Плазма – четвертое состояние вещества

Плазма — наиболее распространённое состояние вещества в природе, на неё приходится около 99 % массы Вселенной.

Солнце, большинство звёзд, туманности — это полностью ионизованная плазма.

Внешняя часть земной атмосферы (ионосфера) тоже плазма. Ещё выше располагаются радиационные пояса, содержащие плазму.

Полярные сияния, молнии, в том числе шаровые, — всё это различные виды плазмы, наблюдать которые можно в естественных условиях на Земле. И лишь ничтожную часть Вселенной составляет вещество в твёрдом состоянии — планеты, астероиды и пылевые туманности. Под плазмой в физике понимают газ, состоящий из электрически заряженных и нейтральных ча ст иц, в котором суммарный электрический заряд равен нулю, т. с . выполнено условие квазинейтральности (поэтому, например, пучок электронов, летящих в вакууме, не плазма: он несет отрицательный заряд). КАК ИСПО Л ЬЗУЮТ ПЛАЗМУ Наиболее широко плазма применяется в светотехнике — в газоразрядных лампах, освещающих улицы, и лампах дневного света, используемых в помещениях. А кроме того, в самых разных газоразрядных приборах: выпрямителях электрического тока, стабилизаторах напряжения, плазменных усилителях и генераторах сверхвысоких частот (СВЧ), счётчиках космических частиц. Все так называемые газовые лазеры (гелий-неоновый, криптоновый, на диоксиде углерода и т. п.) на самом деле плазменные: газовые смеси в них ионизованы электрическим разрядом.

Свойствами, характерными для плазмы, обладают электроны проводимости в металле (ионы, ж е стко закрепл е нные в кристаллической решётке, нейтрализуют их заряды), совокупность свободных электронов и подвижных «дырок» (вакансий) в полупроводниках.

Поэтому такие системы называют плазмой твёрдых тел Газовую плазму принято разделять на низкотемпературную — до 100 тыс. градусов и высокотемпературную — до 100 млн градусов.

Существуют генераторы низкотемпературной плазмы — плазмотроны , в которых используется электрическая дуга. С помощью плазмотрона можно нагреть почти любой газ до 7000—10000 градусов за сотые и тысячные доли секунды. С созданием плазмотрона возник л а новая область науки — плазменная химия: многие химические реакции ускоряются или идут только в плазменной струе.

Плазмотроны применяются и в горно-рудной промышленности, и для резки металлов.

Созданы также плазменны е двигатели, магнитогидродинамические электростанции.

Разрабатываются различные схемы плазменного ускорения заряженных частиц.

Централь ной задачей физики плазмы является проблем а управляемого термоядерного синтеза.

Термоядерными называют реакции синтеза более тяжёлых ядер из ядер л ё гких элементов (в первую очередь изотопов водорода - дейтерия D и трития Т), протекающие при очень в ысоких температурах (» 1 0 8 К и выше) В естественны х условиях термоядерные реакции происходят на Солнце: ядра водорода соединяются друг с другом, образуя ядра гелия, при этом выделяется значительное количество энергии.

Искусственная реакция термоядерного син теза была осуществлена в водородной бом бе. УПРАВЛЯЕ М ЫЕ Т ЕР М ОЯ Д ЕРНЫЕ РЕАК Ц ИИ Считается, что запасов химическ и топлива человечеству хватит на несколько десятков лет.

Ограниченны и разведанные запасы ядерного гор ю чего.

Спасти человечество от энергетич еского голода и стать практи чески неисчерпаемым источнико м энергии могут управ л яем ы е термо ядерные реакции в плазме. В 1 л обычной воды содержится 0,15 мл воды тяжёлой ( D 2 O ). При слиянии ядер дейтерия из 0,15 мл D 2 O выделяется столько же энергии, сколько её обра з уется при сгорании 300 л бензина.

Тритий в природе практически не существует, однако его можно получить, бомбардируя нейтронами n изотоп лития: n+ 7 Li ® 4 He + T Ядро атома водорода не что иное как протон p . В ядре дейтерия соде ржится, кроме того, ещё один нейтрон, а в ядре трити я — два нейтрона.

Дейтерий и тритий могут реагировать друг с другом десятью разными способами. Но вероятности такой реакций различаются порой в сотни триллионов раз, а количество выде ляющейся энергии — в 10—15 раз.

Практический интерес представляют только три из них: D + D ® T + p + 4 МэВ ; D + D ® 3 He + n + 3,3 МэВ ; D + T ® 4 He + n + 17,6 МэВ . Если все ядра в каком-то объёме одновременно вступают в реакцию, энергия выделяется мгновенно.

Происходит термоядерный взрыв. В реакторе же реакция синтеза должна протекать медленно.

