Плазма – четвертое состояние вещества

   А как практически использовать выделяющуюся энергию? Хотя это — дело будущего, но уже сейчас можно кое-что об этом сказать. При синтезе дейтерия с тритием основная часть выделившейся энергии (около 80%) проявляется в  форме кинетической энергии нейтронов. Если вне магнитной ловушки замедлить  эти нейтроны подходящим замедлителем, то можно получить тепловую энергию  и затем превратить ее в электрическую. При реакции синтеза в дейтерии примерно 2/3 высвобожденной энергии  несут заряженные продукты реакции  и только около 1/3 — нейтроны. А  кинетическую энергию заряженных частиц можно в принципе непосредственно  преобразовать в электрическую  энергию.

   Какие же надо создать условия, чтобы осуществились  реакции синтеза? В этих реакциях ядра должны соединиться друг с другом. Но ведь каждое ядро заряжено положительно, и, следовательно, между ними действуют  силы отталкивания, которые определяются законом Кулона: 

   где Z₁e - заряд одного ядра, Z₂e — заряд второго ядра, а е - заряд электрона. Для того чтобы соединиться друг с другом, ядра должны преодолеть кулоновские силы отталкивания, которые становятся очень большими, когда ядра сближаются. Эти силы будут наименьшими для ядер, имеющих наименьший заряд. Наименьшим зарядом из всех ядер обладают ядра водорода и его изотопов (Z=1). Именно поэтому для реакций синтеза наиболее важны дейтерий и тритий. Оказывается, чтобы преодолеть силы кулоновского отталкивания и соединиться, ядра должны обладать энергией примерно 0,01-0,1 Мэв. Такой средней кинетической энергии частиц соответствует температура около 100 миллионов— 1 миллиарда градусов! А это больше, чем температура даже в недрах Солнца! Из-за того что реакции синтеза происходят при очень высоких температурах, их называют термоядерными. (Реакции же деления тяжелых ядер происходят при обычных, комнатных температурах.)

   При температурах в миллионы и сотни  миллионов градусов нейтральные  атомы или молекулы уже не могут  существовать, они полностью ионизируются. Таким образом, термоядерные реакции  могут проходить только в высокотемпературной плазме.

   Термоядерные  реакции могут быть источником энергии, если выделение энергии будет  больше потерь энергии. Тогда, как говорят, процесс синтеза будет самоподдерживающимся.

   Температуру, при которой это происходит, называют температурой зажигания или критической температурой. Для реакций DT (дейтерий—тритий) температура зажигания составляет около 45 миллионов градусов, а для реакции DD (дейтерий—дейтерий) — около 400 миллионов градусов. Таким образом, для протекания реакций DT нужны гораздо меньшие температуры, чем для реакций DD. Поэтому исследователи плазмы отдают предпочтение реакциям DT, хотя тритий в природе почти не встречается, а для его воспроизводства в термоядерном реакторе надо создавать особые условия.

   Теперь  встает вопрос о том, как удержать плазму в какой-то установке —  термоядерном реакторе — и нагреть  ее так, чтобы начался процесс  синтеза. Мы уже знаем о способах удержания плазмы магнитным полем  и об основных типах ловушек плазмы (прямая труба, в которой частицы  удерживаются собственным магнитным  полем — пинч; стелларатор и  ловушки с магнитными пробками). 

   Ясно, что, чем выше плотность частиц, тем  чаще они сталкиваются друг с другом. Поэтому казалось бы, что для осуществления  термоядерных реакций надо иметь  плазму, плотность которой была бы равна плотности газа в обычных  условиях порядка 10²⁵ частиц/м³. Но такой плотности при термоядерных температурах соответствует колоссальное давление — около 10¹² н/м², которого не сможет выдержать ни одно техническое устройство! При давлениях же порядка десятков атмосфер термоядерная плазма должна быть сильно разреженной (порядка 10²¹ частиц/м³). Однако в разреженной плазме уменьшается число соударений частиц друг с другом. Чтобы в этих условиях могла поддерживаться термоядерная реакция, надо увеличить время пребывания частиц в термоядерном реакторе. В связи с этим удержательная способность ловушки характеризуется произведением плотности частиц n на время t их удержания в ловушке. 

   Оказывается, что для реакции DD 

   nt> 10²², 

   а для реакций DT 

   nt> 10²⁰. 

