Лекция № 6 Тема: плазма в энергетике. Мгд – генераторы

Если любое вещество накалить до очень высокой температуры ми пропускать через него сильный электрический ток, его электроны начинают отрываться от атомов. То, что остаётся от атомов после отрыва электрона, имеет положительный заряд и называется ионом, сам процесс отрыва электронов от атомов называется ионизацией, в результате ионизации получается смесь свободных частиц с положительными и отрицательными зарядами. Эту смесь назвали плазмой. При отрыве электронов разрываются и все связи, которые удерживают частицы в кристалле или жидкости. Казалось бы, в движении частиц не должно остаться никакого порядка. И действительно, плазма во многом похожа на газ. Иногда ее так и называют - газом из заряженных частиц или ионизованным газом. Но самые замечательные свойства плазмы проявляются тогда, когда на неё действует магнитное поле. При этом движении частиц плазмы проявляется некоторого рода порядок и свойства плазмы становятся совсем другими, чем у газа. Поэтому плазму и называют четвертым состоянием вещества. Порядок, который вносит магнитное поле в движение частиц плазмы - особый порядок. Его можно назвать винтовым. Заряженная частица может свободно двигаться вдоль направления магнитного поля. Но при этом она быстро вращается вокруг направления магнитного поля. Это вращение происходит по тому же закону, что и в круговом ускорителе заряженных частиц - циклотроне. Поэтому вращение частиц плазмы вокруг направления магнитного поля так и называют - циклотронным вращением. И сочетанием свободного движения вдоль поля и циклотронного вращения поперек поля получается винтовое движение частиц плазмы. Если плазма не слишком плотная, то частицы редко сталкиваются между собой: каждая движется по своему винту. В поперечном направлении такая плазма может двигаться только вместе с магнитным нолем. Для наглядности говорят, что магнитное поле как бы «вморожено в плазму». Но снаружи магнитное поле не может проникнуть в плазму Если с наружи возникает сильное магнитное поле, оно давит на плазму с силой, которую так и называют силой магнитного давления. Отсюда следует.

что плазму можно удерживать «магнитной стенкой». Можно сказать: если вдоль магнитного поля плазма движется как газ, то при движении поперек магнитного поля она обретает в известной степени свойства твердого тела. На этих свойствах плазмы основаны многие природные явления, которые начинают использовать в технике. Солнце - громадный шар, состоящий из раскаленной плазмы. С поверхности солнца непрерывно стекает спокойный поток плазмы -так называемый солнечный ветер. Время от времени на поверхности солнца происходят вспышки. При каждой такой вспышке в космос выплескивается кратковременный поток плазмы. Эти плазменные потоки, достигая атмосферы Земли вызывают в ней много замечательных явлений: полярное сияние, магнитные бури, нарушение радиосвязи. Ведь Солнце на ряду с видимым светом посылает невидимые ультрафиолетовые лучи. Эти лучи воздействуют на атомы воздуха и отрывают от них электроны, т.е. происходит ионизация. Так получается, что верхние слои атмосферы состоят из ионизированного воздуха, иначе говоря из плазмы. Плазма с каждым годом все чаще применяется в технике. В обычной электрической лампочке светится раскаленная нить металла, а в лампах дневного света светится плазма, заполняющая стеклянную трубку. Начинают входить в употребление плазменные горелки для сварки резки металлов.

Применение плазмы в энергетике

Наиболее широко плазма применяется в светотехнике — в газоразрядных лампах, освещающих улицы, и лампах дневного света, используемых в помещениях. А кроме того, в самых разных газоразрядных приборах: выпрямителях электрического тока, стабилизаторах напряжения, плазменных усилителях и генераторах сверхвысоких частот (СВЧ), счётчиках космических частиц.

Все так называемые газовые лазеры (гелий-неоновый, криптоновый, на диоксиде углерода и т. п.) на самом деле плазменные: газовые смеси в них ионизованы электрическим разрядом.

Свойствами, характерными для плазмы, обладают электроны проводимости в металле (ионы, жестко закрепленные в кристаллической решётке, нейтрализуют их заряды), совокупность свободных электронов и подвижных «дырок» (вакансий) в полупроводниках. Поэтому такие системы называют плазмой твёрдых тел.

Газовую плазму принято разделять на низкотемпературную — до 100 тыс. градусов и высокотемпературную - до 100 млн. градусов. Существуют генераторы низкотемпературной плазмы - плазмотроны, в которых используется электрическая дуга. С помощью плазмотрона можно нагреть почти любой газ до 7000-10000 градусов за сотые и тысячные доли секунды. С созданием плазмотрона возникла новая область науки - плазменная химия: многие химические реакции ускоряются или идут только в плазменной струе. Плазмотроны применяются и в горнорудной промышленности, и для резки металлов.

Созданы также плазменные двигатели, магнитогидродинамические электростанции. Разрабатываются различные схемы плазменного ускорения заряженных частиц. Центральной задачей физики плазмы является проблема управляемого термоядерного синтеза.

