"ТЕРМОЯД" В ПЛАЗМЕННОМ ШНУРЕ
А. ПЛОТНИКОВ
Первая в мире советская атомная электростанция положила начало использованию прирученной атомной энергии. Следующий рубеж, который настойчиво штурмуют советские физики, - управляемая термоядерная реакция.
Проблемой термоядерного синтеза занимаются многие научные коллективы. В Институте физических проблем АН СССР такие исследования ведутся под руководством академика П. Л. Капицы. Итог более чем десятилетней деятельности - открытие и исследование плазменного шнура с высокой температурой электронов, - шнура, который мог бы стать основой термоядерного реактора будущего. Но прежде, чем познакомиться с этим проектом, читателю полезно узнать, почему в реакторе НУЖНА ВЫСОКАЯ ТЕМПЕРАТУРА Закон сохранения массы, к которому мы так привыкли в повседневной жизни, отказывается работать, если речь идет о фишке микромира. Масса атомного ядра, оказывается, не равна сумме масс протонов, и нейтронов - этих кирпичиков, из которых построено любое ядро, -, а несколько меньше этой суммы. У физиков эта разница получила даже специальное название - «дефект массы». Вы удивлены? Дело в том, что масса прочно связана с энергией знаменитым соотношением Эйнштейна Е = mc2. Вот теперь понятно, куда «исчезнет» дефект массы, если мы попытаемся синтезировать ядро атома из более мелких частиц. Просто он перейдет в энергию, которая выделится в результате такого превращения. Реакция слияния легких атомных ядер в более тяжелые называется термоядерной реакцией, или «термоядом», как выражаются иногда физики. Чем больше разница масс «кусков» и «целого», тем больше термоядерной энергии мы сможем получить. Одна из наиболее «выгодных» в этом отношении реакций - синтез ядер гелия из ядер дейтерия - тяжелого водорода. Итак, для того, чтобы получить море энергии, нужно только научиться прилеплять одно ядро дейтерия к другому. Можно ли это сделать? Любой школьник, изучающий физику, знает, что два положительно заряженных тела (а ядра дейтерия заряжены положительно) ни за, что на свете не захотят составить друг другу компанию. Правда, школьная физика описывает поведение макроскопических, то есть больших, тел, а здесь ядра атомов. Представьте, что вы катнули металлический шарик по гладкому столу, и поставили на стол магнит, который тянет шарик в обратную сторону. Шарик начнет замедлять свой ход, а затем покатится обратно, к магниту. Так же будет, и с одинаковыми зарядами двигаясь навстречу друг другу, они будут замедляться, остановятся, а затем разлетятся в разные стороны. А что, если вы катнете шарик быстрее, так, что, не успев остановиться под действием магнита, он просто свалится со стола, вступит в действие «новая» сила - притяжения Земли? Оказывается, подобная сила есть, и при ядерном взаимодействии, только ее влияние начинает сказываться лишь на очень маленьких расстояниях между ядрами, на таких, где ядерные силы превосходят электрические. Тогда-то, и происходит нужное нам слипание. Событие это начинает новую страницу в жизни ядра, как падение со стола в жизни шарика Но, чтобы прорваться до такого критического расстояния вопреки силам электрического отталкивания, ядра должны двигаться достаточно быстро. Средняя скорость движения атомов вещества (а стало быть, и ядер) тем больше, чем больше температура вещества. Вот поэтому-то для осуществления термоядерной реакции нужно эту температуру поднять выше некоторого порога, равного сотням миллионов градусов. Такую температуру научились «готовить» в термоядерных бомбах. Роль печки выполняет обыкновенная атомная бомба. Но термоядерная реакция, которая протекает в бомбе, неуправляемая, и может принести только разрушения. Значит, нагрев вещества до нужной температуры следует осуществить другим способом, таким, чтобы можно было регулировать выход энергии из реактора. В лаборатории П. Л. Капицы был исследован один из таких способов, и его основа ШНУРОВОЙ ПЛАЗМЕННЫЙ РАЗРЯД Как он возникает, рассказывает рис. 1. Поле внутри резонатора «раздевает» часть атомов газа отрывает электрон, а то, и другой от нейтрального атома, и превращает его в положительно заряженный ион. Газ, в котором концентрация свободных ионов, и электронов достаточно высока, называется плазмой. По поверхности плазменного шнура в такт полю начинает течь переменный ток. Чем больше величина поля, тем сильнее ток, и тем больше скорость движения заряженных частиц ионов, и электронов. Значит, можно говорить, что температура плазмы повышается. Но электроны значительно легче ионов, и разогнать их проще. Поэтому в таком разряде будут две температуры электронная, и ионная, и первая будет существенно больше. В опытах II. Л. Капицы удалось получить электронную температуру порядка