Magnetokumulativní implozivní generátor

Projekt programu Účinná přeměna a skladování energie Strategie AV21 pro rok 2017
Odpovědný řešitel:
Ing. Jiří Šonský, Ph.D., Ústav termomechaniky AV ČR, v. v. i.
Další zúčastněné pracoviště: Ústav fyziky plazmatu AV ČR, v. v. i.

Většina vyráběné elektrické energie je v současnosti získávána pomocí elektromechanické konverze energie indukcí elektrického proudu ve vodiči pohybujícím se v magnetickém poli. Mechanická energie je získávána převážně v tepelném stroji s využitím fosilních paliv (celosvětově přes 60 %), nebo jaderných reakcí (přes 18 %). Celková energetická účinnost těchto přeměn je závislá na využití entalpie ve vstupním palivu, tedy na rozdílu teplot mezi studeným a teplým koncem tepelného stroje. Ten je však omezen maximální provozní teplotou, danou použitými konstrukčními materiály. Toto omezení lze obejít tak, že pohybující se vodič je tvořen plazmatem, tedy konstrukcí magneto-hydrodynamického (MHD) generátoru. I malé zvýšení účinnosti v řádu jednotek procent může přinést obrovský ekonomický užitek.

Samotné MHD generátory mohou dosahovat účinnosti sice jen kolem 20 %, ale spaliny z MHD generátoru lze použít k pohonu plynových turbín nebo ke generování páry pro parní turbínu. Takovou kombinací MHD generátoru s konvenčním Rankinovým cyklem lze dosáhnout přeměny energie fosilního paliva s účinností až 60 % ve srovnání s účinností kolem 40 % typické superkritické tepelné elektrárny.

Pro dosažení dostatečného stupně ionizace, tedy vodivosti plazmatu, jsou však teploty hoření běžných paliv nedostatečné. Používané metody, jako spalování za vysokého tlaku v kyslíku předehřátého na vysoké teploty a očkování alkalickými kovy, jsou nepraktické, a proto ekonomicky nevýhodné. Většina experimentů byla z tohoto důvodu zastavena. V tepelných strojích se v současnosti využívá spalování v režimu deflagrace, ale využití odlišného režimu spalování, a to detonace, by umožnilo další zvýšení teploty hoření až k ionizaci spalin. Ani tyto teploty nejsou ještě dostatečné, je však možno detonační vlnu směrovat a vytvořit tak konvergentní detonační vlnu, která soustředí energii jen v části objemu spalin. Zde dojde vlivem vysoké teploty ke vzniku vysoce vodivého plazmatu, a zároveň je vznikající plazma urychleno na velmi vysoké rychlosti, řádově desítky km/s, což je obojí velmi důležité pro efektivní konverzi kinetické energie plazmatu na elektrickou energii.

V roce 2017  jsme se soustředili na návrh experimentálního zařízení pro vytváření termického plazmatu kumulativním efektem detonačních vln spuštěných v hořlavém prostředí o vhodné geometrii a přímou konverzi kinetické energie vzniklého plazmatu na elektrickou energii. Ověřili jsme možnost tvorby plazmatu sférickou implozí ve směsi vodíku s kyslíkem iniciované zátravkami rozmístěnými na povrchu polokulové spalovací komory. Vznikající plazma bylo diagnostikováno vysokorychlostní kamerou za účelem určení rychlosti expanze. Navrhli jsme také teoreticky zařízení s toroidální konfigurací implozní komory s takovou geometrií imploze, která vede k menšímu kontaktu horkého plazmatu se stěnami komory.


Obr. 1. Pohled na částečně sestavený implozivní generátor plazmatu ze strany výstupní trysky a systém zátravek.

Obr. 2. Sekvence snímků po 8,25 ms zobrazujících expanzi plazmatu

Reference: Šonský, Jiří – Tesař, Václav – Gruber, Jan – Mašláni, Alan: Implosive Thermal Plasma Source for Energy Conversion. Plasma Physics and Technology. Roč. 4, č. 1 (2017), s. 87-90 ISSN 2336-2626