ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 05.04.2024
Просмотров: 70
Скачиваний: 0
ния тяжелой воды в обыч ной. Есть также ядра сверхтяжелого водоро да — трития. Но их ма ло, содержание трития в обычной воде совершенно ничтожно (правда, уче ные нашли эффективный способ получать его ис кусственно из довольно распространенного эле мента лития). Общее ко
личество дейтерия в океанах составляет 5 • 1013 тонн, и в нем содержится энергии 1020 квт. лет. В литре обычной воды содержится столько же термоядер ной энергии, сколько химической энергии в 300 лит рах бензина.
Термоядерный синтез в земных (условиях может протекать с помощью следующих реакций. Дейте рий, соединяясь с тритием, opa3iy образует обычный
гелий, причем в каждом акте синтеза гелиевого яд ра выбрасывается один лишний «в постройке» ней трон. Этот нейтрон, если он обнаруживается при ра зогреве смеси дейтерия и трития до надлежащих температур, должен с большой вероятностью ука зывать на начало термоядерной реакции, при ко торой выделяется колоссальная энергия.
Но реакция синтеза ядер дейтерия и трития в ядра гелия идет лишь при высоких температурах, начиная с нескольких миллионов градусов. Но лишь при температурах больше 30 миллионов градусов выход термоядерной энергии превысил бы потери на рентгеновское излучение, о котором речь шла выше. Реакция синтеза дейтерия с дейтерием ста новится энергетически выгодной при температуре
72
300 i'mиллионов градусов. Псгэто му прежде всего надо было «ай ти способ получения на достаток но длительное время температу ры в десятки и сотни миллионо: градусов.
Затем еще одно необходимое условие: искусственное солнце должно не вспыхивать и взры ваться, как это происходит в во дородной бомбе, и не мерцать, когда реакция еле тлеет, а го реть так же ровно и неутомимо, как это делает настоящее Солн це. Это достигается тем, что плаз ма берется в тысячи раз более разреженной, чем атмосферный воздух.
Такова задача, которую по ставили перед собой ученые. Как видно, трудностей в ее осу ществлении немало, и трудностей поистине огромных. Первая из них I— это создание сверхгорячей плазмы, в которой -можно было бы возбудить термоядерные реак ции.
/ м л н . г р а д у с о в /
Термоядерная ре акция становится энергетически вы годной, то есть дает энергии боль ше, чем затрачено на ее возбужде ние, когда полная мощность реакции начинает превы шать мощность, ускользающую из плазмы с ее излу
чением.
НАСТУПЛЕНИЕ НА ПЛАЗМУ
НЕПОДАТЛИВАЯ ПЛАЗМА
Вспомним, что со значительными трудностями ученым пришлось столкнуться уже при попытках напреть плазму хот^ бы до десятков тысяч граду сов. А у нас речь идет о десятках и даже сотнях миллионов градусов!
Мы видели выше, рассказывая о вольтовой дуге, что при нагревании плазма два раза «отказыва лась» повышать свою температуру. В первый раз это случилось, когда скорость поступления тепла в плазму сравнялась со скоростью его ускользания через стенки .камеры, в которую была заключена плазма. Это затруднение удалось преодолеть, теп-
74
лоизолируя .от плазмы стенки камеры. Второй раз рост температуры плазмы приостановился, когда в ней началось очень интенсивное свечение. При этом львиная доля энергии, вновь подводимой к плазме, уходила пе на ее нагрев, а на лучеиспускание.
О теплоизоляции стенок камеры мы поговорим позже. Здесь скажем лишь, что при температурах в миллионы градусов задача «переворачивается»: .не обходимо скорее изолировать не стенки от плаз мы, а плазму от стенок, а это не совсем одно и то же.
Пока поставим вопрос: как уменьшить лучеис пускание плазмы? Мы уже видели, что никакие зер кала тут не помогут. Более того, при миллионогра дусных температурах плазма лишь слабосветится видимым светом, но зато испускает сильные рент геновские лучи, дл.я которых вообще не существует никаких зеркал. Можно было бы для уменьшения
лучеиспускания |
плазмы разредить ее |
вещество. |
В -самом деле, |
чем меньше плотность плазмы, то |
|
есть число излучающих свет атомов в ее |
объеме, |
тем слабее ее излучение. Вместе с тем уменьшается число электронов в плазме, а также и число ядер, на которых они могли -бы тормозиться, испуская при этом тормозное рентгеновское излучение. Одна ко при этом уменьшился бы выход термоядерной энергии, который так же зависит от плотности плаз мы, как энергия лучеиспускания. Единственная воз можность — это настолько повысить температуру плаз-мы, чтобы выход термоядерной энергии превы шал потери на лучеиспускание.
До какой же температуры нужно нагреть плаз му?
Для наиболее выгодного «горения» термоядер ной дейтериевой плазмы, когда количество выраба
75
тываемой в ней полезной энергии превышает коли чество лучеиопускаемой энергии, в нашем случае нужны температуры более 300 миллионов граду сов. Для упоминавшейся выше термоядерной смеси из дейтерия и трития эта температура составляет около 30 миллионов градусов.
