Использование электростатического поля для создания условий по удержанию плазмы, сходных с условиями внутри звезд



Человек 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
2. Давление внутри ядра должно быть

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 сделать ее положительно заряженной, то есть состоящей только из ядер атомов водорода.

Плазма может описываться уравнениями МКТ [5], основываясь на этом, найдем энергию, которая будет выделяться в реакции слияния дейтерия с дейтерием, энергию необходимую для зарядки камеры и параметры камеры. Запишем условия в таблице 1.

Таблица 1

Физическая величина	Значение
Температура (T)
Давление (P)
Радиус плазменной сферы (r)
Площадь плазменной сферы (S)	0,00001256
Объем плазменной сферы (V)	0.000000004
Постоянная Больцмана (k)	1,38*
Масса дейтерия (m)	3,2*
Значение заряда электрона и протона (e)	1,6* Кл

1. Из формулы давления ( ) выразим концентрацию:

.

2. Концентрация равна ( , где N и V — количество атомов дейтерия и занимаемый ими объем соответственно), тогда количество частиц находится по формуле:

,

что равно 2,89* частиц.

3. Можно посчитать массу топлива умножив массу дейтерия m на его количество, что получится 0,093 кг.
4. Чтобы найти выделяющуюся энергию нужно количество пар дейтерия умножить на энергию, выделяющуюся при одном слиянии [4]:

,

что получается 4,7*

МэВ или 2,95*

5. Заряд этого шара равен произведению количества дейтерия на заряд протона e , что равно 4,624* Кл.
6. Так как в плазме могут находиться отрицательные частицы, то, чтобы не нарушать состояние реакции отрицательные частицы могут притягиваться к стенке камеры. Для этого ее заряд должен быть больше заряда плазмы. Пусть, заряд камеры будет равен 4,625* Кл.
7. Исходя из того, что плазма и камера взаимодействуют Кулоновскими силами, а сила равна произведению давления на объем, то свяжем выражения для силы и найдем радиус камеры:

где: k — постоянная Кулона; - заряд плазмы; — заряд камеры; r — расстояние от поверхности камеры до поверхности плазмы. Тогда радиус камеры равен сумме расстояния r и радиуса плазмы, что равно 123,4 километрам. Значение большое, но увеличив значение давления (ведь давление в условиях задачи лишь минимальное значение) можно получить необходимые условия при меньших размерах. Так приняв радиус камеры за 1 метр, то опираясь на предыдущую формулу давление будет равно 1,5* Па, а температура соответственно 3,8* .

8. Камера представляет из себя конденсатор, состоящий из двух сфер, заполненный водой (может и другой средой с большой диэлектрической постоянной) для отвода тепла. Приведем схему установки для удержания плазмы на рис.2.

Рис. 2. Схема установки для удержания плазмы

Зазор между сферами d должен быть мал, поэтому емкость вычисляется по формуле:

.

Найдем энергию конденсатора по формуле:

.

Энергия равна 7 МДж. Такую энергию может восполнить плазма, чья энергия на 2,94* больше.

Таким образом, рассмотрев плазму, рождающуюся в звездах, был предложен способ воссоздания схожих условий на Земле. Отойдя от нейтральности четвертого агрегатного состояния и сделав его положительно заряженным, то можно из 0,093 кг дейтерия получить 2,94* Дж с вычетом энергии конденсатора. Такая установка с плазмой может давать энергию как на земле (ранее оговоренная сфера размером в 1 метр), так и в космическом пространстве. Так как размер в 123 км достаточно велик на Земле, но мал в космическом пространстве, то возможно создание больших установок на орбите небесных объектов для получения энергии. Перспектива использования электростатического удержания плазмы видится в следующем:

1. Для будущей колонизации планет можно использовать такие источники энергии, ведь они находятся на орбите и не представляют опасности для поселенцев;
2. Установку можно использовать как реактивный двигатель, выпуская из сферы поток плазмы;
3. Возможность подробного изучения звезд и, возможно, их эволюции.

Литература:

1. Плазма. — Текст: электронный // Wikipedia: [сайт]. — URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/Плазма#Определение_плазмы (дата обращения: 02.07.2020).
2. Преимущества термоядерной энергетики. — Текст: электронный // world of science: [сайт]. — URL: http://worldofscience.ru/fizika/1614-preimushchestva-termoyadernoj-energetiki.html (дата обращения: 02.07.2020).
3. Румянцев, А. Ю. Астрономия: Учебно-методическое пособие для преподавателей астрономии, студентов педагогических вузов и учителей средних учебных заведений / А. Ю. Румянцев. — Магнитогорск: Магнитогорский государственный университет, 2003. — 312 c. — Текст: непосредственный.
4. Управляемый термоядерный синтез. — Текст: электронный // Wikipedia: [сайт]. — URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/Управляемый_термоядерный_синтез#Реакция_дейтерий_+_тритий_(Топливо_D-T) (дата обращения: 02.07.2020).
5. Янин, С. Н. Лекции по основам физики плазмы. Часть 1 / С. Н. Янин. — Томск: Томский политехнический университет, 2012. — 78 c. — Текст: непосредственный.