ТЕПЛОФИЗИКА ВЫСОКИХ ТЕМПЕРАТУР, 2010, том 48, № 6, с. 828-844
УДК 533.9.082.76
ЗОНДОВАЯ ДИАГНОСТИКА ЯДЕРНО-ВОЗБУЖДАЕМОЙ ПЛАЗМЫ
ГЕКСАФТОРИДА УРАНА
© 2010 г. С. К. Кунаков1, Э. Е. Сон2
1Алматинский технологический университет, Республика Казахстан 2Объединенный институт высоких температур РАН, Москва Поступила в редакцию 15.07.2010 г.
Для определения параметров плазмы, образуемой осколками ядерного деления, при уровнях мощности реактора от 100 до 1000 кВт рассмотрено применение зондовой диагностики. Проведены измерения вольт-амперных характеристик плоского и сферического зондов в плазме гелия и шестифтористого урана при давлении в сотни Тор. Концентрация электронов определена по линейному участку электронной ветви, концентрация положительных ионов — по току насыщения и методике, использующей участки ионной ветви при больших отрицательных потенциалах зонда. Предложены кинетические модели плазмы гелия и шестифтористого урана, а также численный анализ ионного состава. В плазме гелия концентрация электронов определяется скоростью ионизации и скоростью диссоциативной рекомбинации с ионами гелия, а в плазме шестифтористого урана — скоростями ионизации и прилипания к молекулам шестифтористого урана. Экспериментальные и расчетные значения концентраций ионов и электронов находятся в удовлетворительном согласии.
ВВЕДЕНИЕ
Метод зондов, предложенный Ленгмюром в 1933 году, заключается в следующем [1]. Электрический зонд — небольшой электрод шаровой, цилиндрической или плоской формы — вводится в плазму. Потенциалу зонда придают значения более высокие, чем потенциалу плазмы ф0 в данном месте. Если зонд находится при потенциале, отличном от ф0, то в окружающем его пространстве возникает электрическое поле, ускоряющее заряды одного знака и отталкивающее заряды другого знака. Полный ток на зонд складывается из ионного тока I и электронного тока 1е
I=I + 4
Зондовая характеристика представляет зависимость полного тока на зонд от потенциала зонда.
Для того чтобы найти параметры плазмы, необходимо вычислить вид зондовой характеристики из некоторой упрощенной теоретической модели и сравнить его с наблюдаемой характеристикой.
Первая теоретическая модель зонда была разработана Ленгмюром в 1924—1932 годах. Модель зонда предполагала монотонный характер изменения потенциала в возмущенной зоне и, как показали более поздние исследования, она строго применима лишь в сильно разреженной плазме. Последующее развитие зондового метода диагностики связано с именем Бома. Бом уточнил формулу Ленгмюра для плотности ионного тока на зонд [2]. Эта формула справедлива для разреженной сильно ионизированной плазмы, а с точки зрения современной терминологии описывает случай
тонкого бесстолкновительного слоя объемного заряда (СОЗ). Результаты сохраняют свою актуальность и в настоящее время. Они используются в практике измерений цилиндрическими и сферическими зондами в покоящейся разряженной плазме при отсутствии различных осложняющих факторов. К числу таких факторов относятся различные элементарные процессы, протекающие вблизи зонда, или процессы на поверхности зонда: эмиссия, отражение, образование поверхностных пленок. Это далеко не полный перечень факторов, влияющих в той или иной степени на зондовый ток. С повышением давления, когда средний пробег становится сравним с размером зонда гр и слоем объемного заряда, на зондовый ток оказывают влияние столкновения между частицами. Условие слабой степени ионизации позволяет пренебрегать кулоновскими столкновениями и учитывать лишь столкновения заряженных частиц с нейтральным фоном, который предполагается заданным. Зонд не изменяет распределения нейтрального фона, который остается равномерным и равновесным во времени. Столкновения заряженных частиц с нейтральными частицами приводят к снижению тока на зонд по сравнению с его значением в бесстолкновительном режиме. Если размеры зонда и слоя объемного заряда оказываются большими по сравнению со средней длиной свободного пробега, то осуществляется режим сплошной среды. Режим сплошной среды характеризуется условием кп = Х/гр < 1. При рабо-
те зонда в режиме сплошной среды принято выделять следующие три предельных случая:
1. гр > га > X — столкновительный тонкий СОЗ;
2. га 0>гр > X — столкновительный толстый СОЗ;
3. гр > X > га — бесстолкновительный тонкий СОЗ.
Два первых режима характеризуются преобладанием столкновений во всех частях плазмы. Движение заряженных частиц определяется процессами диффузии и подвижности, которые описываются с помощью уравнений сплошной среды. Третий режим соответствует случаю, когда движение заряженных частей в квазинейтральной области плазмы описывается явлениями сплошной среды, а в слое объемного заряда, прилегающем к зонду, заряды движутся без столкновений, поскольку толщина слоя объемного заряда мала по сравнению с соответствующими средними длинами свободного пробега X.
