Плазменные технологии и преобразователи энергии

Реферат Плазменные технологии и преобразователи энергии

1. Плазма как инструмент Плазма сегодня широко применяется в науке, промышленности и в быту. Основные применения, прежде всего, связаны с низкотемпературной плазмой газового разряда различных типов. Каждый вечер на улице зажигаются яркие разноцветные лампы, освещающие наши улицы, подсвечивающие витрины, рекламу и т. д. В основном они используют тлеющий нормальный и аномальный разряд, в некоторых случаях — переход к дуговому разряду. Высокая яркость, широкий спектр цветов являются следствием поистине неисчерпаемых возможностей плазмы дугового разряда. Но значительно больше полезных возможностей открывается в промышленном использовании уникальных свойств этого состояния вещества. Плазма газового разряда используется в современных технологиях микроэлектроники, в инициации и активации технологических процессов. Ведутся интенсивные разработки в области создания высокоэффективных методов преобразования тепловой энергии в электрическую, повышения энергетической отдачи реактивных двигателей. Наконец, решение глобальной проблемы обеспечения энергией человечества на долгие годы связано опять таки с применением высокотемпературной плазмы в области управляемого термоядерного синтеза.

2. Направления применения плазмы Низкотемпературная плазма: (T~10²?5· 10⁴ K). Холодная плазма (не оказывает термического воздействия на вещество). Обычно этот тип плазмы относится к существенно неравновесной (T_e«T_i >T_n) и образуется в условиях пониженных давлений (?_есв ~ размеров объема).

Этот тип плазмы широко используется в газоразрядных приборах: индикаторных лампах, стабилитронах, тиратронах, вентильных приборах, в квантовых генераторах различных диапазонов излучения, системах формирования интенсивных ионных пучков (плазмотроны), плазменных индикаторных панелях, а также в плазменных технологиях с нетермическим воздействием плазмы на вещество. Среди таких технологий можно выделить:

— воздействие заряженными частицами низких и средних энергий (ионная обработка), высоких энергий (ионно-лучевая обработка).

— воздействие нейтральными возбужденными химически — активными атомами и молекулами (плазмохимическая обработка).

— воздействие излучением плазмы (УФ и другими видами) на различные технологические процессы.

Заряженные частицы (ионы) могут вытягиваться из плазмы, ускоряться и фокусироваться, образуя пучок ионов — так называемая ионно-лучевая обработка. Последняя используется в качестве инструмента получения заданного распределения легирующей примеси в микроэлектронике. Интенсивные ионные пучки используются в исследованиях в области УТР, Потоки ионов широко применяются в ракетной технике (ионно-плазменные двигатели). Да и обычный реактивный двигатель самолета использует низкотемпературную плазму и др. Если используется бомбардировка поверхности ионами инертных газов с целью распыления твердого вещества — ионно-плазменная обработка.

Для всех плазмохимических процессов характерно образование в плазме разряда свободных атомов или радикалов в результате неупругих соударений электронов с молекулами реагентов. Эти образовавшиеся частицы проявляют высокую физико-химическую активность, которая используется в плазмохимическом оборудовании. В зависимости от способа использования химически-активных частиц различают 3 основные группы технологического оборудования:

— Оборудование использует следующие основные стадии: доставка реагентов в зону плазмы, диссоциация с образованием активных частиц, доставка частиц к поверхности, адсорбция частиц на поверхности, гетерогенная химическая реакция с образование летучих и стабильных соединений, десорбция и удаление этих соединений с поверхности. Примеры: установки очистки поверхностей, шлифовки и обработки, размерного и полирующего травления и т. д.

— В результате реакций активных частиц с поверхностью образуются нелетучие соединения с высокими температурами испарения. Примеры: установки формирования оксидов (анодирования), нитридов и других соединений на поверхностях с целью повышения износостойкости, защиты от коррозии и т. д.

