CC BY
103
На последующей - большей установке Г1СП-2 (рис. 2) была получена вращающаяся плазма водорода с плотностью ионов
18 3
10 м, скоростью вращения 2000 км/с и температурой ионов 20000 эВ в течение времени 1 мс [2]. Таким образом, была достигнута температура термоядерной реакции слияния ядер дейтерия и трития, но еще не выполнен критерий Лоусона для величины Ш.
Однако, вращение плазмы является слишком сильным источником неравновес-ности, который проявится если не в крупномасштабных, то в других плазменных неустойчивостях. Поэтому термоядерные перспективы таких установок с вращением плазмы в скрещенных полях представляются менее определенными, чем у термоядерных систем без вращающейся плазмы [4].
Заключение
В последние 50 лет интенсивно исследовали вращающуюся плазму с плотностью числа ионов 1018 -1021 м"3 в различных импульсных устройствах со скрещенными В и Е полями при удельной мощности разряда
11 3
до 10 Вт/м . Основная цель состояла в получении плазмы с термоядерными параметрами. Были экспериментально установлены и теоретически объяснены процессы во вращающейся плазме и особенности ее свойств.
Из многих разнообразных импульсных устройств только на установке ПСП-2 в Новосибирске получена плазма водорода со скоростью вращения 2000 км/с и температурой ионов 20000 эВ, достаточной для термоядерной реакции слияния ядер дейтерия и трития.
Возникновение многих неустойчивостей во вращающейся плазме уменьшает ее термоядерные перспективы. Но в разных термоядерных установках без вращения плазмы ее предлагают вращать с целью увеличения времени жизни термоядерной плазмы и очистки ее от поступающих примесей.
Импульсное плазменно-вихревое устройство может применяться также в качестве компактного накопителя энергии для получения мощных электрических импульсов.
Научный и практический интерес к импульсным плазменно-вихревым устройствам со скрещенными В и Е полями остается. Литература
1. Lehnert В. Rotating plasmas // Nuclear Fusion. 1971. V.ll, No 2. P.485-533.
2. Abdrashitov G. F., Beloborodov A. V., Volosov V. I., Kubarev V. V., Popov Yu. S., Yudin Yu. N. Hot rotating plasma in the PSP-2 experiment // Nuclear Fusion. 1991. V.31, No 7. P.1275-1290.
3. Zverev V.N. Calculation of energy characteristics of plasma vortex devices with crossed fields //Physica Scripta. 1994. V.49. P.250-256.
4. Рютов Д.Д. Открытые ловушки // Успехи физических наук. - 1988. - Т.154, вып.4. - С.565-614.
ИМПУЛЬСНЫЙ ПЛАЗМЕННЫЙ НАКОПИТЕЛЬ ЭНЕРГИИ
В.Н. ЗВЕРЕВ, профессор кафедры физики МГУЛа, д.ф.-м.н.
В 1956 г. в Калифорнийском университете (Беркли) Андерсон (Anderson O.A.) и Бейкер (Baker W.R.) предложили и начали исследовать импульсное плазменно-вихревое устройство Гомополяр 1 (Homopolar I) со скрещенными электрическим и магнитным полями для получения высокотемпературной плазмы и термоядерного синтеза. В ходе экспериментов необходимая высокая температура не была получена, но была показана реальная возможность применения такого устройства в
качестве компактного импульсного накопителя энергии для получения мощных электрических импульсов продолжительностью около 10~6 с [1].
Такие сильноточные импульсы нано-и микросекундного диапазона необходимы в термоядерных установках для получения мощного рентгеновского излучения, возбуждения активной среды лазеров, СВЧ-импульсов и в других областях.
На кафедре физики МГУЛа были выполнены систематические исследования физических процессов в плазменно-вихревом накопителе энергии. Результаты исследований опубликованы в центральных отечественных и зарубежных научных изданиях и доложены на крупных международных конференциях.
Данная статья является учебно-мето-дическим материалом по этой новой актуальной области физики и техники. В статье рассмотрена схема плазменно-вихревого накопителя, дан анализ процессов на двух стадиях импульсного разряда с разным преобразованием энергии и приведены экспериментальные данные, подтверждающие целесообразность его практического применения.
Схема плазменного накопителя энергии
Схему импульсного плазменно-вихре-вого накопителя энергии рассмотрим на примере устройства Гомополяр I (Ноторо1аг I, Беркли) [1]. Его разрядная камера образована цилиндрическим анодом 1 (рис. 1) радиусом 12 см, соосным с ним цилиндрическим катодом 2 радиусом 4 см и двумя прилегающими к торцам анода изоляторными пластинами 3 из стекла с расстоянием 1,6 см между ними.
