El plasma ubicuo: el cuarto estado de la materia

Hace un año y medio, casi todos los químicos y muchos físicos creían que la materia consiste solo en átomos y moléculas que se combinan en combinaciones más o menos ordenadas o completamente desordenadas. Pocos dudaron de que todas o casi todas las sustancias puedan existir en tres fases diferentes: sólida, líquida y gaseosa, que toman según las condiciones externas. Pero ya se han expresado hipótesis sobre la posibilidad de otros estados de la materia.

Este modelo universal fue confirmado por observaciones científicas y milenios de experiencia en la vida cotidiana. Al final, todos saben que cuando el agua de enfriamiento se convierte en hielo, y cuando se calienta, hierve y se evapora. El plomo y el hierro también se pueden convertir en líquido y gas, solo necesitan calentarse más. Desde finales del siglo XVIII, los investigadores congelaron gases en líquidos, y parecía bastante plausible que, en principio, cualquier gas licuado pudiera solidificarse. En general, una imagen simple y comprensible de los tres estados de la materia parecía no requerir correcciones ni adiciones.

Estación de energía de plasma a 70 km de Marsella, en Saint-Paul-le-Durance, junto al centro francés de investigación de energía atómica Cadarache, se construirá un reactor de fusión de investigación ITER (del latín iter - path). La principal tarea oficial de este reactor es "demostrar la viabilidad científica y tecnológica de producir energía de fusión para fines pacíficos". A largo plazo (30–35 años), en base a los datos obtenidos durante los experimentos en el reactor ITER, se pueden crear prototipos de plantas de energía seguras, ecológicas y económicamente rentables.

Los científicos de esa época se sorprenderían al enterarse de que los estados sólido, líquido y gaseoso de la materia atómico-molecular persisten solo a temperaturas relativamente bajas, que no exceden los 10, 000 °, e incluso en esta zona no agotan todas las estructuras posibles (por ejemplo, cristales líquidos). No sería fácil creer que no representan más del 0.01% de la masa total del Universo actual. Ahora sabemos que la materia se realiza en muchas formas exóticas. Algunos de ellos (por ejemplo, gas degenerado de electrones y materia de neutrones) existen solo dentro de cuerpos cósmicos superdensos (enanas blancas y estrellas de neutrones), y algunos (como el líquido quark-gluon) nacieron y desaparecieron en un breve momento poco después del Big Bang. Sin embargo, es interesante que la suposición de la existencia del primero de los estados que fue más allá del marco de la tríada clásica se hizo todo en el mismo siglo XIX, y al principio. Se convirtió en un tema de investigación científica mucho más tarde, en la década de 1920. Luego obtuvo su nombre: plasma.

De Faraday a Langmuir

En la segunda mitad de los años 70 del siglo XIX, un miembro de la Royal Society de Londres, William Crookes, un meteorólogo y químico muy exitoso (descubrió el talio y determinó con extrema precisión su peso atómico), se interesó en las descargas de gas en los tubos de vacío. En ese momento, se sabía que el electrodo negativo emite una emanación de naturaleza desconocida, que el físico alemán Eugen Goldstein en 1876 llamó rayos catódicos. Después de muchos experimentos, Crookes decidió que estos rayos no son más que partículas de gas, que después de una colisión con el cátodo adquirieron una carga negativa y comenzaron a moverse en la dirección del ánodo. Llamó a estas partículas cargadas "materia radiante", una materia radiante.

Cómo funciona Tokamak Tokamak: instalación de una forma toroidal para contener plasma mediante un campo magnético. El plasma, calentado a temperaturas muy altas, no toca las paredes de la cámara, sino que está retenido por campos magnéticos: toroidales, creados por bobinas y poloidales, que se forman cuando la corriente fluye en el plasma. El plasma en sí mismo desempeña el papel de un devanado secundario del transformador (bobinas primarias para crear un campo toroidal), que proporciona calentamiento preliminar durante el flujo de corriente eléctrica.

Es cierto que Crookes no fue original en esta explicación de la naturaleza de los rayos catódicos. En 1871, un destacado ingeniero eléctrico británico, Cromwell Fleetwood Varley, uno de los líderes en tender el primer cable de telégrafo transatlántico, expresó una hipótesis similar. Sin embargo, los resultados de los experimentos con rayos catódicos llevaron a Crookes a un pensamiento muy profundo: el medio en el que se propagan ya no es un gas, sino algo completamente diferente. El 22 de agosto de 1879, en una sesión de la Asociación Británica para la Ciencia, Crookes declaró que las descargas en gases enrarecidos "son tan diferentes de todo lo que sucede en el aire o cualquier gas a presión normal, que en este caso estamos tratando con una sustancia en el cuarto estado, que por propiedades "difiere del gas ordinario en la misma medida que el gas del líquido".

