CC BY
45
ИССЛЕДОВАНИЯ ФИЗИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В ПЛАЗМЕННО-ВИХРЕВЫХ УСТРОЙСТВАХ
В.Н. ЗВЕРЕВ, Соросовский профессор, д. ф.-м. н., профессор кафедры физики МГУЛа
Введение
За последние 40 лет в городах Беркли, Лос-Аламос, Стокгольм, Амстердам, Мюнхен, Сидней, Москва, Новосибирск и других был выполнен ряд исследований плазменно-вихревых устройств со скрещенными электрическим и магнитным полями. Внимание к таким устройствам было вызвано перспективностью их применения в энергетике и в технологиях плазмохимии и разделения изотопов [1]. В этих исследованиях была показана возможность создания плазменно-вихревого накопителя энергии для получения мощных электрических импульсов продолжительностью около 1СГ6 с. Такие сильноточные импульсы необходимы в термоядерных установках, для получения мощного рентгеновского излучения, возбуждения активной среды лазеров и в других областях.
Была также продемонстрирована возможность применения плазменно-вихревого устройства и в качестве центрифуги для разделения изотопов, широко применяемых в атомной энергетике, физике, химии, медицине, биологии и в различных технологиях. О важности создания новой конкурентоспособной плазменно-вихревой технологии разделения изотопов дают представление следующие масштабы и стоимость разделения изотопов урана традиционным газодиффузионным методом на трех действующих заводах США (в Ок-Ридже, Падьюке и Портсмуте): капиталовложения 2 млрд. долл., стоимость производства до 1 млрд. долл. в год, перерабатывается до 30 тыс. тонн природного урана в год, производимым ураном с обогащением изотопом 235и обеспечиваются АЭС мощностью до 260 ООО МВт, численность персонала на первом заводе в 1945 г. была 11 ООО человек [2].
Характеристики указанных плазменно-вихревых устройств определяются действием магнитогидродинамических, тепломассообменных и других физических процессов
во вращающейся вязкой и анизотропной плазме, которые являются сложными и протекают кратковременно (до Ю”6 с) при большой скорости вращения плазмы (десятки км/с), ее высокой температуре (сотни тысяч кельвин) и больших тепловых потоках в стенки (десятки кВт/см2). Экспериментальное исследование таких процессов является дорогостоящим и длительным. Из-за этих особенностей известные работы по данной теме были выполнены в недостаточном объеме, и многие вопросы не были решены. Подробное изучение указанных процессов было весьма необходимым.
Детальные теоретические и экспериментальные исследования физических процессов в указанных плазменно-вихревых устройствах со скрещенными электрическим и магнитным полями были выполнены на кафедре физики МГУЛа [3-8]. Эта важная и актуальная тема постоянно входила в тематические планы НИР МГУЛа, а также в комплексные планы НИР, координируемые ГКНТ и АН. Работа выполнялась в сотрудничестве с РНЦ «Курчатовский институт», НПО «Астрофизика», НПО «Энергия» им.
С.П. Королева и Институтом общей физики РАН. Ниже изложены основные результаты указанных исследований в МГУЛе.
Схема плазменно-вихревого устройства и стадии разряда
Плазменно-вихревое устройство в простейшем случае представляет собой цилиндрическую разрядную камеру в виде коаксиальных электродов 1 и 2 (рис. 1) с двумя дисками изоляторов 3 на торцах. Из камеры откачивают воздух и заполняют ее рабочим газом до давления порядка 10 Па. С помощью катушек
4 с током и при подключении контактором К1 к источнику электропитания 5 (например, к индуктивному накопителю) в объеме камеры создают взаимно перпендикулярные (скрещенные) магнитное В и электрическое Е поля.
