57
ФИЗИКА
ФИЗИКА Использование электростатического поля для создания условий по удержанию плазмы, сходных с условиями внутри звезд Костылев Илья Герасимович, учащийся 11 класса Научный руководитель: Харитонова Вера Евгеньевна, учитель физики МАОУ «Гимназия № 80 г. Челябинска»
Ч
еловек всегда нуждался в энергии и будет в ней нуждаться. Раньше с помощью энергии ветра он получал муку, перемещался по воде. Сегодня мы можем преобразовывать эту энергию в электричество. Однако кроме ветра существуют другие источники энергии, которые используются и могут использоваться. Получение энергии из термоядерного синтеза [4] является перспективным направлением в энергетике. Источник, питающий звезды, может дать огромные возможности для человечества. Кроме того, термоядерная энергетика позволяет решить проблему энергетического кризиса, ведь запасов дейтерия, основного топлива, в воде океанов хватит примерно на 300 миллионов лет. Также ей присуще высокая экологическая чистота, так как производные вещества — дейтерий и литий, а также отходы — инертный газ гелий, для окружающей среды не оказывают опасности. Получение энергии данным способом заключается в удержании плазмы [1], в которой и происходит термоядерный синтез. В современных установках она удерживается магнитным полем, которое вытягивает ее в тороидальную форму [4]. Однако время существования плазмы в таком состоянии составляет доли секунды, что не перспективно для промышленного использования. Чтобы увеличить этот временной промежуток рассмотрим плазму в условиях, где она существует миллиарды лет — в звездах. Звезды — небесные тела, гигантские светящиеся сферы плазмы. Только в нашей галактике Млечный Путь их насчитывают миллиарды, включая Солнце. Энергия звезд рождается в их ядрах, где, соответственно, и происходят термоядерные реакции слияния ядер водорода. Для того чтобы процесс слияния происходил звезда должна иметь значительную массу, иначе сила давления, образующаяся в этих реакциях, превысит стягивающую силу гравитации и звезда разорвется. Также опасна и обратная ситуация. Проиллюстрируем это на рис. 1.
Рис. 1. Иллюстрация сил, действующих на звезду Из этого следует, что для стабильного состояния нужны две силы: 1. Сила сжимающая 2. Сила распирающая Помимо этого, звезды имеют сферическую или близкую к сфере форму, иначе силы будут иметь неоднородное распределение, что приведет к разрушению. Необходимо упомянуть, что для возникновения реакций должны выполняться два условия [3]: 1. Температура должна быть ≥107 K 2. Давление внутри ядра должно быть ≥1018 Па Так как роль сжимающей силы у звезд играет гравитация в силу их большой массы, то для использования энергии звезд на Земле она не подойдет. Однако плазма состоит из заряженных частиц, поэтому роль сжимающей силы может взять на себя электростатическое взаимодействие. Как известно, одноименные заряды отталкиваются друг от друга, а ядра атомов водорода положительные, то создав камеру с положительным зарядом и сферическую плазму такого же заряда, можно воссоздать условия схожие с теми, что существуют в звездах. Только для этих условий нужно отойти от основного принципа плазмы — электрической нейтральности — и