A menudo se escribe que fue Crookes quien primero pensó en el cuarto estado de la materia. De hecho, este pensamiento llegó a Michael Faraday mucho antes. En 1819, 60 años antes de Crookes, Faraday sugirió que la sustancia puede estar en estado sólido, líquido, gaseoso y radiante, en estado radiante de la materia. En su informe, Crookes dijo explícitamente que usaba los términos prestados de Faraday, pero los descendientes por alguna razón lo olvidaron. Sin embargo, la idea de Faraday seguía siendo una hipótesis especulativa, y Crookes la corroboraba con datos experimentales.

Los rayos catódicos se estudiaron intensamente después de Crookes. En 1895, estos experimentos llevaron a William Roentgen al descubrimiento de un nuevo tipo de radiación electromagnética, y a principios del siglo XX se convirtió en la invención de los primeros tubos de radio. Pero la hipótesis de Crookes del cuarto estado de la materia no despertó el interés de los físicos, muy probablemente porque en 1897 Joseph John Thomson demostró que los rayos catódicos no son átomos de gas cargados, sino partículas muy ligeras, que él llamó electrones. Este descubrimiento pareció hacer innecesaria la hipótesis de Crookes.

Primera prueba de plasma KSTAR (Reactor avanzado de Tokamak superconductor de Corea) del primer plasma producido el 15 de julio de 2008. KSTAR, un proyecto de investigación para estudiar la posibilidad de fusión termonuclear para obtener energía, utiliza 30 imanes superconductores enfriados por helio líquido.

Sin embargo, ella renació como un fénix de las cenizas. En la segunda mitad de la década de 1920, el futuro premio Nobel de química, Irving Langmuir, que trabajaba en el laboratorio de General Electric Corporation, se dedicó estrechamente al estudio de las descargas de gas. Entonces ya sabían que en el espacio entre el ánodo y el cátodo, los átomos de gas pierden electrones y se convierten en iones con carga positiva. Al darse cuenta de que dicho gas tiene muchas propiedades especiales, Langmuir decidió darle su propio nombre. Por alguna extraña asociación, eligió la palabra "plasma", que hasta ese momento solo se usaba en mineralogía (este es otro nombre para la calcedonia verde) y en biología (la base líquida de la sangre, así como el suero de la leche). En su nueva capacidad, el término "plasma" apareció por primera vez en el artículo de Langmuir, "Oscilaciones en gases ionizados", publicado en 1928. Alrededor de treinta años, pocos usaron este término, pero luego entró firmemente en la vida científica.

Física del plasma

El plasma clásico es un gas ión-electrón, posiblemente diluido con partículas neutras (estrictamente hablando, los fotones siempre están presentes allí, pero pueden ignorarse a temperaturas moderadas). Si el grado de ionización no es demasiado pequeño (como regla, el uno por ciento es suficiente), este gas demuestra muchas cualidades específicas que los gases ordinarios no poseen. Sin embargo, es posible producir un plasma en el que no habrá electrones libres y los iones negativos asumirán sus responsabilidades.

Para simplificar, consideramos solo el plasma de iones de electrones. Sus partículas son atraídas o repelidas de acuerdo con la ley de Coulomb, y esta interacción se manifiesta a grandes distancias. Esto es lo que los distingue de los átomos y las moléculas de un gas neutro, que se sienten solo a distancias muy cortas. Dado que las partículas de plasma están en vuelo libre, son fácilmente desplazadas por las fuerzas eléctricas. Para que el plasma esté en equilibrio, es necesario que las cargas espaciales de electrones e iones se compensen por completo. Si no se cumple esta condición, aparecen corrientes eléctricas en el plasma, que restauran el equilibrio (por ejemplo, si se forma un exceso de iones positivos en una determinada región, los electrones se precipitarán allí inmediatamente). Por lo tanto, en un plasma de equilibrio, las densidades de partículas de diferentes signos son casi las mismas. Esta propiedad más importante se llama cuasineutralidad.

Casi siempre, los átomos o moléculas de un gas ordinario solo participan en interacciones de pares: colisionan entre sí y se dispersan a los lados. Otra cosa es el plasma. Dado que sus partículas están unidas por fuerzas de Coulomb de largo alcance, cada una de ellas está en el campo de vecinos cercanos y distantes. Esto significa que la interacción entre las partículas de plasma no es por pares, sino múltiple, como dicen los físicos, colectiva. A partir de aquí se sigue la definición estándar de plasma: un sistema cuasineutral de una gran cantidad de partículas con carga opuesta que exhiben un comportamiento colectivo.

