ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 07.04.2024
Просмотров: 41
Скачиваний: 0
счет существующей там высокой температуры в десятки и сотни миллионов градусов. Впрочем следует отметить, что даже такая температура еще недостаточно высока для того, чтобы обеспечить каждому протону возмож ность вступить в ядерную реакцию. Однако в результа те многочисленных столкновений какой-нибудь из прото нов может случайно приобрести скорость, в несколько десятков раз превышающую среднюю скорость теплового движения при данной температуре, и тем самым станет способным вступить в ядерную реакцию, преодолев от талкивание положительно заряженных ядер. Такие ре акции, в которых для преодоления отталкивания одина ково заряженных ядер используется не предварительное ускорение их, а нагревание до высокой температуры, на зываются термоядерными.
Термоядерные реакции, происходящие в плазме при очень высоких температурах, являются дальнейшим про должением таких процессов, как плавление, испарение, диссоциация и ионизация. При плавлении и испарении разрушались в результате теплового движения частиц межатомные и межмолекулярные связи в твердом и жидком телах, при диссоциации разрушались внутримо лекулярные связи, при ионизации — внутриатомные. Те перь пришла очередь разрушения внутриядерных связей.
Термоядерная реакция вообще может и не приводить к выделению энергии. Однако термоядерные реакции, сопровождающиеся выделением тепла, чрезвычайно на поминают обычное химическое горение. Только здесь ре акция протекает «рангом выше» — не на уровне моле кул, а на уровне атомных ядер. Так, например, при хими ческом сжигании водорода в кислороде образуется более сложное вещество — вода, а выделившаяся энергия идет на ускорение реакции. При ядерном горении то же ис
53
ходное топливо — водород дает «золу» в виде более сложного ядра гелия. В этом случае масштабы реакции — температура и ее теплотворная способность — неизме римо возрастают.
Глубины Солнца и звезд оказались первыми объек тами, на которых физики и астрономы познакомились со сверхвысокотемпературным состоянием вещества и при сущими ему необычными свойствами. Звезды — это рас сеянные во Вселенной физические лаборатории, где ве дутся «опыты» и происходят процессы в условиях, пока еще неосуществимых ни в одной земной лаборатории. И вполне вероятно, что здесь будут открыты новые свой ства и новые явления, о которых мы сейчас и не подозре ваем.
Большие неожиданности возможны при переходе к температурам в миллиарды и десятки миллиардов гра дусов. Где такие температуры существуют и существуют ли они вообще — на этот вопрос еще нет ответа. Но тео ретическая мысль и фантазия обгоняют наблюдения и эксперимент. Можно предполагать, что при таких темпе ратурах процессы будут происходить уже не на уровне внутриядерных реакций, а на уровне реакций элементар ных частиц, которые сейчас удается осуществить только на сверхмощных ускорителях. Такая плазма окажется «кухней» позитронов, мезонов, антипротонов и прочих редких частиц — до сих пор их получают лишь в малых количествах и на короткие промежутки времени.
Сейчас в порядке гипотезы высказывается предполо жение о возможности существования эпиплазмы — ги пертемпературного состояния вещества, при котором со существуют частицы обычного вещества и антивещества. Эта гипотеза не такая уж странная. Ведь существуют же в обычной плазме, не сливаясь, положительные и отри-
54
дательные свободные заряды, хотя вначале это тоже, ви димо, казалось довольно странным. Высокая темпера тура, приводящая к быстрому движению электронов и ионов, препятствует их объединению и рекомбинации. Возможно, что при очень высоких температурах частицы вещества и антивещества эпиплазмы тоже будут дви гаться настолько быстро, что при взаимных соприкос новениях они просто не успеют прореагировать друг с другом.
Неисчерпаемы законы природы. И проникновение за границы изученных областей — то ли в область сверхвы соких или сверхнизких температур, то ли в область сверх высоких давлений, энергий, частот — открывает обычно перед нами целый мир ранее неизвестных свойств, явле ний и понятий.
