Вездесъщата плазма: четвъртото състояние на материята

Преди година и половина почти всички химици и много физици вярваха, че материята се състои само от атоми и молекули, които се комбинират в повече или по-малко подредени или напълно неупотребявани комбинации. Малцина се съмняват, че всички или почти всички вещества са в състояние да съществуват в три различни фази - твърда, течна и газообразна, която приемат в зависимост от външните условия. Но вече са изразени хипотези за възможността за други състояния на материята.

Този универсален модел беше потвърден от научни наблюдения и хилядолетия опит в ежедневието. В крайна сметка всички знаят, че при охлаждане водата се превръща в лед, а при нагряване тя кипи и се изпарява. Оловото и желязото също могат да бъдат превърнати в течни и газови, те трябва само да се нагряват по-силно. От края на 18 век изследователите замръзват газове в течности и изглежда доста правдоподобно, че по принцип всеки втечнен газ може да бъде направен за втвърдяване. Като цяло една проста и разбираема картина на трите състояния на материята изглежда не изисква нито корекции, нито допълнения.

Плазмена електроцентрала на 70 км от Марсилия, в Сен-Пол-ле-Дюранс, до френския изследователски център за атомна енергия Cadarache, ще бъде изграден изследователски термоядрен реактор ITER (от латински iter - път). Основната официална задача на този реактор е „да демонстрира научната и технологичната приложимост на производството на термоядрена енергия за мирни цели“. В дългосрочен план (30–35 години) въз основа на данните, получени по време на експерименти в реактора ITER, могат да бъдат създадени прототипи на безопасни, екологично чисти и икономически изгодни електроцентрали.

Учените от онова време биха били доста изненадани да научат, че твърдите, течни и газообразни състояния на атомно-молекулярната материя се запазват само при сравнително ниски температури, не надвишаващи 10000 °, и дори в тази зона те не изчерпват всички възможни структури (например течни кристали). Не би било лесно да се повярва, че те представляват не повече от 0, 01% от общата маса на сегашната Вселена. Сега знаем, че материята се реализира в много екзотични форми. Някои от тях (например изроден електронен газ и неутронна материя) съществуват само вътре в свръх плътни космически тела (бели джуджета и неутронни звезди), а някои (като кварк-глюонна течност) се раждат и изчезват в един миг малко след Големия взрив. Интересно е обаче, че предположението за съществуването на първата от държавите, които са надхвърлили рамката на класическата триада, е направено всички през същия деветнадесети век и в самото начало. Той се превръща в обект на научни изследвания много по-късно, през 20-те години. Тогава получи името си - плазма.

От Фарадей до Лангмюр

През втората половина на 70-те години на XIX век член на Лондонското кралско дружество Уилям Кроукс, много успешен метеоролог и химик (той открил талий и изключително точно определи атомното му тегло) се заинтересува от изпускането на газ във вакуумни тръби. Дотогава се знаеше, че отрицателният електрод излъчва еманация с неизвестна природа, която немският физик Юген Голдщайн през 1876 г. нарече катодни лъчи. След много експерименти Крукс реши, че тези лъчи не са нищо повече от газови частици, които след сблъсък с катода придобиха отрицателен заряд и започнаха да се движат в посока на анода. Той нарече тези заредени частици „сияйна материя“, сияйна материя.

Как работи Tokamak Tokamak - инсталиране на тороидална форма за задържане на плазма с помощта на магнитно поле. Плазма, нагрята до много високи температури, не докосва стените на камерата, а се задържа от магнитни полета - тороидални, създадени от намотки, и полоидни, които се образуват, когато в плазмата тече ток. Самата плазма играе ролята на вторична намотка на трансформатора (първична - намотки за създаване на тороидално поле), която осигурява предварително нагряване по време на протичане на електрически ток.

Наистина, Крукс не е оригинален в това обяснение на естеството на катодните лъчи. През 1871 г. виден британски електротехник Кромуел Флитвуд Варли, един от лидерите в полагането на първия трансатлантически телеграфен кабел, изрази подобна хипотеза. Резултатите от експериментите с катодни лъчи обаче доведоха Крукс към много дълбока мисъл: средата, в която те се размножават, вече не е газ, а нещо съвсем различно. На 22 август 1879 г., на сесия на Британската асоциация за наука, Крукс заяви, че изхвърлянията в разредени газове „са толкова различни от всичко, което се случва във въздуха или с газ при обикновено налягане, че в този случай имаме работа с вещество в четвърто състояние, което по свойства "се различава от обикновения газ в същата степен като газ от течността."

