Введение к работе
Актуальность проблемы. Развитие исследований устройств с движением низкотемпературной плазмы в скрещенных электрическом и магнитном полях вызвано значительным теоретический и практическим интересом в связи с большой зффектнвностьо применения этих устройств в энергетике, космической технике, экспериментальной физике, а таїске в технологиях обработки материалов, плаэмохимии и разделения изотопов.
Среди все возрастающего разнообразия указанных устройств весьма перспективными в нескольких практических областях являются плазыенно-вихревые устройства со скрещенными подлил. При применении в плазмохимической технологии d одной компактном плазменно-вихревои устройстве происходят и пдазыохикичес-кие реакции и пространственное разделение получаемых продуктов по массам, что позволяет исклпчить обычно малопроизводительные блоки закалки я газоразделения для фиксации и локализации продуктов. Использование плазменно-вихревых устройств в качестве центрифуг для разделения изотопов приводит по сравнению с механическими центрифугами к большим значениям коэффициента разделения и разделительной мощности, особенно для легких изотопов, при баїьшей надежности неподвияного оборудования. Весьма эффективным является применение плазменно-вихревых устройств и в качестве компактных магнитогидродина-мических конденсаторов для получения моютых импульсов электроэнергии (при замыкании электродов после раскрутки плазмы); удельная энергия таких плазменно-вихрзвых конденсаторов (на I кг рабочего газа) равна порядка 10у Дк/кг. Также перепек-
тивнкаї является применение многоканальных термоэмиссионных
катодов с плазменными полостями. Это вызвано получением боль
шой продольной плотности тока и высокой работоспособностью
при малом внешнем давлении плазмы, что связано с большой пло
щадью контакта дуга без пятен в полостях этих катодов. В пе
речисленных плазменно-вихревых устройствах и многополостных
катодах плотность числа электронов обычно находится в преде
лах а температура ионов не превышает 20 эВ.
, Характеристики указанных плазменных устройств определяется действием магнитогидродинамических и других процессов, которые являются сложными и протекают при больших потоках энергии в основном объеме плазмы, в слоях возле стенок и на стенках. Экспериментальные исследования процессов в этих плазменных устройствах являются дорогостоящими и длительными. Из-за таких особенностей известные теоретические и экспериментальные исследования этих процессов были выполнены в недостаточном объеме, со значительными ограничениями и без разработок математических моделей, позволяющих рассчитывать и оптимизировать характеристики. Эта недостаточность исследований сильно ограничивает возможности практического использования указанных эффективных устройств. Поэтому подробное изучение процессов в этих плазменных устройствах со скрещенными полями является весьма необходимым.
Цель работы состоит в теоретических и экспериментальных исследованиях магнитогидродинамических процессов в устройствах с движением низкотемпературной плазмы плотностью 10й-10^ м~ а скрещенных электрическом и магнитном полях. 6 задачи исследований включаются:
разрабогка аналитических, численных и аналоговой моделей устаиовиваихся и переходных процессов а плазаенно-вгас-ревых устройствах со скрецеиныкя полями и исследование стационарных распределений и динамических оависаностеП ппраизт-ров, n tdksc энергетических характеристик;
построение математической модели процессов разделения изотопов в плазменно-вихревых устройствах со скребенными полями при частичной ионизации и исследование характеристик разделения;
. - разрабогка и исследование математической ыодели процессов в термокатодах с плазменными полостями; получение формулі: для постоянной Ричардсона термоэлектронного тока при адсорбции; разработка методов измерения глубины плазменных полостей катода и экспрессного определения его ресурса;
- создание"экспериментальных плазменно-вихревых устано
вок е импульсными скрещенными полями; проведение на них ис
следований процессов во вращавшейся плазме в режимах ускоре
ния плазмы и генерирования знергии; сравнение полученных дан
ных с расчетами по разработанным математическим моделям.
Научная новизна. В диссертации впервые получены следуо-пие научные результаты:
I. Разработаны и экспериментально подтверждены аналитические магнитогидродинамические модели установившихся объемных процессов в плазменно-вихревых устройствах со скрещенными полями. На основе этих моделей исследовано влияние условий в четырех областях потока плазмы, ее вторичной циркуляции и анизотропии вязкости на радиальные профили параметров плазмы, продольные профили средних радиальных и азимутальній скорос-ете.'і, генерируемую энергию, отношение кинетической энергии к
температуре ионов и на вольт-амперные характеристики.
