Введение к работе
В диссертации обобщены работы автора, выполненные в 1970-1994 г.г. и посвященные разработке математических моделей тормоэмиссионных преобразователей энергии с сильно неравновесной плазмой, ясследованкю на основе вычислительных экспериментов на этих моделях физических явлений и процессов в преобразователях, расчету и оптимизации их энергетических характеристик..
АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ. Интенсивные исследования термоэмиссионного способа прямого преобразования тепловой энергии в электрическую в последние десятилетия обусловлены его перспективностью для обеспечения электрической энергией космических кораблей и станций. Это подтверждено результатами наземных и ' летных испытаний космической термоэмиссионной ядерной энергетической установки ."ТОПАЗ". Перспективны также термоэмиссионные преобразователи энергии (ТЭП) в наземных условиях в качестве высокотемпературных надстроек над более низкотемпературными преобразователями ( термоэлектрическими, паровыми и др.).
Проведенные . исследования выявили основные факторы, опреде- ляющие эффективность и удельные характеристики термоэмнсстганных преобразователей энергии. В результате для использования в разрабатываемых установках был выбран дуговой режим, который при приемлемых в настоящее время температурах эмиттера (1600 - 2000 К) имеет существенно более высокие характеристики, чем режимы с поверхностной ионизацией. В дуговом режиме значительная доля (около 0.5 В) контактной разности потенциалов затрачивается в межэлектродном зазоре (МЭЗ) на поддержание высокой температуры плазменных электронов (2800 - 3000 К). Именно это позволяет поднять плотность плазмы и повысить удельные характеристики преобразователя. Однако эти же затраты приводят к потерям
4. генерируемого напряжения к снижению эффективности преобразования энергии. Режимы с поверхностной ионизацией свободны от этого недостатка. Однако плотность плазмы в этих режимах не превышает равновесную при температуре эмиттера, что не позволяет получать достаточно высокие удельные характеристики при температурах кике 2000 К.
В связи с требованиями повышения конкурентоспособности термоэмиссионного способа преобразования энергии и расширения области иго применения, в частности в сторону более низких температур эмиттера, в 70-х - 80-х годах специалистами по ТЭП были предприняты углубленные исследования предложенных в начале шестидесятых . годов режимов с . сильно неравновесной плазмой, создаваемой "внешними" источниками ионов. В этих режимах процессы создания плазмы и переноса генерируемого тока разделены во времени (импульсные режимы) или в пространстве (триодные, гибридные и др. схемы). ' Такое разделение расширяет возможности оптимизации преобразователя и, в принципе, позволяет получить в этих режимах удельные характеристики. значительно превосходящие характеристики преобразователя в режимах с. поверхностной ионизацией при меньших потерях напряжения в МЭЗ.вд сравнению с потерями в дуговом режиме. Однако нахондениз условий, когда это может быть реализовано, предел авляет нетривиальную задачу, требующую учета многих факторов как положительных, так и отрицательных.
В неравновесной плазме дугового режима ТЭП температуры кэ.к свободных, так и связанных электронов значительно превышают поступательную температуру тяжелых частиц - атомов и ионов цезия. Причем в чисто цэзиевом разряде обмен энергией между электронной под лютемой и поступательными степенями свободы тяжелых частиц практически отсутствует. Попадание в межэлектродный зазор примесей молекулярных газов, наиболее важными из которых являются водород и азот, 'приводит к усилению обмена энергией между этими подсистемами вследствие девозбужцения атомов цезия молекулами примеси, а это, в свою очередь, приводит к потерям генерируемой мощности. Именно
5.
этот механизм оказался одним из основных факторов, определявших деградацию характеристик термоэмиссионной ядерной энергетической установки "ТОПАЗ". Актуальность исследований термоэмиссиоиных преобразователей энергии с примесью водорода в настоящее время повышается .в связи с изучаемой возможностью объединения в одной ядерной энергетической установке реактивного двигателя, использующего в качестве рабочего тела водород. и термоэмиссионного преобразователя энергии.
Режимы с сильно неравновесной плазмой реализуются и при поверхностной ионизации атомов цезия в условиях сильной перекомпенсац'-лі. Однако в этих условиях плотность плазми оказывается ниже равновесной.
Важной особенностью режимов ТЭП с сильно неравновесной плазмой является предрасположенность их к неустойчивостяк. развитие которых может приводить к колебаниям параметров преобразователя или - -к формированию пространственно-неоднородных структур в межэлектродном зазоре. Изучение этих неустойчнвостей, колебаний и структур наряду о с прикладным интересом, поскольку они влияют на энергетические характеристики преобразователя, представляет и общефизический интерес, так как в этих явлениях в специфических условиях ограниченной электродами плазмы проявляются фундаментальные свойства неравновесных систем.
