yavor2 (553175), страница 99
Текст из файла (страница 99)
кВт-ч энергии. Этого количества энергии достаточно для компенсации энергии, излучаемой Солнцем. Хотя термоядерные реакции на Солнце и приводят к уменьшению иа нем водорода, расчеты показывают, что количества водорода, имеющегося на Солнце, хватит для поддержания термоядерных реакций и излучения Солнца на миллиарды лет. 8. Из предыдущего ясно, какое большое значение имеет осуществление в земных условиях термоядерных реакций для получения энергии. Достаточно сказать, что при использовании дейтерия, содержащегося в одном литре обычной воды, в реакции термоядерного синтеза выделится столько же энергии, сколько выделится при сгорании около 350 л бензина.
Впервые условия, близкие к тем, какие реализуются в недрах Солнца, были осуществлены в СССР, а несколько позднее в США, в водородной бомбе, где происходит самоподдерживающаяся термоядерная реакция взрывного характера. Взрывчатым веществом, в котором происходила термоядерная реакция, являлась смесь дейтерия,11» и трития,Н'. Необходимая для протекания реакции высокая температура была получена за счет взрыва «обычной» атомной бомбы. 9. Теоретически основой для получения искусственных управляемых термоядерных реакций являются реакции, происходящие в дейтериевой высокотемпературяой плазме.
Задача заключается, однако, не только в создании условий, необходимых для интенсивного выделения энергии в термоядерных процессах, но главным образом в поддержании этих условий. Для осуществления самолоддержиеаюи4ейся термоядерной реакции нужно, чтобы скорость выделения энергии в системе, где происходит реакция, была не меньше, чем скорость отвода энергии от системы. Расчеты показывают, что для обеспечения самоподдерживающейся управляемой термоядерной реакции необходимо довести температуру дейтериевой плазмы до нескольких сотен миллионов градусов. При температурах порядка 1О' К термоядерные реакции обладают заметной интенсивностью и сопровождаются выделением большой энергии. Так, при температуре порядка 1О' К мощность, выделяемая в единице объема плазмы присоединении дейтериевых ядер, 427 составляет примерно 3 кВт1м', в то время как при температуре-10'К она равна всего лишь 10 '" Вт1м'.
10. Основной причиной потерь энергии высокотемпературной плазмой является ее огромная теплопроводноегпь, быстро растущая (пропорционально Тч*) при рассматриваемых высоких температурах. Отвод энергии из плазмы может происходить благодаря диффузии горячих частиц из области, где происходит реакция, на стенки аппарата, в котором находится плазма. Если плазму не теплонзолировать от контакта с любыми окружающими веществами, то ее нельзя нагреть даже до нескольких сот тысяч градусов, так как вся энергия, выделяющаяся в результате реакций синтеза, будет уходить на стенки. Иными слонами, необходимо удержать плазму в заданном объеме, не допуская ее расширения.
Идея эффективной магнитной термоизоляцин плазмы применительно к проблеме управляемого термоядерного синтеза была предложена в СССР в 1950 г. Если пропустить через плазму в форме столба вдоль его осв сильный электрический ток, то магнитное поле этого тока, которое имеет форму, обычную г для прямолинейного проводника, создает электродинамические силы, которые будут стремиться сжать плазмен- Н ный столб.
Таким образом столб 1 ! 1 плазмы окажется оторванным от сте- нок и стянутым в плазменный шнур Явление (э 12.8). Очевидно, что сжатие плазмы илазлмг может происходить до тех пор, пока ! давление, вызванное электродииамическимн силами, не уравновесится газокинетическим давлением частиц самой плазмы. На рис. 82.5 шнур 2 Зленарадинамичеснт изолирован от стенок 1 магнитным полем Н. Электрический ток 1, проРис. 62.5. пущенный через газ, выполняет не- сколько функций: а) в начальной стадии создает плазму благодаря интенсивной ионизации; б) стягивает плазму в шнур; в) за счет выделения джоулева тепла и сжатия нагревает плазму до высокой температуры.
В первоначальных опытах, проводившихся в СССР Л. А. Арцимовичем и его сотрудниками, в дейтерин, находящемся под давлением в 0,01 — О,! мм рт. ст., с помощью батареи конденсаторов большой емкости создавался мощный импульсный разряд. Максимальная сила тока в момент разрядного импульса достигала 10'— !О' А при длительности нарастания тока от нуля до максимума 5 — 10 мкс. Возникшая плазма сначала быстро стягивалась в шнур к оси разрядной трубки.
В конце сжатия температура шнура достигала !О' К н даже нескольких миллионов градусов. Однако удержать плазменный шнур в таком состоянии не удается: происходят быстрые радиальные его колебания — он то расширя- 42В ется, то снова сжимается. Вследствие нестабильности, неустойчивости плазмы в плазменном шнуре возникают деформации, которые изменяют геометрическую форму шнура.
