Плазма – четвертое состояние вещества

   Как космические частицы  ускоряются

   магнитным полем?

   При колоссальных взрывах на Солнце из его верхних слоев вырываются потоки заряженных частиц. В межзвездном  пространстве эти частицы каким-то образом ускоряются так, что, подлетая к Земле, они обладают огромной энергией. Каким же образом ускоряются космические  частицы? Далее будет рассказано об одном из возможных механизмов ускорения космических частиц, предложенном выдающимся итальянским физиком Э. Ферми.

   Вы  помните, что постоянное магнитное  поле изменяет только направление скорости движущейся частицы, а величина скорости остается постоянной. Это означает, что кинетическая энергия частицы  в постоянном магнитном поле не изменяется. Представьте себе теперь частицу, находящуюся  в магнитной ловушке между  «зеркалами» А и В. Такими «зеркалами»  в космическом пространстве являются области с повышенной индукцией  магнитного поля. Допустим, что «зеркало»  А медленно движется навстречу «зеркалу»  В со скоростью u. При отражении от «зеркала» А поперечная скорость частицы не изменяется. Это происходит из-за того, что магнитный момент 

постоянен и частица после отражения  попадает в то же поле, в котором  она была до отражения. Продольная же скорость частицы при отражении  от «зеркала» А увеличивается  на 2u. Следовательно, если «зеркала» А и В движутся навстречу друг другу, то при каждом отражении от них продольная скорость заряженной частицы увеличивается и частица покинет ловушку, имея большую кинетическую энергию, чем в момент захвата ловушкой. Это и есть механизм ускорения заряженных частиц в космосе, предложенный Ферми. Таким образом, магнитное поле играет большую роль в процессах, происходящих в космическом пространстве.

   Диффузия  частиц в магнитном  поле

   В постоянном и однородном магнитном  поле заряженные частицы двигаются  по винтовым линиям. Если бы частицы  не сталкивались друг с другом, то они  передвигались бы вдоль линий  магнитной индукции. В действительности же частицы, конечно, сталкиваются друг с другом. К чему такие столкновения приводят? К тому, что частицы  перескакивают с одной линии  индукции на другую. Другими словами, из-за столкновении друг с другом частицы  перемещаются поперек линии индукции. Такое явление называют поперечной диффузией плазмы в магнитном  поле. Анализ показывает, что скорость поперечной диффузии частиц тем больше, чем меньше индукция магнитного поля и ниже температура. Таким образом, в сильном магнитном поле и  при высоких температурах поперечная диффузия должна быть незначительной. Однако в действительности этот вывод  оказывается справедливым только при  очень ограниченных условиях.

   Приближенная  теория показывает, что основную роль в поперечной диффузии играют столкновения электронов с ионами. Столкновения же ионов с нонами и электронов с электронами при этом несущественны.

   Так как ионы движутся в магнитном  поле по окружности большего радиуса, чем электроны, то им «легче» перейти  в результате соударений к вращению вокруг других линий индукции, чем  электронам. Другими словами, ионы диффундируют поперек магнитного поля быстрее, чем  электроны. Однако в плазме всегда должно быть выполнено условие квазинейтральности. Это означает, что уже при незначительном разделении положительных и отрицательных  зарядов возникают сильные электростатические (кулоновские) поля, которые препятствуют дальнейшему разделению зарядов. Но при поперечной диффузии разделение зарядов происходит из-за разных скоростей  диффузии электронов и ионов. Это  значит, что с разделением зарядов  возникающее сильное электростатическое поле препятствует образованию большой  разности скоростей диффузии этих частиц. Рвущиеся вперед ионы увлекают за собой  электроны, а электроны, наоборот, стремятся  затормозить диффузию ионов. Такая  совместная диффузия разноименно заряженных частиц называется амбиполярной.

   Вспомним  теперь о магнитных ловушках. Мы говорили, что в пробкотроне столкновения между частицами приводят к их уходу из ловушки. Теперь же мы узнали, что такие столкновения приводят еще и к поперечной диффузии частиц, являющейся причиной ухода их на стенки ловушки.

   Как плазма в магнитном  поле проводит электрический  ток?

