JPH0487552A - Liquid metal magnetohydrodynamics generator using anti-particle reactor - Google Patents

Liquid metal magnetohydrodynamics generator using anti-particle reactor

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JPH0487552A
JPH0487552A JP19666790A JP19666790A JPH0487552A JP H0487552 A JPH0487552 A JP H0487552A JP 19666790 A JP19666790 A JP 19666790A JP 19666790 A JP19666790 A JP 19666790A JP H0487552 A JPH0487552 A JP H0487552A
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JP
Japan
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liquid metal
reactor
power generation
liquid
energy
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JP19666790A
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Japanese (ja)
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Yoshinari Minami
南 善成
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NEC Corp
Original Assignee
NEC Corp
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Abstract

PURPOSE:To obtain a small large-power generator by using proton-antiproton extinction reaction and using liquid metal as working fluid. CONSTITUTION:The required voltage is applied from a controller 17 to a proton source 15 and an antiproton source 16 in an anti-particle reactor 1 and protons and antiprotons are led to a reactor core 11 by its electric field and collided head-on gently therein. Then proton-antiproton extinction reaction is caused and gamma quanta are emitted, absorbed in a metallic body 12 and a blanket 13, and converted into thermal energy. The quantity of generated heat is controlled by the voltage applied from the controller 17. Liquid sodium (hereinafter referred to as 'liquid metal') is sent by pressure to the blanket 13, heated to be converted into high-pressure hot vapor, and separated into vapor and liquid through a working fluid accelerator 2. The liquid metal generates electricity with an MHD generator 3.

Description

【発明の詳細な説明】 (産業上の利用分野) 本発明は、陽子と反陽子の消滅反応時に発生する膨大な
熱エネルギーを液体金属MHD発電によって直接電気エ
ネルギーに変換する反粒子反応炉による液体金属MHD
発電装置に関する。
Detailed Description of the Invention (Industrial Field of Application) The present invention is directed to an antiparticle reactor that directly converts enormous thermal energy generated during the annihilation reaction between protons and antiprotons into electrical energy by liquid metal MHD power generation. metal MHD
Regarding power generation equipment.

(従来の技術) 周知のように、数10万kWから数100万kWの大電
力を発生する発電装置としては、従来、水力発電、火力
発電、原子力発電等が実用化されている。また、将来の
発電装置として核融合反応を利用した発電方式が研究開
発の途上にあり、実用化には成功していない。
(Prior Art) As is well known, hydroelectric power generation, thermal power generation, nuclear power generation, etc. have been put into practical use as power generation devices that generate large electric power of several hundred thousand kW to several million kW. Furthermore, a power generation method using nuclear fusion reactions as a future power generation device is still in the process of research and development, but has not been successfully put into practical use.

(発明が解決しようとする課題) しかし、従来の大電力発電装置は、いずれも、水力の運
動エネルギー、火力や原子力の熱エネルギーを機械エネ
ルギーへ変換した後、発電機の回転により電力を取り出
す方式であるので、装置は巨大化し、数10万kW以上
の大電力を得るには広大な敷地が必要となり、小型化が
困難な構成である。また、発生エネルギーは元々低いが
、それを−度機械エネルギーへ変換するので、総合効率
が低下し、これを改善するのは困難である。
(Problem to be solved by the invention) However, all conventional large-power power generation devices convert kinetic energy from hydraulic power, thermal energy from thermal power or nuclear power into mechanical energy, and then extract electricity by rotating a generator. Therefore, the device becomes huge, and a vast site is required to obtain a large power of several hundred thousand kW or more, making it difficult to downsize the device. Furthermore, although the generated energy is originally low, since it is converted into -degree mechanical energy, the overall efficiency decreases, and it is difficult to improve this.

ところで、近年、宇宙開発が進展し、宇宙ステーション
や月面基地等の建設が検討されているが、これらでは1
0kW〜500kW程度の発電設備が必要と言われてい
る。また、宇宙飛翔体搭載用を考慮すると小型化が必須
条件となる。
By the way, space development has progressed in recent years, and the construction of space stations, moon bases, etc. is being considered, but these
It is said that power generation equipment of about 0kW to 500kW is required. In addition, miniaturization is an essential condition when considering use in spacecraft.

要するに、地上だけでなく宇宙空間等の特殊な場所でも
使用できる小型の大電力発生装置の開発が望まれている
。小型化は、高エネルギー発生源と高変換効率の発電方
式とを採用すれば実現可能であり、この観点から考察す
ると次のようになる。
In short, it is desired to develop a small-sized, high-power generator that can be used not only on the ground but also in special places such as outer space. Miniaturization can be achieved by adopting a high energy generation source and a power generation method with high conversion efficiency, and when considered from this perspective, the following results can be obtained.

まず、高エネルギー発生源としては核エネルギーを抽出
することを考える。原子核の反応結果により原子核中に
含まれるエネルギーを引き出す方法には、核分裂反応と
核融合反応と反粒子反応(反物質反応)とがある。
First, consider extracting nuclear energy as a high energy generation source. Methods for extracting the energy contained in atomic nuclei as a result of nuclear reactions include nuclear fission reactions, nuclear fusion reactions, and antiparticle reactions (antimatter reactions).

核分裂(Fission)反応は、ウランのような重い
原子核を複数の軽い核子に分解する過程で放出される核
の結合エネルギーを得る方法であり、既に原子炉として
実用化されている。
The nuclear fission reaction is a method of obtaining nuclear binding energy released during the process of decomposing a heavy atomic nucleus such as uranium into a plurality of light nucleons, and has already been put into practical use as a nuclear reactor.

