Исследование зарядового состава плазмы диффузной вакуумной дуги в аксиальном магнитном поле с термоэмиссионным катодом (Gd)

Apr 5, 2024, 10:30 AM
15m
Конференц-зал

Конференц-зал

Ижорская улица, 13с2
Секция физики высокотемпературных процессов

Speakers

Артемий Ильич Белостоцкий (МФТИ) А.Д. Мельников (ОИВТ РАН) Р.А. Усманов (ОИВТ РАН) А.В. Гавриков (ОИВТ РАН)

Description

Создание технологии плазменной сепарации отработавшего ядерного топлива подразумевает под собой решение трех принципиальных задач: испарения и ионизации конденсированного вещества топлива или отходов, пространственного разделения потоков тяжелых и легких ионов и сбора отсепарированного вещества [1]. В рамках решения первой задачи необходимо создать источник, генерирующий поток однократно ионизованной плазмы со степенью ионизации близкой к 100%. В качестве такого источника предлагается использовать диффузную вакуумную дугу на подогреваемом катоде, так как она является перспективным вариантом решения данной задачи [2].

Плазмообразующей средой в данном типе разряда является пар катода. Таким образом, в катодном слое, являющимся областью наиболее интенсивных ионизационных процессов, наибольшая концентрация нейтральной компоненты. В результате чего достигается высокая степень ионизации выходящего из источника потока плазмы (до 100% [3]).

Разряд инициируется в цилиндрической вакуумной камере при давлении остаточных газов ⁓10—5 Торр. В эксперименте материал катода помещается в тугоплавкий тигель из молибдена, который разогревается при помощи электронно-лучевого подогрева. Температура варьируется от 1800 до 2500 К, подводимая к катоду мощность – до 2 кВт. Анод представляет собой молибденовый диск диаметром 100 мм с центральным отверстием диаметром 14 мм. Расстояние между катодов и анодом – 50 мм. Магнитное поле создается горизонтально расположенными катушками Гельмгольца. В ходе экспериментов ток разряда может варьироваться от 30 до 60 А, напряжение разряда от 5 до 40 В, магнитное поле от 0 до 500 Гс.

В данной работе был проведен спектральный анализ излучения плазмы дугового разряда с катодом из гадолиния для получения зависимости ионного состава плазмы от величины тока и напряжения разряда и внешнего аксиального магнитного поля. Для анализа зарядового состава плазмы были выбраны разрешаемые линии Gd, его однократного (Gd+) и двукратного (Gd++) ионов. Для сбора излучения плазмы использовался двухканальный спектрометр AvaSpec-ULS2048L-2-USB2: диапазон измерений – 200—965 нм, разрешение – 0,14—0,38 нм. Пример спектра излучения плазмы представлен на рис.1.

В приближении локального термодинамического равновесия, считая температуру электронов неизменной, интенсивности линий излучения ионов пропорциональны концентрациям соответствующих компонент [4]. Таким образом, из анализа изменения нормированных интенсивностей можно делать выводы о динамике изменения концентрации отдельных компонент.

Было проведено 2 серии экспериментов: в первой серии при фиксированном токе разряда (I1 = 40 A, I2 = 30 А) и магнитном поле (B1 = 0 Гс, B2 = 100 Гс) регистрировались эмиссионные спектры плазмы при изменении напряжения разряда от 5 до 30 В; во второй серии – при фиксированных напряжении и токе разряда (U = 6 В, I = 40 А) снимались спектры при изменении магнитного поля от 0 до 200 Гс. Пример полученных результатов представлен на рис.2.

По результатам экспериментов было обнаружено, что максимальным концентрациям однозарядной и нейтральной компоненты соответствуют напряжения разряда 5—7 В, что согласуется с ранее полученными результатами в отсутствии магнитного поля [5]. При увеличении магнитного поля интенсивности всех линий возрастают, причем интенсивность линии Gd+ остается на порядок больше других.

Таким образом, напряжения разряда 5—7 В (при токах разряда 30, 40 А) соответствуют максимальной концентрации однозарядных ионов, что удовлетворяет требованиям плазменной сепарации. Причем, было показано, что в магнитном поле возможно реализовать режимы с низким напряжением 5—6 В, увеличивая мощность ЭЛП. Таким образом, при повышении магнитного поля (до 200 Гс) увеличивается доля только однократных ионов. Это делает диффузную вакуумную дугу в магнитном поле одним из возможных источников плазмы, подходящим для задачи плазменной сепарации.

Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда № 23-72-10073, https://rscf.ru/project/23-72-10073/


[1] Liziakin G. [et al.]. Plasma mass separation in configuration with potential well //Journal of Physics D: Applied Physics. 2021. V. 54(41): 414005.
[2] Usmanov R. A. [et al.]. Diffuse vacuum arc with heated cathode made of ceramic (CeO2) and metal (Cr) mixture //Plasma Sources Science and Technology. 2020. V. 29(1): 015004.
[3] Amirov R. K. [et al.]. Diffuse vacuum arc on the nonthermionic lead cathode //IEEE Transactions on Plasma Science. 2016. V. 45(1). P. 140—147.
[4] Лохте-Хольтгревен В. Методы исследования плазмы. Спектроскопия, лазеры, зонды. 1971.
[5] Амиров Р. Х. [и др.]. Исследование возможности применения диффузной вакуумной дуги как источника плазмы для разработки технологии плазменной сепарации ОЯТ и РАО //Ядерная физика и инжиниринг. 2014. V. 5(11—12). P. 952—952.

Primary authors

Presentation materials