   От  обычного газа нейтральных частиц плазма отличается способностью хорошо проводить  электрический ток. Для полностью  ионизированной разреженной плазмы приближенно выполняется закон Ома, который в данном случае записывается не так, как принято его записывать в средней школе , а в следующем виде:  

   где j — плотность тока (ток, приходящийся на единицу площади), E - напряженность электрического поля,- удельное сопротивление проводника. В отсутствие магнитного поля, чем реже сталкиваются электроны с ионами, тем удельное сопротивление плазмы меньше. Если же электроны очень часто сталкиваются с ионами, то электропроводность мала.

   В магнитном поле поведение плазмы резко изменяется. Ее свойства в  разных направлениях оказываются различными. Среды, у которых свойства в разных направлениях неодинаковы, называются анизотропными. Действительно, если ток  в плазме протекает параллельно  магнитному полю, то на него магнитное  поле не оказывает никакого воздействия.

   Иначе обстоит дело, когда ток течет  под некоторым углом к направлению  линий индукции магнитного поля. В  однородном магнитном поле частицы  перемещаются по винтовым линиям. Если за время свободного пробега электрон успевает сделать много циклотронных оборотов (такую плазму называют замагниченной), то за это время среднее смещение электрона в направлении, перпендикулярном магнитному полю, оказывается меньшим, чем по направлению магнитного поля. Другими словами, средняя скорость электронов в направлении, перпендикулярном магнитному полю, меньше, чем в направлении  поля. Это означает, что электропроводность плазмы поперек поля меньше электропроводности вдоль поля (с увеличением скорости частиц эффективное сечение столкновений уменьшается). Таким образом, плазма в магнитном поле должна описываться  двумя коэффициентами проводимости: продольной проводимостью σ_II и поперечной проводимостью σ_┴. При этом у замагниченной плазмы σ_┴ меньше σ_II.

   2) Устойчивость плазмы.

   Для осуществления управляемых термоядерных реакций большое значение имеет  вопрос об устойчивости плазмы. Нужно, чтобы плазма хорошо удерживалась ловушкой в течение таких промежутков  времени, за которые частицы плазмы успели бы вступить в реакцию. Но к  большому огорчению физиков оказалось, что плазменные конфигурации из-за различных неустойчивостей «разваливаются»  скорее, чем успевают произойти реакции  между частицами плазмы. И теперь многие исследователи плазмы посвятили себя изучению способов борьбы с ее неустойчивостью, надеясь во что бы то ни стало «укротить» «строптивую» плазму. Неустойчивость плазмы еще не означает, что ее нельзя заставить служить людям. Ведь совсем неустойчив, например, одноколесный велосипед. Но многие видели, как на таком велосипеде артисты цирка не только ездят, но и выделывают сложные трюки. Все дело в умении! Вот и исследователи плазмы изучают разнообразные свойства ее, надеясь, в конце концов, «оседлать» ее и заставить еще активнее служить людям.

Рис.13 

   Представьте себе, что плазма, в которой совсем нет магнитного поля, удерживается в равновесии внешним магнитным  полем. При этом возможны три случая конфигурации магнитного поля: линии  индукции могут быть выпуклыми, вогнутыми  или прямыми (рис. 13). Характер действия магнитного поля на проводящую жидкость (плазму) таков, как если бы он определялся  стремлением линий индукции сокращаться  подобно натянутым резиновым  жгутам. Плазма же, как и всякий газ, стремится увеличить свой объем. Что же в результате получается, когда магнитные линии индукции выпуклы наружу (рис. 13, а)? Магнитное  поле не проникает в плазму. Стремлению линий индукции сократиться мешает стремление плазмы увеличить свой объем. Но если только по каким-нибудь причинам магнитное поле освобождает часть  занимаемого им пространства, плазма тотчас же туда устремляется. Наоборот, место, освобожденное плазмой, занимается магнитным полем. Магнитное поле и плазма обмениваются своими местами. Плазма как бы «раздвигает» линии  индукции и просачивается через  магнитное поле.

   Это порождает неустойчивость, которая  называется перестановочной или  обменной.

   В случае же, когда линии индукции выпуклы к плазме (рис. 13, б), их стремлению сократиться совершенно не препятствует стремление плазмы занять больший объем, а, наоборот, одно другому способствует. Такая равновесная конфигурация плазмы в магнитном поле является устойчивой.

   Конфигурация  плазмы (рис. 13, в) является безразличной.