Рис. 1. Схема плазменно-вихревого устройства: 1 - катод; 2 - анод; 3 - изолятор; 4 - катушка магнитного поля; 5 - источник электропитания; 6 - вращающаяся плазма; 7 - траектория электрона; 8 - траектория иона; 9 - линия гидродинамического тока около торцевых изоляторов; 10 - линия электрического тока; 11 - вторичное течение
При достаточно большой разности потенциалов между электродами II происходит электрический пробой с ионизацией газа и с прохождением тока разряда плотностьюОбразовавшаяся плазма 6 под действием силы Ампера ]ГВ приходит во вращательное движение со скоростью уф. Во вращающейся плазме индуцируется электрическое поле Е1 , направленное против внешнего по-
ля Е, причем Е> Ег Возле изоляторов скорость уф мала, поэтому мало поле Е1 и велика
плотность тока ]г. Электроны и ионы плазмы в скрещенных В и Е полях движутся по трохоидам 7 и 8, смещаясь в радиальном направлении при столкновениях с частицами. Во вращающейся плазме средние скорости электронов несколько больше, чем у ионов. В результате линии гидродинамического и электрического токов имеют вид спиралей 9 и 10. Радиальное движение плазмы приводит к ее циркуляции со скоростями мг и которую называют противотоком или вторичным тече-
нием 11, накладывающимся на основное вращение плазмы со скоростью у(р .
Если плазменно-вихревое устройство применяют как накопитель энергии, то после раскрутки плазмы электроды устройства с помощью коммутатора К2 соединяют с потребителем - нагрузкой, имеющей малое сопротивление К. С этого момента происходит кратковременная (микросекундная) стадия генерации и отвода электрической энергии при большой мощности. На данной стадии разряда поле Е « Е1, и ток через нагрузку Я на 1-2 порядка превышает величину разрядного тока на предыдущей стадии раскрутки плазмы. Таким образом, в плазменно-вихревом накопителе на стадии раскрутки плазмы электрическая энергия от индуктивного накопителя превращается (относительно продолжительно и при малой мощности) в кинетическую и внутреннюю энергии плазмы, а на стадии генерации кинетическая энергия плазмы преобразуется (быстро при большой мощности) в электрическую энергию, отводимую в виде мощного импульса к потребителю.
Оу, км/с
а
5 10 Г, см
(Уи,Дж/л 5 20
0,3 0,6 В,Т/1
кВт/см2 д
60
7г. А/см2
80 ЮО \1
40 -1 50 \уг и
л , ^ Г л Ъ~г^Г і
1 2 3 7, СМ
и/В, кВ/Т/1 г
(/, кВ
0,3 0,6 б,Т/1
Рис. 2. Расчетные характеристики и экспериментальные данные плазменно-вихревого устройства: а — радиальный профиль скорости вращения плазмы vф(r); б - продольный профиль радиальной плотности тока в плазме возле торцевого изолятора (г); в - плотность генерируемой электрической энергии \¥у в зависимости от магнитной индукции В; г - отношение напряжения разряда к магнитной индукции 1ЛВ в зависимости от заряда генерируемого электрического импульса 9 (вольт-кулонная характеристика); д - плотность теплового потока из плазмы в торцевые изоляторные стенки qы в зависимости от магнитной индукции В; е - динамическая зависимость напряжения разряда в режиме автоколебаний [/(/); 1 - расчет [3-6]; 2,3- эксперимент: 2 - МГУЛ [8]; 3 - Р1 (Стокгольм) [1]
В случае применения плазменновихревого устройства для разделения изотопов или продуктов плазмохимических реакций стадия разряда с раскруткой плазмы переходит в режим с установившимся вращением плазмы, а стадия генерации и отвода
энергии отсутствует. В поле центробежных сил легкие атомы и ионы плазменной смеси изотопов или продуктов реакций концентрируются ближе к оси вращения, а тяжелые -на периферии, т.е. происходит разделение изотопов или продуктов по массам частиц в
радиальном направлении. Кроме центробежного механизма, существуют и другие процессы во вращающейся плазме, приводящие к радиальному разделению изотопов или прочих смесей. Вторичное течение плазмы (противоток) приводит к увеличению эффекта разделения смеси за счет разделения в направлении вдоль разрядной камеры.
