Древние мыслители считали, что мир состоит из четырех стихий: земли, воды, воздуха и огня. Они были не так уж далеки от истины. Земля — это твердое состояние вещества, вода, — жидкое, а воздух — газообразное. Остается огонь, Что же это такое? Давайте разберемся.
Вы уже знаете, что в твердом теле атомы и молекулы подчинены жесткой внутренней дисциплине, каждый находится там, где ему предписано. В жидкостях им «живется» свободнее: они могут двигаться, правда, очень ограниченно. И только в газах связи между атомами резко ослабевают.
Теперь давайте нагреем газ. Температуру будем повышать постепенно. 2 тысячи градусов... 3 тысячи... Молекулы не выдерживают и распадаются на атомы. А мы продолжаем нагревать газ. Электроны у некоторых атомов перестают подчиняться законам квантовой механики и срываются со своих орбит. Когда температура поднимется до 15 тысяч градусов (это в два с половиной раза горячее, чем на поверхности Солнца), газ будет состоять уже из смеси свободных электронов и положительно заряженных ионов — атомов с «поврежденной", электронной «шубой». Теперь он хорошо проводит электрический ток (в холодном же состоянии газ был изолятором!). Физики называют эту смесь плазмой — четвертым состоянием вещества. С плазмой вы встречаетесь чаще, чем думаете. Это молнии и северные сияния, искры при коротком замыкании. Даже обычное пламя всегда немного ионизировано. Нет, античным мудрецам не откажешь в научной интуиции.
Но вернемся к плазме. При 15 тысячах градусов, собственно, не произойдет никакого чуда. Лишь подняв температуру до нескольких сот миллионов градусов, мы заставим ядра атомов сталкиваться с такой силой, что они начнут соединяться друг с другом. Скажем, при встрече двух дейтонов (ядер тяжелого водорода — дейтерия) могут образоваться либо ядро гелия и свободный нейтрон, либо ядро трития и свободный протон (ядро обычного водорода). Процесс этот сопровождается бурным выделением энергии. Подсчитано что в первом варианте (гелий плюс нейтрон), мы получим 3,23 миллиона электрон-вольт, а при втором (тритий плюс протон) — 4 миллиона.
Вообще-то, мало. Но вы не забывайте, что столько энергии выделяют при столкновении только два дейтона. А их в кубическом миллиметре дейтерия баснословно много: миллиарды миллиардов. Так что в соответствующих условиях килограмм тяжелого водорода даст ни мало, ни много — 95 миллионов киловатт-часов энергии. Но это еще не все. Образовавшийся при втором варианте тритий устремляется «в атаку». Столкнувшись с дейтоном, он образует изотоп гелия и нейтрон. При этом выделится еще 17,6 миллиона электрон-вольт энергии. Грозная и прекрасная реакция! Можно ли заставить плазму «работать» в земных условиях? Да, можно, но это самая трудная научно-техническая задача из всех, какие когда-либо решались человеком.
Физики многих стран участвуют в штурме главного энергетического барьера. Ведь литр обыкновенной воды заключает в себе столько же энергии, сколько получают сейчас из 1140 килограммов первосортного бензина! Как только люди научатся управлять термоядерной реакцией, проблема топлива на Земле будет полностью решена. Конечно, вода пойдет в дело не в первозданном виде. Для этого придется наладить производство дейтерия и трития — тяжелых изотопов водорода: они вступают в реакцию при меньшей температуре, чем протий. Довольно доступный способ их получения разработан группой советских ученых.
Кстати, дейтерий в природе связан с кислородом, образуя при этом «тяжелую» воду. И мы с вами пьем ее каждый день. Ведь из шести тысяч молекул обычной воды одна — «тяжелая». Ученые подсчитали, что на Земле имеется 38 тысяч миллиардов тонн «тяжелой» воды — невероятно много. Напомню вам: килограмм термоядерного горючего дает 95 миллионов киловатт-часов энергии, тонна — 95 миллиардов. А чтобы выработать такое же количество электрического тока, какое производит человечество в настоящее время (2200 миллиардов киловатт-часов), нужно израсходовать всего 23 тонны дейтерия!
Так будет! А пока ученые приноравливаются к капризам строптивой плазмы. Нагревать то ее до нужной температуры они научились с помощью мощных электрических разрядов, но едва ионизированный газ коснется стенок сосуда, в котором он заключен, как облако плазмы сразу же начинает таять. Тогда ученые предложили такой выход: окружить плазму магнитным полем, которому не страшна любая температура. Идея, в общем-то, правильная. Но вскоре выяснилось, что усмирить плазму таким путем нельзя. В ничтожные доли секунды она прорывает магнитную блокаду.
Ряд интересных находок сделали еще в советское время ученые Н. и Т. Филипповы, которые вели опыты на так называемой импульсной установке, очень удобной для изучения плазмы. Газ ионизируется на ней электрическим разрядом, длящимся десяти-миллионную долю секунды. При этом плазма нагревается до 10 миллионов градусов, давление в ее ядре возрастает до 100 тысяч атмосфер, и начинается долгожданная термоядерная реакция. К сожалению, она мгновенно обрывается, и ученые пока не знают, каким путем продлить ее. Ведь процесс идет почти при звездных температурах и давлениях.
Многообещающие результаты получены еще в советское время советским физиком Р. А. Демирхановым, применившим для удержания плазмы высокочастотные поля. Дело в том, что магнитное поле, выстилающее внутреннюю полость реакторов, пассивно сопротивляется атакам ионизированного газа. Высокочастотное же поле подвижно. Оно отталкивает плазму при ее попытках «выброситься» на стенки. Тороидальная установка, которой пользуется Демирханов, удерживает ионизированный газ в течение нескольких часов! Едва плазма протянет «язычок» к стенке реактора, как вращающееся высокочастотное поле «срезает» его.
Плазма начинает работать. И не так уж далек день, когда вместо огромных электрических генераторов начнут вырабатывать ток небольшие, бесшумные плазменные. А коэффициент полезного действия у них будет поистине сказочным — 55—60.
Природа создала колоссальные термоядерные генераторы — Солнце, звезды, щедро льющие энергию. Они удерживают плазму грубой силой гигантского тяготения. Разум человека обуздает ее иными путями.
Автор: Леонидов Антон
