Elektrotermická nestabilita - Electrothermal instability

Elektrotermické nestabilita (také známý jako ionizační nestability , nerovnovážné nestability nebo Velichov nestability v literatuře), je magnetohydrodynamic (MHD) nestabilita se objeví v zmagnetizované netermickými plazmatu používaných v MHD měniče . Poprvé to bylo teoreticky objeveno v roce 1962 a experimentálně změřeno do generátoru MHD v roce 1963 Evgeny Velikhov .

„Tento článek ukazuje, že je možné dostatečně konkrétně tvrdit, že ionizační nestabilita je problémem číslo jedna pro využití plazmy s horkými elektrony.“

-  Dr. Evgeny Velikov na 7. mezinárodní konferenci o ionizačních jevech v plynech, Bělehrad, Jugoslávie (1965).

Fyzické vysvětlení a vlastnosti

Vývoj elektrotermální nestability ve Faradayově MHD převaděči. Vedení elektrického proudu.

Tato nestabilita je turbulence z elektronového plynu v nerovnovážné plazmy (tj, kde je teplota elektronů T e je značně vyšší, než je celková teplota plynu T g ). Vzniká, když se v takové plazmě aplikuje dostatečně silné magnetické pole a dosáhne kritického Hallova parametru β cr .

Lokálně počet elektronů a jejich teplota kolísá ( hustota elektronů a tepelná rychlost ) jako elektrický proud a elektrické pole .

Velikhovova nestabilita je druh systému ionizačních vln, téměř zmrzlý ve dvou teplotním plynu. Čtenář může prokázat takovýto jev stacionárních vln pouhým použitím příčného magnetického pole s permanentním magnetem na nízkotlakém regulačním měřidle ( Geisslerova trubice ) poskytovaném na vakuových pumpách. V této malé baňce s plynovým výbojem je mezi dvěma elektrodami aplikován elektrický potenciál vysokého napětí, který generuje elektrický výboj (do vzduchu narůžovělý), když je tlak dostatečně nízký. Když se na baňku aplikuje příčné magnetické pole, objeví se v plazmě nějaké šikmé drážky, typické pro elektrotermální nestabilitu.

Elektrotermická nestabilita nastává extrémně rychle, během několika mikrosekund. Plazma se stává nehomogenní, transformuje se do střídavých vrstev s vysokým volným elektronem a špatnými volnými elektronovými hustotami. Vizuálně vypadá plazma rozvrstvená jako „hromada desek“.

Hallův efekt v plazmě

Hallův jev v ionizovaných plynů, nemá nic společného s Hallova jevu v pevných látkách (kde parametr Hall je vždy velmi nižší než jednoty). V plazmě může mít Hallův parametr jakoukoli hodnotu.

Parametr β Hall v plazmě je poměr mezi elektronovým gyrofrequency w e a elektronové těžké částice kolize frekvence VCO:

kde

e je elektronový náboj (1,6 × 10 −19 coulomb )
B je magnetické pole (v teslach )
m e je hmotnost elektronu (0,9 × 10 −30 kg)

Hodnota Hallova parametru se zvyšuje se silou magnetického pole.

Fyzicky, když je Hallův parametr nízký, jsou trajektorie elektronů mezi dvěma setkáními s těžkými částicemi (neutrální nebo iontové) téměř lineární. Pokud je ale Hallův parametr vysoký, pohyby elektronů jsou vysoce zakřivené. Proudová hustota vektor J již není kolineární s elektrického pole vektoru E . Dva vektory J a E tvoří Hallův úhel θ, který také udává Hallův parametr:

Plazmová vodivost a magnetické pole

V nerovnovážném ionizovaném plynu s vysokým Hallovým parametrem, Ohmův zákon ,

kde σ je elektrická vodivost (v siemens na metr),

je matice , protože elektrická vodivost σ je matice:

σ S je skalární elektrická vodivost:

kde n e je hustota elektronů (počet elektronů na metr krychlový).

Hustota proudu J má dvě složky:

Proto,

Hallův efekt dělá elektrony „crabwalk“.

Když je magnetické pole B vysoké, je Halův parametr β také vysoký, a

Tedy obě vodivosti

zeslábnout, proto v těchto oblastech nemůže proudit elektrický proud. To vysvětluje, proč je hustota elektronového proudu slabá tam, kde je magnetické pole nejsilnější.

Kritický Hallův parametr

Elektrotermická nestabilita nastává v plazmě v režimu (T e > T g ), když je Hallův parametr vyšší než kritická hodnota β cr .

My máme

kde μ je pohyblivost elektronů (vm 2 / ( V · s ))

a

kde E i je ionizační energie (v elektronvoltů ) a K je Boltzmannova konstanta .

Tempo růstu nestability je

A kritický Hallův parametr je

Kritický Hallův parametr β cr se velmi liší podle stupně ionizace α:

kde n i je hustota iontů a n n neutrální hustota (v částicích na metr krychlový).

Frekvence srážek elektronů a iontů ν ei je mnohem větší než frekvence srážek elektronů a iontů ν en .

Proto se při slabém energetickém stupni ionizace α může srážková frekvence elektron-iont ν ei rovnat srážkové frekvenci elektron-neutrální ν en .

