13 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Как создать плазменный тороид

Плазменное оружие: современные разработки

Термин «новое плазменное оружие» в последнее время всё чаще муссируется различными СМИ. Информация поступает противоречивая. Оно и понятно: проекты в различных странах находятся только на стадии разработки. Бесспорно и утверждение о том, что самое совершенное оружие – это то, о котором предполагаемый противник практически ничего не знает, и тогда его использование позволяет достичь ещё большего эффекта. Что же на самом деле представляет собой плазменное оружие? Ответ на этот вопрос может дать лишь его использование (разумеется, если существует такое оружие) в реальной боевой обстановке. Что известно о современных разработках плазменного оружия в мире? Об этом и пойдёт речь дальше в статье.

Влияние плазменного оружия на современную культуру

В современных компьютерных играх и фильмах предпринимается попытка представить новые виды вооружений, с которыми, возможно, столкнется человечество в будущих конфликтах. Одной из таких попыток является знаменитая компьютерная игра “Фоллаут”. Плазменное оружие, лазерные карабины, ядерные мини-заряды – это далеко не весь перечень арсенала, который, по мнению разработчиков, ожидает человечество в альтернативной Вселенной, пережившей ядерную войну. Как современные разработки плазменного оружия приблизились к представлениям фантастов и футурологов? Насколько мы приблизились к созданию средств уничтожения подобной разрушительной силы? Для того чтобы ответить на подобные вопросы, необходимо совершить экскурс в историю, от открытия и создания плазменного оружия до перспективных разработок учеными всего мира.

История возникновения плазменного оружия

В 1923 году американские ученые Ленгмюр и Тонск предложили обозначить новую форму существования вещества при 10000 градусах, которую они назвали плазмой. Верхний слой атмосферы (ионосфера) полностью состоит из плазмы.

Разработка плазменного оружия в СССР

В середине 50-х годов в СССР для изучения вопросов физико-термоядерного синтеза была создана тороидальная камера с магнитной катушкой. Видный советский ученый Капица Петр Леонидович работал над созданием принципиально нового источника энергии. В 1964 году молодые советские ученые, среди которых была Валентина Николаева, создали проект «Мечта», подразумевающий поражение баллистических ракет при помощи плазменных образований. При столкновении с объектом плазмоид должен действовать по принципу уранового снаряда, выделяя при взрыве колоссальную энергию.

По задумке изобретателей, плазменное оружие – это система, состоящая из плазмоида (средство поражения) и его пускового устройства (импульсного магнитного гидродинамического (МГД) генератора). Генератор разгоняет плазму в магнитном поле до скорости света и задает ей направление движения. Корректировка полета производится лазером.

Появление опытных прототипов в Советском Союзе

Приблизительным временем создания называется 1970 год. Основная цель – разработка импульсномагнититного гидродинамического генератора, с помощью которого можно было создать плазмоиды (или шаровые молнии) для поражения воздушных целей предполагаемого агрессора. В 1974 году начал работу открытый резонатор ДОР2, с помощью которого создавались управляемые искусственные шаровые молнии. Ионизированный газ или плазма, образовывается из нейтральных атомов и молекул и заряженных частиц ионов и электронов. Можно упомянуть создание секретной станции «Сурана», построенной недалеко от Нижнего Новгорода. Советский ученый Авраменко добился поразительных результатов при изучении ионизированных облаков. Были предприняты даже попытки использовать эти разработки в современном самолетостроении. В мечтах самолетостроителей – окружить самолет плазмой для уменьшения сопротивления воздуха и увеличения скорости в десятки раз. О перспективе таких разработок мало известно по понятным причинам.

Идеи плазменного оружия в современной России

После развала СССР финансирование разработок плазменного оружия России прекратилось, но это не значит, что русские ученые прекратили дальнейшие исследования. Работы велись на голом энтузиазме. Новые разработки плазменного оружия России начались на фоне ухудшающейся мировой политической обстановки. Выход США из договора по ПРО и укрепление блока НАТО у российских границ подстегнули руководство страны пересмотреть оборонную стратегию. Недавние заявления американского президента Дональда Трампа о бескомпромиссном перевооружении армии США также не способствуют уменьшению напряжения в отношениях между Россией и Западом.

Осенью 2017 года президентом В.В. Путиным будет рассмотрена государственная программа вооружений на 2018-2025 годы. В ней упоминается оружие, основанное на «новых физических принципах». Скорее всего, в ближайшее время будет внесена ясность по вопросу применения плазменного оружия в современном обществе. Если говорить о новейших разработках России – загадки и домыслы окружают эту тему. Есть обрывки слухов о каком-то проекте с применением плазменного щита, способного обеспечить защиту мирного неба России.

Интересно вспомнить встречу Б. Ельцина с американцами в Ванкувере в 1993 году. Российская сторона предлагала вблизи атолла Кваджалейн провести совместные испытания глобальной противоракетной обороны на базе российского плазменного оружия. Изобретатель плазменного оружия Римилий Авраменко вкратце упоминал о перспективах введения в эксплуатацию модели данной разработки. Она принесла бы пользу не только военным: с её помощью возможно уничтожать космический мусор или убирать озоновые дыры. Но, к сожалению, этот проект не воплотился в жизнь.

Чаяния и надежды, связанные с плазмой

Плазма открывает множество перспектив не только в военной сфере. Разработка плазменных генераторов позволяет перевести технику практически на любое топливо без ущерба качеству.

Разработка плазменных технологий может дать толчок для дальнейшего развития технического прогресса.

