Плазма і її застосування

Будь-яка речовина, нагріте до досить високої температури, переходить в стан плазми. Найлегше це відбувається з парами лужних металів, таких, як натрій, калій, цезій. Звичайне полум'я володіє деякою теплопровідністю; воно, хоча і в слабкому ступені, ионизировано, тобто є плазмою. Причина цієї провідності - незначна домішка натрію, який можна розпізнати по жовтому світіння. Для повної іонізації газу потрібна температура в десятки тисяч градусів.

Крім того, плазма застосовується в самих різних газорозрядних приладах: випрямлячах електричного струму, стабілізаторах напруги, плазмових підсилювачах і генераторах надвисоких частот (НВЧ), лічильниках космічних частинок.

Все так звані газові лазери (гелій-неоновий, криптонові, на діоксиді вуглецю і т. П.) Насправді плазмові: газові суміші в них ионизована електричним розрядом.

Властивостями, характерними для плазми, мають електрони провідності в металі (іони, жорстко закріплені в кристалічній решітці, нейтралізують їх заряди), сукупність вільних електронів і рухливих «дірок» (вакансій) в напівпровідниках. Тому такі системи називають плазмою твердих тіл Газову плазму прийнято поділяти на низькотемпературну - до 100 тис. Градусів і високотемпературну - до 100 млн градусів. Існують генератори низькотемпературної плазми - плазмотрони, в яких використовується електрична дуга. За допомогою плазмотрона можна нагріти майже будь-який газ до 7000-10000 градусів за соті і тисячні частки секунди. Зі створенням плазмотрона виникла нова галузь науки - плазмова хімія: багато хімічні реакції прискорюються або йдуть тільки в плазмовому струмені. Плазмотрони застосовуються і в гірничо-рудної промисловості, і для різання металів.

Створено також плазмові двигуни, магнитогидродинамические електростанції. Розробляються різні схеми плазмового прискорення заряджених частинок. Центральним завданням фізики плазми є проблема керованого термоядерного синтезу.

Термоядерними називають реакції синтезу більш важких ядер з ядер легких елементів (в першу чергу ізотопів водню - дейтерію D і тритію Т), що протікають при дуже високих температурах ( »108 К) .В природних умовах термоядерні реакції відбуваються на Сонці: ядра водню з'єднуються один з другом, утворюючи ядра гелію, при цьому виділяється значна кількість енергії. Штучна реакція термоядерного синтезу була здійснена у водневій бомбі.

Керовані термоядерні реакції.

Вважається, що запасів хімічно палива людству вистачить на кілька десятків років. Обмежені і розвідані запаси ядерного пального. Врятувати людство від енергетичного голоду і стати практично невичерпним джерелом енергії можуть керовані термоядерні реакції в плазмі.

В 1 л звичайної води міститься 0,15 мл води важкої (D2O). При злитті ядер дейтерію з 0,15 мл D2O виділяється стільки ж енергії, скільки її утворюється при згорянні 300 л бензину. Тритій в природі практично не існує, проте його можна отримати, бомбардуючи нейтронами n ізотоп літію

Ядро атома водню не що інше як протон p. В ядрі дейтерію міститься, крім того, ще один нейтрон, а в ядрі тритію - два нейтрона. Дейтерій і тритій можуть реагувати один з одним десятьма різними способами. Але ймовірності такої реакцій розрізняються деколи в сотні трильйонів раз, а кількість енергії, що виділяється - в 10-15 разів. Практичний інтерес представляють тільки три з них /

Якщо все ядра в якомусь обсязі одночасно вступають в реакцію, енергія виділяється миттєво. Відбувається термоядерний вибух. У реакторі ж реакція синтезу повинна протікати повільно.

Здійснити керований термоядерний синтез до цих пір не вдалося, а переваги він обіцяє чималі. Енергія, яка виділяється при термоядерних реакціях на одиницю маси палива, в мільйони разів перевищує енергію хімічного палива і, отже, в сотні разів дешевше. У термоядерної енергетиці немає викиду продуктів згоряння в атмосферу і радіоактивних відходів. Нарешті, на термоядерної електростанції виключений вибух.

