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作動流体 に微量のアルカ リ金属 をシー ドした希 ガス を用 いる非平衡MHD(電 磁流体力学)発 電では、プラ ズマの非平衡電離現象を利用する ことか ら、2000K程 度の比較的低 いガス温度においても高い発電出力 を得 ることがで きる(1)。この発電方式において高い性 能を 得 るためには、発電機内のプラズマを安定で しか も均 一にすることが望 、そのため発電機 内全域で 電子温度 を4000~8000Kに する必要がある。一方、発 電機内の希 ガスの温度(静 温)は800~1000Kで あ り、 ファラデー起電力に起因するジュール加熱によ り電子 のみ を加熱 し、希 ガス よりも高い電子温度を得 る。こ のことが、この発 電方式 を 「非平衡」と呼ぶ由縁になっ ている。上記 の電子温度範囲では、希 ガスはほとん ど 電離 しないが、アル カリ金属(シ ー ド物質)は 完全 に電 離 した、いわゆるシー ド完全電離プ ラズマの状態 とな る(3)。それ以下 の電子温度 ではシード物質の弱電離 に 起因 して、またそれ以上の電子温度では希 ガスの弱電 離に起因 してプラズマが不安定 にな り、不均一構造が 形成 される とともに発電性能が劣化す る(2)。 この ように発電機内でシード完全電離プラズマを得 ることが必要であるが、実際には2000K程 度の希ガ スにシード物質を注入した直後の電子温度は希ガス温 度に等しいと考えられ、何らかの対策を施さない限り 発電機には電子温度の低いプラズマが流入することに なる。このことが発電性能を劣化させる大きな原因の 一つとなっている 。これは、電子がガス温度から4000 K程 度の温度になるために有限な時間が必要で、入口 付近において低い電子温度の領域ができることに起因 する。すなわち、発電機内に内部抵抗の高い領域が存 在 し、そこでは発電に寄与しないだけでなく、逆に電 力を消費するいわゆる非発電プラズマが発生する。特 に、本研究で対象とするデ ィスク形発電機は、基本的 には作動流体の流れ方向に同心円状の一対の電極を設 け、その電極間に一つの負荷を接続することで、電気 出力を取 り出す構造であるために、発電機入口で電子 温度の低いプラズマが流入することは直接発電性能の 劣化を招 く。 以上のことから、これまで発電機入口におけるプラ ズマの状態を把握するために、シード物質の励起準位 を考慮 して電離過程を詳細に調べた数値的研究が行わ れ(4)、また、電子温度を可能な限り入口近傍で高める ために、希ガスの温度を高めたり、シード率や負荷抵

Improvement of Performance of Non-equilibrium MHD Disk Generator by means of Segmented Loads