Домашнее солнце: плазма рядом с нами

Что она такое?

Плазма - это четвертое агрегатное состояние вещества. А три первых - твердое, жидкое и газообразное. На самом деле сегодняшняя наука считает, что их около полутора десятков, но давайте здесь обойдёмся для простоты четырьмя "классическими". При изменении таких параметров, как температура и давление в земных условиях легко наблюдать переход веществ из одного состояния в другое и обратно. В самых общих чертах закономерность проста при повышении температуры твердое вещество становится жидким, а жидкое - газообразным. А если газ продолжать нагревать до нескольких тысяч К... (К - это Кельвин, один Кельвин равен одному градусу Цельсия, если помните, только за точку отсчета при измерениях принимается абсолютный нуль, то есть - 273 по Цельсию) Так вот, если газ нагреть до нескольких тысяч К, от его атомов начинают отрываться отрицательно заряженные частицы, электроны, и возникает нечто вроде бульона из свободных электронов, в котором плавают положительно заряженные кусочки атомов - ионы. Ионы, впрочем, бывают и отрицательные, если в общей суматохе к атому прилипает "лишний" электрон. Главное, что в целом получается частично или полностью ионизированный газ. Который с лёгкой руки американского ученого и инженера Ирвинга Ленгмюра в 1928 году, получил прозвище плазма - по аналогии как раз с плазмой крови, жидкой средой, в которой плавают кровяные клетки. В земных условиях плазма - это, в общем, экзотика и возникает она в природе, например, при газовых разрядах. С плазмой мы встречаемся при вспышке молнии или когда наблюдаем всполохи полярных сияний. По свойствам она напоминает обыкновенный газ. С той принципиально важной разницей, что газы - это диэлектрики, а плазма электропроводна, и электромагнитное поле такая же неотъемлемая составляющая плазмы, как и частицы, из которых она состоит. При этом вообще во Вселенной, а не в нашем прохладном и твердом закутке, плазма — самое распространённое агрегатное состояние вещества. В этом состоянии находится вещество звёзд и вещество, наполняющее межпланетное, межзвёздное и межгалактическое пространство, - бо́льшая часть "обычного", барионного, вещества (по массе около 99,9 %) во Вселенной находится в состоянии плазмы. (Правда, при этом, согласно современным представлениям, Вселенная на 69 % - тёмная энергия, на 27 % - тёмная материя, и лишь скромный процент составляет материя нормальная, но... об этом тоже как-нибудь в другой раз)

Кто её открыл?

Из плазмы состоит ионосфера Земли (слой атмосферы планеты, сильно ионизированный вследствие облучения космическими лучами, начинается примерно километрах 60 от поверхности), "продувающий" всю Солнечную систему солнечный ветер и, естественно, само наше светило. Но для земной науки она долго не существовала. Там, где обитает человек с плазматическими явлениями ему приходится более-менее непосредственно сталкиваться в основном в виде атмосферных электрических разрядов. И закономерно, что первыми подступами к открытию плазмы стали исследования электричества. Из важнейших вех в его изучении стоит назвать труды Уильяма Гильберта (1544-1603), английского физика и медика, придворного врача Елизаветы I, а затем её преемника Иакова I. Гильберт около 1600 года описал возникновение электричества в процессе трения (и ввел собственно термин "электричество").