Освоение плазменных технологий в США

Разработки плазменного оружия ведутся по всему миру, и США не являются исключением. Ярким примером можно считать в 1989 году, в рамках стратегической оборонной инициативы, вывод в космос прототипа пучкового оружия, которое, как предполагалось, могло генерировать нейтральные атомы водорода и тем самым сбивать советские ракеты. Об «успехах» этого оружия свидетельствует тот факт, что оно находится не на вооружении, а в музее космонавтики в Вашингтоне. Станция активного высокочастотного исследования ионосферы ХААРП – это тоже попытка изучения и создания плазменного оружия. Рельсотроны, разрекламированные с помпой оказались очередным блефом. В 2016 году в новостной ленте иногда проскальзывали сообщения о попытках американских военных протестировать плазменное оружие не смертельного действия. Таким образом, видно, что современные разработки плазменного оружия ведутся по всему миру, на них выделяются средства и лучшие умы человечества бьются над покорением плазмы.

Описание заявленных общих принципов работы

О технических характеристиках плазменного оружия можно только догадываться в силу засекреченности информации. Если говорить о плазмоидах, то это плазма в магнитном поле, созданном при помощи МГД генератора и имеющая скоростью света в направленном движении. На экранах популярных телепередач иногда упоминаются весьма интересные характеристики: возможные размеры, внутренняя энергия и время жизни плазмоида.

По мнению некоторых ученых, средняя температура на земле поднялась, а при таких темпах мир могут постигнуть катастрофы планетарного масштаба, выраженные в подтоплениях, засухах, ураганах, нехватке питьевой воды. Такие изменения вполне могут быть спровоцированы испытаниями плазменного оружия. Его освоение в военной сфере дает возможность не только перехватывать ракеты, но и психотронно влиять на массы людей и изменять климат. Мощнейшей радиолокационной станции ХААРП также приписывается способность влиять на погоду. Однако это только домыслы и догадки, так как официально никто не признал факта наличия у себя такого оружия.

Плазменные шапки-невидимки

В условиях современного боя основная ставка делается на внезапность нанесения удара. Но при этом неизбежно происходит демаскировка. Об этой проблеме задумывались еще советские ученые, предложив довольно оригинальный способ скрытия техники от систем радиоэлектронного обнаружения. Идея была в том, чтобы оборудовать самолеты специальными плазменными генераторами. Такие летательные аппараты, не сгорая, могли проходить плотные слои атмосферы, достигая земли за считаные секунды, совсем как баллистические ракеты.

Плазма обладает еще одним интересным свойством: она гасит электромагнитные импульсы во всех диапазонах. Казалось, найдено идеальное средство маскировки. Первые испытания проводились на истребителе МиГ-29, но результаты были неудовлетворительными. Плазма мешала работе бортовых компьютеров. В итоге было принято решение прикрывать только наиболее уязвимые для радаров части конструкции. Эта технология была применена на стратегическом бомбардировщике Ту-160.

Турецкое плазменное оружие

В 2013 году всему миру было объявлено о разработке боевых лазеров для турецкого морского флота. На проект, рассчитанный на шесть лет, выделяется свыше 50 миллионов долларов. Заявляется о двух моделях боевых лазеров. В 2015 году успешно прошли лабораторные испытания: была поражена цель на движущейся платформе. Объявлено, что перспективы нового вооружения не имеют аналогов в мире. Это оружие способно останавливать ядерную бомбу. Само население Турции не удержалось от сарказма по поводу новостного бума, причем доставалось и военным, и создателям «чудо оружия». Можно говорить с полной уверенностью лишь о том, что разработка современных и перспективных типов вооружения ведется не только сверхдержавами, обладающими весомыми «ядерными аргументами».

Заключение

Современные разработки плазменного оружия и других новейших типов вооружения с колоссальной разрушительной силой не дают ответа на вопрос, каким будет будущее на планете Земля. Возможно, эти изыскания откроют ящик Пандоры. Перспективы, открывающиеся в связи с развитием новых технологий, таят и множество опасностей для всего человечества. Вопрос не в том, будет ли создано плазменное оружие, боевые лазеры и многие другие вещи, которые на первый взгляд кажутся плодом воображения фантастов, а в том, когда это произойдет. События последних лет (введение санкций и ухудшение международной обстановки) являются спусковым механизмом перезапуска холодной войны, что, в свою очередь, является важнейшим фактором появления еще более разрушительных видов оружия.

А пока мир разделился на скептиков и оптимистов. Ведутся ожесточенные споры, разрешить которые смогут только появление или отсутствие оружия, работающего «на новых физических принципах» (для оборонной промышленности). Однако заявления высокопоставленных лиц говорят о том, что не бывает дыма без огня, и в будущем человечество ждет немало удивительных открытий.

tokamak

TOKAMAK (сокр. от “тороидальная камера с магн. катушками”)- устройство для удержания высокотемпературной плазмы с помощью сильного магн. поля. Идея T. была высказана в 1950 академиками И. E. Таммом и А. Д. Сахаровым; первые эксперим. исследования этих систем начались в 1956.

Принцип устройства ясен из рис. 1. Плазма создаётся в тороидальной вакуумной камере, к-рая служит как бы единственным замкнутым витком вторичной обмотки трансформатора. При пропускании нарастающего во времени тока в первичной обмотке трансформатора 1 внутри вакуумной камеры 5 создаётся вихревое продольное элек-трич. поле. При не очень большой начальной плотности газа (обычно используется водород или его изотопы) происходит его электрич. пробой и вакуумная камера заполняется плазмой с последующим нарастанием большого продольного тока Ip. В совр. крупных T. ток в плазме составляет неск. миллионов ампер. Этот ток создаёт собственное полоидальное (в плоскости поперечного сечения плазмы) магн. поле Вq. Кроме того, для стабилизации плазмы используется сильное продольное магн. поле Вf, создаваемое с помощью спец. обмоток тороидального магн. поля. Именно комбинацией тороидального и полоидального магн. полей обеспечивается устойчивое удержание высокотемпературной плазмы (см. Тороидальные системы ),необходимое для осуществления управляемого термоядерного синтеза.

