Россия: Ловцы плазмы
После небольшого вступления сделанного неделю назад, я открываю серию статей на тему "Популярная физика". С детства все знают что вещество может находиться в трёх различных состояниях, а именно твёрдом, жидком и газообразном. Самый показательный пример представляет собой обычная вода, всё её состояния мы может наблюдать в обыденной повседневной жизни, буквально на кухне. Жидкое состояние течёт из крана, твёрдое находится в холодильнике в виде снега или плавает в стакане виски кубиками льда. А последнее газообразное живёт внутри чайника или стремится убежать из кастрюли, приподнимая её крышку при готовке пищи.
Однако, возможные состояния вещества не ограничиваются этой тройкой и существует четвёртое, названное плазмой. Вещество в состоянии плазмы продолжает оставаться в газообразном виде, но, вдобавок к этому приобретает дополнительные свойство в виде электрической проводимости, то есть пропускает через себя электрический ток. Если в обычном воздухе мы может поднести руку к электрической стенной вилке и нас не ударит током, то, если бы воздух уже находился в состоянии плазмы, мы может получить электрический удар. Однако, сама по себе плазма током не ударит - она лишь проводит ток от других источников, но не создает его. Причина появления электрической проводимости - отрыв электронов от атомов вещества составляющего плазму и перевод их в свободное состояние. Атомы теряют электрическую нейтральность и становятся ионами. Плазма может обладать различной температурой, причём, чем она выше, тем "чище" плазма. В частности, при невысоких температурах, электроны отрываются лишь от небольшого числа атомов и число образовавшихся ионов невелико, но при повышении температуры их количество растёт, со временем достигая полной ионизации газа. Благодаря возникающей проводимости, плазма становится способной ко влиянию магнитных и электрических полей.
Так-же при повышении температуры, ионы составляющие плазму начинают двигаться всё с большими и большими скоростями. Пока температура не превышает определённое значение, ионы сталкиваются друг с другом без каких-либо последствий, словно теннисные мячики. Однако, представьте себе, что произойдет если два мячика разогнать до очень высоких скоростей и затем столкнуть? Они не разлетятся в сторону, а разорвутся на части. Похожее должно бы произойти и с ионами, при сильном сталкивании, он должен развалиться на части.
Ион устроен просто - ядро, а вокруг него по орбитам вращаются электроны. Ядра всех ионов обладают положительным зарядом, а два положительных заряда отталкиваются друг от друга. Последнее свойство всё знают на примере обычных магнитов. У магнита есть два полюса - положительный и отрицательный, так что два магнита помещённые рядом либо притянутся к друг дружке, либо оттолкнутся - всё зависит от того, какими концами их сближать. В случае одинаковых полюсов происходит отталкивание, но, прилагая силу рук человек может приблизить магниты вплотную. Однако, магниты существуют не только слабые, но сильные и их сдвинуть намного сложнее.
В случае с ионами, одинаковые положительные заряды ядер мешают им сойтись на близкое расстояние, при низких скоростях сталкивания, сила их отталкивания превышает силу соударения и йоны разлетаются в стороны. Более того, чем ближе ядра пытаются приблизиться друг к другу, тем больше увеличивается сила отталкивания (она называется Кулоновской силой отталкивания). Однако, если скорость становится таки достаточной, ионы преодолевают силу отталкивания своих ядер и сталкиваются, происходит не просто "поломка" ядра, а из двух старых образуется новое ядро, обладающее меньшей массой, чем его предок. Однако, потерявшаяся масса не исчезает просто так, а превращается в энергию.
Думаю, даже те, кто совершенно не смыслит в физике, не раз видели легендарную формулу Эйнштейна, связывающую массу и энергию. Эта формула неоднократно кочует по различным рекламных плакатам и фильмам, символизируя собой простоту и гениальность. Но, как известно, всё гениальное просто, прост и смысл этой формулы - энергия равна массе умноженной на скорость света в квадрате. Таким образом, потеря массы в результате слияния ядер компенсируется появлением энергии и её величину легко узнать по этой формуле. Условно допустим, что мы потеряли один миллиграмм массы - в результате этого образуется приблизительно 900000000000000 Джоулей энергии. Для многих Джоуль может быть незнакомой единицей измерения, посему переведём в киловатт часы. 900000000000000 Джоулей это 250 миллионов киловатт часов. Современный игровой персональный компьютер потребляющий за час работы киловатт мощности электрической сети, работающий на энергии от миллиграмма массы, мог бы работать без перерыва 28 с половиной лет! Конечно, ядро иона весит намного меньше миллиграмма, но зато ионов может быть достаточно много, что компенсирует "слабость" одного.
