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核能知识
科普丨绚烂的等离子体
时间:2022年05月20日 来源:中国原子能科学研究院 点击量:130 分享:

照亮人类未来终极能源梦想的“人造太阳”是什么?电影《钢铁侠》中让众多科幻迷心驰神往的马克装甲胸口那枚方舟反应堆又是什么?美丽的极光现象是如何产生的?其实,这些问题的答案都与一个科学界的热门学科相关,那就是等离子体。

在物质存在的四种形态中,除了固体、液体、气体三态之外,就是等离子体态了。“等离子体”听起来有些“高大上”,其实它就在我们身边:宇宙中,99%以上的物质都是等离子体态。那为什么我们连1%都看不见呢?

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        众所周知,固、液、气三态都是由分子或者原子等中性粒子构成的,而等离子体与它们的最大不同就是含有大量的带电粒子。那么等离子体是怎么产生的呢?首先需要通过电离过程,得到电子与离子,这往往发生于高温、放电、强电磁场等特殊外部环境中,这类环境并不适合包括人类在内的自然生物生存,因此等离子体在地球上无法随时、随处可见。但在浩瀚的宇宙中,美丽的星云、绚烂的恒星、广阔的星际空间其实都是等离子体态。以太阳为例,太阳内部的核心区、辐射区、对流层等是超高密度的等离子体;外部的色球层、日冕层等大气层是密度相对低一些的等离子体;日地之间的空间等离子体是超低密度的等离子体;太阳风暴、耀斑等现象都是典型的等离子体爆发现象。因此,等离子体也是天体物理研究的核心内容之一。

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      那地球上的等离子体在哪里?其实,地球上也存在很多等离子体,只是我们不了解或者没有在意。等离子体产生的最简单方式就是放电。闪电就是自然界中最为强烈的放电过程之一。雷雨天气下,不同云层因电荷积累差异形成极高的电压差和极强的电场,当电场强度超过大气的击穿阈值后会产生等离子体通道形成电流的导通,放电电流可达几十甚至上百千安,并伴随有强烈的等离子体发光,这就是人们所观察到的闪电。在极地区域,我们可以观测到一种极其绚烂、美丽的等离子体现象——极光。极光是太阳风中的高能带电粒子被地球磁场捕获,其中一部分从磁极附近的磁场漏斗区深入大气层内部,与空气中的分子或原子碰撞激发、电离产生的等离子体发光现象。因此,要想看到美丽的极光,必须到地球磁场漏斗区对应高纬度极地地区(70~75°),例如北半球的阿拉斯加、加拿大、北欧以及南半球的新西兰、智利等,在我国的漠河镇运气好时也能看到。

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      热爱生活的朋友们可能会想:“市面上那些等离子体电视机、清洗机与等离子体有关吗?”答案是肯定的。低温等离子体在工业、农业、生物医学等多个领域有着广泛应用,如等离子体刻蚀、清洗、加工、消毒等。等离子体电视机曾经火爆一时,其工作原理采用了放电等离子体技术,其显示屏是由等离子体发光单元组成的阵列,单元内部含有驱动电极、惰性气体以及红、绿、蓝三色荧光粉等。通过控制驱动电极间的惰性气体放电过程改变等离子体发光参数(通常为紫外线),进而改变三色荧光粉的荧光产生及配比,从而得到发光单元需要的颜色。除了工业和日常生活应用外,等离子体也是科学领域极为耀眼的一颗明星。科学家们一直在探索研究可控热核聚变,俗称人造太阳,它被誉为未来解决能源危机的最有潜力的清洁能源之一。目前,可控热核聚变主要有两条技术路线,分别是磁约束聚变和惯性约束聚变,这二者也是等离子体科学与技术发展的最大推动力。

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     《钢铁侠》中那枚方舟反应堆的科学原型就是磁约束聚变托卡马克装置。有点电磁学常识的朋友们应该知道,带电粒子在磁场洛伦兹力作用下做回旋运动。钢铁侠的托卡马克装置正是利用磁场对电子和离子的洛伦兹力,约束氘氚等离子体悬浮并发生氘氚核聚变反应。国际热核聚变实验堆ITER是目前最大、最先进的托卡马克装置,是中、欧、美、俄、日、韩、印等主要国家共同推进的人类科学探险项目。目前,ITER尚处于装置建设阶段,将为托卡马克商用聚变堆的设计与建造提供科学和工程技术储备。

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惯性约束聚变(Inertial Confinement Fusion, ICF)是利用高性能驱动器在极短的时间内将氘氚靶丸压缩至极端的高温、高压、高密状态,诱发氘氚聚变核反应,从而实现靶丸的聚变点火。惯性约束聚变过程类似于一颗微型氢弹的爆炸,点火条件达到令人恐怖的状态,温度达到几亿摄氏度,压力达到几万亿个大气压,密度达到固体密度的几千倍。为了纪念英国科学家J. Lawson提出的核聚变反应堆能量平衡理论,科学界将聚变点火条件命名为:Lawson判据。

激光惯性约束聚变是目前国际上最为热门的ICF方案之一,利用大能量激光装置直接或间接辐照靶丸形成等离子体,激光与等离子体相互作用将能量沉积到靶丸内部,通过冲击波压缩靶丸达到点火条件。2021年8月,美国国家点火装置(National Ignition Facility, NIF)利用192束激光聚焦到气枪子弹大小的一个靶壳(黑腔靶)里面,产生了人类头发丝直径大小的点火热斑,在纳秒(10-9秒)时间内获得了1.3MJ(兆焦耳)的能量输出,首次逼近聚变点火能量得失相当的门槛,被众多物理学家誉为聚变科学史上的历史性时刻和里程碑式成就。

这就是绚烂的等离子体的故事,它与人类的生产、生活、科技密不可分,是宇宙中最为绚烂的景色之一。


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