миллионов градусов Это может показаться удивительным. Ведь электроны - очень юркие, и проворные частицы, - они могли бы легко убежать из шнура, прихватив с собой нужную нам температуру. А тут в разряде сохраняются миллионы градусов! Оказывается, природа сама позаботилась о теплоизоляции плазмы. Дело в том, что плазма бывает горячая, и холодная. Конечно, эпитет «холодная» употреблен здесь в относительном смысле. Тысячи градусов - какой уж там холод! Но именно такое облачко холодной плазмы оберегает высокую температуру горячей сердцевины шнура. Электроны рады бы убежать, и они действительно проникают в окружающий слой холодной плазмы глубже, чем менее подвижные ионы. Но при этом происходит пространственное разделение зарядов, отрицательных - электронных, и положительных - ионных, и возникающие силы электрического притяжения берут электроны «за шиворот», и втягивают их обратно. Получается, что электроны просто отскакивают от «холодного» облачка, как мячик от стенки. Вроде бы все просто, и естественно. Но то, что электроны не нужно изолирован, как раз, и является главным достоинством плазменного шнура потери температуры за счет электронного теплообмена - одна из основных проблем термоядерного синтеза, если не самая основная. Значит, с электронами все в порядке. Но ведь нас больше интересуют ионы, в середине которых, и находятся нужные для реакции ядра. Именно их мы должны нагреть до высокой температуры. Конечно, часть необходимой энергии ионы получат от высокочастотного поля, но, как мы уже заметили, из-за их громоздкости эта часть энергии недостаточно велика. Что-то ионы получают от электронов в результате теплообмена, но обмен этот сильно ослабевает с ростом температуры. Нужно, стало быть, найти механизм, накачивающий температурой именно ионы. П. Л. Капица предлагает использовать для этого магнитоакустические колебания горячей плазмы. Суть дела вот в чем. Если разряд поместить в продольное магнитное поле, постоянное по величине, и в том же направлении возбудить переменное магнитное поле (см. рис. 2) с такой частотой, чтобы оно не очень глубоко проникало в плазму, то переменное поле вызовет в шнуре азимутальный ток, который будет осциллировать по тоненькому поверхностному слою разряда. И, взаимодействуя с постоянным магнитным полем, этот ток будет сжимать и разжимать шнур с частотой собственных колебаний. Величина добавки давления будет тем больше, чем интенсивнее, и постоянное и переменное магнитное поле. Колебания ионов будут распространяться внутрь шнура. Вполне возможно, что при этом их энергия будет переходить в тепловое движение ионов плазмы. А это, как раз то, что нам надо. Следует, правда, заметить, что характер этой передачи энергии пока точно не установлен. Свободно парящий плазменный шнур, получаемый в лаборатории П. Л. Капицы, не так уж велик, и энергия, которой пополняется плазма в результате магнитоакустических колебаний, слишком мала, чтобы ее можно было обнаружить. Однако мощность, подводимая к нонам, пропорциональна объему, в котором поглощаются магнитоакустические колебания, а теплоотдача пропорциональна поверхности. II если увеличивать размеры разряда, то объем будет расти быстрее, значит, и ионная температура будет возрастать, и можно надеяться, что в конце концов она достигнет нужной величины. Но это в будущем. А пока предстоит преодолеть еще немало трудностей. Многие из них невозможно сразу представить «на бумаге», они появляются только в ходе опыта, поэтому главное в работе лаборатории П. Л. Капицы ЭКСПЕРИМЕНТ Глядя утром сквозь оконную раму на термометр, думаете вы об этом или пег, но вы ставите физический эксперимент. То есть измеряете характеристику вещества - температуру, пользуясь физическим свойством вещества, связанным с этой характеристикой - тепловым расширением. Когда нужно определить температуру горячей плазмы, никому, конечно, по придет в голову пользоваться градусником при температуре в миллионы градусов он просто испарится. Значит, нужно воспользоваться, какими-то другими свойствами вещества, зависящими от температуры. Наиболее удобны здесь спектральные исследования. Вам просто нужно померить излучение плазмы. Излучает она лишь волны определенной длины. По ширине спектральной линии, соответствующей, какой-нибудь длине волны, можно определить плотность заряженных частиц, а из нее - температуру плазмы. Кажется, все просто. Но. Одна и та же электронная плотность может соответствовать совершенно различным температурам. Так, если предположить, что плазма, полученная в Физической лаборатории Академии наук, горячая, то есть полностью ионизована, то электронная температура - миллионы градусов. А если считать плазму лишь частично ионизованной, то