индивидуальный итоговый проект "Плазма. Свойства плазмы"

Я выбрал эту тему потому, что считаю что эта тема является актуальной так ,как плазма очень распространённая вещь ее используют в таких отраслях как медицина (используется для стерилизации медицинских устройств и имплантов) текстильной промышленность (она придает вещам гидрофобные, гидрофильные и грязеотталкивающие свойства) она нужна в уличном освещении, некоторые телевизоры тоже работают с использованием плазмы плазма также имеется в центрах всех звезд . что такое плазма где она используется? есть ли какая-нибудь опасность от искусственно созданной плазмы? Как получить плазму в домашних условиях?

также я выбрал эту тему потому что в школе мы изучали только три агрегатных состояния: жидкое , твёрдое и газообразное , поэтому мне захотелось узнать побольше о плазме .

очень важно разобраться с этим ведь плазма окружает нас повсюду. Я считаю что мне будет интересно выполнить данный проект так как плазма является интересным агрегатным состояниям вещества

проблема проекта: недостаточные знания школьников о плазме ее свойствах и о возможностях этой штуки при ее правильном использовании

постепенно мой интерес к плазме перерастал в интерес к реакциям термоядерного синтеза и следовательно к термоядерным реакторам

Целями моего проекта является рассмотрение важных свойств и характеристик плазмы. в результате работы будут решаться следующие задачи:

- изучение история открытия плазмы

- изучение и описание плазмы и ее свойств

-создание уменьшенной ученической модели термоядерного реактора Фузор Фарнсуорта–Хирша

Для решения поставленных задач были проанализированы ряд интернет-ресурсов и книг

Объектом моего инженерно—исследовательского проекта является четвертое агрегатное состояние вещества

итоговым продуктом моего проекта будет уменьшенная ученическая модель термоядерного реактора Фузор Фарнсуорта–Хирша(далее «УУМТР») —это небольшой термоядерный реактор, который сконструировали американские изобретатели Фило Тейлор Фарнсуорт и Роберт Хирш в 1964 году.

Детализированный план работы над проектом:

1) сбор информации —на этом этапе я совместно кураторам собрал всю необходимую для этого информацию

2) выбор конструкции термоядерного реактора —на этом этапе мы с куратором выбрали самый подходящий тип термоядерного реактора и его модель

3)создание реферата —на этом этапе я превратил кучку несвязанного текста и сгустки информации в полноценный доклад

4)работа с куратором —на этом этапе мы совместно с моим куратором приступили к созданию модели термоядерного реактора

5) создание презентации —на этом этапе я приступил к подготовки защиты проекта и паралельно с этим производил первый запуск созданной модели , после запуска модели мы с моим куратором приступили к отладке работы этой установки

6) подготовка к защите

Основная часть:

Плазма – это состояние вещества, в котором количество свободных заряженных частиц превышает количество нейтральных. Это делает плазму хорошим проводником электричества. Она состоит из ионизированных газов, которые обычно остаются нейтральными при нормальных условиях.

Плазма часто встречается в природе, например, в солнце и других звездах, а также в ионосфере Земли. Она также создается искусственно в термоядерных реакторах и при работе лазеров.

самым простым и примитивным примером плазмы с которым сталкивались еще наши предки—это огонь , горение костра является термоядерной реакцией.

Виды плазмы:

Существует несколько видов плазмы, которые классифицируются в зависимости от температуры и плотности:

- Низкотемпературная плазма: имеет температуру от нескольких десятков до нескольких сотен градусов Кельвина и обычно встречается в природных условиях, например, в ионосфере Земли или в молниях.

- Высокотемпературная плазма: имеет температуру в несколько десятков или сотен тысяч Кельвинов и встречается в астрофизических объектах, таких как звезды и аккреционные диски вокруг черных дыр.

- Ионно-звуковая плазма: характеризуется тем, что частота ионного звука намного больше частоты столкновений. Этот вид плазмы встречается в пылевых кристаллах и пылевых плазменных кристаллах.

- Неидеальная плазма: это плазма, в которой кулоновское взаимодействие между частицами преобладает над кинетической энергией частиц. Этот вид плазмы можно встретить в пылевой плазме и в пылевых волнах в пылевых плазменных кристаллах.