Теоретические исследования плазменновихревых устройств
Автором [3-5] разработаны аналитические магнитогидродинамические модели установившихся процессов в плазменновихревых устройствах. В этих моделях, в отличие от известных теорий Симпсона, Кистемакера, Ганницкого, Дробышевского и других [1, 2], учтены различающиеся условия в четырех областях вращающейся плазмы (основной, приосевой, периферийной и торцевой), ее вторичная циркуляция в меридиональной плоскости, анизотропия проводимости и вязкости столкновительной плазмы в магнитном поле по Стаханову и Брагинскому, а также различие температур ионов и электронов. На основе этих моделей рассчитаны радиальные и продольные профили радиальных и азимутальных скоростей ионов и электронов в разрядной камере, радиальные профили потенциала, плотности и температуры ионов, зависимости генерируемой электрической энергии и отношения кинетической энергии к температуре ионов от внешнего магнитного поля, а также стационарные и динамические вольт-амперные и вольт-кулонные характеристики разряда с вращающейся плазмой. Эти рассчитанные зависимости подтверждены экспериментальными данными, полученными для плазмы Н2 и других газов на установках МГУЛа, а также Иксион (Лос-Аламос) и И (Стокгольм) при скрещенных полях Е = 10-100 кВ/м и В = 0,3-1 Тл, плотности числа ионов 1020—5 х Ю21 м~3 азимутальной скорости 30-80 км/с, температуре ионов до 200 000 К и плотности теплового потока из плазмы в
'У
торцевые изоляторные стенки 30-60 кВт/см" (рис. 2, а-д).
Были исследованы особенности энергообмена во вращающейся плазме. Автором составлена диаграмма энергетических потоков в основном объеме плазмы и в ее магнитогидродинамических пограничных слоях (рис. 3), и определены значения всех составляющих этой диаграммы для условий эксперимента в МГУЛе. Например, при мощности разряда 6,4 МВт в основной и пограничных областях подводится мощность Ш = 1,4 и 5,0 МВт соответственно, работа сил Ампера ^ = 1,1 и 2,4 МВт, вязкая диссипация Ф - 1,5 и 1,9 МВт, джоулева диссипация В = 0,3 и 2,6 МВт, тепловой поток из плазмы в стенки торцевых изоляторов <21п - 0,2 и 4,3 МВт и т.д. [8]. Эти данные позволили обосновать ряд положений теории и косвенное измерение сверхвысоких тепловых потоков в эксперименте.
Для нестационарных режимов разряда в плазменно-вихревых устройствах разработаны численные модели, учитывающие процессы в основной и торцевых гартманов-ских областях вращающейся плазмы, а также нагрев и электрический пробой изоляторной стенки [6]. На основе этих моделей рассчитаны динамические зависимости скорости вращения плазмы, а также тока и напряжения разряда, которые согласуются с данными экспериментов на установках МГУЛа в режимах ускорения плазмы продолжительностью 100-300 мкс, генерации и отвода электрической энергии в течение 5-15 мкс и автоколебаний разряда с частотой 20 кГц. Согласно теории [6], в этом новом режиме автоколебаний разряда, обнаруженном на установке в МГУЛе, с такой частотой многократно повторяются стадии ускорения плазмы и генерации энергии (рис. 2, е). В конце каждой стадии ускорения поверхностный слой торцевой изоляторной стенки из кварцевого стекла нагревается до температуры 1500-2000 К тепловым потоком из плазмы плотностью до 60 кВт/см2. Этот слой изолятора становится электропроводным (с сопротивлением порядка 1 Ом), и по нему, а не по плазме, начинает проходить ток разряда. С момента этого пробоя изолятора начинается стадия генерации электрической
энергии, за время которой вращение плазмы прекращается, напряжение снижается почти до нуля, тепловой поток в изолятор уменьшается, температура его поверхности снижается. Электрическая прочность изолятора восстанавливается, и начинается стадия ускорения плазмы с повторением процессов. Динамическая зависимость напряжения между электродами, рассчитанная на основе такой модели автоколебаний, подтверждена экспериментальной осциллограммой (см. рис. 2, е).
