plasmă omniprezentă de stat a patra a materiei, revista Popular Mechanics

Ipoteza existenței primul dintre stările de materie dincolo de triada clasica, a fost în secolul al XIX-lea, iar în 1920 a primit numele său - plasmă

puterea de plante cu plasmă la 70 km de Marsilia, Saint-Paul-les-Durance, în vecinătatea centrului de cercetare francez Cadarache Energie Atomică, reactorul de fuziune ITER de cercetare care urmează să fie construite # 40; din latină. iter - drum). Sarcina principală a funcționarului reactorului - „pentru a demonstra posibilitatea științifică și tehnologică a energiei de fuziune în scopuri pașnice.“ Pe termen lung, # 40; 30-35), pe baza datelor obținute în timpul experimentelor asupra reactorului ITER, se poate crea prototipuri de centrale electrice sigure, ecologice și rentabile economic

Cum este un Tokamak tokamak - instalarea de formă toroidală pentru confinare cu plasmă de un câmp magnetic. Plasma, încălzit la o temperatură foarte ridicată fără a ține cont pereții camerei și este reținut de câmpuri magnetice - bobine toroidale create și poloidal care se formează atunci când trece curentul în plasmă. Plasma în sine acționează ca un transformator de înfășurare secundară # 40; primar - bobina pentru a crea câmpul toroidal), care asigură preîncălzirea în timpul trecerii curentului electric

Accelerator acceleratoare de electroni, astfel puternice au o lungime caracteristică în sute de metri sau chiar kilometri. Dimensiunea lor poate fi redus în mod semnificativ, în cazul în care nu a accelera electroni în vid, și plasmă - „pe creasta“ plasmă densitate de încărcare rapidă perturbațiilor de înmulțire, așa-numitele valuri wake excitate de impulsuri de radiații cu laser

A patra stare de plasmă materiei în lumea exterioară este aproape omniprezent - poate fi găsit nu numai în Scurgerile de gaz, dar, de asemenea, în ionosfera planetei, în straturile superficiale și profunde ale stelelor activi. Acest cadru pentru punerea în aplicare a reacțiilor termonucleare controlate, iar fluidul de lucru pentru motoare electrice cu jet de spațiu, și mult, mult mai mult

Acum o sută cincizeci de ani, aproape toate chimiști și fizicieni mulți au crezut că materia constă numai din atomi și molecule care vin împreună într-o combinație mai mult sau mai puțin ordonate sau complet dezordonate. Puțini se îndoia că toate sau aproape toate substanțele pot exista în trei faze diferite - solide, lichide și gazoase, pe care le iau, în funcție de condițiile externe. Dar ipoteza că alte stări ale materiei a fost deja exprimată.

Acest model versatil este confirmat și de observare științifică, și milenii de experiență a vieții de zi cu zi. În cele din urmă, toată lumea știe că apa sub răcire în gheață, și sub încălzire fierbe și se evaporă. Plumb și fier, de asemenea, poate fi tradus într-un lichid și un gaz, este necesar doar să se încălzească ei mai puternic. De la sfârșitul secolului al XVIII-lea, cercetatorii au fost înghețate în gaze lichide, și părea destul de plauzibil ca orice gaz lichefiat, în principiu, pot fi făcute să se solidifice. În imagine generală, simplă și clară a celor trei stări ale materiei nu par să solicite orice modificări sau completări.

Oamenii de știință atunci mulți ar fi surprins să afle că solid, lichid și stările gazoase substanțelor atomice-moleculare sunt stocate numai la temperaturi relativ scăzute care nu depășesc 10,000 °, iar în acest domeniu nu epuizează toate structurile posibile (de exemplu - cristalele lichide). Era greu de crezut, și că acestea reprezintă nu mai mult de 0,01% în greutate din universul prezent. Acum, știm că materia se realizează într-o varietate de forme exotice. Unele dintre ele (de exemplu, gaz de electroni degenerat și materia neutronilor) există numai în interiorul corpurilor cerești superdens (pitice albe și stele neutronice), iar unele (cum ar fi lichid quarc-gluon) s-au născut și au dispărut într-un scurt moment la scurt timp după Big Bang. Cu toate acestea, este interesant faptul că prima ipoteză a existenței statului, dincolo de triada clasica, totul a fost în același secol al XIX-lea, și chiar de la început. Subiectul cercetării științifice a devenit mult mai târziu, în anii 1920. În același timp, și a primit numele - plasma.

