Выполнены разработка проектных решений и предварительное расчетное обоснование характеристик высоковольтного плазменно-капельного генератора с магнитной сепарацией зарядов. Целью исследования было подтверждение возможности создания источника тока с рабочим напряжением порядка 107 В. Предлагаемый метод преобразования энергии основан на сепарации заряженных капель из пылевой плазмы в градиентном магнитном поле. Зарядка капель происходит вследствие термоэмиссии с их поверхности. Представлено схематическое описание генератора и предложена элементарная расчетная модель. Эта модель делится на 4 блока, описывающие различные процессы, происходящие в устройстве. Обсуждены допущения и упрощения необходимые для оценки. Получены предварительные расчетные данные по эффективности плазменно-капельного генератора с магнитной сепарацией зарядов в условиях, приближенных к реально достижимым по технологиям изготовления. Основными параметрами для оценки стали мощность, коэффициент полезного действия, напряжение и индукция магнитного поля. В результате выполненных расчетов показана принципиальная возможность создания работоспособного плазменно-капельного генератора на основе предложенных решений. Полученные результаты являются не точными и требуют дальнейшего улучшения модели и изучения процессов, проходящих в генераторе.
Пылевая плазма, термоэлектронная эмиссия, магнитные зеркала, объемная конденсация, прямое преобразование энергии
1. Стаханов, И.П. Физика термоэмиссионного преобразователя / И.П. Стаханов, В.Е. Черковец. - М. : Энергоатомиздат, 1985. - 208 с.
2. Жуховицкий, Д.И. Ионизационное равновесие в плазме с конденсированной дисперсной фазой. Химия плазмы (PlasmaChemistry) / Д.И. Жуховицкий, А.Г. Храпак, И.Т. Якубов. - М. : Энергоатомиздат, 1984. - 130 с.
3. Sodha, M.S. PHYSICS OF COLLOIDAL PLASMAS / M.S. Sodha, S. Guha // Advanced Plasma physics. - 1971. - Vol. 4. - Pp. 219-309.
4. Soo, S.L. Multiphase Fluid Dynamics / S.L. Soo. - Brookfield: Gower Technical, 1990. - Pp. 427-449.
5. Пылевая плазма / В.Е, Фортов, А.Г. Храпак, С.А. Храпак [и др.] // Успехи физических наук. - 2004. - Т. 174, № 5. - С. 495-544. - DOI:https://doi.org/10.3367/UFNr.0174.200405b.0495
6. Разработка технологии термоэмиссионного преобразования энергии на основе капельно-плазменной рабочей среды / Д.Г. Лазаренко, Г.Э. Лазаренко, П.И. Прудников, И.И. Андрюшин // Научно-технический вестник Поволжья. - 2013. - № 1. - С. 28-30.
7. Vishnyakov, V.I. Thermodynamic reasons of agglomeration of dust particles in the thermal dusty plasma / V.I. Vishnyakov, G.S.Dragan // Condensed Matter Physics. - 2003. - Vol. 6, No. 4(36). - Pp. 687-692. - DOI:https://doi.org/10.5488/CMP.6.4.687.
8. Смирнов, Б.М. Процессы в плазме и газах с участием кластеров / Б.М. Смирнов // Успехи физических наук. - 1997. - Т. 167, № 11. - С. 1169-1200.
9. Yakubov, I.T. Thermophysical and electrophysical properties of low temperature plasma with condensed disperse phase / I.T. Yakubov, A.G. Khrapak // Soviet Technology Reviews. Section B: Thermal Physics Reviews. - 1989. - Т. 2. - С. 269.
10. Кутепов, А.М. Гидродинамика и теплообмен при парообразовании / А.М. Кутепов, Л.С. Стерман, Н.Г. Стюшин. - М. : Высшая школа, 1986. - 352 с.
11. Писарев, А.Е. Кинетика зарядки низкотемпературной плазмы / А.Е. Писарев // Арктика: инновационные технологии, кадры, туризм. - 2021. - № 1(3). - С. 90-94.
12. Sodha, M.S. Kinetics of Complex Plasmas with Liquid Droplets / M.S. Sodha // Springer Series on Atomic, Optical, and Plasma Physics (SSAOPP), 2014. - Pp. 263-275.
13. Гавриков, A.В. Плазменно-пылевые структуры при внешних воздействиях: зарядка макрочастиц, их динамика и явления переноса : специальность 01.04.08 Физика плазмы : дис. … д-ра ф.-м. наук : защищена 20.05.2019 / Гавриков Андрей Владимирович. - М., 2019. - 110 с.
14. Писарев, А.Е. Сепарация пылевой плазмы магнитными зеркалами / А.Е. Писарев // Физические основы современных наукоемких технологий : сборник Международного научно-методического семинара, посвященного 100-летию со дня рождения профессора А.Л. Гутмана. - Воронеж, 2022. - С. 106-109.
15. Синельников, К.Д. Лекции по физике плазмы / К.Д. Синельников, Б.Н. Руткевич. - Харьков,1964. - 242 с.
16. Роуз, Д. Физика плазмы и управляемые термоядерные реакции / Д. Роуз, М. Кларк. - М. : Госатомиздат, 1963. - 487 с.