Често се пише, че именно Крукс първо е мислил за четвъртото състояние на материята. Всъщност тази мисъл се е зародила на Майкъл Фарадей много по-рано. През 1819 г., 60 години преди Крукс, Фарадей предполага, че веществото може да бъде в твърдо, течно, газообразно и лъчезарно състояние, сияйно състояние на материята. В доклада си Крукс изрично каза, че е използвал условията, заимствани от Фарадей, но потомците по някаква причина са забравили за това. Въпреки това идеята на Фарадей все още беше спекулативна хипотеза и Крукс я подкрепяше с експериментални данни.

Катодните лъчи бяха интензивно изследвани след Крукс. През 1895 г. тези експерименти доведоха Уилям Рентген до откриването на нов тип електромагнитно излъчване и в началото на ХХ век се превърна в изобретяването на първите радио тръби. Но хипотезата на Крукс за четвъртото състояние на материята не предизвика интереса на физиците - най-вероятно защото през 1897 г. Джоузеф Джон Томсън доказа, че катодните лъчи не са заредени газови атоми, а много леки частици, които той нарече електрони. Това откритие изглежда правеше хипотезата на Крукс.

Първа плазмена тестова снимка KSTAR (Korea Superconducting Tokamak Advanced Reactor) на първата плазма за производство на първата плазма на 15 юли 2008 г. KSTAR, изследователски проект за проучване на възможността за термоядрен синтез за енергия, използва 30 свръхпроводящи магнити, охладени от течен хелий.

Тя обаче се прероди като феникс от пепелта. През втората половина на 20-те години бъдещият Нобелов лауреат по химия Ървинг Лангмюр, който е работил в лабораторията на General Electric Corporation, е бил тясно ангажиран с проучването на газовите зауствания. Тогава те вече знаеха, че в пространството между анода и катода газовите атоми губят електрони и се превръщат в положително заредени йони. Осъзнавайки, че такъв газ има много специални свойства, Лангмюр реши да му даде собствено име. За някаква странна асоциация той избра думата "плазма", която дотогава се използваше само в минералогията (това е друго име за зелен халцедон) и в биологията (течната основа на кръвта, както и млечния серум). В новото си качество терминът „плазма“ за пръв път се появява в статията на Лангмюр „Осцилации в йонизирани газове“, публикувана през 1928 г. Около тридесет години малцина използват този термин, но след това той твърдо влезе в научния живот.

Физика на плазмата

Класическата плазма е газ с йон-електрон, вероятно разреден с неутрални частици (стриктно казано, фотоните винаги присъстват там, но те могат да бъдат игнорирани при умерени температури). Ако степента на йонизация не е твърде малка (като правило един процент е напълно достатъчен), този газ демонстрира много специфични качества, които обикновените газове не притежават. Възможно е обаче да се получи плазма, в която изобщо няма да има свободни електрони, а отрицателните йони ще поемат своите отговорности.

За простота, ние считаме само електронно-йонна плазма. Неговите частици се привличат или отблъскват в съответствие със закона на Кулом и това взаимодействие се проявява на големи разстояния. Това е, което ги отличава от атомите и молекулите на неутрален газ, които се чувстват един друг само на много къси разстояния. Тъй като частиците на плазмата са в свободен полет, те лесно се изместват от електрически сили. За да може плазмата да бъде в равновесие, е необходимо космическите заряди на електрони и йони напълно да се компенсират взаимно. Ако това условие не е изпълнено, в плазмата се появяват електрически токове, които възстановяват равновесието (например, ако в определен регион се образува излишък от положителни йони, електроните веднага ще се втурнат там). Следователно в равновесна плазма плътностите на частиците с различни признаци са почти еднакви. Това най-важно свойство се нарича квазинеутралност.

Почти винаги атомите или молекулите на обикновен газ участват само в двойки взаимодействия - те се сблъскват помежду си и се разпръскват в страни. Друго нещо е плазмата. Тъй като неговите частици са свързани от кулоновските сили на дълги разстояния, всяка от тях е в областта на близки и далечни съседи. Това означава, че взаимодействието между плазмените частици не е двойно, а многократно - както казват физиците, колективно. От тук следва стандартното определение на плазмата - квазиневрална система от голям брой противоположно заредени частици, които проявяват колективно поведение.