История открытия:

Плазма была открыта в конце XIX века, когда ученые начали изучать электрический разряд в газах. В 1879 году британский ученый Уильям Крукс провел эксперименты с разреженными газами и заметил, что при пропускании электрического тока через них они начинают светиться. Он назвал это явление «плазмой» (от греческого слова «πλάσμα», что означает «оформленный» или «вылепленный»). Однако, Крукс не смог объяснить природу этого явления и считал плазму четвертым состоянием вещества.

В 1923 году советский физик Леонид Чугаев предложил термин «ионизированный газ» для описания плазмы.

Современные представления о плазме как о состоянии вещества были сформулированы в середине XX века после работ советского физика Льва Ландау и американского физика Харлоу Шёнберга. Они разработали кинетическое уравнение, описывающее поведение частиц в плазме, и показали, что плазма является проводником электричества и может быть описана с помощью законов электродинамики.

Условия возникновения:

Плазма может возникать при различных условиях. Некоторые из них включают:

Высокие температуры: Плазма образуется, когда газ нагревается до очень высоких температур, обычно в несколько десятков или сотен тысяч Кельвинов. Это может произойти, например, внутри звезд, где ядерные реакции генерируют огромное количество тепла.

Сильные электрические поля: Плазма также может образовываться, когда сильные электрические поля используются для ионизации газа. Это происходит, например, в термоядерных реакторах, где магнитные поля используются для удержания плазмы в определенных областях.
Взрывы и столкновения: Плазма может также образовываться в результате взрывов и столкновений, таких как ядерные взрывы или столкновения галактик. В этих случаях огромные количества энергии высвобождаются, что приводит к ионизации газа и образованию плазмы.

Свойства плазмы:

Плазма обладает рядом свойств, которые отличают ее от других состояний вещества. Некоторые из этих свойств включают:

Высокая электропроводность: Плазма является хорошим проводником электричества из-за большого количества свободных заряженных частиц. Это делает ее идеальной для использования в термоядерной энергии и других приложениях, связанных с электричеством.
Низкая вязкость: Плазма имеет очень низкую вязкость, что означает, что она может течь с очень низкой силой сопротивления. Это делает ее идеальным материалом для создания магнитных полей и проведения экспериментов с управляемым термоядерным синтезом.
Нестабильность: Плазма часто нестабильна и может быстро превращаться из одного состояния в другое. Это может привести к возникновению различных видов волн и колебаний, которые могут влиять на работу устройств и систем, использующих плазму.
Взаимодействие с магнитными полями: Плазма взаимодействует с магнитными полями уникальным образом из-за своего заряда. Это взаимодействие может использоваться для управления движением плазмы и ее использования в различных приложениях, таких как термоядерный синтез и магнитное удержание плазмы.

Основные характеристики плазмы:

Плазма характеризуется следующими основными параметрами:

- Концентрация заряженных частиц (n) – количество заряженных частиц в единице объема. В плазме n ~ 10^15 – 10^20 см^-3.

- Температура (T) – средняя кинетическая энергия частиц. В зависимости от типа плазмы T может варьироваться от десятков до сотен тысяч кельвин.

- Заряд частиц (q) – может быть положительным или отрицательным.

- Массовое число (A) – отношение массы частицы к 1/12 массы атома углерода-12.

- Степень ионизации (α) – доля заряженных частиц от общего числа частиц в системе. В полностью ионизованной плазме α = 1.

Эти параметры определяют основные свойства плазмы, такие как электропроводность, теплопроводность, вязкость и другие.

Термоядерный реактор:

Термоядерный реактор – устройство предназначеное для получения энергии за счёт реакций синтеза лёгких атомных ядер, протекающих при высоких температурах .Создание термоядерного реактора является основной целью работ по термоядерному синтезу.

Термоядерный синтез—это процесс, в ходе которого два легких атомных ядра объединяются в одно более тяжелое ядро с высвобождением огромного количества энергии.

термоядерный синтез делится на два типа : управляемый и неуправляемый

Управляемый термоядерный синтез—предполагает создание условий, при которых атомы дейтерия и трития (изотопы водорода) соединяются вместе, образуя гелий и высвобождая огромное количество энергии. Этот процесс аналогичен процессу, происходящему на солнце, и считается безопасным и экологически чистым источником энергии.

