Плазма четвертое состояние вещества (стр. 4 из 7)

Приближенная теория показывает, что основную роль в поперечной диффузии играют столкновения электронов с ионами. Столкновения же ионов с нонами и электронов с электронами при этом несущественны.

Так как ионы движутся в магнитном поле по окружности большего радиуса, чем электроны, то им «легче» перейти в результате соударений к вращению вокруг других линий индукции, чем электронам. Другими словами, ионы диффундируют поперек магнитного поля быстрее, чем электроны. Однако в плазме всегда должно быть выполнено условие квазинейтральности. Это означает, что уже при незначительном разделении положительных и отрицательных зарядов возникают сильные электростатические (кулоновские) поля, которые препятствуют дальнейшему разделению зарядов. Но при поперечной диффузии разделение зарядов происходит из-за разных скоростей диффузии электронов и ионов. Это значит, что с разделением зарядов возникающее сильное электростатическое поле препятствует образованию большой разности скоростей диффузии этих частиц. Рвущиеся вперед ионы увлекают за собой электроны, а электроны, наоборот, стремятся затормозить диффузию ионов. Такая совместная диффузия разноименно заряженных частиц называется амбиполярной.

Вспомним теперь о магнитных ловушках. Мы говорили, что в пробкотроне столкновения между частицами приводят к их уходу из ловушки. Теперь же мы узнали, что такие столкновения приводят еще и к поперечной диффузии частиц, являющейся причиной ухода их на стенки ловушки.

Как плазма в магнитном поле проводит электрический ток?

От обычного газа нейтральных частиц плазма отличается способностью хорошо проводить электрический ток. Для полностью ионизированной разреженной плазмы приближенно выполняется закон Ома, который в данном случае записывается не так, как принято его записывать в средней школе

, а в следующем виде:

где j — плотность тока (ток, приходящийся на единицу площади), E - напряженность электрического поля,

- удельное сопротивление проводника. В отсутствие магнитного поля, чем реже сталкиваются электроны с ионами, тем удельное сопротивление плазмы меньше. Если же электроны очень часто сталкиваются с ионами, то электропроводность мала.

В магнитном поле поведение плазмы резко изменяется. Ее свойства в разных направлениях оказываются различными. Среды, у которых свойства в разных направлениях неодинаковы, называются анизотропными. Действительно, если ток в плазме протекает параллельно магнитному полю, то на него магнитное поле не оказывает никакого воздействия.

Иначе обстоит дело, когда ток течет под некоторым углом к направлению линий индукции магнитного поля. В однородном магнитном поле частицы перемещаются по винтовым линиям. Если за время свободного пробега электрон успевает сделать много циклотронных оборотов (такую плазму называют замагниченной), то за это время среднее смещение электрона в направлении, перпендикулярном магнитному полю, оказывается меньшим, чем по направлению магнитного поля. Другими словами, средняя скорость электронов в направлении, перпендикулярном магнитному полю, меньше, чем в направлении поля. Это означает, что электропроводность плазмы поперек поля меньше электропроводности вдоль поля (с увеличением скорости частиц эффективное сечение столкновений уменьшается). Таким образом, плазма в магнитном поле должна описываться двумя коэффициентами проводимости: продольной проводимостью σ_II и поперечной проводимостью σ_┴. При этом у замагниченной плазмы σ_┴ меньше σ_II.

2) Устойчивость плазмы.

Для осуществления управляемых термоядерных реакций большое значение имеет вопрос об устойчивости плазмы. Нужно, чтобы плазма хорошо удерживалась ловушкой в течение таких промежутков времени, за которые частицы плазмы успели бы вступить в реакцию. Но к большому огорчению физиков оказалось, что плазменные конфигурации из-за различных неустойчивостей «разваливаются» скорее, чем успевают произойти реакции между частицами плазмы. И теперь многие исследователи плазмы посвятили себя изучению способов борьбы с ее неустойчивостью, надеясь во что бы то ни стало «укротить» «строптивую» плазму. Неустойчивость плазмы еще не означает, что ее нельзя заставить служить людям. Ведь совсем неустойчив, например, одноколесный велосипед. Но многие видели, как на таком велосипеде артисты цирка не только ездят, но и выделывают сложные трюки. Все дело в умении! Вот и исследователи плазмы изучают разнообразные свойства ее, надеясь, в конце концов, «оседлать» ее и заставить еще активнее служить людям.

