ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 05.04.2024
Просмотров: 64
Скачиваний: 0
секунд, и тогда потребная мощность в сотни раз уменьшится.
Для этой цели нет нужды строить сверхмощные электростанции; необходимо только сконструиро вать аппаратуру для получения высоких напряже ний и одновременно сильных токов на малое время, иными словами, аппаратуру для создания искусст венных молний. Такая аппаратура занимает огром ный зал, от пола до потолка заставленный мощными трансформаторами и конденсаторными батареями.
Нажимается кнопка, и в разрядную камеру бьет «молния» напряжением в несколько десятков тысяч вольт и током в сотни тысяч и даже милли оны ампер. В плазме выделяется огромная мощ ность в десятки и сотни миллионов киловатт, сравнимая с мощностью настоящей молнии!
Как выглядит «молния» в банке? Она очень по
хожа на обычную молнию: |
тонкий, ослепительно |
сверкающий шнур, правда |
без разветвлений — в |
камере ток идет по одному каналу, а не рыскает в поисках легкого пути, как в молнии.
Во почему разряд имеет форму шнура? Ведь выделение энергии электрического разряда проис ходит во всем объеме плазмы. Чтобы понять это, надо вспомнить опыт, 'поставленный еще более сот ни лет назад английским физиком Фарадеем. Уче ный помещал рядом два параллельных проводника и пропускал по ним токи одинакового направления. Проводники немедленно притягивались друг к друпу. То же происходит и в плазме: под действием поля разряда частицы ее начинают двигаться па раллельно друг другу, и вызванные этим движени ем магнитные поля сближают частицы. Гигантские токи в разряде делают это сближение плазменных частиц почти молниеносным: за миллионные доли
80
секунды частицы плазмы собираются по оси разря да в центре цилиндра, образуя тоненькую • нить. Это и есть плазменный шнур. В нем сильно повы шаются давление и температура, так что шнур ис пускает яркий свет.
Так (получается, что плазма, разогретая электри ческим разрядам, сама себя изолирует от стенок камеры! Но это длится только мгновение.
Несущиеся к оси камеры частицы уже через не сколько миллионных долей секунды повышают свою температуру примерно до миллиона градусов. Ко лоссальное сжатие плазмы в шнуре при такой тем пературе тут же вызывает в плазме ответные силы, разбрасывающие частицы плазмы и разрушающие сам шнур. Едва заметные неоднородности шнура становятся брешью, в которую .прорываются плаз* менные силы. Шнур как бы распухает, извивается, вдоль него образуются перемычки, быстро расши ряясь, он вскоре касается стенок, передает им теп ло, а сам исчезает.
Никакой человеческий глаз не в состоянии за фиксировать картину событий, длящихся миллион ные или тысячные доли секунды. Человеку здесь помогают сверхбыстродействующие фотоаппараты, осциллографы и другие приборы. Фотоаппараты, снабженные быстровращающимися зеркалами и электровзрывными затворами, позволяют делать
. снимки с выдержками всего в одну пятимиллион ную долю секунды; затворы в этих фотоаппаратах срабатывают от ударной волны воздуха, вызванной взрывом тоненькой проволочки, черезкоторую про пускается очень сильный ток. За время существова ния .плазменного шнура таким фотоаппаратом можнр сделать,;десятки снимков и хорошо изучить «биографию» шнура.
6 |
З ак , 175. |
81 |
В разрядную -камеру вводят и особые «щупальцы» — электрические зонды. Соединенные с записы вающими осциллографами, зонды позволяют реги стрировать полную картину поведения токов и на пряжений в камере, что очень важно для понима ния процессов, происходящих s сверхгорячей плазме.
КАК ПРОДЛИТЬ ЖИЗНЬ ШНУРА?
Первые опыты по разогреву плазмы, таким >бразом, были успешными лишь наполовину. Ученым удалось получить обнадеживающие температуры в миллион градусов, но -царство этих температур -— плазменный шнур — оказалось очень недолговеч ным: «восстание» частиц плазмы разрушает его до основания.
