ІОНІЗАЦІЙНІ Віхорі в холодному плазмі
Майже вся речовина видимого нами Всесвіту - 99,9 відсотка її маси - знаходиться в стані плазми, а ось на Землі плазму можна зустріти тільки в лабораторіях вчених або ж у верхніх шарах атмосфери - в іоносфері.
Вираз "плазма - четвертий стан речовини" став звичним. Чому четверте? Чому плазму знадобилося виділити, поставити в один ряд із твердтю, рідиною та газом? Зробимо уявний експеримент: у запаяній посудині з дуже тугоплавкого матеріалу будемо нагрівати тверду речовину. За деякої температури тверда речовина розплавиться, перейде в рідкий стан, а якщо підняти температуру ще вище, рідина перетвориться на пару. Нагріваючи посудину далі, зазвичай при температурах кілька тисяч градусів, можна спостерігати процеси іонізації: нейтральні атоми газу розпадуться на електрони і позитивні іони. Зі збільшенням температури частка електронів та іонів у суміші швидко зростає і при температурах більше 10-20 тисяч градусів переважна частина атомів будь-якого газу буде іонізована, нейтральних атомів майже не залишиться. Плазма - і є газ, у якому значної частини атомів речовини іонізована.
У природі зустрічається плазма, яка характеризується величезним розмаїттям параметрів - ступенем іонізації, щільністю газу, температурою, у деяких випадках ці параметри відрізняються у сотні та тисячі разів (див. рис. 1 на 4 сторінці кольорової вкладки). Сонце та зірки – гігантські згустки дуже гарячої плазми. Верхній шар земної атмосфери утворений із плазми дещо іншого сорту, тут розріджене повітря містить порівняно невелику кількість заряджених частинок і температура їх набагато нижча, ніж, скажімо, у надрах Сонця.
Фізика плазми, що виділилася порівняно недавно в окрему дисципліну, сьогодні грає суттєвуРоль у вирішенні багатьох проблем астрофізики, фізики атмосфери, радіофізики, з її успіхами пов'язана можливість вирішення найважливіших проблем керованого термоядерного синтезу та магнітогідродинамічних методів перетворення енергії.
При іонізації газ в цілому залишається нейтральним - адже процеси іонізації самі по собі не створюють надлишку в зарядах того чи іншого знака. речовини) сильно змінює свої властивості в електричному та магнітному полях. Наприклад, під дією електрич. ського поля, навіть дуже слабкого, у плазмі починає текти електричний струм.
Звичайний газ - це діелектрик, але якщо через нього пропустити досить потужний електричний розряд, газ частково перетворюється на плазму, у ньому з'являється електричний струм. З одного боку, складні процеси зіткнення електронів та іонів між собою, з нейтральними молекулами газу, зі стінками судини зменшують кількість заряджених частинок, з іншого - сам електричний струм у газі безперервно створює в ньому нові електрони та іони. Тому ступінь іонізації підтримується хоч і низьким (порівняно з термічною іонізацією при температурі 10-20 тисяч градусів), але постійним.
Плазма, що народилася внаслідок електричного розряду, має ще одну особливість. У нашому уявному експерименті виходила однорідна плазма: сама судина, електрони, іони і нейтральні молекули (якщо вони залишалися) - все це мало одну й ту саму температуру. Плазма газового розряду, звичайно, теж складається з декількох компонентів - нейтральних молекул, іонів та електронів, які рівномірно перемішані між собою так само, скажімо, як кисень та азот у повітрі.Однак на противагу звичайної газової суміші, де всі частинки мають однакову кінетичну енергію та однакові середні швидкості, тобто мають однакову температуру, у плазмі у електронів, іонів та нейтральних атомів середня кінетична енергія різна.
На сучасних електростанціях гаряча пара обертає робоче колесо турбіни, а вона, своєю чергою, обертає ротор електрогенератора. У результаті магнітному полі рухається мідна обмотка - цілий комплект провідників, у яких за законом Фарадея виникає електричний струм. Основна ідея МГД-генератора зводиться до того, щоб замість твердих металевих провідників використовувати рідкі, насамперед розплавлені або газоподібні метали - плазму. Це дозволить відмовитися від турбін, від деталей, що труться, і помітно підвищить коефіцієнт корисної дії установок, що перетворюють теплову енергію в електричну. Зауважимо одночасно, що рідкі метали зажадали б спеціальних термостійких матеріалів і проти використанням холодної плазми їх застосування має важливі недоліки. Відомо, що найкращі сучасні паротурбінні електричні станції працюють із ккд близько 40 відсотків, а на більшості станцій він не перевищує 30 відсотків. Використання МГД-процесів обіцяє підвищити ефективність отримання електроенергії принаймні до 50 відсотків.
Плазма сама по собі - провідник досить поганий, навіть за температури 3000 градусів її провідність у сотні разів гірша, ніж у міді. Очевидно, щоб вирішити проблему створення МГД-генераторів, потрібно було знайти спосіб підвищити електропровідність плазми, не підвищуючи температури. Такий спосіб був запропонований на початку шістдесятих років, і спочатку здавалося, що він відразу ж приведе до успіху. Спосіб полягав у тому, що до плазми вводилися добавки.
Елементи першої групи в таблиці Менделєєва, лужні метали, такі як цезій, калій або натрій мають низький потенціал іонізації. Це означає, що відірвати від нейтральних атомів цих металів електрон і перетворити їх на іони набагато легше, ніж іонізувати атоми інших елементів. Якщо газ, який передбачається використовувати як робоче тіло в МГД-генераторі, при температурі близько 3000 градусів додати всього 1 відсоток цезію, то електрична провідність такого газу збільшиться майже в 1000 разів. При цьому ступінь іонізації плазми буде таким, що один іонізований атом припадатиме приблизно на 1000 нейтральних.