În a doua jumătate a 70-e ai secolului XIX, un membru al Societății Regale din Londra Uilyam Kruks, meteorolog de mare succes și chimist (a descoperit taliu si determina foarte precis greutatea atomică), a devenit interesat de evacuările de gaze în tuburi cu vid. Până când era cunoscut faptul că electrodul negativ emite emanația de natură necunoscută, care german fizician Oygen Goldshteyn în 1876 numit razele catodice. Dupa mai multe experimente Crookes a decis ca aceste raze nu sunt nimic altceva decât particulele de gaz care, după coliziune cu catodul achiziționat o sarcină negativă și a început să se deplaseze spre anod. Aceste particule încărcate el a numit „materie radiantă», materia radiantă.

razele catodice au studiat intens și după Crookes. În 1895, aceste experimente conduse de William Röntgen pentru deschiderea unui nou tip de radiații electromagnetice, iar la începutul secolului al XX-lea sa transformat în inventarea primei tuburi de radio. Dar kruksovskaya patra stare a materiei ipoteze nu provoacă interes în rândul fizicienilor - cel mai probabil pentru că în 1897 Dzhozef Dzhon Tomson a demonstrat că razele catodice sunt atomi neîncărcate de gaz, și un particule foarte ușoare, pe care a numit electroni. Această descoperire părea să facă o ipoteză Crookes inutilă.

plasma clasică - este gazul ion-electron poate fi diluat cu particule neutre (strict vorbind, există întotdeauna prezintă fotoni, dar ele nu pot fi luate în considerare la temperaturi moderate). Dacă gradul de ionizare este prea mic (de obicei, un procent este suficient), gazul prezintă o multitudine de proprietăți specifice care nu le poseda gazele convenționale. Cu toate acestea, este posibil să se producă o plasmă în care electronii liberi nu vor deloc, iar sarcinile lor își vor asuma ioni negativi.

Pentru simplificare, considerăm doar plasma electron-ion. Particulele sale sunt atrase sau respinse în conformitate cu legea lui Coulomb, iar această interacțiune este prezentat la distanțe mari. Este acest lucru ele diferă de atomii și moleculele de gaz neutru, care se simt reciproc numai la distanțe foarte mici. Deoarece particulele de plasmă sunt în mișcare liberă, acestea sunt ușor deplasate prin acțiunea forțelor electrice. Pentru plasma este în echilibru, este necesar ca taxele de spațiu de electroni și ioni compensează pe deplin reciproc. Dacă această condiție nu este îndeplinită, plasma există curenți electrici care a restabili echilibrul (de exemplu, în cazul în care într-o anumită zonă de un exces de ioni pozitivi pentru a grăbi instantaneu electroni). Prin urmare, într-un echilibru plasmatic particule de diferite densități sunt semne practic identice. Aceasta este cea mai importantă proprietate se numește cvasi-neutru.

Aproape întotdeauna atomii sau moleculele unui gaz convențional implicat numai în interacțiunile pereche - se ciocnesc unele cu altele și se împrăștie în lateral. Situația este diferită de plasmă. Deoarece particulele sale sunt conectate prin forțe Coulomb cu rază lungă, fiecare dintre ele se află în apropiere de vecini și de la distanță. Acest lucru înseamnă că interacțiunea dintre particulele de plasmă nu sunt asociate, și la plural - așa cum spun fizicienii, colectiv. Rezultă plasma definiție standard - sistem quasineutral a unui număr mare de particule încărcate opus prezentând un comportament colectiv.

Plasma se caracterizează printr-un gaz neutru și o reacție la câmpuri electrice și magnetice externe (gaz convenționale le practic nu observă). Particulele de plasma, dimpotrivă, simt un câmp arbitrar slab și imediat începe să se miște, crearea de taxe de spațiu și de curenți electrici. O altă caracteristică importantă a plasmei de echilibru - screening-ul de încărcare. Ia particulele de plasmă, de exemplu, un ion pozitiv. Acesta atrage electroni, care formează un nor de sarcină negativă. Domeniul de ioni se comportă în conformitate cu legea lui Coulomb numai în imediata apropiere a acestuia, precum și la distanțe care depășesc o anumită valoare critică, foarte rapid la zero. Acest parametru se numește screening-ul Debye - dupa fizicianul olandez Peter Debye, care a descris acest mecanism în 1923.

Este ușor de înțeles că susține plasmă cvasi-neutralitatea numai dacă dimensiunile sale liniare în toate dimensiunile mult mai mare decât lungimea Debye. Este de remarcat faptul că acest parametru crește în instalațiile de încălzire cu plasmă și scade odată cu creșterea densității sale. Într-o descărcare de gaz de plasmă, în ordinul de mărime este de 0,1 mm Pământului ionosferă - 1 mm, un miez solar - 0.01 nm.

