Plazma és annak alkalmazása
Plazma és annak alkalmazása
Minden olyan anyag, melegítjük, megfelelően magas hőmérsékleten, átjut egy plazma állapotba. Ez legkönnyebben történik az pár alkálifémek, így a nátrium, kálium, cézium. Átlagos láng a hővezetési; , bár kisebb mértékben, ionizált, azaz a plazma. Ennek oka vezetőképesség - jelentéktelen keveredés nátrium, amely lehet azonosítani sárga fénnyel. A teljes ionizációs a gáz hőmérséklete szükség van, több tízezer fok.
Továbbá, plazmát használunk a különböző gázkisülésű berendezések: elektromos áram egyenirányítók, feszültség stabilizátorok, plazma generátorok és erősítők ultramagas frekvenciájú (UHF), kozmikus részecske számláló.
Minden úgynevezett gáz lézerek (.., hélium-neon, kripton, szén-dioxid, stb) ténylegesen a plazma: gázkeverék ionizáltak a villamos kisülés.
Tulajdonságok jellemző a plazma, van vezetési elektronok a fém (ionok, amelyeket rögzített a kristályrácsban, a díjak semlegesítjük), több szabad elektronok és a mozgatható „lyukak” (pozíció) a félvezetők. Ezért az ilyen rendszerek az úgynevezett plazma Szilárdanyag Gáz plazma általában oszlik alacsony hőmérsékleten -. 100 ezer fok, és a magas hőmérséklet - akár 100 millió K. Vannak generátorok az alacsony hőmérsékletű plazma - plazma generátorok, amelyek használata egy elektromos ív. A plazmaégő fűthető szinte bármilyen gáz 7.000-10.000 fokkal század között van vagy ezredmásodperc. Létrehozásával a plazmavágó új tudományterület - plazma kémia, hogy számos kémiai reakciók felgyorsulnak, vagy csak a plazma jet. Plazmafáklyákkal használják a bányászatban és forgácsoló.
Is létrehozott plazma motorok, MHD erőmű. Kifejlesztett különböző áramkörök a plazma gyorsulása a töltött részecskék. A központi feladata a plazma fizika van a probléma a szabályozott termonukleáris fúzió.
Termonukleáris fúziós reakció az úgynevezett nehezebb atommagok a magok könnyű elemek (elsősorban a hidrogén izotópjai - deutérium és a trícium T D) áramló nagyon magas hőmérsékleten ( „108 K) .Ezen vivo termonukleáris reakciók fordulnak elő a nap: hidrogén atommag csatlakoztatható minden más alkotó hélium atommag, ez generál jelentős mennyiségű energiát. Mesterséges nukleáris fúziós reakció végeztek hidrogén bombát.
Szabályozott termonukleáris reakciók.
Úgy véljük, hogy a készletek kémiai üzemanyag emberiség több évtizedre. Limited és bizonyított tartalékok a nukleáris üzemanyag. Menteni az emberiséget az éhségtől és energiát vált szinte kimeríthetetlen energiaforrás lehet a szabályozott termonukleáris reakciók a plazmában.
1 liter tiszta vizet tartalmazott 0,15 ml nehézvíz (D2O). Az összefolyásnál deutérium atommagok 0,15 ml D2O elkülönített azonos mennyiségű energiára, miközben az égése során a 300 liter benzin. A trícium a természetben gyakorlatilag nem létezik, de lehet elő bombázzák Lítium-izotóp neutron n
A nucleus hidrogénatom nem több, mint egy proton p. A deutérium tartalmaz, továbbá egy másik neutron, és a trícium nucleus - két neutron. Deutérium és a trícium reagálhatnak egymással tíz különböző módokon. De a valószínűsége az ilyen reakciók különböző időkben a több száz billió alkalommal, és az összeget a felszabaduló energia - 10-15 alkalommal. Gyakorlati érdekesek ezek közül csak három /
Ha az összes mag egy bizonyos összeget ugyanakkor reagálni, energia szabadul fel azonnal. Termonukleáris robbanás következik be. A szintézis reaktorban a reakció lassan kell végezni.
Végezzünk szabályozott termonukleáris fúzió nem volt lehetséges, amíg most, és a haszon is sokat ígér. Felszabaduló energia termonukleáris reakciók egységnyi tömegű üzemanyag, több millió alkalommal az energia egy kémiai üzemanyag, ezért százszor olcsóbb. A termonukleáris energia kibocsátás nélkül, az égéstermékek a légkörbe, és a radioaktív hulladékok kezelésére. Végül egy fúziós erőmű robbanás kizárt.
