Испарение и ионизация веществ, моделирующих отработавшее ядерное топливо, в вакуумном дуговом разряде с подогреваемым катодом

Экспериментально исследованы процессы испарения и ионизации веществ (гадолиний, свинец, диоксид церия), моделирующих отработавшее ядерное топливо, в условиях диффузной вакуумной дуги с подогреваемым катодом. Цель: выяснение возможности применения диффузной формы вакуумной дуги в качестве источника плазмы для задачи плазменной сепарации отработавшего ядерного топлива. Изучены свойства вакуумных дуг на перечисленных катодных материалах (скорость испарения катодов, вольтамперные характеристики разрядов, возможность управления напряжением разряда путем изменения температуры катода), а также параметры образующейся в плазмы (компонентный состав, температура и концентрация электронов, средний заряд потока тяжелых частиц, энергии ионов). Для диагностики плазмы применялись оптические и зондовые методы исследований, в том числе одиночный зонд Ленгмюра, конденсационный зонд и многосеточный зонд. Скорость испарения катода измерялась методом взвешивания. Получены новые экспериментальные данные о параметрах плазмы диффузной вакуумной дуги на термоэмиссионном катоде из гадолиния в зависимости от температуры катода и напряжения горения разряда. Экспериментально реализован режим работы на данном катоде, при котором образуется высокоионизованная (до 100%) плазма, представленная преимущественно однозарядными ионами, удовлетворяющая требованиям технологии плазменной сепарации ОЯТ. Впервые экспериментально реализован диффузный вакуумный дуговой разряд на нетермоэмиссионном катоде из свинца. Измерены ВАХ разряда и величина теплового потока, поступающего из плазмы в катод, а также температура электронов и средний заряд тяжелых частиц плазменного потока. Экспериментально показано двукратное сокращение скорости испарения свинца в условиях разряда в сравнении с термическим испарением. Проведена оценка максимальной величины тока ионов, возвращающихся из плазмы разряда на катод, подтверждающая гипотезу о преимущественно ионном механизме переноса заряда на его поверхности. Впервые экспериментально реализована диффузная вакуумная дуга на горячем керамическом катоде из диоксида церия, моделирующем испарение и ионизацию диоксида урана. Определены параметры, при которых существует стационарный разряд. Получены данные о параметрах вакуумной дуги на катоде из диоксида церия и образующейся в ней плазмы. Дано описание особенностей работы разряда на оксидном катоде.