전열 불안정

전열 불안정(문헌에서 이온화 불안정, 비균형화 불안정 또는 벨리호프 불안정이라고도 함)은 MHD 컨버터에 사용되는 자기화 비열 플라스마에서 나타나는 자기유체역학(MHD) 불안정이다.그것은 1962년에 이론적으로 처음 발견되었고 1963년에 Evgeny Velikhov에 의해 MHD 발전기로 실험적으로 측정되었다.^[1][2][3]null

"이 논문은 이온화 불안정성이 뜨거운 전자를 가진 플라즈마 이용의 제1의 문제라는 것을 충분히 구체적으로 주장할 수 있음을 보여준다."

— Dr. Evgeny Velikov, at the 7th International Conference on Ionization Phenomena in Gases, Belgrade, Yugoslavia (1965).^[3]

물리적 설명 및 특성

이러한 불안정성은 비균형 플라즈마(즉, 전자 온도 T가_e 전체 가스 온도 T보다_g 크게 높은 곳)에서 전자 가스의 난류다.그러한 플라즈마에서 충분히 강력한 자기장이 적용되어 임계 홀 변수 β에_cr 도달할 때 발생한다.

국지적으로 전자의 수와 그 온도는 전류와 전기장으로서 변동한다(전자의 밀도와 열 속도).null

벨리호프 불안정성은 일종의 이온화파 시스템으로, 두 온도 가스에 거의 얼었다.판독기는 진공 펌프에 제공되는 저압 제어 게이지(Geissler tube)에 영구 자석으로 횡단 자기장을 적용하는 것만으로도 이러한 정지파 현상을 증명할 수 있다.이 작은 가스 방전 전구에서는 압력이 충분히 낮아졌을 때 전기 예열 방전(공기용 분홍색)을 발생시키는 두 전극 사이에 고전압 전위를 가한다.전구에 횡방향 자기장을 가하면 혈장에 일부 비스듬한 홈이 나타나는데, 대표적인 것은 전열 불안정이다.null

전기 열 불안정은 아주 빠르게, 몇 마이크로초 만에 일어난다.플라즈마는 비균질적이 되어 높은 자유 전자와 낮은 자유 전자 밀도의 교배층으로 변한다.시각적으로 플라즈마는 "접시의 편"으로 층화되어 보인다.null

플라스마에서의 홀 효과

이 절은 출처를 인용하지 않는다. 신뢰할 수 있는 출처에 인용문을 추가하여 이 섹션을 개선할 수 있도록 도와주십시오. 비소싱 소재에 이의를 제기하여 제거할 수 있음(2021년 4월) (이 템플릿 메시지 제거 방법 및 시기 학습)

이온화 기체에서의 홀 효과는 고체에서의 홀 효과와 아무 관련이 없다(홀 매개변수가 항상 단일성에 비해 매우 열등하다).플라즈마에서 홀 파라미터는 어떤 값도 취할 수 있다.null

플라즈마에서 홀 파라미터 β는 전자 자이로주파수 Ω과_e 전자-중량입자 충돌주파수 ν 사이의 비율:

${\displaystyle \beta \,=\,{\frac {\frac _{\no}\,=\,{\frac {e\B}{m_{e}\\nu }}}}$

어디에

e는 전자 전하(1.6 × 10⁻¹⁹ 쿨롱)이다.

B는 자기장(테슬라스에서)이다.

m은_e 전자 질량(0.9 × 10⁻³⁰ kg)이다.

홀 매개변수 값은 자기장 강도에 따라 증가한다.null

물리적으로 홀 매개변수가 낮을 때 무거운 입자(중립자 또는 이온자)와의 두 번의 만남 사이의 전자의 궤적은 거의 선형이다.그러나 홀 매개변수가 높으면 전자 이동은 매우 곡선을 이룬다.전류 밀도 벡터 J는 전기장 벡터 E와 함께 더 이상 콜린어(colinear)가 아니다.두 벡터 J와 E는 홀 각도를 θ으로 만들어 홀 매개변수를 제공한다.

$\displaystyle \\,=\\tan \theta }$

플라즈마 전도도 및 자기장

이 절은 출처를 인용하지 않는다. 신뢰할 수 있는 출처에 인용문을 추가하여 이 섹션을 개선할 수 있도록 도와주십시오. 비소싱 소재에 이의를 제기하여 제거할 수 있음(2021년 4월) (이 템플릿 메시지 제거 방법 및 시기 학습)

홀 매개변수가 높은 비균형 이온화 기체에서는 옴의 법칙이,

${\displaystyle \mathbf {J} =\sigma \mathbf {E}}$

여기서 σ은 전기 전도도(미터당 지멘스)이다.

전기 전도도 σ은 행렬이기^{[dubious – discuss]} 때문에 행렬이다.

${\displaystyle \sigma =\sigma _{s}{\begin{Vmatrix}{\dfrac {1}{1+\beta ^{2}}}&{\dfrac {-\beta }{1+\beta ^{2}}}\\{\dfrac {\beta }{1+\beta ^{2}}}&{\dfrac {1}{1+\beta ^{2}}}\end{Vmatrix}}}$

σ은_S 스칼라 전기 전도성이다.

