Низкотемпературная плазма

С целью создания новых плазмохимических реакторов и высокоэффективных электродуговых генераторов плазмы в институте проводятся полномасштабные исследования по физике и химии низкотемпературной плазмы. Развиваются технологии углубленной переработки энергетического сырья с использованием плазмохимических процессов.

В исследованиях плазмы с конденсированной дисперсной фазой получены данные о механизмах и сечениях возникновения и гибели заряженных и возбужденных частиц, выявлены новые каналы прилипания электронов, прямой и задержанной ионизации.

Стратификация разряда в воздухе  при сильной анизотропии внешних  граничных условий.

Вихревые структуры в плазме при  лазерном испарении стали в воздухе.  Слева – эксперимент по свечению  плазмы (A. Pereira et al., J. Appl. Phys.,  98(2005) 064902), справа – результаты  моделирования на основе уравнения  Навье–Стокса с диффузией.

Зарегистрирован объемный стратифицированный газовый разряд низкого давления в среде ряда молекулярных газов.

Развиты масс-спектрометрические, оптические и зондовые методики исследования динамики и химической кинетики нестационарной плазмы, образованной при воздействии на вещество лазерных импульсов. Разработаны теоретические модели разлета лазерной плазмы в вакуум и в фоновый газ с учетом процессов ионизации, рекомбинации, конденсации, диффузии, поглощения плазмой излучения. Обнаружены и впервые описаны такие эффекты взаимодействия плазменного факела с внешним газом, как пульсирующий разлет плазмы и возникновение в ней вихревых структур. Развиты методы синтеза тонких пленок и кластеров одно- и многокомпонентных материалов.

Создан не имеющий аналогов генератор плазмы, в котором реализован замкнутый безэлектродный индукционный электрический разряд трансформаторного типа, работающий при атмосферном давлении газа. Изучено влияние состава газа и внешнего магнитного поля на спектральные характеристики разряда. Предложены пути увеличения и регулирования светимости в видимой и ультрафиолетовой областях спектра.

Для традиционных дуговых генераторов плазмы проведены исследования приэлектродных процессов, позволившие оптимизировать тепловое состояние и эрозию термоэмиссионных катодов. Установлено определяющее влияние рециклинга атомов вольфрама в прикатодной области на величину удельной эрозии и ресурс работы термокатодов. Развиты методы изготовления составных электродов с рекордно низкой удельной эрозией. На основе тепловой модели предложены пути существенного увеличения ресурса холодных электродов сильноточных разрядов и установлены критерии длительности их работы.

Результаты исследований генератора плазмы с выходным ступенчатым электродом показали реальную возможность получения восходящих вольт-амперных характеристик дуги и устойчивое ее горение в безбалластном режиме (электрический КПД близок к 1).

Предложена новая схема организации дугового разряда, в которой в качестве электродов используется поверхность расплавленного металла. Использование разряда такого типа решает важнейшую проблему дуговых генераторов плазмы, проблему эрозии электродов и соответственно снимает ограничения на ресурс их работы и на тип плазмообразующего газа. Установлены критериальные соотношения для определяющих параметров разрядов. Выполнено обобщение электрических и тепловых характеристик электродуговых генераторов с жидкометаллическими электродами. На базе такого разряда создан плазмохимический реактор и проведены исследования процесса конверсии жидких и газообразных углеводородов.

Получены данные по кинетике образования диоксинов при разложении полихлорбифинилов в плазме водяного пара и воздуха и определены условия минимального образования диоксинов/ фуранов. Разработаны базовые основы технологии плазмохимической переработки токсичных отходов.

Разработаны конструкции генераторов дуговой плазмы для розжига пылеугольных потоков в энергетических котлах ТЭС, плазменного напыления порошковых материалов, сварки тонкостенных листов металлов, переработки бытовых и промышленных отходов.
 

Схема плазмотрона с жидкометаллическими электродами и его вольт-амперные  характеристики при работе на паре и на воздухе.

Генерация плазменной струи дуговым плазмогенератором.

Пылеугольный факел,  воспламененный плазмой.  Расход угля – 2 т/ч.

• Аньшаков А.С., Быков А.Н., Тимошевский А.Н., Урбах Э.К. Взаимосвязь эрозионных процессов с аэродинамикой закрученного потока в цилиндрическом электроде // Теплофизика и аэромеханика. 2002. Т. 9, № 4.
• Даутов Г.Ю., Аньшаков А.С., Саломатов В.В. и др. Генерация низкотемпературной плазмы и плазменные технологии. Проблемы и перспективы. Новосибирск: Наука, Сиб. предпр. РАН, 2004. (Низкотемпературная плазма. Т. 20).
• Булгаков А.В., Булгакова Н.М. Тепловая модель импульсной лазерной абляции в условиях образования и нагрева плазмы, поглощающей излучение // Квантовая электроника. 1999. Т. 27, № 2.
• Bulgakova N.M., Bulgakov A.V., Bobrenok O.F. Double layer effects in laser-ablation plasma plumes // Phys. Rev. E. 2000. V. 62, N. 4.
• Востриков А.А., Самойлов И.В. Формирование отрицательных кластерных ионов при захвате электронов // Письма в ЖТФ. 1992. Т. 18. вып. 7.
• Предтеченский М.Р., Тухто О.М. Плазмохимический реактор с жидкометаллическими электродами // Химия высоких энергий. 2006. Т. 40, № 2.
• Карпенко Е.И., Мессерле В.Е., Перегудов B.C. Плазменная тсрмохимподготовка углей для снижения потребления мазута на угольных ТЭС // Теплоэнергетика. 2002. № 1.
• Нерушев О.А., Новопашин С.А., Радченко В.В., Сухинин Г.И. Сферические страты в тлеющем разряде // Письма в ЖЭТФ. 1997. Т. 66, вып. 11.
• Уланов И.М., Рубцов Н.А., Солдатов С.Н., Васильковская А.С. Экспериментальное исследование индукционных разрядов трансформаторного типа // Теплофизика и аэромеханика. 1997. Т. 4, № 1.
• Жуков М.Ф. и др. Электродуговые генераторы с межэлектродными вставками. Новосибирск: Наука, 1981.