книги из ГПНТБ / Левитский С.М. Плазма служит человеку

сланы на разведку к нашим ближайшим соседям по Сол­ нечной системе.

Солнце тоже имеет свою ионосферу, и притом доволь­ но мощную. Она простирается на расстояние в несколь­ ко солнечных радиусов и наблюдается во время затме­ ния в виде жемчужного свечения, окружающего Солнце и известного под названием солнечной короны. Концен­ трация электронов и ионов в короне довольно велика — порядка 108 на 1 см3, а мощные электромагнитные про­ цессы, происходящие на Солнце и в его окрестностях, на­ гревают плазму короны до 1 000 000° К- Однако из-за сравнительно низкой концентрации заряженных частиц

плазма короны почти полностью прозрачна для видимо­ го света. Ее присутствие и ее излучение обнаруживаются только в области ультракоротких радиоволн.

Ниже короны расположена «атмосфера» Солнца — так называемая хромосфера, а еще ниже ярко светящая­ ся фотосфера. Та и другая имеют температуру около 6000° К и представляют собой весьма сильно ионизиро­ ванную плазму. Мощные магнитные поля, существующие на Солнце, гонят в фотосфере и хромосфере огненные плазменные «ветры». Возмущения и завихрения, образу­ емые этими ветрами, мы наблюдаем в виде солнечных пятен и так называемых факелов.

Что происходит дальше, в глубинах Солнца, мы наблюдать непосредственно не можем, однако расчеты показывают, что в центральных областях его должны су­ ществовать давления порядка биллионов атмосфер и температуры порядка десятков миллионов градусов.

Плотность вещества в солнечных глубинах состав­ ляет около 100 г/см3— на порядок больше, чем плот­ ность твердых веществ на Земле. А плотность вещества в глубинах некоторых звезд («белых карликов») состав­

49

ляет 105—106 г/смг. Возможность такого чудовищного уплотнения вещества кажется на первый взгляд очень странной, но положение прояснится, если мы вспомним, что вещество в глубинах звезд находится в состоянии вы­ сокотемпературной плазмы. При температурах, господст­ вующих там, атомы ионизированы до конца, то есть с атомного ядра сорваны почти все электронные оболочки. Суммарный объем получившихся свободных частиц — электронов и ядер — намного меньше, чем объем исход­ ного атома, в котором электроны должны были находить­ ся на строго определенных (и в масштабах ядерной фи: зики довольно больших) расстояниях от ядра. Теперь эти оболочки разрушены и ничто не препятствует какому угодно сближению частиц плазмы. Поэтому высокотем­ пературная плазма может быть «спрессована» значитель­ но больше, чем нейтральные атомы, из которых она об­ разовалась.

Другой загадкой была природа источника энергии, за счет которой поддерживается столь высокая темпера­ тура внутри Солнца и звезд и осуществляется их излуче­ ние. В настоящее время разгадка уже найдена, и кроет­ ся она в особенностях поведения вещества в состоянии плазмы при сверхвысоких температурах.

Основную часть вещества Солнца и звезд составляет

больше, чем масса одного ядра гелия. Если бы в резуль­ тате каких-либо ядерных реакций из четырех протонов могло образоваться одно ядро гелия, то избыточная мас­ са превратилась бы согласно закону Эйнштейна в энер­ гию. В данном случае при образовании одного ядра ге­ лия выделилось бы 27 Мэе,

50

Однако пока что такая мысль о превращении водоро да в гелий выглядит весьма фантастично, и вот по каким причинам.