   Отсюда  видно, что для смеси дейтерия при n=10²¹ частиц/м³ время удержания должно быть больше 10 сек; если же n=10²⁴ частиц/м³, то время удержания будет больше 0,01 сек.

   Для смеси дейтерия с тритием при  n=10²¹ частиц/м³ время удержания больше 0,1 сек, а при n= 10²⁴ частиц/м³ это время больше 10^-4 сек. Таким образом, при одинаковых условиях время удержания в реакциях DT должно быть меньше, чем в реакциях DD. Это опять показывает, что реакцию DT легче осуществить, чем реакцию DD. Вы видели, какие огромные трудности связаны с удержанием горячей плазмы в магнитных ловушках. Это - в основном бесконечные неустойчивости плазмы. Для борьбы с ними придумывают новые типы ловушек (как ловушки с встречными полями) или дополняют основные типы ловушек, особенно пробкотрон, различными вспомогательными магнитными полями, которые могли бы надежно «опутать» плазму своими невидимыми сетями и не дать ей возможности выскочить. На этом пути уже достигнуты большие успехи.

   Получить  горячую плазму в ловушке можно  двумя путями: плазму, уже захваченную  ловушкой, нагревать каким-то способом или в приготовленную ловушку  впускать (инжектировать) достаточно быстрые  заряженные частицы. Рассмотрим сначала  первый путь. Допустим, что в «пробкотроне»  заперта плазма с невысокой температурой. Вспомните механизм ускорения космических  частиц по Ферми. Этот принцип ускорения  частиц можно использовать для нагрева  плазмы в установке.

   Если  медленно сближать «пробки» ловушки  и одновременно сжимать плазму, увеличивая напряженность магнитного поля, то частицы в ловушке приобретут большую энергию, и плазма нагреется.

   Рассмотрим  теперь второй путь. Это метод инжекции быстрых частиц. Задача введения быстрых  частиц внутрь сильного магнитного поля и удержания их там связана  с определенными трудностями. Ведь любая заряженная частица, попав  в постоянное магнитное поле и  двигаясь перпендикулярно линиям индукции, делает в поле полный оборот и возвращается в исходную точку, если не изменить ее траектории внутри магнитного поля. Один из способов изменения траектории инжектируемой частицы внутри ловушки основан на диссоциации молекулярных ионов. Если однократно ионизованные молекулы например дейтерия, попадают в ловушку, то они могут диссоциировать на атомах остаточного газа. При этом молекулярный ион дейтерия превращается в атомарный ион дейтерия и нейтральный атом дейтерия или в два атомарных иона и один электрон: 

   Так как масса атомарного иона дейтерия D⁺ в два раза меньше массы молекулярного нона D⁺₂, то и радиус его вращения в магнитном поле также вдвое меньше, и, следовательно, атомарный ион остается в ловушке (рис. 16). На таком принципе основана, в частности, работа самой большой советской магнитной ловушки «Огра», построенной в 1958 г. Молекулярные ионы дейтерия с очень большой энергией создаются специальным устройством, которое называют плазменной пушкой или инжектором. Она в принципе работает так же. как уже рассмотренный выше плазменный двигатель. Современные плазменные пушки позволяют получать сгустки ионов водорода или дейтерия, вылетающие с огромной скоростью — 300—500 км/сек.

Рис.16 

   Конечно, это не единственные способы получения  горячей плазмы; плазма нагревается, например, при диффузии противоположных  магнитных полей, при прохождении  ударной волны и т.д. В последнее  время исследуются возможности  использования мощного лазера для  нагревания до термоядерных температур очень малого объема плазмы. В такой  подожженной, как спичкой, плазме должна, по замыслу, дальше непрерывно протекать  термоядерная реакция синтеза. Но все  это — дело будущего.

   Ученые  надеются, что в конце концов удастся  овладеть тайной управляемой реакции  термоядерного синтеза. И тогда  человечество получит неиссякаемый источник энергии на многие миллионы лет!.. 

4) Плазма во вселенной. 

