РУШДИ ЭНЕРГЕТИКАИ ПЛАЗМАВӢ

Аз нигоҳи физикӣ фарқияти ин моддаҳо дар ҷойгиршавии молекулаҳои онҳо нисбат Ба ҳамагон маълум аст, ки моддаҳои ба якдигар зоҳир мегарданд. Масофаи байни мушоҳидашавандаи муқаррарӣ дар табиат молекулаҳо дар газҳо аз ҳама бештар, дар дар се ҳолат мавҷуданд: газ, моеъ ва ҷисми моеъҳо зичтар ва дар ҷисмҳои сахт аз ҳама сахт. Ба ҷумлаи газҳо оксиген, нитроген, камтар мебошад. Ҷисмҳои сахт ва моеъ карбон, неон ва ҳоказо шомиланд. Ба дидашаванда ҳастанд. Тадриҷан, бо зиёд моеъҳо об, равған, мазут, керосин, бензин, шудани ҳарорати моддаҳо, масофаи байни афтол ва ғайраҳо мансубанд. Чӯб, оҳан, молекулаҳо низ зиёд шуда, дар як ҳарорати мис, қӯрғошим, ноқилҳо ва маҳсулоти аз муайян онҳо ба атомҳои алоҳида ва сипас ба онҳо сохташуда ба ҷисмҳои сахт дохил ионҳои зарядноки мусбату манфӣ, яъне бо мешаванд.

ибораи дигар, ба гази ионизатсиятшуда табдил меёбад. Чунин ҳолати моддаро плазма меноманд. Мафҳуми «плазма» соли 1923 аз ҷониби физики амрикоӣ Ирвинг Ленгмюр ҳамчун гази ионизатсиятшуда, яъне маҷмуи зарраҳои заряднок (электронҳо ва ионҳо) ва зарраҳои безаряд (молекулаҳо ва атомҳо) номгузорӣ шудааст.

И.Ленгмюр на танҳо номи гази ионизатсиятшуда, яъне «плазма»-ро ворид намуд, балки тадқиқоти бунёдии таҷрибавӣ ва назариявии плазмаро роҳандозӣ намуд, ки барои ин фаъолият соли 1932 барандаи Ҷоизаи Нобелӣ гардид. Чунин мукофоти олӣ дар бораи муҳимияти объекти тадқиқотӣ-плазма шаҳодат медиҳад.

Ҳолати плазмавӣ дар табиат хеле паҳншуда мебошад. Ин, пеш аз ҳама, дар маркази Офтоб ҳамчун плазмаи табиӣ, сипас, раъду барқ дар қабати атмосфера, дар шароити лабораторӣ бошад, талхия (разряд) дар газҳо, ионосфераи Замин ва газҳои байнисайёравӣ, ситораҳо ва абрнокии қабатҳо ва билохир, плазмаи ҷисмҳои сахт (дар металлҳо ва нимноқилҳо) ва ҳатто электролитҳо ва кристаллҳои коллоидии молекулавӣ зоҳир мегарданд. Ҳамаи ин ҳолатҳо, дар маҷмуъ, «муҳитҳои плазмамонанд» ба илми физика ном гирифтаанд, ки ин мафҳум соли 1961 аз ҷониби олимони барҷастаи соҳаи плазма В.П. Силин ва А.А. Рухазе дар монографияи «Хосиятҳои электромагнитии плазма ва муҳитҳои плазмамонанд» ворид шудааст.

Бесабаб нест, ки Д.А.Франк-Каменетский – муаллифи нахустини китоби дарсӣ оид ба физикаи плазма, онро ҳолати чоруми модда номгузорӣ намудааст. Бояд қайд намуд, ки ба тариқи ноошкор, ҳанӯз 120 сол муқаддам О.Хевисайд то И.Ленгмюр дар бораи мавҷудияти плазма ҳамчун гази зарраҳои ионизатсияшуда дар атрофи Замин дар баландии 300-400 км, ки онро қабати F-и иононсфера номгузорӣ намудааст, изҳори ақида намуда буд. Ин қабат имрӯз Заминро бо алоқаи устувори радиоӣ таъмин менамояд.