Разрядную камеру помещали между полюсами магнита в магнитное поле с индукцией В = 1,5 Тл, направленной вертикально вдоль оси камеры. Из этой камеры откачивали воздух, заполняли ее рабочим газом (02 , Не, N6, Аг) до давления порядка 10 Па и от конденсаторной батареи 4 в камере осуществляли электрический разряд с напряженностью электрического поля Е, направленной по радиусу к оси камеры.
Стадии разряда
С момента электрического пробоя 11 на стадии ионизации 1 (рис. 2) непроводящий газ превращается в электропроводящую плазму 5. Плотность числа ионов (или электронов) и ток
21 "3
разряда увеличиваются, например, до 10 м" и 30 кА соответственно. Направление тока в плазме противоположно его направлению в торцевых металлических дисках анода, к которым прилегают стеклянные пластины 3 (см.
рис. 1). Магнитное поле разрядного тока, направленное азимутально, отжимает плазму 5 от стеклянных торцевых стенок разрядной камеры.
Через время примерно 1 мкс с момента ¿2 наступает стадия ускорения 2 (см. рис. 2). Плазма ускоренно вращается под действием силы Ампера )ГВ, приложенной к участку единичного объема, в соответствии с уравнением движения, которое в проекции на азимутальное направление имеет следующий вид второго закона Ньютона для этого участка плазмы:
р сЬу /й1 - ]г В -/у, (1)
где р - массовая плотность; - скорость движения по окружности; ]г - плотность разрядного тока;/,, - сила вязкого сопротивления.
С увеличением скорости у(р величины Е и ]г изменяются в соответствии со следующим уравнением обобщенного закона Ома для участка плазмы единичного объема:
]Г/(ТГ = Е ^1р В, (2)
где <7Г - удельная проводимость в радиальном направлении; V,? В ~ напряженность индуцированного электрического поля, обусловленного движением проводящей среды в поле В. Согласно этому уравнению, в центральной части плазмы при больших значениях величина ]—>0, а возле торцов при >0 значение ], велико. Во вращающейся плазме магнитное поле несколько ослабляется, и линии индукции становятся выпуклыми (см. рис. 1).
От прохождения тока в плазме выделяется джоулева теплота, а от движения вязкой плазмы с неоднородным профилем скорости в теплоту переходит работа сил трения. Эти джоулева и вязкая диссипации энергии приводят к нагреву плазмы.
В устройстве Гомополяр I для плазмы Не при магнитной индукции 1,5 Тл на стадии ускорения в течение времени примерно 10 МКС разность потенциалов между электродами была 4 кВ, разрядный ток уменьшался с 30 до 1-3 кА, а скорость плазмы увеличивалась до 30 км/с.
Рис. 1. Импульсное плазменно-вихревое устройство Гомополяр I [1]: 1 - анод; 2 - катод; 3 - изолятор; 4 - источник питания; 5 - вращающаяся плазма. Векторы плотности тока ] показаны для стадии ускорения при замыкании цепи контактором К1
100
Рис. 2. Зависимости разности потенциалов между электродами и и разрядного тока I от времени / для импульсного плазменно-вихревого накопителя энергии и стадии разряда: 1 - ионизация газа;
2 - ускорение плазмы; 3 - генерация электрического импульса; 4 - деионизация плазмы
После стадии ускорения с помощью коммутаторов К] и Кг (см. рис. 1) электроды накопителя энергии отсоединяют от источника питания 4 и сразу же - в момент соединяют их с потребителем - нагрузкой, имеющей малое сопротивление Я. С этого момента 1з происходит стадия генерации электрического импульса 3 (см. рис. 2) продолжительностью порядка 1 мкс, которая заканчивается прекращением вращения плазмы в момент 14. Процессы на этой стадии разряда рассмотрим ниже.
С момента [4 происходит стадия деионизации остановившейся плазмы. Ее температура снижается, происходит рекомбинация ионов и электронов, и плазма превращается в исходный непроводящий газ.
Преобразование энергии при ускорении
На разных стадиях разряда в скрещенных В и Е полях заряженные частицы описывают ларморовские окружности и еще движутся упорядоченно с составляющими скорости уга . Сила Лоренца Е = е ух В, действующая на каждую частицу перпендикулярно ее скорости V, непрерывно меняет свое направление и работы не совершает. Соответственно составляющим средней скорости V, и сила Лоренца имеет составляющие Еу и /V . Одна из них направлена вдоль движения частиц и совершает положительную работу, а другая препятствует движению, и работа ее отрицательна. В результате на любой стадии разряда полная работа силы Лоренца йАу + (1АГ = 0.
