões dos produtos mais elevado de energia acima de 1 MeV gerados por outros combustíveis de fusão, como o D- 3 Ele ou o p - 11 B de fusão não neutrónicos reacções.
Um dispositivo muito mais curto do que o Conversor de Energia Direta de Ondas Viajantes foi proposto em 1997 e patenteado pela Tri Alpha Energy, Inc. como um Conversor de Ciclotron Inverso (ICC).
O ICC é capaz de desacelerar a entrada de íons com base em experimentos feitos em 1950 por Felix Bloch e Carson D. Jeffries , a fim de extrair sua energia cinética. O conversor opera a 5 MHz e requer um campo magnético de apenas 0,6 tesla. O movimento linear dos íons do produto de fusão é convertido em movimento circular por uma cúspide magnética. A energia é coletada das partículas carregadas à medida que passam pelos eletrodos quadrupolo. Coletores eletrostáticos mais clássicos também seriam usados para partículas com energia inferior a 1 MeV. O conversor de ciclotron inverso tem uma eficiência máxima projetada de 90%.
Conversor fotoelétrico de raios-x
Uma quantidade significativa da energia liberada pelas reações de fusão é composta de radiações eletromagnéticas , essencialmente raios X devido à Bremsstrahlung . Esses raios X não podem ser convertidos em energia elétrica com os vários conversores de energia direta eletrostática e magnética listados acima, e sua energia é perdida.
Considerando que a conversão térmica mais clássica foi considerada com o uso de uma radiação / caldeira / trocador de energia onde a energia dos raios X é absorvida por um fluido de trabalho a temperaturas de vários milhares de graus, pesquisas mais recentes feitas por empresas que desenvolvem reatores de fusão aneutrônica nuclear, como Lawrenceville Plasma Physics (LPP) com o Dense Plasma Focus , e Tri Alpha Energy, Inc. com o Colliding Beam Fusion Reactor (CBFR), planejam aproveitar os efeitos fotoelétricos e Auger para recuperar a energia transportada por raios-X e outros fótons de energia . Esses conversores fotoelétricos são compostos de absorvedor de raios-X e folhas coletoras de elétrons aninhadas concentricamente em uma matriz semelhante a cebola. Na verdade, como os raios X podem atravessar uma espessura de material muito maior do que os elétrons, muitas camadas são necessárias para absorver a maior parte dos raios X. LPP anuncia uma eficiência geral de 81% para o esquema de conversão fotoelétrica.
Conversão direta de energia de produtos de fissão
No início dos anos 2000, a pesquisa foi realizada pelo Sandia National Laboratories , Los Alamos National Laboratory , The University of Florida , Texas A&M University e General Atomics para usar a conversão direta para extrair energia de reações de fissão, essencialmente, tentando extrair energia do movimento linear de partículas carregadas saindo de uma reação de fissão.