Современные достижения физики плазмы и термоядерного синтеза А. В. Бурдаков (Институт ядерной физики СО РАН) 26 ноября 2002 г.

Добрый вечер!

Сегодня я расскажу Вам об очень интересной вещи по физике плазмы и связанной с ней проблемой. Сначала мы постараемся понять: Что же такое плазма? Для чего ее изучать? Где она применяется?

Затем я расскажу о состоянии плазменных технологий, далее о проблеме управляемого термоядерного синтеза, зачем она нужна, с чем связана? И приведу несколько примеров: как она решается, в том числе в институте ядерной физике им. Будкера, на кафедре физики плазмы университета.

Итак, что здесь изображено?

Угадайте, что это?

Ответ: абсолютно правильно, правая часть картинки — это солнце. Темная, потому что снята соответствующим образом, чтобы затенить не яркую часть солнца, а наоборот оттенить вспышку на солнце. Вот она вспышка, здесь видны такие эллипсы, это плазма движется в магнитном поле, которое возникает на солнце. В космическом масштабе Земля примерно, как «точка от указки». В космосе на Солнце, в частности, плазменные явления происходят сплошь и рядом, а Солнце — это и есть термоядерный реактор. Это то, что происходит в космосе.

Солнце и его поверхность

А вот к сожалению на Земле в обычных условиях плазма встречается достаточно редко, вот только всего несколько примеров можно назвать естественной плазмой. Например: Северное сияние — очень красивое зрелище, оно связано как раз с плазменными явлениями, а точнее с явлениями переноса частиц с магнита в сфере Земли. Другое проявление плазмы, это пламя (низко — температурная плазма), просто молния и т. д.

На Земле плазма встречается достаточно редко в естественных условиях, может быть поэтому долгое время плазмой, как наукой не занимались, но зато в космосе большая часть видимой вселенной — это и есть плазма. Таким образом, плазма наиболее распространенная форма вещества во вселенной. Естественно это и есть одна из движущих сил, вследствие которой плазма и изучается.

Так что же такое плазма?

Что будет, если нагревать вещество постепенно до все более высокой температуры

Вот сейчас по ступенькам пройдем от твердого тела, здесь оно обозначено, как кристалл, возьмем обычное твердое тело и подогреем его, произойдет плавления и твердое тело превратиться в жидкость, на это нужно затратить не которую энергию. Дальше еще нагреем, жидкость перейдет в газ, будем нагревать еще, газ перейдет в новое состояние, такое состояние называется плазмой. Это фазовый переход плавления затем испарения и ионизация, т. е атомы или молекулы распадаются на отдельно составные части на электроны и ионы, т. е. они уже живут по отдельности. Вот произошел еще один фазовый переход, но на него энергии было затрачено существенно больше, чем на предыдущей фазе перехода. Что будет если еще нагреть плазму? Если мы еще подогреем плазму = 10 0000 °C, появится еще одно новое состояние, когда в этом раскаленном газе — плазмы, начнут происходить реакции термоядерные и получиться термоядерная плазма. Возникает вопрос: А что будет, если мы еще нагреем? Что-то будет, что именно мы не знаем, потому что дальше здесь ядерный барьер и т. д. Ну и так плазма — это ионизованный газ. Газ обладающий некоторыми свойствами, как газа, так и свойствами отличными от свойств газа. Я уже говорил о нагреве, но это не совсем точно, нужно рассматривать полное состояние вещества, т. е. нагрев и его плотность, концентрация, т. е. число частиц, единица объема в м³, а это T₀ про которую я говорил. Мы начали от твердого тела, стали его нагревать, т. е. T₀ — подымается и можно идти многими путями, например, если сохранять плотность и нагревать, тогда мы прейдем к солнечному ядру, где происходит интенсивная термоядерная реакция, а можно опустить твердое тело, тогда оно испариться и будет очень редкая плазма, низко температурная типа пламени или Северного сияния.

Плазма в природе, науке и технике

Дальше есть явления различные в атмосфере, например — молния, это газоразрядная лампа, солнечная корона имеет относительно низкие T₀ — это туманность. Вот мы и узнали, что же такое плазма.