На стадии ускорения сумма составляющих сил Лоренца ЕЕ\р для частиц в единице объема, равная силе Ампера ]г В, за время совершает положительную работу:
(1АV(р — п (’(~уец> )В Vу (& — ]г В Vц, Ж > 0.
Составляющая силы Лоренца Ег является сторонней силой - силой индуцированного электрического поля с напряженностью Е,/е - В. В соответствии с правилом Ленца сила /V направлена против движения час-
тиц, образующего ток плотности ]г , и за время гй совершает отрицательную работу:
с1Аг - - Ег]г/е ск = В /V Ж - - (¡Ад, < 0.
Умножив уравнение (2) на убедимся в том, что электрическая энергия <Ше, подведенная за время ¿к от источника питания к единице объема за счет работы внешнего электрического поля Е ]), (к, идет на совершение работы ¿Ар против сил /7 (эта работа пойдет на ускорение плазмы) и на количество теплоты ],2/о,Ж, выделяемой по закону Джоуля - Ленца:
= Е ],Л1 = у,{, В]Д1 +
Из этого выражения и уравнения (1), умноженного на угр йх, получим
<ШЕ = ШК + йи + (1(), (3)
где (Шк - изменение за время Ж кинетической энергии плазмы в единичном объеме: (1\\'к = = й(ру(р2 /2)\ ¿1/ - изменение
внутренней энергии плазмы; (1£> - количество теплоты, отведенное за время Ж из данно-го объема плазмы: (III + (1<2 = (/р +/г /ог)йх.
Уравнение (3) выражает закон сохранения энергии, согласно которому электрическая энергия, подведенная от источника к плазме на стадии ускорения, преобразуется в кинетическую и внутреннюю энергии плазмы, а также в теплоту, отведенную из плазмы за рассматриваемое время.
Генерация электрического импульса
С момента времени Ц на стадии генерации и отвода электрической энергии -стадии 3 - ток идет от анода 1 по внешней цепи с потребителем Я к катоду 2 и замыкается по внутреннему участку цепи, т. е. по плазме, в отрицательном направлении, обратном ориентации тока в плазме на стадиях ионизации 1 и ускорения 2 (см. рис. 1 и 2). Максимальное абсолютное значение этого обратного тока I; определяется по закону Ома для замкнутой цепи:
13 - е/ГЯ + Иг), (4)
где £, - электродвижущая сила индукции в плазме, пересекающей при своем вращении
Г г2
магнитные линии: £,■ = J В <1г, г} и г2 -
радиусы электродов; при малой индуктивности цепи скорость плазмы равна ее скорости в момент 1з ; Я - сопротивление потребителя (внешнее сопротивление), Яг - сопротивление плазмы (внутреннее). Значение тока 1з на 1 -2 порядка превышает величину тока / на стадии ускорения, для которой по закону Ома /=([/- еО/Яг.
На рассматриваемой стадии генерации составляющая силы Лоренца Ег направлена в сторону движения частиц, то есть в сторону обратного тока с плотностью ]г , и совершает теперь положительную работу, за счет которой генерируется электрическая энергия: (Ше = (1АГ > 0. А составляющая здесь препятствует азимутальному движению и быстро останавливает его, совершая отрицательную работу: йА9 = - (1АГ < 0. На стадии генерации зависимости для йЛ,р и (1АГ такие же, как на стадии ускорения, но знаки «+» и «-» меняются на противоположные.
Уравнение (1) с отрицательной величиной ]г и без относительно малой силы /р умножим на и учтем, что (1\¥е = 4АГ = УуВ]^ и (1^к = рУр ¿?ур = ¿(ру92/2). В результате получим
Шк + ШЕ = 0. (5)
Это уравнение выражает закон сохранения энергии, согласно которому на стадии генерации кинетическая энергия плазмы превращается в генерируемую электрическую энергию с сохранением в любой момент времени суммы энергий обоих ВИДОВ.
При экспериментальных исследованиях различных импульсных плазменновихревых устройств изучали и данную стадию генерации. Были получены мощные электрические импульсы. Например, на установке Гомополяр I из вращающейся плазмы объемом 7-10'4 м3 за время 1 мкс отводили импульс с током 300 кА при плотности мощности 1012 Вт/м3 [1].
Характеристики плазменного накопителя энергии регулируются в широких пределах при изменении магнитного поля и давления газа перед разрядом. С увеличением магнитного поля увеличиваются плотность накопленной энергии и плотность мощности импульса. Все это подтверждает целесообразность практического применения импульсного плазменно-вихревого накопителя энергии. Наиболее подходящим источником его электропитания 4 (рис.1) является индуктивный накопитель энергии [2].
