Виконав: учень 10 Б класу
ЩО ТАКЕ ПЛАЗМА
Словом «плазма» (від грец. «Плазма» - «оформлене») в середині XIX в. стали іменувати безбарвну частина крові (без червоних і білих тілець) і рідина, що наповнює живі клітини. У 1929 р американські фізики Ірвінг Лёнгмюр (1881-1957) Илевен Тонко (1897-1971) назвали плазмою іонізований газ в газорозрядної трубці.
Англійський фізик Вільям Крукс (1832-1919), який вивчав електричний розряд в трубках з розрідженим повітрям, писав: «Явища в відкачаних трубках відкривають для фізичної науки новий світ, в якому матерія може існувати в четвертому стані».
Залежно від температури будь-яка речовина змінює свій стан. Так, вода при негативних (за Цельсієм) температурах знаходиться в твердому стані, в інтервалі від 0 до 100 "С - в рідкому, вище 100 ° С-в газоподібному. Якщо температура продовжує рости, атоми і молекули починають втрачати свої електрони - іонізуются і газ перетворюється в плазму. При температурах понад 1 000 000 ° С плазма абсолютно ионизована - вона складається тільки з електронів і позитивних іонів. плазма - найбільш поширене стан речовини в природі, на неї припадає близько 99% маси Всесвіту. Сонце, більшість зірок, туманності - це п лностью ионизованного плазма. Зовнішня частина земної атмосфери (іоносфера) теж плазма.
Ще вище розташовуються радіаційні пояси, що містять плазму. Полярні сяйва, блискавки, в тому числі кульові, - все це різні види плазми, спостерігати які можна в природних умовах на Землі. І лише незначну частину Всесвіту становить речовина в твердому стані - планети, астероїди і пилові туманності.
Під плазмою у фізиці розуміють газ, що складається з електрично заряджених і нейтральних частинок, в якому сумарний електричний заряд дорівнює нулю, т. З. виконано умоваквазінейтральності (тому, наприклад, пучок електронів, що летять у вакуумі, що не плазма: він несе негативний заряд).
Найбільш широко плазма застосовується в світлотехніці - в газорозрядних лампах, які висвітлюють вулиці, і лампах денного світла, використовуваних в приміщеннях. А крім того, 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 ( »10. 8 К і вище)
У природних умовах термоядерні реакції відбуваються на Сонці: ядра водню з'єднуються один з одним, утворюючи ядра гелію, при цьому виділяється значна кількість енергії. Штучна реакція термоядерного синтезу була здійснена у водневій бомбі.
Керованого термоядерного 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 (D2 O). При злитті ядер дейтерію з 0,15 мл D2 O 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:
n + 7 Li # 61614; 4 He + T
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:
D + D # 61614; T + p + 4МеВ;
D + D # 61614; 3 He + n + 3,3МеВ;
D + T # 61614; 4 He + n + 17,6МеВ.
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 близько 10 8 -10 9 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 4,5 * 10 7 К, а для реакцій дейтерій-дейтерій (DD) - близько 4 * 10 8 К. природно, краще 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 см 3 плазми містилося 10 19 частинок (концентрація молекул в газі при нормальних умовах), тиск в ній при температурах термоядерних реакцій досягало б близько 10 6 атм. Такого тиску не витримує жодна конструкція, а тому плазма повинна бути розрідженої (з концентрацією близько 10 15 частинок в 1 см 3). 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) дорівнює 10 16 із / см 3. а для реакції DТ - 10 14 с / см 3. 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 Магнітними КАатушкамі»). Токамак являє собою гігантський трансформатор, первинна котушка якого намотана на сердечник, а вторинна має єдиний виток - вакуумну камеру у формі бублика, 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
Але і на цьому шляху є ряд технологічних труднощів, поки що не дозволяють перетворити експериментальні лазерні установки в промислові реактори.