IqÜ
//
D
l&l
Лг
+
IhU
Па
I
\
D
'Qk Qk^P\^_
Рис. 3. Диаграмма энергетических потоков в основном объеме вращающейся плазмы (а) и в двух ее пограничных торцевых слоях (б) в установке МГУЛа [8]: Ш - подводимая электрическая мощность: NА, N , N„ -работа в единицу времени сил Ампера, давления и вязкости: К., и., Н. - потоки кинетической энергии, внутренней энергии и энтальпии через границу основной и пограничных областей; Ф, й - вязкая и джоулева диссипации: Qк, - конвективный
и радиационный тепловые потоки из плазмы; 0Л, <2К , £?,,,, £?, - тепловые потоки из плазмы в стенки анода, катода, торцевых изоляторов и разрядной камеры
Для изучения переходных и установившихся процессов во вращающейся плазме разработана ее аналоговая модель в виде электрической схемы (рис. 4) [5]. В этой модели, в отличие от схемы по Ленер-ТУ [1]> учтены торцевые гартмановские слои плазмы, ее вторичная циркуляция и нелинейность ее энергетических характеристик, а также даны численные значения всех параметров схемы для условий эксперимента на плазменно-вихревой установке в МГУЛе. Например, при и = 1,50 кВ и i = 4,0 кА значения гг0 = 10~4 Ом, гл = 0,01 Ом, гф0 = 0,005 Ом, гф1 = 0,44 Ом, Rr0 = 1,33 Ом, Rr] = 0,26 Ом, Яф0 - 103 Ом, Дф1 = 1,77 Ом, Сг0 = 60 мкФ, С,., = 0,3 мкФ, Сф0 =1,5 мкФ, Сф| = 0,01 мкФ и т.д.
Теория разделения изотопной или других плазменных смесей
Автором [7] теоретически исследованы процессы разделения по массам изотопов или продуктов плазмохимических реакций в плазменно-вихревых устройствах. Разработана математическая модель этих процессов разделения в столкновительной частично ионизованной плазме, вращающейся в скрещенных В и Е полях и совершающей также противоточное движение в меридиональной плоскости разрядной камеры. В этой модели, в отличие от теоретических работ Боне-вье, Босхотена, Натрата, Иванова, Карчев-ского и других [1, 2], рассмотрен общий случай любой степени ионизации с любой схемой противотока и с многообразием действующих разделяющих сил, а также учтены источники частиц от перезарядки и ионизации. Для вращающейся многокомпонентной плазмы, состоящей из ионов (А, В) и атомов (а, Ь) двух разделяемых изотопов, ионов и атомов других веществ (s) и электронов, получены при указанных особенностях два дифференциальных уравнения диффузии ионов (А) и атомов (а) целевого изотопа (с конвективной, концентрационной, дино-, термо- и электродиффузией). Например, для ионов (А) полученное уравнение имеет вид
Рис. 4. Электрическая аналоговая модель вращающейся плазмы [5]
дуА л
пі ~г~+пУі8гасІУл + ся
+ СІІЛ
Т\ Уа^-Ум) /
+
+(пУеп+^1,){уА-уа) = 0, а-А, а,
где уа - доля целевого изотопа среди ионов
или среди атомов смеси; УА=пл/п1>
Уа=Па/Пп» П,=ПА+ПВ, Пп=Па+Пь, 6“ И £>'“ - тензоры подвижности и диффузии; уея и у/и ~ частоты ионизации и перезаря-дочных столкновений; ^ = -Р/ -/'/ - разность сил вида/ (инерции, вязкости, перезарядки, упругих столкновений, теплового трения), которые действуют на частицы сорта а = А, а и (3 = В, Ь и приводят к разделению этих частиц по массам. Уравнение диффузии атомов (а) имеет такой же вид, но с другими индексами. Искомые поля ионной и атомной долей целевого изотопа уА(^ г, г) и уа{$, г, г) находятся численным решением системы двух таких уравнений при соответствующих начальных и граничных условиях и известных из моделей
[3-5] полях плотности, температуры и средней скорости частиц сорта г, п, 5.
