気体放電の最も一般的な形態の一つであるアーク放電は、高密度の電流（通常 100～1000 A/cm² 程度）が金属電極間を流れるときに生じます。アークプラズマでは、電流密度と圧力が高いために電子と重粒子の衝突回数が多く、その結果、電子とプラズマの他の構成要素との間で効率的なエネルギー交換が起こり、電子とガスの温度が等しくなります。この温度はかなり高く、放電条件によって 4500 K から 8000 K の範囲になります。
水素製造のための非平衡プラズマ化学システム
近年、化学反応を開始させるためのガス加熱に要するエネルギー消費 ― 準平衡アークプラズマでは少なくとも 40 % を占めます ― を主に削減する目的で、パルススパーク放電、バリア放電、コロナ放電、マイクロ波放電の非平衡プラズマを利用する試みが数多く行われてきました。以下では、大規模生産での利用を視野に入れつつ、大気圧下の応用非平衡プラズマ化学が抱える課題の現状を分析します。ここ数十年、非平衡プラズマ化学システムによるものを含め、水素の製造には大きな関心が寄せられてきました。これは、燃料の化学エネルギーを最大の効率と最小の環境汚染で電気エネルギーに直接変換する燃料電池を用いた水素エネルギー開発という課題によるものであり、そのためには水素の工業的生産の拡大が求められます。
電気アーク水蒸気プラズマ
プラズマ生成媒体としての水は特別な位置を占めています。この物質は自然界に広く分布し、多様な化学反応と物理過程を担うことで、そこで大きな役割を果たしています。ここで扱うのは、大気圧近傍で温度が数万度に達する水蒸気です。いわゆる水蒸気プラズマは化学的に最も活性な媒体の一つであり、水蒸気はきわめて安価なプラズマガスです。水蒸気プラズマは熱媒体であるだけでなく、物理的・化学的反応における活性な反応剤でもあります。エンタルピー、環境適合性、非爆発性、入手の容易さといった独自の特性により、水蒸気プラズマは冶金、エネルギー工学、機械工学、プラズマ化学の技術プロセスで有望です。水・水蒸気プラズマの利点は、プラズマトロンを水蒸気で運転する際に有害な窒素酸化物が発生しないことです。これまでのところ、炭化水素の熱分解および酸化的転換のプラズマ化学プロセスの発展に主要な寄与をもたらしてきたのは、準平衡アークプラズマです。