| |
Ионизационные вихри в холодной плазме Почти все вещество видимой нами Вселенной - 99,9 процента ее массы - находится в состоянии плазмы, а вот на Земле плазму можно встретить только в лабораториях ученых или же в верхних слоях атмосферы - в ионосфере.
Выражение "плазма - четвертое состояние вещества" стало привычным. Почему четвертое? Почему плазму понадобилось выделить, поставить в один ряд с твердью, жидкостью и газом? Проделаем мысленный эксперимент: в запаянном сосуде из очень тугоплавкого материала будем нагревать твердое вещество. При некоторой температуре твердое вещество расплавится, перейдет в жидкое состояние, а если поднять температуру еще выше, жидкость превратится в пар. Нагревая сосуд дальше, обычно при температурах в несколько тысяч градусов, можно наблюдать процессы ионизации: нейтральные атомы газа распадутся на электроны и положительные ионы. С увеличением температуры доля электронов и ионов в смеси быстро возрастает и при температурах больше 10-20 тысяч градусов подавляющая часть атомов любого газа будет ионизована, нейтральных атомов почти не останется. Плазма - это и есть газ, в котором значительная часть атомов вещества ионизована.
В природе встречается плазма, которая характеризуется огромным разнообразием параметров - степенью ионизации, плотностью газа, температурой, в некоторых случаях эти параметры отличаются в сотни и тысячи раз (см. рис. 1 на 4-й странице цветной вкладки). Солнце и звезды - гигантские сгустки очень горячей плазмы. Верхний слой земной атмосферы образован из плазмы несколько другого сорта, здесь разреженный воздух содержит сравнительно небольшое количество заряженных частиц и температура их намного ниже, чем, скажем, в недрах Солнца.
Выделившаяся сравнительно недавно в отдельную дисциплину, физика плазмы сегодня играет существенную роль в решении многих проблем астрофизики, физики атмосферы, радиофизики, с ее успехами связана возможность решения важнейших проблем управляемого термоядерного синтеза и магнитогидродинамических методов преобразования энергии.
При ионизации газ в целом остается нейтральным - ведь процессы ионизации сами по себе не создают избытка в зарядах того или иного знака Только в противоположность обычному нейтральному газу, на который электрическое и магнитное поля не оказывают заметного воздействия, плазма (поэтому она и выделена в четвертое состояние вещества) сильно меняет свои свойства в электрическом и магнитном полях. Например, под действием электриче. ского поля, даже очень слабого, в плазме начинает течь электрический ток.
Обычный газ - это диэлектрик, но если через него пропустить достаточно мощный электрический разряд, газ частично превращается в плазму, в нем появляется электрический ток. С одной стороны, сложные процессы соударения электронов и ионов между собой, с нейтральными молекулами газа, со стенками сосуда уменьшают количество заряженных частиц, с другой - сам электрический ток в газе непрерывно создает в нем новые электроны и ионы. Поэтому степень ионизации поддерживается хоть и низкой (по сравнению с термической ионизацией при температуре в 10-20 тысяч градусов), но постоянной.
Плазма, родившаяся в результате электрического разряда, имеет еще одну особенность. В нашем мысленном эксперименте получалась однородная плазма: сам сосуд, электроны, ионы и нейтральные молекулы (если они оставались) - все это имело одну и ту же температуру. Плазма газового разряда, конечно, тоже состоит из нескольких компонентов - нейтральных молекул, ионов и электронов, которые равномерно перемешаны между собой так же, скажем, как кислород и азот в воздухе. Однако в противоположность обычной газовой смеси, где все частицы имеют одинаковую кинетическую энергию и одинаковые средние скорости, то есть имеют одинаковую температуру, в плазме у электронов, ионов и нейтральных атомов средняя кинетическая энергия различна.
Электроны, которые почти в две тысячи раз легче самых легких ионов (ядер водорода), служат основными носителями тока. В газоразрядных приборах - рекламных трубках, люминесцентных лампах дневного света, в ртутных лампах - ток, питающий разряд, выделяет джоулево тепло и разогревает электроны до высокой температуры, обычно до нескольких десятков тысяч градусов. В то же время температура ионов сравнительно невелика, она не превышает одной-двух тысяч градусов. Даже в том случае, когда по ней течет ток, плазма электрического разряда в целом остается холодной. Кстати, именно с появлением такого сравнительно холодного газообразного проводника стала реальностью идея МГД-генератора.