Дар плазма шумораи бисёри зарраҳои заряднок дар атрофи худ майдонҳои электрикӣ ва агар дар ҳаракат бошад, майдонҳои магнитиро низ ба вуҷуд меоварад, яъне дар фазои зарраҳои зарядноки ҳаракаткунанда майдони электромагнитӣ ба вуҷуд меояд. Таъсири чунин майдонҳо бо дуршавӣ аз зарраҳои заряднок тадриҷаи кам мешавад. Ҳар як зарра дар майдони электромагнитии зарраҳои дигар қарор дошта, бо ҳамин минвол ҳамтаъсироти ҳамҷоя (коллективӣ)-и зарраҳо мушоҳида мешавад, ки дар натиҷа ҳар як зарраи заряднок дар як вақт бо чандин зарраи дигар дар таъсири мутақобил қарор мегирад. Ҳамин тавр, барои плазма ҳамтаъсироти коллективии зарраҳо хос аст. Чунин ҳамтаъсирот ба ҳаракати коллективии (ҳамҷояи) зарраҳо оварда мерасонад; ба ибораи дигар, ин ҳаракатест, ки дар натиҷаи он ҳамаи заррраҳо муташаккилона ба як самт ҷой иваз менамоянд. Масалан, ҳангоми тормозхӯрии автобус ҳамаи мусофирон ҳамагӣ ба пеш ҷой иваз менамоянд – ин ҳаракати коллективона ҳаст. Ҳаракати мусофири ҷудогона, ки ҳамроҳони худро тела дода, ба дари баромад наздик мешавад, ҳаракати фардӣ (индивидуалӣ) мебошад.

Дар куҷо бо плазма дучор мешавем? Пеш аз ҳама, плазма ҳолати асосии модда дар Коинот (дар табиат) аст. Аз плазма ситораҳо иборатанд, плазма фазои байниситорагиро ишғол намудааст. Замини мо бо плазма иҳота шудаст, ки қабати ионосфераро ташкил медиҳад.

Ионосфера бо қабатҳои гуногун ба паҳншавии радиомавҷҳо таъсири калон мерасонад. Аз ҷониби Офтоб ба ҳамаи самтҳо сели зарраҳои заряднок (шамоли офтобӣ) мевазад, ки он ҳам аз плазма иборат аст. Ва билохир, дар Замин низ мо бо плазма дучор мешавем. Шуълаи сигорангез - ин плазма, раъд (молния)- ин канали гази ионизатсияшуда мебошад, ки аз он ҷараён ҷорӣ мешавад.

Дар озмоишгоҳҳо низ плазма ба таври сунъӣ дар бисёр маврид ба вуҷуд оварда мешавад.

Масалан, намунаи ин, тахлияи газӣ мебошад, ки дар он ҷараёни электрикӣ аз газҳо ҷорӣ мешавад (ва дар ҳолати хусусӣ, лампаҳои электрикии газотахлиягӣ). Дар ин маврид плазма нисбатан суст ионизатсия шуда буда, ҳарорати он нисбатан паст мебошад (плазмаи пастҳарорат). Лазерҳои газӣ ба сифати моддаҳои корӣ омехтаи гуногуни газҳои ионизатсияшударо доранд. Барои табдили бевоситаи энергияи ҳароратӣ ба электрикӣ аз МГД-генераторҳо истифода менамоянд. Аммо, диққати асосӣ дар тадқиқоти озмоишии плазма ба кӯшиши ба амал овардани реаксияҳои термоҳастаии идорашаванда вобаста мебошад. Ғояи ҳосил намудани реаксияҳои синтези термоҳастаии идорашаванда (УТС) дар ибтидои солҳои 50-уми асри XX ба миён омад. Соли 1956 баъд аз маърӯзаи И.В. Курчатов дар Англия, ҳамкориҳои васеи байналмилалӣ дар соҳаи УТС бо бисёр кишварҳо роҳандозӣ гардид.

Имрӯз навъҳои бисёри гуногуншакли плазмаи газӣ-тахлиявӣ маълум аст, ки тавассути навъҳои ҳархелаи афканишоти ионизатсияшуда ҳосил мешаванд. Дар электроникаи физикӣ тахлияҳои оптикӣ, тахлияҳои басомади баланд (ВЧ-разряды), тахлияҳои фавқулбасомад (СВЧразяды) омӯхта ва татбиқ карда мешаванд. Дар навбати аввал, ин манбаъҳои рӯшноӣ ибтидо аз дастгоҳҳои равшанидиҳандаи рӯзона ва билохир, манбаъҳои тавонои ултрабунафши афканишоти ғайрикогерентӣ (лампаҳои ксенон, литий) барои истифодаи генераторҳои квантӣ ва лазерҳои газитахлиявӣ истифода бурда мешавад.