Acelerador en la mesa Los potentes aceleradores de electrones tienen una longitud característica de cientos de metros e incluso kilómetros. Su tamaño puede reducirse significativamente si los electrones se aceleran no en el vacío, sino en un plasma, "en la cresta" de perturbaciones de propagación rápida de la densidad de las cargas de plasma, las llamadas ondas de estela, excitadas por pulsos láser.

El plasma difiere de un gas neutro en respuesta a campos eléctricos y magnéticos externos (el gas ordinario prácticamente no los nota). Las partículas de plasma, por el contrario, sienten campos arbitrariamente débiles e inmediatamente comienzan a moverse, generando cargas espaciales y corrientes eléctricas. Otra característica más importante del equilibrio de plasma es la detección de carga. Tome una partícula de plasma, digamos, un ion positivo. Atrae electrones, que forman una nube de carga negativa. El campo de tal ion se comporta de acuerdo con la ley de Coulomb solo en su vecindad, y tiende a cero muy rápidamente a distancias que exceden un cierto valor crítico. Este parámetro se llama radio de detección de Debye, en honor del físico holandés Peter Debye, quien describió este mecanismo en 1923.

Es fácil entender que un plasma retiene la cuasineutralidad solo si sus dimensiones lineales en todas las dimensiones exceden en gran medida el radio de Debye. Cabe señalar que este parámetro aumenta con el calentamiento por plasma y disminuye a medida que aumenta su densidad. En el plasma de descargas de gas, es de 0.1 mm en orden de magnitud, en la ionosfera de la tierra - 1 mm, en el núcleo solar - 0.01 nm.

Fusión controlada

Hoy en día, el plasma se usa en una amplia variedad de tecnologías. Algunos de ellos son conocidos por todos (lámparas de gas, pantallas de plasma), otros son de interés para especialistas específicos (producción de recubrimientos de película protectora de alta resistencia, fabricación de microchips, desinfección). Sin embargo, las mayores esperanzas se colocan en el plasma en relación con la implementación de reacciones termonucleares controladas. Esto es entendible. Para que los núcleos de hidrógeno se fusionen en núcleos de helio, deben reunirse a una distancia del orden de cien billonésimas de centímetro, y allí las fuerzas nucleares ya funcionarán. Tal enfoque es posible solo a temperaturas de decenas y cientos de millones de grados; en este caso, la energía cinética de los núcleos cargados positivamente será suficiente para superar la repulsión electrostática. Por lo tanto, para la fusión controlada, se requiere plasma de hidrógeno a alta temperatura.

El plasma en el mundo circundante es casi omnipresente: se puede encontrar no solo en las descargas de gas, sino también en la ionosfera de los planetas, en las capas superficiales y profundas de las estrellas activas. Este es el entorno para la implementación de reacciones termonucleares controladas, y el fluido de trabajo para motores de propulsión eléctrica espacial, y mucho, mucho más.

Es cierto que el plasma basado en hidrógeno ordinario no ayudará aquí. Tales reacciones ocurren en las entrañas de las estrellas, pero son inútiles para la energía terrestre, ya que la intensidad de la liberación de energía es demasiado baja. Es mejor usar plasma de una mezcla de isótopos pesados ​​de hidrógeno de deuterio y tritio en una proporción 1: 1 (el plasma de deuterio puro también es aceptable, aunque proporcionará menos energía y requerirá temperaturas más altas para la ignición).

Sin embargo, para comenzar la reacción un calentamiento no es suficiente. Primero, el plasma debe ser suficientemente denso; en segundo lugar, las partículas que caen en la zona de reacción no deberían abandonarla demasiado rápido; de lo contrario, la pérdida de energía excederá su liberación. Estos requisitos pueden representarse en forma de criterio, que fue propuesto por el físico inglés John Lawson en 1955. De acuerdo con esta fórmula, el producto de la densidad plasmática y el tiempo promedio de retención de partículas deben ser superiores a un cierto valor determinado por la temperatura, la composición del combustible termonuclear y la eficiencia esperada del reactor.

