ПОИСК Статьи Рисунки Таблицы Общий анализ плазменной техники для химико-технологических и металлургических приложеКраткий причинно-исторический очерк развития плазмотронной техники из "Плазменные и высокочастотные процессы получения и обработки материалов в ядерном топливном цикле - настоящее и будущее" Подавляюш,ее большинство технологических процессов в современном мире основано на применении трех агрегатных состояний вещества твердого, жидкого и газообразного. Четвертое состояние, плазменное, в прикладном плане освоено фрагментарно, в основном с периферии, хотя существуют далеко продвинутые науки об этом состоянии вещества — физика и химия плазмы. [c.38] Согласно формальному определению плазменное состояние — совокупность электронов, ионов, нейтральных атомов и молекул, в которой преобладает электромагнитное взаимодействие ее температура достаточно высока для того, чтобы поддерживать ионизацию выше 5% плазма в целом электрически нейтральна, она характеризуется сравнительно большими расстояниями между образующими ее частицами, высокими значениями внутренней энергии частиц и наличием оболочки, ограничивающей объем плазмы. Существуют и другие формальные дефиниции и количественные критерии, определяющие плазменное состояние как отдельное состояние вещества, например радиус Дебая. Последний определяется как максимальное удаление, на котором электрон испытывает воздействие электрического поля данного иона за пределами этого радиуса влиянием электрического поля иона и окружающих его частиц можно пренебречь. [c.38] В химии плазмы приняты некоторые общие определения и соответствующая терминология, позволяющая ввести внутренюю классификацию физических и химических процессов. Так, плазма с условной температурой до 50000 К называется низкотемпературной плазма с более высокой температурой называется высокотемпературной. К последней относится и термоядерная плазма, где температура измеряется миллионами градусов. Низкотемпературную плазму в зависимости от температуры составляющих ее подсистем (электронов, ионов, атомов и молекул) подразделяют на равновесную и неравновесную. Для газофазной системы, где физико-химические превращения протекают на молекулярном уровне, для полной их характеристики необходимо учитывать внутренние степени свободы, температура расщепляется на температуры, характеризующие внутренние движения в молекуле вращения и колебания, электронное возбуждение и ионизацию, в результате чего в системе появляются не только свободные электроны. [c.38] Изменяя параметры поля, можно менять температуру электронов Тд, локализовать энергию на отдельных степенях свободы, а в предельном случае — на одной степени свободы определенного сорта частиц, в результате чего можно, в принципе, осуществить селективную химическую реакцию. Выход продуктов такой реакции определяется температурами Ткол и Тд. Низкая газокинетическая температура Тг, характерная в целом для неравновесных процессов, не позволяет развиться рекомбинационным процессам. Таким образом, управляя параметрами внешнего источника электропитания и давлением в реакторе, можно создать там неравновесные условия, определяемые, например, приведенными выше соотношениями, и осуществить процесс при низкой газокинетической температуре с выходом, который может значительно превысить равновесный выход, соответствующий температуре Тг. [c.39] Использование плазменного состояния вещества позволяет увеличить концентрацию энергии в технологическом или металлургическом реакторе на порядки, по сравнению с процессами, проводимыми в трех других состояниях, и менять ее в широких пределах [12. Удельную мощность можно менять в интервале 10 10 Вт/см , поверхностную мощность на границе раздела фаз — в диапазоне 10 -ь10 Вт/см . Энергия компонентов низкотемпературной (технологической) плазмы изменяется в диапазоне 0,5-Ь5 эВ при плотности вещества 10 °-ь10 ° см . Место плазменной технологии применительно к химико-металлургическому производству показано на диаграмме А. И. Морозова (рис. 1.3) [13]. [c.39] Важным преимуществом химико-металлургических процессов плазменной технологии является их высокий энергетический КПД, обусловленный главным образом высоким КПД многих источников электропитания, особенно — высоковольтных трансформаторов и современных выпрямителей, а также радикальным сокращением стадий в процессах получения материалов полный энергетический КПД суммарного процесса определяется произведением КПД промежуточных стадий. [c.40] Плазменные процессы как электротехнологические легче поддаются механизации и автоматизации. [c.41] Кроме плазменных к электротехнологическим относятся процессы в конденсированной фазе, протекающие в частотных электромагнитных полях (низкочастотном, радиочастотном, микроволновом). Некоторые из них являются одновременно и плазменными или протекают в гетерофазной области. [c.41] Анализ принципиальной схемы ядерного топливного цикла, данной на рис. 1.2, и стоимости компонент и стадий его внешней части (см. табл. 1.2) показывает, в каком направлении следует проводить исследования для снижения стоимости лимитирующих стадий и топливного цикла в целом. Поскольку стоимость стадий добычи, извлечения и аффинажа урана составляет 40,7 -г 44,7% суммарных затрат (в зависимости от характера ядерного топливного цикла), необходимо, по-видимому, рассмотреть возможности использования плазменных технологий в экстрактивной металлургии урана и тория, в процессах переработки реэкстрактов урана на оксиды урана для получения гексафторида урана, а также в технологии получения фтора, фторида водорода и гексафторида урана. Сюда же относится и технология конверсии обогащенного по изотопу 11-235 гексафторида урана в оксидное ядерное топливо. [c.41] Технология изотопного обогащения урана составляет 26,6 Ч- 29,3 % затрат на ядерный топливный цикл. Как будет показано