Ускорител на масата Мощните електронни ускорители имат характерна дължина от стотици метри и дори километри. Техният размер може да бъде значително намален, ако електроните се ускоряват не във вакуум, а в плазма - „на гребена“ на бързо разпространяващи се смущения на плътността на плазмените заряди, така наречените вълни на вълната, възбудени от лазерни импулси.

Плазмата се различава от неутрален газ в отговор на външни електрически и магнитни полета (обикновеният газ практически не ги забелязва). Частиците от плазмата, напротив, чувстват произволно слаби полета и веднага започват да се движат, генерирайки космически заряди и електрически токове. Друга най-важна характеристика на равновесната плазма е скринингът на заряда. Вземете частица от плазма, да речем, положителен йон. Той привлича електрони, които образуват облак от отрицателен заряд. Полето на такъв йон се държи в съответствие със закона на Кулона само в негова близост и клони към нула много бързо на разстояния, превишаващи определена критична стойност. Този параметър се нарича скрининг радиус на Debye - в чест на холандския физик Питър Деби, който описа този механизъм през 1923 година.

Лесно е да се разбере, че плазма запазва квазинеутралност само ако нейните линейни размери във всички размери значително надвишават радиуса на Дебае. Трябва да се отбележи, че този параметър се увеличава с плазменото нагряване и намалява с увеличаване на плътността му. В плазмата на газовите зауствания тя е 0, 1 mm от порядъка на величината, в земната йоносфера - 1 mm, в слънчевото ядро ​​- 0, 01 nm.

Контролиран синтез

Днес плазмата се използва в голямо разнообразие от технологии. Някои от тях са известни на всички (газови лампи, плазмени дисплеи), други представляват интерес за тесните специалисти (производство на тежки защитни филмови покрития, производство на микрочипове, дезинфекция). Най-големи надежди обаче се възлагат на плазмата във връзка с провеждането на контролирани термоядрени реакции. Това е разбираемо. За да могат водородните ядра да се слеят в ядра на хелий, те трябва да бъдат събрани на разстояние от порядъка на сто милиарда от сантиметър - и там ядрените сили вече ще работят. Такъв подход е възможен само при температури от десетки и стотици милиони градуси - в този случай кинетичната енергия на положително заредените ядра ще бъде достатъчна за преодоляване на електростатичното отблъскване. Следователно, за контролиран синтез е необходима високотемпературна водородна плазма.

Плазмата в околния свят е почти вездесъща - тя може да бъде открита не само в газовите зауствания, но и в йоносферата на планетите, в повърхностните и дълбоки слоеве от активни звезди. Това е средата за осъществяване на контролирани термоядрени реакции и работната течност за космическите електрически задвижващи двигатели и много, много повече.

Вярно е, че плазмата на базата на обикновен водород няма да помогне тук. Подобни реакции протичат в недрата на звездите, но те са безполезни за земната енергия, тъй като интензитетът на отделяне на енергия е твърде нисък. Най-добре е да използвате плазма от смес от тежки водородни изотопи на деутерий и тритий в съотношение 1: 1 (чиста деутериева плазма също е приемлива, въпреки че ще осигури по-малко енергия и ще изисква по-високи температури за запалване).

Обаче за стартиране на реакцията едно загряване не е достатъчно. Първо, плазмата трябва да бъде достатъчно гъста; второ, частиците, попадащи в реакционната зона, не трябва да я оставят твърде бързо - в противен случай загубата на енергия ще надвиши освобождаването му. Тези изисквания могат да бъдат представени под формата на критерий, предложен от английския физик Джон Лосън през 1955 г. В съответствие с тази формула продуктът на плазмената плътност и средното време на задържане на частиците трябва да бъде по-голям от определена стойност, определена от температура, състав на термоядрено гориво и очакваната ефективност на реактора.