Рис. 1. Схема токамака: 1 – первичная обмотка трансформатора; 2-катушки тороидального магнитного поля; 3 – лайнер, тонкостенная внутренняя камера для выравнивания тороидального электрического поля; 4 – катушки полоидального магнитного поля; 5 – вакуумная камера; б-железный сердечник (магнитопровод).

Читать еще:  Как удалить клей секунда с рук

Операционные пределы. Магн. поле T. достаточно хорошо удерживает высокотемпературную плазму, но только в определённых пределах изменения её параметров. Первые 2 ограничения относятся к току плазмы I p и её ср. плотности п, выраженной в единицах числа частиц (электронов или ионов) в 1 м 3 . Оказывается, что при заданной величине тороидального магн. поля ток плазмы не может превышать нек-рого предельного значения, иначе плазменный шнур начинает извиваться по винтовой линии и в конце концов разрушается: развивается т. н. неустойчивость срыва тока. Для характеристики предельного тока используется коэф. запаса q по винтовой неустойчивости, определяемый соотношением q = 5B j a 2 /RI p . Здесь а – малый, R – большой радиус плазменного шнура, B j – тороидальное магн. поле, I p – ток в плазме (размеры измеряются в метрах, магн. поле – в теслах, ток – в MA). Необходимым условием устойчивости плазменного шнура является неравенство q>], к-рое наз. к р и т е р и е м К р у-с к а л а – Ш а ф р а н о в а. Эксперименты показывают, что надёжно устойчивый режим удержания достигается лишь при значениях .

Для плотности имеются 2 предела – нижний и верхний. Ниж. предел по плотности связан с образованием т. н. ускоренных, или убегающих электронов. При малой плотности частота столкновений электронов с ионами становится недостаточной для предотвращения их перехода в режим непрерывного ускорения в продольном электрич. поле. Ускоренные до высоких энергий электроны могут представлять опасность для элементов вакуумной камеры, поэтому плотность плазмы выбирается настолько большой, чтобы ускоренных электронов не было. С др. стороны, при достаточно высокой плотности режим удержания плазмы вновь становится неустойчивым из-за радиационных и атомарных процессов на границе плазмы, к-рые приводят к сужению токового канала и развитию винтовой неустойчивости плазмы. Верх. предел по плотности характеризуется безразмерными параметрами My-раками M=nR/B j и Хьюгелла H=nqR/B j (здесь ср. по сечению плотность электронов n измеряется в единицах 10 20 частиц/м 3 ). Для устойчивого удержания плазмы необходимо, чтобы числа M и H не превышали нек-рых критич. значений.

При нагреве плазмы и повышении её давления появляется ещё один предел, характеризующий максимальное устойчивое значение давления плазмы, p = n(T e +T i ), где Т е , T i -электронная и ионная темп-ры. Этот предел накладывается на величину b, равную отношению ср. давления плазмы к давлению магн. поля; упрощённое выражение для предельного значения b даётся соотношением Тройона b c =gI p /aB j , где g-числовой множитель, равный примерно 3 . 10 -2 .

Термоизоляция. Возможность нагрева плазмы до очень высоких темп-р связана с тем, что в сильном магн. поле траектории заряж. частиц выглядят как спирали, навитые на линии магн. поля. Благодаря этому электроны и ионы длительное время удерживаются внутри плазмы. И только за счёт столкновений и небольших флуктуации электрич. и магн. полей энергия этих частиц может переноситься к стенкам в виде теплового потока. Эти же механизмы определяют величину диффузионных потоков. Эффективность магн. термоизоляции плазмы характеризуется энер-гетич. временем жизни т E = W/P, где W-полное энергосодержание плазмы, a P-мощность нагрева плазмы, необходимая для поддержания её в стационарном состоянии. Величину t E можно рассматривать также как характерное время остывания плазмы, если мощность нагрева внезапно отключается. В спокойной плазме потоки частиц и тепла к стенкам камеры создаются за счёт парных столкновений электронов и ионов. Эти потоки вычисляются теоретически с учётом реальных траекторий заряж. частиц в магн. поле T. Соответствующая теория диффузионных процессов наз. неоклассической (см. Переноса процессы ).В реальной плазме T. всегда присутствуют небольшие флуктуации полей и потоков частиц, поэтому реальные уровни потоков тепла и частиц обычно значительно превышают предсказания неоклассич. теории.

Эксперименты, проведённые на многих T. разл. формы и размеров, позволили суммировать результаты исследований механизмов переноса в виде соответствующих эм-пирич. зависимостей. В частности, были найдены зависимости энергетич. времени жизни т E от осн. параметров плазмы для разл. мод удержания. Эти зависимости наз. с к е й л и н г а м и; они успешно используются для предсказания параметров плазмы во вновь вводимых в строй установках.

Самоорганизация плазмы. В плазме T. постоянно имеются слабонелинейные колебания, к-рые влияют на профили распределения темп-ры, плотности частиц и плотности тока по радиусу, как бы управляют ими. В частности, в центр. области плазменного шнура очень часто присутствуют т. н. пилообразные колебания, отражающие периодически повторяющийся процесс постепенного обострения и затем резкого уплощения профиля темп-ры. Пилообразные колебания предотвращают контракцию тока к магн. оси тора (см. Контракция газового разряда). Кроме того, в T. время от времени возбуждаются винтовые моды (т. н. т и р и н г-м о д ы), к-рые вне шнура наблюдаются в виде низкочастотных магн. колебаний. Тиринг-моды способствуют установлению более устойчивого распределения плотности тока по радиусу. При недостаточно осторожном обращении с плазмой тиринг-моды могут нарасти настолько, что вызываемые ими возмущения магн. поля разрушают магн. поверхности во всём объёме плазменного шнура, магн. конфигурация разрушается, энергия плазмы выбрасывается к стенкам и ток в плазме прекращается из-за её сильного охлаждения (см. Тиринг-неустойчивости).

