JPH0487552A - 反粒子反応炉による液体金属mhd発電装置 - Google Patents
反粒子反応炉による液体金属mhd発電装置Info
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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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Landscapes
- Physical Or Chemical Processes And Apparatus (AREA)
Abstract
(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。
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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。
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。
(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。
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。
(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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
☆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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
(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。
る液体金属MHD発電装置は次の如き構成を有する。
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。
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。
(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。
よる液体金属MHD発電装置の作用を説明する。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
−)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。
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
。
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
。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
、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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
放出される。つtり始状態の全エネルギーは1800M
eVである。
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。
(9)となる。
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)。
、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)。
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))。
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))。
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
))。
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
))。
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。
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。
μ も同様である。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
−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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
.−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。
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。
、 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。
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。
=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。
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。
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。
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。
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。
(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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
(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。
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。
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。
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。
4を通して熱を奪われ、凝縮器25で液体金属になる。
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。
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。
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。
を省略する。
〈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。
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。
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
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
Claims (1)
- 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。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP19666790A JPH0487552A (ja) | 1990-07-25 | 1990-07-25 | 反粒子反応炉による液体金属mhd発電装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP19666790A JPH0487552A (ja) | 1990-07-25 | 1990-07-25 | 反粒子反応炉による液体金属mhd発電装置 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0487552A true JPH0487552A (ja) | 1992-03-19 |
Family
ID=16361590
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP19666790A Pending JPH0487552A (ja) | 1990-07-25 | 1990-07-25 | 反粒子反応炉による液体金属mhd発電装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0487552A (ja) |
Cited By (2)
| 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 (zh) * | 2017-09-06 | 2018-01-16 | 云南靖创液态金属热控技术研发有限公司 | 一种液态金属微型反应器 |
-
1990
- 1990-07-25 JP JP19666790A patent/JPH0487552A/ja active Pending
Cited By (2)
| 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 (zh) * | 2017-09-06 | 2018-01-16 | 云南靖创液态金属热控技术研发有限公司 | 一种液态金属微型反应器 |
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