Під час синтезу основна частина енергії (більше 75%) виділяється у вигляді кінетичної енергії нейтронів або протонів. Якщо сповільнити нейтрони в потрібному речовині, воно нагрівається; отриману теплоту легко перетворити в електричну енергію. Кінетична енергія заряджених частинок - протонів - перетворюється в електрику безпосередньо.

У реакції синтезу ядра повинні з'єднуватися, але вони заряджені позитивно і, отже, за законом Кулона, відштовхуються. Щоб подолати сили відштовхування, навіть ядер дейтерію і тритію, що має найменший заряд (Z. = 1), необхідна енергія близько 10 або 100 кеВ. Їй відповідає температура порядку 108-109 К. При таких температурах будь-яка речовина знаходиться в стані високотемпературної плазми.

З позицій класичної фізики реакція синтезу неможлива, але тут на допомогу приходить чисто квантовий - тунельний ефект. Обчислено, що температура запалювання, починаючи з якої виділення енергії перевершує її втрати, для реакції дейтерій- тритій (DТ) дорівнює приблизно 4,5х107 К, а для реакцій дейтерій-дейтерій (DD) - близько 4х108 К. Природно, переважно реакція DТ. Нагрівають плазму електричним струмом, лазерним випромінюванням, електромагнітними хвилями і іншими способами. Але важлива не тільки висока температура.

Чим вище концентрація, тим частіше стикаються один з одним частинки, тому може здатися, що для здійснення термоядерних реакцій краще використовувати плазму високої щільності. Однак, якби в 1 см3 плазми містилося 1019 частинок (концентрація молекул в газі при нормальних умовах), тиск в ній при температурах термоядерних реакцій досягало б близько 106 атм. Такого тиску не витримує жодна конструкція, а тому плазма повинна бути розрідженої (з концентрацією близько 1015 частинок в 1 см3). Зіткнення частинок в цьому випадку відбуваються рідше, і для підтримки реакції необхідно збільшувати час перебування їх в реакторі, або час утримання. Значить, для здійснення термоядерної реакції необхідно розглядати твір концентрації частинок плазми на час їх утримання. Для реакцій DD цей твір (так званий критерій Лоусона) одно 1016 с / см3, а для реакції DТ - 1014с / см3.

Отже, реакцію DТ реалізувати легше, ніж DD.

Коли починалися дослідження плазми, здавалося, що здійснити керований синтез вдасться швидко. Але згодом з'ясувалося, що в високотемпературної плазмі відбуваються складні процеси і вирішальну роль відіграють численні нестійкості. Сьогодні розробляється кілька типів пристроїв, в яких передбачається провести термоядерний синтез. Найбільш перспективними вважаються токамаки (скорочення від «тороідальн камери з магнітної котушками»). Токамак являє собою гігантський трансформатор, первинна котушка якого намотана на сердечник, а вторинна має єдиний виток - вакуумну камеру у формі тора (від лат. TORUS - «опуклість»), з плазмовим шнуром всередині. Система магнітів утримує шнур в центрі камери, а струм силою в тисячі ампер нагріває його до необхідної температури. Нейтрони, що утворюються в ході термоядерної реакції, поглинаються в Бланкет - шарі речовини, що оточує камеру. Виділяється при цьому тепло можна використовувати для отримання електроенергії.

Магнітне поле складної форми, що утримує плазму в круговій камері токамака, протидіє власним полю плазмового шнура, яке прагне зігнути траєкторію заряджених частинок плазми. У стелараторі (від лат. STELLA - Зірка ») плазмі дозволили прийняти форму, яку вона« хоче », і залишили тільки поле, стискає шнур. Вакуумна камера придбала вельми химерний вигляд, а безліч магнітних котушок - досить складну форму. Експерименти на стелараторах йдуть в різних країнах, але домогтися потрібної температури і часу утримання плазми поки не вдалося.

Принципово іншим є метод инерциального утримання плазми, заснований на інерції реакційної суміші, яка при миттєвому нагріванні (наприклад, лазерним імпульсом) розлітається не відразу. Ампулу, де знаходиться суміш дейтерію з тритієм, опромінюють з усіх боків лазерними імпульсами тривалістю до 10-10 с і сумарною потужністю близько 1020 Вт / см. Оболонка ампули випаровується, що розширюються гази та світлове тиск стискають її вміст майже в 50 тис. Разів. Тиск в суміші зростає до 1 млн. Атм, а її щільність - до 50-100 г / см3. При таких умовах починається термоядерна реакція.