— После доставки реагентов в зону плазмы осуществляется химическая реакция в газовой фазе с образованием конечных соединений или их фрагментов. Эти соединения осаждаются на поверхность, формируя пленку требуемого состава и структуры, либо полуфабрикат, который подвергается электронной, ионной и др. (лазерной) обработке для получения нужных характеристик. Пример: установки нанесения тонких пленок различных материалов и полимеризации слоев.

В оборудовании, использующем термическую низкотемпературную плазму основным видом воздействия на обрабатываемый материал является термическое воздействие. В условиях высокой температуры квазиравновесной и равновесной плазмы (Т_i ~ Т_е ~ Т_n ~ 10⁴? 10⁵ K) и высоких скоростей газа реализуются высокие скорости нагрева (до 10⁸ К/с), что позволяет осуществлять быстрое плавление и даже взрывное испарение порошкообразных и жидких материалов. Обеспечиваются условия для неравновесных хим. Процессов с высокими скоростями реакций.

Несколько иные требования к плазме предъявляются в системах преобразования энергии из тепловой в электрическую (МГД — генераторы). Основной целью здесь ставится повышение эффективности преобразования до 50? 60% по сравнению с 30? 40% традиционно достигающимися в тепловых электростанциях. При невысокой (~ 3000* К) температуре плазма должна обладать повышенной проводимостью. К этой группе применений плазмы относятся также плазменные движители (ускорители), МГД — насосы и прочие приборы в которых используется свойство высокой проводимости плазмы и влияние электрических и магнитных полей на передачу энергии ее компонентам.

3. Управляемый термоядерный синтез Применение высокотемпературной плазмы связано прежде всего с исследованиями в области управляемого термоядерного синтеза. Ввиду важности проблемы УТС для решения энергетических проблем Земли в этой области сосредоточены самые значительные силы науки на протяжении последних 25? 30 лет.

Основными причинами заинтересованности ученых в решении проблемы УТС являются следующие:

— истощение традиционных видов топлива. Несмотря на широкое внедрение в последнее время энергосберегающих технологий, применение альтернативных видов энергии (солнечная, ветровая и др.) эта проблема лишь отодвигается, но не исчезает без создания УТС.

— экологическая чистота, безопасность в использовании. Термоядерный синтез практически не создает радиоактивных отходов;

— практически неисчерпаемые запасы сырья. Энергии УТС, выделившейся в результате использования только одной реакции из многих возможных, хватит на десятки тысячелетий.

Эра научных работ в области УТС началась еще в 1958 г. После доклада И. В. Курчатова в Лондоне.

Принцип извлечения энергии из ядер элементов при их слиянии иллюстрируется следующими реакциями

d + d = ₁H³ + p + 4 МэВ ₁Н² + ₁Н² = ₁Н³ + ₁Н¹ + 4МэВ

d + d = ₂Не³ + n + 3,25 МэВ

d + Н³ = Не⁴ + n + 17,6 МэВ

Выделение энергии связано с уменьшением массы покоя Е = m₀· с² — соотношение Эйнштейна m₁₀ = m₂₀ + m.

На пути решения проблемы УТС стоит ряд трудностей:

— очень малое сечение взаимодействия ядер мишени и ионного пучка. (т.е. n — концентрации, плотности)

— необходимость преодоления кулоновского отталкивания одноименно заряженных ядер. Слияние ядер возможно на расстояниях ~ 10 ^-13 см.

(необх. энергию взаимодействующих частиц)

r_{1, 2} 1,4 10 ^-13 (А₁^1/3 + А₂^1/3) см где А₁, А₂ — атомные веса взаимодействующих частиц.

Частица преодолеет кулоновское расталкивание, если ее энергия

410⁵ эВ Если это будет энергия теплового движения, то Т 510⁹ К.

Сечение взаимодействия ядерной реакции d — d:

;

Скорость протекания реакции = n₁n₂v_1212,

Относительное энерговыделение (в ед. объема вед. времени)

Qяд = p,

где p — энергетика 1 акта взаимодействия.

Учитывая, что в каждом акте участвуют 2 частицы:

Qяд = p = n₁n₂v₁₂₁₂p.

