Что такое плазма?
Плазма - это полностью или частично ионизованный газ, в котором суммарный отрицательный заряд частиц равен суммарному положительному заряду. Поэтому в целом плазма является электрически нейтральной средой, или как говорят в физике, плазма обладает свойством квазинейтральности. Плазма считается четвертым (после твёрдого, жидкого и газообразного) агрегатным состоянием вещества и является нормальной формой существования вещества при температуре порядка 10 000 градусов и выше.
Плазма очень распространена во Вселенной. Солнце и звёзды представляют собой не что иное, как сгустки высокотемпературной плазмы. Но на Земле плазмы очень мало, природный пример – верхний слой атмосферной оболочки Земли, он также образован из плазмы – это так называемая ионосфера. Космические частицы и частицы солнечного ветра ионизуют верхний слой атмосферы, и образовавшаяся плазма удерживается магнитным полем Земли. То есть, это своеобразная земная магнитная ловушка. В период повышенной солнечной активности поток заряженных частиц солнечного ветра деформирует магнитосферу планеты. Вследствие развития гидромагнитных неустойчивостей плазма проникает в верхнюю атмосферу в районе полюсов. Атмосферные газы взаимодействуют с заряженными частицами плазмы, возбуждаются и рождают свечение. Этим обусловлено явление полярного сияния, видимое только на полюсах.
Исследования плазмы как необычного состояния вещества в природе проводятся уже более века, а начиная со второй половины 20 века, в неразрывной связи с «генеральным направлением» физики плазмы – осуществлением самоподдерживающейся управляемой реакции термоядерного синтеза (УТС).
Для того, чтобы произошла реакция синтеза, исходные ядра должны преодолеть силу электростатического отталкивания, для этого они должны иметь большую кинетическую энергию. Если предположить, что кинетическая энергия ядер определяется их тепловым движением, то можно сказать, что для реакции синтеза нужна большая температура. Поэтому реакция названа «термоядерной». Чтобы вступить в реакцию, ядра должны преодолеть потенциальный барьер. Например, для реакции дейтерий-тритий величина этого барьера составляет примерно 0,1 МэВ. (Электронвольт (сокращённо эВ или eV) — внесистемная единица энергии, используемая в атомной и ядерной физике. Один электронвольт равен энергии, которая необходима для переноса электрона в электростатическом поле между точками с разницей потенциалов в 1 В. Таким образом, 1 эВ = 1,602 176 487(40)×10−19 Дж = 1,602 176 487(40)×10−12 эрг). Для сравнения, энергия ионизации водорода — 13 эВ. Поэтому вещество, участвующее в термоядерной реакции будет представлять собой практически полностью ионизированную плазму.
Главными реакциями синтеза с участием изотопов легких атомов являются следующие:
D + D → 3He (0.82 МэВ) + n (2.45 МэВ),
причем вероятность двух каналов D+D реакции одинакова. Эти реакции в конечном итоге ведут к появлению радиоактивных продуктов, которые образуются во вторичных реакциях с участием термоядерных нейтронов в стенках реактора. Этого недостатка лишена реакция
D + 3He → 4He (3.6 МэВ) + p (14.7 МэВ)
На Земле 3He практически отсутствует, однако он обнаружен на поверхности Луны. Если термоядерная энергетика когда-нибудь станет реальностью, то вероятно она будет основана именно на этой реакции. А на сегодняшний день основной реакцией для будущей термоядерной электростанции выбрана реакция D+T благодаря высокому энерговыделению и большому сечению реакции.
В настоящее время международное научное сообщество приступило к строительству крупнейшего международного экспериментального термоядерного реактора типа токамак под названием «ИТЭР». В ближайшие десятилетия ИТЭР должен продемонстрировать возможность функционирования самоподдерживающейся управляемой термоядерной электростанции на основе реакции синтеза дейтерия и трития. Однако очевидно, что для дальнейшего развития термоядерной энергетики будущего и строительства таких станций, которые будут работать десятилетиями, уже сегодня нужно отобрать из уже существующих и создать новые надежные материалы, способные на протяжении всего срока службы выдерживать мощные нейтронные потоки. Для проведения испытаний таких материалов необходим мощный источник термоядерных нейтронов. Согласно требованиям специалистов в области термоядерного материаловедения, плотность потока нейтронов с энергией 14 МэВ в зоне испытаний должна быть порядка 2 МВт/м2. Источник нейтронов с таким потоком может быть создан на основе открытой ловушки.