シード物質を用いない希ガス凍結プラズマMHD発電に関する研究

不使用种子材料的稀有气体冷冻等离子体MHD发电研究

基本信息

批准号：
12780359
负责人：
小林宏充
金额：
$ 1.28万
依托单位：
Keio University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Encouragement of Young Scientists (A)
财政年份：
2000
资助国家：
日本
起止时间：
2000 至 2001
项目状态：
已结题

项目摘要

クローズドサイクルMHD発電では、作動気体として電離しにくい希ガスに電離しやすいアルカリ金属を微量添加(シード)したものを用いているが、クローズドサイクル実現のためにはシード物質の回収が不可欠である。これを改善する方法として発電機入口で予備電離の必要があるが、シード物質を用いず希ガスプラズマの再結合が非常に遅いことを利用した凍結希ガスプラズマMHD発電の可能性を提案した。そこで、これまでのヘリウムにセシウムをシードしたMHD発電機(SEED発電機)とヘリウムのみを作動気体とした凍結希ガスプラズマMHD発電機(FIP発電機)についてディスク形発電機を対象としてr-θ2次元数値計算を用いて比較検討した結果、以下のことが明らかとなった。エンタルピー抽出率25%、等エントロピー効率60%を達成する入口電離度や負荷抵抗の運転条件の範囲はどちらもほぼ同じであり、FIP発電機の入口予備電離電力を無視すると最大エンタルピー抽出率はSEED発電機の場合とほぼ同じである。FIP発電機において、最適入口電離度より低い入口電離度では発電機内の電子温度は低下するが、その凍結プラズマは維持される。その際、SEED発電機ではシード弱電離不安定性に起因して非定常なプラズマの非一様構造が現れ、発電性能が低下するのに対して、FIP発電機ではプラズマは定常かつその構造は維持されるが、電気伝導度は低下するので性能は劣化する。一方、最適入口電離度より高い入口電離度では、両発電機ともに発電機入口での強いローレンツ力に起因して発電性能は劣化するが、FIP発電機における発電機入口での電子数密度の不均一は不安定性を引き起こすことはない。最後に、高い発電性能を得るためにはSEED発電機においてシード率の正確な制御が必要であるのと同様に、FIP発電機でも入口予備電離度を正確に制御することが必要であることがわかった。

闭路磁流体发电使用难以电离的稀有气体作为工作气体，并添加少量容易电离的碱金属（种子），但种子材料的回收对于实现闭路循环至关重要。作为改善这一问题的方法，需要在发生器入口处进行初步电离，但我们提出了在不使用种子材料的情况下利用稀有气体等离子体极慢的复合的冷冻稀有气体等离子体MHD发电的可能性。因此，对于在氦气中添加铯晶种的传统 MHD 发生器（SEED 发生器）和仅使用氦气作为工作气体的冷冻稀有气体等离子体 MHD 发生器（FIP 发生器），我们重点关注 r-θ2 作为通过使用量纲数值计算进行比较研究的结果，可以明确以下内容。达到25%的抽热率和60%的等熵效率的入口电离度和负载电阻的工况范围几乎相同，如果忽略FIP发生器的入口预电离功率，则最大熵提取率是SEED，它与发电机的情况几乎相同。在FIP发生器中，当入口电离度低于最佳入口电离度时，发生器内的电子温度降低，但其冷冻等离子体得以维持。此时，在SEED发生器中，由于种子弱电离不稳定性，出现不稳定的不均匀等离子体结构，降低了发电性能，而在FIP发生器中，等离子体是稳定的，其结构得以维持，但电导率降低并且电导率降低。性能恶化。另一方面，当入口电离度高于最佳入口电离度时，由于发生器入口处较强的洛伦兹力，两台发生器的发电性能均变差，但FIP发生器在入口处的电子数密度不稳定。发电机入口的均匀性不会导致不稳定。最后，正如 SEED 发生器需要精确控制播种率以实现高发电性能一样，FIP 发生器也需要精确控制入口预电离程度。