Введение к работе
Актуальность работы
Фундаментальные исследования в области плазменной энергетики являются одним из важнейших направлений современной науки.
Современные требования космической ядерной энергетики ориентируют разработчиков на создание ядерных энергетических установок (ЯЭУ) с выходной электрической мощностью 100-500 кВт при удельной массе g < 40 кг/кВт, обеспечивающих длительное электропитание модулей полезной нагрузки космических кораблей.
Для решения этих задач необходимы эффективные электронные приборы: термоэмиссионные преобразователи, инверторы, стабилизаторы тока и напряжения, трансформаторы, генераторы и др., имеющие удельную массу g < 1 кг/кВт, и надежно работающие внутри активной зоны реактора при поглощенной дозе излучения по нейтронам не ниже ~ 1012 см-2, по g – квантам – не ниже ~ 106 рад и при температуре не ниже ~ 1000 К.
В условиях высокого уровня радиации и температуры среды невозможна эксплуатация современной твердотельной электроники, некоторые элементы которой теряют свою эффективность уже при 600 К.
Экстремальным требованиям удовлетворяют радиационностойкие приборы на базе сильнонеравновесной анизотропной плазмы. Приборы такого типа доказали свою надежность бесперебойной работой в составе бортовой электроники комических кораблей «Плазма-А» и «УС-А» на которых были установлены ЯЭУ первого поколения «Топаз» и «Бук». Перспективы наземного использования таких приборов связаны с необходимостью создания систем аварийной защиты на атомных электростанциях и подводных лодках, а также с разработкой нового поколения автономных ЯЭУ электро- и теплоснабжения промышленных объектов топливно-энергетичекого комплекса [1].
Важнейшей кинетической характеристикой плазмы, определяющей протекание почти всех элементарных процессов, является функция распределения электронов по скоростям (ФРЭС). Управление функцией распределения электронов позволяет непрерывно контролировать свойства плазмы и тем самым влиять на энергетические характеристики плазменных приборов [2, 3]. Очевидно, что решение таких задач невозможно без корректной регистрации ФРЭС.
Классические зондовые методы исследования разреженной плазмы, вошедшие в физику, начиная с работ Ленгмюра и Дрювестейна [4], и развитые выдающимися советскими физиками Каганом Ю.М. и Перелем В.И. [5] предполагали слабую асимметрию функции распределения электронов. Методов диагностики, позволяющих исследовать плазму с произвольной степенью анизотропии, практически не существовало, до тех пор, пока не был развит метод плоского одностороннего зонда [6].
На сегодняшний день зондовый метод остается единственным, позволяющим измерять локальные характеристики анизотропной плазмы.
Разработчикам плазменных приборов нового поколения приходится сталкиваться с тремя основными проблемами:
- необходимостью преодоления комплекса технических и технологических проблем при создании конкретных плазменных устройств, работающих в экстремальных условиях;
- недостаточной разработанностью (на кинетическом уровне) физических основ такой неравновесной среды, как анизотропная плазма;
- трудностью исследования анизотропной плазмы непосредственно в рабочих режимах приборов плазменной энергетики для оптимизации их энергетических характеристик и конструкций.
В связи с этим разработка радиационностойких управляемых приборов и экспериментальное исследование неравновесной анизотропной плазмы непосредственно в рабочих режимах этих приборов для оптимизации их электрокинетических характеристик является, несомненно, актуальной задачей.
Цель диссертационной работы
Разработать и создать макеты управляемых радиационностойких стабилизаторов, исследовать их электрокинетические характеристики для оптимизации энергетических параметров и конструкций.
Для достижения цели решен ряд научно-технических задач:
Разработаны и созданы: измерительно-вычислительный комплекс для исследований анизотропной плазмы и экспериментальные макеты управляемых плазменных стабилизаторов.
Создан метод исследования анизотропной плазмы цилиндрическими зондами. Метод экспериментально апробирован в рабочих условиях плазменных устройств.
Исследованы кинетические характеристики плазмы диодных и триодных стабилизаторов тока и напряжения на базе низковольтного пучкового разряда (НПР) в инертных газах и оптимизированы их энергетические параметры.
Исследованы условия возбуждения плазменных неустойчивостей в рабочих режимах стабилизаторов и разработан способ их подавления для обеспечения высокой стабильности энергетических параметров.
Научная новизна
Создан метод диагностики неравновесной анизотропной плазмы цилиндрическими зондами, позволяющий восстанавливать полную функцию распределения и регистрировать диаграммы направленного движения электронов в плазме с произвольной степенью анизотропии. Метод апробирован в плазме пучкового разряда стабилизаторов тока и напряжения, при этом получены следующие результаты:
1. Измерено пространственное распределение параметров плазмы, восстановлена полная функция распределения, построены полярные диаграммы направленного движения электронов разных энергий, исследованы длины релаксации импульса и энергии электронов в плазме стабилизаторов тока и напряжения.
