Loading article…
直接エネルギー変換（DEC）、または単に直接変換とは、荷電粒子の運動エネルギーを電圧に変換する方式である。これは核融合から電力を取り出すための手法の一つである。
1960年代半ば、核融合炉の排ガスからエネルギーを回収する方法として、直接エネルギー変換が提案された。これにより直流電流が生成される。ローレンス・リバモア国立研究所のリチャード・F・ポストはこのアイデアの初期の提唱者であった。[ 1 ]ポストは、エネルギーを回収するには次の5つのステップが必要であると考えた。[ 2 ] (1) 荷電粒子を直線ビームに整列させる。(2) 正と負を分離する。(3) イオンをエネルギーごとにグループに分離する。(4) これらのイオンがコレクターに接触したときに集める。(5) これらのコレクターを回路の正側として使用する。ポストは、効率は理論的にはコレクターの数によって決まると主張した。
ベネチアンブラインド設計は、静電直接集電の一種です。ベネチアンブラインド設計という名前は、リボンがベネチアンウィンドウブラインドに視覚的に似ていることに由来します。1970年代初頭のウィリアム・バーとラルフ・モイアによる設計では、特定の角度で繰り返される金属リボンがイオン集電板として使用されました。これらの金属リボン状の表面は、前進するイオンに対しては、後退するイオンよりも透明です。イオンは、放物線軌道に沿って方向転換して戻り始めるまで、電位が徐々に増加する表面を通過します。その後、不透明な表面を見て捕らえられます。このようにして、イオンはエネルギーによって選別され、高エネルギーのイオンは高電位の電極で捕らえられます。[ 3 ] [ 4 ] [ 5 ]
ウィリアム・バーとラルフ・モイアはその後、1970年代後半から1980年代前半にかけて一連の直接エネルギー変換実験を行ったグループを率いた。[ 6 ]最初の実験では、正と負のビームを燃料として使用し、最大効率65%、最小効率50%でエネルギー回収を実証した。[ 7 ] [ 8 ]次の実験では、稼働中の磁気ミラー核融合炉であるタンデムミラー実験（TMX）でテストされた真のプラズマ直接コンバータが使用された。この実験では、プラズマは発散する磁力線に沿って移動し、広がり、デバイ長が数センチメートルの前方移動ビームに変換された。[ 9 ]次に、サプレッサーグリッドが電子を反射し、コレクターアノードがイオンを減速させて高電位プレートで収集することにより、イオンエネルギーを回収した。この装置は48%のエネルギー回収効率を実証した。[ 10 ]しかし、マーシャル・ローゼンブルースは、プラズマの中性電荷を非常に短いデバイ長距離にわたって維持することは実際には非常に困難であると主張したが、この問題はこの技術のすべてのバージョンで発生するわけではないとも述べた。[ 9 ]
ベネチアンブラインドコンバータは、100～150 keVのDTプラズマで動作し、経済的に適合する条件下では約60%の効率、経済的な制約を無視すれば最大70%の技術的変換効率を実現できます。[ 4 ]
ポストが最初に提案し、その後バールとモアが開発した2番目のタイプの静電コンバータは、周期静電集束コンセプトです。[ 2 ] [ 5 ] [ 11 ]ベネチアンブラインドコンセプトと同様に、これも直接コレクタですが、コレクタプレートは静電集束チャネルの長手方向軸に沿って多くの段階に配置されています。各イオンがチャネルに沿ってゼロエネルギーに向かって減速されると、粒子は「過剰集束」され、ビームから横方向に偏向されて収集されます。周期静電集束コンバータは通常、600 keV DTプラズマ（最低400 keVから最高800 keV）で動作し、経済的に適合する条件下での効率は約60%、経済的制約を無視すれば技術的な変換効率は最大90%に達します。[ 12 ]
1960年代から1970年代にかけて、電磁石（横方向の磁場を生成）と電極（負荷抵抗器に接続）を備えたチャネル内を移動する高温ガス（プラズマ）から直接電気エネルギーを抽出する方法が開発されました。流れとともに流入する電荷キャリア（自由電子とイオン）はローレンツ力によって分離され、接続された電極のペアから電位差を取り出すことができます。パルスMHD発電機として使用される衝撃波管は、例えば飲料缶サイズのチャネルで数メガワットの電力を生成することができました。[ 13 ]
電極を用いた変換器に加えて、純粋な誘導磁気変換器も、1963年にレフ・アルツィモヴィッチ[ 14 ] 、1970年にユナイテッド・エアクラフト・リサーチ・ラボラトリーズのアラン・フレデリック・ホートとそのチーム[ 15 ] 、 1977年にラルフ・モイア[ 16 ]によって提案された。
