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

секунд, и тогда потребная мощность в сотни раз уменьшится.

Для этой цели нет нужды строить сверхмощные электростанции; необходимо только сконструиро­ вать аппаратуру для получения высоких напряже­ ний и одновременно сильных токов на малое время, иными словами, аппаратуру для создания искусст­ венных молний. Такая аппаратура занимает огром­ ный зал, от пола до потолка заставленный мощными трансформаторами и конденсаторными батареями.

Нажимается кнопка, и в разрядную камеру бьет «молния» напряжением в несколько десятков тысяч вольт и током в сотни тысяч и даже милли­ оны ампер. В плазме выделяется огромная мощ­ ность в десятки и сотни миллионов киловатт, сравнимая с мощностью настоящей молнии!

Как выглядит «молния» в банке? Она очень по­

камере ток идет по одному каналу, а не рыскает в поисках легкого пути, как в молнии.

Во почему разряд имеет форму шнура? Ведь выделение энергии электрического разряда проис­ ходит во всем объеме плазмы. Чтобы понять это, надо вспомнить опыт, 'поставленный еще более сот­ ни лет назад английским физиком Фарадеем. Уче­ ный помещал рядом два параллельных проводника и пропускал по ним токи одинакового направления. Проводники немедленно притягивались друг к друпу. То же происходит и в плазме: под действием поля разряда частицы ее начинают двигаться па­ раллельно друг другу, и вызванные этим движени­ ем магнитные поля сближают частицы. Гигантские токи в разряде делают это сближение плазменных частиц почти молниеносным: за миллионные доли

80

секунды частицы плазмы собираются по оси разря­ да в центре цилиндра, образуя тоненькую • нить. Это и есть плазменный шнур. В нем сильно повы­ шаются давление и температура, так что шнур ис­ пускает яркий свет.

Так (получается, что плазма, разогретая электри­ ческим разрядам, сама себя изолирует от стенок камеры! Но это длится только мгновение.

Несущиеся к оси камеры частицы уже через не­ сколько миллионных долей секунды повышают свою температуру примерно до миллиона градусов. Ко­ лоссальное сжатие плазмы в шнуре при такой тем­ пературе тут же вызывает в плазме ответные силы, разбрасывающие частицы плазмы и разрушающие сам шнур. Едва заметные неоднородности шнура становятся брешью, в которую .прорываются плаз* менные силы. Шнур как бы распухает, извивается, вдоль него образуются перемычки, быстро расши­ ряясь, он вскоре касается стенок, передает им теп­ ло, а сам исчезает.

Никакой человеческий глаз не в состоянии за­ фиксировать картину событий, длящихся миллион­ ные или тысячные доли секунды. Человеку здесь помогают сверхбыстродействующие фотоаппараты, осциллографы и другие приборы. Фотоаппараты, снабженные быстровращающимися зеркалами и электровзрывными затворами, позволяют делать

. снимки с выдержками всего в одну пятимиллион­ ную долю секунды; затворы в этих фотоаппаратах срабатывают от ударной волны воздуха, вызванной взрывом тоненькой проволочки, черезкоторую про­ пускается очень сильный ток. За время существова­ ния .плазменного шнура таким фотоаппаратом можнр сделать,;десятки снимков и хорошо изучить «биографию» шнура.

В разрядную -камеру вводят и особые «щупальцы» — электрические зонды. Соединенные с записы­ вающими осциллографами, зонды позволяют реги­ стрировать полную картину поведения токов и на­ пряжений в камере, что очень важно для понима­ ния процессов, происходящих s сверхгорячей плазме.

КАК ПРОДЛИТЬ ЖИЗНЬ ШНУРА?

Первые опыты по разогреву плазмы, таким >бразом, были успешными лишь наполовину. Ученым удалось получить обнадеживающие температуры в миллион градусов, но -царство этих температур -— плазменный шнур — оказалось очень недолговеч­ ным: «восстание» частиц плазмы разрушает его до основания.

