Plasma și aplicarea acesteia
Orice substanță, este încălzit la o temperatură suficient de ridicată, trece într-o stare de plasmă. Acest lucru este cel mai ușor are loc cu perechile de metale alcaline cum ar fi sodiu, potasiu, cesiu. flacără medie are o conductivitate termică; aceasta, deși într-o măsură mai mică, ionizată, adică o plasmă. Motivul pentru această conductivitate - amestec nesemnificativ de sodiu, care pot fi identificate prin strălucire galbenă. Pentru ionizare completă a temperaturii gazului necesar este de zeci de mii de grade.
Mai mult, plasma este utilizat într-o varietate de dispozitive cu descărcare în gaz: redresoare de curent electric, stabilizatoare de tensiune, generatoare de plasmă și frecvența amplificatoare ultraînaltă (UHF), contoare de particule cosmice.
Toate așa-numitele lasere cu gaz (.., heliu-neon, kripton, dioxid de carbon, etc.), de fapt, plasma: amestec gazos sunt ionizate în descărcarea 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 sunt numite solide în plasmă, în general, plasma de gaz este împărțită în temperatură scăzută -. La 100 de mii de grade și o temperatură ridicată - până la 100 mln K. Sunt generatoare de plasmă la temperatură joasă - generatoare de plasmă, care folosesc un arc electric. Cu torța de plasmă poate fi încălzită aproape orice gaz 7000-10000 grade la sutimi sau miimi de secundă. Odată cu crearea torță, un nou domeniu al științei - chimie plasmă că multe reacții chimice sunt accelerate sau sunt doar în jet de plasmă. torțe de plasmă sunt utilizate în industria minieră și pentru tăierea metalului.
De asemenea, motoarele cu plasmă, centrală MHD creat. Dezvoltarea diferitelor circuite ale accelerației în plasmă a particulelor încărcate. Sarcina centrală a fizicii plasmei este problema fuziunii termonucleare controlate.
reacția de fuziune termonucleară numite nuclee mai grele ale nucleelor elementelor ușoare (în principal, izotopii hidrogenului - deuteriu și tritiu T D) care curge la temperaturi foarte ridicate ( „108 K) .În vivo reacțiile termonucleare apar pe soare: nuclee de hidrogen conectate la fiecare , formând un nucleu de heliu, aceasta generează o cantitate semnificativă de energie. reacție de fuziune nucleară artificială a fost efectuată într-o bombă cu hidrogen.
Controlate Reacțiile termonucleare.
Se crede că stocurile de combustibil chimic pentru omenire va dura timp de mai multe decenii. Rezervele limitate și dovedite de combustibil nuclear. A salva omenirea de foame și de energie pentru a deveni sursă aproape inepuizabilă de energie poate fi controlată reacțiile termonucleare în plasmă.
La 1 litru de apă limpede a conținut 0,15 ml de apă grea (D2O). La nuclee de deuteriu de confluență 0,15 ml D2O alocat aceeași cantitate de energie este format în timpul arderii la 300 de litri de benzină. Tritiul în natură, practic, nu există, dar poate fi obținut prin bombardarea cu litiu a izotopilor de neutroni n
Nucleul atomului de hidrogen nu este mai mult de un proton p. Nucleul de deuteriu conține, în plus, un alt neutron și tritiu nucleu - doi neutroni. Deuteriu și tritiu poate reacționa cu fiecare alte zece moduri diferite. Dar probabilitatea unor astfel de reacții sunt diferite în sute de mii de ori, iar cantitatea de energie eliberată - de 10-15 ori. interes practic sunt doar trei dintre ele /
În cazul în care toate nuclee într-o anumită sumă, în același timp să reacționeze, energia este eliberată instantaneu. explozie termonucleară are loc. În reactorul de sinteză, reacția ar trebui să procedeze încet.
Se efectuează fuziunea termonucleară controlată nu a fost posibil până acum, iar beneficiile pe care le promite foarte mult. Energia eliberată în reacțiile termonucleare per unitate de masă de combustibil, în milioane de ori energia unui combustibil chimic, și, prin urmare, de sute de ori mai ieftin. La putere termonucleară nu produce emisii de produse de ardere în atmosferă și a deșeurilor radioactive. În cele din urmă, într-o explozie centrale de fuziune este exclusă.
