Эффекты неидеальности и фазовые переходы в кулоновских системах тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.08, доктор физико-математических наук Иосилевский, Игорь Львович

• Иосилевский, Игорь Львович
• доктор физико-математических наук
• 2005

Оглавление диссертации доктор физико-математических наук Иосилевский, Игорь Львович

ВВЕДЕНИЕ.

Глава I

ОСОБЕННОСТИ ПРОБЛЕМЫ НЕИДЕАЛЬНОСТИ В ПЛАЗМЕ

1.1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ПРОБЛЕМЫ НЕИДЕАЛЫЮСТИ.

1.2. ТЕРМОДИНАМИКА РЕАЛЬНОЙ ПЛАЗМЫ В КВАЗИХИМИЧЕСКОМ ПРЕДСТАВЛЕНИИ

1.2.1. Эффективное взаимодействие зарядов.

1.3. КОНКУРЕНЦИЯ ПРОЦЕССОВ ОБРАЗОВАНИЯ АССОЦИАЦИЙ И ФАЗОВЫХ

ПЕРЕХОДОВ.

1.3.1. Роль модельного сопровождения в физике неидеалыюй плазмы.

1.4. ПРОБЛЕМА ФАЗОВЫХ ПЕРЕХОДОВ ПЛАЗМЕ И КУЛОНОВСКИХ МОДЕЛЯХ

1.4.1. Переходы флюид-флюид в кулоновских системах.

1.4.2. «Плазменные» фазовые переходы. Традиционный путь.

1.4.3. «Плазменность» обычных фазовых переходов.

1.4.4.«Диссоциативные» фазовые переходы.

1.5. ПРОБЛЕМА НЕКОПГРУЭНТНЫХ ФАЗОВЫХ ПЕРЕХОДОВ ПЛАЗМЕ КОМПАУНДОВ И ХИМИЧЕСКИХ СМЕСЕЙ

1.5.1. Неконгруэнтность. Общие замечания.

1.5.2. Неконгруэптиость в химически реагирующей плазме компаундов.

1.5.4. Неконгруэнтность «плазменных» и «диссоциативных» фазовых переходов.

Глава II

ПРИБЛИЖЕННОЕ ОПИСАНИЕ ЭФФЕКТОВ НЕИДЕАЛЫЮСТИ В ТЕРМОДИНАМИКЕ КУЛОНОВСКИХ МОДЕЛЕЙ И РЕАЛЬНОЙ ПЛАЗМЕ

Введение.

2.1. БАЗОВЫЙ ПОДХОД В ОПИСАНИИ ЭФФЕКТОВ НЕИДЕАЛЫЮСТИ.

2.2. МОДЕЛЬНАЯ ПРОВЕРКА ЭФФЕКТИВНОСТИ ПОДХОДА

2.2.1. Модель однокомпонентной плазмы.

2.2.2. Модель классической двухкомпонентной плазм.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Эффекты неидеальности и фазовые переходы в кулоновских системах»

3.1.1. Безассоциативные модели плазмы. Общие свойства.58

3.1.2. Термодинамика фазовых переходов в безассоциативпых моделях плазмы.64

3.1.3. Особенности фазовых границ в безассоциативиых моделях плазмы.66

3.2. АНОМАЛЬНЫЕ ФАЗОВЫЕ ДИАГРАММЫ В БЕЗАССОЦИАТИВНЫХ МОДЕЛЯХ

ПЛАЗМЫ

3.2.1. Стандартный тип фазовой диаграммы в электрон-ионных моделях.73

3.2.2. Аномальные типы фазовой диаграммы в электрон-ионных моделях.73

3.2.3. Об универсальном характере единого фазового равновесия кристалл-флюид.78

3.3. ВЗАИМОСВЯЗЬ ФАЗОВЫХ ПЕРЕХОДОВ В МОДЕЛИ ОСР(~) С РЕШЕНИЕМ

ЗАДАЧ ТЕРМОЭЛЕКТРОСТАТИКИ

Введение.Г.80

3.3.1. Фазовые переходы в кулоновских системах и аномалии равновесных профилей пространственного заряда в неоднородной плазме.81

3.3.2. Иллюстрации и приложения.83

3.4. СПИНОДАЛЫ1ЫЙ РАСПАД ЗОНЫ МЕТАСТАБИЛЫЮГО ПЛАВЛЕНИЯ

В ПРЕДЕЛЕ НУЛЕВОЙ ТЕМПЕРАТУРЫ

Введение.91

3.4.1. Нормальные сценарии завершения метастабилыюго плавления.94

3.4.2. Аномальные сценарии завершения метастабильного плавления.96

3.5. ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКИЙ ПОТЕНЦИАЛ ФАЗОВОЙ ГРАНИЦЫ

В КУЛОНОВСКИХ СИСТЕМАХ

Введение. Особенности термодинамического равновесия в кулоновских системах.98

3.5.1. Химический и электрохимический потенциалы в кулоновских системах.99

3.5.2. Термодинамический характер потенциала межфазпой границы в кулоповской системе.102

3.5.3. Низко- и высокотемпературный пределы потенциала межфазной границы.103

3.5.4. Возможность «измерения» потенциала межфазной границы в численном моделировании.106

3.5.5. Потенциал межфазной границы газ-жидкость в расчетах химической модели плазмы .107

3.5.6. Электростатика межфазных границ в модели ОСР(#).109

3.5.7. Электростатика межфазных границ в однородно-сжимаемых безассоциативпых моделях . 113

Заключение.116

Приложение к главе III. Аппроксимации для уравнения состояния подсистем.117

Заключение диссертации по теме «Физика плазмы», Иосилевский, Игорь Львович

ВЫВОДЫ главы III

1. На примере семейства «безассоциативных» кулоновских моделей установлен ряд закономерностей, присущих фазовым переходам в чисто кулоновских системах.

