Разработка методов исследования теплофизики взаимодействия плазмы с твердым телом в термоэмиссионных дуговых и термоядерных системах

• Автор: Зимин, Александр Михайлович
• Шифр специальности: 01.04.14
• Научная степень: Докторская
• Год защиты: 2003
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 411 с. : ил.

1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА И СОСТОЯНИЕ ИССЛЕДОВАНИЙ ПРОЦЕССОВ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ПЛАЗМЫ С ТВЕРДЫМ ТЕЛОМ
1.1. Постановка замкнутых нелинейных задач для решения проблемы ресурса твердых тел, контактирующих с плазмой
1.2. Взаимосвязь факторов разрушения или деградации и элементарных процессов взаимодействия плазмы с твердым телом
1.3. Анализ состояния расчетно-теоретических исследований процессов на термоэмиссионных катодах
1.3.1. Методы расчета термокатодов
1.3.2. Физико-математические модели для описания процессов в твердом теле
1.3.3. Модели для описания процессов на поверхности катода
1.3.4. Физико-математические модели для описания процессов в прикатодной области
1.4. Исследования процессов взаимодействия плазмы термоядерного реактора ИТЭР с бериллиевыми компонентами, обращенными к плазме
1.5. Задачи исследований
2. ЧИСЛЕННЫЕ МОДЕЛИ ПРОЦЕССОВ НА СИЛЬНОТОЧНЫХ ТЕРМОЭМИССИОННЫХ КАТОДАХ
2.1. Математические модели процессов в твердом теле
2.1.1. Температурное состояние термокатода
2.1.2. Диффузия активирующей присадки в металле катода
2.2. Математические модели для расчета прикатодной области
2.2.1. Слой пространственного заряда
2.2.2. Ионизационный слой

2.2.3. Приэлектродный участок дуги
2.3. Модели процессов на поверхности раздела твердое тело
плазма
3. МЕТОДЫ РАСЧЕТА КАТОДНЫХ ПРОЦЕССОВ В НЕКОТОРЫХ ПЛАЗМЕННЫХ УСТРОЙСТВАХ
3.1. Метод расчета катодных процессов в генераторах низкотемпературной плазмы - плазмотронах
3.2. Методы расчета катодных процессов в стационарных и частотных источниках высокоинтенсивного света
3.3. Методы расчета активированных термокатодов
3.4. Метод расчета катодных процессов совместно с приэлектродным участком дуги
3.5. Алгоритмы для реализации численных методов расчета катодных процессов на ЭВМ
4. АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ РАСЧЕТОВ КАТОДНЫХ ПРОЦЕССОВ
4.1. Результаты расчетов по замкнутым моделям и сравнение с экспериментом
4.1.1. Результаты расчетов термокатодов плазменных устройств
4.1.2. Сравнение с экспериментом
4.1.3. Сравнение результатов по различным методам расчета
4.2. Оптимизация катодных узлов
4.3. Об упрощенных методах расчета катодных процессов
5. МЕТОДЫ И СТЕНД ДЛЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ПЛАЗМЫ С БЕРИЛЛИЕВЫМИ ЭЛЕМЕНТАМИ КОНСТРУКЦИИ ТЕРМОЯДЕРНОГО РЕАКТОРА

5.1. Бериллий - основной кандидатный материал для экранов первой стенки реактора - токамака
5.2. Моделирование взаимодействия плазмы ТЯР с бериллиевыми элементами КОП
5.3. Экспериментальный стенд для моделирования взаимодействия плазмы с бериллиевыми элементами конструкции термоядерного реактора
5.3.1. Основные системы стенда
5.3.2. Сбор и обработка данных
5.3.3. Система автоматического управления динамическим вакуумом
5.4. Магнитные и энергетические характеристики моделирующей системы
5.5. Удаленная спектральная диагностика плазмы в магнетронном разряде
6. АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ПЛАЗМЫ ИЗОТОПОВ ВОДОРОДА С БЕРИЛЛИЕВЫМИ ЭЛЕМЕНТАМИ КОП
6.1. Продукты эрозии бериллия и осажденные пленки
6.2. Распыление и переосаждение продуктов эрозии бериллиевых мишеней при бомбардировке ионами дейтерия
6.3. Динамика дуговых привязок на поверхности бериллия
6.4. Моделирование работы первого зеркала оптической диагностики плазмы реактора ИТЭР
7. РАСЧЕТНО-ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ИНТЕРПРЕТАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ МОДЕЛИРОВАНИЯ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ПЛАЗМЫ ИЗОТОПОВ ВОДОРОДА С БЕРИЛЛИЕВЫМИ ЭЛЕМЕНТАМИ КОП
Завершая обзор методов расчета катодных процессов, необходимо отметить несколько работ, не содержащих замкнутые системы уравнений, а посвященных определению лишь каких-то отдельных величин (например, плотности тока на электроде, температуры рабочей поверхности, теплового потока в катод и т.п.), которые должны находиться для исследуемого плазменного устройства в достаточно узком диапазоне, обусловленном работоспособностью системы. Так например, в уже упомянутой работе [50] рассчитываются все характеристики катодных процессов при задании температуры рабочей поверхности катода Тк, затем вычисляется тепловой поток в электрод qo, а после этого подбирается соответствующая геометрия катода. Во многом схожая постановка, близкая к оптимизационной, используется в [52].
Указанный подход привлекателен тем, что для конкретных условий работы катода ищется решение, удовлетворяющее заведомо каким-то ограничениям, накладываемым на диапазон изменения важнейших параметров. Однако полученные рекомендации по выбору, например, геометрии катода выполнимы не во всех случаях. Из решения могут быть получены такие величины и Гк, которые нельзя реализовать ни при каких геометрических размерах электрода из заданного материала (такой случай наблюдается, например, при существенной роли джоулева тепловыделения в общем энергобалансе катода).
Итак, имеющиеся к настоящему времени методы расчета процессов на термокатодах, к сожалению, не позволяют решить главные задачи проектирования: во-первых, определить характеристики приэлектродных процессов для реальных конструкций термоэмиссионных катодных узлов, во-вторых, рассчитать количественные характеристики их работоспособности и в-третьих, разработать методы их многопараметрической оптимизации, имеющей целью повышение ресурса катодов.