Книга Покоренная плазма - Борис Васильевич Фомин

Подтверждением этого является, например, новое важное сообщение о достижениях советских физиков. В Институте атомной энергии имени И. В. Курчатова удалось получить плазму с температурой сорок миллионов градусов. Это самое крупное достижение в области высокотемпературной плазмы. Так оценили этот успех ученые многих стран.

Основная трудность, с которой столкнулись физики, пытавшиеся нагревать плазму, была вызвана неустойчивостью плазмы. Плазма, которую отгораживало от стенок разрядной камеры магнитное поле, просачивалась через магнитные силовые линии, не хотела сжиматься, что не давало возможности еще больше повысить ее температуру. Многие известные ученые считали, что неустойчивость плазмы преодолеть невозможно. Однако советские физики, работающие под руководством академика Л. А. Арцимовича, кропотливо изучали все виды неустойчивости плазмы и готовились ее штурмовать. И вот пришел первый крупный успех.

В установке, названной учеными пробкотроном, в разрядной камере был создан такой магнитный «забор», густота линий которого увеличивалась во все стороны от области, занимаемой плазмой. Этот «забор» не давал плазме ускользать, благодаря чему время жизни плазмы удалось увеличить до сотых долей секунды. В масштабах микромира это большое время: каждая частица плазмы успевает пробежать внутри установки путь в несколько километров.

Плазма, полученная в пробкотроне, занимает объем в несколько десятков литров. В каждом кубическом сантиметре такой плазмы содержится примерно десять миллиардов частиц — такая плотность получена тоже впервые. Но советские физики стремятся к новому рубежу. Они работают над установкой, в которой плазма имела бы плотность в десять тысяч раз большую и температуру свыше ста миллионов градусов.

Плазменная динамо-машина

Овладение термоядерной энергией — важнейшая задача советской науки. Она записана в Программе нашей партии, и в этом залог ее осуществимости. Но обуздать термоядерные силы, заставить их служить человеку нелегко, а электричество нужно каждый день, каждую минуту. Нельзя ли заставить плазму уже теперь приносить пользу при получении электричества? Оказывается, можно.

Недавно в печати было опубликовано, что создан принципиально новый плазменный генератор электрического тока. Чтобы понять, как работает эта плазменная динамо-машина, рассмотрим принцип действия обыкновенного электрогенератора.

Между полюсами магнита, в сильном магнитном поле, вращается якорь — система проводников. При пересечении магнитных силовых линий в якоре рождается ток. Чтобы вращать якорь, приходится затрачивать энергию. Она получается за счет сгорания угля или нефти, либо за счет падающей воды, либо от какого-нибудь другого источника, например, атомного реактора.

Но превращение энергии угля или нефти в энергию тока здесь происходит не сразу, а через несколько ступенек. Уголь, сгорая, заставляет испаряться воду; струя пара, ударяясь в лопасти турбины, приводит во вращение якорь генератора; и только после того, как якорь начнет вращаться, энергия вращения проводников в магнитном поле превращается в ток.

С точки зрения экономичности работы машины такой способ получения электричества невыгоден, потому что много энергии пропадает напрасно. Действительно, пламя горящего угля нагревает не только трубки с водой, но и окружающий воздух, струя пара, проходя через турбину, отдает не всю свою энергию: пар из турбины выходит довольно горячим и с большой скоростью; тратится энергия и на преодоление сил трения во вращающихся и движущихся деталях генератора. Таким образом, потери энергии оказываются неизбежными, а это немедленно сказывается на коэффициенте полезного действия установки. Лучшие современные электростанции с пользой потребляют лишь сорок — сорок пять процентов энергии топлива.

Ученые давно стали задумываться над тем, как суметь непосредственно, без промежуточных ступеней, превращать тепло в электричество. И вот решающее слово предоставили плазме.

Как устроена плазменная динамо-машина, можно понять из рисунка. В атомном реакторе, или топке, которые на рисунке не показаны, создается очень высокая температура. Благодаря этому газ очень сильно нагревается и превращается в плазму. Расширяясь, он с огромной скоростью вырывается через сопло наружу. Струя плазмы попадает в промежуток между двумя полюсами электромагнита, и заряженные частицы — электроны и ионы — немедленно начинают испытывать воздействие магнитных сил. Они тормозятся магнитным полем и изменяют направление своего полета. Электроны выталкиваются наверх, к катоду, а положительно заряженные ионы устремляются вниз, к аноду. Достаточно присоединить к катоду и аноду нагрузку, и в цепи возникнет электрический ток. Он может вращать моторы, нагревать спирали электроприборов и производить другую работу.

В плазменной динамо-машине нет вращающихся деталей. Струя плазмы, получающаяся в результате сгорания топлива, заменила тяжелый громоздкий якорь, а ее тепловая энергия непосредственно превратилась в ток.

Первые модели плазменных генераторов еще далеки от совершенства, однако они почти в полтора раза экономичнее обычных генераторов. Представьте себе, как велика была бы выгода, если бы заменить старые генераторы новыми, плазменными! Но этого пока сделать нельзя, и вот почему.

Главным недостатком плазменных, или, как их называют ученые, магнитогидродинамических генераторов является то, что их катоды и аноды, принимающие заряженные частицы, не выдерживают длительной работы. Струя плазмы слишком горяча, и электроды быстро выходят из строя. Правда, сейчас ученые добились того, что их генератор мощностью восемь киловатт может непрерывно работать в течение часа. Это, кстати, намного больше, чем у аналогичных машин, созданных американскими учеными.

Препятствия, которые мешают внедрению плазменных генераторов сегодня, несомненно будут преодолены. Недалеко то время, когда мощные струи плазмы, вылетающие со сверхзвуковой скоростью из атомных реакторов, будут рождать целые реки электричества и отдавать их на нужды человека.

Плазменные ракеты

Мы являемся свидетелями необыкновенного развития ракетной техники. Времена, когда ракетные устройства применялись только для фейерверков и подачи сигналов, прошли. Сейчас с помощью ракет выводят на орбиты искусственные спутники Земли и Солнца и доставляют научную аппаратуру за сотни тысяч километров от Земли.

Ракетные двигатели сократили расстояния и на нашей планете. Знаменитые воздушные лайнеры «ТУ» совершают полеты на огромные расстояния. Преодоление звукового барьера и полеты самолетов со скоростью, превышающей скорость звука, также стали возможными благодаря двигателям-ракетам.

Преимущества, которыми обладают ракетные устройства, заставляют не жалеть сил и средств для совершенствования этого детища двадцатого века. Важная роль в этом принадлежит плазме.

Мы уже знаем, что раскаленные газы, стремительно вылетающие из сопла ракеты, — это плазма. Получается она от сгорания керосина или другого ракетного топлива в двигателе.

Горение — химический процесс, поэтому современные ракеты можно назвать ракетами химического принципа действия. В будущем такие ракеты, особенно для полетов на другие планеты, вряд ли будут применяться. На смену им придут ракеты с атомными двигателями.

Сейчас ученые уже намечают контуры этих замечательных ракет.

«Душой», «сердцем» ракеты является атомный реактор. В нем непрерывно идет процесс деления ядер урана и выделение большого количества тепла.

В носовой части ракеты расположены баки с веществом — жидкостью, — называемым рабочим телом. По трубам эта жидкость