Файл: Левитский С.М. Плазма служит человеку.pdf

степени помогает то обстоятельство, что нагреваемый газ переходит в состояние полностью ионизированной плаз­ мы. Единственный электрон, имеющийся у атома водо­ рода, оказывается оторванным, и, следовательно, всякое излучение, связанное с электронными переходами внутри атома, отпадает. Хуже обстоит дело, если в водороде есть примеси более тяжелых газов. Атомы этих газов могут остаться неионизированными до конца и сохранившиеся на них глубинные электроны будут давать заметное излучение.

Кроме излучения, связанного с электронными пере­ ходами, есть еще один вид излучения, играющий важ­ ную роль в горячей плазме. Это так называемое тормоз­ ное излучение, происходящее при соударении электронов с положительными ионами газа. Такое излучение род­

рентгеновского излучения.

Тормозное излучение играет основную роль в излу­ чении горячей плазмы, и средств для его уменьшения не существует. Удачей является только то, что тормозное излучение на водородном ядре много меньше, чем на ядрах более тяжелых элементов. Поэтому водород или

61

его изотопы, применяемые для термоядерных реакций, не должны содержать примеси тяжелых газов. Даже малейшая примесь тяжелых газов весьма усиливает тормозное излучение плазмы и приводит к ее быстрому охлаждению.

Третья задача — вывод энергии — легко решается, если требуется получить энергию в виде тепла. Из-за несовершенства теплоизоляции и интенсивного излучения плазмы стенки термоядерного «котла» будут нагреваться в такой мере, что предстоит заботиться только об охлаж­ дении их каким-либо теплоносителем.

Сложнее обстоит дело, если требуется непосредствен­ но превращать ядерную энергию в электрическую. Одна­ ко и тут уже предложена идея, как это сделать. Выше мы говорили об адиабатическом сжатии плазмы магнит­ ным полем. При этом потреблялась энергия от источника питания электромагнита. Когда в результате сжатия температура плазмы достигнет значительной величины, произойдет вспышка термоядерной реакции. Температу­ ра плазмы скачком повысится, и плазма начнет адиаба­ тически расширяться против сил сжатия магнитного поля, вытесняя последнее из объема котла. При этом в цепи электромагнита будет индуцироваться ток обратно­ го направления, и электрическая энергия потечет от электромагнита к источнику, который станет теперь уже не источником, а потребителем электроэнергии.

Таким образом, для всех трех задач, стоящих на пути осуществления управляемой термоядерной реакции, уже

62

Плазма оказалась чрезвычайно подвижным объектом. Всякий раз, когда физики думали, что она уже поймана, плазма неожиданно обнаруживала новые свойства и вы­ скальзывала изо всех построенных для нее ловушек.

Что собой представляет нестабильность плазмы, мож­ но показать на примере линейного самосжимающегося

форму колец, охватывает и сжимает плазменный шнур, со­

здавая ту магнитную теплоизо­

Рис. И.

ляцию, о которой речь шла вы­ ше. Сила тока, проходящего по плазме, составляет сот­

ни тысяч и миллионы ампер, так что, если бы такой шнур просуществовал время, необходимое для установления изотермической плазмы, можно было бы наверняка за­ метить хотя бы следы термоядерной реакции.

Однако, к сожалению, время существования такого шнура составляет лишь миллионные доли секунды. На рис. 11, б показано, что происходит, если плазменный шнур по какой-либо случайной причине слегка изогнется. Магнитные силовые линии с внутренней стороны изгиба

63

сгущаются, и магнитное Давление на шнур с этой сторо­ ны усиливается. Шнур выгибается круче, разность давле­ ний от этого еще увеличивается; шнур приобретает фор­ му дуги и, наконец, наталкивается на стенку.

Все это происходит чрезвычайно быстро, так как силы, действующие на плазменный шнур, велики, а инер­ ция его ничтожна.

Иной вид неустойчивости наблюдается в ловушках, подобных той, которая изображена на рис. 10. Напря­ женность поля в такой ловушке уменьшается по мере удаления ог центра. При этом магнитные силовые линии ведут себя как упругие резиновые жгуты, стремящиеся сократиться до минимальной длины. Однако плазма, сжатая внутри ловушки, мешает им это сделать. Тогда магнитные силовые линии охотно расступаются и соз­ дают продольную щель, через которую плазма вытекает наружу. Поведение плазмы в магнитной ловушке похо­ дит на поведение тестообразного вещества, окруженного со всех сторон параллельно натянутыми резиновыми жгутами. Эти жгуты образуют своего рода корзинку, удерживающую тесто. Но стоит лишь посильнее натя­ нуть жгуты, как они расступятся и тесто начнет вытекать наружу. Нечто подобное происходит и в магнитном поле с плазмой (последовательные этапы «убегания» плазмы из ловушки схематически изображены на рис. 12), при­ чем «убежать» из ловушки плазма успевает за миллион­ ные доли секунды.