Исследование плазмы как высокотемпературного и сверхвысокотемпературного состояния вещества являет ся одним из этих путей в глубины неизвестного.
Управляемые термоядерные реакции и плазма
После того как была выяснена природа первоисточ ника солнечной энергии, у ученых родилось, естественно, стремление воспроизвести подобную реакцию на Земле, в физических лабораториях. Это был, наверное, самый дерзкий замысел, который когда-либо возникал у лю дей — зажечь самим искусственное солнце. Однако до
.воплощения его в жизнь было слишком далеко: требова лись температуры в десятки миллионов градусов, тогда как в лабораториях в то время с трудом получали де сятки тысяч.
55
Положение существенно изменилось после создания атомной бомбы. При взрыве атомной бомбы в первые мгновения возникает температура, которая может под жечь термоядерную реакцию. Обычный водород оказал ся малоэффективным термоядерным горючим. Значи тельно легче вызвать термоядерную реакцию в его тяжелых изотопах — дейтерии и тритии, в состав ядер которых уже входят готовые нейтроны. Окружив неболь шой атомный заряд слоем дейтерия и трития, удалось поджечь взрывную термоядерную реакцию.
Так современные ученые— прометен XX века — по хитили у Солнца огонь термоядерной реакции. Но рас плата за этот титанический научный подвиг оказалась
ужасной: в результате была создана водородная |
бом |
ба — самое мощное смертоносное оружие, которым |
ког |
да-либо владели люди. |
|
Не к этому страшному результату стремилась мысль ученых. Они искали и продолжают искать «послушную» термоядерную реакцию, энергетический выход которой можно было бы усиливать или останавливать по жела нию, реакцию, которая бы не могла вырваться из-под контроля своих создателей и превратиться во взрыв, энер гия которой могла бы обогревать дома, вращать ма шины, гнать электрический ток по проводам, реакцию созидательную, а не разрушительную. Такая реакция на зывается управляемой термоядерной реакцией.
Но укротить энергию термоядерного взрыва оказы вается сложнее, чем осуществить такой взрыв. Здесь по вторяется история обычных химических взрывчатых ве ществ: на протяжении семи веков химический взрыв тол кал ядра в стволах пушек, и лишь семьдесят лет тому назад он начал толкать поршни в двигателях внутрен него сгорания.
56
Проблема управляемой термоядерной реакции со стоит из нескольких отдельных задач:
а) нужно найти способ нагрева вещества до темпе ратур в десятки, а может быть, и сотни миллионов гра дусов. Этот способ должен быть безопасным, и потому атомный взрыв здесь, конечно, непригоден;
б) нужно уметь удержать вещество при достигнутой температуре на протяжении длительного промежутка времени, в течение которого будет идти реакция; нужно уметь регулировать температуру этой реакции, ускоряя или замедляя по желанию процесс термоядерного син теза;
в) нужно уметь вывести энергию из термоядерного котла в форме, пригодной для практического использо вания.
Первая задача решается в принципе, как это ни странно, довольно просто. Дело в том, что количество энергии, необходимой для нагрева разреженного газа до высоких температур, сравнительно невелико. Подсчитаем, сколько энергии надо затратить для того, чтобы нагреть 1 л водорода (или его изотопов), содержащего 1018 моле кул, до температуры 100 млн. градусов. Принятая нами концентрация весьма незначительна (напомним, что при атмосферном давлении и комнатной температуре в 1 л содержится обычно около 2 • 1022 молекул газа). При указанных высоких температурах каждая молекула це ликом распадается на электроны и ионы. Поэтому общее число частиц составит уже 4- 1018. Каждая частица будет
иметь |
при |
указанной |
температуре энергию порядка |
|
кТ—1,38- 10~16 • |
108 = |
1,3810~8эрг, а все частицы, вместе |
||
взятые, |
5,5- |
103 д ж . Примерно такое же количество энер |
||
гии потребляет |
обычная электрическая лампочка за |
|||
1 мин. |
|
|
|
|
57
Такое малое теплосодержание газа, нагретого до столь высокой температуры, объясняется тем, что мы взяли очень малую концентрацию его частиц. Уменьшая и дальше концентрацию газа, мы можем сколь угодно по нижать его теплосодержание.
