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

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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。