Лесно е да се види, че има два начина за изпълнение на критерия на Лосън. Възможно е да се намали времето на задържане до наносекунди чрез компресиране на плазмата, да речем, до 100-200 g / cm3 (тъй като плазмата няма време да се разлети, този метод на задържане се нарича инерциален). Физиците практикуват тази стратегия от средата на 60-те години; сега най-модерната му версия е Националната лаборатория в Ливърмор. Тази година ще започнат експерименти върху компресия на миниатюрни берилиеви капсули (диаметър 1, 8 мм), напълнени със смес от деутерий-тритий, като се използват 192 ултравиолетови лазерни лъча. Ръководителите на проекти смятат, че не по-късно от 2012 г. те ще могат не само да подпалят термоядрената реакция, но и да получат положителна енергия. Може би подобна програма по проекта HiPER (High Power Laser Energy Research) ще стартира в Европа през следващите години. Въпреки това, дори ако експериментите в Ливърмор напълно оправдават очакванията им, разстоянието до създаването на истински термоядрен реактор с инерционно задържане на плазма все още ще остане много голямо. Факт е, че за да се създаде прототип на електроцентрала, е необходима много високоскоростна система от тежкотоварни лазери. Той трябва да осигурява такава честота на светкавици, запалващи деутериево-тритиеви цели, която е хиляда пъти по-висока от възможностите на системата Ливърмор, правейки не повече от 5-10 кръга в секунда. Активно се обсъждат различни възможности за създаване на такива лазерни оръдия, но практическото им прилагане все още е много далеч.

Токамаки: старата стража

Алтернативно, човек може да работи с разредена плазма (плътност в нанограми на кубичен сантиметър), като я държи в реакционната зона поне няколко секунди. Повече от половин век при подобни експерименти се използват различни магнитни капани, които държат плазмата в даден обем поради прилагането на няколко магнитни полета. Токамаки - затворените магнитни капани под формата на торус, предложени за първи път от А. Д. Сахаров и И. Е., се считат за най-обещаващи. Тамм през 1950г. В момента има десетки такива инсталации в различни страни, най-голямата от които ни позволи да се приближим до изпълнението на критерия на Лосън. Международният експериментален термоядрен реактор, известният ITER, който ще бъде построен в село Кадараче близо до френския град Екс-ан-Прованс, също е токамак. Ако всичко върви по план, ITER ще позволи за първи път да получи плазма, която отговаря на критерия на Лосън, и да подпали термоядрена реакция в нея.

„През последните две десетилетия постигнахме огромен напредък в разбирането на процесите, които се случват в магнитните плазмени капани, по-специално - токамаците. Като цяло вече знаем как се движат плазмените частици, как възникват нестабилни състояния на плазмените потоци и до каква степен плазменото налягане се повишава, за да може въпреки това да се поддържа от магнитно поле. Създадени са и нови високоточни методи за плазмена диагностика, тоест измервания на различни плазмени параметри “, казва Иън Хатчинсън, професор по ядрена физика и ядрена технология от Масачузетския технологичен институт, който се занимава с токамаци повече от 30 години. - Към днешна дата в най-големите токамаки са постигнати мощности за производство на топлина в плазмата деутерий-тритий от около 10 мегавата за една до две секунди. ITER ще надмине тези показатели с няколко поръчки. Ако не се заблуждаваме в изчисленията, той ще може да произведе поне 500 мегавата за няколко минути. Ако наистина имате късмет, енергията ще се генерира без ограничение във времето, в стабилен режим. "

Професор Хатчинсън също подчерта, че учените сега добре разбират естеството на процесите, които трябва да протичат в този огромен токамак: „Ние дори знаем условията, при които плазмата потиска собствената си турбулентност и това е много важно за контролиране на работата на реактора. Конечно, необходимо решить множество технических задач — в частности, завершить разработку материалов для внутренней облицовки камеры, способных выдержать интенсивную нейтронную бомбардировку. Но с точки зрения физики плазмы картина достаточно ясна — во всяком случае мы так считаем. ITER должен подтвердить, что мы не ошибаемся. Если все так и будет, придет черед и токамаку следующего поколения, который станет прототипом промышленных термоядерных реакторов. Но сейчас об этом говорить еще рано. А пока мы рассчитываем, что ITER начнет работать в конце этого десятилетия. Скорее всего, он сможет генерировать горячую плазму никак не раньше 2018 года — во всяком случае по нашим ожиданиям». Так что с точки зрения науки и техники у проекта ITER неплохие перспективы.

Статията е публикувана в списанието Popular Mechanics (№ 4, април 2010 г.).

Препоръчано

Аляска се стопява 100 пъти по-бързо, отколкото мислехме: грандиозно изтичане на времето
2019
Самолет за деня: Savoia-Marchetti S.55
2019
Пускане на огън: Не всеки Бикфорд шнур
2019