Реакция при которой происходит столкновение ядер со слиянием, образованием нового ядра и выходом энергии называют термоядерными реакциями. В этом термине две составляющие - "ядерные" и "термо". "ядерные" от того, что сливаются именно ядра, а вот "Термо". Как я уже писал выше, для столкновения ядер, они (в составе ионов) должны обладать достаточно высокими скоростями, которые достигаются за счет высокой температуры плазмы. Именно отсюда идет составляющая "Термо", причем с большой буквы не просто так. Температура должна быть огромна, просто чудовищна, и составлять сотни миллионов градусов. Именно до такой температуры надо нагреть плазму, дабы запустить термоядерную реакцию.
В природе термоядерные реакции протекают в космосе внутри звезд и именно они обеспечивают их горение и свечение, однако на Земле никакой металл, керамика или другой материал не выдержит таких высоких температур, он просто мгновенно испарится. Пример тому термоядерная бомба - после взрыва, от неё не остается не только корпуса, но изрядного куска окружающей местности. Однако, поскольку нагревать нужно не просто вещество, а плазму решение проблемы есть. Плазма обладает проводимостью, а значит на неё действуют электрические и магнитные поля. Можно попробовать создать сосуд из магнитного поля, внутри которого будет находиться плазма, но благодаря магнетизму, не сможет пройти сквозь поле и соприкоснуться с внешней средой.
Впервые такую идею высказал в конце 40-х годов двадцатого века академик Г. И. Будкер, он же основатель Новосибирского Института Ядерной Физики (ИЯФ). Предложение было сразу оценено советским руководством и всё работы по нему засекречены. Лишь в 1968 году гриф сняли и мир узнал о этих исследованиях и создании магнитных ловушек и магнитных пробок. В настоящее время существует ловушки двух основных типов - закрытые и открытые различающиеся топологией (формой) создаваемого ими магнитного поля. В закрытых ловушках, оно имеет форму тора или бублика, а в открытых цилиндра. В ИЯФе, продолжая идеи Будкера, занимаются изучением только открытых ловушек, которые, в отличии от закрытых, обладают куда меньшими размерами, простотой конструкции и более низкой ценой. ИЯФ является мировым лидером по изучению ловушек этого типа. Разумеется, в настоящее время не идет речи о коммерческом использовании таких ловушек для получения энергии, это сугубо экспериментальные установки, на которых исследуются свойства плазмы, её поведение и способы эффективного удержания. Одной из установок, созданных в ИЯФе является установка ГОЛ-3 или Гофрированная Открытая Ловушка.
Установка ГОЛ-3 представляет собой соленоид, то есть длинную и тонкую 12-ти метровую трубку, на которую надето множество катушек, создающих внутри трубки мощное магнитное поле. Всего катушек 110, все они пронумерованы.
Перед работой установки, вакуумные насосы откачивают из трубки воздух, после чего внутрь инжектируется атомы дейтерия. Дейтерий стабильный изотоп водорода, содержащийся и добываемый из обычной воды. После "загрузки топлива", содержимое трубки нужно нагреть до десятков миллионов градусов. Конечно, такую температуру нельзя получить нагревая трубку в пламени свечи или на кухонной плитке. Одним из простых способов является пропускание через смесь пучка заряженных частиц. Для этой цели один из торцов трубки венчает небольшой ускоритель, создающий электронную эмиссию.
На самом деле, нагрев идет в две стадии - сперва пропусканием электрического заряда дают так называемый предварительный нагрев до 20 тысяч градусов, а затем "впрыскиванием" пучка электронов следует нагрев до 50-60 миллионов градусов. В этом состоянии плазма удерживается лишь миллисекунды, но за это время приборы успевают снять показания для последующего анализа. Всё это время, на катушки подается напряжение, создающие в них магнитное поле около пяти тесла. Такое сильное поле, подчиняясь физическим законам, стремится разорвать катушки на части, и для предотвращения этого они скреплены крепкими стальными креплениями.
