Физика в технике - Г. Покровский

Однако, учитывая поистине гигантское потребление энергии, которое из года в год увеличивается, можно предположить, что рано или поздно человечество окажется лишенным таких видов топлива, как нефть, уголь и даже уран-235, поскольку их мировые запасы в земной коре ограничены.

В связи с этим встает вопрос об использовании термоядерной энергии, т. е. энергии, выделяющейся при термоядерных реакциях (взрыв водородной бомбы).

Чтобы широко использовать эту энергию, таящуюся в недрах атомных ядер, необходимо научиться управлять такими реакциями.

Прежде чем переходить к изложению возможных путей решения этой проблемы и проводящихся экспериментов, расскажем о том, что собой представляют термоядерные реакции, т. е. в чем заключается их сущность.

Известно, что ядра атомов гелия 2Не4 состоят из двух протонов и двух нейтронов, находящихся в «связанном» состоянии. При этом часть внутренней энергии каждой из частиц переходит в энергию связи. Если рассмотреть реакцию образования ядер гелия из ядер тяжелого и сверхтяжелого водорода (дейтерия 1D2 и трития 1T3), протекающую по схеме

(нижние индексы означают заряд ядра в единицах заряда протона, верхние — числа, показывающие, во сколько раз данное ядро тяжелее ядра атома водорода), то оказывается, что сумма масс частиц после реакции (т. е. масса ядра гелия 2Не4 плюс масса нейтрона 0n1) меньше суммы масс ядер дейтерия и трития.

Согласно соотношению Эйнштейна, любой массе m соответствует энергия, равная mс2, где с — скорость света. В результате описанной реакции происходит превращение одного вида материи в другой, т. е. превращение массы в энергию. Энергия Е, выделяющаяся при термоядерных реакциях, огромна. Так, если «исчезнувшая» масса составляет 1 грамм, то выделившаяся в результате этого энергия будет равна mс2 = 1 г × (3·1010 см/сек)2 = 9·1020 эрг., т. е. примерно десяти тысячам миллиардов килограммометров. Чтобы реакция между дейтерием и тритием оказалась возможной, необходимы очень высокие температуры (порядка десятков и сотен миллионов градусов). При таких высоких температурах вещество переходит в новое, плазменное состояние. Скорости хаотического движения частиц в плазме оказываются настолько большими, что становится возможным прямое столкновение одноименно заряженных ядер дейтерия и трития, между которыми действуют силы кулоновского отталкивания.

Для получения температуры в несколько миллионов градусов за границей в настоящее время используют мощные электрические разряды.

Однако недостаточно разопреть плазму до высоких температур, ее надо еще удержать при этих температурах более или менее продолжительное время. На помощь приходят так называемые магнитные ловушки, которые создают невидимый магнитный барьер, — непроницаемый для заряженных частиц высоких энергий (рис. 34).

Мощное магнитное поле, создаваемое специальными электромагнитами, может быть использовано как своеобразный сосуд для ионизированных газов, имеющих высокую температуру. Когда газ нагревается до температур, превосходящих 7–8 тысяч градусов, движение частиц в нем становится настолько сильным, что при ударах одна о другую молекулы начинают разрушаться. От них отрываются отдельные электроны, и остающиеся частицы приобретают положительный заряд, т. е. становятся положительными ионами. При дальнейшем назревании весь газ постепенно полностью ионизируется, т. е. все его частицы становятся ионами и несут на себе электрические заряды,

Частица, несущая электрический заряд, двигаясь в магнитном поле, взаимодействует с ним. В результате этого путь частицы искривляется. Поэтому сильно разогретый ионизированный газ, называемый обычно плазмой, не может вырваться из объема, пронизанного магнитным полем достаточной силы и соответствующей формы. Магнитное поле в данном случае образует своеобразный сосуд, в котором может содержаться сильно раскаленная плазма, быстро разрушающая любые вещества. Магнитное поле оказывается абсолютно жаропрочной формой материи.

В настоящее, время в Советском Союзе и за границей создано несколько подобных установок с магнитной изоляцией разогретой плазмы от стенок сосуда. В таких установках уже получены температуры порядка нескольких миллионов градусов. Дальнейшее увеличение температуры плазмы приводит к некоторым эффектам, которые практически сводят на нет все дальнейшие усилия в повышении температуры дейтериево-тритиевой смеси. Происходит это потому, что при весьма высоких температурах плазмы начинается чрезвычайно интенсивное рентгеновское излучение разогретой смеси, уносящее почти всю затрачиваемую энергию. Получается своего рода заколдованный круг: чем больше энергии вносится в плазму, тем выше становится ее температура и тем интенсивнее рентгеновское излучение, приводящее к остыванию плазмы. Кроме того, значительные трудности возникают при борьбе с неустойчивостью плазмы, которая при больших энергиях частиц начинает «просачиваться» сквозь магнитные «стенки» сосуда.

Сейчас трудно делать какие-либо прогнозы относительно сроков, когда станет возможным практическое использование энергии регулируемых термоядерных реакций. Однако рано или поздно эти трудности будут преодолены, и можно будет использовать поистине неисчерпаемый источник энергии — энергию термоядерных реакций.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Рассмотренные в брошюре примеры показывают, что современные достижения техники прочно основываются на законах естествознания и в первую очередь на законах физики. Без изучения и понимания физической сущности явлений их нельзя использовать в современной технике. Также нельзя понять и должным образом использовать современную технику, не оценив ее возможностей с точки зрения физических законов, на основе которых она создана.

Для того чтобы владеть техникой и понимать пути ее дальнейшего развития, очень важно знать ее физическую основу.

Знание физических основ современной военной техники помогает объективно оценить ее действие в сложных условиях современного боя.

В брошюре освещены только некоторые вопросы, далеко не исчерпывающие всех достижений науки и техники.

Примечания

1

1Å (один ангстрем) равен 10−8 сантиметрам.

2

Вместо луча подсветки обычно используют спонтанное (самопроизвольное) излучение света, возникающее внутри возбужденного кристалла рубина за счет самопроизвольных переходов возбужденных ионов хрома с метастабильного уровня на нижний энергетический уровень.