книги из ГПНТБ / Рыдник В.И. Четвертое состояние вещества

(уменьшить возможность Прорыва сгустков, прихо­ дится менять форму ловушки так, чтобы стенки ее были уже всюду не выпуклыми, а вогнутыми. В раз­ резе форма магнитного поля такой ловушки напо­ минает бубновый туз. Магнитные стенки подобной формы, как думают ученые, лучше отражают сгуст­ ки. Поэтому .наиболее рациональную форму лову­ шек должны подсказать дальнейшие экспери­ менты.

Но заключить плазму в ловушку — этого еще мало, надо ее и нагреть. При этом напреть быстро, чтобы плазма не успела уйти из-за соударений ча­ стиц. Роль нагревательного насоса в магнитной ло­ вушке предназначается ее пробкам. При быстром вдвигании их в ловушку, то есть резком измене­ нии конфигурации магнитного поля в ловушке, мож­ но добиться резкого повышения температуры плаз­ мы— совсем как при вдвигании поршня в цилиндр велосипедного насоса. Вспомним, что, когда вело­ сипедист накачивает воздух в шину, насос разогре­ вается. Некоторые ошибочно полагают, что причи­ ной нагревания насоса является трение в нем. Но дело в другом: насос сжимает воздух в камере быстрее, чем тепло, выделяемое воздухом при сжа­ тии, успевает выйти че,рез стенки цилиндра насоса; температура воздуха повышается, что передается и стенкам насоса.

Есть основания думать, что очень быстрым сжа­ тием плазмы можно поднять ее температуру до де­ сятков и сотен миллионов градусов.

Операцию выдвигания пробок можно в принци­ пе осуществить почти при любой форме ловушки. В частности, ей можно придать форму восьмерки, в которой магнитное поле скручено в жгут; в двух ме­ стах магнитного поля сделаны пробки. Быстро

90

Внешний вид советской тороидальной камеры «Альфа».

сближая «горлышко» и «дно» плазменного насоса, можно сильно разогреть плазму.

Есть еще одна возможность. Запертую в магнит­ ной ловушке плазму можно разогревать, впрыски­ вая в нее быстрые, «горячие» посторонние частицы. Что при этом происходит? Влетая в плазму, эти ча­ стицы начинают сталкиваться с частицами плазмы и передают им свою энергию. Эта энергия может быть довольно большой: ионы водорода даже на небольших современных ускорителях могут быть разогнаны до энергий, соответствующих температу­ рам в триллионы градусов. Правда, энергия, пере­ даваемая ими плазме, определяется не только са­ мой энергией ионов, но и их числом, которое обыч­ но гораздо меньше числа частиц в плазме. Но даже если число водородных ионов в тысячу раз меньше числа плазменных частиц, то при температуре ио-

Советская камера «Огра».

нов в триллион .градусов они смогут разогреть плаз­ му за время пребывания в ней уже до миллиарда градусов. Сейчас разработаны различные ускори­ тели, которые могут создавать мощные потоки час­ тиц, но с энергией, лишь несколько большей 1000 электронвольт на частицу. При этом способе са­ мое трудное захватить, удержать на долгое время быстрые частицы в плазме, чтобы их энергия успе­ ла перейти в тепло.

Сегодня магнитные «ловушки все еще не герме­ тичны. Вследствие же вытекания плазмы через пробки температура, при которой может начаться термоядерный синтез с положительным выходом энергии, значительно увеличивается. Однако такой способ разогрева плазмы — один из самых много­ обещающих. По этому принципу устроена совет­ ская камера «Огра» — самая крупная термоядер­ ная установка. Ученые ведут интенсивные работы в этом направлении и в первую очередь ищут спосо­

92

бы герметичнейшей закупорки плазмы. Если . это будет достигнуто, то наука очень сильно приблизит­ ся к заветной цели — возбуждению управляемой термоядерной реакции.

Наконец, предложен еще один проект разогрева плазмы, надежно укутанной в магнитную «шубу», до сверхвысоких температур. Вспомним шаровую молнию, этот ярко светящийся плазменный шар. За счет чего поддерживается огромная температура в этом шаре? Мы назвали одно «з наиболее убеди­ тельных предположений: о питании шаровой мол­ нии за счет энергии радиоволн, излучаемых грозо­ выми разрядами.

Существование шаровах молний в течение не­ скольких секунд и даже минут ясно говорит о том, что энергия в плазму здесь подводится медленно.

