Ускорение слабоионизованной плазмы до больших скоростей с повышенным энергосодержанием

Ускорение слабоионизованной плазмы до больших скоростей с повышенным
энергосодержанием
Пономаренко А.С., магистр естественных наук
Воронин А.С., магистр естественных наук
Петропавловский колледж железнодорожного транспорта
г. Петропавловск, Казахстан
В последние десятилетия активно развиваются плазменные технологии, связанные
практическим осуществлением взаимодействия слабоионизованного плазменного потока с
поверхностью материалов с целью улучшения их эксплуатационных свойств. При
реализации такого проекта приходится решать проблему ускорения слабоионизованной
плазмы до больших скоростей с повышенным энергосодержанием, а также необходимость
удержания плазмы в ускорителе от распада.
В статье: «Модель формирования и ускорения слабоионизованной плазмы в
КПУ(коаксиальный плазменный ускоритель) со сплошным наполнением рабочего газа.»,
было уделено внимание проблеме возможного распад плазмы, при ускорении в камере с
очень низким давлением близким к абсолютному вакууму., данная статья посвящена
поиску решения проблемы ускорение слабоионизованной плазмы до больших скоростей с
повышенным энергосодержанием.
Данная проблема актуальна для такой отрасли как металлообработка. Так как плазменную
обработку металлов (процесс обработки материалов при помощи плазмы с целью
изменения физических или химических свойств поверхности обрабатываемого объекта.),
отличает высокое качество, технологическая простота, экономическая эффективность,
экологическая безопасность и много других параметров от других методов
металлообработки. Для повышения данных показателей требуется повышение «качества»
плазмы по различным параметрам одним из которых является – энергосодержание
плазмы.
Особо актуально стоит вопрос в обработке и выборе материалов в проектировании новых
типов реакторов и создании термоядерного реактора. Т.к. материалы элементов
конструкции различных термоядерных реакторов и плазменных ускорителей находятся
под воздействием экстремально высоких потоков плазмы, тепла, заряженных частиц и
нейтронов.
Эти обстоятельства выводят задачи поиска и создания материалов для элементов
конструкции будущих реакторов в разряд ключевых на сегодняшний день.
Одной из серьезнейших задач является вопрос о материале стенок, взаимодействующих с
потоками плазмы. Стенки должны принимать потоки энергии и частиц. В замкнутых
магнитных конфигурациях вся энергия выходит через стенку, и только в ловушках
открытого типа есть варианты с прямой конверсией термоядерной мощности в
электрическую, например, проекты открытых ловушек с вращающейся неидеальной
плазмой [1].
Для поиска решения этих проблем предлагается построить и проанализировать модель
формирования и ускорения слабоионизованной плазмы в коаксиальном плазменном
ускорителе со сплошным наполнением рабочего газа, схема которого изображена на
рисунке 1.
Рисунок 1 – Ускоритель со сплошным наполнением рабочего газа
В основе предлагаемой модели лежит идея ионизации газа методом инжекции,
используемого в токамаках. В предложенной модели на уровне электродной системы
монтируется затвор в виде клапана. Таким образом, получаются две камеры, которые
подключены к форвакуумному насосу. В камере, где размещена электродная система,
подводится система подачи рабочего газа (гелий, аргон). Источником запасаемой энергии
служит конденсаторная батарея общей емкостью C=75 мкФ и номинальным напряжением
50 кВ, в качестве коммутирующего элемента может использоваться ртутный разрядник
ИРТ-6. Электродная система представляет собой два медных электрода цилиндрической
геометрии разделенных между собой слоем изолятора. Электродная система помещается в
вакуумную камеру изготовленную из оргстекла. Работа системы подачи рабочего газа,
затвор и конденсаторная батарея работают синфазно. Для этого используются
синхронизатор, который автоматически выставляет время задержки между подачей газа в
камеру, процессом ионизации газа, разрядом конденсаторной батареи и отпиранием
клапана.
Рассмотрим принцип работы такого ускорителя: откачиваем обе вакуумные камеры
до давления p=10-5 мм.рт.ст., заряжаем до напряжения U=15-20 кВ. С помощью
игольчатого натикателя напускаем газ в первую камеру до давления p=10-3 мм.рт.ст. при
котором автоматически происходит разряд конденсаторной батареи через объем газа и
образуется слабоионизованная плазма. В момент пробоя газа автоматически открывается
клапан разделяющий обе камеры и образовавшийся плазменный сгусток ускоряется к
выходу ускорителя. При этом слабоионизованная плазма получает дополнительное
ускорение за счет разности давления первой и второй камер. В случае когда разряд
пройдет по воздуху необходимо использовать разрядную ловушку. Значение токов
проходящих через плазму можно определить используя пояс Роговского, а напряжение
можно измерять с помощью емкостного делителя напряжения, давление вакуумной
камеры контролируется вакуумметром. [2].
Предлагаем математическое описание процессов формирования и ускорения
слабоионизованной плазмы в рамках электродинамической модели.
Уравнение разрядной цепи ускорителя запишется в виде:
d 2 q R dq q
  
 0,
dt 2 L dt LC
(1)
где

R
, 0 
2L
1
.
LC
(2)
С учётом (13), формула (12) запишется в виде:
d 2q
dq

2


 02 q  0 .
2
dt
dt
(3)
В случае малого затухания имеем:
q  q0 e t .
(4)
По закону сохранения энергии для цепи контура имеем:
CU 02
q 2 mv 2
2

 I RT 
,
2C
2
2
mv 2
q2
где
– полная энергия, запасаемая в конденсаторе,
– кинетическая энергия
2
2C
CU 02
движения плазмы, I RT – джоулево тепло,
– энергия конденсатора, вследствие
2
2
неполной разрядки.
(5)
В модели предполагается, что вследствие кратковременного взаимодействия плазмы со
стенками плазмопровода джоулевым теплом можно пренебречь, будем считать, что
конденсаторная батарея полностью разрядилась и энергия разряженного конденсатора
будет равна нулю. С учётом сделанных допущений получим конечное выражение для
скорости плазмы:
q 2 mv 2
,

2C
2
v(t ) 
q
1
 q(t )  0  et ,
mC
mC
(7)
q0
 e t ,
mC
(8)
q0
 (1  e t ) .
mC
(9)
v(t ) 
v(t ) 
(6)
Графиком данной функции будет экспонента. На рисунке 18 показан график зависимости
скорости плазменного потока от времени при следующих параметрах: напряжение 30 кВ,
емкость конденсаторной батареи 1,5нФ, масса рабочего газа 1 кг, индуктивность цепи 0,5
мГн, сопротивление контура 100 Ом.
Рисунок 2 – График зависимости скорости плазменного потока от времени
Как видно на графике, скорость плазменного потока достаточно резко возрастает и
достигает своего максимального значения.
Подробный анализ полученной зависимости с целью определения параметров,
которые определяют максимальную скорость плазменного потока в коаксиальном
ускорителе, будет проведен в следующих публикациях.
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
1.
Волосов В.И. Безнейтронный резонансный синтез (необходимость, принципы,
проблемы, пути реализации) // Вопросы атомной науки и техники. Серия: Термоядерный
синтез. – Новосибирск. – 2008. – С. 31–38
2.
Воронин А.С., Усеинов Б.М. Совершенствование модели ускорителя плазменного
потока методом деления вакуумной камеры. // Материалы межвузовской студенческой
конференции «Конституция Республики Казахстан – правовой феномен современности»,
посвященной 20-летию Конституции Республики Казахстан. – Т.3. – Петропавловск:
СКГУ. – 2015. – С. 90–94.