核融合(Fusion)反応は、水素や重水素のような
軽い原子核を結合させてより重い原子核(ヘリウム)に
変換する過程で放出される核の結合エネルギーを得る方
法であり、前述した通り現在研究の段階であり、実用化
には成功していない。
Fusion reaction is a method to obtain the nuclear binding energy released during the process of combining light atomic nuclei such as hydrogen and deuterium and converting them into heavier atomic nuclei (helium), and as mentioned above, is currently being researched. stage, and it has not been successfully put into practical use.

反粒子(Antipartic Ies)反応は、俗に
言う反物質(Antimatter)と物質との消滅反
応によるエネルギー放出を利用しようとする考えである
が、未だ研究はなされておらず空想の領域としてそのア
イディアすら出されていないのが現状である。
Antiparticle reactions are an idea that utilizes the release of energy caused by the annihilation reaction between antimatter and matter, but no research has been done on it yet, and even the idea remains in the realm of fantasy. The current situation is that this has not been done.

上記3者において、核エネルギーの源泉は質量であり、
質量/エネルギーの変換式であるE=mcにより算出さ
れるが、核分裂や核融合では核反応の結果生じる核の質
量欠損という形で原子核内部の陽子と中性子の結合エネ
ルギーの一部が取り出される。即ち、核分裂の場合も核
融合の場合も原子核中のエネルギーの一部しか引き出す
ことができない、これに対し、核子と反核子の結合によ
る相互消滅反応では質量のすべてがエネルギーに転化さ
れる。
In the three above, the source of nuclear energy is mass,
It is calculated using the mass/energy conversion formula E=mc, and in nuclear fission and fusion, a part of the binding energy between protons and neutrons inside the nucleus is extracted in the form of a mass defect in the nucleus that occurs as a result of a nuclear reaction. That is, in both nuclear fission and fusion, only a portion of the energy in the nucleus can be extracted, whereas in mutual annihilation reactions due to the combination of nucleons and antinucleons, all of the mass is converted into energy.

つまり、消滅反応によって物質からエネルギーを得る効
率は原理的に100%であり、原子力や核融合など他の
いかなるエネルギー源でも消滅反応以上の効率でエネル
ギーを生成することはできない。生成エネルギーの簡単
な比較を以下に示す。
In other words, the efficiency of obtaining energy from matter through annihilation reactions is, in principle, 100%, and no other energy source, such as nuclear power or nuclear fusion, can generate energy more efficiently than annihilation reactions. A simple comparison of production energies is shown below.

☆1gのウラン2359□Uの核分裂反応+  2X1
0’kWh(172億カロリー) ☆1gの水素原子核融合反応:     16X10’
kWh(1,4兆カロリー) ☆1gの物質の消滅反応:     2500xlO’
 kWh(215兆カロリー) ☆1gの石油の燃焼反応:         0.01
2kWh(1万カロリー) 従って、反粒子反応を積極的に利用すべきであるが、反
粒子反応炉をどのように構成すべきかが問題となる。
☆Nuclear fission reaction of 1g of uranium 2359□U + 2X1
0'kWh (17.2 billion calories) ☆1g hydrogen nuclear fusion reaction: 16X10'
kWh (1.4 trillion calories) ☆Extinction reaction of 1g of substance: 2500xlO'
kWh (215 trillion calories) ☆Combustion reaction of 1g of oil: 0.01
2 kWh (10,000 calories) Therefore, antiparticle reactions should be actively utilized, but the question is how to configure an antiparticle reactor.

また、高変換効率の発電方式としては、機械−電気エネ
ルギー変換を省略した経路で発電を行う直接発電方式を
考える。直接発電方式には、ゼーベック効果を利用する
熱電発電、熱放射電子流を利用した熱電子発電、電磁流
体の電磁誘導効果を利用したM HD (Magnet
o Hydro Dynamics:電磁流体力学)発
電がある0発生電力の観点から熱電発電、熱電子発電等
熱源を利用するものはいずれも規模が小さく、水力発電
、火力発電、原子力発電のような数10万kW〜数10
0万kWの大規模発電が原理的に可能なものはMHD発
電である。
Furthermore, as a power generation method with high conversion efficiency, a direct power generation method is considered in which power is generated through a route that omits mechanical-electrical energy conversion. Direct power generation methods include thermoelectric power generation that uses the Seebeck effect, thermionic power generation that uses thermal radiation electron flow, and MHD (Magnet) that uses the electromagnetic induction effect of magnetic fluid.
o Hydro Dynamics (Magneto-hydrodynamics) Power generation 0 From the perspective of generated electricity, thermoelectric power generation, thermionic power generation, and other heat sources that use heat sources are small in scale, while hydroelectric power generation, thermal power generation, nuclear power generation, etc. kW~several 10
MHD power generation is capable of large-scale power generation of 00,000 kW in principle.

ここに、MHD発電では作動流体としてプラズマ流が一
般に使用されるが、特に宇宙飛翔体の動力源として小型
で大電流がとりだせる作動流体としてプラズマ流を用い
ることの妥当性が問題となる。
Although a plasma flow is generally used as a working fluid in MHD power generation, the validity of using a plasma flow as a working fluid that is small and can draw a large current as a power source for a spacecraft is particularly problematic.

本発明は、このような問題に鑑みなされたもので、その
目的は、地上のみならず宇宙空間等の特殊な場所におい
ても数10万kW〜数1(to万kWの大規模発電が可
能で、かつ、宇宙飛翔体に搭載できる程度に小型化が可
能な発電装置たる反粒子反応炉による液体金属MHD発
電装置を提供することにある。
The present invention was made in view of these problems, and its purpose is to enable large-scale power generation of several 100,000 kW to several 10,000 kW not only on the ground but also in special places such as outer space. The object of the present invention is to provide a liquid metal MHD power generation device using an antiparticle reactor, which is a power generation device that can be miniaturized to the extent that it can be mounted on a spacecraft.