   Знания  о звездах, планетах и туманностях  пока получают главным образом путем  исследования их излучения. Однако это  очень трудная задача, так как  большая доля излучения оказывается  недоступной для наблюдения. Земная атмосфера не пропускает излучение, длина волны которого меньше 2900 Å. В инфракрасной же области спектра  значительная доля излучения задерживается  содержащимися в атмосфере водяными парами. Кроме того, непосредственно  удается наблюдать только самые  внешние слои Солнца и звезд. Недра  же Солнца и звезд оказываются  полностью скрытыми от наблюдателя. Выводы о физических условиях в глубинных  слоях небесных светил можно сделать  лишь на основании только общих физических закономерностей и, в частности, закономерностей физики плазмы. Таким  путем удается установить структуру, строение и температуру звездных атмосфер, состояние недр звезд, а  также условия, которые существуют в газовых туманностях и в  межзвездном пространстве. В настоящее  время с развитием астрофизики  и, в частности, радиоастрономии  открылись новые возможности  для изучения природы звезд и  межзвездной материи. 

   А) Откуда Солнце и звезды черпают свою энергию? 

   Сначала существовало представление, что источниками  энергии на Солнце и звездах служат химические реакции. Однако это предположение  было полностью отвергнуто учеными  еще в XVII в. Первое научное объяснение очень высокой температуры звезд  и Солнца было выдвинуто около 100 лет назад немецким ученым Гельмгольцем. Он предположил, что очень высокая  температура Солнца обусловлена  действием сил тяготения. Давайте  представим себе громадное газовое  облако с массой, примерно равной массе  Солнца, но в миллионы раз превосходящее  его по своим размерам. Пусть эта  масса газа достаточно удалена от остальных частей Вселенной. В силу закона всемирного тяготения облако будет постепенно сжиматься. Уменьшение объема должно вызвать повышение  температуры и плотности газа. Наконец, в результате очень сильного сжатия в центральной части первоначального  газообразного облака начнется конденсация, т.е. переход вещества из газообразного в жидкое и затем даже в твердое состояние. С помощью таких простейших рассуждений Г.Гельмгольц показал, что существует возможность объяснения достаточно продолжительного периода существования Солнца.

   После открытия радиоактивности была обнаружена недостаточность теории Гельмгольца. Дело в том, что по расчетам Гельмгольца  Солнце при той интенсивности  излучения, которая имеется в  настоящее время, могло бы существовать 10—40 миллионов лет. Однако после  открытия явления радиоактивности  был установлен возраст Земли. Эта  оценка была выполнена по тому количеству урана и продуктов его распада, которое имеется в земной коре. Оказалось, что Земля существует не менее пяти миллиардов лет. Отсюда стала полностью понятна недостаточность  объяснения, данного Гельмгольцем.

   Источником  энергии Солнца и звезд нельзя считать также и имеющиеся  на них в достаточном количестве радиоактивные вещества. После того как ученые установили закон радиоактивного распада, стало ясно, что, если бы энергия  Солнца была обусловлена радиоактивным  распадом, это время существования  Солнца было бы даже меньше того, которое  давала теория Гельмгольца.

   Успехи  в области физики позволили разрешить  в дальнейшем проблемы источников солнечной  и звездной энергии. Оказалось, что  объяснение, данное Гельмгольцем, не является столь уж и плохим. Необходимо было только с помощью новейших данных науки уточнить и дополнить первоначальную теорию Гельмгольца.

   Благодаря очень высоким температурам и  давлениям, существующим внутри Солнца и звезд, атомы всех элементов  должны быть почти полностью ионизованы.

   Это создает необходимые условия  для протекания в недрах звезд  и Солнца реакций синтеза легких ядер — термоядерных реакций. Именно термоядерные реакции являются основным источником энергии Солнца и звезд  и происходят в их недрах в огромных масштабах.

   Термоядерные  реакции приводят к освобождению огромной энергии и связаны с  превращениями одних элементов  в другие. 

   Б) Как «устроено» Солнце? 

   По  современным представлениям, Солнце состоит из ряда концентрических  сфер, или областей, каждая из которых  обладает специфическими особенностями. Схематический разрез Солнца показывает его внешние особенности вместе с гипотетическим внутренним строением. Энергия, освобождаемая термоядерными реакциями в ядре Солнца, постепенно прокладывает путь к видимой поверхности светила. Она переносится посредством процессов, в ходе которых атомы поглощают, переизлучают и рассеивают излучение, т.е. лучевым способом. Пройдя около 80% пути от ядра к поверхности, газ становится неустойчивым, и дальше энергия переносится уже конвекцией к видимой поверхности Солнца и в его атмосферу.