Кроме этих объёмных колебаний существуют моды колебаний, локализованные на границе плазменного шнура. Эти моды очень чувствительны к состоянию плазмы на самой периферии, их поведение усложнено атомарными процессами. Внеш. и внутр. моды колебаний могут сильно влиять на процессы переноса тепла и частиц, они приводят к возможности перехода плазмы из одного режима магн. термоизоляции в другой и обратно. Если в плазме T. распределение частиц по скоростям сильно отличается от распределения Максвелла, то возникает возможность для развития кинетич. неустойчивостей. Напр., при рождении большого кол-ва убегающих электронов развивается т. н. веерная неустойчивость, приводящая к трансформации продольной энергии электронов в поперечную. Кинетич. неустойчивости развиваются также при наличии ионов с высокой энергией, возникающих при дополнит. нагреве плазмы.

Нагрев плазмы. Плазма любого T. автоматически подогревается за счёт джоулева тепла от протекающего по ней тока. Джоулева энерговыделения достаточно для получения темп-ры в неск. млн. градусов. Для целей управляемого термоядерного синтеза нужны темп-ры >10 8 К, поэтому все крупные T. дополняются мощными системами нагрева плазмы. Для этого используются либо эл–магн. волны разл. диапазонов, либо прямая инжекция быстрых частиц в плазму. Для высокочастотного нагрева плазмы удобно использовать резонансы, к-рые отвечают внутр. колебат. процессам в плазме. Напр., нагрев ионной компоненты удобно осуществлять в диапазоне гармоник циклотронных частот либо осн. ионов плазмы, либо специально подобранных ионов-присадок. Нагрев электронов осуществляется при электронно-циклотронном резонансе.

При нагреве ионов с помощью быстрых частиц обычно используются мощные пучки нейтральных атомов. Такие пучки не взаимодействуют с магн. полем и проникают глубоко внутрь плазмы, там они ионизуются и захватываются магн. полем T.

С помощью дополнит, методов нагрева темп-ру плазмы T. удаётся поднять >3·10 8 К, что вполне достаточно для протекания мощной термоядерной реакции. В будущих разрабатываемых T.-реакторах нагрев плазмы будет осуществляться высокоэнергетичными альфа-частицами, возникающими при реакции слияния ядер дейтерия и трития.

Стационарный токамак. Обычно ток в плазме протекает только при наличии вихревого электрич. поля, создаваемого за счёт увеличения магн. потока в индукторе. Индукционный механизм поддержания тока ограничен во времени, так что соответствующий режим удержания плазмы является импульсным. Однако импульсный режим не является единственно возможным, нагрев плазмы может использоваться и для поддержания тока, если наряду с энергией в плазму передаётся и импульс, разный для разных компонент плазмы. Неиндукционное поддержание тока облегчается за счёт генерации тока самой плазмой при её диффузионном расширении к стенкам (бутстрэп-эффект). Бутстрэп-эффект был предсказан неоклассич. теорией и подтверждён затем экспериментально. Эксперименты показывают, что плазма T. может удерживаться стационарно, и гл. усилия по практич. освоению стационарного режима направлены на повышение эффективности поддержания тока.

Дивертор, управление примесями. Для целей управляемого термоядерного синтеза требуется очень чистая плазма на основе изотопов водорода. Чтобы ограничить примесь др. ионов в плазме, в ранних T. плазма ограничивалась т. н. л и м и т е р о м (рис. 2, а), т. е. диафрагмой, не допускающей соприкосновения плазмы с большой поверхностью камеры. В совр. T. используется гораздо более сложная диверторная конфигурация (рис. 2, б), создаваемая катушками полоидального магн. поля. Эти катушки необходимы даже для плазмы круглого сечения: с их помощью создаётся вертикальная компонента магн. поля, к-рая при взаимодействии с осн. током плазмы не позволяет плазменному витку выброситься на стенку по направлению большого радиуса. В диверторной конфигурации витки полоидального магн. поля расположены так, чтобы сечение плазмы было вытянуто в вертикальном направлении. При этом замкнутые магн. поверхности сохраняются только внутри сепаратрисы, снаружи её силовые линии уходят внутрь диверторных камер, где происходит нейтрализация потоков плазмы, вытекающих из осн. объёма. В диверторных камерах удаётся смягчить нагрузку от плазмы на диверторные пластины за счёт дополнит. охлаждения плазмы при атомарных взаимодействиях.

Рис. 2. Поперечный разрез плазмы круглого сечения (а)и вертикально вытянутого с образованием диверторной конфигурации (6): 1-плазма; 2- лимитер; 3 – стенка камеры; 4 – сепаратриса; 5 -диверторная камера; 6 – ди-верторные пластины.

Токамак-реактор. Гл. целью исследований на установках T. является освоение концепции магн. удержания плазмы для созданий термоядерного реактора. На T. удаётся создать устойчивую высокотемпературную плазму с темп-рой и плотностью, достаточными для термоядерного реактора; установлены закономерности для термоизоляции плазмы; осваиваются методы поддержания тока и управления уровнем примесей. Работы на T. переходят из фазы чисто физ. исследований в фазу создания эксперим. термоядерного реактора.

Лит.: Арцимович Л. А., Управляемые термоядерные реакции, 2 изд., M., 1963; Лукьянов С. Ю., Горячая плазма и управляемый ядерный синтез, M., 1975; Kadomtsev B. В., Tokamak plasma a complex physical system, L., 1992. Б. Б. Кадомцев.