Усредняя по спектру Максвелловского распределения V₁₂₁₂ V и учитывая n₁ n₂ n, получаем Qяд = n² v p

Энергия, которую можно получить с 1 м³ дейтериевой плазмы при p0,01тор (1000Па), n10¹⁴ cм ^-3 = 10²⁰ м ^-3, T10⁹

Qяд 10¹³ дж

Плазма в таком состоянии интенсивно излучает Основные виды излучения: тормозное (е — в поле ядер), излучение возбужденных атомов, рекомбинационное излучение. Кроме этого частицы плазмы разлетаются на стенки необходима термоизоляция. В качестве удерживающей силы используют магнитное поле. Согласно термодинамической модели плазму можно представить в виде газа, давление которого связано с его Т:

Р = nkT.

Магнитное поле создает противодействие этому давлению:

Р = ,

где H_? — напряженность поля внутри плазмы;

H₀ — напряженность поля вне плазмы.

В предельном случае H_? = 0, тогда можем определить максимальную концентрацию плазмы, которую можно удержать с помощью существующих магнитных полей.

H₀ 510⁴ Гс, n = 10¹⁵ cм ^-3 (Т 410⁷ К).

Предположим, что энергия, выделяющаяся при термоядерных реакциях, полностью покрывает потери на излучение и уход частиц на стенки камеры. Тогда можно определить условие существования УТР:

Qяд Qкорп + Qторм.изл.

Qкорп = кТ,

где — время жизни частиц.

Условием существования равновесия баланса энергии будет для реакции:

dd: n 10¹⁶ см ^-3.с.

dT: n 10¹⁴ см ^-3.с. критерий Лоусона.

Исходя из вышеизложенного можно сформулировать 3 основные условия работы термоядерного реактора:

— нагрев плазмы до высоких Т (ТТ_воспл.)

— поддержание концентрации частиц n 10¹⁴? 10¹⁵ см^-3

— эта концентрация должна существовать в течение времени, необходимого для протекания реакции с большей частью частиц.

4. Основные пути осуществления УТС

1. Длительное удержание горячей разреженной плазмы (n v ^). — квазистационарные установки. Используют магнитное удержание плазмы. Наиболее перспективны установки типа «Токамак». Ориентировочные параметры установок: H 10⁵ Гс; Т 10 кэВ, = 1 сек.

Т воспламенения определяется из баланса энергий:

Qяд Q изл.торм.

Откуда получаем для

dd: Т_воспл 410⁸ К

dT: Т_воспл 410⁷ К В настоящие время продолжаются исследования (Россия, Троицк) на термоядерном комплексе «ТСП» («Токамак с сильным полем») физических процессов в обоснование опытного термоядерного реактора. В состав комплекса входит модернизированная установка «Т — 11 М»

Основной трудностью, с которой ведется борьба, — наличие разного рода плазменных неустойчивостей.

2. Импульсные системы. Разрабатывались установки магнитного сжатия плазмы (n^), однако им присущи свои типы неустойчивостей. В 1962 г предложена идея нагрева и сжатия твердой мишени (dT) с n 10²³ cм ^-3 с помощью мощного пучка лазерного излучения. Этот путь решения связан с созданием сверхмощных импульсных лазеров. Кроме чисто технических проблем и в этом случае возникают неустойчивости, связанные с взаимодействием излучения с веществом.

Еще один перспективный импульсный метод связан с использованием вместо лазерного луча релятивистского электронного пучка. Преимущество — высокий кпд, по сравнению с лазерным.

В общем, решение проблемы УТС встретило значительные трудности, которые не могли быть предсказаны в начале пути. Сейчас этой проблеме посвящены международные программы, и хотя успехи велики, уверенно сказать, что проблема будет решена в ближайшие годы, было бы рано.

5. Лазерный термояд В настоящее время работы ведутся: ФИАИ им Лебедева — установка «Дельфин», Арзамас — 16 — установки «Искра 4», «Искра 5», США («Шива», «Нова» в Ливерморской нац. Лаборатории, «Омега» в Рочестерском университете), Япония («Гекко — 12»).