Зазвичай як основний газ вибирають гелій або аргон: у них високий потенціал іонізації, низька реакційна здатність, і у разі зіткнення цих атомів з електронами плазми останні не витрачають свою енергію на процеси іонізації.
Струм тече в плазмі за рахунок руху легень і рухливих електронів, і джоулеве тепло підвищує їх температуру: електрони "гріються" тим же струмом, який самі створюють. Теорія передбачала, що за загальної температури газу, яка не перевищує 2000 градусів, вдасться досягти електронної температури в десятки тисяч градусів і забезпечити електропровідність плазми, порівнянну з тією, що у міді. Але цим райдужним перспектив не судилося стати реальністю Плазма з малими добавками лужних металів неоднорідна за складом, нерівноважна за температурою, і, як виявилося, вона нестійка, що різко обмежує можливість підвищення провідності.
Експерименти, проведені в електричних полях, повністю підтвердили, що в холодному досить щільному газі можна здійснювати високу нерівноважну провідність. Але перші ж досліди в схрещених електричному та магнітному полях, тобто в тих умовах,які повинні бути в МГД-генераторі, виявили нові явища - холодна плазма з гарячими електронами в магнітному полі втрачала свою провідність через нестійкість.
З різноманітних нестійкостями в плазмі експериментатори стикалися і раніше. Так, наприклад, у трубках, де йде газовий розряд з великою силою струму, спостерігали пінч-ефект: плазма, що раніше рівномірно розподілена за об'ємом, а якийсь момент стягується в шнур вздовж осі трубки. Дослідникам були відомі і страти, розшарування плазми у вигляді стовпів, поперек прикладеного поля. Такі нестійкості спостерігали зазвичай, коли електрони та іони плазми мали майже однакову і досить високу температуру.
Корисна потужність МГД-генератора тим більша, чим більше напруженість магнітного поля, через яке плазма протікає, але саме в сильних магнітних полях плазма стає нестійкою. У цьому випадку електричний струм вже не можна представляти як спрямований рух електронів прямолінійними траєкторіями: у схрещених (взаємно перпендикулярних) електричному і магнітному полях заряджені частинки беруть участь у складному русі, вони описують спіралі, "нагвинчені" на силові лінії магнітного поля, і, крім того , дрейфують під впливом електричного поля або через неоднорідностей магнітного лоля. Слово "дрейф" взяте з морського пексикону. підкреслює, що швидкість переміщення в процесі дрейфу набагато менше, ніж швидкість руху основною траєкторією.
Гарячі електрони, що рухаються настільки складним чином, можна розглядати як якусь рідину, що практично стискається (як і всі рідини) і переміщується всередині газу, що складається з холодних іонів і нейтральних частинок. У середині 60-х років теоретики передбачили, що така плазма схильна до іонізаційних нестійкостей,пов'язаним із турбулентним, вихроподібним рухом електронної компоненти.
Декілька слів про появу іонізаційних вихорів у плазмі. Навіть у самій однорідній плазмі можливі флуктуації – невеликі, мікроскопічні відхилення таких параметрів, як концентрація електронів або їх температура. Якщо в деякій ділянці А (рис. 3) "електронної рідини" флуктуація призвела до того, що щільність електронів стала меншою за середню величину, то електричний струм потече в обхід об'єднаної електронами ділянки: електрони, які поводяться як рідина, що стискається, можуть рухатися тільки вздовж ліній рівної густини. Внаслідок цього в області А виділятиметься менше тепла, а електрони, що знаходяться тут, дещо охолонуть (оскільки в заряді, що самопідтримується, їх розігріває струм) і швидше нейтралізуються, наприклад, холодними іонами. У результаті в збідненій ділянці щільність плазми впаде. Навпаки, в сусідній області Б, де в якийсь момент концентрація електронів виявилася вищою за середню, потече сильніший струм і концентрація електронів ще більше збільшиться. Отже, порушення рівноваги ще більше посилиться.
В результаті лінії струму робляться складними та заплутаними, електрони починають рухатися по траєкторіях, що обгинають збіднені ділянки, ефективна провідність плазми падає.
У фізиці плазми, де турбулентні стани становлять скоріше правило, ніж виняток, існує метод розрахунку нестійкостей, в якому турбулентність розглядається як більш-менш невелике обурення спокійної ламінарної течії. Такий підхід дозволяв розраховувати лише невелику нестійкість. Новий метод, що враховує всю складність та заплутаність траєкторій, дозволив теоретикам встановити закони, що керують поведінкою турбулентної плазми, і, що особливо важливо дляпрактики МГД-генераторів, розрахувати ефективну провідність такої плазми
Розрахунки, проведені за допомогою ЕОМ, показали, що іонізаційна турбулентність холодної плазми з гарячими електронами універсальна - вона завжди розвивається в сильних магнітних полях, і її неможливо уникнути ні підбором електродів, ні варіацією газових компонентів. Теорія визначила і швидкість розвитку не-стабільностей - вони розвиваються практично миттєво, за тисячні частки секунди, у всякому разі, за час, який можна порівняти з тим, який необхідний для ін-жекції (впорскування) плазми в робочий об'єм МГД-генератора. Самі неоднорідності - це іноді смуги "згущень" електронної щільності, розташовані під кутом до струму, а іноді дуже складні невпорядковані структури, їх лінійні розміри малі - близько міліметра. Теоретичні розрахунки дозволили пояснити результати експериментів, які до цього важко було інтерпретувати через вторинних ефектів, що накладалися.
Теоретично передбачене явище іонізаційної турбулентності в холодній неоднорідній та нерівноважній плазмі було виявлено та експериментально.