В настоящее время актуальной является проблема обеспечения энергией удаленных и изолированных территорий РФ в разных климатических зонах, а также создания компактных энергонасыщенных орбитальных, инопланетных и подводных комплексов различного технологического назначения. На Международной конференции Арктика-2021 ФТИ им. А.Ф. Иоффе предложил разработать и экспериментально апробировать концепцию мобильной энергетики, основанной на малых ядерных реакторах тепловой мощностью до 5 МВт, которые используют преобразователи тепла, являющиеся наиболее эффективными с точки зрения термодинамики. Одним из таких преобразователей является разрабатываемый в ФТИ им. А.Ф. Иоффе высокотемпературный термоэмиссионный преобразователь энергии (ТЭП), работающий в бесстолкновительном режиме. Он вырабатывает электроэнергию с высокими удельными характеристиками, а его КПД приближается к КПД цикла Карно. При высоких температурах эмиттера такой преобразователь превосходит традиционный ТЭП, работающий в дуговом режиме, по удельной мощности и КПД, а также имеет значительно большую температуру коллектора. В результате, энергетическая установка оказывается более компактной, мобильной, а ее холодильник-излучатель имеет существенно меньшие размеры. На практике бесстолкновительном режим реализуется при использовании бинарного цезий-бариевого наполнения. Компенсация объемного заряда обеспечивается за счет ионов цезия, образующихся на поверхности горячего эмиттера, а необходимая эмиссия электронов – за счет адсорбции атомов бария на поверхности эмиттера и снижения его работы выхода.
Мы предлагаем разработать ТЭП, вырабатывающий не постоянный, а сразу переменный ток. Это позволит сильно уменьшить омические потери как на коммутационных перемычках, так и на шинах вывода энергии, и избавиться от дополнительных устройств, преобразующих постоянное напряжение в переменное. В результате увеличится надежность установки и снизятся ее размеры и стоимость 1 кВт электрической энергии. Возможность получения переменного тока непосредственно из ТЭП основана на обнаруженном в ФТИ им. А.Ф. Иоффе физическом явлении - развитии в бесстолкновительном режиме плазменного диода при определенных условиях электронной неустойчивости, приводящей к резкому обрыву тока. Если соединить эмиттер и коллектор индуктивностью, то во время движения рабочей точки по кривой задержки на вольтамперной характеристике будет происходить накопление магнитной энергии на индуктивности, а после обрыва тока эта энергия выбросится в электрическую цепь в виде импульса длительностью, определяемой величиной индуктивности.
В проекте предполагается теоретически изучать нестационарные нелинейные процессы, развивающиеся в плазме диода с индуктивной внешней цепью. Это позволит оценить влияние индуктивности на процесс развития электронной неустойчивости в диоде, на характеристики нелинейных колебаний в системе диод - внешняя цепь, а также провести оптимизацию выходных характеристик преобразователя.
Сложность задачи состоит в том, что наличие реактивной внешней цепи приводит к колебаниям разности потенциалов между электродами, а это усложняет течение колебательного процесса в плазме. В частности, появляются заряженные частицы, время существования которых существенно превышает среднее время пролета частиц между электродами (это так называемые долгоживущие частицы). Существование таких частиц может сильно влиять на характер колебательного процесса. Структура фазовой плоскости этих частиц является довольно сложной, и для корректного описания ее необходимо проводить сложные расчеты функции распределения частиц по скоростям. В ФТИ им. А.Ф. Иоффе разработаны методы расчета динамики и функции распределения долгоживущих частиц.
Решение описанных проблем позволит оптимизировать процесс генерации переменного тока непосредственно из ТЭП.