In timpul sintezei, cea mai mare parte a energiei (peste 75%) este eliberat sub formă de energie cinetică de neutroni sau protoni. Dacă încetini neutronilor într-un material adecvat, este încălzit; căldura rezultată este ușor transformată în energie electrică. Energia cinetică a particulelor încărcate - protoni - transformată în energie electrică direct.
În nucleu reacția de sinteză trebuie să fie uniți, dar ele sunt încărcate pozitiv, și, prin urmare, prin legea lui Coulomb, sunt respinse. Pentru a depăși forța de repulsie, chiar deuteriu și tritiu nuclee având cea mai mică taxa (Z. = 1) necesită o energie de aproximativ 10 keV sau 100. Acesta corespunde temperaturii de aproximativ 108-109 K. La aceste temperaturi, orice substanță este într-o 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. Calculat că temperatura de aprindere, din care eliberarea de energie depășește pierderea pentru reacția deuteriu tritiu (DT) este de aproximativ 4,5h107 K, iar pentru reacția de deuteriu-deuteriu (DD) - aproximativ 4h108 K. Firesc, DT reacție preferabilă. Se încălzește plasma curent electric, radiație laser, unde electromagnetice în alte moduri. Dar este important nu numai la temperaturi ridicate.
Cu cât mai mare concentrare, cât mai des se ciocnesc cu alte particule, deci poate părea că pentru reacțiile termonucleare este mai bine să se folosească de plasmă de înaltă densitate. Cu toate acestea, în cazul în 1 cm3 de plasmă conținea 1019 particule (concentrația de molecule într-un gaz în condiții normale), presiunea de acolo, la temperaturi de reacții de fuziune au ajuns la aproximativ 106 atm. O astfel de presiune nu rezistă la orice desen, ci pentru ca plasma trebuie sa fie rarefiată (cu o concentrație de circa 1015 particule per 1 cm3). Coliziunile între particule în acest caz, sunt mai puțin frecvente, și pentru a menține reacția necesară pentru a crește timpul de staționare în reactor, sau timpul de retenție. Aceasta înseamnă că pentru reacțiile termonucleare necesare pentru a analiza produsul concentrației particulelor plasmatice la momentul reținerii. Pentru reacțiile DD acest produs (denumit criteriu Lawson) este 1016 / cm3, iar DT reacție - 1014s / cm3.
Prin urmare, reacția DT realizeze mai ușor decât DD.
Atunci când la început de cercetare cu plasmă, se pare că exercițiul va fi capabil de a controlat rapid de sinteză. Dar, în timp, a devenit clar că plasma de temperatură ridicată care apar procese complexe și rolul de multi instabilitate. Astăzi, ea a dezvoltat mai multe tipuri de dispozitive, care este de așteptat să efectueze fuziune. Cele mai promițătoare sunt tokamak (scurte pentru „camera toroidală cu bobine magnetice“). 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 unui torus (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 timpul acestei căldură poate fi utilizată pentru a genera electricitate.
Câmpul magnetic al plasmei de reținere formă complexă într-o cameră circulară Tokamak contracarează câmpul propriu, pinch de plasmă, care tinde să se îndoaie traiectoria particulelor încărcate ale plasmei. Stelaratorului (de la STELLA latin -. Star „) de plasmă a permis să ia forma a ceea ce“ vrea“, și a lăsat numai câmpul, comprimarea cablului. Camera de vacuum are o vedere foarte bizar, și o multitudine de bobine magnetice - o formă destul de complexă. Experimentele pe stelaratoare sunt în diferite țări, dar pentru a atinge temperatura și timpul de plasmă confinare dorit încă nu a reușit.
O metodă este fundamental diferită confinarea inerțială a plasmei, bazată pe inerția amestecului de reacție care la încălzirea instantanee (de exemplu, puls laser) dispersează imediat. Ampule unde există un amestec de deuteriu și tritiu este iradiat din toate părțile pulsuri laser pentru 10-10 și cu o putere totală de aproximativ 1020 W / cm. Fiolele coajă se evaporă în expansiune a gazelor și o presiune ușoară este comprimat conținutul său de aproape 50 de mii. Ori. Presiunea în amestec crește până la 1 milion de atm, iar densitatea sa -. 50-100 g / cm3. În aceste condiții, începe o reacție de fuziune.
Dar, de-a lungul drum, există o serie de dificultăți tehnologice, nu permite să se transforme sistemele cu laser experimentale în reactoare industriale.
