Магнитогидродинамические процессы в плазменных устройствах со скрещенными полями тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.08 ВАК РФ

П и V«

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК ИНСТИТУТ ОБЩЕЙ ФИЗИКИ

На правах рукописи УДК 533.95

ЗВЕРЕВ Виталий Николаевич

МАГНИТОГИДРОДИНАМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В ПЛАЗМЕННЫХ УСТРОЙСТВАХ СО СКРЕЩЕННЫМИ ПОЛЯМИ

01.04.08 — Физика и химия плазмы

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

а

0

Москва —

1 993

Работа- выполнена в Московском лесотехническом институте Министерства пауки, высшей школы и технической политики Российской Федерации.

Официальные оппоненты — доктор физико-математических

наук, профессор А. А. Иванов

доктор физико-математических наук, профессор О. А. Синкевич

доктор физико-математических наук И. Б. Тимофеев

Ведущая организация —Центральный научно-исследовательский институт машиностроения (г. Калининград Московской обл.)

Защита состоится 15 ноября 1993 г. в 15 часов на заседании специализированного совета Д.003.49.03 Института общей физики Российской АН по адресу: 117942, Москва, ул. Вавилова, 38.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института общей физики Российской АН.

Автореферат разослан 15 октября 1993 г.

Ученый секретарь

специализированного совета Д.003.49.03 доктор физ.-мат. наук, профессор

Н. А. ИРИСОВА

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Развитие исследований устройств с движением низкотемпературной плазмы в решенных электрическом и магнитном полях вызвано значительным теоретическим и практическим интересом в связи с большой зайективнос?ьо применения этих устройств в энергетике, космической технике, экспериментальной физике, а татске в технологиях обработки материалов, плазмохимии и разделения изотопов.

Среди псе1 возрастающего разнообразия указа..нкх устройств весьма перспективней в нескольких практических областях являются плазыенно-вихревые устройства со скрещенными поляки. При применении в плазмохимической технологии в одной компактном ш:азменно-вихревоы устройстве происходят и плазыохикичес-кйе 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 большей 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-вихревых конденсаторов (на I кг рабочего газа) равна порядка 10^ Дя/кг. Также перепек-

тивнда является применение многоканальных термоэмиссионных катодов с плазменными полостями. Это вызвано получением большой продольной плотности тока и высокой работоспособностью при малой внешнем давлении плазмы, что связано с большой площадью контакта дуга без пятен в полостях этих катодов. В перечисленных плазменно-вихревых устройствах и многополостных

I

катодах плотность числа электронов обычно находится в пределах ¿О20-»22 и"3, а температура ионов не превышает 20 эВ.

, Характеристики указанных плазменных устройств определяются действием магнитогидродинамических и других процессов, которые являются сложными и протекают при больших потоках энергии в основной 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 магнитогйдродинамических процессов в устройствах с движением низкотемпературной плазмы плотностью 1020-до22 м-3 в скрещенных электрическом и магнитном полях.

6 задачи исследований включаются:

- разработка аналитических, численных и аналоговой моделей установившихся и переходных процессов а плазиенно-впх-ревнх устройствах со скретпснниил полями и исследование стационарных распределений и динамических завис:шосгеП ппраизт-ров, о тотже энергетических характеристик;

- построение математической модели процессов разделения изотопов в плазменно-вихревых устройствах со скребенными полями при частичной ионизации и исследование характеристик разделения;

. - разработка и исследование математической ыодели процессов в термокатодах с плазменными полостями; получение формуле: для постоянной Ричардсона термоэлектронного тока при адсорбции; разработка методов измерения глубины плазменных полостей катода и экспрессного определения его ресурса;

- создание "экспериментальных плазменно-вихревых установок е импульсными скрещенными полями; проведение на них исследований процессов во вращающейся плазме в режимах ускорения плазмы и генерирования энергии; сравнение полученных данных с расчетами по разработанным математическим моделям.

Научная новизна. В диссертации впервые получены следующие 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 цир^ляции и анизотропии вязкости на радиальные профили параметров плазмы, продольные профили средних радиальных и азимутальных скорос-стеЦ, генерируемую энергию, отношение кинетической энергии я

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 объецз потока плазмы и в пограничных слоях, а такяе процессов

I

нагрёва и пробоя изоляторной стенни на динамические зависимости параметров кааэыы в реяимах ускорения плазмы, генерирования энергии и автоколебаний. Разработана аналоговая иодель (эквивалентная электрическая схема) установившихся и переходных процессов в шгазиенно-вихревкх устройствах со скрещенными полями, в которой учтены вторичная циркуляция плазмы и пограничные слои.

1 3. Разработана модель процессов разделения изотопов в-плазыенно-вихревых устройствах со скрещенными полями при вторичной циркуляции плазмы с произвольной степенью ионизации. Получены дифференциальные уравнения ди^йузии 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 циркуляция), 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 модель 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 п применены в эксперименте ызтод бесконтактного измерения глубины узких плазменных полостей катода, а также способ экспрессного определения ресурсе катода.