(課題を解決するための手段) 前記目的を達成するために、本発明の反粒子反応炉によ
る液体金属MHD発電装置は次の如き構成を有する。
(Means for Solving the Problems) In order to achieve the above object, a liquid metal MHD power generation device using an antiparticle reactor of the present invention has the following configuration.

即ち、本発明の反位子反応炉による液体金属MHD発電
装置は、第1図に示すように、陽子と反陽子との消滅反
応を行わせその発生熱で外部から入力される液体金属を
加熱し高温高圧の蒸気にして外部へ送出する反位子反応
炉1と; 反位子反応炉から送出される蒸気に液体金属
を混合して高速の気液2相流を形成し、その気液2相流
から液体金属を分離して前記反位子反応炉へ環流させる
べく送出する作動流体加速器2と; 前記反位子反応炉
へ環流する液体金属の高速流が強磁場内を流れることに
よって起電力を発生するMHD発電機3と; を備えた
ことを特徴とするものである。
That is, as shown in FIG. 1, the liquid metal MHD power generation device using the antiproton reactor of the present invention causes an annihilation reaction between protons and antiprotons, and uses the generated heat to heat the liquid metal input from the outside. An antipotent reactor 1 that converts into high-temperature, high-pressure steam and sends it to the outside; A liquid metal is mixed with the vapor sent out from the antipotent reactor to form a high-speed gas-liquid two-phase flow, and the vapor-liquid two-phase flow is a working fluid accelerator 2 that separates liquid metal from the liquid metal and sends it to the antiion reactor for circulation; the high-speed flow of the liquid metal that returns to the antiion reaction reactor generates an electromotive force by flowing in a strong magnetic field; It is characterized by being equipped with an MHD generator 3;

(作 用) 次に、前記の如く構成される本発明の反粒子反応炉番こ
よる液体金属MHD発電装置の作用を説明する。
(Function) Next, the function of the liquid metal MHD power generation device based on the antiparticle reactor of the present invention constructed as described above will be explained.

第1図において、MHD発電機3の作動流体は液体金属
である。この液体金属は反位子反応炉1にて加熱され作
動流体加速器2にて加速されてMHD発電機3を高速で
通過し反位子反応炉1へ戻る。これが繰り返されること
によってMHD発電機3から電気出力が得られる。
In FIG. 1, the working fluid of the MHD generator 3 is liquid metal. This liquid metal is heated in the antiion reactor 1, accelerated in the working fluid accelerator 2, passes through the MHD generator 3 at high speed, and returns to the antiion reactor 1. By repeating this, an electrical output is obtained from the MHD generator 3.

作動流体加速器2は、反位子反応炉から送出される蒸気
に液体金属を混合して高速の気液2相流を形成し、その
気液2相流から液体金属を分離して前記反位子反応炉へ
環流させるべく送出することを繰り返すもので、その構
成は容易に推察できる。以下、反位子反応炉1及びMH
D発電機3について説明する。
The working fluid accelerator 2 mixes liquid metal with vapor sent from the antipotent reactor to form a high-speed gas-liquid two-phase flow, and separates the liquid metal from the gas-liquid two-phase flow to perform the antipotent reaction. It is repeatedly sent to the furnace for reflux, and its structure can be easily guessed. Below, the antitope reactor 1 and MH
The D generator 3 will be explained.

Jず、反位子反応炉1では、陽子と反陽子の消滅反応を
行わせ熱エネルギーを取り出すが、反位子の特徴及び消
滅反応の一般的な説明をし、その過程で反位子反応炉1
がどのように構成されるかを説明する。
J. In the antiproton reactor 1, the annihilation reaction between protons and antiprotons is performed to extract thermal energy.We will explain the characteristics of antiprotons and the annihilation reaction in general, and in the process, the antiproton reactor 1
Explain how it is constructed.

常物質を構成する陽子(p)、中性子(n)、電子(e
−)に対して、その反位子(荷電共役粒子)である反陽
子(p)、灰中性子(n)、陽電子(e  ンが存在す
ることは既に実証されている。又、その他の素粒子(ミ
ューオン、ニュートリノ等)に対してもすべて反位子が
対応している。
Protons (p), neutrons (n), and electrons (e
It has already been demonstrated that antiprotons (p), gray neutrons (n), and positrons (e) exist as antiprotons (charged conjugate particles) for -). Also, other elementary particles ( Muons, neutrinos, etc.) are also all supported by antipoles.

粒子と反位子はその質量と寿命は等しく、電荷は逆符号
の性質をもつ、これらの粒子は互いに自己の粒子と急速
に再結合し消滅反応を起こす0反応前の質量はすべてエ
ネルギーに変わり、保存則に応じて新しい素粒子及び場
を生成することが観測されている。この消滅現象が反位
子の最大の特徴であり、反位子、粒子そのものが消滅し
ても、そこに膨大な量のエネルギーが残されるのである
Particles and antitrons have the same mass and lifetime, and their charges have opposite signs.These particles rapidly recombine with their own particles and undergo an annihilation reaction.0The mass before the reaction is all converted into energy, It has been observed that new elementary particles and fields are generated according to conservation laws. This annihilation phenomenon is the most distinctive feature of antiparticles; even if the antiparticle itself annihilates, a huge amount of energy remains.

これらの反位子を作り出す一般的な方法は高エネルギー
粒子の衝突反応を利用して行われ、今日地上では加速器
を用いて数多くの反位子が生成されている。生成された
反位子は常物質に出会うと瞬時のうちに消滅するので、
反位子をこの常物質の世界で保存するには極めて高い真
空(10−’ pa )が要求される。
A common method for producing these antipotions is to use collisional reactions of high-energy particles, and today many antipotions are produced on Earth using accelerators. When the generated antiparticle encounters ordinary matter, it instantly disappears, so
An extremely high vacuum (10-'pa) is required to preserve antiparticles in this world of ordinary matter.