Почему бы плазму, герметично закупоренную в магнитной ловушке, не нагревать энергией мощных генераторов радиоволн? К сожалению, пока еще не очень хорошо известно, как плазма «усваивает» этот вид энергии. Но эта возможность внимательно исследуется учеными.

С каждым годом растет эффективность методов нагрева плазмы до огромных температур, рождают­ ся все новые «рекорды» нагрева, и, видимо, уже сильно приблизился к нам тот день, когда ученым наконец удастся возбудить в плазме мирно проте­ кающую термоядерную реакцию.

ОТ ТЕРМОЯДЕРНОЙ — К ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ

Как вырабатывается электрический ток на обыч­ ной тепловой электростанции? Топливо, сгоревшее в специальных топках, выделяет тепло. Это тепло нагревает воду, проходящую по трубам, проложен­

93

ным вдоль стен топки, и превращает ее в пар. Пар поступает на лопатки турбины и приводит во вра­ щение вал, на который насажен ротор динамомаши­ ны. На роторе имеются обмотки; при вращении ро­ тора в них наводят ток сильные электромагниты, расположенные на статоре динамомашины. Мы ви­ дим, что получение тока -на электростанциях есть процесс, идущий в несколько стадий. При перехо­ дах от одной стадии к другой происходят неизбеж­ ные потери энергии, так что коэффициент полезного действия тепловых электро-станций не очень высок.

Атомные электростанции отличаются от тепло­ вых тем, что топливом в них служит весьма «кало­ рийный» уран, и еще тем, что из-за высокой радио­ активности получающийся пар нельзя пускать в турбину, а можно использовать для нагрева и пре­ вращения в пар другой воды. И здесь велики по­ тери энергии; коэффициент полезного действия пер­ вой советской атомной электростанции составлял лишь 16 процентов, то есть в полезную энергию превращается только одна шестая часть всей выра­ батываемой энергии.

А нельзя ли, скажем, на атомной электростанции превращать ядерную энергию непосредственно в электрическую? В принципе, оказывается, можно. Ученые предложили это делать так. Атомный реак­ тор должен иметь не обычную форму куба, а быть, скорее, похожим на трубную обжиговую печь це­ ментного завода. Работать в этом оригинальном ре­ акторе должна знакомая нам плазма.

Если «обратить» ди-намомашин'у и обмотки ус­ тановить в статоре, а магниты — в роторе, как это делали на заре электротехники, то ровным счетом ничего не изменится. Далее, не все ли равно обмот­ кам, какое магнитное поле движется мимо них: с-оз-

94

дается ли оно вращением машитш — кусков метал­ ла— или движением заряженных частиц? Конечно, все равно. Значит, ротор можно заменить движу­ щейся плазмой. На этом и основан принцип описы­ ваемого реактора. -По-видимому, он будет работать

так.

С одного конца трубы насосы впрыскивают в особый отсек газообразное соединение урана. Газ уплотняется, масса его растет и наконец достигает критической величины, при которой внем начинает­ ся реакция деления ядер урана. Выделяющаяся при этом энергия быстро нагревает газ и превраща­ ет его в плазму, после чего устремляет облако плазмы вдоль трубы со скоростью -около полутора километров в с-екунду. -На другом конце трубы имеется такой ж-е отсек; к моменту, когда облако плазмы достигает этого отсека, в нем производится встречный взры-в, и плазма проносится но трубе- в обратном направлении. Восприемником магнитных полей носящейся в трубе плазмы служит проволоч­ ная -катушка, навитая снаружи на трубу. При дви­ жении -плазмы в ней возбуждается электрический

ток.

Пока это, однако, лишь идея. Реализация тако­ го проекта встречает ряд серьезных затруднений технического характера. Материал стенок трубы и отсеков должен выдерживать -огромные температу­ ры и давления, возникающие даже при црошечных взрывах газообразного урана.

Заглянем в будущее. Как можно использо­ вать термоядерную энергию? Термоядерный реак­ тор, когда удастся получить управляемую реакцию, можно -было бы построить в точности по этому принципу. Как легко понять, температуры и давле­ ния в термоядерной плазме еще во много раз боль-

95

ше, чем в (урановой плазме, но трудностей со стен­ ками здесь не возникает: ведь плазма находится в магнитной ловушке. Разогревалась (бы она ,не ура­ новыми взрывами, а термоядерной реакцией, кото­ рая выделяет в плазме энергию при высокой тем­ пературе. Восприемником этой энергии, превращен­ ной в энергию магнитного поля бешено носящихся частиц плазмы, может служить проволочная обмот­ ка разрядной камеры, так же, как и в описанном выше реакторе.