Результатом этого является нарушение термоизоляции, интенсивное взаимодействие плазмы со стенками, приводящее к загрязнению дейтерия веществом стенок н к быстрому охлаждению плазмы. Все это происходит за время в несколько микросекунд, сравнимое с временем разрядного импульса. К моменту, когда достигнут максимум тока, температура плазмы уже снижается по сравнению с той, ко- 1~ торая у иее была в момент окончания первого сжатия в шнур. На рис.
82.6 представлены две прос- / тейшие деформации плазменного шнура — его местное сужение и изгиб. Для осуществления управляемых термоядер- / ных реакций необходимо выяснить условия, при которых высокотемпературная плазма, помещенная в магнитном поле надлежащей конфигурации, может сохранять устойчивость. Решение этого вопроса, наряду с поисками путей повышения температуры плазмы до необ- а1 б1 ходимой для самоподдерживающейся Рис. 82.8. реакции синтеза, является главным направлением, в котором развиваются исследования по управляемым термоядерным реакциям. Проблема устойчивости плазмы потребовала прежде всего тщательного изучения деформаций, которые могут возникнуть в плазменном шнуре.
Не вдаваясь в детали, укажем, что в случае деформации, изображенной на рис. 82.6, а, в области сужения (перетяжки) плазмы возрастает напряженность магнитного поля, а вместе с ней возрастают и электродинамические силы„стягивающие шнур в этой области. Между тем давление самой плазмы во всех ее сечениях одинаково и плазма может свободно перетекать вдоль столба. Следовательно, в месте сужения возросшее электродинамическое давление не будет уравновешиваться давлением плазмы, и сужение будет продолжаться вплоть до разрыва шнура в области первоначального сужения.
Аналогично можно показать, что возникшая в плазменном шнуре деформация изгиба будет развиваться и приведет к дальнейшему изгибанию шнура. В настоящее время детально изучены возможные виды неустойчивости плазмы. Для стабилизации плазмы применяются различные варианты использования дополнительных внешних магнитных полей, не связанных с током, проходящим через плазму ($48.8). Серьезным успехом на пути создания управляемых термоядерных реакций явилось осуществление в 1964 г. в Сибирском отделении Академии наук СССР под руководством Г. И, Будкера плазмы с контролируемой температурой в !О' К.
Это достигнуто с помощью сжатия плазмы н ее нагревания ударными волнами (см. Э 30.8), возникающими в плазме в результате очень быстрого нарастания магнитного поля. Оказалось, что этот нагрев может быть осуществлен за время, меньшее времени развития неустойчивостей плазмы. При этом с помощью специальных разрядников за десятые доли микросекунды подводилась мощность порядка 200 ГВт. В плазме с плотностью 10" — 10" м-' осуществлена термоядерная реакция.
Аналогичные результаты получены Е. К. Завойским с сотрудниками в Институте атомной энергии им. И. В. Курчатова. Важнейшей задачей теперь является повышение времени существования устойчивого режима плазмы и ее плотности. Несмотря на то, что сложных нерешенных задач, связанных с созданием практически реализуемых термоядерных реакций, еще очень много, настойчивые усилия ученых приближают решение этой гигантской задачи — получение практически неиссякаемого источника энергии. ГЛАВА 83 ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ Э 83.!.
Два подхода к структуре элементарных частиц 1. Элементарными называются такие частицы, которые на современном уровне развития физики нельзя считать соединением других, более «простых» частиц. Элементарная частица при взаимодействии с другими частицами или полями должна вести себя как единое целое. В современной физике микромира рассматривается проблема природы, свойств и взаимных превращений частиц.
Структура электрона и протона — частиц, известных еще в классической физике,— рассматривается с двух точек зрения. Иногда можно считать эти частицы бессглруктурными материальными точками, обладающими электрическим зарядом и массой. Например, если нас интересует электрическое поле, созданное электроном вдали от него, то можно не учитывать структуру самого электрона, Представление о точечной элементарной частице находится в согласии с теорией относительности.
2. Если элементарная частица имеет конечные размеры, является протяженной, то она, будучи единым целым, не должна деформироваться, так какдеформация по смыслу этого понятия связана с возможностью независимых движений отдельных частей целого..Но в применении к элементарной частице это означает, что внешнее воздействие на нее должно было бы мгновенно передаваться от одних ее частей к другим. Это противоречит основному положению теории относительности об отсутствии в природе скоростей передачи взаимодействий, ббльших скорости света в вакууме. Таким образом, с точки зрения теории относительности элементарная частица должна быть точечной.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
