На кафедре разрабатываются и испытываются атмосферные генераторы плазмы – плазмотроны, для различных технологических процессов: обработка или напыление порошковых материалов, например кварца или диоксида циркония, сварка, резка, термообработка, переработка отходов как бытовых, так и медицинских и т.п.

marahtanov
Обработка кварца в аргоновой плазменной струе

Плазмотроны – генераторы низкотемпературной плотной плазмы – нашли самое широкое применение в разных областях человеческой деятельности, особенно в промышленности, благодаря своим уникальным свойствам и возможностям. В плазмотронах получают потоки плазмообразующего вещества с высокой температурой и энтальпией, которые не достигаются другими средствами, получают плазму практически любого вещества.

Генерация плазмы в плазмотронах по сравнению с другими видами нагрева газа, например с помощью химических или ядерных реакций, имеет ряд неоспоримых преимуществ. Используемая для нагрева электрическая энергия – наиболее универсальный, доступный, а в большинстве случаев и наиболее дешевый вид энергии.

В плазмотронах для получения плазмы могут быть использованы практически любые вещества. Плазмотроны обладают широкими возможностями нагрева плазмы в диапазоне температур до тысячи кельвинов. Установки с плазмотронами относительно просты в обслуживании, их производство базируется на хорошо развитых отраслях электромашиностроения, что облегчает внедрение плазменных устройств в современную технику. Особенно интенсивно плазменная техника развивалась в последние 40…50 лет в связи с научно-технической революцией.


Обработка кварца в аргоновой плазменной струе

Разнообразие областей применения и требований к плазменной струе и генератору плазмы привело к большому разнообразию, как в организации рабочего процесса, так и в конструктивном оформлении плазмотронов. В результате этого классификация плазмотронов обычно проводится по ряду разных существенных признаков.

Ионизация газа и образование плазмы требуют значительных затрат энергии. Источником этой энергии может служить тепловая энергия, например высокотемпературных химических реакций (горение), электрическая энергия, реализуемая в различных формах электрических разрядов, энергия электромагнитных излучений, кинетическая энергия ускоренных потоков частиц (электронов, ионов и т.п.).

Наибольшее распространение в качестве источников плазмы получили электрические разряды, в которых нагрев плазмы осуществляется взаимодействием заряженных частиц плазмы с электромагнитным полем. В зависимости от форм электрического разряда, реализуемого в генераторе для получения плазмы, различают электродуговые, высокочастотные и сверхвысокочастотные плазмотроны, а также генераторы на электромагнитных колебаниях оптического диапазона частот – оптических разрядах и потоках частиц высоких энергий – пучковый разряд.


Плазмотрон для переработки отходов Радон

В настоящее время наибольшее распространение и применение получили электродуговые генераторы плазмы – электродуговые плазмотроны.

В зависимости от назначения и области применения различают следующие характерные виды плазмотронов:

Плазменный инструмент – устройства (горелки) для сварки, резки, напыления тугоплавких материалов, бурения и поверхностной обработки твердых пород и т.п. Это устройства относительно небольшой и средней мощности, находящие все более широкое применение в различных видах производства. Уровень мощности от единиц до сотен киловатт.

Плазмохимические реакторы – для осуществления химических реакций в плазменной среде (например, пиролиз метана, получение окиси титана, восстановление чистых веществ из их окислов или хлоридов – урана, титана, германия, тантала и т.д.). Эти устройства обычно большой мощности и промышленного применения уровня от десятков до тысяч киловатт.

Металлургические плазмотроны – для переплава тугоплавких и особо чистых материалов, восстановления чистых материалов, рафинирования, получения монокристаллов и дисперсных материалов. Обычно это также промышленные установки средней и большой мощности.

Плазменные нагреватели в различных процессах – сжигания и переплава разных отходов, розжиг топок котлов и т.п., уровня мощности от десятков до сотен киловатт.

В особую группу можно выделить генераторы плазмы научно-исследовательского назначения – для самого широкого круга исследований при высоких температурах и скоростях потоков, в частности, для изучения аэродинамических, теплофизических и других процессов. Плазмотроны этой группы имеют мощности от единиц киловатт до десятков мегаватт, и область применения плазмотронов и технологий на их основе расширяется.