Файл: Плазма и управляемые термоядерные реакции библиография..pdf
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 03.11.2024
Просмотров: 15
Скачиваний: 0
9
0,7 процента. В последние годы физики научились использовать в основную массу урана — уран-238. В тех же ядерных реакторах под. влиянием облучения нейтронами уран-238 превращается в новый хи мический элемент — плутоний, который по своим свойствам атомного горючего подобен урану-235. Но даже и это превращение урана це ликом в атомное горючее способно отодвинуть урановый голод на непродолжительное время.
А почему для добычи энергии не использовать ядра элементов,, находящиеся в начале таблицы Менделеева (водород, гелий и др.) и более распространенные в природе, чем уран?
Оказывается, чтобы использовать эти легкие элементы, необхо димо осуществить реакцию ядерного синтеза, применяя в качестве ядерного горючего дейтерий и тритий — ядра тяжелого и сверхтя желого водорода. Энергию, выделяющуюся при таком синтезе, уче ные назвали термоядерной.
Дейтерий — сырье будущего термоядерного реак тора — содержится как постоянная примесь в любой воде. Общее количество дейтерия в Мировом океане равно 5-1013т. Оно эквивалентно запасу энергии 1024 квт. ч. Чтобы получить это количество энергии обычным путем, миллиону таких гидроэлектростан
ций, как Красноярская, нужно |
непрерывно работать |
в течение ста миллионов лет. |
|
Представление о термоядерной энергии |
можно получить из |
книги: |
|
Балабанов Е. М.
Термоядерные реакции. М., Воениздат, 1963. 87 с. с илл. (Науч.-попул. б-ка).
Реакция соединения дейтерия с тритием, в результате которой образуется обычный гелий, проходит лишь при очень высоких тем пературах. Для термоядерной плазменной смеси из дейтерия и три
10
тия эта температура составляет около 30 миллионов градусов. Как получить такую температуру и подвести энергию к плазме, заставив ее воспринять эту энергию? Иначе, как нагреть сырье термоядерного реактора до температур, при которых начинается слияние легких ядер? На эти вопросы отвечает автор книги. О механике ядерных и термоядерных реакций, о возможности осуществления искусствен ной термоядерной реакции узнает читатель из этой книги.
Допустим, мы получили горячее звездное вещество. Стенки ■какого сосуда могли бы удержать его? И возможно ли это вооб
ще?
Известен рассказ об изобретателе, работавшем над созданием такого универсального растворителя, в котором растворялось бы любое вещество. Эдисон, которому изобретатель поведал свои пла ны, спросил:
—Интересно, в чем бы вы стали хранить такой растворитель?
Вконструировании сосуда для плазмы сверхвысокой темпера туры и заключается огромная трудность.
Принципы этого конструирования подробно изложены в книге;
Калинин В. Ф.
Термоядерный реактор будущего. Рассказ о том, как ученые стремятся овладеть термоядерным синтезом—• неисчерпаемым источником энергии. М., Атомиздат, 1966. 205 с. с илл. (Науч.-попул. б-ка).
Температура плазмы превосходит температуру плавления и ки пения любых веществ. Правда, количество тепла, выделяющегося в достаточно разреженной плазме даже при таких температурах, не расплавит стенок камеры: тепловой энергии, заключенной в литре плазмы, разреженной до давления в одну тысячную долю атмосфе ры при ее нагреве до нескольких сот миллионов градусов, едва хва тит, чтобы вскипятить стакан воды. Здесь важно не то, что плазма нагревает стенки, а то, что стенки охлаждают плазму. Изоляция плазмы от стенок должна существенно уменьшать число ударов ча-
11
стид плазмы в стенки камеры. А удерживать и «хранить» плазму некоторое минимальное время необходимо, чтобы повысить вероят ность возникновения реакций между частицами.
В пятидесятых годах ученые предложили использовать для удер жания плазмы магнитное поле. Они надеются довести плазму до термоядерных плотностей и температур тогда, когда потери плазмы и энергетические потери будут минимальными.
Чтобы читатель мог получить представление о том, чего доби лись, что делают и над чем думают ученые, автор приглашает со вершить воображаемую экскурсию по термоядерным лабораториям мира.
СССР занимает одно из первых мест в этих исследованиях. Очень значительны усилия и успехи американских ученых. Ученые Западной Европы, занимающиеся исследованиями на термоядерных установках Англии, Франции, ФРГ, Италии, составляют следующий ряд специалистов, о работе которых рассказывает автор.