1) Ядро гелия состоит, как известно, из двух прото­ нов и двух нейтронов, тогда как исходным материалом в рассматриваемом нами случае являются четыре протона. Тем не менее путем длительных поисков и подбора, основанных на данных ядерной физики, ученым удалось составить такие циклы ядерных реакций, в которых че­ тыре протона, обладающих достаточно большими энер­ гиями, действительно могут образовать одно ядро гелия. Один из возможных вариантов этой реакции (так назы­ ваемый протонно-протонный цикл) записывается в виде следующей цепочки реакций:

В первой реакции два протона (Н1), объединяясь вместе, образуют ядро тяжелого водорода — дейтерия (О2). Избыточный положительный заряд при этом уносится положительно заряженной частицей-позитроном (Р+). Вероятность того, чго при столкновении двух протонов эта реакция действительно совершится, очень мала, од­ нако, учитывая огромный объем Солнца, плотность про­ тонов в его недрах и время, отпущенное природой на со­ вершение этой реакции, можно все же полагать, что такие акты слияния протонов в недрах Солнца имеют место.

Вторая реакция совершается легко; в ней образовав­ шееся ядро дейтерия сливается с протоном и появляется легкий изотоп гелия Не3.

61

В последней реакции два встретившихся ядра Не4 объединяются с образованием нормального ядра ге­ лия Не4; при этом выбрасываются два «лишних» про­

тона.

Каждая из этих реакций сопровождается выделением энергии. Наиболее «теплотворной» из них оказывается реакция II. В результате этих реакций из шести прото­ нов образуется ядро гелия; два протона при этом вновь высвобождаются, а общий выход энергии составляет как раз те 27 Мэе, о которых мы говорили выше.

Расчеты показывают, что именно этот цикл является главным источником солнечной энергии. На других — более горячих или более холодных — звездах возможны иные, более сложные циклы ядерных реакций, в которых в качестве ядерного «горючего» могут использоваться ядра как водорода, так и прочих, более тяжелых эле­ ментов.

2) Следующая трудность, с которой мы сталкиваем­ ся, пытаясь объяснить происхождение солнечной энергии за счет ядерных реакций, заключается в том, что для осуществления этих реакций требуется довольно большая начальная энергия взаимодействующих частиц. Потом, после того как ядерная реакция совершится, этот на­ чальный расход энергии будет возмещен сторицей, но сперва необходимо, чтобы ядра имели достаточную энергию для сближения на расстояние, при котором воз­ можно их взаимодействие. При сближении ядер должна преодолеваться сила их взаимного электрического оттал­ кивания — ведь оба ядра несут положительный электри­ ческий заряд.

Для осуществления ядерных реакций в лабораториях ядра разгоняются с помощью специальных ускорителей, а в недрах Солнца и звезд эти реакции происходят за

52

счет существующей там высокой температуры в десятки и сотни миллионов градусов. Впрочем следует отметить, что даже такая температура еще недостаточно высока для того, чтобы обеспечить каждому протону возмож­ ность вступить в ядерную реакцию. Однако в результа­ те многочисленных столкновений какой-нибудь из прото­ нов может случайно приобрести скорость, в несколько десятков раз превышающую среднюю скорость теплового движения при данной температуре, и тем самым станет способным вступить в ядерную реакцию, преодолев от­ талкивание положительно заряженных ядер. Такие ре­ акции, в которых для преодоления отталкивания одина­ ково заряженных ядер используется не предварительное ускорение их, а нагревание до высокой температуры, на­ зываются термоядерными.

Термоядерные реакции, происходящие в плазме при очень высоких температурах, являются дальнейшим про­ должением таких процессов, как плавление, испарение, диссоциация и ионизация. При плавлении и испарении разрушались в результате теплового движения частиц межатомные и межмолекулярные связи в твердом и жидком телах, при диссоциации разрушались внутримо­ лекулярные связи, при ионизации — внутриатомные. Те­ перь пришла очередь разрушения внутриядерных связей.

Термоядерная реакция вообще может и не приводить к выделению энергии. Однако термоядерные реакции, сопровождающиеся выделением тепла, чрезвычайно на­ поминают обычное химическое горение. Только здесь ре­ акция протекает «рангом выше» — не на уровне моле­ кул, а на уровне атомных ядер. Так, например, при хими­ ческом сжигании водорода в кислороде образуется более сложное вещество — вода, а выделившаяся энергия идет на ускорение реакции. При ядерном горении то же ис­

53

ходное топливо — водород дает «золу» в виде более сложного ядра гелия. В этом случае масштабы реакции — температура и ее теплотворная способность — неизме­ римо возрастают.