Осуществить управляемый термоядерный синтез до сих пор не удалось, а преимущества он сулит немалые.

Энергия, которая выделяется при термоядерных реакциях на единицу массы топлива, в миллионы раз превышает энергию химического топлива и, значит, в сотни раз дешевле. В термоядерной энергетике нет выброса продуктов сгорания в атмосферу и радиоактивных отходов.

Наконец, на термоядерной электростанции исключен взрыв. Во время синтеза основная часть энергии (более 75 %) выделяется в виде кинетической энергии нейтронов или протонов. Если замедлить нейтроны в подходящем веществе, оно нагревается; полученную теплоту легко превратить в электрическую энергию.

Кинетическая энергия заряженных частиц — протонов — преобразуется в электричество непосредственно. В реакции синтеза ядра Должны соединяться, но они заряжены положительно и, следовательно, по закону Кулона, отталкиваются. Чтобы преодолеть силы отталкивания, даже ядрам дейтерия и трития, имеющим наименьший заряд ( Z . = 1), необходима энергия около 10 или 100 кэВ . Ей соответствует температура порядка 10 8 —10 9 К. При таких температурах любое вещество находится в состоянии высокотемпературной плазмы. С позиций классической физики реакция синтеза невозможна, но здесь на помощь приходит чисто квантовый - туннельный эффект.

Вычислено, что температура зажигания, начиная с которой выделение энергии превосходит её потери, для реакции дейтерий— тритий ( D Т) равна приблизительно 4,5 * 10 7 К, а для реакций дейтерий—дейтерий ( DD ) — около 4 * 10 8 К. Естественно, предпочтительнее реакция D Т. Нагревают плазму электрическим током, лазерным излучением, электромагнитными волнами и другими способами. Но важна не только высокая температура. Чем выше концентрация, тем чаще сталкиваются друг с другом частицы, поэтому может показаться, что для осуществления термоядерных реакций лучше использовать плазму высокой плотности.

Однако, если бы в 1 см 3 плазмы содержалось 10 19 частиц (концентрация молекул в газе при нормальных условиях), давление в ней при температурах термоядерных реакций достигало бы порядка 10 6 атм.

Такого давления не выдерживает ни одна конструкция, а потому плазма должна быть разрежённой (с концентрацией около 10 15 частиц в 1 см 3 ). Соударения частиц в этом случае происходят реже, и для поддержания реакции необходимо увеличивать время пребывания их в реакторе, или время удержания.

Значит, для осуществления термоядерной реакции необходимо рассматривать произведение концентрации частиц плазмы на время их удержания. Для реакций DD это произведение (так называемый критерий Лоусона ) равно 10 16 с/см 3 , а для реакции D Т — 10 14 с/см 3 . Следовательно, реакцию D Т реализовать легче, чем DD . Когда начинались исследования плазмы, казалось, что осуществить управляемый синтез удастся быстро. Но со временем выяснилось, что в высокотемпературной плазме происходят сложные процессы и решающую роль играют многочисленные неустойчивости.

Сегодня разрабатывается несколько типов устройств, в которых предполагается провести термоядерный синтез.

Наиболее перспективными считаются токамаки (сокращение от « ТО роидальная КАмера с Магнитными К А атушками »). Токамак представляет собой гигантский трансформатор, первичная катушка которого намотана на сердечник, а вторичная имеет единственный виток — вакуумную камеру в форме бублика, тора (от лат. TORUS — «выпуклость »), с плазменным шнуром внутри.

Система магнитов удерживает шнур в центре камеры, а ток силой в тысячи ампер нагревает его до требуемой температуры.

Нейтроны, образующиеся в ходе термоядерной реакции, поглощаются в бланкете — слое вещества, окружающем камеру.

Выделяющееся при этом тепло можно использовать для получения электроэнергии.

Несмотря на кажущуюся простоту токамака , ни одно устройство подобного типа не дало положительного выхода энергии.

Большие надежды возлагаются на проектируемый в настоящее время гигантский токамак ITER . На этой установке, если она будет сооружена к 2005 г., предполагаемая мощность выхода 1,5 • 10 9 Вт. Среди других проектов следует отметить два: стеллараторы и устройства инерциального удержания плазмы.

Магнитное поле сложной формы, удерживающее плазму в круговой камере токамака , противодействует собственному полю плазменного шнура, которое стремится изогнуть траекторию заряженных частиц плазмы. В стеллараторе (от лат. STELLA — З везда») плазме позволили принять форму, какую она «хочет», и оставили только поле, сжимающее шнур. В акуумная камера приобрела весьма причудливый вид, а множество магнитных катушек — довольно сложную форму.