Параметрҳои плазмаи газӣ-тахлиявӣ дар ҳудуди васеъ 3 тағйир меёбад. Масалан, дар лампаҳои рӯшноии рӯзона см ҳангоми -3-345 см, яъне P0=10÷1 Торр, Te≈10÷10K (Te≈1÷10ЭВ) ва , яъне плазма дар онҳо сустионизатсия шуда ва ғайриизотермӣ мебошад.Плазма дар МГД-генераторҳо зичтар аст. Дар он дар фишори атмосферии газ консентратсияи зарраҳои заряднок ҳангомибабаробар мешавад. Бояд қайд намуд, ки бар хилофи плазмаи ионосфера,ки андозаҳои сарҳади сел садҳо километрро ташкил медиҳанд (плазмаи дар фазо номаҳдуд), плазмаи тахлияи газӣ дар фазо то андозаи м маҳдуд аст (плазма дар МГД-генератоҳо).

Плазма дар дастгоҳҳои синтези термоҳастаии идорашаванда (УТС) мақоми махсус дорад.

Таърихан дар ибтидои солҳои 50-уми асри XX аз ҷониби А.Д.Сахаров ва И.Е. Тамм дар собиқ Иттиҳоди Шӯравӣ ва Л. Спитсер дар ИМА пешниҳод гардид, ки ба вуҷуд овардан, гарм намудан ва нигоҳдошти плазмаи гидрогенӣ дар домҳои магнитӣ амалӣ карда шавад. Дар чунин дастгоҳҳо плазмаи гидрогенӣ бо деворҳои реактори термоҳастаӣ дар ҳароратҳои ниҳоят баланди набояд расиш дошта бошад. Чунин қиматҳои баланди ҳарорат воқеъан ҳам, заррур аст, зеро ҳарорати реаксияи ҳамҷояшавии ҳастаи гидрогении камтарин (пороговая) маҳз ҳамин аст.

Дар ҳар як сикли ин реаксия ба миқдори Q=276 МЭВ энергия ҷудо мегардад. Ин сикл дар ҳарорати 13 млн. град ба амал меояд. Дар чунин ҳарорат суръати ҳароратии хаотикии зарраҳо ниҳоят зиёд аст ва агар чораҳои махсус дида нашаванд, онҳо дарҳол дар фосилаи вақти ба девораҳои реактор бармехӯранд. Барои он ки чунин ҳодиса ба амал наояд, плазмаро дар чунин конфигуратсияи майдони магнитӣ ҷойгир менамоянд, ки ба ҳаракати зарраҳо ба самти деворҳо монеа шаванд. Чунин майдонҳои магнитӣ ё ба воситаи манбаъҳои беруна, масалан, дар домҳои навъи кушод – «Пробкотрон», ё тавассути ҷараёнҳои тахлиявӣ, масалан, дар домҳои сарбасти тороидалӣ – «Токомак» ангезонида мешаванд.

Қимати зарурии консентратсияи плазмаи дар реактори термоҳастаӣ ва вақти нигоҳдошти устувори плазма аз шарти Лоуссон муайян карда мешавад, ки барои плазмаи дейтерий-тритий чунин аст: ки дар ин ҷо вақти нигоҳдошти плазма мебошад.Одатан ва интихоб менамоянд. Дар домҳои магнитӣ ин қиматҳо дар майдонҳои ҳосил мешаванд. Барои чунин қиматҳо фишори майдони магнитӣ аз фишори газодинамикии плазма бештар аст, яъне ва маҳз ҳамин шарт плазмаи гармро дар домҳои магнитӣ нигоҳ медорад.