В 1745, немец Эвальд Юрген фон Клейст (1700–1748) изобрел электроконденсатор. Ещё один знаменитый сын Германии Георг Кристоф Лихтенберг в 1777 году построил большой электростатический генератор, способный создавать искры до 38 см в длину, следы от этих высоковольтных (более 200 000 В) разрядов на изоляторе, " лихтенберговы фигуры", напоминающие по форме молнии, подтвердили связь между рукотворным и атмосферным электричеством. В 1800 году блистательный итальянец Алессандро Вольта создал первую гальваническую батарею "вольтов столб". А в 1802 наш выдающийся соотечественник Василий Владимирович Петров построил большую гальваническую батарею с электродвижущей силой около 1700 В - она состояла из 2100 пар медных и цинковых кружков, между которыми прокладывались картонные диски, пропитанные раствором нашатыря. И это позволило ему в том же году открыть дуговой разряд (другое название "вольтова дуга", хотя справедливее было бы называть электрическую дугу "дугой Петрова"). А, как известно, это не что иное, как ионизированный высокотемпературный газ, то есть плазма. Более того, Петров доказал, что ее можно применять для плавки и сварки металлов, для восстановления металлов из руд и для освещения. В 1819 году знаменитый Майкл Фарадей поставил вопрос о четырех состояниях вещества, четвертое из которых - лучистое, radiant state of matter (то есть... плазма). А в 1831 он открыл электрическое свечение разрядов в разреженных газах. На роль "первооткрывателя плазмы", может быть, с наибольшим основанием подходит английский физик и химик сэр Уильям Крукс (1832 - 1919) в 1879 году при помощи экспериментальной газоразрядной трубки, сегодня известной как "трубка Крукса", ионизировал воздух током высокого напряжения. То, что у него получилось, излучало свет, и он назвал это, вслед за Фарадеем, radiant matter, "лучистой материей". И вывод который Крукс сделал из своих экспериментов, был очень важен: процессы в разреженных газах «так непохожи на все происходящее в воздухе или любом газе при обычном давлении, что в этом случае мы имеем дело с веществом в четвертом состоянии, которое по свойствам отличается от обычного газа в такой же степени, что и газ от жидкости». В 1897 году это явление смог объяснить другой англичанин сэр Джозеф Джон Томсон, благодаря своим бесчисленным экспериментам с катодными трубками, в результате которых он открыл электрон. Это - очень коротко и пунктирно - предыстория вопроса. А в 1923 году свойствами электрического разряда в газах занялся американец Ирвинг Ленгмюр. И он-то и ввел термин сам термин "плазма" для ионизированного газа, который образовывался под воздействием мощных переменных токов. Впервые употребив его в таком контексте: "Кроме областей рядом с электродами, где находятся слои экранирования, содержащие очень малое количество электронов, ионизированный газ содержит ионы и электроны примерно в равных количествах, так что результирующий пространственный заряд крайне мал. Для описания этой области, содержащей уравновешенные заряды ионов и электронов, мы будем использовать слово "плазма"". То есть отметил важнейшее свойство плазмы ее общую электрическую нейтральность за счет уравновешивания зарядов. Ещё Ленгмюр разработал теорию электронной температуры и способ измерения электронной температуры и ионной плотности с помощью специального электрода, называемого теперь зондом Ленгмюра. Ещё он изобрел атомно-водородную сварку. А ещё в 1929 открыл волны электронной плотности в плазме, известные теперь как волны Ленгмюра.

Постепенно накапливалось всё больше сведений и теоретического материала, как за счет экспериментов, так и за счет наблюдения за внеземными объектами. Но в середине 1950 годов исследования плазмы получили новый толчок. Правда теперь речь шла не о сравнительно низкотемпературных процессах, а о температурах в миллионы К. И перспективе уничтожения всего живого.

Солнечный круг

"Дорогой кот!
Мы за тебя рады, что ты хорошо живёшь. А природу на дрова рубить не надо. Твой хозяин прав. Посылаем тебе солнце – маленькое, домашнее. Как с ним обращаться, ты знаешь. Видел у нас. Посылаем и регулятор – делать жарче и холоднее. Если ты что-то забыл, напиши нам, мы всё тебе объясним.
Всего хорошего. Институт физики Солнца".

Так в книжке Эдуарда Успенского "Дядя Фёдор, пёс и кот", за счёт личных связей в научных кругах (по блату), кот Матроскин решил проблему зимнего отопления избы в Простоквашине. Выглядит домашнее солнце в детской книге конечно тоже по-детски: переводная картинка из спиралек медной проволоки, подключаемая к электричеству через черный ящик.