На современных электростанциях горячий пар вращает рабочее колесо турбины, а она, в свою очередь, вращает ротор электрогенератора. В итоге в магнитном поле движется медная обмотка - целый комплект проводников, в которых по закону Фарадея возникает электрический ток. Основная идея МГД-генератора сводится к тому, чтобы вместо твердых металлических проводников использовать жидкие, прежде всего расплавленные металлы или газообразные - плазму. Это позволит отказаться от турбин, от трущихся деталей и заметно повысит коэффициент полезного действия установок, превращающих тепловую энергию в электрическую. Заметим сразу, что жидкие металлы потребовали бы особых термостойких материалов и по сравнению с использованием холодной плазмы их применение имеет принципиальные недостатки. Известно, что самые лучшие современные паротурбинные электрические станции работают с кпд около 40 процентов, а на большинстве станций он не превышает 30 процентов. Использование МГД-процессов обещает поднять эффективность получения электроэнергии по крайней мере до 50 процентов.
Плазма сама по себе - проводник довольно плохой, даже при температуре 3000 градусов ее проводимость в сотни раз хуже, чем у меди. Очевидно, чтобы решить проблему создания МГД-генераторов, нужно было найти способ повысить электропроводность плазмы, не повышая при этом температуры. Такой способ был предложен в начале шестидесятых годов, и на первых порах казалось, что он сразу же приведет к успеху. Способ состоял в том, что в плазму вводились добавки.
Элементы первой группы в таблице Менделеева, щелочные металлы, такие, как цезий, калий или натрий, имеют низкий потенциал ионизации. Это значит, что оторвать от нейтральных атомов этих металлов электрон и превратить их в ионы гораздо легче, чем ионизовать атомы других элементов. Если в газ, который предполагается использовать как рабочее тело в МГД-генераторе, при температуре порядка 3000 градусов добавить всего 1 процент цезия, то электрическая проводимость такого газа увеличится почти в 1000 раз. При этом степень ионизации плазмы будет такой, что один ионизованный атом будет приходиться примерно на 1000 нейтральных.
Обычно в качестве основного газа выбирают гелий или аргон: у них высокий потенциал ионизации, низкая реакционная способность, и в случае соударения этих атомов с электронами плазмы последние не растрачивают свою энергию на процессы ионизации.
Ток течет в плазме за счет движения легких и подвижных электронов, и выделяющееся джоулево тепло повышает их температуру: электроны "греются" тем же током, который сами создают. Теория предсказывала, что при общей температуре газа, не превышающей 2000 градусов, удастся достичь электронной температуры в десятки тысяч градусов и обеспечить электропроводность плазмы, сравнимую с той, что у меди. Но этим радужным перспективам не суждено было стать реальностью Плазма с малыми добавками щелочных металлов неоднородна по составу, неравновесна по температуре, и, как оказалось, она неустойчива, что резко ограничивает возможность повышения проводимости.
Эксперименты, проведенные в электрических полях, полностью подтвердили, что в холодном, достаточно плотном газе можно осуществлять высокую неравновесную проводимость. Но первые же опыты в скрещенных электрическом и магнитном полях, то есть в тех условиях, которые должны быть в МГД-генераторе, обнаружили новые явления - холодная плазма с горячими электронами в магнитном поле теряла свою проводимость из-за неустой-чивостей.
С различного рода неустойчивостями в плазме экспериментаторы сталкивались и раньше. Так, например, в трубках, где идет газовый разряд с большой силой тока, наблюдали пинч-эффект: плазма, ранее равномерно распределенная по объему, а какой-то момент стягивается в шнур вдоль оси трубки. Исследователям были известны и страты, расслоения плазмы в виде столбов, поперек приложенного поля. Такого рода неустойчивости наблюдали обычно, когда электроны и ионы плазмы имели почти одинаковую и достаточно высокую температуру.
