La conversión directa de energía (DEC) o simplemente conversión directa convierte la energía cinética de una partícula cargada en voltaje . Es un esquema para la extracción de energía a partir de la fusión nuclear .
A mediados de la década de 1960, se propuso la conversión directa de energía como un 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) Separar los positivos y negativos. (3) Separar los iones en grupos, por su energía. (4) Reunir estos iones a medida que tocan los colectores. (5) Usar estos colectores como el lado positivo en un circuito. Post argumentó que la eficiencia estaba determinada teóricamente por el número de colectores.
El diseño de las persianas venecianas es un tipo de colector directo electrostático. El nombre de diseño de persianas venecianas proviene de la similitud visual de las cintas con las persianas venecianas . Los diseños de principios de la década de 1970 de William Barr y Ralph Moir usaban cintas de metal repetidas en un ángulo específico como placas colectoras de iones. Estas superficies de metal con forma de cinta son más transparentes para los iones que van hacia adelante que para los iones que van hacia atrás. Los iones pasan a través de superficies de potencial sucesivamente creciente hasta que giran y comienzan a retroceder, a lo largo de una trayectoria parabólica . Luego ven superficies opacas y son atrapados. De este modo, 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 experimentos siguientes involucraron un verdadero convertidor directo de plasma que se probó en el Experimento de Espejo Tándem (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, esparciéndolo y convirtiéndolo en un haz que se mueve hacia adelante con una longitud de Debye de unos pocos centímetros. [9] Luego, las rejillas supresoras reflejan los electrones y los ánodos colectores recuperan la energía de los iones al ralentizarlos y recolectarlos 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 a lo largo de la muy corta distancia de longitud de Debye sería un gran desafío en la práctica, aunque dijo que este problema no ocurriría en todas las versiones de esta tecnología. [9]
El convertidor de persianas venecianas puede funcionar con plasma DT de 100 a 150 keV, con una eficiencia de alrededor del 60% en condiciones compatibles con la economía y una eficiencia de conversión técnica superior de hasta el 70% ignorando las limitaciones económicas. [4]
Un segundo tipo de convertidor electrostático propuesto inicialmente por Post, y desarrollado después 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 ion se desacelera a lo largo del canal hacia la energía cero, la partícula se "sobreenfoca" y se desvía lateralmente del haz, para luego ser recogida. 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 alrededor del 60% en condiciones compatibles con la economía, y una eficiencia de conversión técnica superior de hasta el 90% ignorando las limitaciones económicas. [12]
Desde los años 1960 hasta los años 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 se separan luego por la fuerza de Lorentz y se puede recuperar una diferencia de potencial eléctrico a partir de pares de electrodos conectados. Los tubos de choque utilizados como generadores MHD pulsados, por ejemplo, pudieron producir varios megavatios de electricidad en canales del tamaño de una lata de bebida . [13]
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 directo de energía por compresión-expansión magnética es análogo al motor de combustión interna . A medida que el plasma caliente se expande contra un campo magnético , de manera similar a como los gases calientes 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 utiliza mejor con dispositivos pulsados, porque el convertidor funciona entonces como un " motor magnético de cuatro tiempos ":
En 1973, un equipo de los laboratorios de Los Álamos y Argonne afirmó que la eficiencia termodinámica del ciclo de conversión directa magnética de energía de partículas alfa a trabajo es del 62%. [17]
En 1992, un equipo conjunto de Japón y Estados Unidos propuso un nuevo sistema de conversión de energía directa para protones de 14,7 MeV producidos por reacciones de fusión D -3He , cuya energía es demasiado alta para los convertidores electrostáticos. [18]
La conversión se basa en un convertidor de energía directa de onda viajera (TWDEC). Un convertidor girotrón 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 teslas, donde se generan microondas de 155 MHz y se convierten en una salida de CC de alto voltaje a través de rectenas .
El reactor de configuración de campo invertido ARTEMIS en este estudio fue diseñado con una eficiencia del 75%. El convertidor directo de ondas viajeras tiene una eficiencia máxima proyectada del 90%. [19]
Los convertidores directos originales fueron diseñados para extraer la energía transportada por iones de 100 a 800 keV producidos por reacciones de fusión DT. Esos convertidores electrostáticos no son adecuados para iones de productos de energía más alta, por encima de 1 MeV, generados por otros combustibles de fusión, como las reacciones de fusión aneutrónica D -3He o p - 11B .
En 1997, Tri Alpha Energy, Inc. propuso un dispositivo mucho más corto que el convertidor de energía directa de ondas viajeras, que fue patentado por él 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] con el fin de extraer su energía cinética. El convertidor opera a 5 MHz y requiere un campo magnético de sólo 0,6 tesla. El movimiento lineal de los iones producto de la fusión se convierte en movimiento circular mediante una cúspide magnética. La energía se recoge de las partículas cargadas a medida que pasan en espiral por electrodos cuadrupolares. 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]
Una cantidad significativa de la energía liberada por las reacciones de fusión está compuesta de radiación electromagnética , esencialmente rayos X debidos a la radiación de frenado . Esos rayos X no pueden convertirse en energía eléctrica con los diversos convertidores de energía electrostática y magnética directa mencionados anteriormente, y su energía se pierde.
Mientras que se ha considerado una conversión térmica más clásica 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] investigaciones más recientes realizadas por empresas que desarrollan reactores de fusión aneutrónica nuclear, como Lawrenceville Plasma Physics (LPP) con el Dense Plasma Focus y Tri Alpha Energy, Inc. con el 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 están compuestos de láminas absorbentes de rayos X y colectores 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]
A principios de la década de 2000, los Laboratorios Nacionales Sandia , el Laboratorio Nacional de Los Álamos , la Universidad de Florida , la Universidad Texas A&M y General Atomics llevaron a cabo investigaciones 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]
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