Тема 9. Движение заряженных частиц в полях (стр. 8 )

       - термическая ионизация в результате неупругих столкновений атомов достаточно сильно нагретых газов (например, для водорода  при    степень ионизации  ≈10%, а при  - примерно 98%);

       - ударная ионизация заряженными частицами (например – при электрическом разряде в газе);

       - фотоионизация  за счет энергии падающего на газ электромагнитного излучения (наиболее эффективно происходит при облучении газа ультрафиолетовым или рентгеновским излучением).

       В зависимости от условий получения плазмы средние энергии электронов, ионов и нейтральных атомов могут различаться. В этом случае плазму нельзя охарактеризовать одним значением температуры; поэтому различают электронную (), ионную () и температуру нейтральных атомов (). Плазму, у которой эти температуры различны, называют неизотермической. Таковой обычно является плазма, возникающая в газовом разряде. Если же все три температуры одинаковы, плазму называют изотермической.  Такая плазма обычно образуется в результате сильного нагрева газа, т. е. при термоионизации. Исследования показывают, что для неизотермической плазмы  величина дебаевского  радиуса  определяется ионной температурой. В зависимости от ее значения различают низкотемпературную () и высокотемпературную плазму ().

       На первый взгляд может показаться неожиданным то, что плазма – наиболее распространенное состояние вещества во Вселенной. Действительно, наше Солнце, как и другие звезды, состоят из полностью ионизированной высокотемпературной плазмы. Все межзвездное пространство также заполнено разреженной плазмой – ионизированным водородом при температуре около 120 К; при этом на каждый см3 пространства приходится в среднем один ион водорода. Ионизация межзвездного водорода происходит под действием ультрафиолетового и рентгеновского излучения звезд. В околоземном пространстве слабоионизированная плазма образует ионосферу нашей планеты. Процессы, происходящие в ионосфере, вызывают магнитные бури, северное сияние, нарушения радиосвязи т. п. В связи с большой распространенностью плазмы в природе ее иногда называют четвертым состоянием вещества.

       Искусственно получаемая плазма находит различные практические применения. В частности, низкотемпературная газоразрядная плазма, возникающая при тлеющем, искровом и дуговом разряде, используется в источниках света, для плавки, резки и упрочения металлов. Плазма служит в качестве рабочего тела в т. н. магнитогидродинамических генераторах – устройствах, в которых внутренняя энергия сильно ионизированного газа преобразуется непосредственно в электрическую энергию. Для сравнения вспомним, что на тепловых электростанциях, а также на АЭС, внутренняя энергия водяного пара вначале превращается в механическую энергию вращения ротора генератора, а затем в энергию электрического тока. В магнитогидродинамических генераторах плазма образуется в результате сгорания топлива с примесью щелочных металлов (их наличие способствует повышению степени ионизации). Продукты сгорания в виде газовой струи проходят через расширяющееся сопло, которое находится в однородном магнитном поле (рис.9.10). Под действием силы Лоренца положительно

               

Рис. 9.10

заряженные ионы движутся к верхнему электроду, электроны и анионы – к нижнему электроду сопла. В результате этого между электродами возникает разность потенциалов и ток в цепи нагрузки.

Таким образом, в магнитогидродинамических  генераторах отсутствует промежуточная стадия, на которой внутренняя энергия рабочего тела превращается в энергию механическую. Помимо этого, к их достоинствам следует отнести простоту конструкции и отсутствие в зоне высоких температур трущихся деталей. Основным недостатком генераторов такого типа является то, что для получения высокоионизированной плазмы необходима температура около 3000 К. Это обстоятельство диктует необходимость использования жаропрочных конструкционных материалов.