Чтобы не запутаться в разнообразии лабораторий и географиче ских точек, «экскурсия» совершается по отдельным направлениям
наследования, |
где |
рассматриваются наиболее типичные |
установ |
ки независимо |
от |
того, в каком городе или лаборатории |
они на |
ходятся. |
|
|
|
Для термоядерной реакции нужна плотная плазма, содержащая много миллиардов частиц в кубическом сантиметре. Движение та кого множества заряженных частиц создает электрические токи, воз мущающие магнитное поле. Такое поле, в свою очередь, возмущает плазму, а плазма еще сильнее возмущает поле. Возникает механизм, который в физике называется неустойчивостью. До недавнего вре мени удавалось удержать плазму в магнитных ловушках в течение около десяти тысячной доли секунды. Борьба с неустойчивостью была основной задачей физики плазмы. О том, как советским уче ным удалось преодолеть эту неустойчивость и впервые в истории термоядерных исследований получить спокойную устойчивую плаз му, рассказывается в статье:
12
Франк-Каменецкий Д. А.
Устойчивая плазма.— В сб.:- В глубь атома. М., «Нау ка», 1964, с. 350—352.
«Трудно сейчас оценить все практическое значение этого Откры тия. Та устойчивая плазма, которая уже получена на опыте, имеет еще слишком малую плотность для заметного выхода термоядер ной реакции. Но задача, которая до сих пор казалась наиболее труд ной, успешно разрешена. Теперь уже не вопрос о неустойчивости становится центральным в термоядерной проблеме, а такие техниче ские задачи, как повышение плотности плазмы, очистка ее от загряз нений и т. д.».
В Советском Союзе идея использования магнитной ловушки в виде прямого цилиндра с продольным магнитным полем, усиливаю щимся к концам, была высказана и обоснована в 1953 г. Большая магнитная ловушка этого типа, известная под названием «Огра», бы ла построена в Институте атомной энергии им. И. Н. Курчатова. Описание ее шы найдете в статье:
Панов Д. А., Семашко Н. Н.
Термоядерные магнитные ловушки.— В сб.: В глубь атома. М., «Наука», 1964, с. 353—363.
В наши дни уже зарождается плазменная энергетика. Проводимость плазмы значительно превышает проводимость ме
таллов, даже меди, поэтому плазма может заменить в электриче ских машинах медные проводники.
В самом простейшем виде такой генератор представляет собой прямоугольную трубу, по которой движется плазма. Скорость ее очень велика, она значительно превышает скорости современных ис требителей. Труба с движущейся плазмой помещается в сильное магнитное поле. При пересечении плазмой силовых линий магнит ного поля в ней возникает электродвижущая сила. Плазменные ге нераторы служат для непосредственного преобразования тепловой энергии в электрическую.
*
13
Преимущества подобного генератора очевидны — отпадают |
вра |
||||
щающиеся части, доставляющие столько хлопот энергетикам. |
|
||||
Плазма и магнит — основные |
рабочие элементы |
МГД-генерато- |
|||
ра. Известно, что газ |
практически |
не |
проводит электрический |
ток, |
|
так как представляет |
собой изолятор. |
А для того |
чтобы газ |
стал |
проводником и перешел в состояние плазмы, необходимо нагреть его до температуры порядка 2500—3000 градусов. Как достигается это в МГД-генераторе? В камеру генератора подается газ, нагретый до 2000 градусов, и впрыскивается топливо. При сгорании топлива тем пература в камере поднимается до 2500 градусов. А при такой тем пературе газ не только ионизируется, превращаясь в плазму, но и получает запас энергии для истечения с большой скоростью.
Об МГД-установках написана статья:
Латышев В.
Плазма, магнит и фантазия.— «Техника — молоде жи», 1967, № 3, с. 2—4.
Познакомив с тем, что представляют собой плазма и магнит, ис пользуемые в МГД-генераторах, автор рассматривает физические ус ловия и величины, от которых зависит производительность и мощ ность установки. Раздел «Немного фантазии» знакомит со смелыми проектами МГД-генераторов, использующих магнитное поле Земли и плазменные ветры, обнаруженные над Землей на очень большой высоте. Но для этого нужны электроды, которые могли бы отводить энергию с такой высоты.
Более подробные сведения об удивительных устройствах совре
менной |
электроэнергетики — МГД-генераторах |
вы найдете |
в книге: |
Урусов |
И, Д, |
|
|
|
МГД-генераторы. М., «Наука», |
1966. 175 |
с. с илл. |
(Акад. наук СССР. Науч.-попул. серия).
Эта книга написана сложнее, чем предыдущая статья. Автор из лагает элементарную теорию магнитогазодинамического метода пре образования тепловой энергии в электрическую. Можно прочитать о
14
физических свойствах плазмы, о проблеме создания магнитного по ля, познакомиться с характеристиками различных типов МГД-гене- раторов и их применением.
Есть все основания полагать, что атомные элект ростанции с МГД-генераторами будут иметь коэффи циент полезного действия до 60%. В то же время са-< мые экономичные современные паросиловые установ ки дают коэффициент, не превышающий 40%.
О том, как ученые и инженеры различных стран трудятся над разработкой устройств, позволяющих преобразовать тепловую, хи мическую, ядерную и термоядерную энергию в самую удобную для передачи и использования форму энергии — электрическую, об МГД-генераторах, их настоящем и будущем рассказывается в кни гах, рекомендованных в библиографическом пособии:
Самохвалова Л. С.