Как создать плазменный тороид

При современном росте потребления энергии человечеству ненадолго хватит запасов угля, нефти, газа, урана — всего лишь на 100—200 лет. Вот почему ученые с таким энтузиазмом работают над новыми источниками энергии — управляемыми реакциями ядерного синтеза .

Читать еще:  Какие динамометрические ключи нужны для автомобиля

В одном литре воды содержится столько же энергии, сколько выделится при сжигании 400 л нефти. Но как добыть из воды это море энергии? Ученые отвечают: «c помощью реакции термоядерного синтеза».

В отличие от процесса ядерного деления, где энергия освобождается в результате расщепления тяжелых ядер на легкие осколки, при термоядерном синтезе происходит слияние легких ядер в более тяжелые. При этом выделяется огромное количество тепла. Реакции синтеза являются источником энергии в солнце и звездах.

Для практических целей наибольший интерес представляют реакции синтеза, которые могут быть осуществлены в смеси дейтерия с тритием или в чистом дейтерии, встречающемся непосредственно в природе в виде тяжелой воды в морях и океанах.

В генераторе, работающем на принципе термоядерного синтеза, необходимо нагреть дейтерий до температуры 300—400 млн. градусов, а смесь трития с дейтерием — до температуры 40—50 млн. градусов. Только при такой высокой температуре и достаточной плотности (10 15 частиц в 1 см 3 ) слияние ядер изотопов водорода будет происходить с интенсивностью, при которой выделившаяся энергия будет больше затраченной.

При высокой температуре дейтерий полностью разделен на положительно заряженные ионы и электроны, как говорят, ионизирован. Такое состояние вещества получило название высокотемпературной плазмы. Отдельные частицы плазмы движутся с огромными скоростями, превышающими 1 000 км/сек, оказывая большое давление на стенки сосуда. Только магнитное поле, силовые линии которого подобны упругим резиновым шнурам, способно противостоять давлению плазмы. Поэтому подбор конфигурации магнитного поля, изолирующего плазму от стенок, стал другой важной задачей при создании термоядерного генератора.

Раньше других были начаты исследования метода, основанного на так называемом пинч-эффекте, то есть сжатии газа под действием протекающего по нему тока. Такой метод казался наиболее простым и перспективным (см. «ЮТ» № 11 за 1958 г.).

Представим себе цилиндрическую камеру, в которую с торцов введены электроды. Если газ немного откачать из камеры, а на электроды подать высокое напряжение, то произойдет пробой, в газе потечет сильный ток. Газ ионизируется, образуя плазму, которая под действием собственного магнитного поля тока начнет стягиваться к оси камеры. Однако плазма, созданная в таком устройстве, каждый раз соприкасалась с электродами и охлаждалась. Тогда прямую трубку свернули в тор (см. вкладку II — III). Разреженный газ тора превратился во вторичную обмотку трансформатора. Когда в первичной обмотке пропускается ток большой силы, во вторичной обмотке возникает электродвижущая сила, вызывающая ток в газе. Плазма греется подобно металлу в индукционной печи, а магнитное поле тока плазмы стягивает ее в кольцо и изолирует от стенок.

Казалось, принципиальных осложнений нет: плазму можно создать, нагреть и термоизолировать. Но в первых же экспериментах плазма показала свой неспокойный характер. Из-за быстро развивающихся процессов неустойчивостей, получивших название «перетяжек» и «змей» (см. вкладку), она уходила с оси тора и касалась стенок камеры.

Именно неустойчивость плазмы стала камнем преткновения на пути к океану термоядерной энергии.

Причину ее возникновения можно объяснить следующим образом. Силовые линии магнитного поля тока можно представить как набор растянутых эластичных колечек, которые, во-первых, стремятся сократиться в диаметре и, во-вторых, расталкивают друг друга в продольном направлении. Сокращение колечек приводит к образованию перетяжек, а их взаимное расталкивание действует на шнур с током, как изгиб на сжатую пружину, которая, как известно, становится неустойчивой к изгибу.

Из рисунка на вкладке следует, что если в шнуре случайно возникает изгиб, то плотность силовых линий с внутренней стороны становится больше, чем снаружи. Изображенные стрелками магнитные силы стремятся увеличить изгиб еще больше.

Плазма дома.
Каждый раз, когда говорят о плазме, поражает космический масштаб затронутой темы. Космические корабли с плазменными двигателями, океан плазменной энергии — вот области применения четвертого состояния вещества.

Ее получение и использование связывают обычно со сложными. хитроумными устройствами. Все это может создать впечатление, что само плазменное состояние есть нечто уникальное. стоящее на грани возможного

А между тем плазма присутствует в наших квартирах и приспособление, в котором она образуется, можно приобрести в любом универмаге. Речь идет о газосветных и люминесцентных лампах — как их называют, лампах дневного света.

свечение газосветной лампы вызывается электрическим разрядом, постоянно пробивающим ее сильно разреженную газовую атмосферу. Атомы газа, возбужденные разрядом, теряют часть своих электронов — так внутри трубки возникает смесь ионов и электронов, — другими словами, плазма.

Итак, чтобы получить плазму в домашних условиях, достаточно щелкнуть выключателем вашей лампы дневного света.

Исследования показали, что эти неустойчивости можно в значительной степени устранить, если стенки тора сделать из металла. Еще лучше действует ток, пропускаемый по обмоткам, навитым на камеру тора. Создаваемое при этом дополнительное магнитное поле, силовые линии которого параллельны стенкам тора, препятствуют возникновению нестабильностей. Если происходит перетяжка или изгиб шнура, то силовые линии дополнительного магнитного поля, подобно натянутым струнам, стремятся вернуться в прежнее положение и выпрямить шнур.

Свойство стабилизации плазменного шнура металлическим кожухом и дополнительным магнитным полем использовано в установке «Токомак», построенной в Институте атомной энергии имени И. В. Курчатова.