Уровень энергии импульса излучения 1? 100 кДж. Достигнуто давление 100 Мбар, плотности сжатого газа (дейтерий) 20? 40 г/см³, плотность сжатой оболочки мишени (Au) 600 г/см³. Выход нейтронов за 1 вспышку 10¹⁴ шт.

Следующий этап: создание лазерных установок с энергией 10⁶ Дж.

В США планируется (Ливерморская лаборатория) создание лазера на Nd стекле с Р 1,8 МДж. Стоимость проекта 2 млрд. долларов. Аналогичный проект — Франция.

Планируется достичь коэффициент усиления по энергии 100 т. е. получаем микровзрыв с энерговыделением 10⁷? 10⁹ Дж, мощный источник нейтронного, нейтринного рентгеновского излучения для атомной физики и прикладных (военных) применений.

Создание реактора УТС на базе лазерных систем требует обеспечения мегаджоульного импульса, следующего с частотой несколько герц. Запуск опытного реактора по американской программе планируется на 2025 год.

6. Плазменные преобразователи энергии Термоэмиссионные преобразователи. Магнитогидродинамические (МГД — генераторы). Принцип действия ИГД — генератора. Методы повышения электропроводности плазмы. Практические результаты. МГД — генератор и экология. Плазменные ускорители. Плазменная технология.

Одним из перспективных направлений использования плазмы представляется непосредственное получение электрической энергии из тепловой энергии газового (плазменного) потока.

Проблема непосредственно, минуя стадии преобразования тепла в механическую работу, получения электричества привлекала ученых. Тем более, что эффекты возникновения э.д.с. при нагреве контактов, спаев проводников, Ме — полупроводник, известны давно (эффект Зеебека — термоэ.д.с.). Разность потенциалов между двумя пластинами можно получить, нагревая одну из них за счет термоэмиссии электронов. Еще один возможный способ реализуется при электризации мелкодисперсных сред с различным размером частиц (видом частиц) и последующим принудительным разделением их.

Теоретический кпд тепловой машины:

где Т₁ — начальная температура рабочего тела.

Т₂ — конечная температура рабочего тела.

при Т₁ = 1000 К, Т₂ = 300 К >? = 0,7.

Реальный кпд ниже за счет механических помех в 0,4

На работающих электрических станциях? 27 — 28%.

Термоэмиссионный преобразователь.

?? 20% Т 2000 К

— компактность

Пример — накопление электричества во время грозы. Источник этого — солнечная энергия. Первые два метода используются для получения электрического тока, однако говорить о практическом использовании упомянутых методов для получения электричества в промышленных масштабах нельзя из-за низкого кпд преобразования (до 20%), малых значений термо-э.д.с., ограничения температуры нагрева механической прочность элементов и другими проблемами.

Существует, однако способ непосредственного получения электрического тока путем использования плазмы, перемещающейся в магнитном поле. Этот способ реализуется в МГД — генераторе. Кинетическая энергия газового потока превращается в электрическую. Из закона электромагнитной индукции:

где? — э.д.с.;

Ф — магнитный поток =

Движущаяся плазма — проводник тока, пересекающий магнитное поле.

Пусть ширина потока плазмы L, скорость потока v, индукция магнитного поля В: Тогда уравнение преобразуется к виду:

где X — продольная координата.

Подключая генерируемую э.д.с.? к нагрузке R_Н получим ток:

и окончательно где R_вн — внутреннее сопротивление «генератора».

Мощность генератора:

где — фактор нагрузки (=? = кпд) Учитывая, что, и подставляя, получаем где V — объем рабочего тела генератора (V=LhX)

Удельная мощность (на единицу объема) Максимальную мощность, меняя параметр К получаем при К = 0,5. т. е. R_н = R_вн.

Обозначим

Определяя максимум функции P от K получаем условие максимума: K = 0,5 т. е. максимальная мощность в случае .

?_max(для P_max) = 0,5

при квадратном сечении:

при N_max

Мы видим, что мощность зависит от следующих параметров: ?, B, v.

Увеличение скорости струи ограничено ее разрушающей способностью (воздействие на стенки, утилизация на выходе).