Силы Лоренца - «катализаторы преобразования энергии»
Таким образом, в импульсном плазменно-вихревом накопителе преобразование энергии происходит дважды: на стадии ускорения электрическая энергия превращается (продолжительно, при относительно малой мощности и с потерями) в кинетическую и внутреннюю энергии плазмы, а на стадии генерации кинетическая энергия преобразуется (быстро при большой мощности) в электрическую энергию, которую в виде мощного электрического импульса отводят к потребителю.
Выше, при получении уравнений (3) и (5), была показана особенность двух разных преобразований энергии в рассматриваемом накопителе со скрещенными В и Е полями. Эта особенность состоит в роли сил Лоренца в процессе преобразований. При каждом из двух пребразований энергии работа одной составляющей сил Лоренца уменьшает исходную энергию, а работа другой - на столько же увеличивает генерируемую энергию при нулевой полной работе этих сил. При каждом преобразовании силы Лоренца «передают энергию» из одного вида в другой, ничего не отбирая и не добавляя.
Эти силы действуют как «катализаторы преобразования энергии» в плазменных устройствах со скрещенными В и Е полями. Подобно катализаторам химических реакций, силы Лоренца участвуют в каждом из двух преобразований энергии, не «расходуются» (их количество равно числу заряжен-
ных частиц) и не изменяют суммарного количества энергии обоих видов (исходного и генерируемого). Без этих сил не будет рассмотренных преобразований энергии.
Заключение
Импульсное плазменно-вихревое устройство со скрещенными полями целесообразно использовать в качестве накопителя энергии для получения мощных электрических импульсов, необходимых в термоядерных, рентгеновских и других установках.
В таком накопителе электрическая энергия, подводимая к плазме при относительно малой мощности, превращается в кинетическую и внутреннюю энергии плазмы, и, затем, кинетическая энергия плазмы преобразуется в электрическую энергию, отводимую с большой мощностью к потребителю. Эти преобразования энергии происходят
за счет действия сил Лоренца, которые уменьшают энергию одного вида и увеличивают энергию другого вида.
В экспериментах из вращающейся плазмы в течение времени 1 мкс отводили импульс с током 300 кА при плотности мощности 1012 Вт/м , что подтверждает практическую перспективность импульсного плазменного накопителя энергии.
Литература
1. Anderson О. A., Baker W. R., Bratenahl A., Furth Н. P., Ise J., Kunkel W. В., Stone J. M. Study and use of rotating plasma // Proceedings of the 2d International Conference on Peaceful Uses of Atomic Energy. Geneva, 1958. V.32. P.155.
2. Zverev V.N. Calculation of energy characteristics of plasma vortex devices with crossed fields //Physica Scripta. 1994. V.49. P.250-256.
ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПЛАЗМЕННОГО МАГНИТНОГО УСТРОЙСТВА ДЛЯ СНЯТИЯ ЗАРЯДОВ СТАТИЧЕСКОГО ЭЛЕКТРИЧЕСТВА С ПОВЕРХНОСТЕЙ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ
В.Н. БЕЛИНСКИЙ, ст.научный сотрудник ЦНИИМАШа,
А.Я. МИХЕЕВ, аспирант МГУЛа,
Л.Е. ЦВЕТКОВА, профессор кафедры физики МГУЛа
І.Анализ проблем электризации космических и летательных аппаратов
Установлено, что во время полета на космических аппаратах (КА) накапливаются электрические заряды. Опыт эксплуатации отечественных и американских геостационарных (Я = 6,6 Я Земли) спутников показал, что в работе бортовой аппаратуры наблюдаются аномалии и сбои [1-3].
Так, на искусственном спутнике Земли (ИСЗ.) Б8С8-2 имели место самопроизвольные срабатывания генераторов напряжения логических схем блоков управления. На ИСЗ «Интелсат-3» возникали сбои в системах управления антенной. На ИСЗ «Радуга» происходили нарушения в работе электроники датчика системы ориентации ин-
фракрасного построителя местной вертикали. Известны и другие случаи нарушения нормальной работы бортовых систем ИСЗ, большая часть которых эксплуатировалась на геостационарных и высоких эллиптических орбитах.
Электростатический заряд на изделиях РКТ возникает не только при движении КА на геостационарной орбите, но и в первые минуты старта, когда КА находится на начальном участке траектории, т.е. в плотных слоях атмосферы.
В результате изучения и анализа причин наблюдавшихся нарушений и сбоев в работе бортовой аппаратуры КА было установлено, что причиной этих нарушений является образование электростатических зарядов на поверхности КА, и возникно-