Для установившегося вращения плазмы с противотоком эти дифференциальные уравнения диффузии решены приближенно, и получены аналитические зависимости для радиальных и продольных профилей долей целевого изотопа или продукта реакций. Установлены формулы для составляющих коэффициента радиального обогащения, получены и оптимизированы зависимости для коэффициента продольного разделения и разделительной мощности [7]. Установленные уравнения в предельных случаях слабой и полной ионизации переходят в известные соотношения.
Экспериментальные исследования плаз-менно-вихревых устройств
В лаборатории научных исследований кафедры физики МГУЛа были разработаны, созданы, введены в действие и отлажены три электроразрядные импульсные установки, на которых в течение 20 лет проводили детальные экспериментальные исследования физических процессов в плазменно-вихревых устройствах со скрещенными В и Е полями. В состав каждой уста-
новки входили разрядная плазменновихревая камера, магниты, системы вакуу-мирования, подачи рабочего газа, электропитания, коммутации, диагностики и управления. Наиболее полно исследования были выполнены на установке с разрядной камерой объемом 10 л. Импульсный режим разряда продолжительностью в несколько сотен микросекунд позволил подробно изучить вращающуюся плазму Н,, Не, Аг и других газов при внешних скрещенных полях Е до 140 кВ/м и В до 2 Тл, плотности числа ионов
21 —3
до 5 х 10 м , азимутальной скорости до 80 км/с, температуре ионов до 200 000 К и мощности генерируемого электрического импульса до 60 МВт [8]. Эти высокие значения параметров установки в МГУЛе не уступают параметрам уникальных установок Гомополяр (Беркли), Иксион (Лос-Аламос), Гомополяр и Н (Стокгольм) [1], а диагностика на установке в МГУЛе является более подробной с одновременным измерением разными методами каждого из нескольких параметров (плотность плазмы, ее скорость вращения и другое) и с использованием новых методов (секционированный катод, косвенное измерение теплового потока из плазмы).
В результате экспериментов [8], выполненных в МГУЛе, были: подтверждены зависимости и особенности вращающейся плазмы, известные по зарубежным данным [1] (образование «плазменных электродов», закон изоротации, эффект критической скорости); подробно исследованы параметры и характеристики вращающейся плазмы и новые существенные зависимости и соотношения (пространственные распределения потенциала и плотности тока, энергетический баланс в разных областях плазмы и другое); обнаружен и исследован новый режим разряда с автоколебаниями напряжения в результате периодических потерь и восстановлений электрической прочности изолятора; подтверждены теоретические модели процессов, разработанные автором [3-6]; подтверждена перспективность применения плазменновихревого устройства в качестве импульсно-
го накопителя энергии или центрифуги для разделения изотопов и других смесей.
Практическое использование исследованных устройств
Плазменно-вихревые устройства, процессы в которых исследованы в МГУЛе [3-8], целесообразно применять в качестве компактных накопителей энергии, производящих микросекундные электрические импульсы мощностью 1000 МВт и более. Такие импульсы необходимы в разных областях, например, для получения мощных лазерного, рентгеновского и СВЧ излучений.
Эффективность разделения изотопов или других смесей существенно зависит от значения коэффициента разделения. По полученным значениям этого коэффициента исследованное в работах [3, 4, 7] плазменновихревое устройство с противотоком значительно превосходит установки промышленного разделения. Применение этого плазменного устройства наиболее целесообразно для промышленного разделения важнейших изотопов, не имеющих подходящих летучих соединений, например, для разделения изотопов лития, которые крайне необходимы в атомной и оборонной промышленности и весьма дороги.
Очень эффективным является применение исследованного в [3, 4, 7] плазменно-вихревого устройства в качестве плазмохимического реактора. В этом случае в одном устройстве происходят высокоскоростные плазмохимические реакции, пространственное разделение получаемых продуктов и их закалка, что позволяет исключить малопроизводительный блок закалки в технологической установке. При таком фундаментальном решении более выгодным, чем в настоящее время, становится крупномасштабное плазмохимическое производство ценнейших материалов (2л, Мо, N1, ГГ, 81, Сг, оксидов, карбидов, нитридов и других) при использовании трудноперера-батываемого сырья, отходов производств и широкодоступного малоценного сырья (например, воздуха).
