Плазма и термоядерный синтез

Какая часть пути пройдена?

Около двух десятков лет назад физики начали исследования с температуры 10000 К и дошли до 5 000 000 К, т. е. увеличили температуру в 500 раз. Осталось увеличить ее еще в 30-40 раз, но, может быть, этот участок пути будет гораздо труднее.

Время жизни удалось увеличить в 10000 раз, но предстоит увеличить его еще в несколько десятков раз, и это не простая задача. Удалось ли получить на установках Токамак хотя бы первые признаки термоядерной реакции? Да, в 1969 г., при ионной температуре около 5000000 К, концентрации 5*10¹³ частиц в 1 см³ и времени жизни в несколько сотых долей секунды, наблюдались первые признаки термоядерных реакций — нейтронное излучение. Но до окончательного решения проблемы еще далеко. Все существующие установки пока лишь потребляют энергию на разогрев плазмы и создание магнитных полей. Настоящий же термоядерный реактор должен, наоборот, выделять столько энергии, чтобы небольшую ее часть можно было использовать для поддержания процесса, т. е. подогрева плазмы, создания магнитных полей и питания различных вспомогательных приборов и устройств, а основную часть отдавать для потребления в электрическую сеть страны.

"Холодная" плазма

В исследованиях по управляемому термоядерному синтезу изучается высокотемпературная плазма. Ее температура составляет миллионы Кельвинов. Плазму, используемую в газоразрядных приборах, дуговых разрядах и некоторых других приборах, называют низкотемпературной или просто "холодной". Пламя свечи или газовой горелки - это тоже "холодная" плазма. Температура "холодной" плазмы -тысячи или десятки тысяч Кельвинов. Такая плазма также представляет большой интерес, ее можно использовать в МГД-генераторах, плазменных двигателях, осветительных и других газоразрядных приборах. Интересуются низкотемпературной плазмой и химики. Оказывается, в струе плазмы увеличивается интенсивность многих химических реакций. Например, вводя в струю водородной плазмы метан, можно превратить его в ацетилен. Пары бензина можно разложить на ацетилен, этилен, пропилен и ряд других соединений. Можно связывать азот из воздуха, превращая его в окисные соединения,- это необходимо для получения минеральных удобрений. Эти и многие другие процессы осуществляются в плазматронах - специальных устройствах, в которых газ превращается в плазму с помощью дугового или высокочастотного разряда.

На рисунке изображен дуговой плазмо-трон. Плазмообразующий газ (1) вначале проходит через систему спиральных каналов (2), которые закручивают поток газа, превращают его во вращающийся вихрь. Дуга зажигается между электродом (3) и разрядной камерой (4). Под действием центробежных сил более тяжелая холодная часть газа отбрасывается к стенкам разрядной камеры охлаждаемой жидкостью (5) и защищает их от контакта с горячей плазмой (б), т. е. от перегрева. Отжать плазму от стенок камеры помогает магнитное поле, создаваемое соленоидом (7). В результате плазма с температурой 5000-10 000 К может создаваться в плазмотронах, изготовленных из обычных, не очень термостойких материалов.