Создать надежные запоры для частиц в плазмен ном шнуре оказалось очень трудно. Конечно, здесь нечего и говорить о каких-либо внутренних стенках в камере. На частицы плазмы можно воздействовать только тем, чему они послушны: электрическим и магнитным полями. Ученые попробовали навить на разрядную камеру снаружи провод и пропустить по нему электрический ток. В результате камера прев ратилась в хорошо известную катушку, или, как ее называют физики, соленоид. Магнитное поле в та ком соленоиде направлено вдоль его -оси. Ожги ока зывает в некоторой мере упорядочивающее дейст вие на частицы плазмы. Опыты показали, что в каме рах, в которых, помимо собственно кругового маг нитного поля шнура, существует еще внешнее про дольное магнитное поле, шнур живет дольше.
Но, к сожалению, даже при сильных внешних полях продление жизни плазменного шнура оказы вается все же не столь значительным.
82
Благодаря целому ряду приспособлений ученые смогли значительно повысить скорость нарастания тока даже в таком кратковременном явлении, как электрическая искра; удалось также поднять ее на пряжение. И плазма немедленно ответила на это повышением температуры в шнуре.
И тут исследователи обнаружили удивительное явление: плазма вдруг начала испускать нейтроны. Вспомним, что это может означать: при термоядер ном синтезе гелиевых ядер из ядер дейтерия и три тия или при синтезе гелия из дейтерия должны по являться лишние нейтроны. Значит, уже началась термоядерная реакция?!
Но непонятно, почему она началась при темпе ратурах частиц, в десятки раз меньших, чем необ ходимо. Выходит, что это не термоядерные нейтро ны. Тогда какие же? Оказывается, что некоторая, очень небольшая, доля частиц плазмы ускоряется до таких энергий, что происходит описанная выше термоядерная реакция. А значит, эти нейтроны и выделяются в реакции синтеза. Их называют уско рительными. Сама сущность ускорительных процес сов пока еще скрыта от глаз ученых. Эти процессы, по-видимому, могут идти даже и не в плазменном шнуре, а в остальном объеме камеры, где темпера туры заведомо еще ниже. Вот когда нейтроны из
•плазмы начнут вырываться триллионами, тогда уже можно будет праздновать победу.
Температуру же плазмы становилось поднимать все труднее. Теперь в полную меру проявилось то обстоятельство, о котором мы еще не говорили. Речь идет об электродах камеры. Они служат для осуществления разряда, «введения» тока в камеру, они же являются помехой нагреву плазмы. Дело в том, что эти электроды холодные. Понадобилось
6* |
83 |
столько усилий, чтобы теплоизолировать плазму от стенок, а электроды сводят эти усилия на нет. По лучается так, словно человека одели в шубу, но оставили с голыми .ногами и непокрытой головой; ясно, что долго так тепла не сохранить.
И наконец, еще одно самое существенное обсто ятельство, приводящее к тому, что разрядные труб ки, о которых мы рассказываем, скорее всего не станут прообразом будущих термоядерных реакто ров. Описанный способ повышения температуры плазмы напоминает, образно говоря, работу плохо го дрессировщика в цирке. Добиваясь исполнения команды, дрессировщик бьет тигра плеткой. Тигр отвечает рычанием, а то и прыгает на человека, и
лишь иногда удается |
усмирить тигра, сделать его |
послушным. |
- : . |
А что означает электрический разряд в плазме, |
|
как не «стегание» ее. |
мощными импульсами тока! |
Только ожидать «послушания» от плазмы не при ходится. Чем сильнее удар по плазме, тем опаснее последствия. Поэтому «дрессировать»1плазму надо иными методами.
