Релятивисткая плазма
Статья написана Павлом Чайкой, главным редактором журнала «Познавайка». С 2013 года, с момента основания журнала Павел Чайка посвятил себя популяризации науки в Украине и мире. Основная цель, как журнала, так и этой статьи – объяснить сложные научные темы простым и доступным языком
Если за две тысячи лет до середины XIX столетия человечество использовало всего лишь около девяти условных единиц энергии (каждая из них соответствует энергии, заключающейся в 33 млрд., тонн каменного угля), то за прошлое XX столетие использовано пять таких единиц, и темп потребления энергии стремительно возрастает.
Вот почему разведанных запасов эффективного химического топлива (они оцениваются примерно в 100 условных единиц) хватит ненадолго. Разведанных запасов ядерного горючего хватит всего на несколько сот лет. И только овладение реакцией термоядерного синтеза навсегда избавит человечество от опасности энергетического голода. Ведь «океаны энергии» заключены в обыкновенной воде мирового океана. Если, например, выделить весь дейтерий из мирового океана и «сжечь» в термоядерной установке, это даст около 30 миллиардов условных единиц энергии. (Каменный уголь, содержащий столько энергии, покрыл бы земную сушу слоем толщиной в полтора километра. Из такого количества угля можно сложить искусственное космическое тело, диаметр которого был бы лишь в 4 раза меньше диаметра Луны!)
Поскольку килограмм термоядерного горючего энергетически эквивалентен восьми железнодорожным составам нефти, запасы «горючего», необходимые для транспортных средств, станут очень небольшими. Отпадет надобность в перевозке больших количеств топлива в районы, бедные природными источниками энергии. Наконец, навсегда исчезнет необходимость непроизводительного сжигания нефти и газа в бесчисленных топках — эти вещества пойдут на переработку в химическую промышленность.
Реакция термоядерного синтеза — соединения легких ядер в более тяжелые с выделением огромного количества энергии — может быть осуществлена в высокотемпературной плазме. Отсюда понятен интерес, который проявляют ученые к этому четвертому состоянию вещества.
Что же такое плазма? Под воздействием потока ультрафиолетовых лучей, протонов, нейтронов и других частиц, высокотемпературного нагрева, электрического разряда атомы могут лишиться одного или нескольких электронов. Смесь атомных ядер, ионов и электронов, в объеме которой положительные и отрицательные заряды компенсируют, «уравновешивают» друг друга, и называется плазмой,
Начиная с высоты 80 километров, над Землей простирается ионизированный газ — плазма. Она возникает там под влиянием солнечной радиации. (Максимум ионизации приходится на высоты порядка 300—350 км.) Плазма светится в следах за мчащимися метеоритами, молнии образуют в атмосфере каналы плазмы.
Но плазма встречается не только в природе. Она сияет в газонаполненных трубках «дневного света», плазменные горелки используются при сварочных работах. Наконец, в термоядерных установках на сотые и тысячные доли секунды рождаются высокотемпературные плазменные «шнуры», которые, в конечном счете, если удастся удержать их «магнитными руками» хотя бы на секунды, позволят осуществить управляемую термоядерную реакцию. Но высокотемпературная плазма неустойчива. Она выскальзывает из «объятий» магнитных силовых линий, дотрагивается до стенок установки, охлаждается и погибает.
Но тем не менее, плазма постепенно начинает подчиняться ученым. Американский физик Н. Кристофилос выдвинул идею установки «Астрон», предназначенной для создания релятивистской плазмы. Он предложил «впрыснуть» из ускорителя достаточно плотную струю (пучок) релятивистских электронов в замкнутый объем, наполненный тяжелым водородом — дейтерием, который должен находиться в магнитном поле. Стремительные электроны ионизуют дейтерий, и тем самым будет создана плазма, содержащая релятивистские электроны.
Такая плазма должна быть много устойчивее обычной. Приведем лишь некоторые соображения, подтверждающие этот вывод. Релятивистские электроны порождают поля, которые в сумме с внешним магнитным полем образуют конфигурацию силовых линий, препятствующую выходу из объема заряженных частиц, то есть релятивистская плазма как бы сама для себя создает западню, «ловушку».
В развитии ряда неустойчивостей плазмы «виноваты» электроны. Отклоняясь от устойчивого состояния, они при своем движении образуют токи, которые ведут к возникновению электромагнитных полей, усиливающих это отклонение, — начальная неустойчивость бурно развивается. Если же электроны разогнаны до околосветовых скоростей, их масса возрастает, электроны становятся «грузными» и «раскачать» их труднее.
Одновременно с описанными событиями в «жизни» плазмы произойдет и другое: возрастет радиус вращения быстрых электронов. Это случится потому, что при очень больших скоростях полю труднее «завернуть» электроны. В релятивистской плазме радиус вращения электронов, который в обычной плазме много меньше радиуса вращения ионов, может стать даже большим, чем радиус вращения обычных ионов. В результате токи, вызываемые движением электронов, становятся соизмеримыми с токами, обусловленными движением ионов. Поскольку ионы и электроны несут заряды противоположных знаков, токи, вызываемые вращением частиц, направлены в разные стороны, и суммарный ток может стать весьма малым, что увеличит устойчивость релятивистской плазмы.
Излучение электронов в магнитном поле также в некоторых случаях может увеличить устойчивость плазмы. Так как электромагнитное излучении быстро возрастает с увеличением скорости электронов, очевидно, именно в случае релятивистских электронов должна повышаться устойчивость плазмы.
Сказанное, конечно, не означает, что, создав релятивистскую плазму, мы получим устойчивую систему, способную жить достаточное время, необходимое для протекания термоядерной реакции. Однако это позволяет надеяться, что, быть может, трудности, связанные с получением устойчивой релятивистской плазмы, окажутся меньшими, чем те, которые возникли сейчас при попытках сделать устойчивой и «оседлать» обычную плазму. Может быть, именно в своей релятивистской разновидности четвертое состояние вещества окажется менее упрямым.
Автор: Р. Перельман.