5. Экспериментально исследованы процессы з плЕз?^енпс-вихревых устройствах со скрещенными полями на созданных установках в режимах ускорения плазЕ.«н, генерирования онергкн и автоколебаний. Полученныки данными подгверядекы разргботанкиэ аналитические и численные модели установигжкхся и исстацио-

I

парных процессов в таких плазменных устройствах. На разработанные устройства с движением низкотемпературной гаагжк в скрещенных полях получены авторские свидетельства на изобретения.

Научная и практическая ценность. В диссертации разработаны аналитические, численные и аналоговая модели кагнито-гидродинанического течения плазмы и процессов разделения изотопов в технологических и энергетических плазыенно-вихревых устройствах со скрещенными полями, а также модель процессов в термокатодах с плазменными полостями. Эти модели принципиально облегчааэт расчет и оптимизации 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 противоточных центрийуг, плазменно-вихревых конденсаторов и многополостных термокатодов. На разработанные плазменные-устройства со скреяенными полями получены авторские свидетельства на изобретения.

Апробация результатов. Основные результаты, представленные в диссертации, были доловены и обсуждены на УК и XI Всесоюзных конференциях по генераторам низкотемпературной плазмы (Новосибирск, 1980 г. и 1989 г.), У1 Всесоюзной конференции по тепломассообмену (Минск, 1980 г.), Минском 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, плазмы в ШИ, ШНИ, ИЭА им.И.В.Курчатова, УОШ (19781993 гг.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 38 научных работ. Кроме того, получено 33 авторских свидетельства на изобретения.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, восьми глав и заключения, изловена на 367 страницах, из них 281 страница основного текста, 44 страницы с 72 рисунками в 14 таблицами, 31 страница со списком литературы из 294 наименований, II страниц с титульным листом, оглавлением и

списком обозначений. «

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулирована цель работы, показана научная новизна и практическая ценность исследований, приведены данные по апробации, структуре м объему работы.

В первой главе в п.1.1 приведена классификация плазменных устройств со скрещенными полями, в п.1.2 рассмотрен перечень их различных применений, ь пЛ.3-1.7 дан краткий обзор

теоретических я экспериментальных исследований процессов в рассматриваемых устройствах е освещение« етэкгкн разработанности данной тема, послэ чего сфораддеировавн задача даггкой диссертации.

Вторая глава посвящена теоретическому исследованию процессов на электродах я ШЕгзмвгтггх ускорэтзгях со сзрещеназ-ми полями. Вначале расско^епы'кбханязм ускорения к особенности этих ускорителей.

В п.2.Z рассмотрены зависимости для потопов частиц и п:с энергии на границе силькоионизованной плазмы с эииттяруэдкм электродом в скрещенных полях. Анализируется карткна линий ровных значений приэлектродного скачка а координатах ток разряда - ток эмиссии для разных значений пара?гзтра Холла и степени поверхностной ионизации.

В п.2.3 обсуждено влияние пленки адсорбированных огонов на "постоянную" Ричардсона в формуле для тока термоэлектронной эмиссии. Из-за скачка потенциала в этой пленке работа выхода катода снижается и над потенциальным барьером образуется холм, задерживающий часть электронов, что приводит к уменьшению "постоянной" Ричардсона. Установлена теоретическая зависимость этой "постоянной" А от изменения работы выхода катода при адсорбции Эта зависимость подтверждена экспериментальными данными, приведенными Нингдоном К., Рей-маном А., Лебедевым С.Я. и др. и систематизированными автором для 13 адсорбционных систем при Ф0-2> = 0-4,7 эВ и А = 0,2-60 А/см2!*2.

С использованием установленной формулы для "постоянной" Ричардсона рассчитаны температурные зависимости плотности

термоэлектронного тока с грани (ПО) кристалла вольфрама в парах лития, бария и их смесей при разных потоках частиц. Ток в парах лития заметно увеличивается при добавлении бария.

В п.2.4 рассмотрены процессы возле анода торцевого

ускорителя плазмы. Установлена теоретическая зависимость

/

для1 предельного тока этого ускорителя, которая подтверждена литературными экспериментальными данными.

, На основе результатов и рекомендаций, приведенных во второй главе, автором совместно с сотрудниками разработаны устройства с движением низкотемпературной плазмы в скрещенных полях, на которые получены авторские свидетельства на изобретения.