   Итак, не всякая равновесная конфигурация плазмы является устойчивой. Вспомним теперь ловушки с магнитными пробками и тороидальные магнитные ловушки. В обоих случаях можно указать  такие области, в которых линии  индукции магнитного поля являются выпуклыми  и которые, следовательно, опасны из-за обменной неустойчивости. Таким образом, надо придумать, как бороться с неустойчивостью. Можно избежать перестановочной  неустойчивости, создавая магнитное  поле, линии индукции которого везде  выпуклы в сторону плазмы (см. рис. 14). Ловушки такого типа называются магнитными ловушками со встречными полями. Надо отметить, что частицы  плазмы покидают и такие ловушки  через места «встречи» линий  индукции.

Рис.14 

3) Проблема удержания высокотемпературной плазмы

   Прогресс  человечества связан с возрастанием используемой им энергии. Обычно для подсчета запасов энергии вводят так называемую условную единицу. 1-й соответствует энергия, содержащаяся в 33 миллиардах тонн каменного угля. За две тысячи лет до 1850 г. человечество израсходовало примерно 9 таких единиц, а только за сто лет с 1850 до 1950 г. — пять условных единиц. Вот, какие колоссальные темпы роста потребления энергии! Эти темпы будут еще более стремительными. Встает вопрос, на сколько хватит человечеству разведанных им запасов топлива на Земле. Оказывается, что химическое топливо оценивается в 100 условных единиц - его хватит очень ненадолго. Разведанных запасов ядерного горючего хватит всего только на несколько сот лет. Так неужели же человечество обречено на энергетический голод? Конечно, нет. Почти неиссякаемый источник энергии для человечества даст покоренная им плазма, с помощью которой человек овладеет управляемыми термоядерными реакциями. Запасы термоядерного горючего - дейтерия мирового океана - оцениваются в 30 миллиардов условных единиц энергии. Ведь в одном литре обычной воды содержится около 0,03 г дейтерия. А это эквивалентно в энергетическом отношении 300 литрам бензина. Вот почему ученые так упорно и настойчиво добиваются покорения «капризной» плазмы и хотят заставить ее служить людям!

   Двадцатый век часто называют «атомным веком». И это неспроста. Ученые разгадали  многие тайны атома и его ядра, научились использовать атомную  энергию. Первое применение атомной  энергии было ужасным и бесчеловечным  — это атомная бомба, несущая  страшные разрушения и смерть. В  нашей стране атомная энергия  все больше применяется в мирных целях. Вспомните наш атомный  ледокол-гигант «Ленин», атомные электростанции. Источником атомной энергии служат реакции деления ядер тяжелых  элементов.

   Кроме реакций деления ядер, существуют реакции синтеза (соединения), в которых из легких ядер образуются более тяжелые ядра. Такие реакции в естественных условиях происходят на Солнце: ядра водорода (протоны) соединяются друг с другом, образуя ядра гелия.

   Использование реакций синтеза началось также  с бомбы. На этот раз — водородной. Она еще более разрушительна, чем атомная. В водородной бомбе  используется взрыв атомной бомбы. При этом взрыве возникают огромные температуры, при которых начинают происходить реакции синтеза  ядер водорода и выделяется еще большая  энергия.

Рис.15 

   Известно, что ядро атома водорода представляет собой протон р. Такого водорода очень  много в природе— в воздухе, в  воде. Кроме этого, существуют более  тяжелые изотопы водорода. Ядро одного из них содержит, кроме протона  р, еще и нейтрон n. Называется этот изотоп дейтерием D. Ядро другого изотопа содержит, кроме протона р, еще и два нейтрона n и называется тритием Т. На рисунке 15 представлены схемы реакции синтеза этих ядер. В реакции синтеза выделяется энергия, которая в расчете на 1 кг вещества значительно больше энергии, выделяющейся в реакции деления урана.

   Таким образом, если бы удалось осуществить  управляемые реакции синтеза, то человечество получило бы новый мощный источник энергии.

   А что значит, что в реакции синтеза  выделяется столько-то энергии? Это  означает, что такой кинетической энергией обладают частицы, образовавшиеся в результате реакции.

   Если  бы все ядра находящиеся в каком-то устройстве, одновременно могли вступить в реакцию друг с другом, то быстро выделившаяся энергия была бы столь  велика, что произошел бы колоссальный взрыв. Это, собственно, и происходит в водородной бомбе. В термоядерном же реакторе реакция синтеза должна происходить медленно, должна быть возможность управлять ею.