即ち、粒子と反位子は、各々高真空容器に貯蔵し、交換
可能な燃料源とするのである。製造は地上で行うが、宇
宙での利用を考慮して小型の容器とする。真空技術の発
達した今日容易に製造できる。
That is, the particles and antitopes are each stored in high-vacuum containers and serve as exchangeable fuel sources. The product will be manufactured on the ground, but the container will be small enough to be used in space. It can be easily manufactured today with advanced vacuum technology.

そして、素粒子の中で崩壊しない安定な粒子は陽子、電
子、二二一トリノとそれらの反位子である反陽子、陽電
子、反ニュートリノ及び光子であるが、製造容易性及び
発生エネルギー量の観点から本発明では陽子と反陽子の
消滅反応を行わせる。
Among the elementary particles, stable particles that do not decay are protons, electrons, 221 trinos, and their antiprotons, positrons, antineutrinos, and photons, but from the viewpoint of ease of production and amount of energy generated. Therefore, in the present invention, an annihilation reaction between protons and antiprotons is performed.

陽子は水素ガスの放電によって電子がはぎとられるので
、陽子ビームは簡単に作り出せる。また、反陽子の生成
は、ベパトロン等を用い陽子を70億電子ボルト(7G
eV)程度まで加速させ、核ターゲットに衝突させるこ
とにより行うのが現在の一般的な方法である。このとき
の反応式は、p+p″ p+p+p+p である。
Proton beams are easily created because the protons are stripped of their electrons by a discharge of hydrogen gas. In addition, antiprotons are generated using a device such as Bepatron, which converts protons into 7 billion electron volts (7G
The current common method is to accelerate the nuclear energy to about 1000 volts (eV) and collide it with a nuclear target. The reaction formula at this time is p+p'' p+p+p+p.

このようにして生成し高真空容器に貯蔵した反陽子と陽
子を炉心に導き、外部から電場をかけ静かに正面衝突さ
せる。すると、陽子−反陽子消滅反応が起こり、発生熱
エネルギーが取り出せる。
The antiprotons and protons generated in this way and stored in a high-vacuum container are guided into the reactor core, and an electric field is applied from the outside to cause them to collide quietly head-on. Then, a proton-antiproton annihilation reaction occurs, and the generated thermal energy can be extracted.

発生熱エネルギーの制御は外部電場の強さを変えること
によって消滅反応を起こす陽子と反陽子の量を変えるこ
とにより行う。この陽子−反陽子消滅反応とそれに引き
続く崩壊過程と生成エネルギーについて概略説明する。
The generated thermal energy is controlled by changing the amount of protons and antiprotons that cause the annihilation reaction by changing the strength of the external electric field. This proton-antiproton annihilation reaction, the subsequent decay process, and the energy produced will be briefly explained.

簡単にするため、陽子と反陽子の運動は無視して静止し
た状態で消滅したとし、その質量は900MeV (厳
密には陽子の静止質量1.67X 10−”kgから9
38MeVとなる)とする。又、崩壊の過程では、エネ
ルギーが崩壊光の粒子に等分配されるものとする。
For simplicity, we ignore the motion of the proton and antiproton and assume that they annihilate in a stationary state, and their mass is 900 MeV (strictly speaking, the rest mass of the proton is 1.67
38 MeV). Also, in the process of decay, energy is assumed to be equally distributed among the particles of decay light.

陽子と反陽子の消滅で、その静止質量1800MeVが
放出される。つtり始状態の全エネルギーは1800M
eVである。
The annihilation of protons and antiprotons releases their rest mass of 1800 MeV. The total energy in the initial state is 1800M
It is eV.

陽子−反陽子消滅反応と崩壊過程は、 P+P→ π0→ π  → π  → μ → μ → π  +π  +π γ+γ μ“+νμ μ−+シμ e++ν。+νμ e−+シe+シμ e” +e−→ γ十γ となり、最終の反応は P+p→ 4γ+ν。+シ8+2シ1+2ν1    
 (9)となる。
The proton-antiproton annihilation reaction and decay process are as follows: P+P→ π0→ π → π → μ → μ → π +π +π γ+γ μ“+νμ μ−+shiμ e++ν.+νμ e−+shie+shiμ e” +e−→ γ10γ, and the final reaction is P+p→ 4γ+ν. +shi8+2shi1+2v1
(9) becomes.

1800 M e Vのエネルギーは3つのパイ中間子
、π0(中性パイ中間子)とπ−(荷電パイ中間子)に
分配され、それぞれ600MeVのエネルギーとなる(
式(2I)。
The energy of 1800 M e V is divided into three pions, π0 (neutral pion) and π- (charged pion), each with an energy of 600 MeV (
Formula (2I).

π0の寿命は8.3 X 10”Sですぐに2個のγ量
子(γ線)に崩壊し、1個のγ量子は300MeVのエ
ネルギーをもつことになる(式(3))。
The lifetime of π0 is 8.3 x 10''S, and it immediately decays into two γ quanta (γ rays), and one γ quantum has an energy of 300 MeV (Formula (3)).

一方、π1の寿命は2.6X 1O−8Sでゆっくりと
崩壊し、μm(ミューマイナス粒子)と反位子であるμ
″(ミュープラス粒子)、ν1 (ミューニュートリノ
)とν1 (反ミューニュートリノ)に崩壊し、それぞ
れ300MeVのエネルギーとなる(式(4)、同+5
))。
On the other hand, the lifetime of π1 decays slowly at 2.6X 1O-8S, and μm (mu minus particle) and the antiparticle μ
'' (mu plus particle), decays into ν1 (muon neutrino) and ν1 (muon antineutrino), each with an energy of 300 MeV (Equation (4), same +5
)).