2. Установлено, что с повышением давления потенциал горения разряда в диодном стабилизаторе напряжения устанавливается на значении потенциала возбуждения метастабильного уровня газа-наполнителя. Разработан способ стабилизации напряжения в диапазоне 0 - 50 В путем заполнения межэлектродного промежутка инертными газами с различными потенциалами ионизации и возбуждения. Показано, что ограничение плазменного канала экраном в форме конуса, с углом при основании, обеспечивающим свободную радиальную диффузию быстрых электронов, позволяет в 4 раза увеличить длину энергетической релаксации ФРЭС и в 2 раза увеличить плотность рабочего тока стабилизатора.
3. Исследованы электрокинетические характеристики плазменного триода. Впервые обнаружен режим горения НПР с контрагированным свечением и вольтамперными характеристиками (ВАХ), удовлетворяющими требованиям стабилизации тока и напряжения в условиях одного прибора. Предложен способ и создан макет регулируемого стабилизатора тока и напряжения в диапазоне параметров: jстаб = (10–1 – 101), А/см2; Uстаб = (0 - 70), В.
4. Разработан и реализован универсальный метод подавления плазменных неустойчивостей, обеспечивающий высокий уровень стабильности рабочих параметров макетов плазменных стабилизаторов тока и напряжения вплоть до плотности разрядного тока 5 А/см2.
Практическая значимость результатов исследования
Результаты, полученные в диссертационной работе, могут быть использованы при разработке плазменных радиационностойких высокотемпературных приборов, способных работать при поглощенной дозе излучения по нейтронам не ниже ~ 1012 см-2, по g - квантам - не ниже ~ 106 рад и при температуре не ниже ~ 1000 К. Применение таких приборов открывает новые возможности для:
- разработки космических термоэмиссионных ядерных энергетических установок нового поколения (ЯЭУ-100, Эльбрус-400/200 и др.) с выходной электрической мощностью > 100 кВт и ресурсом 10 лет;
- создания систем экологической аварийной защиты и контроля на атомных станциях, ядерных энергетических установках, подводных лодках, а также при добыче и переработке радиоактивных полезных ископаемых.
- управления и стабилизации тока и напряжения в низковольтных цепях объектов наземной энергетики;
- разработки нового поколения плазмохимических реакторов анизотропной плазмы.
Научные положения, выносимые на защиту
1. Метод измерения анизотропных ФРЭС цилиндрическими зондами, состоящий в экспериментальном измерении четных компонентов функции распределения электронов по скоростям и последующем расчете нечетных компонентов путем решения кинетического уравнения Больцмана.
2. Способ стабилизации тока и напряжения, основанный на нелокальной природе функции распределения электронов в низковольтном пучковом разряде. Макет управляемого стабилизатора тока и напряжения.
3. Способ подавления плазменных неустойчивостей путем управления знаком дифференциального сопротивления анодной вольтамперной характеристики. Способ реализуется в устройстве, управляющий электрод которого вынесен из зоны основного разряда.
Апробация работы и публикации
Основные результаты диссертационной работы апробированы на международных конференциях и форумах:
1. XLIX, L and LI International Conference of Young Researches, Novosibirsk, (2011, 2012, 2013).
2. International Forum-Competition of Young Researches «Topical Issues of Rational use of Natural Resources», Saint-Petersburg, (2011, 2012, 2013).
3. LXII International Forum of Young Researches, Freiberg, Germany, 2011.
4. XII Международная конференция "Фундаментальные и прикладные исследования, разработка и применение высоких технологий в промышленности", Санкт-Петербург, 2011 г.
5. XXXIX and XL International Zvenigorod Conference on Plasma Physics and Controlled Fusion, Zvenigorod, (2012, 2013).
6. XXXIX IEEE International Conference on Plasma Science, Edinburgh, UK, 2012.
7. LIV Annual Meeting of the APS Division of Plasma Physics, Providence, Rhode Island, USA, 2012.
8. Всероссийская конференция-конкурс «Знания молодых физиков родине», Москва, 2012 г.
9. XL European Physical Society Conference on Plasma Physics, Espoo, Finland, 2013.
Личный вклад автора
Автор непосредственно участвовал в разработке и экспериментальной апробации метода исследования неравновесной анизотропной плазмы цилиндрическими зондами. При его непосредственном участии разработана программа исследований, созданы макеты плазменных стабилизаторов тока и напряжения и проведены экспериментальные исследования плазмы низковольтного пучкового разряда в их рабочих режимах.
Структура и объем диссертации