Хозяйственная деятельность человечества привела к очень опасному загрязнению окружающей среды. В районах крупных промышленных центров концентрация токсичных загрязнителей превышает предельно допустимую в 10 и более раз. Уровень загрязнения среды в жилых и производственных помещениях в несколько раз выше, чем на улице. К загрязнителям с улицы добавляются токсичные формальдегид, фенол, ряд микроорганизмов, канцерогенные аэрозоли металлов и радиоактивный радон. В ряде помещений предприятий лесного машиностроения и деревообработки концентрация этих опасных загрязнителей в 10-100 раз превышает допустимый уровень, и в таких помещениях незамедлительно требуется эффективная очистка воздуха. В последнее время в США и других странах все большее внимание уделяют вихревой очистке воздуха в связи с тем, что вихревые устройства отличаются быстродействием, мобильностью, компактностью, простотой и экономичностью в изготовлении и эксплуатации. При несложной модернизации имеющихся вихревых очистителей в их канале происходит противоточная конвекция, и эффективность очистки возрастает в 10 и более раз. Теория процессов очистки в этих вихревых устройствах является частным случаем модели процессов разделения смесей, разработанной автором [7]. Применение на предприятиях лесного машиностроения и деревообработки таких вихревых очистителей воздуха с противотоком является весьма актуальным и целесообразным.
Заключение
На кафедре физики МГУЛа выполнены детальные теоретические и экспериментальные исследования физических процессов в плазменно-вихревых устройствах со скрещенными электрическим и магнитным полями. Получены новые научные результаты в виде разработанных и подтвержденных экспериментами в МГУЛе, а также в США, Швеции и других странах аналитических, численных и аналоговой моделей магнитогидродинамического течения и процессов
разделения плазменных смесей в таких устройствах.
Полученные результаты позволяют рекомендовать более широкое применение исследованных устройств в качестве эффективных импульсных накопителей энергии, центрифуг для разделения изотопов и плазмохимических реакторов для производства материалов. Для очистки воздуха от опасных загрязнений целесообразно применять вихревые противоточные устройства, теория очистки в которых следует из разработанной модели разделения смесей. Результаты работы позволяют определять и оптимизировать характеристики указанных перспективных энергетических, технологических и воздухоочистительных вихревых устройств при существенном сокращении дорогостоящих и длительных экспериментов.
Основные результаты вышеизложенных исследований в МГУЛе опубликованы в центральных научных изданиях страны, а также в США, Швеции, Израиле и Индии [3-8].
Литература
1. Lehnert В. Rotating plasmas // Nuclear Fusion. 1971. V. 11. P. 485-533.
2. Обогащение урана / Беккер Е., Босхотен Ф., Бриго-
ли Б. и др. Под ред. С. Виллани- М.: Энергоатом-издат, 1983. - 320 с.
3. Зверев В.Н. Продольные распределения скоростей во вращающейся плазме // Журнал технической физики. - 1984. - Т. 54. - С. 2289-2296.
4. Zverev V.N. Calculation of spatial distributions of the
parameters of rotating plasma in crossed fields // Physica Scripta. 1992. V. 46. P. 248-254.
5. Zverev V.N. Calculation of energy characteristics of plasma vortex devices with crossed fields // Physica Scripta. 1994. V. 49. P. 250-256.
6. Kharchenko V.N., Zverev V.N. Plasma vortex devices
characteristics under the heat transfer of high intensity // Proceed of the Intern. Symposium Heat Transfer Enhancement in Power Machinery. Moscow, 1995. Part 2. P. 189-192.
7. Zverev V.N. Characteristics of the countercurrent plasma centrifuge with intermediate degree of ionization // Physica Scripta. 1993. V. 47. P. 428—439.
8. Kharchenko V.N., Poluektov N.P., Zverev V.N. Pecu-
liarities of heat and mass transfer and magnetohydro-dynamic processes under pulse ionized gas rotation // Experimental Thermal and Fluid Science. 1990. V. 3. P. 567-573.
