Рассказы об электричестве

А теперь — внимание! Идет вторая серия вопросов:

— Сколько состояний вещества мы знаем?

— Три обычных: твердое, жидкое, газообразное; и четвертое — плазма.

— Что такое плазма?

— Ионизованный газ, состоящий из «ободранных» атомных ядер и электронов.

— Какую плазму мы знаем?

— Низкотемпературную (Т=10⁵ К)₇ используемую в ионных приборах, газовых лазерах, плазмотронах, МГД-генераторах, плазменных двигателях, а также в плазменной металлургии, обработке и в бурении. Высокотемпературную (Т=10⁶– 10⁸ К) из смеси дейтерия и трития, которая предполагается быть использованной для управляемого термоядерного синтеза — термояда.

— Чем отличается плазма от обычного газа?

— Частицы плазмы не самостоятельны, а представляют собой единый коллектив, систему. Разреженная лабораторная плазма всегда является системой неравновесной и стремится к саморазрушению.

— Почему устойчивы звезды, состоящие из плазмы?

— Потому что звездные условия не чета лабораторным. На Земле их так просто не достигнуть.

Если, услышав слово «плазма», вы подумаете, будто это нечто исключительное, то непременно ошибетесь. В состоянии плазмы находится подавляющая часть вещества Вселенной. Тут и звезды, и галактические туманности, межзвездная среда и даже внешняя оболочка нашей собственной земной атмосферы. Не говоря уж о том, что Земля просто купается в плазме в виде солнечного ветра. Правда, искать природную плазму на поверхности нашей планеты — занятие безнадежное. Ее не существует. Исследователи довольно давно научились ее получать искусственно в лабораториях, но вот свое название она получила совсем недавно.

Все в тех же 20-х годах нашего века два американских физика, Ленгмюр и Тонкс, изучая газовый разряд, назвали греческим словом «plasma», что означало в переводе — «вылепленное», «оформленное», ионизованный электрический нейтральный газ, содержащий равное количество положительных и отрицательных зарядов. Этот газ-плазма оказался настолько отличающимся от всех известных физикам состояний вещества, что был выделен и стал самостоятельным объектом исследования.

Вещество в мире высоких температур

Давайте попробуем каким-нибудь способом постепенно разогревать кусок обычного, вполне земного вещества, хоть железяку. Сначала она раскалится, засветится. Затем связи в ней ослабнут, и она расплавится. Потом жидкость испарится и перейдет в газ. При дальнейшем нагреве молекулы газа не выдержат и разорвутся на атомы. Еще дальше — газ станет атомарным. А там начнут Сдаваться и атомы. Электроны будут отрываться от ядер, и газ начнет переходить в плазму.

Примерно к десяти миллионам градусов плазма окажется полностью ионизованной. То есть вещество будет состоять из «голых», ободранных ядер и свободных электронов, которые мечутся в разные стороны, стремясь во что бы то ни стало сбросить возбуждение, отдать сообщенную энергию и обрести, образно говоря, покой.

При ста миллионах градусов частицы плазмы обретают такую скорость, что при встречах ядра могут начать разрушаться. Здесь мы подошли к границе ядерных превращений.

При миллиарде градусов вещество будет состоять уже только из протонов и электронов. Ядра распадутся. А при температурах более десяти триллионов (10¹³) градусов элементарные частицы получат возможность превращаться одна в другую. Правда, представить себе все эти градусы нормальному человеку довольно трудно. Нужно быть физиком-теоретиком…

…Надо сразу сказать, что чем ближе знакомились физики с плазмой, тем больше убеждались в ее вздорном характере. Посудите сами: мы говорим, что плазма нейтральна. Но шустрые электроны куда более подвижны, чем массивные ионы, и потому они первыми норовят удрать из дружного коллектива. Образуются нестабильные электрические поля. Под их влиянием частицы меняют свои направления, путают расчеты, делают поведение сгустка плазмы труднопредсказуемым. Плазма изо всех сил стремится расшириться, коснуться стенок камеры, отдать энергию и… погибнуть. Просто какая-то страсть к самоубийству. И чем выше температура плазмы, тем она норовистее. А при миллионах градусов, необходимых термоядерщикам, она становится просто бешеной.

Сейчас даже трудно утверждать, взялись бы физики в конце 1950 года с таким энтузиазмом за эту проблему, будь они хоть чуть-чуть более осведомлены о ее характере. Слава богу, они ничего о нем не знали. А когда познакомились, отступать было поздно.

В то время советские физики-теоретики высказали идею, согласно которой горячую плазму можно было попробовать изолировать от стенок камеры, сжав собственным магнитным полем. Мысль была настолько простой и очевидной и решение казалось таким красивым, что сомнениям просто не оказывалось места.

Как загнать джинна в бутылку

Предположим, что нам удалось в разреженном газе создать мощный электрический разряд. Естественно, что на всем его пути молекулы и атомы ионизуются и газ превратится в плазму. Но плазма — сама великолепный проводник для электричества, и потому ток в ней будет нарастать. А вместе с током станет расти и его магнитное поле, охватывающее плазму, как обручами, и сдавливающее, сжимающее ее в тонкий шнур, отрывая от стенок камеры.

Кажется, проще простого — частицы оторваны от стенок, ток нагревает плазму до звездных температур, ядра начинают сливаться, выделяя огромное количество тепла. Реакция становится самоподдерживающейся. Термоядерный «самовар» закипает…

В Институте атомной энергии имени И. В. Курчатова был создан новый отдел плазменных исследований, во главе которого стал удивительный человек и один из бесспорных лидеров советской науки Лев Андреевич Арцимович.

Еще не прогремело эхо первого взрыва водородной бомбы, значит, еще не было и бесспорного доказательства осуществимости даже неуправляемого термоядерного синтеза, а в лаборатории Арцимовича молодые энтузиасты готовились к синтезу управляемому.

Ах, как они тогда работали! Все, от руководителя до лаборанта, были первыми в мировой науке. Они знали то, что хотели знать все, но не знал никто. И это знание было самым большим богатством — дороже золотых слитков и самородков, дороже самых больших и чистых алмазов из голубых кимберлитовых трубок. Вот что такое наука. Вот чем она всегда привлекала и будет привлекать к себе людей. Лев Андреевич был необыкновенно обаятельной личностью. Острый ум, широчайшая эрудиция и необыкновенно развитое чувство юмора.

— Что такое наука? — спросили его как-то.

— Наилучший способ удовлетворить собственную любознательность за счет государства, — не моргнув глазом, ответил он.

Первая термоядерная установка «Огра-1».

Советская лазерная термоядерная установка «Дельфин».

Третья серия вопросов — последняя и едва ли не главная.

— Что такое термояд?

— Управляемый термоядерный синтез, основанный на реакциях перестройки атомных ядер с большим энергетическим выходом.

— Что нужно сделать, чтобы зажечь в плазме огонь термояда?

— Нагреть до звездных температур, сжать до необходимой плотности, обеспечив критерий Лоусона.

— Что такое критерий Лоусона?

— Произведение времени удержания высокотемпературной плазмы на плотность ее частиц. Если это произведение превышает 10¹⁴ с/см³, то выделяющаяся управляемым термоядерным синтезом энергия больше подводимой к системе.