Сейчас исследуется возможность получения горячей плазмы в установках, называемых магнитными ловушками — ловушками с «магнитными пробками».

Такая ловушка обычно представляет собой прямую цилиндрическую камеру, из которой откачан воздух. На камеру надвинуты катушки, по которым течет электрический ток, создающий магнитное поле. Токовые обмотки сделаны так, что магнитное поле, слабое в центральной части, значительно возрастает к торцам трубы.

Торцовые участки поля и играют роль отражателей частиц — магнитных «пробок», или, как их еще называют, магнитных «зеркал». Внутри камеры создают плазму, частицы которой, двигаясь вдоль силовой линии из области слабого поля в область торца, испытывают действие силы, стремящейся отбросить их обратно.

На рисунке схематически изображен метод нагрева плазмы нарастающим магнитным полем.

Этот принцип используется в установке «Огра» — гигантской ловушке, построенной в Институте атомной энергии имени И. В. Курчатова. Диаметр камеры «Огры» 1 м 40 см, длина — 20 м. Силовые линии магнитного поля, в центральной области почти параллельные стенкам камеры, образуют магнитные «пробки» на торцах трубы. Внутрь ловушки с помощью инжектора впрыскиваются молекулярные ионы водорода (или дейтерия), предварительно разогнанные в специальном ускорителе. Попав в ловушку, молекулярный ион начинает двигаться по винтовой траектории к магнитной «пробке», отражается от нее, идет к другой магнитной «пробке», снова отражается и так долго колеблется в центральной области, пока снова не вернется к инжектору и не погибнет на его оболочке. Но на своем пути молекулярный ион может столкнуться с молекулами газа или с другими ионами. При этом он разваливается на нейтральный атом и атомарный ион. Нейтральный атом не испытывает воздействия магнитного поля и улетает на стенку камеры, а атомарный ион, вращаясь по спирали малого радиуса, захватывается в ловушку. Если инжекцию вести непрерывно, то можно накопить много атомарных ионов и создать высокотемпературную плазму.

Так же как и в тороидальных установках, плазма неспокойна и здесь. Она старается просочитъся сквозь силовые линии магнитного поля и уйти к стенкам вследствие «желобковой», или, как еще ее называют, «языковой» неустойчивости. Возник-

новение языковой неустойчивости плазмы связано с формой самого магнитного поля — ловушки. Напряженность магнитного поля нарастает в продольном направлении в обе стороны от центральной области, а в радиальном направлении поле спадает. Просачивание плазмы сквозь силовые линии магнитного поля происходит значительно легче по направлению ослабления поля. При этом образование «языков» связано с тем, что на поверхности плазмы происходит разделение зарядов. Электроны оказываются смещенными относительно ионов. Возникающее при этом электрическое поле заставляет частицы плазмы двигаться поперек силовых линии магнитного поля. Небольшой «язык» быстро растет, и плазма достигает стенки камеры. Поверхность плазмы может одновременно породить несколько таких «языков».

Но раз известна болезнь, то можно думать и о лекарстве. Вытекание плазмы значительно ослабляется, если и по радиусу поле сделать также нарастающим. Этого можно добиться, если вдоль камеры, на ее поверхности, поместить металлические стержни и пропускать по ним электрический ток. Известно, что магнитное поле тока растет при приближении к проводнику. Благодаря комбинации магнитного поля стержней с полем самой ловушки можно получить нарастание магнитного поля вдоль радиуса. Экспериментально показано, что в ловушке с такой конфигурацией магнитного поля образование «языков» на поверхности плазмы сильно затруднено и плазма удерживается более надежно.

Так, шаг за шагом, создаются все более сложные конфигурации магнитных полей, все труднее и труднее ручейкам плазмы расплескивать свою энергию на пути к человеку.

Н . БРЕВНОВ, научный сотрудник Института атомной энергии имени И . В. Курчатова

ТОКАМАК

ТОКАМАК – устройство для осуществления реакции термоядерного синтеза в горячей плазме в квазистационарном режиме, причем плазма создается в тороидальной камере и ее стабилизирует магнитное поле. Предназначение установки – преобразование внутриядерной энергии в тепловую и далее – в электрическую. Само cлово «токамак» является аббревиатурой от названия «тороидальная камера магнитная», однако создатели установки заменили в конце «г» на «к», чтобы не вызывать ассоциаций с чем-то магическим.

Атомную энергию (и в реакторе, и в бомбе) человек получает, разделяя ядра тяжелых элементов на более легкие. Энергия, приходящаяся на нуклон, максимальна для железа (так называемый «железный максимум»), а т.к. максимум посредине, то энергия будет выделяться не только при распаде тяжелых, но и при соединении легких элементов. Этот процесс называется термоядерным синтезом, он происходит в водородной бомбе и термоядерном реакторе. Термоядерных реакций, реакций синтеза, известно много. Источником энергии могут быть те, для которых есть недорогое топливо, причем возможны два принципиально разных пути запуска реакции синтеза.

Первый путь – «взрывной»: часть энергии тратится на то, чтобы привести в необходимое исходное состояние очень небольшое количество вещества, происходит реакция синтеза, выделившаяся энергия преобразуется в удобную форму. Собственно, это водородная бомба, только весом в миллиграмм. В качестве источника исходной энергии использовать атомную бомбу нельзя она не бывает «маленькой». Поэтому предполагалось, что миллиметровая таблетка из дейтерий-тритиевого льда (или стеклянная сфера со сжатой смесью дейтерия и трития) будет облучаться со всех сторон лазерными импульсами. Плотность энергии на поверхности должна быть при этом такой, чтобы превратившийся в плазму верхний слой таблетки оказался нагрет до температуры, при которой давление на внутренние слои и сам нагрев внутренних слоев таблетки станут достаточными для реакции синтеза. При этом импульс должен быть настолько коротким, чтобы вещество, превратившееся за наносекунду в плазму с температурой в десять миллионов градусов, не успевало разлететься, а давило на внутреннюю часть таблетки. Эта внутренняя часть сжимается до плотности, в сто раз большей, чем плотность твердых тел, и нагревается до ста миллионов градусов.