Ба ғайр аз дастгоҳҳои статсионарӣ, бо нигоҳдошти магнитии плазмаи термоҳастаии гарм, инчунин, «термояд»-и инертсиалӣ низ мавҷуд аст, ки дар он плазмаро нигоҳ намедоранд, балки кӯшиш менамоянд, онро то ҳарорати термоҳастаӣ гарм намоянд ва ин амал чунон иҷро мешавад, ки шарти Лоуссон иҷро шавад. Маълум аст, ки муддати гарм намудани плазма то ҳарорати термоҳастаӣ ба вақти паҳншавии инертсионии плазма баробар аст: , ки дар ин ҷо андозаи нишони (реактори) термоҳастаӣ, суръати мавҷи ионӣ-садоӣ.

Агар нишони термоҳастаӣ аз кураи дейтерий-литий ё яхи «вазнин» иборат бошад, он гоҳ онро бо манбаи афканишот симметрӣ бомбарон (расми 3) намуда, то ҳарорати термоҳастаӣ гарм намудан онро ҳосил кардан мумкин аст. Дар мавриди нишон аз яхи «вазнин» будан вақти пароканиш набояд аз зиёд бошад ва аз ин ҷо андозаи нишон бояд ба баробар бошад. Барои гарм намудани нишони куравии ҳамин андоза то ҳарорати термаҳстаӣ тавоноии манбаи афканишот бояд аз зиёд бошад.

Дар шароити муосир ду навъи амалӣ намудани синтези термоҳастаии инертсионӣ васеъ паҳн шудаанд: лазерӣ, ки соли 1964 аз ҷониби Н.Г. Басов ва О.Н. Крохин пешниҳод шудааст ва даставӣ (электронӣ ё ионӣ), ки соли 1971 аз ҷониби Г.Винтерберг пешниҳод шудааст. Дар мавриди аввал тахлияи оптикӣ истифода шуда, гармшавии плазма дар майдони тавоноии афканишоти лазерӣ ба амал меояд, дар мавриди дуюм тахлияи даставӣ истифода шуда, гармшавии плазма дар зери таъсири зарраҳои зарядноки даставӣ ба амал меояд. Маълум аст, ки сухан гуфтан оид ба зарурати синтези термоҳастаии идорашаванда барои инсон баъд аз садамаи Чернобил зиёдатӣ мебошад. Имрӯз он яке аз манбаъҳои энергияии экологии тоза ба ҳисоб меравад. Модоме ки дар бораи плазмаи термоҳастаӣ сухан рафт, бояд Офтоб ва ситораҳои Коинотро ёдрас шуд, ки мисоли плазмаи баландҳарорат мебошад. Агар аз қаъри Офтоб ва ситораҳо ба канораҳои онҳо раҳсипор шавем, он гоҳ ҳарорат ва консентратсияи плазма аз қиматҳои то қиматҳои кам мешаванд.

Омӯзиши чунин плазма қисми махсуси астрофизика ба шумор меравад.

То имрӯз асосан ду самти тадқиқот оид ба СТИ (синтези термоҳастаии идорашаванда) коркард шудааст: нигоҳдошти магнитии плпзма ва нигоҳдошти инертсионии плазма.

Ғояи асосии нигоҳдошти магнитии плазма чунин аст: ба зарраҳои заряднок, ки дар майдони магнитӣ ҳаракат менамояд, чи тавр ки маълум аст, қувваи Лорентс таъсир менамояд. Дар зери таъсири ин қувва зарра дар ҳамворие, ки ба самти майдони магнитӣ перпендикуляр аст, дар масофаҳои на чандон дур аз хатҳои қуввагӣ давр мезанад.

Траекторияҳои зарраҳо спиралӣ буда, метавон гуфт, ки майдони магнитӣ зарраҳоро аз ҷойивазкунӣ ба самти перпендикулярӣ нигоҳ медорад, аммо ҷойивазкунии зарраҳо ба самти майдони магнитӣ озод аст. Масъала ба миён меояд, ки ҷоивазкунии зарраҳои плазмаро ба самти тӯлии майдон низ бояд нигоҳ дошт. Ин масъала ду усули ҳал дорад. Усули аввал иборат аз он аст, ки майдони магнитии ғайриякҷинса ба вуҷуд оварда масири шавад. Яъне чунин майдони магнитиро ба вуҷуд бояд овард, ки ҳаракати зарраи заряднок шадидияти он дар охирҳои дастгоҳ афзоиш ёфта бошад. дар майдони магнитӣ.