При вытекании из ловушки вдоль поверхности плаз­ мы образуется небольшой продольный выступ в виде же­ лобка. Поэтому такой вид неустойчивой плазмы назы­ вают желобковой. Теперь желобковая неустойчивость хорошо изучена и все кажется столь же простым и оче­ видным, как и в нашем примере с тестом. Но еще с деся-

64

ток лет тому назад многое было дале­ ко не очевидным, и понадобился на­ пряженный труд большого числа уче­ ных, сопровождавшийся крупными ма­ териальными затратами, прежде чем в вопросе о поведении плазмы в ловуш­ ках была достигнута определенная яс­ ность.

Но как все же преодолеть желобковую неустойчивость? Для этого необ­ ходимо создать такое магнитное поле, напряженность которого возрастала бы по мере удаления от центра ловуш­ ки. Пытаясь выйти из такой ловушки, плазма будет по мере своего продви­ жения наталкиваться на все более ра­ стущее плотное магнитное поле, кото­ рое уже не расступится под ее напо­ ром. Сетка магнитных силовых линий выдержит на этот раз все попытки плазмы вырваться наружу.

Поле с такими замечательными свойствами можно легко создать с по­ мощью двух катушек, в которых токи текут в противоположных направлени­ ях (рис. 13). В центре такой системы, где поля обеих катушек взаимно ком­ пенсируются, образуется так называ­ емая нейтральная зона, в которой по­

ле близко к нулю, тогда как во все стороны от этой зоны напряженность магнитного поля возрастает. Плазма, на­ ходящаяся в центре такой магнитной системы, не дол­ жна обладать желобковой неустойчивостью. Некоторым

65

недостатком этой системы (она называется системой с остроконечной конфигурацией магнитного поля) явля­ ется то, что в самом центре ее магнитное поле равно ну­ лю, но это легко устранить, немного усложнив систему.

Именно в такой ловушке с комбинированными маг­ нитными полями остроконечной конфигурации группе

сотрудников Института атомной энергии им. И. В. Кур­ чатова удалось впервые удержать плазму, нагретую до 40 млн. градусов, на протяжении не миллионных долей секунды, как это было раньше, а сотых долей секунды. А на третьей Женевской конференции по мирному ис­ пользованию атомной энергии советские ученые проде­ монстрировали ловушку, в которой горячая плазма удер­ живалась уже на протяжении 15—25 сек! При этом плаз­ ма не обнаруживала обычных видов неустойчивости, ко­ торые раньше сводили на нет все усилия ее исследова­ телей.

Правда, плазма в обоих случаях была довольно «жи­ денькой». В первой ловушке концентрация ее состав­

66

ляла 1010, во второй— 108 частиц в 1 см3. Это весьма существенно, так как для возникновения термоядерной реакции требуется длительное существование плотной плазмы. Действительно, из многих миллионов соударе­ ний плазменных частиц только отдельные соударения приводят к актам термоядерной реакции. Для того что­ бы эти акты можно было заметить, нужно, чтобы в плаз­ ме совершилось большое количество соударений. Это количество пропорционально произведению плотности плазмы на время ее существования. Это произведение в описанных ловушках было слишком малым, и потому, несмотря на длительное удержание в них горячей плаз­

физиками в Женеве. В ней концентрация частиц в плаз­ ме достигала 1013— 1014 в 1 см3, и из этой плазмы шел поток нейтронов, сигнализировавших о появлении термо­ ядерной реакции. Но в такой установке время жизни плазмы было очень коротким, и она распадалась рань­ ше, чем термоядерная реакция успевала развиться.

Эти результаты показывают, что и последняя пробле­ ма, стоящая на пути к управляемой термоядерной реак­ ции,— проблема неустойчивости плазмы близка к своему принципиальному разрешению. Дальнейшая задача бу­ дет сводиться лишь к увеличению времени жизни плазмы в ловушке и повышению ее плотности. Можно надеяться, что в сравнительно недалеком будущем плазма будет окончательно укрощена и термоядерные электростанции станут практической реальностью.

67