γ量子と二二一トリノは安定であるがミュー粒子は不安
定であるため、式(6)、同(至)のように、300 
M e Vのμmはe ”(100MeV)とシロ(電
子ニュートリノ: IooMeV)、 v u (10
0MeV)に崩壊する。
Since the γ quantum and the 221 Torino are stable, but the muon is unstable, as shown in equation (6), 300
μm of M e V is e ” (100 MeV), electron neutrino (IooMeV), v u (10
0MeV).

μ も同様である。The same goes for μ.

陽電子e”(100MeV)と電子e −(100Me
V)は共に消滅し、2つのγ量子に変わる(式8)、ν
。とν8、ν1とν1も対消滅の可能性はあるが、核子
及核子消滅、電子−陽電子消滅に較べて、その反応確率
が極めて小さいことから無視できる。又、電荷をもたな
い二二一トリノは物質との相互作用もないので、対消滅
のための制御ができず、そのエネルギーをもち遠方に飛
散するだけである。
Positron e” (100MeV) and electron e-(100MeV)
V) annihilate together and change into two γ quanta (Equation 8), ν
. Although there is a possibility that pair annihilation occurs between ν8 and ν1 and ν1, the reaction probability is extremely small compared to nucleon-nucleon annihilation and electron-positron annihilation, so it can be ignored. In addition, since 221 Torino has no electric charge and has no interaction with matter, it cannot be controlled for annihilation and simply scatters far away with its energy.

従って、始状態の1800MeVのエネルギーは、最終
的には6個のニュートリノの合計100100O,2個
のγ量子600 M e Vと電子−陽電子消滅による
2個のγ量子200 M e Vとの合計800MeV
に分配される。
Therefore, the energy of 1800 MeV in the initial state is finally 800 MeV in total of six neutrinos, 100,100 O, two γ quanta of 600 M e V, and two γ quanta of 200 M e V due to electron-positron annihilation.
distributed to.

つまり、1個の陽子と1個の反陽子の消滅反応から80
0MeVのγ量子が放出される。この生成エネルギーの
値(800MeV)は、核分裂反応(235MeV)や
核融合反応(17,6MeV)のそれをはるかに上回る
ものである。
In other words, from the annihilation reaction of one proton and one antiproton, 80
A γ quantum of 0 MeV is emitted. The value of this generation energy (800 MeV) is far greater than that of nuclear fission reactions (235 MeV) and nuclear fusion reactions (17.6 MeV).

そこで、炉心を密度の高い物質の厚い層で覆い、これに
上記のようにして放出されるγ量子を吸収させ熱エネル
ギーとして取り出し、この熱エネルギーで金属流体を加
熱するのである。斯くして、発生する熱エネルギーは電
気エネルギーの発生のために使用することができること
になる。
Therefore, the reactor core is covered with a thick layer of dense material, which absorbs the gamma quanta released as described above and extracts them as thermal energy, which heats the metal fluid. The thermal energy generated can thus be used for the generation of electrical energy.

簡単な試算として、標準状態において水素位相1m’中
には2.7X 10  の水素分子、すなわち5,4×
10  個の陽子を含んでいる。今、陽子と反陽子が1
が中に同じ数だけ存在していると仮定すると、1eV 
=1.6X10−19J、1kWh=3.6x106J
  であるので、これらの消滅反応により、 5.4X10 X800X10X1.6XlO=6.9
X10 Jam =1.9XlOkWb/m=5jX1
0’kW/m3 すなわち53万キロワツトに相当する電力が得られるこ
とが解る。
As a simple calculation, in the standard state, there are 2.7× 10 hydrogen molecules in 1 m' of hydrogen phase, that is, 5.4×
Contains 10 protons. Now, proton and antiproton are 1
Assuming that there are the same number of inside, 1eV
=1.6x10-19J, 1kWh=3.6x106J
Therefore, due to these annihilation reactions, 5.4X10 X800X10X1.6XlO=6.9
X10 Jam =1.9XlOkWb/m=5jX1
It can be seen that electric power equivalent to 0'kW/m3, or 530,000 kilowatts, can be obtained.

次に、MHD発電の原理は、作動流体の流路に磁場Bを
印加し、導電性流体を速度Uで流すことにより、フレミ
ングの右手側により、UとBに垂直な方向にuXBなる
誘導電場つまりローレンツ起電力が生じるので、これを
電力としてとりだす。
Next, the principle of MHD power generation is that by applying a magnetic field B to the working fluid flow path and causing the conductive fluid to flow at a speed U, an induced electric field uXB is generated by Fleming's right hand side in the direction perpendicular to U and B. In other words, a Lorentz electromotive force is generated, which is extracted as electric power.

この型はファラデーの電磁誘導にもとづきファラデー型
と呼ばれる。一方、作動流体の運動方向にもホール効果
による起電力が発生する。
This type is called the Faraday type based on Faraday's electromagnetic induction. On the other hand, electromotive force due to the Hall effect is also generated in the direction of movement of the working fluid.

磁場中の発電流路から電流を負荷としてとりだすのに、
ファラデー電流をとりだすか、ホール電流をとりだすか
、またその電極構造により、連続電極構造ファラデー型
、分割電極構造ファラデー型、分割電極構造ホール型に
分類される。
To extract current as a load from a power generation flow path in a magnetic field,
Depending on whether Faraday current or Hall current is taken out and the electrode structure, they are classified into continuous electrode structure Faraday type, split electrode structure Faraday type, and split electrode structure Hall type.

ここでは基本原理ということで、ホール効果を考慮しな
い動作式の比較的簡単な分割電極構造ファラデー型発電
流路について示す。
Here, as a basic principle, we will explain a relatively simple operating type Faraday power generation flow path with a split electrode structure that does not take the Hall effect into account.

−最北したオームの法則は、 J=σ・(uXB+E)−(he/B)・JXB  −
一一一(II)で示される。なお、Jは電流密度、σは
作動流体の導電率、Uは流体速度、Bは磁場、Eは内部
電場、heはホール係数である。
-Ohm's law at the northernmost point is J=σ・(uXB+E)−(he/B)・JXB −
111 (II). Note that J is the current density, σ is the conductivity of the working fluid, U is the fluid velocity, B is the magnetic field, E is the internal electric field, and he is the Hall coefficient.

そうすると、発tmの出力特性は次のようになる。全電
流密度は J=σ(uB−E) であるが、負荷パラメータ(電圧利用率)としてに=E
/uB を導入すると、 J= (1−K)σuB (^/112) となる、また、負荷へ供給する電力密度は、P o −
J E = K (I  K )σu2B2(W/13
)  −−−−(15)となる0発生電力は、作動流体
の導電率に比例し、流体速度と磁場の二乗に比例するの
である。
Then, the output characteristics of the TM are as follows. The total current density is J = σ (uB - E), but as a load parameter (voltage utilization factor) = E
/uB, J = (1-K)σuB (^/112), and the power density supplied to the load is P o -
J E = K (I K )σu2B2(W/13
) ----(15) The zero generated power is proportional to the electrical conductivity of the working fluid, and proportional to the fluid velocity and the square of the magnetic field.

一方、流体の受ける効力は、 F=JB=(1−K)auB2         (1
6)で与えられ、流体のなす単位時間あたりの仕事は、
Pp =Fu= (I  K)cju2B2     
  (17>で与えられる。
On the other hand, the effect exerted on the fluid is F=JB=(1-K)auB2 (1
6), the work done by the fluid per unit time is
Pp =Fu= (I K)cju2B2
(Given by 17>.

その結果、電気効率η。は、式(15)と同(17)か
らη、=po/Pp =K となる、また、発生電圧は、電極間距離をdとして、 V=Ed=KuBd   (V)          
 (19)で与えられる。つまり、MHD発電の発生電
圧はuBに比例し、発生電流はσuBに比例し、発生電
力はσu2 B2に比例することが解る。
As a result, the electrical efficiency η. From equations (15) and (17), η, =po/Pp =K, and the generated voltage is V=Ed=KuBd (V), where the distance between the electrodes is d.
It is given by (19). In other words, it can be seen that the generated voltage of MHD power generation is proportional to uB, the generated current is proportional to σuB, and the generated power is proportional to σu2 B2.

以上のことから、作動流体としては、導電率σの大きな
ものを採用すべきことが解る。そうすれば、流体速度、
磁場の強さが低減でき、かつ大電流がとりだせるので、
所望の電力に対して装置の小型化が可能となる。液体金
属の導電率はプラズマ流に較べて6〜7桁程大きいので
、充分に大きな効果が期待できる。
From the above, it can be seen that the working fluid should have a large electrical conductivity σ. Then, the fluid velocity,
Because the strength of the magnetic field can be reduced and large current can be extracted,
It is possible to downsize the device with respect to the desired power. Since the conductivity of liquid metal is 6 to 7 orders of magnitude higher than that of plasma flow, a sufficiently large effect can be expected.

以下、プラズマ流と液体金属流の差異を簡単な計算例で
示す、ここでは液体金属として、原子炉の熱伝導材とし
ても利用できるナトリウムNaを考慮する。その理由は
、液体ナトリウムが高い熱伝導度をもち優れた熱伝導率
が得られるので炉心からの熱を効率よく運ぶ優れた熱媒
体であること、熱容量が大きく熱を貯える能力が大きい
こと、比重が0.928と軽く駆動しやすいのでポンプ
動力が少なくてすむこと等の特徴により、原子炉の熱伝
導材つまり冷却材として既に充分な使用実績があるため
である。
Hereinafter, the difference between a plasma flow and a liquid metal flow will be illustrated with a simple calculation example. Here, as the liquid metal, sodium Na, which can also be used as a heat conductive material in a nuclear reactor, will be considered. The reasons for this are that liquid sodium has high thermal conductivity and is an excellent heat carrier for efficiently transporting heat from the reactor core, has a large heat capacity, has a large ability to store heat, and has a high specific gravity. This is because it is light and easy to drive with a value of 0.928, requiring less pump power, and it has already been used successfully as a heat conductive material, that is, a coolant, in nuclear reactors.

更に高い導電率をもった電磁流体であること、融点97
.−8°C1沸点878°Cと比較的低く、液体金属M
HD発電に最適であるためである。
Furthermore, it is a magnetic fluid with high conductivity, melting point 97
.. -8°C1 Boiling point is relatively low at 878°C, liquid metal M
This is because it is optimal for HD power generation.

さて、Naの導電率σ= 2 X 10 i+ho/m
、 u =40m/s 、 B=ITesla 、 K
=0.5として、E=0.5X40x 1 =20 (
V/m)J=(1−0,5)X2X10’X40刈・4
刈08(^/II2>=400M(A/+!2)P=0
.5X (1−0,5) X 2X 10’ X402
X 1 ”4  X109(W/m  ’)=8,00
0,000(kW/m  ’)となる、一方、プラズマ
流体によるMHD発電の場合、通常、u = 800 
misであり、B == 4 Te5la。
Now, the conductivity of Na is σ = 2 x 10 i+ho/m
, u=40m/s, B=ITesla, K
=0.5, E=0.5X40x 1 =20 (
V/m) J=(1-0,5)X2X10'X40 mowing・4
Hari 08(^/II2>=400M(A/+!2)P=0
.. 5X (1-0,5) X 2X 10' X402
X 1 "4 X109 (W/m') = 8,00
0,000 (kW/m'), whereas in the case of MHD power generation using plasma fluid, typically u = 800
mis and B == 4 Te5la.

6 = 10mho/m 、 K= 0.5として、E
=0.5x800x4=1,600 (V/m)J=(
1−0,5) X10X800 X4=16.000(
A/m2)P=0.5 X(1−0,5) X10X8
0(12X42=25,600,000(W/m’ )
・25,600(k胃/m3 ) となり、顕著な相違が認められる。
6 = 10 mho/m, K = 0.5, E
=0.5x800x4=1,600 (V/m)J=(
1-0,5) X10X800 X4=16.000(
A/m2) P=0.5 X(1-0,5) X10X8
0 (12X42=25,600,000 (W/m')
・25,600 (k stomach/m3), a remarkable difference is recognized.

以上の説明から明らかな通り、本発明によれば、小型の
大電力発生装置を実現できる。ここに、具体的な大きさ
であるが、試算によれば、本装置は、燃料源としての反
陽子、陽子の量にもよるが、数10万kW〜数1(10
万kW程度の電力を発生するとした場合、外形寸法2m
 (W)Xl、5m (H)X3m(D)程度の容積の
ものとすることができる。
As is clear from the above description, according to the present invention, a small-sized high power generation device can be realized. Here, as for the specific size, according to trial calculations, this device can generate from several hundred thousand kW to several tens of thousands of kilowatts, depending on the amount of antiprotons and protons as a fuel source.
When generating approximately 10,000 kW of power, the external dimension is 2 m.
It can have a volume of approximately (W)Xl, 5m (H)X3m (D).

反位子反応炉も液体金属MHD発電機も現在の技術の延
長線上にあり、核融合炉の開発の困難性に較べて、むし
ろ、より実現性があるのではないかと期待されるところ
である。
Both the antitope reactor and the liquid metal MHD generator are extensions of current technology, and compared to the difficulty of developing a fusion reactor, it is expected that they will be more feasible.

(実 施 例ン 以下、本発明の実施例を図面を参照して説明する。(Implementation example) Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.

第2図は本発明の一実施例に係る反位子反応炉によるM
HD発電装!を示す、第2図において、反位子反応炉1
では、中央に球状容器からなる炉心IIが配置され、そ
の外周囲が高密度の金属体12、ブランケット13及び
遮蔽体14の順序で被覆される。
FIG. 2 shows the M
HD power generation system! In FIG. 2, which shows the antiion reactor 1
In this case, a core II made of a spherical container is placed in the center, and its outer periphery is covered with a high-density metal body 12, a blanket 13, and a shielding body 14 in this order.

ブランケット13は液体金属たる液体ナトリウムNaを
貯蔵する容器であり、作動流体加速器2とポンプ4とに
それぞれ管路で接続される。そして、遮蔽体14の外側
には陽子源15と反陽子源16とが例えば対称配置され
る。この陽子源15と反陽子源16はそれぞれ適宜長さ
のヒユーム管を介して炉心11に交換可能に連結される
。これらには前述のようにして生成した陽子、反陽子が
貯蔵されるが、残留ガスとの衝突を避けるなめ高真空度
(10pa)にし長時間保管できるようにしである。ま
た、陽子源15と反陽子源■6には制御部17から所要
の電圧が印加される。
The blanket 13 is a container for storing liquid sodium Na, which is a liquid metal, and is connected to the working fluid accelerator 2 and the pump 4 through pipe lines, respectively. A proton source 15 and an antiproton source 16 are arranged symmetrically outside the shield 14, for example. The proton source 15 and antiproton source 16 are exchangeably connected to the reactor core 11 via humid tubes of appropriate lengths. The protons and antiprotons generated as described above are stored in these, but in order to avoid collision with residual gas, they are kept under high vacuum (10 pa) so that they can be stored for long periods of time. Further, a required voltage is applied from the control section 17 to the proton source 15 and the antiproton source 6.

即ち、制御部17から陽子源15及び反陽子源16に所
要の電圧を印加しその電場により陽子と反陽子を炉心1
1に導きここで静かに正面衝突させる。すると、前述し
たような過程で陽子−反陽子消滅反応が起こり、γ量子
が放出されるが、これは金属体12及びブランケット1
3に吸収され熱エネルギーへ変換される。なお、発生熱
量は陽子源15及び反陽子源16からの流量を制御部1
7からの印加電圧によって制御できる。
That is, a required voltage is applied from the control unit 17 to the proton source 15 and the antiproton source 16, and the electric field causes protons and antiprotons to be transferred to the reactor core 1.
1 and have a quiet head-on collision here. Then, a proton-antiproton annihilation reaction occurs in the process described above, and γ quanta are released, which are caused by the metal body 12 and the blanket 1.
3 and converted into thermal energy. Note that the amount of heat generated is determined by controlling the flow rate from the proton source 15 and antiproton source 16.
It can be controlled by the applied voltage from 7.

ブランケットI3にはポンプ4から液体ナトリウムNa
(以下、単に「液体金属」とする)が圧送されて来るが
、これはブランケット13にて上記の如くに加熱され、
高温高圧の蒸気となって作動流体加速器2の混合室21
へ圧送される。
Blanket I3 is supplied with liquid sodium Na from pump 4.
(hereinafter simply referred to as "liquid metal") is pumped in, which is heated in the blanket 13 as described above,
It becomes high-temperature, high-pressure steam and enters the mixing chamber 21 of the working fluid accelerator 2.
is pumped to.