' В третьей главе рассмотрены процессы в кногополосрном катоде. В п.3.1 дана математическая модель этого катода, выполненного в виде пакета проволок в цилиндрической втулке, в которую подают рабочий газ. В конце каналов между проволоками, образуются полости, заполненные движущейся неравновесной плазмой с поперечными потоками атомов, ионов и электронов. Подучены зависимости для плотностей этих частиц. Рассмотрены газодинамические соотношения, учитывающие распределение расхода по каналам и разные режимы.течения на разных участках (промежуточное с Кп~1 и сплошное с Кп«1 и Рассмот-

рены зависимости для плотностей токов ионов и электронов на границе плазма-стенка в полостях и на торцах с учетом влияния адсорбции на эмиссий и уменьшения потоков в магнитном поле. Рассмотрены также уравнение энергии для плазмы в полости и баланс энергии на стенках. В итоге модель катода пред-

ставлена замкнутой системой 54 уравнений.

В п.3.2 приведены характеристики катода из вольфрако-вых проволок с подачей лития, рассчитанные на основе разработанной модели. Полученные данные подтверждены эксперимен-

р

тально при плотности тока 200-500 А/см . Эффект плазменных полостей приводит к усилению плотности тока в 5-Ю раз.

В п.3.3 рассмотрен иетод экспрессного определения ресурса многополостного катода и плазменных устройств с утяжелением режима разряда. Рассчитаны параметры разряда, при которых предельный унос материала катода и предельный запас .длительной прочности анода достигаются за вре?ля, в Ю раз мег.ьшее продолжительности работы на номинальном режиме.

В п.3.4 приведено решение краевой задачи на остывание проволок многополостного катода при линейном приближении для потока излучения с торцов. На основе этого решения разработан и применен в эксперименте неразрушаотий бесконтактный метод измерения глубины узких плазменных полостей катода по динамической зависимости температуры торцов проволок.после выключения разряда.

В четвертой главе рассмотрены три магнитогидродинамиче-ские модели объемных процессов в плазменно-вихревых устройствах с радиальным электрическим и продольным магнитным полями.

В п.4.1 изложена численная одномерная модель нестационарных процессов в этих устройствах в режимах ускорения плазмы (при разряде конденсаторной батареи) и генерирования энергии (при замыкании электродов). Учтены ток в магнитогидроди-намических пограничных слоях, эффект .'олда и процессы в

электрической цепи. На основе згой иодеди рассчитаны радиальные профили скорости вращения плазмы в разные моменты времени, а также динамические зависимости скорости вращения, тока и напряжения разряда, которые подтверждены экспериментальными данными в режимах ускорения плазмы продожжктедь-носгью 100-300 икс к генерирования энергии в течение 5-

I

15 'икс.

В п.4.2 рассмотрена аналитическая одномерная модель ус-танрвавшепося вращгшгя плазан в крносевой, основной и периферийной областях канала со скрещенными полями и "плазменни-ыи электродами" вдали от торцевых стено:с. Получены и экспериментально подтверждены зависимости- для радиальных профилей скорости вращения плазмы, радиального тока, потенциала и плотности плазмы от радиальной координаты.

В п.4.3 изложена аналитическая одномерная модель продольных профилей скоростей (средних' по радиусу) электронов, ионов и атомов при установившейся вращении плазмы в канале со скрещенными поляки. Учтены силы инерции ионов и атомов, пять коэффициентов вязкости для ионов по Стаханову и Брагинскому, а также вторичная циркуляция в меридиональной плоскости. Рассмотрены по две проекции уравнения движения (на направления ^ II Е и Х% = (р) каждого компонента с усредненными по Х^ величинами. Например, для ионов эти проекции приведены в виде

Й М^н" =

3 1

Решения уравнений получены в виде аналитических зависимостей для безразмерных радиальных и азимутальных скоростей компонентов и^ОО при известных средних величинах Яе , На, соетй, ¿да, где в/Е, с(=е,1,а, к=1,£у , Л3ЦВ.

Эти продольные профили скоростей значительно реформируются в (гагнитогидродинамических пограничных слоях.

Радиальные профили параметров плазмы и продольные профили плотностей тока и , рассчитанные в п.4.2

и 4.3, бшш подтверждены эксперименталькм-и данными для плаз-

рп рт о

мы аргона и водорода с платностью электровоз 10 -5.10 1 и ,

I

вращающейся со спорость» 30-80 км/с в скрещенных полях до 140 кВ/м и до 2 Тл.

Пятая глава посвящена описании трех созданных и отлаженных экспериментальных установок для исследований процессов в импульсной плазме, вращающейся в ставленных полях.

В п.5.1 дана характеристика установки с разрядной камерой объемом Ю л между "плазменными электродами" в магнитном поле пробочной конфигурации. Разрядную камеру вакуукироваля и с-помощью электродинамического клапана заполняли рабочим газом. С помощью катушек на камере создавали магнитное поле до 0,8 Тл в центре, а возле торцевых изоляторов - в три раза больше. От конденсаторной батареи (емкость 600 мкФ, иалряне-ние до 10 кВ) в камере осуществляли разряд с ионизацией газа и его вращением в скрещенных полях. При замыкании электродов с помощью игнитрона режим ускорения плазш переводили в реяим генерирования электроэнергии с импульсом индукционного тока обратного направления.

