Finalizat: student 10 clasa B
CE ESTE PLASMA
Cuvântul "plasma" (din "plasma" grecească - "decorat") în mijlocul secolului al XIX-lea. a început să numească partea incoloră a sângelui (fără corpuri roșii și albe) și lichidul care umple celulele vii. În 1929, fizicienii americani Irving Löngmur (1881-1957) și Levi Tonko (1897-1971) au numit gazul plasmatic ionizat într-un tub de descărcare de gaze.
fizicianul englez William Crookes (1832-1919), care a studiat descărcări electrice în tuburi cu aer rarefiat, el a scris: „Fenomenele din tuburi vidate au descoperit o nouă lume a științei fizice, în care materia poate exista într-o a patra stare.“
În funcție de temperatură, orice substanță își schimbă starea. Astfel, cele negative (centigrade) temperaturile sunt în stare solidă, în intervalul de la 0 la 100 „C. - în lichid peste 100 ° C, în stare gazoasă Dacă temperatura continuă să crească, atomii si moleculele incep sa piarda electroni - ionizate și gaz într-o plasmă la temperaturi de peste 1 000 000 ° C, plasma este complet ionizat. - conține numai electroni și ioni pozitivi cu plasmă. - starea cea mai răspândită a materiei în natură, aceasta reprezintă aproximativ 99% din masa universului Soare, cele mai multe dintre stele, nebuloase. - aceasta este n lnostyu plasmă ionizată. Partea exterioară a atmosferei Pământului (ionosfera), de asemenea cu plasmă.
Încă mai mari sunt centurile de radiație care conțin plasmă. Lămpile polar, fulgere, inclusiv sferice, sunt diferite tipuri de plasmă, care pot fi observate în condiții naturale de pe Pământ. Și doar o parte nesemnificativă a universului este o substanță într-o stare solidă - planete, asteroizi și nebuloase de praf.
Prin plasmă, în fizică se înțelege un gaz format din particule încărcate electric și neutre, în care sarcina electrică totală este zero, adică, condiția quasineutrality este satisfăcută (prin urmare, de exemplu, un fascicul de electroni care zboară în vid nu este o plasmă: poartă o sarcină negativă).
Plasma cea mai utilizată este utilizată în echipamentele de iluminat - în lămpile cu descărcare în gaz, iluminând străzile și lămpile fluorescente utilizate în spații. Și, în plus, într-o varietate de dispozitive de descărcare de gaz: redresoare de curent electric, regulatoare de tensiune, amplificatoare de plasmă și generatoare de frecvențe ultrahigh (cuptor cu microunde), contoare spațiu-particule.
Toate așa-numitele lasere de gaz (heliu-neon, krypton, dioxid de carbon etc.) sunt de fapt plasme: amestecurile de gaze din ele sunt ionizate printr-o descărcare electrică.
Proprietățile caracteristice ale plasmei, au electronilor de conducție în metalul (ionii care au fost fixate în rețeaua cristalină, tarifele lor sunt neutralizate), o pluralitate de electroni liberi și „găuri“ mobile (poziție) în semiconductori. Prin urmare, astfel de sisteme se numesc plasmă solidă
Plasma de gaze este de obicei împărțită în temperaturi scăzute - până la 100 de mii de grade și temperaturi ridicate - până la 100 milioane de grade. Există generatoare de plasma plasmatroni cu temperatură joasă, în care se utilizează un arc electric. Cu ajutorul unei lanterne cu plasmă este posibilă încălzirea aproape a oricărui gaz la 7000-10000 grade pe sute și mii de secundă. Odată cu crearea tortei cu plasmă, a apărut un nou domeniu al științei: chimia plasmei: multe reacții chimice sunt accelerate sau merg doar într-un jet de plasmă. Lămpile cu plasmă sunt utilizate în industria minieră și pentru tăierea metalelor.