Создать надежные запоры для частиц в плазмен­ ном шнуре оказалось очень трудно. Конечно, здесь нечего и говорить о каких-либо внутренних стенках в камере. На частицы плазмы можно воздействовать только тем, чему они послушны: электрическим и магнитным полями. Ученые попробовали навить на разрядную камеру снаружи провод и пропустить по нему электрический ток. В результате камера прев­ ратилась в хорошо известную катушку, или, как ее называют физики, соленоид. Магнитное поле в та­ ком соленоиде направлено вдоль его -оси. Ожги ока­ зывает в некоторой мере упорядочивающее дейст­ вие на частицы плазмы. Опыты показали, что в каме­ рах, в которых, помимо собственно кругового маг­ нитного поля шнура, существует еще внешнее про­ дольное магнитное поле, шнур живет дольше.

Но, к сожалению, даже при сильных внешних полях продление жизни плазменного шнура оказы­ вается все же не столь значительным.

82

Благодаря целому ряду приспособлений ученые смогли значительно повысить скорость нарастания тока даже в таком кратковременном явлении, как электрическая искра; удалось также поднять ее на­ пряжение. И плазма немедленно ответила на это повышением температуры в шнуре.

И тут исследователи обнаружили удивительное явление: плазма вдруг начала испускать нейтроны. Вспомним, что это может означать: при термоядер­ ном синтезе гелиевых ядер из ядер дейтерия и три­ тия или при синтезе гелия из дейтерия должны по­ являться лишние нейтроны. Значит, уже началась термоядерная реакция?!

Но непонятно, почему она началась при темпе­ ратурах частиц, в десятки раз меньших, чем необ­ ходимо. Выходит, что это не термоядерные нейтро­ ны. Тогда какие же? Оказывается, что некоторая, очень небольшая, доля частиц плазмы ускоряется до таких энергий, что происходит описанная выше термоядерная реакция. А значит, эти нейтроны и выделяются в реакции синтеза. Их называют уско­ рительными. Сама сущность ускорительных процес­ сов пока еще скрыта от глаз ученых. Эти процессы, по-видимому, могут идти даже и не в плазменном шнуре, а в остальном объеме камеры, где темпера­ туры заведомо еще ниже. Вот когда нейтроны из

•плазмы начнут вырываться триллионами, тогда уже можно будет праздновать победу.

Температуру же плазмы становилось поднимать все труднее. Теперь в полную меру проявилось то обстоятельство, о котором мы еще не говорили. Речь идет об электродах камеры. Они служат для осуществления разряда, «введения» тока в камеру, они же являются помехой нагреву плазмы. Дело в том, что эти электроды холодные. Понадобилось

столько усилий, чтобы теплоизолировать плазму от стенок, а электроды сводят эти усилия на нет. По­ лучается так, словно человека одели в шубу, но оставили с голыми .ногами и непокрытой головой; ясно, что долго так тепла не сохранить.

И наконец, еще одно самое существенное обсто­ ятельство, приводящее к тому, что разрядные труб­ ки, о которых мы рассказываем, скорее всего не станут прообразом будущих термоядерных реакто­ ров. Описанный способ повышения температуры плазмы напоминает, образно говоря, работу плохо­ го дрессировщика в цирке. Добиваясь исполнения команды, дрессировщик бьет тигра плеткой. Тигр отвечает рычанием, а то и прыгает на человека, и

Только ожидать «послушания» от плазмы не при­ ходится. Чем сильнее удар по плазме, тем опаснее последствия. Поэтому «дрессировать»1плазму надо иными методами.

ПЛАЗМУ СВОРАЧИВАЮТ В БАРАНКУ

В первую очередь физики решили освободиться от электродов в разрядных камерах. Они стали ра­ зогревать плазму медленнее, «о не допуская, чтобы в ней были лазейки, через которые могла бы ускользнуть энергия ее нагрева.