Читать еще:  Как подразделяются стали по степени раскисления

Второй путь. Исходные вещества можно нагреть относительно медленно – они превратятся в плазму, а потом в нее можно любым способом вводить энергию, вплоть до достижения условий начала реакции. Для протекания термоядерной реакции в смеси дейтерия с тритием и получения положительного выхода энергии (когда энергия, выделившаяся в результате термоядерной реакции окажется больше энергии, затраченной на осуществление этой реакции), нужно создать плазму с плотностью хотя бы 10 14 частиц/см 3 (10 –5 атм.), и нагреть ее примерно до 10 9 градусов, при этом плазма становится полностью ионизованной.

Такой нагрев необходим, чтобы ядра могли сблизиться, несмотря на кулоновское отталкивание. Можно показать, что для получения энергии нужно поддерживать это состояние не менее секунды (так называемый «критерий Лоусона»). Более точная формулировка критерия Лоусона – произведение концентрации и времени поддержания этого состояния должно быть порядка 10 15 с Ч см –3 . Главная проблема – устойчивость плазмы: за секунду она много раз успеет расшириться, коснуться стенок камеры и охладиться.

В 2006 международное сообщество приступает к строительству демонстрационного реактора. Этот реактор не будет настоящим источником энергии, но он спроектирован так, что после него – если все нормально заработает – можно будет приступить к строительству «энергетических», т.е. предназначенных для включения в энергосеть, термоядерных реакторов. Самые крупные физические проекты (ускорители, радиотелескопы, космические станции) становятся настолько дорогими, что рассмотрение двух вариантов оказывается не по карману даже объединившему свои усилия человечеству, поэтому приходится делать выбор.

Начало работ над управляемым термоядерным синтезом следует отнести к 1950, когда И.Е.Тамм и А.Д.Сахаров пришли к выводу, что реализовать УТС (управляемый термоядерный синтез) можно с помощью магнитного удержания горячей плазмы. На начальном этапе работы у нас в стране велись в Курчатовском институте под руководством Л.А.Арцимовича. Основные проблемы можно разделить на две группы – проблемы неустойчивости плазмы и технологические (чистый вакуум, стойкость к облучению и т.п.) Первые токамаки были созданы в 1954–1960, сейчас в мире построено более 100 токамаков. В 1960-х было показано, что только с помощью нагрева за счет пропускания тока («омического нагрева») нельзя довести плазму до термоядерных температур. Наиболее естественным путем повышения энергосодержания плазмы казался метод внешней инжекции быстрых нейтральных частиц (атомов), но только в 1970-х был достигнут необходимый технический уровень и поставлены реальные эксперименты с применением инжекторов. Сейчас наиболее перспективными считаются нагрев нейтральных частиц инжекцией и электромагнитным излучением СВЧ-диапазона. В 1988 в Курчатовском институте построен токамак предреакторного поколения Т-15 со сверхпроводящими обмотками. С 1956, когда во время визита Н.С.Хрущева в Великобританию И.В.Курчатов сообщил о проведении этих работ в СССР. работы в этой области ведутся совместно несколькими странами. В 1988 СССР, США, Европейский Союз и Япония начали проектирование первого экспериментального реактора-токамака (установка будет строиться во Франции).

Размеры спроектированного реактора – 30 метров в диаметре при 30-метровой высоте. Ожидаемый срок сооружения этой установки – восемь лет, а срок эксплуатации – 25 лет. Объем плазмы в установке – порядка 850 кубических метров. Ток в плазме – 15 мегаампер. Термоядерная мощность установки 500 Мегаватт поддерживается в течение 400 секунд. В дальнейшем это время предполагается довести до 3000 секунд, что даст возможность проводить на реакторе ИТЭР первые реальные исследования физики термоядерного синтеза («термоядерного горения») в плазме.

Конструкция.

Устройство выглядит так – тороидальная камера надета на сердечник трансформатора, плазма в камере является, по сути дела, обмоткой трансформатора. Из камеры откачивают атмосферный воздух, а потом напускают смесь газов, содержащих те атомы, которые будут участвовать в синтезе. Затем по первичной обмотке трансформатора пропускают импульс тока, достаточный для того, чтобы во вторичной «обмотке» (т.е. в газе) произошел пробой и начал течь ток. При протекании тока плазма нагревается, но одним этим методом не удается ее нагреть выше 20 млн. градусов, поскольку с ростом температуры сопротивление плазмы и выделение тепла уменьшаются. Ток, текущий по плазме, создает свое магнитное поле, которое сжимает плазму, увеличивая ее температуру и концентрацию, но этого еще недостаточно для достижения критерия Лоусона, поэтому плазму надо нагревать дополнительно. Этот добавочный нагрев может достигаться электромагнитным излучением частотой от 10 Мгц до 10 Ггц, потоком нейтральных атомов с высокой энергией – около 0,1 МэВ или сжатием внешним переменным магнитным полем.

Плазма «живет» в магнитном поле. Постоянное поле можно было бы создать постоянным магнитом, хотя у них есть свои ограничения, но в данном случае вопрос о постоянном магните не возникает, т.к. нужны переменные поля, поэтому используется электромагнит, но при протекании тока по его обмотке выделяется тепло. Когда это происходит в плазме, тепло используется, а в обмотке – тратится зря, его надо отводить, и тратить энергию, предназначенную для обеспечения протекания тока по обмоткам – тратить, при этом на работу электромагнитов тратилась бы заметная доля полученной энергии, при этом обмотки будут делать из сверхпроводящих материалов.