Дар чунин майдони ғайриякҷинса траекторияи зарраҳо бо қадамҳои тағйирёбандашакли сипиралидошта ва энергияи ҳаракати тӯлӣ ба энергияи ҳаракати арзӣ табдил меёбад. Зарраҳои аз соҳаи пурзӯри майдони магнитӣ инъикосгардида, аз охирҳои дастгоҳи. Нақша ва сохти зоҳирии доми магнитии плазмавӣ баромада наметавонанд.

Чунин дастгоҳҳоро домҳои магнитии кушод меноманд. Онҳо «Пробкотрон» ном доранд. Соҳаи пурзӯри майдони магнитӣ тамбаи (пробка) магнитӣ номида мешавад ва ҳамаи дастгоҳро аксари вақт тамбатрон (пробкатрон) меноманд. Чунин дастгоҳи нисбатан калонҳаҷм дар собиқ Иттиҳоди Шуравӣ сохта шуда буд, ки номи он Огра-2 буд. Дар шароити имрӯза домҳои бисёртамбавӣ (многопробочные ловушки) сохта ва коркард шудааст.

Роҳи дигари халосӣ аз манъ намудани ҳаракати зарраҳо ба самти майдон, сарбаст намудани хатҳои қуввагии майдони магнитӣ мебошад. Чунин дастгоҳҳое, ки дар ин принсип истифода карда мешавад, домҳои магнитии сарбаст. Нақшаи доми магнитии бисёртамбавӣ номида мешаванд. Чунин домҳо бо хатҳои қуввагии доиравӣ дар шакли тор – «бублик» сохта мешаванд.

Аммо чунин домҳо зарраҳои плазмаро нигоҳ дошта наметавонанд. Ин ба он вобаста аст, ки майдони магнитӣ дар буриши арзии тор ғайриякҷинса мебошад. Як ҷисми гардиши доиравӣ дар майдони магнитии зӯр, яъне бо радиуси хурд ва қисми дигари гардиш дар майдони магнитии паст, яъне бо радиуси калон ба амал меояд. Дар натиҷа дар як гардиши пурра зарра ба нуқтаи. Нақшаи аввалаи худ барнамегардад ва каме аз он меғеҷад. Чи тавре ки доми магнитии сарбаст мегӯянд, дрейфи (каҷравии) зарраҳо ба вуҷуд меояд ва онҳо оқибат ба девораҳо бармехӯранд.

Барои он ки бо чунин дрейф мубориза баранд, пешниҳод гардид, ки хатҳои қуввагии винтоб (морпеч)ба вуҷуд оварда шаванд.

Ҳангоми ҳаракат аз рӯи чунин хатҳои қуввагӣ зарраҳо як қисми роҳро бо як тамоил ва қисми дигарро бо тамоили муқобил тай намуда, дар як Расми 5. Тарҳи стелларатор гардиши пурра, дрейфи (тамоили) (Тамоили плазма дар доми тороидалӣ) пурра ба вуҷуд намеояд. Зарра аз тарҳи кадом нуқтае, ки ҳаракатро оғоз намуд, ба ҳамон нуқта бармегардад. Чунин стелларатор навъи дастгоҳҳо стеллараторҳо номида мешаванд.

Дар шароити (Тамоили ҳозира онҳо дар Россия, ИМА, Олмон, Япония ва дигар кишварҳо мавҷуд плазма дар ҳастанд. Муваффақиятҳои асосӣ дар СТИ дар дастгоҳҳои навъи «Такомак» ба доми даст оварда шудаанд. Ин дастгоҳҳо аз стеллараторҳо бо он фарқ менамоянд, тороидалӣ) ки дар онҳо майдони магнитии беруна винтоб набуда, дар тамоми ҳаҷми тор ҷараёни электрикӣ ҷорист. Ин ҷараёни доиравӣ аз ҳисоби майдони магнитии тағйирёбанда, ки онро майдони электрикии доиравӣ тавлид намудааст, ба вуҷуд оварда шудааст. Дар ин дастгоҳ газ дар камера ионизатсия шуда, ҷараён ба вуҷуд меояд. Ин ҷараён майдони магнитии доиравӣ ва якҷо бо майдони магнитии беруна, майдони пурраи винтобмонандро дар стелларатор ба вуҷуд меорад.

Идеяи нигоҳдошти магнитӣ тақозо менамояд, ки плазмаро нигоҳ дошта, онро то ҳарорати реаксияи термоҳастаӣ гарм бояд кард.