В п.5.2 и п.5.3 представлены данные установок с цилинд-

ричесюши разрядными камерами объемом I л (между стенками-электродами) и 2 л (с накаленный катодом).

В п.5.4 приведена характеристика электротехнических и зондовых измерений. С помощью поясов Роговского, делителей, электрических и магнитных зондов с записью на осциллографах измеряли соответственно радиальный и азимутальный токи, на-

I

пряжение, профили потенциала и индуцированного магнитного поля- По осциллограммам напряжения и тока разряда в режиме генерирования энергии находили заряд и электроэнергии, выведенные из плазмы. С цельв измерения профилей плотности тока ]г(г$ и мощности в пограничном слое катод выполнен в виде кольцевых секций, токи с которых: измеряли с помощью поясов Роговского.

В п!5.5 дана характеристика спектроскопических измерений. Излучение плазмы вдоль хорды или оси камеры поступало в спектрограф Д5С-8 с решеткой 2400 штр/мм (дисперсия 0,13 нм/ ш). С помощью диссектора ЛИ-602 регистратора спектра ЫРС-1 получали контуры исследуемой спектральной линии в различные моменты разряда. Плотность электронов определяли по штарков-ской ширине Линии Нд. Температуру электронов находили по относительной интенсивности линий ионов аргона, а также линий Нд и Нг Температуру ионов определяли по доплеровской ширине линий с простым эффектом Зеемана (Аг II 480,6 нм и др.), Ли ¿-компоненты которых выделяли с помощью поляроида. Магнитную индукцию в плазме определяли по расстоянию между ¿-компонентами линии. Азимутальную скорость ионов находили по двойному доплеровскому сдвигу контуров линии при выводе излучения в двух противоположных направлениях вдоль хорды.

Достоверность полученных результатов была подтверждена анализом погрешностей, многократным повторением экспериментов, измерениями разными методами каждого параметра (скорость, плотность, магнитная индукция) и сравнением с данными известных экспериментов.

В шестой главе приведены результаты экспериментальных исследований процессов во вращающейся плазме импульсного разряда на водороде, гелии, аргоне и азоте в скрещенных полях на созданных установках.

, В п.6.1 даны электрические характеристики разряда и параметры, полученные из этих характеристик. При разряде в объеме Ю л в режиме ускорения средняя скорость была равна 80 и 50 км/с, а плотность - до 5-Ю21 и-3 и 2-1020 и"3 для водорода и аргона соответственно.

В п.6.2 приведены экспериментальные данные режима генерирования энергии. Из вращающейся плазмы объемом 10 д в поле 0,8 Та при напряжении 4 нВ отведена в нагрузку энергия 300 Дк в одном имцульсе при амплитудах тока и мощности 20 кА и 60 МВт, что в Ю раз больше тока и мощности в режиме ускорения; удельный энергосъем составил 3»10® ТЬ/кг.

В п.6.3 и 6.4 приведены результаты зондовых измерений во вращающейся плазме. По измеренным профилям потенциала за время разряда "плазменный анод" удаляется от оси на расстояние 0,2-0,8 см, а на периферии потенциал плазмы на 40-60 В больше потенциала анода. Азимутальный ток в плазме был в 4-7 раз больше тока радиального. Магнитное поле во вращающейся плазме меньше внешнего поля на 5-15&. По осциллограммам и с помощью СФР не было обнаружено быстропеременнск структур (спиц) и

крупномасштабных неустойчивостей плазмы.

В п.6.5 представлены характеристики, полученные с помощью секционированного катода. Значения плотности тока <ЦГ) в основном объеме были на два порядка меньше, чем в иагнитогидродинамическоы пограничном слое, в котором (Jr)~

о

- 90 А/см на ширине 0,6 см. г,

I г

I Бил обнаружен и исследован реким газового разряда в

скрещенных полях с автоколебаниями напряжения от 0 до 3 кВ с частотой 20 кГц (при практически постоянных значениях напряжения и тока источника питания). На значения параметров, при которых возникает этот режим автоколебаний, существенное влияние оказывал материал изолятора и не влияли разные материалы катода. Кроуе того, в этом редиме резко возрастала интенсивность излучения ионов от эрозии изолятора.

В п.6.6 приведены результаты спектроскопических измерений параметров плазмы. Эти данные Ьовпадагат со значениями, измеренными другими методами. При разряде в объеме I л на аргоне азимутальная скорость ионов была до 30-40 км/с, а их. температура 15-20 эВ.

В седьмой главе рассмотрены модели для энергетических .характеристик вращающейся плазмы и для разряда с автоколебаниями параметров, рассчитаны и сравниваются с экспериментом г-зависиыости, а также рассмотрены вольт-амперные характеристики.-, эквивалентная электросхема и особенности энергообмена.