Полезная мощность МГД-генератора тем больше, чем больше напряженность магнитного поля, через которое плазма протекает, но именно в сильных магнитных полях плазма делается неустойчивой. В этом случае электрический ток уже нельзя представлять как направленное движение электронов по прямолинейным траекториям: в скрещенных (взаимно перпендикулярных) электрическом и магнитном полях заряженные частицы участвуют в сложном движении, они описывают спирали, "навинченные" на силовые линии магнитного поля, и, кроме того, дрейфуют под действием электрического поля или же из-за неоднородностей магнитного лоля. Слово "дрейф", взятое из морского пексикона. подчеркивает, что скорость перемещения в процессе дрейфа много меньше, чем скорость движения по основной траектории.
Горячие электроны, движущиеся столь сложным образом, можно рассматривать как некую жидкость, практически несжимаемую (как и все жидкости) и перемещающуюся внутри газа, состоящего из холодных ионов и нейтральных частиц. В середине 60-х годов теоретики предсказали, что такая плазма подвержена ионизационным не-устойчивостям, связанным с турбулентным, вихреобразным движением электронной компоненты.
Несколько слов о появлении ионизационных вихрей в плазме. Даже в самой однородной плазме возможны флуктуации- небольшие, микроскопические отклонения таких параметров, как концентрация электронов или их температура. Если в некоторой области А (рис. 3) "электронной жидкости" флуктуация привела к тому, что плотность электронов стала меньше средней величины, то электрический ток потечет в обход объединенного электронами участка: электроны, которые ведут себя как несжимаемая жидкость, могут двигаться только вдоль линий равной плотности. Вследствие этого в области А будет выделяться меньше тепла, а находящиеся здесь электроны несколько охладятся (так как в самоподдерживающемся заряде их разогревает ток) и скорее нейтрализуются, например, холодными ионами. В итоге в обедненной области плотность плазмы упадет. Наоборот, в соседней области Б, где в какой-то момент концентрация электронов оказалась выше средней, потечет более сильный ток и концентрация электронов еще больше увеличится. Значит, нарушение равновесия еще больше усугубится.
В результате линии тока делаются сложными и запутанными, электроны начинают двигаться по траекториям, огибающим обедненные участки, эффективная проводимость плазмы падает.
В физике плазмы, где турбулентные состояния составляют скорее правило, чем исключение, существует метод расчета неустойчивостей, в котором турбулентность рассматривается как более или менее небольшое возмущение спокойного ламинарного течения. Такой подход позволял рассчитывать лишь небольшую неустойчивость. Новый метод, учитывающий всю сложность и запутанность траекторий, позволил теоретикам установить законы, управляющие поведением турбулентной плазмы, и, что особенно важно для практики МГД-генераторов, рассчитать эффективную проводимость такой плазмы.
Расчеты, проведенные с помощью ЭВМ, показали, что ионизационная турбулентность холодной плазмы с горячими электронами универсальна - она всегда развивается в сильных магнитных полях, и ее никак нельзя избежать ни подбором электродов, ни вариацией газовых компонентов. Теория определила и скорость развития не-стабильностей - они развиваются практически мгновенно, за тысячные доли секунды, во всяком случае, за время, сравнимое с тем, которое необходимо для ин-жекции (впрыскивания) плазмы в рабочий объем МГД-генератора. Сами неоднородности - это иногда полосы "сгущений" электронной плотности, расположенные под углом к току, а иногда очень сложные неупорядоченные структуры, Их линейные размеры малы - порядка миллиметра. Теоретические расчеты позволили объяснить результаты экспериментов, которые до этого трудно было интерпрети-ровать из-за накладывавшихся вторичных эффектов.
Теоретически предсказанное явление ионизационной турбулентности в холодной неоднородной и неравновесной плазме было обнаружено и экспериментально Это позволило доказать, что снижение электропроводности такой плазмы не катастрофично и переход плазмы в турбулентное состояние не закрывает пути для ее использования в МГД-генераторах
| Разместил: Artmit Дата: 25.10.2013 Прочитано: 13119 | |  | |
|
|
Дополнительно по данной категории |
|
|
Авторизация
Добро пожаловать,
Аноним
|