作動流体加速器2は、混合室21.ノズル22、気液分
離室23、熱交換器24、凝縮器25、ポンプ26及び
熱交換器27を備える0反粒子反応炉1からの蒸気は混
合室21にて熱交換器27からの液体金属が注入され気
液2相流となる。これはノズル22から高速噴流として
気液分離室23へ吹き出される。気液分離室23では蒸
気と液体に分離して、液体金属のみMHD発電機3の発
電流路31を通過させて発電に用いる。MHD発電機3
を通過した液体金属はポンプ4を介して高温熱源(反応
炉)のブランケット13へ再び送られて、これまでの動
作を繰り返す。
The working fluid accelerator 2 includes a mixing chamber 21. Steam from the zero antiparticle reactor 1, which includes a nozzle 22, a gas-liquid separation chamber 23, a heat exchanger 24, a condenser 25, a pump 26, and a heat exchanger 27, is mixed with liquid metal from the heat exchanger 27 in a mixing chamber 21. is injected, resulting in a gas-liquid two-phase flow. This is blown out from the nozzle 22 into the gas-liquid separation chamber 23 as a high-speed jet. The gas-liquid separation chamber 23 separates the metal into vapor and liquid, and only the liquid metal is passed through the power generation channel 31 of the MHD generator 3 and used for power generation. MHD generator 3
The liquid metal that has passed through is sent again to the blanket 13 of the high temperature heat source (reactor) via the pump 4, and the previous operation is repeated.

一方、気液分離室23でとりだされた蒸気は熱交換器2
4を通して熱を奪われ、凝縮器25で液体金属になる。
On the other hand, the steam taken out in the gas-liquid separation chamber 23 is transferred to the heat exchanger 2
Heat is removed through the condenser 25 and becomes liquid metal.

この液体金属をポンプ26で熱交換器27に送り込み、
高温の液体金属にして混合室21に注入し、これまでの
動作を繰り返すのである。
This liquid metal is sent to the heat exchanger 27 by the pump 26,
The high temperature liquid metal is injected into the mixing chamber 21 and the previous operations are repeated.

なお、MHD発電機3に関しては前述したのでその説明
を省略する。
Note that since the MHD generator 3 has been described above, its explanation will be omitted.

〈発明の効果) 以上説明したように、本発明の反位子反応炉による液体
金属MHD発電装置によれば、陽子−反陽子の消滅反応
を利用し、かつMHD発電の作動流体として液体金属を
用いるようにしたので、極めて小型(例えば2 m X
 1.5 m X 3 m )で、かつ、大電力(数1
0万kW〜数100万kW)の発電装置を実現でき、宇
宙飛翔体搭載用の動力源又は月面基地等の発電設備とし
て利用できる効果がある。
<Effects of the Invention> As explained above, according to the liquid metal MHD power generation device using the antiion reactor of the present invention, the proton-antiproton annihilation reaction is utilized and the liquid metal is used as the working fluid for MHD power generation. This makes it extremely compact (e.g. 2 m x
1.5 m x 3 m) and high power (several 1
It is possible to realize a power generation device of 100,000 kW to several million kW), and it has the effect of being able to be used as a power source for mounting on a spacecraft or as power generation equipment for a lunar base, etc.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of drawings]

第1図は本発明の反粒子反応炉による液体金属MHD発
電装置の構成ブロック図、第2図は本発明の実施例装置
の構成ブロック図である。 1・・・・・・反粒子反応炉、 2・・・・・・作動流
体加速器、3・・・・・・MHD発電機、 4・・・・
・・ポンプ。 代理人 弁理士  八 幡  義 博 水、応明蓑僅α橋へ゛ブロック悶 芽グ凹
FIG. 1 is a block diagram of a liquid metal MHD power generation device using an antiparticle reactor according to the present invention, and FIG. 2 is a block diagram of a device according to an embodiment of the present invention. 1... Antiparticle reactor, 2... Working fluid accelerator, 3... MHD generator, 4...
··pump. Agent Yoshihiro Hachiman, patent attorney, struggles to block Omei Minochi Alpha Bridge

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 陽子と反陽子との消滅反応を行わせその発生熱で外部か
ら入力される液体金属を加熱し高温高圧の蒸気にして外
部へ送出する反粒子反応炉と;反粒子反応炉から送出さ
れる蒸気に液体金属を混合して高速の気液2相流を形成
し、その気液2相流から液体金属を分離して前記反粒子
反応炉へ環流させるべく送出する作動流体加速器と;前
記反粒子反応炉へ環流する液体金属の高速流が強磁場内
を流れることによって起電力を発生するMHD発電機と
;を備えたことを特徴とする反粒子反応炉による液体金
属MHD発電装置。
An antiparticle reactor that performs an annihilation reaction between protons and antiprotons, heats liquid metal input from the outside with the generated heat, and turns it into high-temperature, high-pressure steam and sends it out to the outside; Steam sent out from the antiparticle reactor a working fluid accelerator that mixes liquid metal to form a high-speed gas-liquid two-phase flow, separates the liquid metal from the gas-liquid two-phase flow, and sends the liquid metal to be refluxed to the antiparticle reactor; A liquid metal MHD power generation device using an antiparticle reactor, comprising: an MHD generator that generates an electromotive force when a high-speed flow of liquid metal flowing back into the reactor flows in a strong magnetic field;
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7061129B2 (en) * 2003-12-18 2006-06-13 C.R.F. Societa Consortile Per Azioni Electric generator having a magnetohydrodynamic effect
CN107583576A (en) * 2017-09-06 2018-01-16 云南靖创液态金属热控技术研发有限公司 A kind of liquid metal microreactor

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