Солнце источник тепла и света для нашего мира. Эта простая и основополагающая идея без доказательств принималась человечеством испокон веков. Но что такое солнце и за счет чего оно светит и греет долгое время оставалось непонятным. И со времен формирования современной науки ученые, исходя из наличествующего уровня знаний и представлений, искали объяснение происходящему с нашим светилом. Например, в 1848 г. немецкий естествоиспытатель Юлиус Роберт фон Майер (1814 -1878) выдвинул метеоритную гипотезу, согласно которой Солнце нагревается благодаря бомбардировке метеоритами. Много сторонников во второй половине XIX века было у теории Германа фон Гельмгольца (1821 - 1894) и лорда Кельвина (1824 - 1907) о том, что Солнце нагревается за счёт медленного гравитационного сжатия («механизм Кельвина – Гельмгольца»). В XX веке Эрнест Резерфорд (1871 - 1937) выдвинул гипотезу, что источником внутренней энергии Солнца является радиоактивный распад. И наконец в 1920 году британец Артур Эддингтон (1882 -1944) предположил, что давление и температура в недрах Солнца настолько высоки, что там могут идти термоядерные реакции, при которой ядра водорода (протоны) сливаются в ядро гелия-4. Теория термоядерного синтеза была развита в 1930-х годах астрофизиками Субраманьяном Чандрасекаром (1910 - 1995) и Гансом Бете (1906 - 2005). Бете детально рассчитал две главные термоядерные реакции, которые являются источниками энергии Солнца. Термоядерные реакции − это реакции слияния (синтеза) лёгких ядер, протекающие при высоких температурах. Они идут с выделением энергии, поскольку в более тяжёлом ядре, образовавшемся при слиянии, нуклоны связаны сильнее, т.е. имеют, в среднем, бoльшую энергию связи, чем в исходных ядрах. Избыточная суммарная энергия связи нуклонов при этом освобождается в виде кинетической энергии продуктов реакции. В обычном состоянии положительные заряды ядер испытывают кулоновское отталкивание. И чтобы его преодолеть, они должны лететь навстречу друг другу с большой скоростью и сблизиться на расстояние примерно одной стомиллиардной сантиметра. Это возможно в сильно нагретых средах или при специальном целенаправленном ускорении. Необходимые условия для протекания самоподдерживающихся термоядерных реакций имеются в звёздах, где они являются главным источником энергии и длятся миллиарды лет.

В середине прошлого века ученым и инженерам удалось осуществить термоядерную реакцию и на Земле. И, как это часто бывает в истории человечества, плоды исследований, колоссальный труд и научные прозрения огромного количества умных и талантливых людей были поставлены на службу войны и разрушения. Самоподдерживающиеся термоядерные реакции в течение чрезвычайно короткого времени (слияние двух тяжёлых изотопов водорода, дейтерия и трития, в ядро гелия с испусканием нейтрона) с выделением огромной энергии, это не что иное, как взрыв водородной бомбы, самого мощного оружия в современном арсенале средств уничтожения. Справедливости ради надо отметить, что - как и в случае с атомной бомбой - почти сразу же возникла мысль о том, чтобы огненного демона поставить на службу мира. Иными словами перейти к управляемому термоядерному синтезу для производства энергии. Предложения об использовании управляемого термоядерного синтеза для промышленных целей и конкретная схема с использованием термоизоляции высокотемпературной плазмы электрическим полем впервые сформулировал советский физик О. А. Лаврентьев (1926-2011) в 1950 году. А. Д. Сахаров (1921-1989) и И. Е. Тамм (1895 - 1971) в 1951 году предложили модифицированную теоретическую схему термоядерного реактора, где плазма имела бы форму тора и удерживалась магнитным полем. Первый токамак (тороидальная камера с магнитными катушками) был построен в 1954 году и советские токомаки долго были единственными в мире. В 1968 году на токамаке T-3 в Институте атомной энергии им. И. В. Курчатова под руководством академика Л. А. Арцимовича (1909 - 1973), была достигнута электронная температура плазмы 1 кэВ (что соответствует 11,6 млн °C). Английские учёные из лаборатории в Кулхэме со своей аппаратурой приехали в СССР, произвели измерения и подтвердили этот казавшийся неправдоподобным результат. После этого в передовых научных державах токамаки стали строить ударными темпами. Тем не менее до практических экономически значимых результатах до сих пор речи не идёт. В отличие от случая с "мирным атомом", который стал исправно кипятить воду всего через три года после Хиросимы, "термояд" оказалось обуздать сложнее и почти за семьдесят лет "подключить домашнее солнышко к электричеству" так и не удалось.

Но мы полны оптимизма

Зачем нам нужна термоядерная энергетика? Прежде всего, чтобы "не рубить природу на дрова". За нее множество факторов, среди них перспективы исчерпания ископаемого топлива (в ближайшие 50-60 лет), проблемы с загрязнением среды продуктами горения в случае с "классической" тепловой энергетикой, крайне негативное влияние на экологию самой добычи топлива для современных электростанций, недостаточная для обеспечения растущих потребностей землян мощность альтернативных, возобновляемых, источников энергии (и их, увы, тоже не полная безопасность для окружающей среды). Поэтому стать подобными солнцу - соблазнительный путь. Что для этого нужно?