ниже, здесь, в связи с высокой эффективностью существующей разделительной технологии изотопов урана в России, основанной на нрименении центробежного метода, очень трудно создать побудительные причины для проведения дорогостоящих крупномасштабных НИОКР по лазерной, а тем более по плазменной технологии. Правда, такие причины существуют применительно к регенерированному урану, изотопный состав которого после облучения в ядерном реакторе заметно усложняется. Поэтому лазерная технология может рассматриваться если не как конкурирующая на сегодняшний день с центробежной, то как дополняющая ее. [c.41] Радиохимическая переработка отработавшего ядерного топлива и переработка радиоактивных отходов стоит также достаточно дорого — 25,5 % общих затрат. К этой величине следует, но-видимому, прибавить затраты на хранения отработавшего ядерного топлива, которые, включая транспорт, составляют 3,6%. На этой стадии плазменные и частотные процессы также могут находить применение, хотя и в ограниченной мере, до тех пор пока основным направлением регенерации ядерного топлива является экстракция. Применительно к переработке топлива ядерных реакторов на быстрых нейтронах ситуация может измениться более радикально, например при использовании фторидной регенерации облученного ядерного топлива. [c.42] Технология получения ядерного топлива в зависимости от замкнутости ядерного топливного цикла состаяляет 10,3 -Ь 11,3% затрат. Роль плазменной технологии в снижении стоимости этого передела в масштабах СССР была очень заметной применительно и к природному, и регенерированному урану. При распаде СССР Ульбипский металлургический завод, на котором реализовывалась плазменная технология получения оксидного ядерного топлива из слабообогащенного гексафторида урана, остался в Республике Казахстан там же находится и материальный базис новой технологии [14. [c.42] Ниже даны результаты НИОКР, проведенных в течении 1965 1992 гг. и относящихся ко многим стадиям ядерного топливного цикла, перечисленным в оглавлении книги. В сокращенном виде некоторые из этих результатов изложены в энциклопедическом справочнике по машиностроению в ядерной энергетике [15], а также в докладе на 1-м Международном совещании по применению плазмы в ядерном топливном цикле в Сеуле в 2001 г. [16. [c.42] Кроме того, составлены схемы модифицированного ядерного топливного цикла, реализация которых приведет, как мы надеемся, к повышению технических и экономических характеристик ядерного топливного цикла. [c.42] Самые удачные конструкции современных генераторов плазмы (т. е. плазмотрон, источник электропитания, система контроля и управления) являются побочными продуктами развития космической, ядерной и военной техники. Наибольшее применение, распространение и развитие получили три вида генераторов плазмы электродуговые генераторы на переменном и постоянном токе, высокочастотные и сверхвысокочастотные (микроволновые) генераторы. Особенно мош ный импульс развитию плазмотронов, в частности электродуговых плазмотронов, дало развитие ракетной техники. Для наземной имитации полета ракеты в атмосфере было необходимо получить сверхзвуковые потоки воздуха, нагретого до высокой температуры для некоторых траекторий полета температура воздуха превышает 10000 К. Так, в 60-х годах сравнительно мош,ные электродуговые плазмотроны (до 1 МВт) с более или менее приемлемым ресурсом работы были сконструированы в Институте теплофизики СО РАН для натурных экспериментов по моделированию условий входа космических объектов в атмосферу. [c.43] Примерно в это же время очень мощные электродуговые плазмотроны (свыше 1 МВт) были разработаны в НПО Луч для моделирования поведения ТВЭЛов в активной зоне различных ядерных реакторов, особенно реакторов с форсированным режимом работы реакторов для флота, транспортных реакторов для ракетной техники и авиации. [c.43] Одновременно с развитием электродуговых плазмотронов разрабатывались источники электропитания высоковольтные трансформаторы для электропитания дуговых плазмотронов на переменном токе, специализированные выпрямители с обратной связью по току для электропитания дуговых плазмотронов на постоянном токе. [c.44] Примерно в то же время развивался и другой класс плазмотронов — высокочастотные индукционные плазмотроны. Это развитие явилось более специфическим основной первоначальный вклад был сделан в области источника электропитания — высокочастотного генератора, работающего в области радиочастот. Настоящим первоначальным стимулом здесь также были потребности военно-космической техники моделирование и разработка транспортного ядерного реактора на гексафториде урана и необходимость получать потоки плазмы с менее высокими линейными скоростями и более равномерным профилем температур по сечению потока. После создания таких генераторов потребовался более высокий ресурс работы плазмотрона, который не достигался с использованием плазмотронов из диэлектрических материалов (кварца, оксида алюминия и других керамических материалов). В процессе этих работ были созданы разрядные камеры из нитридных керамических материалов (нитриды бора и алюминия), а также комбинированные разрядные камеры, выполненные в виде разрезных водоохлаждаемых камер из немагнитного металла, прозрачные к электромагнитному излучению с индуктора, снабженные или внешним диэлектрическим ограждением, или герметизирующими диэлектрическими вставками в вертикальных разрезах в стенке разрядной камеры. [c.44] Третий класс современных генераторов плазмы — микроволновые генераторы и плазмотроны — созданы первоначально исключительно в связи с развитием средств коммуникации в военной технике. Последующее использование этой техники в микроэлектронике привело к созданию новых конструкций, перспективных для решения маломасштабных химико-металлургических проблем. [c.44] Вернуться к основной статье