Основные уравнения, описывающие работу зонда в режиме сплошной среды в случае слабо-ионизированной плазмы, представляют собой уравнения неразрывности потоков частиц, уравнения энергии электронов и уравнения Пуассона в дополнение к общим уравнениям неразрывности, количества движения и энергии плазмы.
При термодинамически равновесном состоянии в каждом элементарном объеме плазмы над всеми другими процессами преобладает обмен энергий путем столкновений между электронами и тяжелыми частицами, а Те = Т. В этом случае уравнение энергии для электронов оказывается лишним. В ряде задач о плазме с постоянными свойствами предполагается, что отношение Те/Т постоянно (возможно, отличается от единицы), и уравнением энергии электронов пренебрегают.
Если же плазма находится в термодинамически неравновесном состоянии, то температура электронов определяется из уравнения энергии для электронов, учитывающего влияние электронной теплопроводности и электрического поля, а также обмен энергией путем столкновений между электронами и тяжелыми частицами.
Рассмотрим проводящее тело (электрический зонд), находящееся в покоящейся слабоионизо-ванной плазме, содержащей однозарядные положительные и отрицательные ионы и электроны. Будем считать, что степени диссоциации и ионизации основных нейтральных компонент малы. Пренебрежем влиянием ионизации на поле течения нейтральных компонент и влиянием столкновений заряженных частиц между собой (за возможным исключением межэлектронных и ион-электронных столкновений) на процессы переноса.
Рис. 1. Экспериментальная установка для зондовой диагностики плазмы газовых смесей в поле излучения стационарного ядерного реактора: 1 — ампула с исследуемой смесью; 2 — активная зона реактора; 3 — диагностический канал; 4 — сигнальные провода.
1. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ ЗОНДОВОЙ ДИАГНОСТИКИ ПЛАЗМЫ,
ОБРАЗОВАННОЙ В АКТИВНОЙ ЗОНЕ СТАЦИОНАРНОГО ЯДЕРНОГО РЕАКТОРА
Расположение экспериментального канала для зондовой диагностики плазмы, образованной продуктами ядерных реакций, схематически приведено на рис. 1. Диагностический канал выполнен из стальной трубы. На этом же рисунке изображена диагностическая ячейка, которая имеет форму цилиндра диаметром 40 мм, с одним из оснований под корпус с патрубком для заполнения исследуемым газом. В центре другого основания ячейки вваривается гермоввод с тремя выводами, к которым с помощью контактной сварки крепятся зонды различной конфигурации: цилиндрический, сферический и плоский. Зонды крепятся на керамических державках. Нерабочая часть зонда защищена от контакта с плазмой изолятором, изготовленным из кварцевых трубок. Откачка, прогрев и заполнение ампул исследуемой смесью проводятся на высоковакуумной установке. После заполнения ампул хвостовик ячейки, где вставлена медная трубка, пережимается на специальном пережимном устройстве и обрезается. Толщина пережима экспериментально подбирается с расчетом сохранения герметичности ячейки. Затем в образованную часть хвостика вставляют патрубок из нержавеющей стали и производится заваривание верхней части хвостика. После сварки сохранения герметичности проверяется течеискателем. К внешним выводам гермовводов крепятся нихромовые провода в керамической изоляции. Керамическая изоляция необходима для обеспечения надежной изоляции в области активной зоны реактора. Система регистрации
вольт-амперных характеристик зондов состоит из генератора пилообразного напряжения, соединенного с двухкоординатным самописцем, блока питания, реостата и двух цифровых вольтметров.
Зондовая характеристика может быть искажена вторичной эмиссией заряженных частиц с поверхности зонда [3]. Испускание вторичных заряженных частиц с поверхности происходит под воздействием атомов, ионов, электронов, фотонов и осколков деления ядер [4]. При взаимодействии электронов, ионов, атомов и осколков деления с поверхностью металла происходит несколько процессов одновременно: рассеяние первичных частиц в виде заряженных и нейтральных частиц, вторичная электронная эмиссия, катодное распыление металла и адсорбированных на поверхности пленок. При высокой температуре (выше 800 К), эти явления сопровождаются испарением с поверхности атомов в виде нейтральных и заряженных частиц, кроме того, появляется термоэлектронная эмиссия.
При отрицательном потенциале наиболее существенное влияние на зондовую характеристику оказывает вторичная электронная эмиссия, происходящая при взаимодействии с поверхностью зонда положительных ионов, фотонов, метаста-бильных атомов и осколков деления. Вторичная эмиссия приводит к завышению величины ионного тока. При положительном потенциале зонда ее влияние меньше, так как вторичные электроны в этом случае попадают в тормозящее электрическое поле.
Выход вторичных электронов на ион, попавший на поверхность металла, называется коэффициентом вторичной эмиссии у. Значение у определяется, прежде всего, кинетической энергией бомбардирующих частиц, родом частиц, родом металла и его состоянием. Существует два основных механизма эмиссии: кинетическая и потенциальная. Первая связана с передачей электронам металла части кинетической энергии бомбардирующих частиц, а вторая — с нейтрализацией заряженн
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.