эта температура-только тысячи градусов. Просто формулы, по которым определяется температура в этих двух случаях, различны. И для того, чтобы пользоваться той или другой, нужно знать, с чем имеешь дело. Поэтому экспериментатор должен очень отчетливо представлять всю физическую суть происходящего явления. Как убедиться горячая плазма или холодная•> Нужно проверить, какие-то другие ее свойства. Высокая электропроводность, существенное влияние магнитного поля на структуру шнура, высокая интенсивность излучения в глубоком ультрафиолете - все это подтвердило, что в реакторе горячая плазма. Как видите, чтобы получить одну только цифру, нужно произвести немало измерений. К тому же на каждом шагу природа, возмущенная вашим любопытством, может поставить «подножку». Скажем, слой холодной плазмы, который оберегает высокую температуру электронов, так ярко светится в видимой области спектра, что засвечивает всю картину излучения горячей, внутренней части шнура, и вы не можете вести измерения в удобном оптическом диапазоне. Приходится пользоваться невидимым крайним ультрафиолетом. Чтобы горячая плазма не всплывала и не прилипала к потолку резонатора, ее пришлось вращать. В конфликте между архимедовой силой, пытающейся выкинуть легкий шнур вверх, и центробежной силой, старающейся удержать шнур на оси вращения, то есть посреди резонатора, был достигнут некоторый компромисс, и положение шнура стало более устойчивых, Чтобы в мощном поле разряд не извивался змеей внутри резонатора, пришлось перейти от одного тина электромагнитных колебаний к другому. Л это существенная переделка оборудования. «Непредвиденные обстоятельства» будут, и дальше появляться в работе с ростом установки. Будут, потому, что их просто нельзя предвидеть. Ведь эти эксперименты - первые шаги. И с каждым шагом разрешаются старые трудности, появляются новые, и повышается температура плазмы. Конечно, успехи физиков-термоядерщиков пока довольно скромны. Мощности невелики, как, и температура. Но главное, уже теперь на основе изученных свойств плазмы - хоть и недостаточно, но все же горячей - можно предсказать, что будет твориться в термоядерном реакторе будущего. П. Л. Капице пришлось для этого экстраполировать результаты исследований плазменного разряда объемом 10 см3 на шнур горячей плазмы в несколько кубометров. Так был рассчитан ТЕРМОЯДЕРНЫЙ РЕАКТОР Реактор этот замкнутого типа, то есть он выделяет ровно столько энергии, сколько требуется, чтобы «накормить» все генераторы, и магнитные катушки необходимой для поддержания разряда мощностью. Размеры установки, как видно из масштаба рисунка, при этом оказываются весьма внушительными. А для того, чтобы заставить реактор генерировать полезную мощность, их придется увеличивать. Энергия высокочастотного магнитного поля подается в реактор по волноводу. Магнитоакустические колебания шнура возникают благодаря мощности, подводимой в специальную катушку. Катушка эта помещается в резонаторе так, чтобы разряд зажигался внутри нее. Теперь обеспечено переменное магнитное поле вокруг шнура. Направлено оно вдоль оси резонатора. Сильное постоянное магнитное поле создается соленоидом-тоже катушкой, которая охватывает весь контейнер реактора. Величины всех полей подобраны таким образом, чтобы в плазме шнура шла термоядерная реакция. В ходе реакции появляется энергия, которая разогревает дейтерий в резонаторе до температуры Т. Дейтерий, разогретый до этой температуры, под давлением Р обрушивается на лопатки газовой турбины, заставляет её вращаться и приводить в движение электрогенератор, и компрессор, насаженные вместе с турбиной на один вал. Генератор питает током магнитные катушки, а также источник высокочастотного электромагнитного поля, то есть его энергия вновь «замыкается» на шнуровой разряд. А компрессор принимает из турбины «обессилевший» дейтерий с более низкими температурой То и давлением Ро, и изотермически сжимает его до давления Р. Постоянная температура при сжатии поддерживается благодаря освежающему действию водяного охлаждения. Из компрессора газ направляется в реактор, чтобы снова нагреться до температуры Т и повторить этот цикл еще, и еще раз. Если же мы захотим получить на выходе генератора больше электроэнергии, чем требуется для поддержания реакции, то, как уже писалось, этого можно добиться увеличением размеров реактора - и не только этим. Следует одновременно поднимать давление дейтерия в резонаторе, и интенсивность магнитного поля. Но это в будущем. А сейчас предстоит еще не один год, может, не один десяток лет кропотливых испытаний, чтобы постепенно, шаг за шагом подобраться к построению хотя бы такого «замкнутого» реактора. Пока это только проект.
Читайте в любое время