Как же разогреть плазму до таких гигантских температур? Здесь есть две возможности. Первая из них — разопревать плазму не спеша, постепенно подводя в нее энергию в количествах, все время превышающих уход энергии из плазмы. Это путь исключительно трудный дл'я сегодняшней техники: ведь речь идет о больших температурах для неболь ших объемов плазмы, которые, вдобавок, нужно не пременно поддерживать в течение достаточно-о времени, несмотря на большие потери энергии. Но есть и другой путь. В плазму можно ввести энер гию почти «взрывом», во много раз быстрее, чем она уходит из плазмы. Именно на этом принципе и основана водородная бомба: нагрев смеси, необхо димый для возбуждения в веществе термоядерных реакций, в ней достигается взрывом атомной бом бы, расположенной в центре термоядерного заряда. При этом, конечно, тепло очень быстро уходит че рез стенки бомбы — термоядерный заряд от них не изолирован, — но скорость поступления энергии в этот заряд настолько велика, что даже за тот нич тожный срок после атомного взрыва, пока стенки бомбы еще держатся, эта энергия успевает поднять температуру главного заряда до того уровня, когда этот заряд срабатывает.
Чему же отвести роль атомной бомбы в мирном развязывании реакций синтеза в плазме? Один из ответов подсказывает — молнии: надо воспользо ваться мощной электрической искрой, которая за
76
ничтожное время своего существования передаст свое энергетическое богатство плазме и разогреет ее до высоких температур. Именно с искры и нача ла свою историю термоядерная энергетика.
Однако хотя этот быстрый способ нагрева и по зволяет получить горячую плазму для исследования ее свойств, но он не дает возможности из-за малой длительности искры возбудить реакцию термоядер ного-синтеза в массе плазмы.
Наконец, еще одно важное обстоятельство. Для термоядерного горючего исключительно важно, что бы в нем не присутствовали даже ничтожные при меси тяжелых атомных ядер. Эти ядра и при та ких температурах, при которых ядра дейтерия и трития уже «оголены», все еще не снимают полно стью своих электронных «одежд». Значит, при воз буждении термоядерных реакций в плазме значи тельная доля энергии уйдет на бесполезное «раз девание» тяжелых ядер; кроме того, торможение электронов при столкновениях е тяжелыми ядрами гораздо более значительно по сравнению с тем, ко торое происходит на легких ядрах термоядерной смеси, а значит, увеличиваются потери энергии плазмой за счет более интенсивного испускания рентгеновских лучей. Присутствие лишь одного уранового ядра на тысячу ядер термоядерной сме си уже снижает их температуру в два с половиной раза. Нельзя допустить, чтобы энергия тратилась впустую в самой же плазме.
СТЕНКА, КОТОРУЮ НЕ УВИДЕТЬ И НЕ ВЗВЕСИТЬ
Первая задача, которая требует решения при миллионоградусном нагреве вещества, заключает ся в том, как изолировать стенки разрядной каме-
77
,ры. Правда, количество тепла, выделяющегося в достаточно разреженной плазме даже при таких температурах, не расплавит стенок камеры: тепло вой энергии, заключенной .в литре плазмы, разре женной до давления в одну тысячную долю атмос феры при ее нагреве до нескольких сот миллионов градусов, еле хватит, чтобы вскипятить стакан во ды. Здесь важно не то, что плазма нагревает стен ки, а то, что стенки охлаждают плазму.
В плазме, как мы уже знаем, действуют силы — электрические и магнитные. Тот порядок, который вносит в плазму одно электрическое поле, нас, одна ко, никак устроить не может. Ведь оно не в состоя нии ограничить разбегание частиц плазмы.
Но есть еще магнитное поле. Оно тоже упорядо чивает движение заряженных частиц. Введем в плазму, заключенную в цилиндрическую камеру, проводник с током, расположенный вдоль ее оси. Уже давно известно, что вокруг такого проводника возникает магнитное поле, силовые линии которого представляют собой концентрические окружности. Частицы плазмы, будучи заряженными, начнут вра щаться в магнитном поле.
Теперь вдумаемся на минуту в слова: «из каме ры выделяется тепло». Что это означает? Очевидно, то, что частицы плазмы передают свою температу ру стенкам, вернее, частицам, из которых состоят стенки камеры. Физика учит, что эта передача мо жет произойти лишь при прямом ударе частицы плазмы по частицам стенки, в результате которого частица плазмы снизит свою скорость (то есть тем пературу), а за счет этого частицы стенки повысят скорости (и температуру). Значит, изоляция плаз мы от стенок должна сводиться к тому, чтобы не допустить ударов частиц плазмы в стенки камеры.
78
Легко видеть, что это как раз и должно делать магнитное поле, приложенное к плазме. Закручивая пути частиц плазмы, оно не должно позволить им подойти к стенкам камеры; более того, как мы уви дим дальше, при этом частицы удаляются от сте нок внутрь камеры. В результате стенки остаются холодными даже в самой горячей плазме. Нужно лишь, чтобы магнитное поле было достаточно ве лико и могло справиться с самыми энергичными ча стицами плазмы.
Магнитное поле, приложенное к плазме, и есть та невидимая и невесомая стенка, которая изолиру ет плазму от стенок камеры надежнее самого хо рошего теплоизолирующего вещества.
Как же создать достаточно сильное магнитное поле, которое бы справилось с плазмой? Советские ученые академики И. Е. Тамм и А. Д. Сахаров пред ложили использовать для этой цели то же самое «орудие», которое нужно было применить и для ра зогрева плазмы до сверхвысокой температуры — электрическую искру.
МОЛНИЯ В БАНКЕ
Но эта электрическая искра должна была быть совершенно необычной. Токи и напряжения в ней, необходимые для миллионоградусного разогрева плазмы, исключительно велики. Самые мощные электростанции сегодня имеют мощности около двух миллионов киловатт. Для разогрева плазмы до упомянутых температур требуются десятки и сот ни миллионов киловатт. Но электростанции работа ют непрерывно, тогда как в плазме мощность долж на реализоваться за тысячные доли секунды. В бу дущем это время должно дорасти до нескольких
79