Теоретическое исследование сильно неравновесных режимов термоэмиссионного преобразователя энергии представляет собой сложную задачу, аналитическое решение которой возможно лишь в некоторых предельных случаях. Это обусловлено необходимостью учета большого количества процессов, нестационарностьв и нелинейностью уравнений и граничных условий. описывающих рассматриваемую физическую систему. В этой ситуации решение задачи может быть получено методами математического моделирования. .
ЦЕЛЬЮ РАБОТЫ является 1) разработка математических моделей термоэмиссиоиных преобразователей с ' сильно неравновесной плазмой;
6.
Z) исследование на основе аналитических расчетов и вычисли
тельных экспериментов на разработанных моделях физических
явлений и процессов, определяющих характеристики преобразо
вателей; определение направлений оптимизации изучаемых ре
жимов ТЭП; поиск и обоснование новых методик для диагности
ки преобразователей;
3) расчет и оптимизация энергетических характеристик ТЭП с сильно неравновесной плазмой, создаваемой импульсным разрядом, нахождение областей их конкурентоспособности с ТЭП, работающим в дуговом режиме.
НАУЧНАЯ НОВИЗНА определяется тем, что
впервые разработаны математические модели трех разновидностей перспективных импульсных режимов термозмнссионного преобразователя энергии: диффузионного и квазивакуумного с непосредственной генерацией ионов и режима с аккумулированием энергии ( с N*+ Cs плазмой);г
- показано, что наиболее рациональным процессом генерации
ионов в диффузионном импульсном режиме, обеспечивающим
умеренные энергозатраты и достаточно однородное распределение
ионов в межэлектродном зазоре, позволяющее эффективно их
использовать на стадии распада, является ионизация малой
добавки щелочного металла в инертном газе электронами,
эмиттированными коллектором и ускоренными на' приколекторном
скачке потенциала;
- выявлены факторы, определяющие длительность стадии
распада, генерируемы;" ток и эффективность использования ионов
в различных модификациях импульсного режима ТЭП; показано,
что одним из основных факторов, ограничивающих энергетические
характеристики преобразователя, является кулоновское
сопротивление плазмы; определены направления оптимизации
преобразователя;
рассчитаны и оптимизированы энергетические характеристики исследуемых импульсных режимов ТЭП, найдены области их конкурентоспособности с дуговым режимом преобразователя; показано, что импульсные режимы имеют более
7.-высокие характеристики чем дуговой при невисоких температурах эмиттера, причем квазивакуумный импульсный режим я режим с аккумулированием энергии конкурируют с дуговым до более высоких температур эмиттера, чем диффузионный импульсный режим;
- показано, что энгармонизм колебаний молекул азота и
колебательно-поступательная неравновесность в условиях стадии
распада импульсного режима с аккумулированием энергии
приводят к значительному увеличению скорости ионизации атомов
цезия колебательно-возбужденными молекулами азота;
- с учетом полученного выЕода об определяющей роли
девозбуадения атомов цезия молекулами среди процессов с
участием примесных молекул, обуславливающих потери . энергии
электронного газа и генерацию ионов цезия в неравновесной
плазме дугового режима ТЭП, разработана модель
термоэмиссионцого преобразователя энергии с примесью
молекулярного газа;
- показано что имеется три области различного влияния
примеси молекулярного газа на вольт-амперную характеристику
(ВАХ) ТЭП; наибольшее влияние примесь оказывает на участок
ВЛХ. соответствующий развитию разряда; заселенность
колебательных уровней молекул примеси имеет неравновесную
осциллирующую структуру,- а эффективная колебательная
температура молекул в -развитом дуговом режиме может
значительно превышать электронную;
-. показано, -что неустойчивость, ответственная за колебания т.ока в перекомпенсированном квазивакуумном режиме, аналогична неустойчивости Пирса;
- обнаружена и исследована неустойчивость диффузионных и
ионно-звуковых волн в термоэмиссионных диодах с плотной
плазмой; показано, что в диодах цилиндрической и сферической
геометрий волны могут развиваться при значительно меныгей
перекомпенсации, .чем в плоском диоде; кинетическое отражение
- электронов в приэмиттерной области стимулирует развитие волн;
- показано, что колебания тока, обусловленные развитыми
(нелинейными) диффузионными волнами, могут в зависимости от
. 8.
степени надкритичности иметь как близкую к синусоидальной, так и резко несинусоидальную форму; вычислены амплитуда и nacTofa слабо нелинейной ионно-звуковой волны в диоде с сильно ионизованной плазмой; показано, что . развитие ионно-звуковой волны приводит к уменьшению среднего тока через диод, которое при надкритичности порядка единицы может составлять значительную величину;
- развита аналитическая модель нестационарного слабо
неоднородного вдоль электродов низковольтного дугового
разряда, на основе которой исследована его устойчивость;
показано, что в области отрицательного дифференциального
сопротивления вольт-амперной характеристики может развиваться
ионизационно-перегревная неустойчивость, приводящая в
зависимости от величины нагрузочного сопротивления к переходу
разряда в развитую форму, гашению его. поперечному расслоению
разряда или локальному понижению тока;
- сформулирована модель колебаний напряжения при развитии
разряда.