Majoritatea motoarelor cu jet folosesc energia eliberată prin reacția chimică de combustie. Ei dezvolta mai mult forța de tracțiune, dar au nevoie de o cantitate semnificativă de ardere a combustibilului. Rata de evacuare a gazelor din duză este de aproximativ 1 km / s. Dacă vom atinge o viteză de jet de plasmă de peste 1000 km / s, viteza de curgere a mediului de lucru este de sute de ori mai mică decât cea a motorului chimice cu aceeași forța de tracțiune. Pentru a dispersa plasmă utilizând diverse scheme, în special cu utilizarea de câmpuri electrice și magnetice încrucișate. În cazul elicelor cu plasmă moderne forță forța de tracțiune este încă mică, dar ele sunt deja utilizate în orientarea sistemului de nave spațiale. Pompe magnetohidrodinamic pentru efectuarea fluidelor (metal topit) funcționează pe aceleași principii.
Centralele electrice fără turbine.
Mai mult de 70% din energia electrică la nivel mondial de centrale termice. In cuptoarele de cazane de abur ard petrol, gaz, cărbune, abur se rotește o turbină conectată la un generator electric. Conform acestui sistem și funcționează centralele nucleare, care utilizează căldura eliberată în fisiunea nucleelor grele. Principalul dezavantaj al energiei termice - eficiență scăzută (aproximativ 40%).
Cu toate acestea, pentru a primi energia electrică și, eventual, în mod direct, prin plasma. Dacă plasma omitere (ioni și electroni) prin câmpul magnetic direcționat perpendicular mișcarea sa, prin legea inducției electromagnetice, nu există forță antrenând taxele în direcția care determină regula mâna stângă. Separarea Charge are loc: electronii se vor deplasa într-o direcție și ceilalți ioni.
Noțiuni de bază pe electrozi, ei vor crea o diferență de potențial. Pe baza acestei acțiuni principiu a generatorului de plasmă de curent electric. Plasma este necesară pentru funcționarea sa, este formată în motorul cu jet de camera de ardere cum ar fi.
Procedeele care apar în generatoarele de plasmă sunt descrise de legile magnetohidrodinamicii și pentru că astfel de dispozitive sunt numite magnetohidrodinamic sau MHD - generatoare. Eficacitatea lor depinde de conductivitatea plasmei. Conductivitate este crescută, fie prin creșterea temperaturii de funcționare și, prin urmare, gradul de ionizare al plasmei, fie se adaugă la metalele alcaline camerei de ardere, care sunt ușor ionizat. Pe de o parte, mai mare temperatura plasmei, mai eficientă generatorul MHD. Cu toate acestea, prea mult crește temperatura nu trebuie să - materialul peretii camerei sunt realizate nu rezista la încălzire. Pe de altă parte, temperatura nu trebuie să fie mai mică de 1500 єS, în caz contrar, gradul de ionizare al plasmei devine scăzută și eficiența generatorului scade brusc. Plasma care iese din canalul MHD de lucru - generatorul încă suficient de fierbinte, astfel încât să poată fi încălzite cu cazane de abur. Astăzi creată și aplicată generatoarelor MHD cu o capacitate de până la 20 MW, cu un randament de 50 - 60%.
jet de plasmă de tăiere automată. Aplicații industriale de tăiere cu jet de plasmă a început în anii '50, și-a lungul timpului, de taiere cu plasma a câștigat toate marile pozițiile deținute anterior de alte tăiere mecanică sau termică. Aceasta este o metodă în care un gaz sub influența arcului electric trece într-o stare de plasmă și suferă un efect de contracție, care trece prin duza răcită.
Metoda de tăiere cu plasmă folosită pentru tăierea oricărui material conductor, dar calitatea parametrilor de tăiere (viteză, grosime, etc.) depind de gazul de plasmă. De interes special este o tăiere cu plasmă pentru companiile care lucrează cu tablă pentru următoarele tipuri de lucrări:
• tăierea oțelului inoxidabil și a metalelor neferoase: clasica metodă de tăiere cu flacără, în acest caz nu poate fi aplicată în general, și de tăiere cu laser, în plus față de dezavantajele de mai sus, limitată doar de posibilitatea de a reduce o anumită grosime. posibilități de tăiere cu plasmă sunt nelimitate și care rezultă de înaltă calitate de tăiere.
• taierea otelurilor scăzut de carbon și grosimea medie (Sursa: www.physics03.narod.ru