Szintézis során, az energia legnagyobb része (75% feletti) szabadul kinetikus energiaként neutronok vagy protonok. Ha lelassul a neutronok egy megfelelő anyagból készül, nem fűtött; a keletkező hő könnyen alakítani elektromos energiává. A kinetikus energia a töltött részecskék - protonok - átalakítása villamos közvetlenül.
A sejtmagban a szintézis reakcióban kell kapcsolódnia, de ezek pozitív töltésű, és így a Coulomb-törvény, taszítják. Ahhoz, hogy az taszító erő, akár a deutérium és a trícium magok, amelyek a legkisebb költség (Z. = 1) előírja egy energia körülbelül 10 keV vagy 100. Ez megfelel a hőmérséklet körülbelül 108-109 K ilyen hőmérsékleten, minden olyan anyag olyan állapotban van, a magas hőmérsékletű plazma.
Abból a szempontból a klasszikus fizika, fúziós reakció lehetetlen, de itt jön a segítségére tisztán kvantummechanikai - alagút hatás. Számított:, hogy a hőmérséklet a gyújtási, ahonnan az energia kibocsátás meghaladja annak elvesztése a reakció a deutérium trícium (DT) körülbelül 4,5h107 K, és a reakció deutérium-deutérium (DD) - mintegy 4h108 K. Természetesen, előnyös reakció DT. Melegítsük fel a plazma elektromos áram, lézersugárzás, elektromágneses hullámok más módon. De fontos, hogy ne csak a magas hőmérsékletet.
Minél nagyobb a koncentráció, annál gyakrabban ütköznek más részecskék, így úgy tűnhet, hogy a termonukleáris reakciók jobb használni nagy sűrűségű plazma. Azonban, ha az 1 cm3 plazma tartalmazott 1019 részecskék (molekulák koncentrációja a gáz normál feltételek mellett), az abban uralkodó nyomás hőmérsékleten fúziós reakciók elérte körülbelül 106 atm. Az ilyen nyomás nem ellenállni bármelyike design, hanem azért, mert a plazma kell ritkított (amelynek koncentrációja körülbelül 1015 részecske per 1 cm3). Ütközések részecskék között ebben az esetben kevésbé gyakori, és hogy a reakció szükséges, hogy növeljék a tartózkodási idő a reaktorban, vagy a retenciós idő. Ez azt jelenti, a termonukleáris reakciók kell vizsgálni a termék koncentrációjának plazma részecskék idején megtartása. A reakciók DD ezt a terméket (az úgynevezett Lawson kritérium) van 1016 / cm3, és a reakcióelegyet DT - 1014s / cm3.
Következésképpen, DT reakció észre könnyebb, mint a DD.
Amikor kezdő plazma kutatás, úgy tűnt, hogy a testmozgás képes lesz gyorsan szabályozott szintézissel. De idővel világossá vált, hogy a magas hőmérsékletű plazma előforduló összetett folyamatok és szerepe a multi instabilitás. Ma már kifejlesztett többféle eszközt, amely várhatóan elvégzésére fúzió. A legígéretesebb a tokamakokat (rövid a „toroidális kamra mágneses tekercsek”). Tokamak jelentése egy óriás transzformátor, amelynek primer tekercset egy mag és a szekunder tekercs egyszeri - vákuumkamrában formájában tórusz (lat TORUS -. «Kidudorodás") plazma vezeték belsejében. mágneses rendszer tartja kábelt közepén a kamra, és az aktuális több ezer amper felmelegíti a kívánt hőmérsékletre. A neutronok keletkeznek során fúziós reakciók elnyelődik a takaró - réteg anyaga a kamrát körülvevő. A során felszabaduló hő a hő felhasználható elektromos áram termelésére.
A mágneses mező a komplex alaktartó plazma egy tokamak körkörös kamrát ellene hat a saját területen, a plazma csipet, amely hajlamos arra, hogy hajlítsa a pályáját a töltött részecskék a plazmában. Stellarátort (a latin Stella -. Star „) plazma hagyjuk formájában amit” akar”, és már csak a területen, összenyomva a vezetéket. A vákuumkamra van egy nagyon bizarr látvány, és több mágneses tekercsek - egy meglehetősen bonyolult alakú. Kísérletek sztellarátorokat a különböző országokban, de hogy elérjék a kívánt hőmérsékletet és plazmaelkülönítés idő még nem sikerült.
Egy alapvetően különböző eljárásban az inerciális szülést a plazma, alapján a tehetetlenség a reakcióelegyhez, amelyet a pillanatnyi hevítéssel (például, lézerimpulzus) diszpergálódik azonnal. Ampule ahol van egy keveréke a deutérium és a trícium besugározzuk minden oldalról lézerimpulzusok a 10-10 és a teljes teljesítménye mintegy 1020 W / cm. A fiolákat párolog expandáló gázok és a fény nyomás sűrített annak tartalmát csaknem 50 ezer. Alkalommal. Nyomás a keverékben növekszik a 1 millió ATM, és a sűrűség -. 50-100 g / cm3. Ilyen körülmények között, elkezdődik egy fúziós reakció.