неуправляемый термояденый синтез —это синтез происходящий без вмешательства человека и не поддающегося его воздействию, в основном возникает при взрывах водородных бомб и используется в основе их работы или же это процесс горения костра

история открытия термоядерного синтеза:

История открытия термоядерного синтеза начинается в 1930-х годах, когда советский физик Лев Ландау и его коллеги начали изучать реакции ядерного синтеза. Они обнаружили, что при высоких температурах и давлениях ядра атомов могут сливаться вместе, образуя более тяжелые элементы.
В 1952 году американский физик Эдвард Теллер и его команда провели первый успешный эксперимент по термоядерному синтезу, используя лазеры для нагрева и сжатия мишеней с дейтерием и тритием. Этот эксперимент показал, что ядерный синтез может стать источником энергии, но его было недостаточно для коммерческого использования.
Следующим важным шагом в истории открытия термоядерного синтеза стало создание Токамака – тороидальной камеры с магнитными катушками, разработанной в 1960-х в Институте атомной энергии им. Курчатова в СССР. Токамак позволяет удерживать плазму при высоких температурах, что необходимо для осуществления термоядерного синтеза.
Начиная с 1970-х годов, исследования в области термоядерного синтеза активизировались. В США, Европе, Японии и СССР были созданы многочисленные токамаки для изучения свойств плазмы

Однако, несмотря на все успехи, термоядерный синтез все еще остается нерешенной задачей для современной науки. Для коммерческого использования термоядерного синтеза необходимо создать условия для стабильного и эффективного синтеза, а также решить проблему накопления радиоактивных отходов.
На сегодняшний день существует несколько проектов по разработке термоядерных реакторов, таких как Международный экспериментальный термоядерный реактор (ITER) в Кадараше, Франция, и Демонстрационный реактор термоядерного синтеза (DEMO) в рамках международного проекта ITER. Эти проекты направлены на создание условий, необходимых для коммерческого использования термоядерной энергии.

типы термоядерных реакторов:

В настоящее время существует несколько типов термоядерных реакторов:
1. Токамак - тороидальная камера с магнитными катушками. Этот тип реактора был разработан в СССР и является наиболее распространенным. Токамаки позволяют удерживать плазму при высоких температурах, необходимых для осуществления термоядерного синтеза, с помощью магнитных полей.

Токамак представляет собой вакуумную камеру в форме тора или бублик, которая окружена сверхпроводящими электромагнитами. Поскольку плазма взаимодействует с магнитным полем, а именно ее частицы двигаются вдоль его силовых линий, электромагниты направляют ее так, что она путешествует внутри камеры, не касаясь ее стенок. При температуре в миллионы градусов они попросту испарятся. Кроме того, в токамаке также есть центральный электромагнит — индуктор, который создает мощный ток и поддерживает стабильность плазмы.
2. Стелларатор - другой тип термоядерного реактора, который использует магнитные поля для удержания плазмы. Этот тип реакторов был разработан в США и Европе.
3. Реактор с инерциальным удержанием - использует мощные лазеры или ионные пучки для нагрева и сжатия небольших мишеней, содержащих термоядерное топливо. Этот тип реакторов разрабатывается в США, Японии и других странах.
4. Реактор на основе открытого ловушки - использует магнитные поля и вакуум для удержания и нагрева плазмы. Этот тип реакторов находится в стадии разработки в США, Европе и Японии.

Реактор Фузор Фарнсуорта–Хирша

Фузор Фарнсуорта–Хирша— устройство, сконструированное американским изобретателем Фило Т.Фарнсуорта И физиком Робертом Хиршем для получения управляемой термоядерной реакции.

В отличие от многих систем для получения управляемой термоядерной реакцией, которые медленно нагревают плазму, помещенную в магнитную ловушку, в фузоре высокоэнергетические ионы напрямую впрыскиваются в область, где происходит термоядерная реакция. Реализация этой концепции предположительно позволит значительно уменьшить размеры и стоимость термоядерного реактора. Для удержания плазмы в фузоре используется метод электростатического удержания плазмы.

Идея фузора в различных модификациях была использована в работах таких ученых как Elmore, Tuck и Watson, позднее George Miley. С 1994 по 2006 Роберт Басард по контракту с ВМС США построил несколько моделей реакторов поливер.