Для создания как мощного магнитного поля, так и эмиссии электронов требуется высокое напряжение в миллионы вольт. Его создают трансформаторы Теслы, вот эти высокие "грибы" с красными шляпками.
Кроме того, для запуска трансформаторов необходимо первично накопить высокое напряжение в конденсаторе. Конденсаторы так-же имеется, занимая несколько комнат, а всего установка ГОЛ-3 раскинула свои части по трём этажам. Всего за день бывает до пяти "выстрелов", потребляющие около 30ти мегаватт электрической мощности на каждый. Эта энергия поступает он Новосибирской гидроэлектростанции по специально протянутой ветке.
Вокруг трубки в которой создается плазма, расставлена разнообразная измеряющая аппаратура, меняющаяся при различных экспериментах. Вот, например, снятые секции катушек и сейчас на их месте вот такой ажурное окошечко, для спектральных наблюдений.
В другой стороны трубки в настоящее время сооружается второй ускоритель - источник электронов для разогрева, использование которого позволит вдвое увеличить температуру плазмы, приблизив к значению в 150 миллионов градусов.
Во время работы установки рядом с ней создается крайне высокий уровень радиации, до одного Зиверта, однако так-как эта радиация создается электронным пучком, то не имеет эффекта наведения - после неё установка не становится радиоактивной. Для предотвращения влияния на человека, питание установки связанно с открытием-закрытием дверей. Пока хотя бы одна из них открыта, ГОЛ-3 не запустится или отключится при открытии двери. Сами двери выполнены из стали, заметной толщины, а окружающие стены ещё толще (сравните с дверью на фотографии). Все сотрудники обязательно носят с собой индивидуальные дозиметры, так-же дозиметры расставлены вокруг самой установки.
Помимо ГОЛ-3 в ИЯФе так-же находятся открытые ловушки других типов, например газодинамическая ловушка или адиабатическая ловушка. Ученые постоянно получают новые данные и ездят по всему миру с докладами и выступлениями. Благодаря этим исследованиям, день когда управляемая термоядерная реакция станет реальностью становится всё ближе и ближе.
PS В следующей статье серии "Популярная физика" я расскажу что такое коллайдеры, как они работают и для чего нужны.
Однако, возможные состояния вещества не ограничиваются этой тройкой и существует четвёртое, названное плазмой. Вещество в состоянии плазмы продолжает оставаться в газообразном виде, но, вдобавок к этому приобретает дополнительные свойство в виде электрической проводимости, то есть пропускает через себя электрический ток. Если в обычном воздухе мы может поднести руку к электрической стенной вилке и нас не ударит током, то, если бы воздух уже находился в состоянии плазмы, мы может получить электрический удар. Однако, сама по себе плазма током не ударит - она лишь проводит ток от других источников, но не создает его. Причина появления электрической проводимости - отрыв электронов от атомов вещества составляющего плазму и перевод их в свободное состояние. Атомы теряют электрическую нейтральность и становятся ионами. Плазма может обладать различной температурой, причём, чем она выше, тем "чище" плазма. В частности, при невысоких температурах, электроны отрываются лишь от небольшого числа атомов и число образовавшихся ионов невелико, но при повышении температуры их количество растёт, со временем достигая полной ионизации газа. Благодаря возникающей проводимости, плазма становится способной ко влиянию магнитных и электрических полей.
Так-же при повышении температуры, ионы составляющие плазму начинают двигаться всё с большими и большими скоростями. Пока температура не превышает определённое значение, ионы сталкиваются друг с другом без каких-либо последствий, словно теннисные мячики. Однако, представьте себе, что произойдет если два мячика разогнать до очень высоких скоростей и затем столкнуть? Они не разлетятся в сторону, а разорвутся на части. Похожее должно бы произойти и с ионами, при сильном сталкивании, он должен развалиться на части.