Для управляемого термоядерного синтеза необходима высокотемпературная водородная плазма. Но обычный водород, которым обходится Солнце и другие звезды нам не подойдет: для земных масштабов интенсивность энерговыделения невысока, горячая плазма под высоким давлением удерживается гравитацией, а все излучаемое рентгеновское излучение — за счет огромной плотности и размеров поглощается. Таким образом ядро не остывает даже при относительно маленьких скоростях реакции. Из-за этого в ядре сгорает не только водород и дейтерий, но и гораздо более тяжелые элементы - нереализуемая конструкция. Поэтому лучше всего использовать плазму из смеси тяжелых изотопов водорода дейтерия и трития в пропорции 1:1. Кроме того, плазма должна быть плотной. Кроме того, частицы должны оставаться в зоне реакции сравнительно долго — иначе потеря энергии превысит ее выделение. В общем, согласно так называемому критерию Лоусона, произведение плотности плазмы на среднее время удержания частиц должно быть выше некоторой величины, определяемой температурой, составом термоядерного топлива и ожидаемым коэффициентом полезного действия реактора. И сейчас существуют две принципиальные схемы осуществления управляемого термоядерного синтеза: квазистационарные системы и импульсные системы.

В первых нагрев и удержание плазмы осуществляется магнитным полем при относительно низком давлении и высокой температуре. Для этого применяются реакторы в виде токамаков, стеллараторов (торсатронов) и зеркальных ловушек.

Во вторых термоядерный синтез осуществляется путём кратковременного нагрева небольших мишеней, содержащих дейтерий и тритий, сверхмощными лазерными лучами или пучками высокоэнергичных частиц (ионов, электронов). Такое облучение вызывает последовательность термоядерных микровзрывов.

Первый вид термоядерных реакторов намного лучше разработан и изучен, чем второй. И выглядит перспективнее. Именно поэтому в 60 километрах от фрацузского города Марселя в 2007 году объединеными усилиями 35 стран - в первую очередь Евросоюза, России, США и Японии - начато строительство ИТЭРа, международного экспериментального термоядерного реактора. На нем предполагается отработать решения физических и технологических проблем промышленного производства энергии с помощью термоядерного синтеза.

Этот реактор представляет собой токомак. То есть плазма в нем будет удерживаться комбинированным магнитным полем — тороидальным внешним и полоидальным полем тока, протекающего по плазменному шнуру (тороидальный и полоидальный - это пространственная ориентация: тороидальное поле ориентировано по окружности "бублика"-тора, а полоидальное - по его сечению) Это особенность токомаков: ток в плазме обеспечивает разогрев плазмы и удержание равновесия плазменного шнура в вакуумной камере. Тогда как в стеллараторе (одна из альтернативных схем удержания) и тороидальное, и полоидальное поля создаются с помощью внешних магнитных катушек.

Масштаб и сложность научных и инженерных задач на проекте ИТЭР видны и по срокам, и по стоимости его осуществления. Проект начал разрабатываться ещё в 1980 годах, от нулевого цикла строительства до начала сборки реактора из компонентов (июль 2020 года) прошло 13 лет. А между тем стройку, стоимость которой первоначально оценивалась в 5 миллиардов евро, планировалось закончить в 2016 году. На данный момент закончить работы планируется к 2025 году, и сумма расходов выросла до 19 миллиардов евро.

Что же мы, человечество, планируем получить за эти (и в перспективе ещё большие) деньги и ценой таких усилий? Многие ученые считают термоядерный синтез в долгосрочной перспективе «естественным» источником энергии. В его пользу приводят яркие аргументы. Практически неисчерпаемые запасы топлива. Водород можно добывать из морской воды где угодно а значит ни одна страна или группа стран не сможет диктовать свои условия, монополизировав ресурсы. Вероятность аварийного взрывного увеличения мощности реакции в термоядерном реакторе оценивается как ничтожная. Продукты сгорания отсутствуют. Ядерный саботаж и терроризм исключается, поскольку не используются материалы которые можно применить для ядерных взрывных устройств. И те радиоактивные отходы, которые будут оставлять термоядерные электростанции, в отличие от отходов существующих АЭС, будут обладать коротким периодом полураспада. Однако есть и скептики. Они указывают например на то, что рентабельность ядерного синтеза в производстве электроэнергии остается под вопросом. В исследовании, проведённом по заказу Бюро науки и техники британского парламента, говорится, что себестоимость электроэнергии будет, вероятно, в верхней части спектра стоимости традиционных источников энергии. Поскольку стоимость электроэнергии напрямую зависит от эффективности использования, длительности эксплуатации и стоимости утилизации реактора. Проблемой является разработка материала, способного выдержать нейтронную бомбардировку, которая, как оценивается, должна быть на порядок, а то и на два интенсивнее, чем в традиционных ядерных реакторах. Это обусловливает необходимость очень частой замены конструкций реактора и критически снижает его рентабельность: стоимость конструкций оказывается больше стоимости произведённой на них энергии. При мощности нейтронного потока в 5-10 раз больше, чем у обычных ядерных реакторов реактор, если его сделать из тех же материалов, прослужит 5 лет, а не 50, как на современных АЭС. И облученные таким мощным потом нейтронов части реактора, разумеется, превращаются при этом в радиоактивные отходы. Существенно и то , что изотоп водорода тритий тоже весьма дорог, получение его не проще и не дешевле, чем получение плутония из отходов урана или U-233 из тория, а для промышленного производства энергии его нужно много.