Как же можно представить себе разрядную ка­ меру 'без электродов? Казалось бы, это так же не­ возможно, как аккумулятор без полюсов, конденса­ тор без обкладок.

Однако это не так. Вспомним устройство т.рая<с--

84

форматора: его первичная обмотка намотана на од* ну сторону рамки, .а вторичная — на другую, при­ чем, несмотря на то, что между обмотками нет ни­ какого электрического контакта, в одной иа них при изменении тока в другой «сам собой» появляется ток. Именно эта бесконтактная передача тока и привлекла ученых. Была высказана мысль устро­ ить разрядную камеру такой формы, чтобы заклю­ ченный в ней газ имел вид витка вторичной обмот­ ки трансформатора. Первичную же обмотку, по ко-: торой подавался 'бы переменный ток, можно было бы, например, намотать прямо на стенки разрядной, камеры. Камера в таком случае должна иметь вид баранки или, точнее, камеры автомобильной шины,,

стой разницей, что стенки ее сделаны не из резины,

аиз металла, а внутри находится не сжатый воз­ дух, а, напротив, разреженное газообразное термо­ ядерное горючее, которому предстоит превратиться

вплазму.

Но газовый виток — это ведь не виток провода; он не проводит тока. Однако приложенное электри­ ческое поле разгоняет немногочисленные ионы до

таких скоростей, что они будут в свою очередь иони­ зовать все молекулы на пути, и очень скоро обра­ зуется «идеальная» плазма, которая проводит электрический ток почти как металл. (Вначале про-, водимость плазмы в тысячу раз хуже проводимо­ сти меди, но при температуре в несколько миллио­ нов градусов плазма проводит ток, как медь).

Так образуется кольцевой плазменный шнур. Пока он обладает по сравнению с прямым шнуром

что с некоторыми неоднородностями, губившими шнур, можно справиться, если вдоль цилиндра на­

85

править продольное магнитное поле. В нашей ба­ ранке, которую ученые называют тором, можно бы­ ло поступить так же: намотав на тор еще одну ка­ тушку, по которой будет пропускаться уже постоян­ ный ток, в плазму можно было ввести магнитные силовые линии — невидимые круговые «рельсы», по которым двигались бы частицы плазмы. Это, несом­ ненно, повысило |бы устойчивость кольцевого шнура.

'Но этого еще мало. Не исключена еще возмож­ ность, что часть энергии плазмы все же /будет ус­ кользать чцрез стенки тора. Возникла остроумная мысль сделать так, чтобы не только сама плазма изолировала себя от стенок, :но и чтобы сами стен­ ки .отталкивали от себя плазму. Для этого .нужно, чтобы материалом стенок камеры служил металл.

Вспомним давно известное физическое явление — так называемое «соскакивающее колечко». Опыт проводится так. На железный сердечник магнитной катушки, имеющий круглое сечение, выше об­ мотки надевают легкое алюминиевое колечко. Включается ток, и колечко подпрыгивает вверх, причем довольно высоко. |В чем здесь дело? Магнит­ ные поля в сердечнике катушки вызывают появле­ ние ответных, так называемых вихревых магнитных полей в колечке, обладающих тем важным свойст­ вом, что оба эти поля — наводящее и наводимое — направлены противоположно друг другу. Результа­ том этого является взаимное отталкивание полей, сбрасывающее колечко с сердечника.

Если плазменный шнур будет двигаться к стен­ ке тора, то его магнитное поле возбудит вихревые магнитные поля в металле стенки, которые оттолк­ нут частицы обратно. В результате шнур не смо­ жет даже подойти к стенкам .металлического тора.

Так в тороидальной камере зажил непрерывный,

£6

Как ученые «дрессируют» раскаленную плазму.