МГД-генераторы. Рек. обзор литературы. М., «Кни га», 1969. 14 с. (Гос. б-ка СССР им. В. И. Ленина. Центральная политехи, б-ка. Новое в науке и техни ке. Вып. 26).
С недавнего времени плазма попала и в сферу интересов хими ческой науки. Если физикам нужны температуры во многие миллио ны градусов, то химики довольствуются несколькими десятками ты сяч. В литературе такую плазму называют низкотемпературной, а в обиходе — «холодной».
В своем стремлении всячески активизировать промышленные процессы химики издавна пользуются испытанным средством — вы сокими температурами. С этой точки зрения плазма открывает почти неисчерпаемые возможности. Еще недавно считалось, что за опреде ленным порогом высоких температур вещество ждет только разруше ние. Однако действительная картина оказалась значительно сложнее: наряду с разрушением в плазме шли процессы образования новых химических соединений. Более того: подчас эти процессы рождали
»
15
«экзотические» вещества, не существующие при обычных температур рах, соединения, для которых в химической терминологии даже не было общепринятых наименований. Так возникла новая отрасль науки — плазмохимия, одним из ведущих центров которой стала ла боратория Института нефтехимического синтеза Академии наук
СССР.
Об этом новом направлении в химии рассказывается в статьях;
Полак Л. С., Гуляев Г. В. и Щипачев В. С, Химия плазмы. — «Природа», 1967, № 7, с. 24<—31.
Плазмохимические процессы происходят в атмосферах звезд, в- верхних слоях земной атмосферы; они имели большое значение при формировании Земли. Поэтому изучение закономерностей плазмохи-
мии существенно для познания Вселенной |
и решения многочислен |
ных технических задач на Земле. |
, |
Из этой статьи читатель узнает о том, |
в чем особенность плаз- |
мохимии, как получают низкотемпературную плазму, как ее изуча ют и используют.
Луначарская И., Щипачев В.
«Холодная» плазма.— «Наука и жизнь», 1967, № 7, с. 33—39.
Устройства, с помощью которых плазма образует новые химиче ские соединения, называются плазмотронами. С их различными ти пами знакомит настоящая статья.
В ней, в частности, говорится, что первые технические победы, первые принципиальные теоретические решения, первые методы плаз мохимических превращений свидетельствуют о том, что «на рубеже ближайших десятилетий «холодная» плазма способна произвести ре волюцию во многих областях химической индустрии».
Несколько лет назад советская геофизическая ракета доставила
на большую высоту автоматическую лабораторию «Янтарь-1», кото рая позволила исследовать условия работы газового электрореак-
тивного (плазменно-ионного) двигателя в ионосфере.
16
Особенности этого двигателя заключаются в том, что в качестве рабочего тела он может потреблять любое газообразное вещество. Атомы газа просто разгоняются в сильном электрическом поле, по добно заряженным частицам в современном ускорителе. Не в столь уж отдаленном будущем, вероятно, потребуются гиперзвуковые и ор битальные лайнеры с плазменными двигателями, способные совер шать сверхдальние высотные рейсы между материками.
Алфавитный указатель книг и статей, включенных в обзор 1
Арцимович Л. А. Элементарная физика плазмы |
5 |
|
|||||
Балабанов Е. М. Солнце на Земле |
6 |
|
|
|
|
||
Балабанов Е. М. Термоядерные реакции |
9 |
|
|
|
|||
Калинин В. Ф. Термоядерный реактор будущего |
10 |
|
|||||
* |
Латышев В. Плазма, магнит и фантазия |
13 |
|
|
|||
Лободенко В. И. Лазерные методы диагностики плазмы 7 |
|
||||||
* |
Луначарская И., Щипачев В. «Холодная» |
плазма 15 |
|
||||
Остапченко Е. Чудесные лучи |
8 |
|
|
|
|
|
|
* |
Панов Д. А., Семашко Н. Н. |
Термоядерные |
магнитные |
ло |
|||
вушки. 12 |
|
|
|
|
|
|
|
* |
Полак Л. С., Гуляев Г. В. и Щипачев В. С. Химия плазмы |
15 |
|||||
Рыдник В. И. Четвертое состояние вещества |
3 |
|
|||||
Самохвалова Л. С. МГД-генараторы 14 |
|
|
|
|
|||
Урусов И. Д. МГД-генераторы |
13 |
|
|
|
|
||
Фомин Б. В. От искры до лазера |
7 |
|
|
|
|
||
Франк-Каменецкий Д. А. Плазма — четвертое состояние веще |
|||||||
ства. |
5 |
|
|
|
|
|
|
* |
Франк-Каменецкий Д. А. Устойчивая плазма |
12 |
|
||||
1 |
Статьи отмечены звездочкой.. |
|
|
|
|
|
|
I