${\displaystyle \sigma _{s}={\frac {n_{e}\ e^{2}}:{m_{e}\\nu }}}}$

여기서 n은_e 전자 밀도(입방 미터당 전자 수)이다.null

전류 밀도 J에는 두 가지 성분이 있다.

${\displaystyle J_{\parallel }={\frac {n_{e}\ e^{2}}{m_{e}\ \nu }}\ {\frac {E}{1+\beta ^{2}}}\qquad {\text{and}}\qquad J_{\perp }={\frac {-n_{e}\ e^{2}}{m_{e}\ \nu }}\ {\frac {\beta \ E}{1+\beta ^{2}}}}$

그러므로

${\displaystyle J_{\perp }=J_{\parallel }\\beta }}$

홀 효과는 전자를 "크랩워크"로 만든다.null

자기장 B가 높으면 홀 파라미터 β도 높고, ${\displaystyle \frac{1\mathrm{}}{}}$ $1{\displaystyle \frac{\mathrm{}}{}}$+ ${\displaystyle \frac{{}^{}}{}}$ 2${\displaystyle \frac{{}^{}}{}\mathrm{\beta }}$ 1 ${\displaystyle {\frac$ {$1}{1+\beta ^{2}}}\ll$ 1$}$

따라서 두 가지 전도성 모두

${\displaystyle \properma _{\frac _{\probma _{s}}}\\frac \{s}}}\perp \{s}}}}}}}}}반복된 {\frac {\perma _{s}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}반복원복원복원복원복원복원한$

전류가 약해져서 이들 지역에서는 전류가 흐를 수 없다.이는 자기장이 가장 강한 곳에서 전자 전류 밀도가 약한 이유를 설명한다.null

임계 홀 파라미터

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전열 불안정성은 홀 파라미터가 임계값 β보다_cr 높을 때 (T_eg > T) 체계의 플라즈마에서 발생한다.

우리는 가지고 있다.

${\displaystyle f={\frac {\frac\\frac {\mu }{\mu }}\{n_{e}}\right}}{\reft\flac}{n_{e}}\right)}}}$

여기서 μ는 전자 이동성(m²/(V/s))이다.

그리고

${\displaystyle s={\frac {2\k\ T_{e}^{2}}:{E_{i}\;(T_{e}-T_{g})}}}}}}}}}\회 {\frac {1}{1+{dfrac{3}}}}}}}{\dfrac {k\;T_{e}}{E_{i}}}}}}$

여기서 E는_i 이온화 에너지(전자 볼트 단위)와 k 볼트만 상수다.null

불안정의 성장률은

${\displaystyle g={\frac {\sigma \E^{2}}:{n_{e}\;\왼쪽(E_{i}+{3}{2}}k\;;T_{e}\오른쪽)\\\좌측(1+\beta ^{2}\우측)}}\}\(\beta -\beta _{cr}}}$

그리고 중요한 홀 매개변수는

${\displaystyle \property_{cr}=1.935f+0.065+s~}$

임계 홀 파라미터 β는_cr 이온화 α의 정도에 따라 크게 변화한다.

${\displaystyle \cHB ={\frac {n_{i}}{n_{n}}}}}$

여기서 n은_i 이온 밀도 및 n_n 중성 밀도(입방 미터당 입자 수).null

전자-이온 충돌 주파수 ν은_ei 전자-중립 충돌 주파수 ν보다_en 훨씬 크다.

따라서 에너지도가 약한 이온화 α로 전자-이온충돌주파수 ν은_ei 전자중립충돌주파수 ν과_en 같을 수 있다.

• 약하게 이온화된 기체(비 쿨롱비아 플라즈마, < < ν_eien ν when )의 경우:

$\displaystyle \cr}\reason (s^{2}+2s)^{\frac {1}{2}}:}$

• 완전 이온화 가스의 경우(Culombian Plasma, > > ν_eien ):

${\displaystyle \properties _{cr}\reason(2+s)}$

NB: Lyman Spitzer가 소개한 "완전 이온화 가스"라는 용어는 이온화의 정도가 통일이라는 것을 의미하는 것이 아니라, 플라즈마가 쿨롬 충돌 지배를 받고 있다는 것만으로 이온화 정도가 0.01%로 낮은 수준에 해당할 수 있다.null

기술 문제 및 솔루션

이 절은 일차 출처에 대한 참조에 너무 많이 의존한다. 2차 또는 3차 소스를 추가하여 이 섹션을 개선하십시오.(2021년 5월) (이 템플릿 메시지를 제거하는 방법과 시기 알아보기)

전지구적으로 냉각되지만 뜨거운 전자(T_e >> T_g)가 있는 2온가스는 열절제로부터 물질을 보호하면서 가스가 충분한 전기전도도에 도달할 수 있도록 해주기 때문에 실용적인 MHD 컨버터의 핵심 특징이다.이 아이디어는 1960년대 초 Jack L. Kerrebrok와^[4][5][6] Alexander E에 의해 MHD 발전기에 처음 도입되었다. 쉰들린.^[7]null

