Релятивістська плазма
Стаття написана Павлом Чайкою, головним редактором журналу «Пізнавайка». З 2013 року з моменту заснування журналу Павло Чайка присвятив себе популяризації науки в Україні та світі. Основна мета як журналу, так і цієї статті – пояснити складні наукові теми простою та доступною мовою.
Якщо за дві тисячі років до середини XIX століття людство використало всього лише близько дев’яти умовних одиниць енергії (кожна з них відповідає енергії, що полягає в 33 млрд., тонн кам’яного вугілля), то за минуле XX сторіччя використано п’ять таких одиниць, і темп споживання енергії стрімко зростає.
Ось чому розвіданих запасів ефективного хімічного палива (вони оцінюються приблизно в 100 умовних одиниць) вистачить ненадовго. Розвіданих запасів ядерного пального вистачить лише на кілька сот років. І тільки оволодіння реакцією термоядерного синтезу назавжди позбавить людство від небезпеки енергетичного голоду. Адже «океани енергії» укладені в звичайній воді світового океану. Якщо, наприклад, виділити весь дейтерій зі світового океану і «спалити» в термоядерній установці, це дасть близько 30 мільярдів умовних одиниць енергії. (Кам’яне вугілля, що містить стільки енергії, покрило би земну сушу шаром завтовшки в півтора кілометри. З такої кількості вугілля можна скласти штучне космічне тіло, діаметр якого був би лише в 4 рази менше діаметра Місяця!)
Оскільки кілограм термоядерного пального енергетично еквівалентний восьми поїздам нафти, запаси «пального», необхідні для транспортних засобів, стануть дуже невеликими. Відпаде потреба у перевезенні великих кількостей палива в райони, бідні природними джерелами енергії. Нарешті, назавжди зникне необхідність непродуктивного спалювання нафти і газу в незліченних топках – ці речовини підуть на переробку в хімічну промисловість.
Реакція термоядерного синтезу – з’єднання легких ядер у важчі з виділенням величезної кількості енергії – може бути здійснена у високотемпературній плазмі. Звідси зрозумілий інтерес, який проявляють вчені до цього четвертого стану речовини.
Що ж таке плазма? Під впливом потоку ультрафіолетових променів, протонів, нейтронів та інших частинок, високотемпературного нагріву, електричного розряду атоми можуть позбутися одного або декількох електронів. Суміш атомних ядер, іонів і електронів, в обсязі якої позитивні і негативні заряди компенсують, «врівноважують» одне одного, і називається плазмою,
Починаючи з висоти 80 кілометрів, над Землею простягається іонізований газ – плазма. Вона виникає там під впливом сонячної радіації. (Максимум іонізації припадає на висоти близько 300-350 км.) Плазма світиться в слідах за метеоритами, блискавки утворюють в атмосфері канали плазми.
Але плазма зустрічається не тільки в природі. Вона сяє в газонаповнених трубках «денного світла», плазмові пальники використовуються при зварювальних роботах. Нарешті, в термоядерних установках на соті і тисячні частки секунди народжуються високотемпературні плазмові «шнури», які, в кінцевому рахунку, якщо вдасться утримати їх «магнітними руками» хоча б на секунди, дозволять здійснити керовану термоядерну реакцію. Але високотемпературна плазма нестійка. Вона вислизає з «обіймів» магнітних силових ліній, доторкається до стінок установки, охолоджується і гине.
Але тим не менш, плазма поступово починає підкорятися вченим. Американський фізик Н. Крістофілос висунув ідею установки «Астрон», призначеної для створення релятивістської плазми. Він запропонував «впорснути» з прискорювача досить щільний струмінь (пучок) релятивістських електронів в замкнутий об’єм, наповнений важким воднем – дейтерієм, який повинен знаходитися в магнітному полі. Стрімкі електрони іонізують дейтерій, і тим самим буде створена плазма, яка містить релятивістські електрони.
Така плазма повинна бути багато стійкіше звичайної. Наведемо лише деякі міркування, що підтверджують цей висновок. Релятивістські електрони породжують поля, які в сумі з зовнішнім магнітним полем утворюють конфігурацію силових ліній, що перешкоджає виходу з обсягу заряджених частинок, тобто релятивістська плазма як би сама для себе створює «пастку».
У розвитку ряду нестійкостей плазми «винні» електрони. Відхиляючись від стійкого стану, вони при своєму русі утворюють струми, які ведуть до виникнення електромагнітних полів, що підсилюють це відхилення, – початкова нестійкість бурхливо розвивається. Якщо ж електрони розігнані до близько світлових швидкостей, їх маса зростає, електрони стають «важкими» і «розгойдати» їх важче.
Одночасно з описаними подіями в «житті» плазми відбудеться й інше: зросте радіус обертання швидких електронів. Це станеться тому, що при дуже великих швидкостях полю важче «загорнути» електрони. У релятивістській плазмі радіус обертання електронів, який в звичайній плазмі багато менше радіуса обертання іонів, може стати навіть більшим, ніж радіус обертання звичайних іонів. В результаті струми, викликані рухом електронів, стають порівнянними з струмами, зумовленими рухом іонів. Оскільки іони і електрони несуть заряди протилежних знаків, струми, викликані обертанням частинок, направлені в різні боки, і сумарний струм може стати дуже малим, що збільшить стійкість релятивістської плазми.
Випромінювання електронів в магнітному полі також в деяких випадках може збільшити стійкість плазми. Так як електромагнітне випромінювання швидко зростає зі збільшенням швидкості електронів, очевидно, саме у випадку релятивістських електронів повинна підвищуватися стійкість плазми.
Сказане, звичайно, не означає, що, створивши релятивістську плазму, ми отримаємо стійку систему, здатну жити достатній час, необхідну для протікання термоядерної реакції. Однак це дозволяє сподіватися, що, можливо, труднощі, пов’язані з отриманням стійкої релятивістської плазми, виявляться меншими, ніж ті, які виникли зараз при спробах зробити стійкою і «осідлати» звичайну плазму. Можливо, саме у своїй релятивістській різноманітності четвертий стан речовини виявиться менш впертим.
Автор: Р. Перельман.