17. Bernstein, W. Oscillations in the B-1 Stellarator / W. Bernstein, A.Z. Kranz, F. Tenney // Physics of Fluids. - 1959. - Vol. 2. - C. 713. - DOI:https://doi.org/10.1063/1.1705976.
18. The Divertor, a Device for Reducing the Impurity Level in a Stellarator / C.R. Burnett, D.J. Grove, W.R. Palladino [et al.] // Wakefield Physics of Fluids. - 1958. - Vol. 1. - C. 438. - DOI:https://doi.org/10.1063/1.1724361.
19. Григорьев, И.С. Физические величины: справочник / И.С. Григорьев, Е.З. Мейлихов. - М. : Энергоатомиздат, 1991. - 1232 с.
20. Государственная служба стандартных справочных данных в области использования атомной энергии «РОСАТОМ» НИЯУ МИФИ. Теплофизические свойства жидкого калия и его пара. - URL: http://gsssd-rosatom.mephi.ru/DB-tp-01/K.php (дата посещения: 07.02.2023).
21. Jerby, E. Localized microwave-heating (LMH) of basalt - Lava, dusty-plasma, and ball-lightning ejection by a «miniature volcano» / E. Jerby, Y. Shoshani // Scientific Reports. - 2019. - V. 9. - C. 12954. - DOI:https://doi.org/10.1038/s41598-019-49049-5.
22. Davari, H. Particle simulation of the strong magnetic field effect on dust particle charging process / H. Davari, B. Farokhi, M. Ali Asgarian // Scientific Reports. - 2023. - V. 13. - C. 1111. - DOI:https://doi.org/10.1038/s41598-023-28310-y.
23. Formation of solid helical filaments at temperatures of superfluid helium as self-organization phenomena in ultracold dusty plasma / R.E. Boltnev, M.M. Vasiliev, E.A. Kononov [et al.] // Scientific Reports. - 2019. - V. 9. - C. 3261. - DOI:https://doi.org/10.1038/s41598-019-40111-w.
24. Tao, L.-L. Effects of the dust size distribution on shock waves in dusty plasma / L.-L. Tao, W.-S. Duan // Chinese Journal of Physics. - 2020. - Vol. 68. - Pp. 950-960. - DOI:https://doi.org/10.1016/j.cjph.2020.10.031.
25. Envelope solitons of the nonlinear discrete vertical dust grain oscillation in dusty plasma crystals / A. Houwe, S. Abbagari, M. Inc [et al.] // Chaos, Solitons & Fractals. - 2022. - Vol. 155(6). - C. 111640. - DOI:https://doi.org/10.1016/j.chaos.2021.111640.
26. Лосева, Т.В. Пылевые ионно-акустические ударные волны в лабораторной, ионосферной и астрофизической плазме / Т.В. Лосева, С.И. Попель, А.П. Голубь // Физика плазмы. - 2020. - Т. 46, № 11. - С. 1007-1025. - DOI:https://doi.org/10.31857/S0367292120110049.
27. Процессы зарядки пылевых частиц в замагничной плазме газового разряда / Н.Х. Бастыкова, С.К. Коданова, Т.С. Рамазанов, Ж.А. Молдабеков // Вестник Казахского Национального Университета. Серия физическая. - 2020. - № 1 (72). - С. 42-48. - DOI:https://doi.org/10.26577/RCPh.2020.v72.i1.05.
28. Шумова, В.В. Электрофизические параметры плазмы с заряженным пылевым облаком / В.В. Шумова, Д.Н. Поляков, Л.М. Василяк // Химическая физика. - 2020. - Т. 39, № 12. - С. 37-42. - DOI:https://doi.org/10.31857/S0207401X20120134.
29. Одновременное влияние внешнего магнитного поля и силы трения на локализацию частиц двумерной Юкава системы / Р.У. Машеева, К.Н. Джумагулова, Т.С. Рамазанов, З. Донко // Евразский союз ученых. - 2018. - № 4(49). - С. 48-53.
30. Распространение трехмерного фронта кристаллизации в сильнонеидеальной пылевой плазме / Д.И. Жуховицкий, В.Н. Наумкин, А.И. Хуснулгатин [и др.] // Журнал экспериментальной и теоретической физики. - 2020. - Т. 157, № 4. - С. 734-744. - DOI:https://doi.org/10.31857/S0044451020040173.
31. Файрушин, И.И. Аналитический расчет состава термической пылевой плазмы с металлическими частицами / И.И. Файрушин // Химия высоких энергий. - 2020. - Т. 54, № 6. - С. 497-500. - DOI:https://doi.org/10.31857/S0023119320060042.
32. Исследования пылевой газоразрядной плазмы на космической установке «плазменный кристалл-3 Плюс» (обзор) / А.М. Липаев, В.И. Молотков, Д.И. Жуховицкий [и др.] // Теплофизика высоких температур. - 2020. - Т. 58, № 4. - С. 485-514. - DOI:https://doi.org/10.31857/S0040364420040092.
33. Влияние разных процессов электронной эмиссии на сверхвысокую зарядку пылевой частицы в плазме пучком энергетических электронов / Ю.С. Акишев, А.А. Балакирев, В.Б. Каральник [и др.] // Низкотемпературная плазма в процессах нанесения функциональных покрытий. - 2019. - Т. 10, № 1. - С. 274-279.