De asemenea, au fost create motoare cu plasmă, centrale electrice magnetohidrodinamice. Sunt dezvoltate diferite scheme de accelerare a particulelor încărcate în plasmă. Sarcina centrală a fizicii plasmei este problema fuziunii termonucleare controlate.
Reacțiile termonucleare se numesc reacții de sinteză a nucleelor mai grele din nucleele elementelor luminoase (în principal izotopii de hidrogen - deuteriu D și tritiu T), care apar la temperaturi foarte ridicate (> 10 8 K și mai mari)
În condiții naturale, reacțiile termonucleare apar pe Soare: nucleele de hidrogen sunt conectate una la alta, formând nuclee de heliu și se eliberează o cantitate semnificativă de energie. Reacția artificială a fuziunii termonucleare a fost efectuată într-o bombă cu hidrogen.
REACȚII TERMONUCLEARE CONTROLATE
Se crede că rezervele chimice de combustibil pentru omenire vor dura câteva decenii. Rezerve limitate și explorate de combustibil nuclear. Pentru a salva omenirea de foamea energetică și a deveni o sursă de energie aproape inepuizabilă pot fi controlate reacțiile termonucleare în plasmă.
În 1 litru de apă obișnuită, conține 0,15 ml de apă greu (D2O). Când fuziunea nucleelor de deuteriu din 0,15 ml de D2O este eliberată la fel de multă energie pe măsură ce se formează atunci când sunt arși 300 litri de benzină. Tritiu în natură practic nu există, dar poate fi obținut prin bombardarea cu neutroni a izotopului n al litiului:
n + 7 Li # 61614; 4 El + T
Nucleul atomului de hidrogen nu este altceva decât un proton p. În nucleul deuteriului, în plus, există un alt neutron, iar în nucleul de tritiu există două neutroni. Deuteriul și tritiumul pot reacționa între ele în zece moduri diferite. Dar probabilitățile unor astfel de reacții diferă uneori de sute de trilioane de ori, iar cantitatea de energie eliberată este de 10-15 ori. Doar trei dintre ele sunt de interes practic:
D + D # 61614; T + p + 4 MeV;
D + D # 61614; 3 El + n + 3,3 MeV;
D + T # 61614; 4 He + n + 17,6 MeV.
Dacă toate nucleele dintr-un volum reacționează simultan, energia este eliberată instantaneu. Există o explozie termonucleară. În reactor, reacția de sinteză trebuie să înceapă încet.
Administrarea fuziunii termonucleare nu a fost realizată până acum și promite avantaje considerabile. Energia, care este eliberată în timpul reacțiilor termonucleare pe unitatea de masă de combustibil, este de milioane de ori mai mare decât energia combustibilului chimic și, prin urmare, de sute de ori mai ieftină. În cazul energiei termonucleare nu există emisii de produse de ardere în atmosferă și deșeuri radioactive. În cele din urmă, o explozie a fost exclusă de la centrala termonucleară.
În timpul sintezei, cea mai mare parte a energiei (mai mult de 75%) este eliberată ca energia cinetică a neutronilor sau protonilor. Dacă neutronii sunt încetinite într-o substanță potrivită, se încălzește; Căldura rezultată poate fi ușor transformată în energie electrică. Energia cinetică a particulelor încărcate - protoni - este transformată direct în electricitate.
În reacția de fuziune, nucleele trebuie să se îmbine, dar sunt încărcate pozitiv și, prin urmare, conform legii lui Coulomb, resping. Pentru a depăși forțele repulsive, chiar nucleele deuteriului și tritiului, care au cea mai mică încărcătură (Z. = 1), necesită energie de aproximativ 10 sau 100 keV. Aceasta corespunde unei temperaturi de ordinul a 10 8 -10 9 K. La astfel de temperaturi, orice substanță este în stare de plasmă la temperaturi ridicate.