ПЛАЗМУ СВОРАЧИВАЮТ В БАРАНКУ
В первую очередь физики решили освободиться от электродов в разрядных камерах. Они стали ра зогревать плазму медленнее, «о не допуская, чтобы в ней были лазейки, через которые могла бы ускользнуть энергия ее нагрева.
Как же можно представить себе разрядную ка меру 'без электродов? Казалось бы, это так же не возможно, как аккумулятор без полюсов, конденса тор без обкладок.
Однако это не так. Вспомним устройство т.рая<с--
84
форматора: его первичная обмотка намотана на од* ну сторону рамки, .а вторичная — на другую, при чем, несмотря на то, что между обмотками нет ни какого электрического контакта, в одной иа них при изменении тока в другой «сам собой» появляется ток. Именно эта бесконтактная передача тока и привлекла ученых. Была высказана мысль устро ить разрядную камеру такой формы, чтобы заклю ченный в ней газ имел вид витка вторичной обмот ки трансформатора. Первичную же обмотку, по ко-: торой подавался 'бы переменный ток, можно было бы, например, намотать прямо на стенки разрядной, камеры. Камера в таком случае должна иметь вид баранки или, точнее, камеры автомобильной шины,,
стой разницей, что стенки ее сделаны не из резины,
аиз металла, а внутри находится не сжатый воз дух, а, напротив, разреженное газообразное термо ядерное горючее, которому предстоит превратиться
вплазму.
Но газовый виток — это ведь не виток провода; он не проводит тока. Однако приложенное электри ческое поле разгоняет немногочисленные ионы до
таких скоростей, что они будут в свою очередь иони зовать все молекулы на пути, и очень скоро обра зуется «идеальная» плазма, которая проводит электрический ток почти как металл. (Вначале про-, водимость плазмы в тысячу раз хуже проводимо сти меди, но при температуре в несколько миллио нов градусов плазма проводит ток, как медь).
Так образуется кольцевой плазменный шнур. Пока он обладает по сравнению с прямым шнуром
преимуществом только за счет отсутствия |
«холо |
дильников»— электродов. Но мы говорили |
выше, |
что с некоторыми неоднородностями, губившими шнур, можно справиться, если вдоль цилиндра на
85
править продольное магнитное поле. В нашей ба ранке, которую ученые называют тором, можно бы ло поступить так же: намотав на тор еще одну ка тушку, по которой будет пропускаться уже постоян ный ток, в плазму можно было ввести магнитные силовые линии — невидимые круговые «рельсы», по которым двигались бы частицы плазмы. Это, несом ненно, повысило |бы устойчивость кольцевого шнура.
'Но этого еще мало. Не исключена еще возмож ность, что часть энергии плазмы все же /будет ус кользать чцрез стенки тора. Возникла остроумная мысль сделать так, чтобы не только сама плазма изолировала себя от стенок, :но и чтобы сами стен ки .отталкивали от себя плазму. Для этого .нужно, чтобы материалом стенок камеры служил металл.
Вспомним давно известное физическое явление — так называемое «соскакивающее колечко». Опыт проводится так. На железный сердечник магнитной катушки, имеющий круглое сечение, выше об мотки надевают легкое алюминиевое колечко. Включается ток, и колечко подпрыгивает вверх, причем довольно высоко. |В чем здесь дело? Магнит ные поля в сердечнике катушки вызывают появле ние ответных, так называемых вихревых магнитных полей в колечке, обладающих тем важным свойст вом, что оба эти поля — наводящее и наводимое — направлены противоположно друг другу. Результа том этого является взаимное отталкивание полей, сбрасывающее колечко с сердечника.
Если плазменный шнур будет двигаться к стен ке тора, то его магнитное поле возбудит вихревые магнитные поля в металле стенки, которые оттолк нут частицы обратно. В результате шнур не смо жет даже подойти к стенкам .металлического тора.
Так в тороидальной камере зажил непрерывный,
£6
Как ученые «дрессируют» раскаленную плазму.