磁気圧縮膨張式直接エネルギー変換器は、内燃機関に類似している。高温プラズマが磁場に逆らって膨張する際、高温ガスがピストンに逆らって膨張するのと同様に、内部プラズマのエネルギーの一部が誘導的に電磁コイルに変換され、導体に起電力（電圧）が発生する。
この方式はパルスデバイスで使用するのが最適です。なぜなら、コンバーターが「磁気式4ストロークエンジン」のように動作するからです。
1973年、ロスアラモス研究所とアルゴンヌ研究所のチームは、アルファ粒子エネルギーから仕事への磁気直接変換サイクルの熱力学的効率は62%であると述べた。 [ 17 ]
1992年、日米共同チームは、静電変換器にはエネルギーが高すぎるD- 3He核融合反応で生成される14.7MeVの陽子に対する新しい直接エネルギー変換システムを提案した。 [ 18 ]
この変換方式は、進行波型直接エネルギー変換器（TWDEC）に基づいています。まず、ジャイロトロン変換器が核融合生成物イオンをビーム状にして、10テスラの磁場が満たされた長さ10メートルのマイクロ波空洞に導きます。そこで155MHzのマイクロ波が生成され、整流アンテナ を通して高電圧の直流出力に変換されます。
本研究における磁場反転構成型原子炉ARTEMISは、75%の効率で設計されている。進行波直接変換器の最大予測効率は90%である。[ 19 ]
当初の直接変換器は、DT核融合反応によって生成される100～800keVのイオンが持つエネルギーを抽出するように設計されていました。これらの静電変換器は、D-3Heやp-11B無中性子核融合反応など、他の核融合燃料によって生成される1MeVを超える高エネルギー生成イオンには適していません。
進行波直接エネルギー変換器よりもはるかに短い装置が1997年に提案され、Tri Alpha Energy, Inc.によって逆サイクロトロン変換器（ICC）として特許を取得しました。[ 20 ] [ 21 ]
ICCは、1950年にFelix BlochとCarson D. Jeffriesによって行われた実験[ 22 ]に基づいて、入射イオンを減速して運動エネルギーを取り出すことができる。コンバータは5 MHzで動作し、0.6テスラの磁場しか必要としない。核融合生成物イオンの直線運動は、磁気カスプによって円運動に変換される。荷電粒子が四重極電極を螺旋状に通過する際にエネルギーが収集される。1 MeV未満のエネルギーを持つ粒子には、より古典的な静電コレクタも使用される。逆サイクロトロンコンバータの最大予測効率は90%である。[ 19 ] [ 20 ] [ 21 ] [ 23 ] [ 24 ]
核融合反応によって放出されるエネルギーの大部分は電磁放射、主に制動放射によるX線で構成されています。これらのX線は、上述の様々な静電式および磁気式の直接エネルギー変換器では電力に変換できず、そのエネルギーは失われてしまいます。
より古典的な熱変換では、数千度の温度で作動流体が X 線エネルギーを吸収する放射/ボイラー/エネルギー交換器の使用が検討されてきたが、[ 25 ] Lawrenceville Plasma Physics (LPP) のDense Plasma FocusやTri Alpha Energy, Inc.の Colliding Beam Fusion Reactor (CBFR) など、核無中性子核融合炉を開発している企業による最近の研究では、光電効果とオージェ効果を利用して X 線やその他の高エネルギー光子が運ぶエネルギーを回収することが計画されている。これらの光電変換器は、タマネギのような配列で同心円状に配置された X 線吸収シートと電子収集シートで構成されている。実際、X 線は電子よりもはるかに厚い物質を通過できるため、ほとんどの X 線を吸収するには多くの層が必要となる。LPP は、光電変換方式の全体効率が 81% であると発表している。[ 26 ] [ 27 ]
2000年代初頭、サンディア国立研究所、ロスアラモス国立研究所、フロリダ大学、テキサスA&M大学、ジェネラル・アトミックス社は、核分裂反応から直接エネルギーを取り出すための研究を行った。これは基本的に、核分裂反応から放出される荷電粒子の直線運動からエネルギーを取り出そうとする試みである。[ 28 ]
{{cite journal}}: CS1メンテナンス: アーカイブサービスは非推奨になりました (リンク){{cite journal}}:ジャーナルを引用するには|journal=（ヘルプ）