2. Разработаны и экспериментально подтверждены численные ыоделн нестационарных процессов в плазыенно-вихревых устройствах со скрещенными полями. На основе этих моделей исследовано влияние магнитогидродинамических процессов в основной объецэ потока плазмы и в пограничных слоях, а такяе процессов нагрева и пробоя изоляторной стенни на динамические зависимости параметров плаэыы в рединах ускорения плазмы, генерирования энергии и автоколебаний. Разработана аналоговая шдель (эквивалентная электрическая схема) установившихся и переходных процессов в плазиенно-вихревкх устройствах со скрещенными полями, в которой учтены вторичная циркуляция плазмы и пограничные слои.
1 3. Разработана ыодель процессов разделения изотопов в-плвзыенно-вихрезых устройствах со скрещенными полями при вторичной циркуляции плазмы с произвольной степень» ионизации. Получены дифференциальные уравнения диффузии ионов и атомов целевого изотопа (с источниками частиц от перезарядки и ионизации) , уравнения для радиальных и продольных профилей долей ионов и атомов целевого изотопа (при двух схемах вторичной циркуляции), а также формулы для коэффициентов радиального и продольного разделения и для разделительной мощности. Характеристики продольного разделения изотопов оптимизированы. 4. Теоретически исследованы процессы на электродах в плазменных устройствах со скрещенными полями. Разработана и экспериментально подтверждена математическая ыодель процессов в многоканальных термокатодах с плазменными полостями. Установлена и подтверждена литературными экспериментальными данными теоретическая зависимость "постоянной" Ричардсона тока
термоэлектронной эмиссии от изменения работа выхода катода при адсорбции. Разработаны и применены в зксперинзкте ызтод бесконтактного измерения глубини узких плазменных полостей катода, а также способ экспрессного определения ресурса катода.
5. Экспериментально исследованы процессы в плєзуєнпс-вихревых устройствах со скрещенными полями на созданных установках в режимах ускорения плазж, генерирования онергкн и автоколебаний. Получениыки данными подгверядзкы разработанные аналитические и численнке модели установившихся и нестацко-парных процессов в таких плазменных устройствах. На разработанные устройства с движением низкотемпературной плаоиа в скрещенных полях получены авторские свидетельства на изобретения.
Научная и практическая ценность. В диссертации разработаны аналитические, численные и аналоговая модели кагниго-гидродинанического течения плазмы и процессов разделения изотопов в технологических и знергетических плазменно-вихревых устройствах со скрещенными полями, а также модель процессов в термокатодах с плазменными полостями. Эти модели принципиально облегчааэт расчет и оптимизацив характеристик, для получения которых ранее было необходимо проведение дорогостоящих и длительных экспериментов. Полученные результаты позволяют рекомендовать более широкое применение в плазменных технологиях и технике плазиохимических реакторов-сепараторов, плазменных протнвоточных центрифуг, плазменно-вихревых конденсаторов и многополостных термокатодов. На разработанные плазменные-устройства со скраденными полями получэны авторские свидетельства на изобретения.
Апробация результатов. Основные результаты, представленные в диссертации, были доловены и обсуждены на УШ и XI Всесоюзных конференциях по генераторам низкотемпературной плазыы (Новосибирск, 1980 г. и 1989 г.), УІ Всесоюзной конференции по тепдоыассообиеку (Кинск, 1980 г.), Ыинскоы международной форуме по тепло- и массообмену (Минск, 1988 г.), IX Международной конференции по теплообмену (Иерусалим, 1990 г.), а также на научных конференциях и семинарах по физике, плазыы в ШИ, ШЙИ, ИЭА им.И.В.Курчатова, И05АН (1978-1993 гг.).
Публикации. Do теме диссертации опубликовано 38 научных работ. Кроне того, получено 33 авторских свидетельства на изобретения.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, восьми глав и заключения, излохена на 367 страницах, из них 281 страница основного текста, 44 страницы с 72 рисунками и 14 таблицами, 31 страница со списком литературы из 294 наименований, II страниц с титульным листом, оглавлением и списком обозначений.