Глубины Солнца и звезд оказались первыми объек­ тами, на которых физики и астрономы познакомились со сверхвысокотемпературным состоянием вещества и при­ сущими ему необычными свойствами. Звезды — это рас­ сеянные во Вселенной физические лаборатории, где ве­ дутся «опыты» и происходят процессы в условиях, пока еще неосуществимых ни в одной земной лаборатории. И вполне вероятно, что здесь будут открыты новые свой­ ства и новые явления, о которых мы сейчас и не подозре­ ваем.

Большие неожиданности возможны при переходе к температурам в миллиарды и десятки миллиардов гра­ дусов. Где такие температуры существуют и существуют ли они вообще — на этот вопрос еще нет ответа. Но тео­ ретическая мысль и фантазия обгоняют наблюдения и эксперимент. Можно предполагать, что при таких темпе­ ратурах процессы будут происходить уже не на уровне внутриядерных реакций, а на уровне реакций элементар­ ных частиц, которые сейчас удается осуществить только на сверхмощных ускорителях. Такая плазма окажется «кухней» позитронов, мезонов, антипротонов и прочих редких частиц — до сих пор их получают лишь в малых количествах и на короткие промежутки времени.

Сейчас в порядке гипотезы высказывается предполо­ жение о возможности существования эпиплазмы — ги­ пертемпературного состояния вещества, при котором со­ существуют частицы обычного вещества и антивещества. Эта гипотеза не такая уж странная. Ведь существуют же в обычной плазме, не сливаясь, положительные и отри-

54

дательные свободные заряды, хотя вначале это тоже, ви­ димо, казалось довольно странным. Высокая темпера­ тура, приводящая к быстрому движению электронов и ионов, препятствует их объединению и рекомбинации. Возможно, что при очень высоких температурах частицы вещества и антивещества эпиплазмы тоже будут дви­ гаться настолько быстро, что при взаимных соприкос­ новениях они просто не успеют прореагировать друг с другом.

Неисчерпаемы законы природы. И проникновение за границы изученных областей — то ли в область сверхвы­ соких или сверхнизких температур, то ли в область сверх­ высоких давлений, энергий, частот — открывает обычно перед нами целый мир ранее неизвестных свойств, явле­ ний и понятий.

Исследование плазмы как высокотемпературного и сверхвысокотемпературного состояния вещества являет­ ся одним из этих путей в глубины неизвестного.

Управляемые термоядерные реакции и плазма

После того как была выяснена природа первоисточ­ ника солнечной энергии, у ученых родилось, естественно, стремление воспроизвести подобную реакцию на Земле, в физических лабораториях. Это был, наверное, самый дерзкий замысел, который когда-либо возникал у лю­ дей — зажечь самим искусственное солнце. Однако до

.воплощения его в жизнь было слишком далеко: требова­ лись температуры в десятки миллионов градусов, тогда как в лабораториях в то время с трудом получали де­ сятки тысяч.

55

Положение существенно изменилось после создания атомной бомбы. При взрыве атомной бомбы в первые мгновения возникает температура, которая может под­ жечь термоядерную реакцию. Обычный водород оказал­ ся малоэффективным термоядерным горючим. Значи­ тельно легче вызвать термоядерную реакцию в его тяжелых изотопах — дейтерии и тритии, в состав ядер которых уже входят готовые нейтроны. Окружив неболь­ шой атомный заряд слоем дейтерия и трития, удалось поджечь взрывную термоядерную реакцию.