В tt.7.1 излояена аналитическая модель установившегося вращения пяазмы в канале со скрещенными полями с учетом Нэгнитогидродинамических процессов в основной и пограничной Областях При вторичной циркуляции. На основе этой модели

рассчитаны зависимости генерируемой энергии и эквивалентной емкости плазменно-вихревого конденсатора от внешнего магнитного поля, а также нелинейные вольт-амперные характеристики установившихся режимов плазменно-вихревых устройств (в п.7.1) и режимов с уменьшением разрядного тока (в п.7.2). Эти расчетные зависимости подтверждены экспериментальными данными, полученными на установках F I (г.Стокгольм), Иксион III (г.Лос-Аламос) и ШГГИ.

Для установившихся и переходных процессов во вращающейся плазме в п.7.3 разработана аналоговая модель в виде нелинейной электрической схемы, в которой кроме основного вращения плазмы учтены ее вторичная циркуляция и ыагнитогидрода-наыические пограничные слои. Установлены численные значения всех параметров такой олентросхеиы - модели для вращающейся плазмы объемом 10 л в эксперименте с мощностью разряда б Шт..

В п.7.4 исследуются особенности энергообыена во вращающейся плазме. Составлен энергетический баланс в основной области и ыагнитогидродинамических пограничных слоях с оценкой значений составляющих энергетического потока для условий эксперимента. Плотность теплового потока в изоляторы достигала р

60 кВт/см . Из уравнения энергии ионов и соотношений, уста7 новленных в п.7.1, получена зависимость отношения кинетической энергии к температуре ионов от внешнего магнитного поля, которая подтверждена экспериментальными данными при разряде на аргоне, криптоне и ксеноне.

В п.7.5 разработана численная модель режима автоколебаний в плазменно-вихревых устройствах со скрещенными полями,

учитывающая магнитогидродинаыические процессы в плазме, а также нагрев и пробой изоляторной стенки. На основе этой модели рассчитана динамическая зависимость напряжения разряда, которая согласуется с экспериментальной осциллограммой режима автоколебаний с частотой 20 кГц.

В восьмой главе дано теоретическое исследование процессов разделения в противоточной плазменной центрифуге со скрещенными полями при произвольной степени ионизации плазмы.

В п.8.1 изложена ттеыатическая модель процессов разделения изотопов в азимутально однородной столкновительной частично ионизованной плазме, вращающейся в скрещенных полях (Е,0,0) и (О,О,В) с противоточным течением в меридиональной плоскости. Плазму образуют ионы ¿= А,В и атомы п- адвух разделяемых изотопов',' ионы и атомы других веществ 5 , о также электроны. Получены два дифференциальных уравнения диффузии (для ионов А и для атомов а целевого изотопа) с учетом источников частиц от ионизации и перезарядки, многообразия действующих сил и вторичной циркуляции..Например, для ионов А полученное уравнение имеет вид

+ W 9rad Уа + div + Ып+ъй)(УА-Уа) = 0, сб=А,а,

где уи - доля целевого изотопа среди ионов или среди атомов

л * ^ Лу

смеси: уА - fy/fy, Уа-Па/Лп, b и В - тензоры "подвижности" и диффузии, Pjß - часть разности сил вида f, действующих на частицы сорта ci=> А,а и ß= В,b; VeLn и -частоты ионизации и перезарядочных столкновений. Два полученных уравнения диффузии с соответствужими начальными и гра-

ничными условиями позволяют найти поля ионной и атомной долей целевого изотопа и при известных (из моделей в главах 4 и 7) полях плотности, температуры и средней скорости частиц сорта ¿, п, 5.

В п.8.2 и 8.3 из этих уравнений диффузии с использованием усреднения по радиусу получены приближенные одномерные дифференциальные уравнения для радиальных и продольных профилей ионной и атомной долей изотопа, а также для профилей суммы и разности этих долей при установившемся течении. Установленные уравнения в предельных случаях слабой или полной ионизации переходят в известные соотношения.

В п.8.4 установлены формулы для составляющих коэффициента радиального обогащения ионами целевого изотопа от радиальных и азимутальных сил инерции, вязкости и трения с атомами. Рассчитаны продольные профили этих составляющих, которые существенно деформируются в магнитогидродинамическом пограничном слое (возле торца канала) и зависят от полярности электропитания.

В п.8.5 и 8.6 дано аналитическое исследование характеристик противоточной плазменной центрифуги при произвольной степени ионизации смеси без внешних потоков. Получены радиальные и продольные профили обшей доли изотопа и профили разности долей его ионов и атомов. Для коэффициента продольного обогащения £2 на длине г и профиля общей доли изотопа Х(г) при двух симметричных противотоках (вторичной циркуляции) с относительным внутренним расходом /п(х) = (из модели в п.4.3) получена формула в виде

где Я- (пд+Пп)~\ а - средний коэффициент радиального обогащения, минимальная длина единицы переноса, ^ = I при обогащении целевым изотопом возле торцов, £ = -I при обогащении в центре,

(т) « 0,5<Рег>.