Ни один вариант фузора Фарнсуорта, созданный на данный момент, не приблизился близко к критерию лоусона. Мировые правительства не рассматривают этот вид реактора как перспективный и ведут разработки реакторов других типов, чаще всего токамаков. В частности крупнейший токамак строится в рамках международного проекта ITER.

Значение термоядерной энергетики:

Сегодня человечество активно применяет энергию ядерного распада, и, казалось бы, зачем искать новые источники энергии, если у нас уже есть рабочая технология. Однако не все так просто. В подобных реакциях используются тяжелые элементы, например уран-235. Их ядра распадаются на более легкие осколки, которые обладают высокой кинетической энергией. Торможение осколков в топливе заставляет его разогреваться, и именно эту тепловую энергию и превращают за пределами реактора в электрическую.

Но если пересчитывать ее количество на нуклон, то она оказывается не так велика по сравнению с термоядерным синтезом. Изотопы водорода дейтерий и тритий, которые планируется использовать в термоядерных реакторах, легкие: их атомная масса равна двум и трем, но при этом количество энергии, которое выделяется в ходе реакции, всего в 12 раз меньше, чем при делении тяжелого ядра урана. Поэтому удельное выделение энергии на один нуклон в термоядерном синтезе в конечном итоге оказывается намного выше, чем в реакциях деления, — примерно в 4 раза.

Еще одна проблема заключается в том, урана-235 в природе немного. Поэтому физикам, занимающимся ядерной энергетикой, приходится обогащать уран, то есть изменять его изотопный состав. Кроме того, запасы исходного урана исчерпаемы. По современным оценкам, их хватит примерно на 150 лет, а после человечеству придется искать новые источники энергии. Нефть и газ с большой долей вероятности к тому моменту закончатся, а солнечная энергетика слишком зависит от климатических условий.

И здесь на помощь может прийти термоядерный синтез. Запасы дейтерия, который используется в качестве топлива, фактически неисчерпаемы, поскольку он находится в воде Мирового океана и вряд ли человечество сможет его когда-нибудь полностью выработать. Другой компонент, тритий, на Земле практически не существует. Но сегодня есть технологии получения трития с помощью облучения лития-6 нейтронами. Поскольку запасы лития-6 очень велики, а для превращения в тритий его нужно совсем немного — сотни килограммов, его также можно считать почти неисчерпаемым источником топлива.

Наконец, еще одна проблема ядерной энергетики — радиоактивные отходы, которые нужно собирать и утилизировать. И с учетом того, что на атомных станциях существует пусть малая, но вероятность аварии, выброс радиоактивных веществ в окружающую среду может привести к трагедии. В этом смысле управляемый термоядерный синтез намного чище, поскольку его продуктами являются альфа-частицы и нейтроны. Альфа-частицы имеют очень небольшую проникающую способность — их может остановить даже лист бумаги, а нейтроны хоть и оказывают ионизирующее воздействие, неспособны проникнуть глубоко в нержавеющую сталь, из которой выполнена вакуумная камера, максимум на метр. И поскольку вероятность взрыва в случае с термоядерной энергетикой внутренне исключена, она намного чище.

Этапы создания УУМТР:

этап номер 1(подготовительный этап ):

для того чтобы создать термоядерный генератор я изучил всю необходимую литератору по основам работы термоядерного синтеза , закупил некоторые компоненты необходимые для создания моей установки, мой куратор мне активно помогал . Подготовительный этап на этом закончился

этап номер 2 (этап создания установки )

первое с чего мы начали это изготовление сферы

этап номер 3(этап испытания установки и её последующая доработка)

этап номер 4 ( демонстрация УУМТР)

Заключение:

В заключении хотелось бы сказать что работать над проектом было интересно и увлекательно. Самым сложным было написание основной часть реферата .Самым простым по моему мнению было создание презентации посвящённой плазме. Самым интересным было создание установки. В ходе работы над проектом я узнал много нового . Отставания от задоноего графика не было .

Надеюсь что мой проект поможет в образовательном процессе людям не имеющих представление о том что такое плазма и что такое термоядерный реактор. Работой с куратором остаюсь доволен.