酸素原子供給型非自己維持直流放電プラズマによる高効率窒素固定の機構解明

阐明氧原子供给非自持直流放电等离子体高效固氮机理

• 批准号: 20J20527
• 负责人: 國嶋 友貴
• 金额: $ 2.18万
• 依托单位: Tohoku University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• 财政年份: 2020
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2020-04-24 至 2023-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-20J20527/
• 关键词: 窒素固定; 振動励起; 換算電界; 非自己維持直流放電; 振動・回転温度; 緩和過程; 振動緩和モデル; 流体モデル; ゼルドビッチ機構; 振動温度; 回転温度; 窒素固定; 振動励起; 換算電界; 非自己維持直流放電; 振動・回転温度; 緩和過程; 振動緩和モデル; 流体モデル; ゼルドビッチ機構; 振動温度; 回転温度

本研究では，プラズマ中の換算電界制御により，大量の高振動準位窒素N2(v)を酸素原子Oと反応させるゼルドビッチ機構を活用する，高効率プラズマ窒素固定の実現を目的とした．プラズマ生成用パルス電圧に直流低電圧を重畳する非自己維持直流放電プラズマを用いてプラズマ中の換算電界を制御する実験を行い，以下の成果を得た．1. 振動励起窒素N2(v)の選択的生成：前年度までに，非自己維持直流放電プラズマ中の換算電界や繰り返しパルス周波数の制御により，回転温度上昇を約100 Kに抑えつつ振動温度上昇約1000 Kを実現可能な実験条件を見出した. 今年度は振動励起窒素N2(v)の高準位観測を重点的に行い，レーザーラマン分光法により得られたスペクトルにおいて振動準位v=13までの観測に成功した．振動準位v>11の実験的観測は，ゼルドビッチ機構を活用した窒素固定反応を議論できる直接的情報であり，本研究の重要なマイルストーンの達成である．窒素プラズマ中の換算電界制御の効果として，回転温度を低く保ちながら高振動準位の選択的生成を実証する初めての成果を得た．2. 振動励起窒素N2(v)の空間的・時間的な挙動の検討：前年度までに開発した振動緩和モデルに加え新たに流体モデルを構築することにより，振動励起窒素N2(v)の空間的・時間的な挙動を検討した．実験における放電後の時間減衰が，N2(v)の緩和過程や反応ではない流体的特性による影響の示唆から，大部分が放電部下流へ輸送されるという洞察が得られ，窒素固定のための反応炉構築に向けた重要な知見が得られた．以上のことから，非自己維持直流放電を用いた振動励起窒素プラズマにおける，顕著な実験的成果と現象を説明できるモデル化計算手法を実現した．さらに，本研究の非自己維持直流放電プラズマは，振動励起窒素を活用した高効率プラズマ窒素固定研究のモデル構築・検証が可能なプラットフォームとなることを示す結果となった．

这项研究旨在使用Zeldovicch机制实现高效率血浆氮固定，其中大量高振动水平氮N2（V）通过控制血浆中转化的电场通过控制氧原子O反应。我们使用了非自动维护的直流排放血浆来控制等离子体中转化的电场的实验，该血浆在血浆产生的脉冲电压上叠加了DC低压，并获得了以下结果。 1。选择性产生振动激发氮N2（V）：到上一年，我们发现了实验条件，使振动激发温度的升高约为100 k，同时通过控制不自我维护的DC放电等离子等等离子来控制转化后的电场和重复脉冲频率，从而抑制旋转温度升高至大约100 k。今年，我们专注于对振动激发氮N2（V）的高级观察，并成功地观察到通过激光拉曼光谱获得的光谱中的振动激发水平约为13。振动水平V> 11的实验性观察是直接信息，可以讨论利用Zeldvich机制的氮固定反应，从而在这项研究中实现了重要的里程碑。这是我们第一次证明高振动水平的选择性生成，同时保持较低的旋转温度是氮等离子体中电场控制的效果。 2。研究振动激发氮N2（v）的空间和时间行为：除了在上一年开发的振动弛豫模型外，还通过构建一种振动弛豫模型来研究，我们研究了通过构建新的流体模型的振动激发氮N2（V）的空间和时间行为。由于N2（v）或流体特性而不是反应，在实验中排出后的时间衰减的影响的建议提供了见解，即大部分衰减是在放电下游运输的，为氮固定的反应堆构建提供了重要的见解。从以上，我们实现了一种建模计算方法，可以使用非自我维护的DC放电来解释振动激发氮等离子体中出色的实验结果和现象。此外，结果表明，本研究中的非自我维护的DC排放等离子体将是一个平台，可以使用振动激发氮构建和验证高效等离子氮固定研究的模型。