В конце нашей беседы попробуем узнать, это область, где происходят термоядерные реакции.

Сначала зададимся вопросом: Для чего вообще изучать плазму?

Философия (физика) больше всего основывается на двух вещах: на недостатке остроты очей и на душевном желании знать всегда новое… Но как оное желание, испытывать причины всякой вещи, людям свойственно и врождено, то и побуждает их входить в испытание оных…

Ответ: Я думаю, что главное и довольно очевидная причина, это просто познание мира. Мы видим, что из плазмы состоит значительная часть нашего окружающего мира. Познание мира оно не минуемо ведет к тому, что мы начинаем использовать наши знания в практических целях. Что касается науки о плазме. Считается, что наука о плазме относительно молодая, но уже сейчас плазменные технологии занимают довольно широкое место в индустрии, годовое производство с помощью плазменных технологий составляет 200 млр. долларов.

Основное направление плазменных технологий, это переработка отходов — т. е. экология, это сжигание отходов в плазменных пушках, тогда не образуется вредных газов, очистка воды, у нас, к сожалению, очистка воды с помощью плазмы мало известна. Дальше различные пленочные технологии. Это пленки окись кремния, т. е. стекло, микроэлектроника, с помощью плазменной технологии выращивают алмазы. Алмаз замечателен тем, что он диэлектрик с очень хорошей тепло проводимостью, поэтому сквозь него можно гнать большую мощность.

Дальше, покрытие, а именно, все современные окна покрыты с помощью плазменной технологии, для того чтобы холод не проникал во внутрь квартиры и тепло не выходило наружу.

Дальше — это электроника. Здесь имеется в виду: микроэлектроника и большая электроника, с лампами газоразрядными приборами, компьютерными технологиями, микросхемами, освещение, лазерные технологии и т. д.

Физика плазмы связана, как часть науки, это приборы для науки, космические исследования с помощью плазмы в космосе, плазмохимия, экология, оборона, энергетика.

С помощью плазмы можно сделать многое. Плазменный дисплей это, если в электро-лучевом дисплее используется люминофор, который находится в ячейке, которые освещаются электронным пучком, для этого используется электронно-лучевая трубка. В плазменном дисплее используется ячейка газоразрядная, ее размер небольшой. Подается напряжение по соответствующей координате и в определенном месте загорается разряд, который освещает ультрафиолетовым излучением. В результате плазменный дисплей имеет толщину около 1 см, представляет собой 2 стенки с отдельными ячейками, в которых расположены микро разряды.

В настоящее время в Корее есть завод с производством тысячи плазменных дисплеев в год.

Переходим к термоядерному синтезу. Главная цель этих исследований — получение неисчерпаемых источников энергии. Сейчас это тепловые станции и ядерные станции. Мы стараемся получить новую тепловую станцию с помощью плазмы на основе реакции синтеза. Самая распространенная для термоядерных исследований это реакция дейтерия и трития. Дейтерий это тяжелый водород, в котором кроме протона, имеется нейтрон, а тритий имеет кроме протона два нейтрона, это обычный водород. Когда происходит их слияние, образуется сначала промежуточное ядро, а затем выделяется энергия и вылетает две частицы уже другие: нейтрон и альфа частицы, — гелий частицы.

Термоядерных реакций много.

Эта реакция де-гелий 3, она действительно без нейтрона. Эта реакция нейтрона не испускает, поэтому если эта реакция будет использоваться в реакторе то, активируя окружающих тел, будет гораздо меньше, но сечение реакции ДД при таких температурах примерно в 100 раз выше и в максимуме раз в 10 больше, чем де-гелий 3.

Если построить реактор на топливе де-гелий 3, то экологически выгодно доставлять его с Луны, где он есть.

Чтобы про эти реакции надо выполнить два условия:

1. Нагреть вещество до 100 млн. градусов и удерживать некоторое время, чтобы частицы перепрыгнули неуловимый барьер, оттолкнулись друг от друга.
2. И второе, чтобы частицы столкнулись много раз, для этого нужно удерживать.

Принципы удержания:

1. гравитационное удерживание;
2. искусственное удерживание;
3. магнитное удержание.