Прием термоядерной энергии можно было бы осуществить и по-другому. Пусть в плазме возбу­ дилась термоядерная реакция. В результате выде­ ляющегося тепла резко возросла скорость движе­ ния частиц, плазмы, а значит, и их собственные маг­ нитные поля. Легко понять, что плазменное магнит­ ное поле будет работать против магнитного поля ловушки. В первые несколько мгновений в этой борь­ бе полей победит поле ловушки, но затем верх возь­ мет поле плазмы, которое станет много сильнее внешнего поля. В обмотках появится встречный ток, куда более сильный, чем тот, который сдерживал плазму.

Прорвав ловушку, плазма расширится, достиг­ нет стенок камеры, температура ее быстро снизит­ ся, и термоядерная реакция затухнет. Внешнее поле опять загонит плазму в ловушку, снова сожмет ее; опять возбудится в ней термоядерная реакция, опять плазма вырвется из ловушки; и снова по об-* моткам реактора пройдет могучий импульс электри­ ческого тока. И так снова и снова. В этом «пуль­ сирующем» термоядерном генераторе нет ни-кот­ лов, ни турбин. Вода в нем не нагревается — она сама нагревает, сама дает электрический ток!

Не все ученые склонны оптимистически смот­

96

реть на сегодняшнее положение дел в этой об­ ласти.

Может действительно показаться, что они от­ части правы; уже более десяти лет во всем мире ве­ дутся работы по управляемым термоядерным реак­ циям, а решающего успеха все нет.

В чем же заключается основная трудность? В неустойчивости, вернее, в великом множестверазличных видов неустойчивости сильно нагретой плаз­ мы. Видимо, — ив этом мы уже убедились по пре­ дыдущему рассказу, ,— не так трудно будет разо­ греть плазму до сверхвысоких температур, как удержать эти температуры на срок, за который в массе плазмы началась бы термоядерная реакция. Неустойчивость плазмы — вот тот высочайший барьер, который преграждает ученым путь к желан­ ной цели.

Академик Л. А. Арцимович сказал на Зальц­ бургской конференции по термоядерному синтезу, состоявшейся в сентябре 1961 года: «Сейчас всем ясно, что первоначальные предположения в том, что двери в желанную область сверхвысоких тем­ ператур откроются без скрипа при первом же мощ­ ном имлульсе творческой энергии физиков, оказа­ лись столь же необоснованными, как и надежда грешника войти в царство небесное, минуя чисти­ лище». Сейчас физики и находятся в таком «чисти­ лище». Но вое же они ни в малейшей мере не теря­ ют оптимизма. Ну, сколько барьеров может поста­ вить природа на их путл? Пусть много, пусть даже очень много, но не бесконечное же множество! А это и означает: все энергичнее атаковать при­ роду, — и тогда рано или поздно падут все барьеры.

97

за год электроэнергии на каждого человека лишь 500 киловатт-часов. Даже если предположить, что энерговооруженность человечества увеличится в де­ сятки тысяч раз, запасов дейтерия на земном шаре человеку хватит на многие миллионы лет.

Таковы перспективы, которые открывает про­ мышленное освоение термоядерных реакций.

...Где-нибудь на берегу ручья вырастет неболь­ шая термоядерная электростанция. Она полностью автоматизирована. Вода поступает в опреснитель, где из нее удаляют растворенные соли. Затем вода направляется в специальную уста­ новку, где от обычной воды отде­ ляется тяжелая вода. Следующий этап ■— тяжелая вода подается в электролизную камеру: здесь отде­ ляются кислород и дейтерий. Кисло­ род в реакции не нужен, он выпу­ скается в воздух. Дейтерий посту­ пает в баки, откуда по мере на­ добности впрыскивается в разряд­ ную камеру. Раз в несколько лет на электростанцию привозят тритий.

Бесшумно бушует в разрядной ка­ мере плазма, толчками выбрасывая электрический ток в провода высо­ ковольтной линии передачи.(Несется ток к потрабител я м.

Какие чудес­ ные измене­ ния он вызо­ вет в жизни человека!

99