Плазменные технологии и преобразователи энергии

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.

. 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 (λ_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.

. 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 D Е = D m₀· с² - соотношение Эйнштейна m₁₀ = m₂₀ + Dm.

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.

( Þ 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

 ³ » 4×10⁵ эВ

Если это будет энергия теплового движения, то Т » 5×10⁹ К.

Сечение взаимодействия ядерной реакции d - d:

;

Скорость протекания реакции n = n₁n₂v_1212,

Относительное энерговыделение (в ед. объема вед. времени )

Qяд = np,

где p - энергетика 1 акта взаимодействия.

Учитывая, что в каждом акте участвуют 2 частицы:

Qяд =  np =  n₁n₂v₁₂s₁₂p.

Усредняя по спектру Максвелловского распределения V₁₂s₁₂ » < Vs > и учитывая n₁ » n₂ » n, получаем Qяд = n² < vs > p

Энергия, которую можно получить с 1 м³ дейтериевой плазмы при p~0,01тор (~1000Па), n~10¹⁴ cм ^-3 = 10²⁰ м ^-3, T~10⁹

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 Þ 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_ί - напряженность поля внутри плазмы;

H₀ - напряженность поля вне плазмы.

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

H₀ » 5×10⁴ Гс, n =  ~ 10¹⁵ cм ^-3 ( Т ~ 4×10⁷ 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 ³ Qкорп + Qторм.изл.

Qкорп =  кТ,

где t - время жизни частиц.

Условием существования равновесия баланса энергии будет для реакции:

dd : nt ³ 10¹⁶ см ^-3.с.

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

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

-   нагрев плазмы до высоких Т(Т>Т_воспл.)

-       поддержание концентрации частиц n ~ 10¹⁴ ÷ 10¹⁵ см^-3

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

. Основные пути осуществления УТС

Т воспламенения определяется из баланса энергий:

Qяд ³ Q изл.торм.

Откуда получаем для

dd : ~ Т_воспл » 4×10⁸ К

dT : ~ Т_воспл » 4×10⁷ 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 1962г 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.

. 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 Þ 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.

. 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 - термо- э.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 → η = 0,7.

Реальный кпд ниже за счет механических помех в ~ 0,4

На работающих электрических станциях η ~ 27 - 28%.

Термоэмиссионный преобразователь.

η ≤ 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 ε - 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. ε к нагрузке R_Н получим ток:

и окончательно

где R_вн - внутреннее сопротивление „генератора”.

Мощность генератора:

где  - фактор нагрузки (= η = 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 .

η_max(для P_max) = 0,5

при квадратном сечении:

при N_max

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 - ↑ σ.

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

, ,

где v₀ - скорость дрейфа плазмы в магнитном поле.

Если v › v₀ - МГД - генератор переходит в генераторный режим;‹ 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 σ плазменного потока.

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

,

где t_еа - характерное время между соударениями еˉ - атом.

N_е - концентрация еˉ.

е, m - заряд и масса еˉ.

,

где λ_еа - длинна свободного пробега еˉ.

,

где N_а - концентрация атомов.

Q_еа - сечение столкновения.

где . .

Если плазма проходит в термодинамическом равновесии, α - подчиняется закону Саха:

где n - концентрация плазмы, откуда

.

При T ~ 3000 К → σ получается на 2-3 порядка ниже рабочей.

Итак видим, что σ сильно зависит от Т. Однако повышение Т›3000К практически невозможно из-за отсутствия достаточно жаростойких материалов. Наиболее перспективный путь Þ уменьшение U_i т.е. введение в плазму легкоионизируемых примесей (Na, K, Cs). Оказывается даже добавка 1% щелочных металлов (щелочей) увеличивает σ 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.