9.9. Управляемый термоядерный синтез

Основной практический интерес к плазме связан с проблемой управляемой термоядерной реакции (управляемого термоядерного синтеза). Дело в том, что легкие атомные ядра в определенных условиях могут соединяться между собой с выделением огромного количества энергии. Таковы, например, реакции соединения двух ядер дейтерия либо ядер дейтерия и трития (изотопы водорода) с образованием ядра гелия. Энергия, выделяемая при этом, в миллионы раз превосходит энергию, которая выделяется в реакции окисления (горения) любого органического топлива. В природных условиях такие реакции протекают в недрах звезд, в том числе и на ближайшей к нам звезде – Солнце. Реакции, инициируемые искусственно, имеют пока неуправляемый характер; они протекают в виде взрыва в т. н. водородных бомбах. Весьма заманчивой представляется идея, интенсивно разрабатываемая во всех промышленно развитых станах мира, придать реакции синтеза спокойный, управляемый характер. Если бы это удалось сделать, то человечество получило бы практически неисчерпаемый источник энергии. Дело в том, что по современным оценкам на каждые 5000-6000 атомов водорода в Мировом океане приходится один атом дейтерия. Соответственно  общее количество дейтерия составляет примерно 4∙1013 тонн, что эквивалентно энергии около 1020 кВт∙лет. Тритий, как сильно радиоактивный элемент, в природе не накапливается, но получается искусственно. Предполагается, что в термоядерных реакторах тритий будет нарабатываться при облучении лития нейтронами, возникающими в процессе термоядерного синтеза.

Для того чтобы инициировать термоядерную реакцию,  газообразная смесь реагентов должна иметь температуру не меньше 108 К (именно поэтому такие реакции называются термоядерными). Понятно, что в таких условиях вещество представляет собой полностью ионизированную плазму, состоящую из электронов и голых атомных ядер. Поскольку ни одно вещество из известных в настоящее время не выдерживает такой температуры, плазму необходимо изолировать от стенок камеры, в которой она находится, и удерживать в таком состоянии в течение промежутка времени, достаточного для того, чтобы прореагировала большая часть ядер дейтерия. Решение этой проблемы напрямую связано с проблемой получения устойчивой (спокойной) плазмы. Как уже отмечалось, из-за дальнодействия кулоновских сил в плазме протекают различные коллективные процессы,  например – продольные колебания объемного электрического заряда. В результате этого поведение плазмы крайне неустойчиво; она может выбрасываться на стенки камеры, что приводит к резкому понижению температуры и прекращению реакции синтеза.

Необходимое условие, которому должен удовлетворять промышленный термоядерный реактор, состоит в том, чтобы энергия, выделяющаяся в результате синтеза, с избытком компенсировала энергию от внешних источников, необходимую на разогрев и удержание плазмы. Основными источниками потерь энергии является тормозное излучение электронов при их  столкновениях, а также циклотронное (бетатронное) излучение, обусловленное движением электронов по винтовым траекториям в магнитном поле. Для самоподдерживающейся реакции синтеза должен выполняться т. н. критерий Лоусона: с/см3 для реакции на чистом дейтерии и  с/см3 в случае реакции на дейтерий-тритиевой смеси (здесь – концентрация заряженных частиц одного знака, – время удержания плазмы).

Проблема управляемого термоядерного синтеза начала активно разрабатываться в 1951 г. в СССР, затем в США, Великобритании, Франции, Японии и других странах. В настоящее время наиболее перспективным подходом к решению этой проблемы считается нагрев и удержание плазмы в т. н. магнитных ловушках типа ТОКАМАК. Простейший ТОКАМАК в сущности представляет собой импульсный понижающий трансформатор  (рис. 9.11). Его первичная обмотка подключена к батарее конденсаторов очень большой емкости. Разряд  батареи через первичную обмотку наводит  в тороидальной камере, заполненной дейтерий-тритиевой смесью, вихревое электрическое поле. В результате этого происходит ионизация атомов смеси с образованием плазмы, и возникает импульс мощного тока.  Фактически плазменный ток представляет собой вторичную  обмотку трансформатора: именно он обеспечивает повышение температуры плазмы. Магнитное поле, обжимающее плазму и изолирующее  ее от стенок камеры, создается тороидальными катушками. Как уже отмечалось, тороидальное поле неоднородно; его индукция уменьшается от центра малого поперечного сечения тора к периферии. Вследствие неоднородности возникает дрейф частиц плазмы поперек тороидального поля, т. е. происходит сравнительно медленное вытекание плазмы из горячей зоны на стенки камеры. В современных ТОКАМАКах помимо тороидального поля создается дополнительное (полоидальное) магнитное поле.  В результате  суперпозиции тороидального и полоидального полей линии индукции результирующего магнитного поля имеют вид бесконечных спиралей, охватывающих центральную линию плазменного тора – его магнитную ось. Можно сказать, что линии индукции образуют в ТОКАМАКе  замкнутые, вложенные друг в друга магнитные поверхности, предотвращающие вытекание плазмы на стенки камеры.