Es fácil ver que hay dos formas de cumplir el criterio de Lawson. Es posible reducir el tiempo de retención a nanosegundos comprimiendo el plasma, por ejemplo, a 100-200 g / cm3 (dado que el plasma no tiene tiempo para separarse, este método de retención se llama inercial). Los físicos han estado practicando esta estrategia desde mediados de la década de 1960; ahora su versión más avanzada es el Laboratorio Nacional de Livermore. Este año, comenzarán los experimentos de compresión de cápsulas de berilio en miniatura (1, 8 mm de diámetro) llenas de una mezcla de deuterio-tritio utilizando 192 rayos láser ultravioleta. Los gerentes de proyecto creen que a más tardar en 2012, no solo podrán prender fuego a la reacción termonuclear, sino también obtener una producción de energía positiva. Quizás un programa similar en el marco del proyecto HiPER (High Power Laser Energy Research) se lanzará en Europa en los próximos años. Sin embargo, incluso si los experimentos en Livermore justifican plenamente sus expectativas, la distancia para crear un reactor de fusión real con confinamiento de plasma inercial seguirá siendo muy grande. El hecho es que para crear un prototipo de una planta de energía, se necesita un sistema de láser de alta resistencia de muy alta velocidad. Debería proporcionar tal frecuencia de destellos que enciendan objetivos de deuterio-tritio, que es mil veces mayor que las capacidades del sistema Livermore, haciendo no más de 5-10 rondas por segundo. Se discuten activamente varias posibilidades de crear tales pistolas láser, pero su implementación práctica aún está muy lejos.

Tokamaki: la vieja guardia

Alternativamente, se puede trabajar con plasma enrarecido (densidad en nanogramos por centímetro cúbico), manteniéndolo en la zona de reacción durante al menos varios segundos. Durante más de medio siglo, tales experimentos han estado utilizando varias trampas magnéticas que mantienen el plasma en un volumen dado debido a la aplicación de varios campos magnéticos. Tokamaki: las trampas magnéticas cerradas en forma de toro, propuestas por primera vez por A.D. Sakharov e I.E., se consideran las más prometedoras. Tamm en 1950. Actualmente, hay una docena de instalaciones de este tipo en varios países, la mayor de las cuales nos ha permitido acercarnos al cumplimiento del criterio de Lawson. El reactor termonuclear experimental internacional, el famoso ITER, que se construirá en el pueblo de Cadarache, cerca de la ciudad francesa de Aix-en-Provence, también es un tokamak. Si todo va según lo planeado, ITER permitirá por primera vez obtener un plasma que cumpla con el criterio de Lawson y prender fuego a una reacción termonuclear en él.

“En las últimas dos décadas, hemos logrado un tremendo progreso en la comprensión de los procesos que ocurren dentro de las trampas de plasma magnético, en particular, tokamaks. En general, ya sabemos cómo se mueven las partículas de plasma, cómo surgen los estados inestables de los flujos de plasma y en qué medida la presión del plasma aumenta para que, sin embargo, pueda ser mantenida por un campo magnético. También se crearon nuevos métodos de alta precisión para el diagnóstico de plasma, es decir, mediciones de varios parámetros de plasma ", dijo Ian Hutchinson, profesor de física nuclear y tecnología nuclear en el Instituto de Tecnología de Massachusetts, que ha participado en tokamaks durante más de 30 años. - Hasta la fecha, en los tokamaks más grandes, se han logrado capacidades de generación de calor en el plasma de deuterio-tritio de aproximadamente 10 megavatios durante uno o dos segundos. ITER superará estos indicadores en un par de órdenes. Si no nos equivocamos en los cálculos, podrá producir al menos 500 megavatios en unos minutos. Si eres realmente afortunado, la energía se generará sin límite de tiempo, en un modo estable ".

El profesor Hutchinson también enfatizó que los científicos ahora entienden bien la naturaleza de los procesos que deben llevarse a cabo dentro de este enorme tokamak: “Incluso sabemos las condiciones bajo las cuales el plasma suprime su propia turbulencia, y esto es muy importante para controlar el funcionamiento del reactor. Конечно, необходимо решить множество технических задач — в частности, завершить разработку материалов для внутренней облицовки камеры, способных выдержать интенсивную нейтронную бомбардировку. Но с точки зрения физики плазмы картина достаточно ясна — во всяком случае мы так считаем. ITER должен подтвердить, что мы не ошибаемся. Если все так и будет, придет черед и токамаку следующего поколения, который станет прототипом промышленных термоядерных реакторов. Но сейчас об этом говорить еще рано. А пока мы рассчитываем, что ITER начнет работать в конце этого десятилетия. Скорее всего, он сможет генерировать горячую плазму никак не раньше 2018 года — во всяком случае по нашим ожиданиям». Так что с точки зрения науки и техники у проекта ITER неплохие перспективы.

El artículo fue publicado en la revista Popular Mechanics (No. 4, abril de 2010).

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