Din punct de vedere al fizicii clasice, reacția de fuziune este imposibil, dar aici vine în ajutorul pur cuantic - efect de tunel. Calc că temperatura de aprindere, din care eliberarea de energie depășește pierderea pentru reacția deuteriu tritiu (DT) este de aproximativ 4,5 x 10 7 K și pentru reacția deuteriu-deuteriu (DD) - aproximativ 4 * 10 K. luna august În mod natural, reacția DT este preferabilă. Se încălzește plasma curent electric, radiație laser, unde electromagnetice în alte moduri. Dar nu numai că temperatura ridicată este importantă.
Cu cât concentrația este mai mare, cu atât particulele se ciocnesc cel mai adesea între ele, astfel încât poate părea că pentru a folosi reacțiile termonucleare este mai bine să utilizați plasmă de înaltă densitate. Cu toate acestea, în cazul în care au fost 10 19 particule (concentrația de molecule într-un gaz în condiții normale) în 1 cm3 de plasmă, presiunea în acesta la temperaturile reacțiilor termonucleare ar ajunge la circa 10 6 atm. Această presiune nu poate rezista la nici un design și, prin urmare, plasma trebuie să fie redusă (cu o concentrație de aproximativ 10 15 particule pe 1 cm3). Coliziunea particulelor în acest caz este mai puțin frecventă și pentru menținerea reacției este necesar să se mărească timpul de rezidență în reactor sau timpul de retenție. Prin urmare, pentru a realiza o reacție termonucleară, este necesar să se ia în considerare produsul concentrației de particule de plasmă în timpul închiderii lor. Pentru reacțiile DD, acest produs (așa-numitul criteriu Lawson) este de 10 16 s / cm3 și pentru reacția DT-10 14 s / cm3. De aceea, reacția DT este mai ușor de realizat decât DD.
Când a început cercetarea în plasmă, se părea că ar fi posibil să se realizeze rapid o sinteză controlată. Dar, în cele din urmă, a devenit clar că în procesele complexe de plasmă la temperaturi ridicate apar procese și rolul decisiv este jucat de numeroase instabilități. Astăzi, se dezvoltă mai multe tipuri de dispozitive în care se presupune că se efectuează fuziunea termonucleară. Cele mai promițătoare sunt tokamak (scurte pentru „camera toroidală cu KAatushkami magnetic“). Tokamak reprezintă un transformator gigant, a cărui bobină primară este înfășurat pe un miez și bobina secundară are un singur - o cameră de vid sub forma unei gogoașă, torul (lat TORUS -. «Bulge") Cablu Plasma interior. magnet deține cordon în centrul camerei, și un curent de mii de amperi se încălzește la temperatura dorită. Neutronii sunt generate în cursul reacțiilor de fuziune sunt absorbite în pătură - materialul stratului din jurul camerei. Căldura eliberată în același timp poate fi utilizată pentru a genera energie electrică.
Un câmp magnetic de formă complexă care ține plasma în camera circulară a tokamakului, contracarează câmpul intrinsec al coloanei de plasmă, care tinde să curbează traiectoria particulelor plasmatice încărcate. În stelaratorul (de la latina STELLA - Zvezda), plasmă i sa permis să ia forma pe care o dorește și a lăsat doar câmpul care comprimă cablul. Camera de vacuum a dobândit un aspect foarte bizar și o mulțime de bobine magnetice - o formă destul de complexă. Experimentele pe stelarizatoare se desfășoară în diferite țări, dar nu a fost încă posibilă atingerea temperaturii dorite și a timpului de închidere a plasmei.
O metodă fundamental diferită este confinarea inerțială a plasmei, bazată pe inerția amestecului de reacție care la încălzirea instantanee (de exemplu, cu laser (puls) nu este imediat risipește. Fiolă care este un amestec de deuteriu și tritiu este iradiat din toate părțile
Dar chiar și de-a lungul acestei căi există o serie de dificultăți tehnologice care încă nu au făcut posibilă transformarea instalațiilor laser experimentale în reactoare industriale.