Ион устроен просто - ядро, а вокруг него по орбитам вращаются электроны. Ядра всех ионов обладают положительным зарядом, а два положительных заряда отталкиваются друг от друга. Последнее свойство всё знают на примере обычных магнитов. У магнита есть два полюса - положительный и отрицательный, так что два магнита помещённые рядом либо притянутся к друг дружке, либо оттолкнутся - всё зависит от того, какими концами их сближать. В случае одинаковых полюсов происходит отталкивание, но, прилагая силу рук человек может приблизить магниты вплотную. Однако, магниты существуют не только слабые, но сильные и их сдвинуть намного сложнее.
В случае с ионами, одинаковые положительные заряды ядер мешают им сойтись на близкое расстояние, при низких скоростях сталкивания, сила их отталкивания превышает силу соударения и йоны разлетаются в стороны. Более того, чем ближе ядра пытаются приблизиться друг к другу, тем больше увеличивается сила отталкивания (она называется Кулоновской силой отталкивания). Однако, если скорость становится таки достаточной, ионы преодолевают силу отталкивания своих ядер и сталкиваются, происходит не просто "поломка" ядра, а из двух старых образуется новое ядро, обладающее меньшей массой, чем его предок. Однако, потерявшаяся масса не исчезает просто так, а превращается в энергию.
Думаю, даже те, кто совершенно не смыслит в физике, не раз видели легендарную формулу Эйнштейна, связывающую массу и энергию. Эта формула неоднократно кочует по различным рекламных плакатам и фильмам, символизируя собой простоту и гениальность. Но, как известно, всё гениальное просто, прост и смысл этой формулы - энергия равна массе умноженной на скорость света в квадрате. Таким образом, потеря массы в результате слияния ядер компенсируется появлением энергии и её величину легко узнать по этой формуле. Условно допустим, что мы потеряли один миллиграмм массы - в результате этого образуется приблизительно 900000000000000 Джоулей энергии. Для многих Джоуль может быть незнакомой единицей измерения, посему переведём в киловатт часы. 900000000000000 Джоулей это 250 миллионов киловатт часов. Современный игровой персональный компьютер потребляющий за час работы киловатт мощности электрической сети, работающий на энергии от миллиграмма массы, мог бы работать без перерыва 28 с половиной лет! Конечно, ядро иона весит намного меньше миллиграмма, но зато ионов может быть достаточно много, что компенсирует "слабость" одного.
Реакция при которой происходит столкновение ядер со слиянием, образованием нового ядра и выходом энергии называют термоядерными реакциями. В этом термине две составляющие - "ядерные" и "термо". "ядерные" от того, что сливаются именно ядра, а вот "Термо". Как я уже писал выше, для столкновения ядер, они (в составе ионов) должны обладать достаточно высокими скоростями, которые достигаются за счет высокой температуры плазмы. Именно отсюда идет составляющая "Термо", причем с большой буквы не просто так. Температура должна быть огромна, просто чудовищна, и составлять сотни миллионов градусов. Именно до такой температуры надо нагреть плазму, дабы запустить термоядерную реакцию.
В природе термоядерные реакции протекают в космосе внутри звезд и именно они обеспечивают их горение и свечение, однако на Земле никакой металл, керамика или другой материал не выдержит таких высоких температур, он просто мгновенно испарится. Пример тому термоядерная бомба - после взрыва, от неё не остается не только корпуса, но изрядного куска окружающей местности. Однако, поскольку нагревать нужно не просто вещество, а плазму решение проблемы есть. Плазма обладает проводимостью, а значит на неё действуют электрические и магнитные поля. Можно попробовать создать сосуд из магнитного поля, внутри которого будет находиться плазма, но благодаря магнетизму, не сможет пройти сквозь поле и соприкоснуться с внешней средой.
Впервые такую идею высказал в конце 40-х годов двадцатого века академик Г. И. Будкер, он же основатель Новосибирского Института Ядерной Физики (ИЯФ). Предложение было сразу оценено советским руководством и всё работы по нему засекречены. Лишь в 1968 году гриф сняли и мир узнал о этих исследованиях и создании магнитных ловушек и магнитных пробок. В настоящее время существует ловушки двух основных типов - закрытые и открытые различающиеся топологией (формой) создаваемого ими магнитного поля. В закрытых ловушках, оно имеет форму тора или бублика, а в открытых цилиндра. В ИЯФе, продолжая идеи Будкера, занимаются изучением только открытых ловушек, которые, в отличии от закрытых, обладают куда меньшими размерами, простотой конструкции и более низкой ценой. ИЯФ является мировым лидером по изучению ловушек этого типа. Разумеется, в настоящее время не идет речи о коммерческом использовании таких ловушек для получения энергии, это сугубо экспериментальные установки, на которых исследуются свойства плазмы, её поведение и способы эффективного удержания. Одной из установок, созданных в ИЯФе является установка ГОЛ-3 или Гофрированная Открытая Ловушка.