Термоядерными называют реакции синтеза более тяжёлых ядер из ядер лёгких элементов (в первую очередь изотопов водорода - дейтерия D и трития

Т), протекающие при очень высоких температурах (» 108 К и выше).

В естественных условиях термоядерные реакции происходят на Со]<ице: ядра водорода соединяются друг с другом, образуя ядра гелия, при этом выделяется значительное количество энергии. Искусственная реакция термоядерного синтеза была осуществлена в водородной бомбе.

Плазменная технология - молодая отрасль промышленности. Интенсивное ее развитие началось в 50-х годах XX века и бурно продолжается в индустриально развитых странах. Свидетельством тому служит большой поток патентной и научной информации, а также расширяющиеся области промышленного использования.

Плазма может быть низкотемпературной (порядка 10°С) высокотемпературной (10-10 °С). Низкотемпературная плазма получила более широкое использование в технологических процессах промышленных производств. Созданы плазмотроны, работающие при напряжениях от 100 В до 10 ООО кВ и устройства для напыления порошковых металлов и их соединений. Использование их дает значительный технико-экономический эффект.

Предпосылкой для развития плазменной технологии стало развитие космической техники, различных типов двигателей, в том числе и плазменных, материалов и конструкций космических аппаратов, сохраняющих работоспособность при входе в плотные слои атмосферы, в области термоядерного синтеза, газодинамики, физики газового разряда и химической технологии. С использованием плазменной технологии созданы не только новые материалы, обладающие высокими технологическими свойствами, но и аппаратура эффективной обработки этих материалов.

Для современных новейших технологий, научно-технического прогресса общества и техники, плазменные технологии, как высококонцентрированные потоки энергии, находят все большее применение во многих технологических процессах.

Плазменная резка черных и цветных металлов. Она позволяет резать с высокими скоростями медь и ее сплавы, алюминий и другие металлы толщиной 30 мм со скоростью 4 м/мин. Плазменная резка широко применяется в судостроении, на предприятиях тяжелого и атомного машиностроения, химической и электротехнической промышленности.

На промышленных предприятиях применяют плазменно-механическую обработку металлов, что дает возможность повысить скорость обработки и увеличить толщину снимаемой стружки. Установлено, что внедрение плазменно-механического метода обработки марганцовистых сталей способствует повышению производительности труда в 4-10 раз, а титановых сплавов - в 15 раз. С помощью плазмотронов можно перерабатывать хлорорганические отходы, которые до сих пор выбрасывались.

Плазменная сварка деталей из меди, латуни, бронзы, алюминия и его сплавов, а также наплавка и напыление обеспечивают покрытие деталей износостойким, жаропрочным и антикоррозионным составом с минимальным перемешиванием наносимого и основного материала.

Плазменная технология нашла применение в получении металлобетонов, где в качестве связующего вещества используют сталь, чугун, алюминий, свинец и т. д. Раньше это было сделать невозможно из-за слабого контактного сцепления между металлом и минеральным наполнителем. Плазменная же технология позволяет производить быстрое поверхностное оплавление частиц горной породы, что обеспечивает хорошую совместную работу металла и минерального наполнителя. Полученный металлобетон прочнее обычного бетона при сжатии в 10 раз, при растяжении - в 100 раз. При обработке плазмой поверхности кирпичных, бетонных стен или стен, поверхность которых облицована керамической плиткой, образуется стекловидный расплав, который надежно защищает здание от влаги и атмосферных воздействий. Если же на стены здания предварительно нанести растворы солей различных металлов, то их поверхности приобретут соответствующую окраску

Применение плазменных потоков в вакуумной плазменной технологии с использованием электромагнитных ускорителей. Суть: в облако плазмы в вакууме помещают деталь, которой сообщают отрицательный потенциал. Тогда положительные ионы вытягиваются из объема плазмы, ускоряются электрическим полем и поступают к детали. В такой системе удается получить потоки частиц со скоростями до сотни километров в секунду и энергиями до десятков тысяч электрон-вольт. Это позволяет проводить технологические процессы, основанные на конденсации атомарных частиц, на поверхности, испарение поверхности металлов, внедрение атомов в глубь кристаллической решетки, и т.д.

В вакуумных плазменных установках может быть получена плазма всех известных металлов, сплавов, органических и неорганических веществ.

Методом плазменной технологии в вакууме могут быть успешно решены многие актуальные задачи, в частности такие, как:

• получение особо чистых слоев материалов (магнитные, оптические, эмиссионные, сверхпроводящие и другие слои);

• защита элементов конструкции от воздействия агрессивных сред;

• изменение структурно-энергетического состояния поверхности материалов;

• получение материалов, обладающих высокими механическими и эксплуатационными свойствами;

• получение пленочных монокристаллических структур.

Вакуумная плазменная технология, является одним из методов бесконтактной обработки материалов в технологических процессах, при плазменной резке и сварке металлов, при получении фигурных заготовок из алюминиевых сплавов, в плазменных плавильных установках, в установках плазменного нанесения коррозионностойких и жаропрочных защитных покрытий методом напыления и во многих других технологических процессах.