In zilele noastre, plasmă este utilizat într-o mare varietate de tehnologii. Unele dintre ele sunt cunoscute pentru toată lumea (lămpi cu descărcare în gaz, plasma display-uri), în timp ce altele sunt de interes pentru specialiști (producția de grele de film de acoperire de protecție, fabricarea microcipuri, dezinfectare). Cu toate acestea, cele mai mari speranțe pentru plasma se afla în legătură cu activitatea privind punerea în aplicare a reacțiilor termonucleare controlate. Acest lucru este de înțeles. Pentru nuclee de hidrogen topit în nuclee de heliu, ei trebuie să se apropie la o distanță de aproximativ un centimetru parts stomilliardnoy - și au câștigat deja forțele nucleare. Această convergență este posibilă numai la temperaturi în zeci și sute de milioane de grade - în acest caz, energia cinetică a nucleelor ​​încărcate pozitiv va fi suficient pentru a depăși repulsia electrostatică. Prin urmare, pentru fuziunea nucleară controlată necesită o plasmă de hidrogen la temperaturi ridicate.

Cu toate acestea, plasma se bazează pe hidrogen obișnuit nu ajută aici. Astfel de reacții apar în stele, dar pentru energia Pământului, ele sunt inutile ca intensitate prea mică de energie. Cel mai bine este de a utiliza o plasmă a unui amestec de hidrogen greu izotopilor deuteriu și tritiu în proporție de 1: 1 (plasma de deuteriu pur este acceptabil, deși mai puțină energie și va necesita temperaturi mai ridicate pentru a aprinde).

Cu toate acestea, pentru a începe reacția de puțină încălzire. În # 8209; În primul rând, plasma este necesar să fie suficient de gros; în # 8209; în al doilea rând, particulele blocați în zona de reacție nu ar trebui să lase prea repede - în caz contrar, pierderea de energie depășește alocarea. Aceste cerințe pot fi exprimate ca un criteriu, care în 1955 a sugerat că fizicianul englez Dzhon Louson. În conformitate cu această formulă produsul densității plasmei pe timpul mediu de staționare a particulelor trebuie să fie peste o anumită valoare determinată de temperatură, compoziția și utilizarea eficientă a combustibilului de fuziune așteptată a reactorului.

Ca alternativă, se poate opera cu o plasma rarefiată (densitate în nanograme pe centimetru cub), ținându-l în zona de reacție de cel puțin câteva secunde. In aceste experimente, pentru mai mult de o jumătate de secol folosesc diferite capcană magnetică care păstrează plasma într-un volum dat datorită suprapunerii mai multor câmpuri magnetice. Cele mai promițătoare sunt tokamak - capcane magnetice închise în formă de torus, propusă de AD Saharov și IE Tamm în 1950. În prezent, în diferite țări care lucrează cu o duzină de astfel de plante, dintre care cea mai mare este permis să se apropie de punerea în aplicare a criteriului Lawson. Reactorul termonuclear experimental internațional, celebrul ITER, care va fi construit în satul Cadarache lângă orașul francez Aix-en-Provence - de asemenea, Tokamak. Dacă totul merge conform planului, ITER va permite, pentru prima dată pentru a produce plasmă satisface criteriul lousonovskomu, și dat foc într-o reacție termonucleară.

„Pe parcursul ultimelor două decenii, am făcut progrese enorme în înțelegerea proceselor care au loc în capcane magnetice de plasmă, în special; - Tokamak. În general, știm deja cum să se miște particulele de plasmă ca având o stare instabilă a fluxurilor de plasmă și în ce măsură presiunea tot mai mare a plasmei, astfel încât încă mai putea păstra câmpul magnetic. au fost stabilite, de asemenea metode noi de diagnostic de plasmă de înaltă precizie, adică, măsurarea diferiților parametri de plasmă, - a spus „PM“ un profesor de fizică nucleară și tehnologia nucleară MIT Ian Hutchinson, care mai mult de 30 de ani de experiență în tokamak. - Până în prezent, cea mai mare putere de alocare Tokamak atins de căldură în plasmă-deuteriu tritiu de circa 10 MW pentru una sau două secunde. ITER va depăși cifrele pentru câteva ordine de mărime. Dacă nu greșesc în calcule, acesta va fi în măsură să ofere cel puțin 500 de megawați în câteva minute. Dacă suntem cu adevărat norocoși, energia va fi generată fără nici o limită de timp, într-o manieră stabilă. "