2. На базе модифицированной однокомпонентной модели плазмы (ОКП) установлено существование класса аномальных фазовых диаграмм с нестандартной топологией фазовых границ газ-жидкость-кристалл, включая случай с непрерывной суперпозицией границ кипения и сублимации и отсутствием критических точек, а также пограничные ситуации, отмеченные существованием псевдокритических точек.

3. Установлены закономерности поведения специфической характеристики фазовых переходов в кулоновских системах - электростатического потенциала межфазной границы. Характеристики этого потенциала в пределе высоких и низких температур изучены для фазовых переходов в идеализированных кулоновских моделях и реальной плазме.

4. Впервые изучена взаимосвязь изучаемого фазового перехода в модели ОКП с появлением аномалий (разрывов) в решении задач о вычислении равновесного профиля заряда в неоднородной плазме в приближении квазиоднородности.

5. На базе модифицированной модели однокомпонентной плазмы установлена структура границ перехода кристалл-жидкость в области глубокого метастабильного плавления в пределе низких температур. Как наиболее вероятный для реальных веществ, изучен сценарий «спинодального распада» зоны плавления, завершающего при конечной температуре термодинамическую часть зоны метастабилыюго плавления из-за пересечения границы замерзания жидкости и спинодали фазового перехода жидкость-газ.

Глава IV. Некош руэнпюс фазовое равновесие в плазме химических смесей ЗАКЛЮЧЕНИЕ ГЛАВЫ IV

На основе единого квазихимического представления построена термодинамически согласованная модель химически реагирующего, частично ионизованного уран-кислородного флюида.

На основе данного подхода построена теоретическая модель неконгруэнтного фазового равновесия газ-жидкость в химически реагирующей неидеалыюй уран-кислородной плазме.

Построена эффективная процедура нахождения параметров модели (калибровки) позволяющая описывать всю совокупность известной экспериментальной информации для термодинамики испарения системы уран-кислород.

Для плазмы продуктов экстремального нагрева диоксида урана впервые установлена корректная структура фазовых границ неконгруэнтного испарения, включая критическую точку.

На основании проведенных расчетов предсказаны экстремальные характеристики испарения диоксида урана (пик давления и максимум кислородного обогащения паров, характер изменения теплоты испарения и др.) Полученные результаты заметно отличаются от рекомендаций существовавших ранее теорий. Эти данные важны для проблемы безопасности существующих и перспективных ядерных реакторов.

На основании развитой модели предсказан неконгруэнтный характер гипотетического «плазменного» фазового перехода (ПФП) в гелий-водородной плазме недр планет-гигантов и желтых карликов.

На примере широко используемой в астрофизических приложениях версии ПФП (Saumon & Chabrier) приближенно оценены знак и величина такой неконгруэнтпости в плазме Юпитера и Сатурна. Полученные результаты соответствуют экспериментально наблюдаемому эффекту гелиевого «обеднения» атмосфер Юпитера и Сатурна.

Список литературы диссертационного исследования доктор физико-математических наук Иосилевский, Игорь Львович, 2005 год

1. Meyer R.A. and Wolfe В.Е. Trans. Am. Nucl. Soc. 7(1), 111 (1964).

2. Miller D., in Proceedings of the Conference on Safety Fuels, and Core Design in Large Fast Power Reactors, Argonne October 1965, USAEC Report ANL-7120, pp. 641-653, Argonne National Laboratory. Argonne, Illinois, 1965.

3. Menzies D.C. The Equation of State of Uranium Dioxide at High Temperatures and Pressures, TRG Report 1119 (D), UKAEA, London, 1966.

4. Robbins E.J. Limits for the Equation of State of Uranium Dioxide, TRG Report 1344(R), UKAEA London, 1966.

5. Booth D.L. The Thermodynamic Properties of Na, Al203 Mo and U02 above 2000 K, TRG Report 1759 (R/X), UKAEA London, 1968, 1974.

6. Gillan M.J., in Thermodynamics of Nuclear Materials, Proceedings of the Vienna Symposium, 1974, Vol.1, IAEA Vienna, 1975, pp. 269-285.

7. Fischer E.A., Kinsman P.R., and Ohse R.W. J. Nucl. Mat. 59, 125 (1976).

8. Kapil S.K. J. Nucl. Mater. 60, 158 (1976).

9. Browning P., Gillan M.J., Potter P.E. The Equation of State of Uranium Dioxide: A Comparison of the Corresponding States and Significant Structure Theory, Report AERE-R 8129, UKAEA, London, 1977.

10. Finn P.A., Sheth A., and Leibowitz L., J. Nucl. Mat., 79, 14, (1979); see also Green, D.W. & Leibowitz L., J. Nucl. Mat., 105,184, (1982).

11. Fischer E.A. Proc. Intern. Symp. on Thermodynamics of Nuclear Materials, pp.115-128, Julich, IAEA-SM-236/17, (Vienna) 1979.

12. Dharmadurai G. J. Nucl. Mater. 110, 256 (1982).

13. Mistura L., Magill J., and Ohse,R.W. J. Nucl. Mater. 135, 95, (1985).

14. Fischer E.A. Report KJK 4084 (1987); Nucl. Sci. and Eng. 101, 97 (1989).