Значение В также ограничено насыщением сердечника. Наиболее прогрессивный путь увеличения мощности МГД — генератора — ^ ?.

Если МГД — генератор включен во внешнюю цепь, где поддерживается фиксированное v, то по аналогии с любым другим генератором, он может работать в 2-х режимах — генератором и двигателем. Очевидно если э.д.с. МГД — генератора превышает U сети, имеем генераторный режим, вырабатывается ток

;

Если же наоборот (? ‹ U), имеем двигательный режим, ток потребляется. Разделяют эти 2 режима: режим холостого хода I = 0. В этом случае? = U:

,

где v₀ — скорость дрейфа плазмы в магнитном поле.

Если v › v₀ — МГД — генератор переходит в генераторный режим;

v ‹ v₀ — МГД — генератор, отбирая энергию из внешнего источника, превращается в ускоритель плазмы.

На принципе МГД — ускорителя работают устройства по перекачке жидких металлов (T 1500 К), агрессивных электролитов и других веществ. Преимущество — нет движущихся частей, возможность полной герметизации канала перекачки, высокая производительность. Этот же принцип может быть использован в плазменных двигателях.

Как мы уже упоминали, наиболее эффективным способом повышения эффективности МГД — генератора является увеличение проводимости? плазменного потока.

В МГД — генераторе используется низкотемпературная плазма, степень ионизации невысока.

где _еа — характерное время между соударениями е? — атом.

N_е — концентрация е?.

е, m — заряд и масса е?.

где ?_еа — длинна свободного пробега е?.

где N_а — концентрация атомов.

Q_еа — сечение столкновения.

где. .

Если плазма проходит в термодинамическом равновесии,? — подчиняется закону Саха:

где n — концентрация плазмы, откуда

.

При T 3000 К >? получается на 2−3 порядка ниже рабочей.

Итак видим, что? сильно зависит от Т. Однако повышение Т›3000К практически невозможно из-за отсутствия достаточно жаростойких материалов. Наиболее перспективный путь уменьшение U_i т. е.

введение

в плазму легкоионизируемых примесей (Na, K, Cs). Оказывается даже добавка 1% щелочных металлов (щелочей) увеличивает? на 2−3 порядка. Однако Q_еа (сечение столкновения) для щелочных металлов на 2 порядка выше, чем у инертных газов. Потому для каждой присадки рассчитывается оптимальная концентрация.

Таким образом, создание эффективного МГД — генератора связано прежде всего с решением проблем создания жаростойких изоляционных и проводящих материалов, увеличения индукции магнитного поля, повышение проводимости плазмы.

За счет высокого к.п.д. МГД — генератор существенно меньше воздействует на окружающую среду (тепловое воздействие), образует также меньше выбросов в атмосферу, чем традиционные электростанции, значительно менее опасен в эксплуатации, по сравнению с атомными станциями.

плазма энергия лазерный

Литература

Вихман Э. Берклеевский курс физики. Квантовая физика. — М.: Наука, 2001.

Волькенштейн В. С. Сборник задач по общему курсу физики. — М.: Наука, 2003.

Гершензон Е.М. и др. Курс общей физики. т.т. 1−2. Механика. — М.: Академия, 2000.

Детлаф А.А., Яворский Б. М. Курс общей физики. — М.: Высшая школа, 1989

Иродов И. Е. Задачи по общей физике. — М.: Бином, 2004.

Иродов И. Е. Механика. Основные законы. — М.: Лаборатория базовых знаний, 2001.

Иродов И. Е. Электромагнетизм. Основные законы. — М.: Лаборатория базовых знаний, 2001.

Калашников С. Г. Электричество. — М.: Наука, 2005.

Китель И., Найт У., Рудерман М. Берклеевский курс физики. Механика. — М.: Наука, 2003.

Матвеев А. Н. Курс физики. т.т. 1−4. — М.: Высшая школа, 1976;1989.

Парселл Э. Берклеевский курс физики. Электричество и магнетизм. — М.: Наука, 1.