В п.8.7 получены аналитические зависимости коэффициента продольного разделения и разделительной мощности от внешнего я внутреннего относительных расходов плазменной смеси с частичной ионизацией при коэффициенте продольного разделения в пределах 1-Ю. Определены оптимальные значения этих расходов.

ЗАКШИШЗ

В диссертационной работе на основании выполненных теоретических и экспериментальных исследований решена научная проблема создания математических моделей процессов в устройствах с движением низкотемпературной плазмы с плотность» электронов Ю^-Ю22 м-3 в скрещеннкх электрическом и магнитном полях. Разработаны аналитические, численные и аналоговая модели маг-нитогидродинамического течения и процессов разделения изотопов в технологических и энергетических плазменно-вихревых устройствах со скрещенными полями, а также модель процессов в термокатодах с плазменными полостями. Полученные результаты позволяют определять и оптимизировать характеристики перспективных в плазменных технологиях и технике плаэмохимических реакторов-сепараторов, плазменных противоточных центрифуг, плазменно-вихрезьс: конденсаторов, и сильноточных многополостных тернокато#ав. Ранее для получения подобных характеристик

было необходимо проведение дорогостоящих и длительных экспериментов.

В диссертации получены следующие новые научные результаты:

1. Для установившихся объемных процессов в плазыенно-вихревых устройствах со скрещенными электрическим и магнитным полями разработаны аналитические магнитогидродииамичес-хие модели, учитывающие условия в четырех областях потока плазмы, ее вторичную циркуляции, анизотропии проводимости и вязкости. На основе этих моделей рассчитаны радиальные профили скорости, тока, потенциала и плотности, продольные'профили средних радиальных и азимутальных скоростей ионов и электронов, зависимости генерируемой энергии и отношения кинетической энергии к температуре ионов от внешнего магнитного поля, а также вольт-амперные характеристики. Зти рассчитанные зависимости подтверждены экспериментальными данными для плазмы водорода и аргона с плотностью электронов 10^-5« 10*^ вращающейся со скоростью 30-60 км/с в скрещенных полях до

. 140 кВ/ы и до 2 Пл.

2. Для нестационарных процессов в плазменно-вихревых устройствах со скрещенными полями разработаны численные модели, учитывающие магнитогидродинсыические процессы в плазмэ,/а также нагрев и пробой изоляторной стенки. На основе этих моделей рассчитаны динамические зависимости скорости вращения плазмы, а также тока и напряжения разряда, которые согласуются с данными экспериментов в режимах ускорения плазмы продолжительностью 100-300 икс, генерирования энергии в течение 5-15 икс и автоколебаний с частотой 20 кГц. Для вращающейся

пла&зд разработана аналоговая модель в виде нелинейной электрической схемы, в которой кроме основного вращения плазвд учтены ее вторичная циркуляция и магнитогидродинами-ческие пограничные слои.

3. Теоретически исследованы процессы разделения изотопов в пласменио-вихревых устройствах со скрещенными полями при произвольной степени ионизации. Разработана модель (включающая два дифференциальных уравнения диффузии ионов и атомов целевого изотопа), в которой учтены источники частиц от перезарядки и ионизации, многообразие действующих сил и вторичная циркуляция.Получены уравнения для радиальных и продольных профилей долей ионов и атомов целевого изотопа, установлены формулы для составляющих¿коэффициента радиального обогащения, получены и оптимизирована зависимости для коэффициента продольного разделения и разделительной мощности. Установленные уравнения в предельных случаях слабой и полной ионизации переходят в известные соотношения.

4. Теоретически исследованы процессы на электродах в плазменных устройствах со скрещенными полями. Разработана математическая модель многополостного термокатода, учитывающая распределение расхода газа по каналам, неравновесную ионизацию в плазменных полостях и влияние магнитного поля и адсорбции на термоэлектронную эмиссию в плазвд. На основе этой модели рассчитаны характеристики катода из вольфрама с подачей Лйтия; полученные данные подтверждены экспериментально при

о

плотности тока 200-500 А/см . Установлена теоретическая оави-ПйМбе^ь "постоянной" Ричардсона тока термоэлектронной эмиссия й» и5:?.еч(1н'ия работы выход? катода при адсорбции; эта зависи-

ыость подтверждена литературными экспериментальными данными в диапазоне 0,2-60 А/см^К^ для 13 адсорбционных систем. Разработаны и применены в эксперименте метод бесконтактного измерения глубины плазменных полостей катода по динамической зависимости его температуры после выключения разряда, а также способ экспрессного определения ресурса катода с утянеле-нием режима разряда.