НАУЧНАЯ И ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ. В результате выполнения работы математическое - моделирование термоэмиссио.нных преобразователей энергии получило развитие в перспективном направлении -_ сильно неравновесные режимы, получили развитие представления о физических процессах, протекающих в этих режимах ТЭП и определяющих его энергетические характеристики.
Разработанные модели трех разновидностей импульсных режимов ТЭП и найденные на их основе оптимальные условия преобразования энергии образуют научную основу для разработки и технической реализации термоэмиссионного преобразователя энергии с сильно неравновесной плазмой, создаваемой импульсным разрядом, определения потенциальных областей его использования.
Результаты расчетов потерь генерируемой электрической энергии, обусловленных попаданием примеси в межэлектродный зазор преобразователя, проведенные на основе разработанной модели ТЭП с примесью молекулярного газа в диапазоне
9. параметров, характерном для существующих и перспективных преобразователей, а также расчетов потерь тепловой энергии, образуют основу для определения допустимих концентраций примесей в межэлектродном зазоре разрабатываемых термоэмиссионшх установок и анализа результатов их испытаний. В . частности, результаты расчетов использовались для анализа" . процесса деградации характеристик термоэмиссионного реактора-преобразователя "ТОПАЗ" во время стендовых и летных кігаланий на спутниках "Космос-1818" и "Космос-1867".
Обнаружен новый тип неустойчивости. развивающейся в термоэмйссионных диодах и приводящей к возбуждению в них диффузионных или ионно-звуковых волн. Исследованы характеристики развитых (нелинейных) волн и оценено их влияние на ток через диод.
На основе результатов исследования физических явлений в термоэмиссионных плазменных диодах предложены и обоснованы способы определения важнейших параметров диодов - работы -выхода коллектора, контактной разности потенциалов, тока эмиссии, электронов с эмиттера, давления газа-наполнителя.
ЛИЧНЫЙ ВКЛАД АВТОРА. Работы, представленные в диссертации, выполнены лично автором либо под его научным руководством и при непосредственном участии.
НА ЗАЩИТУ ВЫНОСЯТСЯ следующие положения.
1. Математические модели диффузионного и квазивакуумного
импульсных режимов ТЭП и импульсного _ режима с
аккумулированием энергии.
2. Результаты расчетно-теоретических исследований стадий
-ионизации (возбуждения) и распада плазмы в импульсных режимах
ТЭП, расчетов и оптимизации энергетических характеристик преобразователя.
3. Способы определения работы выхода коллектора,
контактной разности потенциалов, плотности тока эмиссии
электронов с эмиттера термоэмиссионного прибора по
характеристикам стадии распада плазмы после импульсного
разряда.
10.
4.. Математическая модель дугового режима ТЭП с примесью молекулярного газа.
Выявленные в результате исследований на основе разработанной модели общие закономерности влияния примесей молекулярных газов на вольт-амперные характеристики и параметры плазмы преобразователя. Результаты расчетов потерь энергии, обусловленных попаданием примесей водорода и азота в межэлектродный зазор преобразователя, в диапазоне условий, характерном для существующих и перспективных ТЭП.
'б. Выявленные в результате проведенных исследовании закономерности развития и нелинейной -стабилизации неустойчивых возмущений в плотной неравновесной плазме диодов с поверхностной и объемной ионизацией.
АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Материалы диссертации докладывались и обсуждались на Международных конференциях по термоэмиссионному преобразованию энергии, по космической ядерной энергетике, по явлениям в ионизованных газах, на Межведомственных' конференциях по инженерным проблемам преобразования энергии (IECEC. США), на Всесоюзных конференциях по термоомисснонному преобразованию энергии, по 'Физике низкотемпературной плазмы, по йизике газового разряда, на отраслевых совещаниях и семинарах в Физико-энергетическом институте, Институте атомной энергии им. И. В. Курчатова, Физико-техническом институте п.!. А.Ф. Иоффе, Подольском научно-исследовательском те:- «логическом институте. Сухумском физико-техническом институте им. ::.Н. Еекуа, Горном институте им. Г. В. Плеханова.
По содержанию диссертации опубликовано более 50 работ.
СТРУКТУРА И ОБЪЕМ РАБОТЫ. Диссертация состоит из введения, трех разделов, включающих 9 глав, списка литературы из 260 наименований. Работа содержит 257 страниц основного текста. 101 рисунок и 6 таблиц.