Регистрация / Вход
Прислать материал

Исследование диффузной вакуумной дуги, как источника плазмы для создания технологии плазменной сепарации ОЯТ

Сведения об участнике
ФИО
Усманов Равиль Анатольевич
Вуз
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский физико-технический институт (государственный университет)"
Тезисы (информация о проекте)
Область наук
Физика и астрономия
Раздел области наук
Физика плазмы
Тема
Исследование диффузной вакуумной дуги, как источника плазмы для создания технологии плазменной сепарации ОЯТ
Резюме
Работа посвящена экспериментальному исследованию вакуумной дуги на подогреваемом катоде из веществ, моделирующих ОЯТ: гадолиния, свинца, оксидов ниобия и титана. Дуговой разряд исследовался в диапазоне токов от 10 до 160 А и напряжений от 3 до 50 В. Измерялся вольтов эквивалент тепловой мощности поступающей из плазмы на катод дуги. Исследовался компонентный и зарядовый состав образующейся плазмы, измерялись энергии электронов и средний заряд частиц, вылетающих через отверстие в аноде дуги, а также скорость эрозии катода. Полученные результаты позволили положительно ответить на вопрос о применимости разряда как источника плазмы для задач плазменной сепарации ОЯТ.
Ключевые слова
плазменная сепарация ОЯТ, диффузная вакуумная дуга, источник плазмы
Цели и задачи
Исследование вакуумной дуги с диффузной привязкой на катодах из модельных веществ для ответа на принципиальный вопрос – возможно ли при помощи данного газового разряда удовлетворить требованиям к плазменному источнику по производительности, степени и кратности ионизации для задач плазменной сепарации ОЯТ.
Введение

Решением проблемы перевода конденсированного вещества ОЯТ в плазменное состояние для задач плазменной сепарации ОЯТ[1] может выступать источник плазмы на основе вакуумной дуги с диффузной катодной привязкой, особенностями которой являются отсутствие микрокапельной фракции в продуктах эрозии катода и высокая степень ионизации плазмы [2]. Дуга исследовалась на модельных катодных материалах. Основным из них являлся гадолиний, первые три потенциала ионизации которого близки к урану [3], также отношение потоков испаряющихся атомов к электронам термоэмиссии для U и Gd много меньше единицы [4]. Веществом, имитирующем динамику движения тяжелых ионов, являлся свинец. Материалами, моделирующими оксидное топливо выступали оксиды ниобия и титана.

 

Методы и материалы

Принципиальная схема эксперимента изображена на рисунке 1.

Рисунок 1. Принципиальная схема эксперимента.

Разряд зажигался в вакуумной камере объемом 100 л с давлением остаточных газов менее 10 мПа. Катодом дуги являлось рабочее вещество, помещаемое в молибденовый тигель внешним диаметром 25 мм. Под тиглем располагался электронно-лучевой подогреватель (ЭЛП) мощностью до 1 кВт, позволяющий менять температуру катода и напряжение на дуге при постоянном токе разряда. Максимальная температура тигля составляла 2.1 кК. Анодом дуги являлся водоохлаждаемый стальной диск, имеющий центральное отверстие диаметром 32 мм. Межэлектродное расстояние составляло около 3 см.

Система диагностики разряда включала измерение температуры тигля яркостным пирометром. По оценкам отличие измеряемой температуры от средней температуры рабочей поверхности катода не превышало 3%. Также производился контроль ВАХ разряда и параметров ЭЛП. Излучение плазмы дуги регистрировалось спектрометром в диапазоне длин волн 250-600 нм. Температура электронов плазмы измерялась при помощи одиночного зонда Ленгмюра, а средний заряд ионов вылетающих из отверстия в аноде конденсационным зондом. Методом взвешиваний измерялась скорость испарения катода. Определение тепловой мощности, поступающей из плазмы на катод дуги производилось по методу [5].

 

Описание и обсуждение результатов

Дуговой разряд в зависимости от используемого катода исследовался в диапазоне токов от 10 до 160 А  и напряжений от 3 до 50 В.

На катоде из Gd были измерены зависимости среднего заряда ионов заанодной плазмы, а также интенсивности излучения линий атомов и ионов Gd в зависимости от напряжения на дуге (рисунок 2). 