Установка ГОЛ-3 представляет собой соленоид, то есть длинную и тонкую 12-ти метровую трубку, на которую надето множество катушек, создающих внутри трубки мощное магнитное поле. Всего катушек 110, все они пронумерованы.
Перед работой установки, вакуумные насосы откачивают из трубки воздух, после чего внутрь инжектируется атомы дейтерия. Дейтерий стабильный изотоп водорода, содержащийся и добываемый из обычной воды. После "загрузки топлива", содержимое трубки нужно нагреть до десятков миллионов градусов. Конечно, такую температуру нельзя получить нагревая трубку в пламени свечи или на кухонной плитке. Одним из простых способов является пропускание через смесь пучка заряженных частиц. Для этой цели один из торцов трубки венчает небольшой ускоритель, создающий электронную эмиссию.
На самом деле, нагрев идет в две стадии - сперва пропусканием электрического заряда дают так называемый предварительный нагрев до 20 тысяч градусов, а затем "впрыскиванием" пучка электронов следует нагрев до 50-60 миллионов градусов. В этом состоянии плазма удерживается лишь миллисекунды, но за это время приборы успевают снять показания для последующего анализа. Всё это время, на катушки подается напряжение, создающие в них магнитное поле около пяти тесла. Такое сильное поле, подчиняясь физическим законам, стремится разорвать катушки на части, и для предотвращения этого они скреплены крепкими стальными креплениями.
Для создания как мощного магнитного поля, так и эмиссии электронов требуется высокое напряжение в миллионы вольт. Его создают трансформаторы Теслы, вот эти высокие "грибы" с красными шляпками.
Кроме того, для запуска трансформаторов необходимо первично накопить высокое напряжение в конденсаторе. Конденсаторы так-же имеется, занимая несколько комнат, а всего установка ГОЛ-3 раскинула свои части по трём этажам. Всего за день бывает до пяти "выстрелов", потребляющие около 30ти мегаватт электрической мощности на каждый. Эта энергия поступает он Новосибирской гидроэлектростанции по специально протянутой ветке.
Вокруг трубки в которой создается плазма, расставлена разнообразная измеряющая аппаратура, меняющаяся при различных экспериментах. Вот, например, снятые секции катушек и сейчас на их месте вот такой ажурное окошечко, для спектральных наблюдений.
В другой стороны трубки в настоящее время сооружается второй ускоритель - источник электронов для разогрева, использование которого позволит вдвое увеличить температуру плазмы, приблизив к значению в 150 миллионов градусов.
Во время работы установки рядом с ней создается крайне высокий уровень радиации, до одного Зиверта, однако так-как эта радиация создается электронным пучком, то не имеет эффекта наведения - после неё установка не становится радиоактивной. Для предотвращения влияния на человека, питание установки связанно с открытием-закрытием дверей. Пока хотя бы одна из них открыта, ГОЛ-3 не запустится или отключится при открытии двери. Сами двери выполнены из стали, заметной толщины, а окружающие стены ещё толще (сравните с дверью на фотографии). Все сотрудники обязательно носят с собой индивидуальные дозиметры, так-же дозиметры расставлены вокруг самой установки.
Помимо ГОЛ-3 в ИЯФе так-же находятся открытые ловушки других типов, например газодинамическая ловушка или адиабатическая ловушка. Ученые постоянно получают новые данные и ездят по всему миру с докладами и выступлениями. Благодаря этим исследованиям, день когда управляемая термоядерная реакция станет реальностью становится всё ближе и ближе.
PS В следующей статье серии "Популярная физика" я расскажу что такое коллайдеры, как они работают и для чего нужны.