Каждый из нас хоть раз в жизни любовался звёздным небом. Между тем, если говорить научным языком, на самом деле мы любуемся плазмой (одним из четырёх фундаментальных состояний материи.
99% массы вселенной
По сути плазма представляет собой ионизированный газ. От простого газообразного состояния она отличается высокой электрической проводимостью. Суммарный электрозаряд частиц плазмы всегда равен нулю; эта уникальная характеристика носит название «квазинейтральность».
Газ можно превратить в плазму путём сильного нагрева или сильного сжатия, в результате чего мы получим облако из свободно летающих электронов, а также положительно и отрицательно заряженных ионов. Если продолжать увеличивать давление или температуру, обычная плазма превратится в кварк-глюонную. Такого состояния достигло вещество через 0,1 секунды после Большого взрыва.
Специалист по физике высокотемпературной плазмы Фрэнсис Чен предлагает такое определение плазмы: квазинейтральный газ заряженных и нейтральных частиц, который проявляет коллективные свойства. Кстати, физика плазмы является отдельной наукой.
На плазму как наиболее распространённую форму вещества приходится около 99% массы Вселенной. Любая звезда представляет собой сгусток высокотемпературной плазмы, а межзвёздное пространство заполняет плазма низкотемпературная. Ионосфера Земли, которая образовалась вследствие облучения газа Солнцем, — тоже плазма. Это и северное сияние, представляющее собой результат воздействия на ионосферу космического излучения. Наконец, плазму можно наблюдать в ударе молнии, когда электрический заряд в атмосфере ионизирует газ на своём пути.
В нашей повседневной жизни мы можем использовать её в разных технологических процессах: например, для плазменной резки, сварки и напыления, сжигания мусора. В медицине плазмой пользуются для стерилизации имплантатов и хирургических инструментов. Наибольшее применение она нашла в светотехнике: газоразрядных лампах и экранах (происходит процесс протекания тока через газ и его ионизация).
Сейчас к плазме проявляют интерес как к потенциальному топливу для термоядерного реактора. Учёные хотят создать что-то вроде миниатюрного аналога Солнца, чтобы получить альтернативный источник тепла, повторив процессы синтеза атомных ядер, протекающие на Солнце.
Высокотемпературная плазма (миллион кельвинов и более) как раз способна участвовать в термоядерном синтезе. Однако встаёт вопрос: как поместить её внутрь какого-либо прибора так, чтобы она не уничтожила его своим жаром?
Как удержать плазму?
Уже существуют установки, призванные получить управляемый термоядерный синтез, они называются токамаками. Изобрели их в России, а аббревиатура расшифровывается как «тороидальная камера с магнитными катушками».
Токамак удерживает плазму при помощи электромагнитного поля. Камера токамака представляет собой «бублик», из которого откачали воздух и заполнили полость смесью дейтерия и трития (изотопов водорода). Снаружи бублик окружён катушками с токами, которые создают магнитное поле и предотвращают контакт плазмы со стенками устройства.
По сути токамак представляет собой термоядерный реактор, который сталкивает атомы двух изотопов водорода, разогретых до состояния плазмы. При сверхвысоких температурах они не отлетают друг от друга, а образуют атомы гелия, высвобождая гигантское количество энергии. Устройство находится в процессе усовершенствования, так как пока ещё не получается наладить его стабильную работу.
Всего в мире было построено около 300 токамаков. Один из них (Т-11М) работает на площадке Троицкого института инновационных и термоядерных исследований (АО «ГНЦ РФ ТРИНИТИ»), являющегося предприятием Государственной корпорации по атомной энергии «Росатом». Здесь специалисты изучают процесс ионно-циклотронного нагрева плазмы, динамику срыва разряда, особенности материалов первой стенки и методы её защиты.
Самый большой токамак-реактор на Земле, или термоядерный реактор, носит название ИТЭР («Международный экспериментальный термоядерный реактор»). Он строится во Франции с 2007 года.
Чтобы внутри него сохранялись условия, подходящие для ядерного синтеза, температура плазмы должна в 10 раз превысить температуру ядра Солнца. Для этих целей в ИТЭР планируют поддерживать температуру до 150 миллионов градусов Цельсия.
Основная задача ИТЭР — демонстрация научно-технологических возможностей использования термоядерной энергии в промышленных масштабах.
Россия является инициатором строительства ИТЭР и занимает одну из ключевых позиций в реализации проекта. Вклад страны заключается в изготовлении и поставке для реактора его основных систем. Российским специалистам поручено производство 25 систем будущей установки. Эту задачу решают более 30 ведущих научно-технических учреждений, предприятий и комплексов.
***
Подписывайтесь на канал и следите за новостями науки.