그러나 전열 불안정으로 인해 예기치 않게 크고 빠른 전류 밀도가 감소하면서 전 세계적으로 많은 MHD 프로젝트가 실패했으며, 이전 계산에서는 이러한 장치의 에너지 전환 효율이 60%를 넘을 것으로 예상되었다.여러 연구자들에 의해 불안정에 대한 연구가 이루어진 반면, 그 당시에는 실질적인 해결책이 발견되지 않았다.^[8][9]이로 인해 비균형 MHD 발전기의 추가 개발을 막았고 대부분의 참여국들은 MHD 발전소 프로그램을 취소하고 1970년대 초 이 연구 분야에서 완전히 은퇴할 수밖에 없었다. 왜냐하면 이 기술적인 문제가 오늘날에는 극복할 수 없는 장애물로 여겨졌기 때문이다.null

그럼에도 불구하고 전열 불안정성 증가율과 임계 상태에 대한 실험 연구에서는 높은 전자 온도에 대한 안정성 영역이 여전히 존재한다는 것을 보여주었다.^[10]안정성은 "완전히 이온화된" 조건(전열 불안정성 증가율을 추월할 수 있을 만큼 빠름)으로 빠르게 전환하여 주어진다. 여기서 홀 매개변수는 충돌 주파수 상승의 원인을 감소시켜 임계치(약 2).전자 온도가 높은 1967년부터는 몇 메가와트의 전력 출력으로 안정적인 작동이 실험적으로 이루어졌다.^{[11][12][13][14][15]}그러나 이 전기 열 제어는 장시간 지속 조건(열절제)에 대해 T를_g 충분히 낮출 수 없으므로 이러한 솔루션은 산업 에너지 전환에 실용적이지 않다.null

불안정성을 제어하기 위한 또 다른 아이디어는 레이저를 통해 비열 이온화 속도를 증가시켜 전극 사이의 스트림 장치에 대한 유도 시스템처럼 작용하여 전자 밀도와 전도도를 증가시킴으로써 이러한 경로를 따라 홀 매개변수를 임계값으로 낮추는 것이다.그러나 이 개념은 실험적으로 실험된 적이 없다.^[16]null

1970년대와 더 최근에는 일부 연구자들이 진동장으로 불안정성을 극복하려고 노력했다.전기장 또는 추가 RF 전자기장의 진동은 홀 매개변수를 국소적으로 수정한다.^[17][18]null

마지막으로, 1980년대 초에 비균종 자기장 덕분에 MHD 컨버터 내의 전열 불안정성을 완전히 소멸시키는 해결책이 발견되었다.강한 자기장은 높은 홀 매개변수를 의미하며, 따라서 매질의 낮은 전기 전도성을 의미한다.그래서 그 아이디어는 자기장이 국소적으로 감쇠되어 있는 다른 전극과 연결되는 "경로"를 만드는 겁니다.그러면 전류가 얇은 플라즈마 코드나 스트림기로서 이러한 낮은 B-필드 경로에서 흐르는 경향이 있는데, 여기서 전자의 밀도와 온도가 상승한다.플라즈마는 국부적으로 쿨롱비안이 되고, 국부 홀 매개변수 값은 떨어지는 반면 임계치는 상승한다.스트림러가 어떠한 불균형도 나타내지 않는 실험은 이 방법으로 얻어졌다.^[19][20][21]이러한 효과는 매우 비선형적이어서 예상하지 못했지만 스트림러 안내에 매우 효과적인 시스템으로 이어졌다.null

그러나 이 마지막 해결책은 MHD 발전에 대한 국제적인 노력이 대부분 국가에서 포기된 지 10년 만에 너무 늦게 발견되었다.1983년 모스크바에서 열린 제9차 MHD 국제회의에서 장 피에르 쁘띠를 만난 에브게니 벨리호프의 동료 블라디미르 S. 골루베프는 자기 안정화 방법의 발명가에게 다음과 같은 언급을^{[citation needed]} 했다.

네가 치료제를 가져오지만 환자는 이미 죽었어

그러나 MHD 발전소의 개발에 너무 늦게 발견될 경우 자기 억제에 의한 이러한 전기열 안정화는 MHD를 공기역학(초음파 비행을 위한 자기소포플라즈마-에어역학)에 향후 적용할 때 관심의 대상이 될 수 있다.^[22]null

참고 항목

• 자기유체역학
• MHD 발생기
• 에브게니 벨리호프

외부 링크

• M. Mitchner, C.H. Kruger Jr. 2온 이온화 불안정:제4장 (MHD) – 섹션 10, 페이지 230–241.Plasma 물리학 과정서 Partial Ionized Gases, John Wiley & Sons, 1973년 (reprint 1992년), Stanford University, CA, USA 기계공학부. ISBN0-471-61172-7

참조