5. Экспериментально исследованы процессы в плазыенно-вихревых устройствах со скрещенными полями на созданных установках на водороде и аргоне в режимах ускорения плазш,

генерирования энергии и автоколебаний при плотности электро-20 ' 21 ' Ч

нов Ю -5-I0üi м , скорости вращения плазмы 30-80 км/с, температуре ионов 15-20 эВ, напряжении разряда до 4 кВ, плотности отведенной энергии до 30 Дщ/л и удельном энергосъеме до 3-Ю® Дк/кг. Анализ полученных результатов подтвердил разработанные математические модели (в пунктах I и 2).

На разработанные устройства с двикениеи низкотемпературной плазмы в скрещенных полях получено 33 авторских свидетельства на изобретения (совместно с соавторами).

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. Тепловые потери в стенку от вращающегося ионизованного газа / Воробьев Р.Н., Зверев В.Н., Полуэктов Н.П., Харчен-ко В.Н. // Ыежвуз.сб.научн.тр. / МЛТИ. - Н., 1978. - Вып.112. - С.223-229.

2. Зверев В.Н., Полуэктов Н.П., Харченко В.Н. Диагностика вращающейся плазмы импульсного разряда // Материалы 8-й Всесоюз.конф. по генераторам низкотемпературной плазмы. -

Новосибирск: ИТ® СО АН СССР, 1980. - C.II.

3. Зверев В.Н., Полуэктов Н.П., Харченко В.Н. Исследование торцевых областей в генераторе вращающейся плазмы // Материалы S-й Всесоюз.конф. по генераторам низкотемпературной плазмы. ~ Новосибирск: 1'ГШ СО АН СССР, 1980. - С. И..

4. Тепловой баланс и орс-зия стенки в гартмаиовскои слое вращающегося газа / Зверев В.Н., Полуэктов Н.П., Харченко В.Н., Цветкова Л.Е. // Материалы 6-й Всесоюз.конф. по тепломассообмену. Т.2. - Шнек: ШО АН БССР, 1980. - С. 4351.

5. Измерение магнитного шля во вращающейся плазме / Евтушенко А.М., Зверев В.Н., Полуэктов Н.П., Харченко В.Н. // %рн.прикладной спектроскопии. - 1980. - Т.32, вып.1. -С.145-146.

6. Зверев В.Н., Полуэктов Н.П., Харченко В.Н. Исследование поляризованного слоя в плазменной центрифуге // Письма

в Курн. техн.физики. - 1980. - Т.6, вып.12. - C.72I-722.

7. Воробьев Р-Н., Зверев В.Н., Полуэктов Н.П. Особенности разряда в системе Гомополяр с накаленным катодом // Теплофизика высоких температур. - 1980. - Т.18, № 4. - С.876-877.

8. Воробьев Р.Н., Зверев В.Н., Саврухин А.П. Магниторе-зиртивный диск из висмута при токе 50 кА // Журн.техн.физики. - 1980. - Т.50, вып.З. - С.630-631.

9. Зверев В.Н., Полуэктов Н.П., Харченко В.Н. Исследование характеристик гартмановского слоя врацоетегося ионизованного газе // Сб.науч.тр. / ЫЛТИ. - М., 1930. - Вцп.12Э. -

С.154-155.

Ю. Зверев В.Н., Полуэктов Н.П. Особенности параметров систем с вращавшимся ионизованным газом // Сб.науч.тр. / ШГГИ. - Ы., 1980. - Вып.129. - С.156-157.

11. Евтушенко A.M., Зверев В.Н., Полуэктов Н.П. Спектральные измерения температуры ионов и магнитного поля во вращающейся плазме // Журн.техн.физики. - 1931. - T.5I, вып.2. - С.415-417.

12. Экспериментальное исследование вращающейся плазмы имцульсного разряда / Воробьев Р.Н., Зверев В.Н., Полуэктов Н.П., Харченко В.Н. // Физика пдазш. - 1981. - Т.7, вкп.З. -С.516-522.

13. Зверев В.Н., Полуэктов Н.П., Харченко В.Н. Распределение токов в гартмановском слое вращающейся плазмы // Магнитная гидродинамика. - 1981. - J? 3. - С. 131-133.

14. Зверев В.Н., Полуэктов Н.П., Харченко В.Н. Температура и скорость ионов, плазмы в Е х Н полях // Журн.прикладной спектроскопии. - 1981. - Т.34, вьш.4. - C.6I0-6I2.

15. Зверев В.Н., Полуэктов Н.П. Зондовые измерения локальных характеристик импульсного разряда // Сб.науч.тр. / ШГГИ. - М., 1961. - Вып.ИЗ. - C.I2I-I22.

16. Нестационарное вращение газа в скрещенных полях / Зверев В.Н., Полуэктов Н.П., Харченко В.Н., Цветкова I.E. // Сб.науч.тр. / ШГГИ. - М., 1981. - Вып.ИЗ. - C.I45-I47.

17. Зверев В.Н., Полуэктов Н.П., Харченко В.Н. Тепловой баланс в гартмановском слое вращающегося газа // Ыеявуз.сб. науч.тр. / МЛТИ. - М., 1961. - Вып.И9. - C.8I-89.