Рис.13

Представьте себе, что плазма, в которой совсем нет магнитного поля, удерживается в равновесии внешним магнитным полем. При этом возможны три случая конфигурации магнитного поля: линии индукции могут быть выпуклыми, вогнутыми или прямыми (рис. 13). Характер действия магнитного поля на проводящую жидкость (плазму) таков, как если бы он определялся стремлением линий индукции сокращаться подобно натянутым резиновым жгутам. Плазма же, как и всякий газ, стремится увеличить свой объем. Что же в результате получается, когда магнитные линии индукции выпуклы наружу (рис. 13, а)? Магнитное поле не проникает в плазму. Стремлению линий индукции сократиться мешает стремление плазмы увеличить свой объем. Но если только по каким-нибудь причинам магнитное поле освобождает часть занимаемого им пространства, плазма тотчас же туда устремляется. Наоборот, место, освобожденное плазмой, занимается магнитным полем. Магнитное поле и плазма обмениваются своими местами. Плазма как бы «раздвигает» линии индукции и просачивается через магнитное поле.

Это порождает неустойчивость, которая называется перестановочной или обменной.

В случае же, когда линии индукции выпуклы к плазме (рис. 13, б), их стремлению сократиться совершенно не препятствует стремление плазмы занять больший объем, а, наоборот, одно другому способствует. Такая равновесная конфигурация плазмы в магнитном поле является устойчивой.

Конфигурация плазмы (рис. 13, в) является безразличной.

Итак, не всякая равновесная конфигурация плазмы является устойчивой. Вспомним теперь ловушки с магнитными пробками и тороидальные магнитные ловушки. В обоих случаях можно указать такие области, в которых линии индукции магнитного поля являются выпуклыми и которые, следовательно, опасны из-за обменной неустойчивости. Таким образом, надо придумать, как бороться с неустойчивостью. Можно избежать перестановочной неустойчивости, создавая магнитное поле, линии индукции которого везде выпуклы в сторону плазмы (см. рис. 14). Ловушки такого типа называются магнитными ловушками со встречными полями. Надо отметить, что частицы плазмы покидают и такие ловушки через места «встречи» линий индукции.

Рис.14

3) Проблема удержания высокотемпературной плазмы

Прогресс человечества связан с возрастанием используемой им энергии. Обычно для подсчета запасов энергии вводят так называемую условную единицу. 1-й соответствует энергия, содержащаяся в 33 миллиардах тонн каменного угля. За две тысячи лет до 1850 г. человечество израсходовало примерно 9 таких единиц, а только за сто лет с 1850 до 1950 г. — пять условных единиц. Вот, какие колоссальные темпы роста потребления энергии! Эти темпы будут еще более стремительными. Встает вопрос, на сколько хватит человечеству разведанных им запасов топлива на Земле. Оказывается, что химическое топливо оценивается в 100 условных единиц - его хватит очень ненадолго. Разведанных запасов ядерного горючего хватит всего только на несколько сот лет. Так неужели же человечество обречено на энергетический голод? Конечно, нет. Почти неиссякаемый источник энергии для человечества даст покоренная им плазма, с помощью которой человек овладеет управляемыми термоядерными реакциями. Запасы термоядерного горючего - дейтерия мирового океана - оцениваются в 30 миллиардов условных единиц энергии. Ведь в одном литре обычной воды содержится около 0,03 г дейтерия. А это эквивалентно в энергетическом отношении 300 литрам бензина. Вот почему ученые так упорно и настойчиво добиваются покорения «капризной» плазмы и хотят заставить ее служить людям!

Двадцатый век часто называют «атомным веком». И это неспроста. Ученые разгадали многие тайны атома и его ядра, научились использовать атомную энергию. Первое применение атомной энергии было ужасным и бесчеловечным — это атомная бомба, несущая страшные разрушения и смерть. В нашей стране атомная энергия все больше применяется в мирных целях. Вспомните наш атомный ледокол-гигант «Ленин», атомные электростанции. Источником атомной энергии служат реакции деления ядер тяжелых элементов.