Так современные ученые— прометен XX века — по­ хитили у Солнца огонь термоядерной реакции. Но рас­ плата за этот титанический научный подвиг оказалась

Не к этому страшному результату стремилась мысль ученых. Они искали и продолжают искать «послушную» термоядерную реакцию, энергетический выход которой можно было бы усиливать или останавливать по жела­ нию, реакцию, которая бы не могла вырваться из-под контроля своих создателей и превратиться во взрыв, энер­ гия которой могла бы обогревать дома, вращать ма­ шины, гнать электрический ток по проводам, реакцию созидательную, а не разрушительную. Такая реакция на­ зывается управляемой термоядерной реакцией.

Но укротить энергию термоядерного взрыва оказы­ вается сложнее, чем осуществить такой взрыв. Здесь по­ вторяется история обычных химических взрывчатых ве­ ществ: на протяжении семи веков химический взрыв тол­ кал ядра в стволах пушек, и лишь семьдесят лет тому назад он начал толкать поршни в двигателях внутрен­ него сгорания.

56

Проблема управляемой термоядерной реакции со­ стоит из нескольких отдельных задач:

а) нужно найти способ нагрева вещества до темпе­ ратур в десятки, а может быть, и сотни миллионов гра­ дусов. Этот способ должен быть безопасным, и потому атомный взрыв здесь, конечно, непригоден;

б) нужно уметь удержать вещество при достигнутой температуре на протяжении длительного промежутка времени, в течение которого будет идти реакция; нужно уметь регулировать температуру этой реакции, ускоряя или замедляя по желанию процесс термоядерного син­ теза;

в) нужно уметь вывести энергию из термоядерного котла в форме, пригодной для практического использо­ вания.

Первая задача решается в принципе, как это ни странно, довольно просто. Дело в том, что количество энергии, необходимой для нагрева разреженного газа до высоких температур, сравнительно невелико. Подсчитаем, сколько энергии надо затратить для того, чтобы нагреть 1 л водорода (или его изотопов), содержащего 1018 моле­ кул, до температуры 100 млн. градусов. Принятая нами концентрация весьма незначительна (напомним, что при атмосферном давлении и комнатной температуре в 1 л содержится обычно около 2 • 1022 молекул газа). При указанных высоких температурах каждая молекула це­ ликом распадается на электроны и ионы. Поэтому общее число частиц составит уже 4- 1018. Каждая частица будет

57

Такое малое теплосодержание газа, нагретого до столь высокой температуры, объясняется тем, что мы взяли очень малую концентрацию его частиц. Уменьшая и дальше концентрацию газа, мы можем сколь угодно по­ нижать его теплосодержание.

Как произвести нагрев газа — это уже другой вопрос. Ясно только то, что это вполне осуществимая задача и для ее решения не требуются какие-либо сверхмощные источники энергии. Конкретно она может быть осущест­ влена (вначале хотя бы до сравнительно невысоких тем­ ператур) путем пропускания тока через плазму.

Вторая задача несравненно сложнее. Уже простейший расчет показывает, что поток энергии, выделяемой плаз­ мой за 1 сек, на много порядков превышает энергию ее теплосодержания. Поэтому сохранить плазму в нагретом состоянии значительно труднее, чем нагреть ее до этого состояния.

Энергетические потери горячей плазмы состоят из двух основных частей: потерь на теплопроводность и потерь на излучение.

Потери на теплопроводность — это потери тепла от попадания частиц горячей плазмы на холодные стенки сосуда, ее удерживающего. Эти потери настолько велики, что нагреть плазму, окруженную холодными стенками, так же невозможно, как вскипятить воду в сосуде из льда.

Где же найти такой материал, который бы создавал полную теплоизоляцию между плазмой и стенками сосу­ да, а с другой стороны, не расплавлялся бы от сопри­ косновения с плазмой, нагретой до миллионов градусов? Такой «материал» есть. Это — вакуум.

Нас выручает то, что при высоких температурах обыч­ ный газ превращается в плазму. Вспомним, что в магнит­

58