Рисунок 2. Поведение интенсивности излучения атомов и ионов Gd, а также среднего заряда ионов заанодной плазмы от напряжения на дуге (I = 50 A).

Показано, что при напряжениях на дуге в диапазоне 5-6 В, средний заряд ионов плазмы близок к единице, что свидетельствует о большой (близкой к 100 %) степени ее ионизации в этом режиме. В этом же диапазоне 5-6 В наблюдается максимум интенсивности излучения для однократно ионизованного Gd, а излучение двукратных ионов не зарегистрировано. Температура электронов плазмы в этом режиме находится на уровне 1 эВ, а тепловая мощность поступающая из плазмы на катод сравнивается с  потерями энергии за счет термоэмисии, т.е. вольтов эквивалент мощности близок к 0. Средняя скорость испарения Gd в дуге находилась в диапазоне  от 5.4 до 7.9 г/ч. Это значение примерно на порядок меньше, чем требуемое, однако оно может быть увеличено при использовании катода большей площади. Приведенные экспериментальные данные на катоде из Gd позволяют сделать вывод о том, что на модельном металле показана принципиальная возможность создания требуемой плазмы для сепаратора ОЯТ (степень ионизации 100%, плазма представлена однозарядными ионами, производительность переработки ОЯТ 100 г/ч ).

Длительный стабильный разряд на катоде из чистого оксида получить не удалось, но спектральный анализ излучения плазмы в случае с оксидом титана показал наличие линий ионов Ti. Для улучшения условий пробоя промежутка к оксиду ниобия был добавлен хром. Рентгеновский анализ состава пленки вещества, осевшей на поверхность анода выявил присутствие в ее составе таких элементов как Cr, Nb и Mo. Проведенные эксперименты на оксидных катодах показали, что оксидная компонента поступает в разрядный промежуток и является компонентом плазмообразующей среды.

Свинец, с точки зрения катодного материала, является нетермоэмиссионным [4], т.е. в свойствах разряда должен проявляться недостаток тока электронов термоэмиссии с катода. В опытах с Pb экспериментально показано двукратное сокращение скорости испарения Pb в дуговом разряде по сравнению со скоростью термического испарения в вакуум в отсутствии разряда. Измерения параметров заанодной плазмы показали, что степень ионизации плазмы Pb не превосходит 30% при максимальной температуре электронов 1.2 эВ. Увеличение степени ионизации плазмы в данном разряде возможно добиться путем уменьшением рабочей температуры катода при том же токе дуги.

Полученные результаты могут быть применены при создании источников плазмы на основе вакуумных дуг с ДКП, в том числе и для отработки метода плазменной сепарации ОЯТ на нерадиоактивных веществах.

 

 

Используемые источники
1. Ворона Н.А., Гавриков А.В., Самохин А.А., Смирнов В.П., Хомяков Ю.С. // Ядерная физика и инжиниринг, 2014, Том 5, № 11-12, с. 944-951.
2. Васин А. И., Дороднов А. М., Петросов В. А. // Письма в ЖТФ. – 1979. Т. 5, вып. 24. – С. 1499-1505.
3. Физические величины: справочник / под редакцией И. С. Григорьева, Е.З. Мейлихова. - М.: Энергоиздат, 1991.
4. Полищук В. П., Сердюкова О.К., Ярцев И.М. // ЖТФ. – 1993. - Т. 63, вып. 3. – С. 66-74.
5. Паранин С.Н., Полищук В.П., Сычев П.Е., Шабашов В.И., Ярцев И.М. // ТВТ. 1986. Т. 24. № 3. С. 422–429.
Information about the project
Surname Name
Usmanov Ravil
Project title
Experimental study of the diffused vacuum arc as a plasma source for development of SNF plasma separation technology
Summary of the project
The study is devoted to experimental investigation of diffused vacuum arc with hot cathode made from materials simulating SNF: gadolinium, plumbum, titanium and niobium oxides. Vacuum arc was studied at currents from 10 to 160 A and voltages from 3 to 50 V. Volt equivalent of heat power transfered to the cathode was studied. Component and charge plasma composition, ion average charge and electron temperature was measured above the anode. Also cathode erosion rate was measured. Obtained results allowed us to answer the question about application of this type of vacuum arc for SNF plasma separation in a positive way.
Keywords
SNF plasma separation, diffused vacuum arc, plasma source