1. Через газ пропускают мощный импульс электрического тока. 2. За ничтожные доли секунды электрический разряд превращает газ в ослепительный плазменный шнур. 3. Однако в шнуре очень быстро возникают ответные силы, раздувающие его, и шнур разрушается. 4. Внешнее магнитное по ле, введенное в плазму, позволяет повысить устойчивость плазменного шнура и тем са мым удлинить его жизнь. 5. Чтобы изба виться от электродов, охлаждающих плаз му, ее сворачивают в баранку. 6. Дополни тельное повышение устойчивости шнура создается металлическими стенками каме ры, отталкивающими частицы плазмы об
ратно внутрь камеры.
Ь7
надежно запертый магнитными полами плазменный шнур. Но жизнь его все же имела конец; правда, наступал он в тысячи раз позже, чем в прямых, ци линдрических разрядных камерах — уже. спустя не миллионные, а тысячные доли секунды. Однако температура этого шнура 'была даже меньше, чем (Упрямого.
Тороидальные камеры явились как бы второй стадией работ на подступах к овладению термо ядерной крепостью. О них докладывали советские, американские и английские ученые на Второй же невской конференции по мирному использованию атомной энергии. Вариантами таких установок яв ляются советская камера «Альфа», американская установка «Стелларатор» и английская камера «Зета».
В тороидальных камерах, как и в прямых, по плазме наносится мощный электрический удар, и хотя плазма здесь «дрессируется» уже лучше, о полном подчинении ее такими способами, видимо, говорить нельзя.
Еще в процессе создания тороидальных камер у физиков родились новые идеи, которые вызвали со вершенно новый подход к плазме.
Хч i t
«БАЛЛОНЫ» № «НАСОСЫ» ДЛЯ ПЛАЗМЫ
Основное во всех этих идеях состоит в том, что плазму заключают в «баллон» и быстро нагревают, хотя и не так быстро, как при электрическом раз ряде. .
Плазменный «баллон», или, как принято его на* зывать, магнитная ловушка, нисколько не похож на обыкновенный, а представляет собой магнитное по* ле. Но это. поле уже не имеет такой (простой формы.
88
как в цилиндрической или тороидальной разрядной камере. Кроме того, нельзя было надеяться, что ча стицы в спокойно разогреваемой плазме сами «за прут» себя. Поэтому .магнитное поле нужно было приложить к плазме извне.
Мы уже знаем, что матнитное поле .может только «закрутить* частицу, но не в силах остановить ее движение. Теперь же надо подумать о том, чтобы не выпустить частицы из .магнитной ловушки. Уче ные предложили придать магнитному полю в плаз ме форму луковицы. Силовые линии такого поля, идущие довольно .широко посредине луковицы, сильно сгущаются у ее концов. Образуются как бы две пробки, которыми затыкается ловушка. Че рез стенки ловушки частицы плазмы пройти не мо гут по тем же причинам, что и в цилиндрической камере; они могут лишь скользить вдоль силовых линий между пробками. В местах же пробок части цы просачиваются, но гораздо медленнее, так как их слабо пропускает сгущенное магнитное поле. В результате частицы плазмы «танцуют» в ловуш ке, отражаясь от пробок, как от зеркал; плазма оказывается запертой довольно надежно. Но все же н’е вполне надежно. Во-первых, соударения частиц друг с другом выводят их из ловушек. Подсчитано, что в холодной плазме все частицы уйдут за мил лионные доли секунды. Но .горячая плазма с тем пературой в десятки миллионов градусов может жить в ловушке уже секунды.
Во-вторых, запертая плазма, подверженная дей ствующим в ней силам, иногда образует своеобраз ные сгустки, обладающие большой «пробивной crnojсобностью». Подойдя к выпуклой магнитной стенке луковицеобразной ловушки, такой спусток плазмы может прорвать стенку и выйти на свободу. Чтобы
Зак. 175 |
89 |