De az út mentén számos technológiai nehézségek, nem teszi lehetővé, hogy kapcsolja be a kísérleti lézer rendszer ipari reaktorok.
A legtöbb sugárhajtóművek használja a felszabaduló energia a kémiai reakció az égés. Ezek fejlesztése több nyomásra, de szükség van egy jelentős mennyiségű üzemanyagot égető. Az arány a kilépő gázok távozását a fúvóka kb 1km / s. Ha elérjük a plazma jet sebessége több mint 1000 km / s, az áramlási sebesség a munkaközeg százszor kisebb, mint a kémiai motor azonos tolóerő. Hogy eloszlassa a plazma segítségével különböző rendszerek, különösen a használata keresztbe elektromos és mágneses mezők. A modern plazma propellerek nyomóerő még kicsi, de ők már használják a rendszert orientáció az űrhajó. magnetohidrodinamikus szivattyúk közegeket vezető (olvadt fém) működnek ugyanazon elvek.
Erőművek nélkül turbinák.
Több, mint 70% -a villamos gépet hőerőművek. A kemencékben a gőzkazánok éget olaj, gáz, szén, gőz forog kapcsolódó turbinát egy elektromos generátort. E rendszer szerint, és atomerőművet működtet, amely használja a felszabaduló hőt a hasadási nehéz atommagok. A fő hátránya hőerőmű - alacsony hatékonyság (körülbelül 40%).
Ahhoz azonban, hogy megkapja a villamos energia és esetleg közvetlenül a plazmában. Ha skip plazma (ionok és elektronok) keresztül a mágneses mező, amely merőleges annak mozgását, a törvény által az elektromágneses indukció, ott erő magával ragadja a díjak abban az irányban, amely meghatározza a szabály a bal kezében. Charge elválasztás történik: a elektron fog elmozdulni az egyik irányba, és a másik ionok.
Megközelítés az elektródákon, akkor hozzon létre egy potenciális különbség. Ezen elv alapján keresetet a plazma generátor elektromos áram. Plazma szükséges a működéséhez, van kialakítva az égéstérben-szerű sugárhajtómű.
Folyamatok előforduló plazma generátorokat által leírt törvényei magnetohidrodinamikát, és mivel az ilyen eszközöket nevezzük magnetohidrodinamikus vagy MHD - generátorok. Ezek hatékonysága attól függ, hogy a plazma vezetőképesség. Képesség megnő való felemelésével vagy a működési hőmérséklet, és ezáltal az ionizáció mértékét a plazma, vagy hozzátéve, hogy az égéstérbe alkálifémek, amelyek könnyen ionizált. Egyrészt, minél magasabb a plazma hőmérsékletét, annál hatékonyabb a MHD generátor. Azonban a túl sok növeli a hőmérséklet nem - az anyag a kamra falak nem ellenállni fűtés. Másrészt a hőmérséklet nem lehet kevesebb, mint 1500 єS, különben az ionizáció mértékét a plazma alacsony lesz, és a hatékonysága a generátor rohamosan csökken. A plazma kilépő dolgozó csatorna MHD - generátort még elég forró ahhoz, hogy azt fűthető gőzkazánok. Ma létre és alkalmazott MHD generátor kapacitása 20 MW-ig, a hatásfok 50 - 60%.
Automatikus vágás plazma jet. Ipari alkalmazások plazma ív vágási elején indult a '50 -es években, és idővel, plazmavágó nyerte az összes jelentős pozíciókat korábban birtokában más mechanikai vagy termikus vágás. Ez egy olyan eljárás, amelyben egy gáz hatása alatt az elektromos ív átjut egy plazma állapotba, és megy keresztül kontrakciós hatása, áthaladva a lehűtött fúvókán.
plazma vágási módszert használják vágás bármilyen vezető anyag, de a minősége a vágási paraméterek (sebesség, vastagsága, stb) függ a plazmagáz. Különösen érdekes az a plazmavágó cégeknek dolgozó fémlemez az alábbi munkák:
• vágás rozsdamentes acélok és nemvasfémek: klasszikus láng vágási eljárás ebben az esetben nem alkalmazható általánosan, és a lézeres vágás, amellett, hogy a fenti hátrányok, csak korlátozott a lehetősége vágás egy bizonyos vastagságú. Plazmavágó lehetőségek korlátlanok, és a kapott magas minőségű vágás.
• vágás alacsony széntartalmú acélok és az átlagos vastagság (Forrás: www.physics03.narod.ru