Как произвести нагрев газа — это уже другой вопрос. Ясно только то, что это вполне осуществимая задача и для ее решения не требуются какие-либо сверхмощные источники энергии. Конкретно она может быть осущест влена (вначале хотя бы до сравнительно невысоких тем ператур) путем пропускания тока через плазму.
Вторая задача несравненно сложнее. Уже простейший расчет показывает, что поток энергии, выделяемой плаз мой за 1 сек, на много порядков превышает энергию ее теплосодержания. Поэтому сохранить плазму в нагретом состоянии значительно труднее, чем нагреть ее до этого состояния.
Энергетические потери горячей плазмы состоят из двух основных частей: потерь на теплопроводность и потерь на излучение.
Потери на теплопроводность — это потери тепла от попадания частиц горячей плазмы на холодные стенки сосуда, ее удерживающего. Эти потери настолько велики, что нагреть плазму, окруженную холодными стенками, так же невозможно, как вскипятить воду в сосуде из льда.
Где же найти такой материал, который бы создавал полную теплоизоляцию между плазмой и стенками сосу да, а с другой стороны, не расплавлялся бы от сопри косновения с плазмой, нагретой до миллионов градусов? Такой «материал» есть. Это — вакуум.
Нас выручает то, что при высоких температурах обыч ный газ превращается в плазму. Вспомним, что в магнит
58
ном поле теплопроводность плазмы в поперечном на правлении резко уменьшается. На рис. 10 изображено устройство с такой магнитной теплоизоляцией. Конфигу рация магнитного поля в этом устройстве напоминает мешок, завязанный с двух концов. Магнитные силовые
линии окружают плазму, образуя «магнитную ловушку», и не дают ей возможности соприкоснуться со стенка ми. Между стенками и плазмой создается вакуум, кото рый, как известно, является наилучшим теплоизолятором. Такая магнитная ловушка представляет собой как бы термос для сохранения горячей плазмы.
Рассматриваемая магнитная ловушка вполне безо пасна в работе. Если бы в ней возникла чрезмерно силь ная термоядерная реакция, то достаточно было бы только распустить магнитные «завязки» по ее концам, и быстрые частицы горячей плазмы моментально «разбежались» бы из нее. Через эти же «завязки» можно также «нака чивать» в ловушку быстрые частицы, получаемые, напри мер, в каком-нибудь ускорителе. Постепенно накапли
59
ваясь, быстрые частицы будут образовывать в ловушке горячую плазму, в которой при достаточной концентра ции частиц сможет начаться термоядерная реакция. Это и есть один из способов создания горячей плазмы.
На таком примерно принципе должна была работать гигантская магнитная ловушка «Огра», созданная в одном из научных институтов СССР. По внешнему виду она скорее напоминает не научную экспериментальную установку, а крупный промышленный агрегат.
К сожалению, однако, оказалось, что полностью за крыть путь частицам из ловушки не удается. Частицы быстро находят лазейки на «полюсах» ловушки и разбе гаются из нее раньше, чем там успевает накопиться концентрация, достаточная для начала термоядерной реакции.
Магнитная ловушка позволяет применить еще один способ для нагрева находящейся в ней плазмы. Для это го достаточно усилить магнитное поле, сжимая объем удерживаемой плазмы Такое сжатие будет адиабати ческим, так как плазма термически изолирована. При
.адиабатическом сжатии температура плазмы должна возрастать, подобно тому, как нагревается быстро сжи маемый газ. Энергия на нагрев плазмы черпается здесь, очевидно, из источников, питающих электромагнитные системы.
Такой способ нагрева плазмы — называется он «тетапинчем» — дает возможность без особых трудностей до стичь температуры порядка 10 млн. градусов. Правда, плазму при такой температуре удается удержать очень недолго — на протяжении нескольких миллионных долей секунды.
Другой причиной потерь энергии горячей плазмой является излучение. Здесь нам также в значительной
£0