Якчанд навъи гарм намудани плазма мавҷуд аст (гармӣ аз ҳисоби ҷараёни электрикӣ, аз ҳисоби майдони берунаи электромагнитии фавқулбасомад, бо ёрии дастаҳои зарраҳои нейтралӣ). Ғояи нигоҳдошти инертсионӣ аз он. Нақшаи «Токомак» иборат аст, ки плазма чунон тез гарм карда шавад, ки дар ин муддати вақт вай пароканда нашавад. Барои амалӣ намудани ин усул, манбаъҳои энергияи тавоно дар фосилаҳои кӯтоҳи вақт лозим аст. Яке аз ин гуна манбаъҳо лазерҳо мебошанд. Синтези термоҳастаии лазерӣ (УЛТС) дар собиқ Иттиҳоди Шӯравӣ пешниҳод гардид ва рушд ёфт. Принсипи он чунин аст: ба нишонии куравӣ бо сӯзишвории термоҳастаӣ, дастаҳои тавоноӣ – рӯшноӣ равона карда мешавад.

Ин рӯшноӣ маводи нишонро буғ ва сипас, ионизатсия намуда, онро пароканда менамояд. Бино бо сабаби таъсир ва акси таъсир (қонуни бақои импулс) маводи дохили кура фишурда ва гарм мешавад.

Агар чунин раванд нисбатан тез ба амал ояд, он гоҳ омехтаи ҳосилнамударо то ҳарорати реаксияи термоҳастаии зарурӣ гарм ва ҳосил кардан мумкин аст. Ба ҷои лазерҳо манбаъҳои дигари энергияро низ Расми 8. Синтези термоҳастаии лазерӣ истифода намудан мумкин аст. Яке аз чунин манбаъҳои муфид, дастаҳои тавонои электронӣ (РЭП) ва инчунин, дастаҳои ионҳои вазнин ба шумор мераванд.

Ҳамин тавр, ду роҳи асосии ҳалли проблемаи термоҳастаӣ мавҷуд аст. Яке бо нигоҳдошти магнитӣ ва гарм намудани плазма алоқаманд аст. Дар ин роҳ реаксияҳо дар сӯзиши ҳастаӣ суст мегузаранд. Роҳи дуюм, ба нигоҳдошти инертсионӣ алоқаманд буда, тарзи импулсӣ ҷудошавии энергия мебошад. Ба ибораи дигар, сухан дар бораи микротаркиш (таркиши хурд) меравад.

Кадом муваффақиятҳо дар роҳи СТИ ба даст омадаанд? Барои ба ин савол посух гуфтан меъёри Лоуссонро бояд нишон дод. Ин меъёр чунин аст: барои реаксияҳои термоҳастаӣ дар 0 ҳарорати модда 10КЭВ ~100 млн. градус (1ЭВ=11000С) бояд бошад. Дар ин 3 ҷо N-консетратсияи (ғаноиши) ионҳои плазма (миқдори ионҳо дар 1см),-вақти нигоҳдошти плазма мебошад.

Дастгоҳҳо бо нигоҳдошти магнитӣ чунин натиҷа медиҳанд: Т~6КЭВ (PLT-ИМА), ва . Дар собиқ Иттиҳоди Шуравӣ, дар дастгоҳи «Т- 10» ҳарорат бабаробар буда, ва мебошад.

Бо роҳи нигоҳдошти инерсионӣ СТИЛ (синтери термоҳастаии идорашавандаи лазерӣ) натиҷаҳо чунинанд: ,ва . Дараҷаи 24 фишурдашавӣ то 10 расонида шудааст ва бояд ин рақами ба 10 баробар бошад.

Лоиҳаҳои сохтмони реакторҳои демонстратсионӣ (намоишӣ) бо коэффитсиенти кори фоиданоки низ сохта шудааст, ки дар ояндаи наздик энергияи плазмавӣ ба истифода дода хоҳад шуд. Аз ин рӯ, дар зер баъзе диаграммаҳоро оид ба энергия ва истифодаи он дар миқёси ҷаҳонӣ нишон медиҳем, зеро рушди ояндаи тамоми соҳаҳои фаъолият ба рушди энергетика пайванди ногусастанӣ дорад.