Але і на цьому шляху є ряд технологічних труднощів, поки що не дозволяють перетворити експериментальні лазерні установки в промислові реактори.

Більшість реактивних двигунів використовують енергію, що виділяється при хімічній реакції згоряння палива. Вони розвивають більшу тягу, але вимагають спалювання значної кількості палива. Швидкість витікання газів з сопла становить близько 1 км / с. Якщо ж добитися швидкості плазмового струменя понад 1000 км / с, то витрата робочої речовини в сотні разів менше, ніж у хімічного двигуна з тієї ж тягою. Для розгону плазми використовують різні схеми, зокрема із застосуванням схрещених електричних і магнітних полів. В сучасних плазмових движителях сила тяги поки невелика, але вони вже використовуються в системі орієнтування космічних кораблів. За такими ж принципами працюють магнитогидродинамические насоси для перекачки провідних рідин (розплавленого металу).

Електростанції без турбін.

Більше 70% електроенергії в усьому світі дають теплові електростанції. У топках їх парових котлів спалюють нафту, газ, вугілля, пара обертає турбіну, пов'язану з електричним генератором. За такою схемою працюють і атомні електростанції, які використовують тепло, що виділяється при поділі важких ядер. Головний недолік теплової електростанції - невисокий ККД (близько 40%).

Однак отримати електричну енергію можливо і безпосередньо за допомогою плазми. Якщо пропустити плазму (іони і електрони) через магнітне поле, спрямоване перпендикулярно її руху, то за законом електромагнітної індукції, виникне сила, захоплива заряди в сторону, яку визначає правило лівої руки. Відбудеться поділ зарядів: електрони рушать в одну сторону, а іони в іншу.

Потрапляючи на електроди, вони створять різниця потенціалів. На цьому принципі заснована дія плазмового генератора електричного струму. Плазма, необхідна для його роботи, утворюється в камері згоряння, що нагадує реактивний двигун.

Процеси, які відбуваються в плазмових генераторах, описуються законами магнітної гідродинаміки, і тому такі апарати називають магнітогідродинамічними або МГД - генераторами. Їх ефективність залежить від електропровідності плазми. Електропровідність збільшують або підвищуючи робочу температуру і, отже, ступінь іонізації плазми, або додаючи в камеру згоряння лужні метали, які легко іонізуются. З одного боку, чим вище температура плазми, тим ефективніше працює МГД- генератор. Однак занадто сильно підвищувати температуру можна - матеріал, з якого зроблені стінки камери, не витримає нагріву. З іншого боку температура не повинна бути менше 1500 º С, інакше ступінь іонізації плазми стає незначною і ефективність генератора різко падає. Плазма, що виходить з робочого каналу МГД - генератора, ще досить гаряча, так що нею можна нагрівати парові котли. Сьогодні створені і застосовуються МГД генератори потужністю до 20 МВт з ККД 50 - 60%.

Автоматична різка плазмовим струменем. Промислове застосування плазмової дуги для різання почалося на початку 50-х років, і з плином часу плазмова різка завоювала всі основні позиції, що належать раніше іншим способам механічної або термічної різки. Це спосіб, при якому газ під впливом електричної дуги переходить в стан плазми і зазнає ефект стиснення, проходячи через охолоджену форсунку.

Спосіб плазмового різання використовується для різання будь-яких електропровідних матеріалів, але при цьому якісні показники різання (швидкість, товщина і т.д.) залежать від використовуваного плазмового газу. Особливий інтерес плазмова різка представляє для підприємств, що працюють з листовим металом для виконання наступних видів робіт:

• різка нержавіючих сталей і кольорових металів: класичний спосіб кисневого різання в цьому випадку не може бути застосований взагалі, а лазерна різка, крім вище зазначених недоліків, обмежена можливістю різання тільки певної товщини. Можливості плазмового різання необмежені і отримується якість різання високе.

• різка вуглецевих марок сталі малої і середньої товщини (Джерело: www.physics03.narod.ru