1. Через газ пропускают мощный импульс электрического тока. 2. За ничтожные доли секунды электрический разряд превращает газ в ослепительный плазменный шнур. 3. Однако в шнуре очень быстро возникают ответные силы, раздувающие его, и шнур разрушается. 4. Внешнее магнитное по­ ле, введенное в плазму, позволяет повысить устойчивость плазменного шнура и тем са­ мым удлинить его жизнь. 5. Чтобы изба­ виться от электродов, охлаждающих плаз­ му, ее сворачивают в баранку. 6. Дополни­ тельное повышение устойчивости шнура создается металлическими стенками каме­ ры, отталкивающими частицы плазмы об­

ратно внутрь камеры.

Ь7

надежно запертый магнитными полами плазменный шнур. Но жизнь его все же имела конец; правда, наступал он в тысячи раз позже, чем в прямых, ци­ линдрических разрядных камерах — уже. спустя не миллионные, а тысячные доли секунды. Однако температура этого шнура 'была даже меньше, чем (Упрямого.

Тороидальные камеры явились как бы второй стадией работ на подступах к овладению термо­ ядерной крепостью. О них докладывали советские, американские и английские ученые на Второй же­ невской конференции по мирному использованию атомной энергии. Вариантами таких установок яв­ ляются советская камера «Альфа», американская установка «Стелларатор» и английская камера «Зета».

В тороидальных камерах, как и в прямых, по плазме наносится мощный электрический удар, и хотя плазма здесь «дрессируется» уже лучше, о полном подчинении ее такими способами, видимо, говорить нельзя.

Еще в процессе создания тороидальных камер у физиков родились новые идеи, которые вызвали со­ вершенно новый подход к плазме.

Хч i t

«БАЛЛОНЫ» № «НАСОСЫ» ДЛЯ ПЛАЗМЫ

Основное во всех этих идеях состоит в том, что плазму заключают в «баллон» и быстро нагревают, хотя и не так быстро, как при электрическом раз­ ряде. .

Плазменный «баллон», или, как принято его на* зывать, магнитная ловушка, нисколько не похож на обыкновенный, а представляет собой магнитное по* ле. Но это. поле уже не имеет такой (простой формы.

88

как в цилиндрической или тороидальной разрядной камере. Кроме того, нельзя было надеяться, что ча­ стицы в спокойно разогреваемой плазме сами «за­ прут» себя. Поэтому .магнитное поле нужно было приложить к плазме извне.

Мы уже знаем, что матнитное поле .может только «закрутить* частицу, но не в силах остановить ее движение. Теперь же надо подумать о том, чтобы не выпустить частицы из .магнитной ловушки. Уче­ ные предложили придать магнитному полю в плаз­ ме форму луковицы. Силовые линии такого поля, идущие довольно .широко посредине луковицы, сильно сгущаются у ее концов. Образуются как бы две пробки, которыми затыкается ловушка. Че­ рез стенки ловушки частицы плазмы пройти не мо­ гут по тем же причинам, что и в цилиндрической камере; они могут лишь скользить вдоль силовых линий между пробками. В местах же пробок части­ цы просачиваются, но гораздо медленнее, так как их слабо пропускает сгущенное магнитное поле. В результате частицы плазмы «танцуют» в ловуш­ ке, отражаясь от пробок, как от зеркал; плазма оказывается запертой довольно надежно. Но все же н’е вполне надежно. Во-первых, соударения частиц друг с другом выводят их из ловушек. Подсчитано, что в холодной плазме все частицы уйдут за мил­ лионные доли секунды. Но .горячая плазма с тем­ пературой в десятки миллионов градусов может жить в ловушке уже секунды.

Во-вторых, запертая плазма, подверженная дей­ ствующим в ней силам, иногда образует своеобраз­ ные сгустки, обладающие большой «пробивной crnojсобностью». Подойдя к выпуклой магнитной стенке луковицеобразной ловушки, такой спусток плазмы может прорвать стенку и выйти на свободу. Чтобы