18. Зверев В.Н., Полуэктов Н.П., Харченко В.Н. Исследование массопереноса в ионизованном вращающемся газе при эро-

зии стенки // Мелвуз.сб.науч.тр. / ШГГИ. - М., 1981. -Вып.130. - С.66-75.

19. Зверев В.II. Потоки частиц и тепла при подаче вещества в ионизованный газ // Мехвуз.сб.науч.тр. / ШГШ. - Ы., 1981. - Вып.138. - С.192-204.

20. Зверев В.Н. Предельный ток торцевого ускорителя // Сб.науч.тр. / ШГГИ. - И., 1983. - Внп.151. - С.74-76.

21. Зверев В.Н. Профили скоростей во вращающемся ионизованном газе // Межвуз.сб.науч.тр. / МЛТИ. - М., 1983. - Вып. 152. - С.78-87.

22. Зверев В.Н. Распределение концентрации ионов во вращающемся газе // Медвуз.сб.науч.тр. / МЛТИ. - К., 1983. -Вып.152. - С.88-97. г

23. Зверев В.Н. Продольные распределения скоростей во вращающейся плазме // Журн.техн.физики. - 1984. - Т.54, вып.12. - С.2289-2296.

24. Зверев В.Н. Процессы тепло-, массо- и электрообмена в многополостном катоде // Межвуз.сб.науч.тр. / МЛТИ. - М., 1985. - Вып.173. - С.74-96.

25. Зверев В.Н. Массоперенос во вращающейся газовой смеси при ионизации // Межвуз.сб.науч.тр. / МЛТИ. - М., 1986. -Вып.182. - С.81-92.

26. Зверев В.Н. Тепловые потоки в установке с вращением ионизованного газа // Межвуз.сб.науч.тр. / ЬШТИ. - М., 1987. - Вып.196. - С.93-100.

27. Зверев В.Н., Харченко В.Н. Тепломассообмен в устройствах с импульсным вращением ионизованного газа // Тезисы докл. Минского международного форума по тепло- и массообмену. Секция

II. - Минск: ИМ) АН БССР, 1988. - С.43-45.

28. Зверев В.Н. Тепломассообмен в многополостноы народе при вдуве газа // Минский международный форум по тепло- и массообмену. - Минск: МО АН БССР, 1988. - Тезисы докл. Секция Ю. - 1988. - С.34-36; Избранные докл. Секции Ю и II. - 1989. - С.82-88.

29. Зверев В.Н. Постоянная Ричардсона пленочных терыока-тодов // Тезисы докл. XI Всесоюз.хонф. по генераторам низкотемпературной плазмы. Часть 2. - Новосибирск: НП& СО АН СССР, 1989. - С.67-68.

30. Зверев В.Н. Расчет характеристик многополостного катода // Тезисы докл. XI Всесоюз.конф. по генераторам низкотемпературной плазмы. Часть 2. - Новосибирск: 1Ш СО АН СССР, 1989. - С.107-108<

31. Зверев В.Н., Харченко В.Н. Отношение кинетической энергии к температуре во вращающемся ионизованном газе // Ыеивуз.сб.науч.тр. / МЛТИ. - Ы., 1989. - Вып.219. - C.7I-74.

32. Зверев В.Н. Характеристики вращающегося ионизованного газа // Меявуз.сб.науч.тр. / ЫЛТИ. - Ы., 1989. - Вып.219. - С.74-85.

33. Зверев В.Н. Расчет утяжеленных режимов для ускоренных испытаний плазменных устройств // Межвуз.сб.науч.тр.

! ШЛИ. - И., 1990. - Вш.227. - С.93-97.

34. The effect of boat transfer on the characteristics of po-wex end technological plasma vortex devices / Kharchen-ko V.H., Poluektov N.P., Zverev V.N. et al. // Eroceediags of the 9th International Heat Transfer Conference. - Jerusalem, Israel, 1990. - Vol. 6. - S. 181-186.

35. Kharchenko V.H., Poluektov K.P., ZrerCT V.IT. Peculiarities of heat and nana troziof er and nagnetohydrodynBinic processes under pulse ionised ga3 rotation // Experimental Thermal end Fluid Science. - 1990. - Vol. 3. - P. 567-573.

36. Zrerev V.U. Calculation of spatial distributions of the parameters of rotating plasma in crossed fields // Phy-cica Scripta. - 1992. - Vol. 46. -P. 24S-254.

37. Zvorev V.U. Characteristics of the countercurrent plasma centrifuge with intermediate degree of ionization // Hiyoica Scripta. - 1993. - Vol. 47. - P. 428-439.

38. ZTerev V.U. A mathematical model of raultlhollow cathode // Physica Scripta. - 1993. - Vol. 47. - P. 687-696.

Подп. в печать 29.C9.93 г. Объем I п.л. йак.490 Тир.150

. ■■ И'

Типография-.Московского государственного университета леса