Conversão direta de energia (DEC - direct energy conversion) ou simplesmente conversão direta converte a energia cinética de uma partícula carregada numa tensão. É um esquema para a extração de potência a partir da fusão nuclear.
História e fundamentos teóricos
Coletores eletrostáticos diretos
Em meados da década de 1960, a conversão direta de energia foi proposta como um método para capturar a energia do gás de exaustão num reator de fusão. Isto geraria uma corrente contínua de eletricidade. Richard F. Post, no Laboratório Nacional Lawrence Livermore, foi um dos primeiros proponentes da ideia. Post argumentou que a captura da energia exigiria cinco etapas: (1) Ordenar as partículas carregadas num feixe linear. (2) Separação de positivos e negativos. (3) Separar os iões em grupos, pela sua energia. (4) Reunir estes iões à medida que tocam os coletores. (5) Utilizar estes coletores como o lado positivo num circuito. Post defendeu que a eficiência era teoricamente determinada pelo número de coletores.
A persiana veneziana (Venetian blind) O design de "persiana veneziana" é um tipo de coletor eletrostático direto. O nome provém da semelhança visual das fitas com as persianas de janelas. Projetos no início da década de 1970 por William Barr e Ralph Moir utilizaram fitas metálicas repetidas num ângulo específico como placas coletoras de iões. Estas superfícies semelhantes a fitas metálicas são mais transparentes para os iões que avançam do que para os iões que retrocedem. Os iões passam por superfícies de potencial sucessivamente crescente até inverterem o sentido e iniciarem o retorno, ao longo de uma trajetória parabólica. Encontram então superfícies opacas e são capturados. Assim, os iões são classificados por energia, com os iões de alta energia a serem capturados em elétrodos de alto potencial.
William Barr e Ralph Moir lideraram um grupo que realizou uma série de experiências de conversão direta de energia entre o final da década de 1970 e o início de 1980.Morris, Jeff. "In Memoriam." (n.d.): n. pag. Rpt. in Newsline. 19th ed. Vol. 29. Livermore: Lawrence Livermore National Laboratory, 2004. 2. Print. As primeiras experiências utilizaram feixes de positivos e negativos como combustível e demonstraram uma captura de energia com uma eficiência máxima de 65% e uma eficiência mínima de 50%. Experiências subsequentes envolveram um conversor direto de plasma real que foi testado no Tandem Mirror Experiment (TMX), um reator de fusão de espelho magnético em operação. Na experiência, o plasma moveu-se ao longo de linhas de campo divergentes, espalhando-se e convertendo-se num feixe de movimento frontal com um comprimento de Debye de alguns centímetros. Grelhas supressoras refletem então os eletrões, e ânodos coletores recuperaram a energia dos iões, abrandando-os e recolhendo-os em placas de alto potencial. Esta máquina demonstrou uma eficiência de captura de energia de 48%. No entanto, Marshall Rosenbluth argumentou que manter a carga neutra do plasma sobre a distância muito curta do comprimento de Debye seria um desafio na prática.
O conversor Venetian Blind pode operar com plasma D-T de 100 a 150 keV, com uma eficiência de cerca de 60% sob condições compatíveis com a viabilidade económica, e uma eficiência de conversão técnica superior de até 70%, ignorando limitações económicas.
Focagem eletrostática periódica Um segundo tipo de conversor eletrostático inicialmente proposto por Post é o conceito de Focagem Eletrostática Periódica. As placas coletoras estão dispostas em vários estágios ao longo do eixo longitudinal. À medida que cada ião é desacelerado, a partícula torna-se "sobre-focada" e é desviada lateralmente para ser recolhida. Este conversor opera tipicamente com plasma D-T entre 400 e 800 keV, com eficiência técnica até 90% ignorando custos económicos.
Sistemas de indução
Sistemas de condução
Métodos foram desenvolvidos para extrair energia elétrica diretamente de um plasma em movimento dentro de um canal com eletroímans e elétrodos. Os portadores de carga (eletrões e iões) são separados pela força de Lorentz e uma diferença de potencial elétrico é gerada.
Sistemas de indução Puros conversores magnéticos indutivos foram propostos por Lev Artsimovich em 1963, Alan Frederic Haught em 1970, e Ralph Moir em 1977.
O conversor de compressão-expansão magnética funciona como um "motor magnético a quatro tempos": Compressão: O plasma é comprimido por um campo magnético. Combustão: Atinge-se a ignição termonuclear. Expansão: Os produtos da fusão empurram o campo magnético, induzindo uma FEM numa bobina. Exaustão: O combustível é renovado e o ciclo reinicia.
Em 1973, estimou-se que a eficiência termodinâmica deste ciclo para partículas alfa é de 62%.
Conversor de energia direta por onda progressiva (TWDEC)
Em 1992, foi proposto um sistema para protões de 14,7 MeV de reações D-3He. Um girotrão converte o feixe em micro-ondas de 155 MHz, retificadas para DC de alta tensão. O reator ARTEMIS foi projetado com eficiência de 75%, com o TWDEC a atingir até 90%.
Conversor ciclotrónico inverso (ICC)
Patenteado pela Tri Alpha Energy, Inc., o ICC desacelera iões acima de 1 MeV. O movimento linear é convertido em movimento circular por uma cúspide magnética, e a energia é recolhida por elétrodos quadripolares a 5 MHz. Eficiência projetada de 90%.
Conversor fotoelétrico de raios-X
A energia de raios-X por Bremsstrahlung pode ser recuperada através dos efeitos fotoelétrico e Auger. Empresas como a Lawrenceville Plasma Physics (LPP) e a Tri Alpha Energy, Inc. planeiam usar camadas concêntricas de absorventes e coletores para este fim. A LPP anuncia eficiências de 81% para este esquema.
Conversão direta de energia de produtos de fissão No início dos anos 2000, investigações da Sandia National Laboratories e outros tentaram extrair energia do movimento linear de partículas provenientes da fissão nuclear.
Ver também Desacelerador de Antiprotões Radiação de Cherenkov Amortecimento de Landau
Referências
Categoria:Conversão de energia Categoria:Energia nuclear Categoria:Fusão nuclear Categoria:Tecnologia nuclear