  • Pro slabě ionizovaný plyn (non-Coulombianova plazma, když ν ei en ):
  • Pro plně ionizovaný plyn (Coulombova plazma, když ν ei > ν en ):

Pozn .: Termín „plně ionizovaný plyn“, zavedený Lymanem Spitzerem , neznamená, že stupeň ionizace je jednota, ale pouze to, že v plazmě dominuje Coulombova kolize, což může odpovídat stupni ionizace až 0,01%.

Technické problémy a řešení

Dvouteplotní plyn, globálně chladný, ale s horkými elektrony (T e >> T g ), je klíčovým prvkem praktických převodníků MHD, protože umožňuje plynu dosáhnout dostatečné elektrické vodivosti a zároveň chránit materiály před tepelnou ablací . Tuto myšlenku poprvé pro generátory MHD představili na počátku 60. let Jack L. Kerrebrock a Alexander E. Sheindlin .

Ale neočekávaný velký a rychlý pokles hustoty proudu způsobený elektrotermickou nestabilitou zničil mnoho projektů MHD po celém světě, zatímco předchozí výpočet předpokládal u těchto zařízení účinnost převodu energie přes 60%. Zatímco o nestabilitě provedli různé studie různí vědci, v té době nebylo nalezeno žádné skutečné řešení. To zabraňovalo dalšímu rozvoji nerovnovážných generátorů MHD a přimělo většinu angažovaných zemí zrušit své programy elektráren MHD a úplně odejít z této oblasti výzkumu na začátku 70. let, protože tento technický problém byl v dnešní době považován za neprůchodný kámen úrazu.

Experimentální studie o rychlosti růstu elektrotermální nestability a kritických podmínkách nicméně ukázaly, že stále existuje oblast stability pro vysoké teploty elektronů. Stabilita je dána rychlým přechodem na „plně ionizované“ podmínky (dostatečně rychlé na to, aby předběhly tempo růstu elektrotermální nestability), kde Halův parametr klesá, protože stoupá frekvence kolize pod její kritickou hodnotu, která je pak asi 2. Stabilní provozu s výkonem několika megawattů bylo experimentálně dosaženo od roku 1967 při vysoké teplotě elektronů. Ale to elektrotermické řízení neumožňuje ke snížení energie T g dostatečně nízká pro dlouhé trvání podmínek (termální ablace), takže toto řešení není praktické pro každé průmyslové přeměny energie.

Další myšlenkou řízení nestability by bylo zvýšení rychlosti netermální ionizace díky laseru, který by fungoval jako naváděcí systém pro fáborky mezi elektrodami, zvyšující hustotu elektronů a vodivost, a tudíž snižující Hallův parametr pod jeho kritickou hodnotu podél těchto cesty. Ale tento koncept nebyl nikdy experimentálně testován.

V sedmdesátých letech a později se někteří vědci pokoušeli zvládnout nestabilitu oscilačními poli . Oscilace elektrického pole nebo dalšího vysokofrekvenčního elektromagnetického pole lokálně upravují Hallov parametr.

A konečně, na začátku 80. let bylo nalezeno řešení, jak zcela zničit elektrotermickou nestabilitu v MHD převaděčích díky nehomogenním magnetickým polím . Silné magnetické pole implikuje vysoký Hallův parametr, tedy nízkou elektrickou vodivost v médiu. Myšlenkou tedy je vytvořit několik „cest“ spojujících elektrodu s druhou, kde je magnetické pole lokálně utlumeno . Pak má elektrický proud tendenci protékat těmito cestami s nízkým B polem jako tenké plazmové šňůry nebo streamery , kde se zvyšuje hustota elektronů a teplota. Plazma se stává lokálně Coulombian a hodnota místního Hallova parametru klesá, zatímco její kritická prahová hodnota stoupá. Pomocí této metody byly získány experimenty, kde streamery nepředstavují nehomogenitu. Tento efekt, silně nelineární , byl neočekávaný, ale vedl k velmi účinnému systému vedení streamerů.

Toto poslední funkční řešení však bylo objeveno příliš pozdě, 10 let poté, co bylo ve většině zemí opuštěno veškeré mezinárodní úsilí o výrobu energie MHD. Vladimír S. Golubev , spolupracovník Evgeny Velikhova, který se setkal s Jeanem-Pierre Petitem v roce 1983 na 9. mezinárodní konferenci MHD v Moskvě, uvedl vynálezce metody magnetické stabilizace následující:

Přinesete lék, ale pacient už zemřel ...

Tato elektrotermická stabilizace magnetickým uzavřením, pokud bude nalezena příliš pozdě na vývoj elektráren MHD, by však mohla být zajímavá pro budoucí aplikace MHD v aerodynamice (magnetoplazmaticko-aerodynamika pro hypersonický let ).

Viz také

externí odkazy

  • M. Mitchner, CH Kruger Jr., Nestabilita ionizace při dvou teplotách : Kapitola 4 (MHD) - Část 10, s. 230–241. Z učebnice fyziky plazmy Částečně ionizované plyny , John Wiley & Sons , 1973 (dotisk 1992), Katedra strojírenství, Stanford University , CA, USA. ISBN   0-471-61172-7

Reference