Одной из важных проблем токамака является обеспечение чистоты плазмы, так как попадающие в плазму примеси прекращают реакцию. Попадают они в плазму со стенок камеры, так как запускаемые в объем рабочие вещества можно очистить, а стенка камеры работает в таких условиях, что проблема – из чего и как ее сделать – получила собственное название: «проблема первой стенки». Все, что выходит из плазмы (нейтроны, протоны, ионы и электромагнитное излучение в диапазоне от инфракрасного до гамма-лучей), разрушает стенку, продукты разрушения попадают в плазму. Проблема стойкости и проблема «не вредности» решаются в противоположных направлениях, т.к. чем тяжелее ион, тем он вреднее (допустимая концентрация тантала и вольфрама в сто раз меньше, чем углерода), а большинство стойких материалов создано на основе именно тяжелых металлов. Одно время большие надежды возлагались на углеродные материалы и композиты на основе карбидов, боридов и нитридов. Рассматривались пористые и профилированные (с ребрами или иглами) стенки. И вообще, трудно сказать, что не рассматривалось, но в итоге в качестве материала стенок сейчас выбран бериллий.

Горючее.

Легче всего происходит слияние ядер изотопов водорода – дейтерия D и трития T. Ядро дейтерия содержит один протон и один нейтрон. Дейтерий есть в воде – одна часть на 6500 частей водорода. Ядро трития состоит из протона и двух нейтронов. При синтезе ядер дейтерия и трития образуются гелий He с атомной массой, равной четырем, нейтрон n и выделяется энергия 17,6 МэВ.

D + T = 4He + n + 17,6 МэВ.

Оптимальная температура реакции – 2·10 8 К, критерий Лоусона –

0,5·10 15 см –3 ·сек.

Другой вариант – слияние двух ядер дейтерия. Оно происходит примерно с одинаковой вероятностью по одному из двух сценариев: в первом образуются тритий, протон p и выделяется энергия 4МэВ, во втором – гелий с атомной массой 3, нейтрон и энергия 3,25 МэВ.

D + D = T + p + 4,0 МэВ, D + D = 3He + n + 3,25 МэВ.

Оптимальная температура для этой реакции 10 9 К, критерий Лоусона –10 15 см –3 ·сек.

Скорость реакции D + T в сотни раз выше, чем реакции D + D, поэтому для реакции D + T значительно легче достичь условий, когда выделившаяся термоядерная энергия превзойдет затраты на организацию процессов слияния. Возможны и реакции синтеза с участием других ядер элементов (лития, бора и др.), однако эти реакции с нужной скоростью протекают при еще более высоких температурах.

Тритий нестабилен (период полураспада 12,4 года), но его предполагается получать на месте из изотопа лития и получающихся в реакторе же нейтронов

6Li + n = Т + 4He + 4,8 МэВ.

Одновременно этот же литий (система, его содержащая, называется бланкетом) нагревается и может служить теплоносителем в первом (радиоактивном) контуре. Далее он передает тепло второму контуру, в котором вода испаряется, и затем как обычно – турбина, генератор, провода.

Проблема заключается в том, что слиянию ядер препятствуют электрические (кулоновские) силы расталкивания, поэтому для синтеза необходимо преодолеть кулоновский барьер, т.е. совершить работу против этих сил, сообщая ядрам необходимую энергию. Есть три возможности. Первая – разогнать в ускорителе пучок ионов и бомбардировать ими твердую мишень. Этот путь неэффективен – энергия расходуется на ионизацию атомов мишени, а не на сближение ядер. Второй путь – направить навстречу друг другу два ускоренных пучка ионов, но и этот путь неэффективен из-за низкой концентрации ядер в пучках и малого времени их взаимодействия. Еще один путь – нагрев вещества до температур порядка 100 млн. градусов. Чем выше температура, тем выше средняя кинетическая энергия частиц и тем большее их количество может преодолеть кулоновский барьер. Этот метод и реализован в токамаке.

Токамак (как и ядерный реактор) не выделяет никаких вредных веществ – ни химических, ни радиоактивных – он не выделяет. За всю историю токамака главной его физической (не технической) проблемой была устойчивость – плазменный шнур изгибался и расширялся. Подбором конфигурации магнитного поля удалось увеличить устойчивость плазмы до возможности технической реализации. Но что произойдет, если все-таки реактор разрушится? Ответа на этот вопрос пока нет, однако ясно, что в случае аварии токамака он менее опасен, чем атомный реактор, и не намного более опасен, чем станция на угле. Во-первых, атомный реактор содержит в себе запас горючего на годы нормальной работы. Это большой плюс для подводной лодки или космического полета, но это же создает принципиальную возможность крупной аварии. В токамаке запаса «горючего» нет. Во-вторых, поскольку при реакции синтеза выделяется больше энергии, то при сравнимой мощности сами количества веществ будут меньше – плазма в токамаке «весит» меньше ста грамм, а сколько весит активная зона реактора? И наконец, тритий имеет маленький период полураспада и сам по себе не ядовит.

Лукьянов С.Ю. Горячая плазма и управляемый ядерный синтез. М., Наука, 1975
Арцимович Л. А., Сагдеев Р.З. Физика плазмы для физиков. М., Атомиздат, 1979
Хеглер М., Кристиансен М. Введение в управляемый термоядерный синтез. М., Мир, 1980
Киллин Дж. Управляемый термоядерный синтез. М., Мир, 1980
Бойко В.И. Управляемый термоядерный синтез и проблемы инерциального термоядерного синтеза. Соросовский образовательный журнал. 1999, № 6

Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector