Как сделать плазму в домашних условиях

При современном росте потребления энергии человечеству ненадолго хватит запасов угля, нефти, газа, урана — всего лишь на 100—200 лет. Вот почему ученые с таким энтузиазмом работают над новыми источниками энергии — управляемыми реакциями ядерного синтеза .

В одном литре воды содержится столько же энергии, сколько выделится при сжигании 400 л нефти. Но как добыть из воды это море энергии? Ученые отвечают: «c помощью реакции термоядерного синтеза».

В отличие от процесса ядерного деления, где энергия освобождается в результате расщепления тяжелых ядер на легкие осколки, при термоядерном синтезе происходит слияние легких ядер в более тяжелые. При этом выделяется огромное количество тепла. Реакции синтеза являются источником энергии в солнце и звездах.

Для практических целей наибольший интерес представляют реакции синтеза, которые могут быть осуществлены в смеси дейтерия с тритием или в чистом дейтерии, встречающемся непосредственно в природе в виде тяжелой воды в морях и океанах.

В генераторе, работающем на принципе термоядерного синтеза, необходимо нагреть дейтерий до температуры 300—400 млн. градусов, а смесь трития с дейтерием — до температуры 40—50 млн. градусов. Только при такой высокой температуре и достаточной плотности (10 15 частиц в 1 см 3 ) слияние ядер изотопов водорода будет происходить с интенсивностью, при которой выделившаяся энергия будет больше затраченной.

При высокой температуре дейтерий полностью разделен на положительно заряженные ионы и электроны, как говорят, ионизирован. Такое состояние вещества получило название высокотемпературной плазмы. Отдельные частицы плазмы движутся с огромными скоростями, превышающими 1 000 км/сек, оказывая большое давление на стенки сосуда. Только магнитное поле, силовые линии которого подобны упругим резиновым шнурам, способно противостоять давлению плазмы. Поэтому подбор конфигурации магнитного поля, изолирующего плазму от стенок, стал другой важной задачей при создании термоядерного генератора.

Раньше других были начаты исследования метода, основанного на так называемом пинч-эффекте, то есть сжатии газа под действием протекающего по нему тока. Такой метод казался наиболее простым и перспективным (см. «ЮТ» № 11 за 1958 г.).

Представим себе цилиндрическую камеру, в которую с торцов введены электроды. Если газ немного откачать из камеры, а на электроды подать высокое напряжение, то произойдет пробой, в газе потечет сильный ток. Газ ионизируется, образуя плазму, которая под действием собственного магнитного поля тока начнет стягиваться к оси камеры. Однако плазма, созданная в таком устройстве, каждый раз соприкасалась с электродами и охлаждалась. Тогда прямую трубку свернули в тор (см. вкладку II — III). Разреженный газ тора превратился во вторичную обмотку трансформатора. Когда в первичной обмотке пропускается ток большой силы, во вторичной обмотке возникает электродвижущая сила, вызывающая ток в газе. Плазма греется подобно металлу в индукционной печи, а магнитное поле тока плазмы стягивает ее в кольцо и изолирует от стенок.

Казалось, принципиальных осложнений нет: плазму можно создать, нагреть и термоизолировать. Но в первых же экспериментах плазма показала свой неспокойный характер. Из-за быстро развивающихся процессов неустойчивостей, получивших название «перетяжек» и «змей» (см. вкладку), она уходила с оси тора и касалась стенок камеры.

Именно неустойчивость плазмы стала камнем преткновения на пути к океану термоядерной энергии.

Причину ее возникновения можно объяснить следующим образом. Силовые линии магнитного поля тока можно представить как набор растянутых эластичных колечек, которые, во-первых, стремятся сократиться в диаметре и, во-вторых, расталкивают друг друга в продольном направлении. Сокращение колечек приводит к образованию перетяжек, а их взаимное расталкивание действует на шнур с током, как изгиб на сжатую пружину, которая, как известно, становится неустойчивой к изгибу.

Из рисунка на вкладке следует, что если в шнуре случайно возникает изгиб, то плотность силовых линий с внутренней стороны становится больше, чем снаружи. Изображенные стрелками магнитные силы стремятся увеличить изгиб еще больше.

Плазма дома.
Каждый раз, когда говорят о плазме, поражает космический масштаб затронутой темы. Космические корабли с плазменными двигателями, океан плазменной энергии — вот области применения четвертого состояния вещества.

Ее получение и использование связывают обычно со сложными. хитроумными устройствами. Все это может создать впечатление, что само плазменное состояние есть нечто уникальное. стоящее на грани возможного

А между тем плазма присутствует в наших квартирах и приспособление, в котором она образуется, можно приобрести в любом универмаге. Речь идет о газосветных и люминесцентных лампах — как их называют, лампах дневного света.

свечение газосветной лампы вызывается электрическим разрядом, постоянно пробивающим ее сильно разреженную газовую атмосферу. Атомы газа, возбужденные разрядом, теряют часть своих электронов — так внутри трубки возникает смесь ионов и электронов, — другими словами, плазма.

Итак, чтобы получить плазму в домашних условиях, достаточно щелкнуть выключателем вашей лампы дневного света.

Исследования показали, что эти неустойчивости можно в значительной степени устранить, если стенки тора сделать из металла. Еще лучше действует ток, пропускаемый по обмоткам, навитым на камеру тора. Создаваемое при этом дополнительное магнитное поле, силовые линии которого параллельны стенкам тора, препятствуют возникновению нестабильностей. Если происходит перетяжка или изгиб шнура, то силовые линии дополнительного магнитного поля, подобно натянутым струнам, стремятся вернуться в прежнее положение и выпрямить шнур.

Свойство стабилизации плазменного шнура металлическим кожухом и дополнительным магнитным полем использовано в установке «Токомак», построенной в Институте атомной энергии имени И. В. Курчатова.

Сейчас исследуется возможность получения горячей плазмы в установках, называемых магнитными ловушками — ловушками с «магнитными пробками».

Такая ловушка обычно представляет собой прямую цилиндрическую камеру, из которой откачан воздух. На камеру надвинуты катушки, по которым течет электрический ток, создающий магнитное поле. Токовые обмотки сделаны так, что магнитное поле, слабое в центральной части, значительно возрастает к торцам трубы.

Торцовые участки поля и играют роль отражателей частиц — магнитных «пробок», или, как их еще называют, магнитных «зеркал». Внутри камеры создают плазму, частицы которой, двигаясь вдоль силовой линии из области слабого поля в область торца, испытывают действие силы, стремящейся отбросить их обратно.

На рисунке схематически изображен метод нагрева плазмы нарастающим магнитным полем.

Этот принцип используется в установке «Огра» — гигантской ловушке, построенной в Институте атомной энергии имени И. В. Курчатова. Диаметр камеры «Огры» 1 м 40 см, длина — 20 м. Силовые линии магнитного поля, в центральной области почти параллельные стенкам камеры, образуют магнитные «пробки» на торцах трубы. Внутрь ловушки с помощью инжектора впрыскиваются молекулярные ионы водорода (или дейтерия), предварительно разогнанные в специальном ускорителе. Попав в ловушку, молекулярный ион начинает двигаться по винтовой траектории к магнитной «пробке», отражается от нее, идет к другой магнитной «пробке», снова отражается и так долго колеблется в центральной области, пока снова не вернется к инжектору и не погибнет на его оболочке. Но на своем пути молекулярный ион может столкнуться с молекулами газа или с другими ионами. При этом он разваливается на нейтральный атом и атомарный ион. Нейтральный атом не испытывает воздействия магнитного поля и улетает на стенку камеры, а атомарный ион, вращаясь по спирали малого радиуса, захватывается в ловушку. Если инжекцию вести непрерывно, то можно накопить много атомарных ионов и создать высокотемпературную плазму.

Так же как и в тороидальных установках, плазма неспокойна и здесь. Она старается просочитъся сквозь силовые линии магнитного поля и уйти к стенкам вследствие «желобковой», или, как еще ее называют, «языковой» неустойчивости. Возник-

новение языковой неустойчивости плазмы связано с формой самого магнитного поля — ловушки. Напряженность магнитного поля нарастает в продольном направлении в обе стороны от центральной области, а в радиальном направлении поле спадает. Просачивание плазмы сквозь силовые линии магнитного поля происходит значительно легче по направлению ослабления поля. При этом образование «языков» связано с тем, что на поверхности плазмы происходит разделение зарядов. Электроны оказываются смещенными относительно ионов. Возникающее при этом электрическое поле заставляет частицы плазмы двигаться поперек силовых линии магнитного поля. Небольшой «язык» быстро растет, и плазма достигает стенки камеры. Поверхность плазмы может одновременно породить несколько таких «языков».

Но раз известна болезнь, то можно думать и о лекарстве. Вытекание плазмы значительно ослабляется, если и по радиусу поле сделать также нарастающим. Этого можно добиться, если вдоль камеры, на ее поверхности, поместить металлические стержни и пропускать по ним электрический ток. Известно, что магнитное поле тока растет при приближении к проводнику. Благодаря комбинации магнитного поля стержней с полем самой ловушки можно получить нарастание магнитного поля вдоль радиуса. Экспериментально показано, что в ловушке с такой конфигурацией магнитного поля образование «языков» на поверхности плазмы сильно затруднено и плазма удерживается более надежно.

Так, шаг за шагом, создаются все более сложные конфигурации магнитных полей, все труднее и труднее ручейкам плазмы расплескивать свою энергию на пути к человеку.

Н . БРЕВНОВ, научный сотрудник Института атомной энергии имени И . В. Курчатова

Что же происходит с веществом при нагревании? Если поднимать температуру твердого вещества -оно превратится в жидкость. Нагреем жидкость еще сильнее — она испарится и превратится в газ. Эти три состояния вещества всем известны.

При повышении температуры газа появляются признаки совершенно новых явлений. Нейтральные атомы теряют принадлежащие им электроны и превращаются в положительные ионы. Образуется газообразная смесь свободно движущихся положительных ионов, электронов и нейтральных атомов. Это новое состояние вещества называется плазмой. Чем выше температура, тем больше ионов и электронов в плазме, тем меньше остается в ней нейтральных атомов. Например, для водорода при температуре выше 10 000 К практически все атомы теряют принадлежащие им электроны и превращаются в ионы. Для разных веществ полная ионизация наступает при различных температурах.

Итак, плазма есть четвертое состояние вещества, соответствующее очень высоким температурам. А так как высокая температура является необходимым условием термоядерных реакций, то легко понять, что в термоядерном реакторе нам придется иметь дело именно с плазмой. Поэтому давайте познакомимся с нею поближе.

Плазма — наиболее распространенное в природе состояние вещества. Солнце и все звезды — это сгустки очень горячей плазмы. Наша Земля окружена плазменной оболочкой — ионосферой. За пределами ионосферы существуют так называемые радиационные пояса — области, где тоже присутствует плазма. Во всем пространстве Солнечной системы дуют создаваемые Солнцем плазменные ветры, иногда достаточно сильные. Когда интенсивность этих плазменных ветров очень велика, они, как и радиационные пояса, представляют серьезную угрозу для космонавтов. В состав солнечных плазменных ветров и радиационных поясов Земли входят быстрые частицы, которые могут разрушать клетки человеческого организма. На Земле мы встречаемся с плазмой в различных формах электрических разрядов: это электрическая дуга, искра, молния или нарядно окрашенные разряды в разноцветных рекламных трубках.

Для получения плазмы нужно сильно нагреть вещество. Именно благодаря высокой температуре звёзды и Солнце представляют собой практически полностью ионизированную плазму. Но на Земле обычно получают плазму не путем нагрева вещества, а с помощью электрических разрядов. Если поместить в сосуд с газом металлические электроды и создать между ними достаточно высокое напряжение, происходит электрический разряд. В газе всегда присутствует небольшое количество свободных электронов. Под действием приложенного электрического поля они разгоняются и ионизируют нейтральные атомы газа. В результате ионизации высвобождаются новые электроны, которые тоже ускоряются электрическим полем и ионизируют новые атомы. Процесс ионизации разрастается лавинообразно.

Наверняка многие слышали о таком понятии как плазма. Для некоторых это явление ассоциируется даже с мистическими явлениями. На само деле, плазмой является всего то ионизированный газ. Это явление образуется, когда через газ проходит высокое напряжение, к примеру, как молния.

Сегодня мы рассмотрим, как можно приручить это удивительное явление. Мы попробуем создать плазму у себя дома. Автор для этих целей использует стеклянную бутылка, подойдет также банка, но желательно, чтобы емкость была как можно меньшего объема. Дело в том, что для образования плазмы нужно снизить давление газа, а ручными методами это делать долго.
Для самоделки автор использовал простейшие компоненты и инструменты

Материалы и инструменты, которые использовал автор:

Список материалов:
— стеклянная прозрачная бутылка (или другая прозрачная емкость);
— два медных провода;
— горячий клей ;
— холодная сварка;
— небольшие резиновые трубочки;
— шприц большого объема;
— стержень из углерода (есть в батарейках, советских карандашах…);
— трансформатор от микроволновки;
— кусок длинного медного провода (тонкого);
— пневматические клапана для изготовления насосика (откачивает воздух из бутылки).

Процесс изготовления самоделки:

Шаг первый. Сверлим…
Самым сложным этапом будет просверлить отверстие в стекле, оно должно быть такого диаметра, чтобы в него мог зайти провод. То есть, небольшое. Для сверления лучше всего использовать предназначенные для этих целей сверла со специальными наконечниками.
Сверлится отверстие в донышке бутылки.

Далее берем крышку бутылки, в ней нужно просверлить два отверстия. Одно отверстие будет небольшого диаметра (такое же, как в донышке), оно используется для подключения электрода. А второе отверстие должно быть побольше, сюда устанавливается силиконовая трубочка для отсоса воздуха.

Шаг второй. Устанавливаем трубочку
Вставьте трубочку в просверленное отверстие и закрепите при помощи горячего клея, желательно с обеих сторон. Чтобы клей хорошо пристал к металлу, крышку желательно прогреть, к примеру, феном.

Шаг третий. Крепим первый электрод
Вставьте в крышку кусок провода, зачистите на конце от изоляции. Для герметичности провод с обеих сторон нужно приклеить при помощи горячего клея.

Теперь нужно сделать электрод, он изготавливается из графитового стержня. Графит используется в карандашах, но будьте внимательны, в современных карандашах графита можно и не встретить. Проверьте стержень на электропроводность, если он проводит ток, значит, это графит. Примотайте небольшой кусочек к концу провода.

Шаг пятый. Система зажигания
Для зажигания дуги нужен скачок высокого напряжения. В люминесцентных лампах, к примеру, это делают специальные пусковые конденсаторы, модуль повышения мощности и так далее. Но автор все это не использовал, вместо этого ему понадобился длинный кусок тонкого провода. Этот кусок крепим внутри банки между электродами. Один конец просто приматываем к одному из электродов, а другой конец располагаем недалеко от второго электрода.

Теперь, когда вы встряхнете бутылкой, конец провода коснется контакта и закоротит его. Вследствие чего провод раскалиться, начнет гореть и в бутылке зародится плазма.

К электродам прибора подключите провода от трансформатора микроволновой печи, но пока не включайте его в сеть для безопасности.

Убедитесь, что в банке конец центрального провода находится недалеко от электрода. Включите трансформатор и подайте напряжение на электроды. Теперь встряхните банку, центральный провод должен замкнуть цепь и плазма загорится ярким свечением! Берегите глаза, так как свет будет очень ярким.

Если все получилось, поздравляю, вы своими руками смогли создать дома плазму.