Так или иначе, начало коммерческой термоядерной энергетики, по довольно оптимистичным прогнозам отстоит от нашего времени лет на тридцать-сорок. Сделано очень много, но до покорения горячей плазмы ещё далеко - мы по-прежнему в начале пути.

А тем временем

Колосс термоядерной энергетики ещё только силится встать на ноги и совершить хоть какие-то осмысленные действия. Но настоящее время, реальность, данная нам в ощущении, полна примеров, когда свойства плазмы успешно используются на практике. Применений ей и уже совсем привычных (вспомним электрическую дугу Василия Петрова) и экзотических огромное множество. Плазма это и электрическое освещение: газоразрядное - в люминесцентных лампах и светящейся рекламе, и дуговое - в прожекторах. И плазменные двигатели на основе холловского эффекта, которые используются на космических аппаратах с 1970-х годов. Плазма - это сварка и резка материалов. Мониторы и телевизионные экраны. Плазма - это изготовление микрочипов, на которых, скажем прямо, держится сегодня наше информационное общество. Плазма, это новые, более эффективные виды антенн. Плазма - это установки для получения горючего. Плазма это утилизация отходов и новые медицинские технологии, которые дают возможность, бороться с микробами и вирусами, обеззараживать раны и бороться с раковыми клетками. Каждый год возникают новые и новые технологии на основе свойств ионизированного газа. Какие-то, как плазменные экраны и дуговые кинософиты, занимают на некоторое время доминирующее положении, а потом клонятся к закату. Какие-то, как низкотемпературные плазмотроны для стерилизации поверхностей, приобретают особую значимость в условиях борьбы с новой коронавирусной инфекцией. И эта широта и разнообразие применений её свойств - лишний раз доказывает, что результаты научных исследований, какими бы далекими они ни казались от практики на начальном этапе, в итоге способствуют прогрессу и улучшению качества нашей повседневной жизни.

Павел Гончаров: Задача физики магнитного удержания плазмы - понимание и уменьшение потерь энергии и частиц.

Заведующий Научной лабораторией перспективных методов исследования плазмы сферических токамаков СПбПУ рассказывает о перспективах термояда и кадровом вопросе.

Вопрос об использовании термоядерного синтеза для производства энергии поставлен ещё в 1950-е годы. И более того его разработка все это время отнюдь не стояла на месте. Но пока практических результатов не достигнуто. В чем сложности осуществления этой идеи?

Сложность понятна интуитивно. Плазма состоит из взаимодействующих заряженных частиц и реагирует на поля. В свою очередь, движения заряженных частиц, то есть токи, сами создают магнитные поля. То есть плазма так или иначе "ведёт себя". Её поведение в магнитной ловушке намного сложнее, чем было бы поведение единичной захваченной частицы. Задача физики магнитного удержания плазмы - понимание и уменьшение потерь энергии и частиц. Потери связаны с разнообразными неустойчивостями плазмы. Очень важным достижением было получение в 1982 году режима улучшенного удержания. Нам очень приятно, что профессор Фридрих Вагнер, который открыл это явление, был в 2016 году избран иностранным членом Российской академии наук и несколько лет работал с нами в Политехе по приглашению Правительства России. Изучение механизмов подавления переноса частиц поперек магнитного поля продолжается. На перенос в объеме может влиять и поведение пристеночной, периферийной плазмы, параметры которой определяют также нагрузки на обращенные к плазме поверхности. С этим, а также с потоками нейтронов из термоядерной плазмы связана очень важная задача подбора специальных конструкционных и функциональных материалов.

Отдельно нужно сказать про генерацию и удержание быстрых частиц в плазме, в частности продуктов синтеза. Если мы говорим о дейтерий-тритиевой реакции, это альфа-частицы, удержание которых определяет термоядерное зажигание - они должны греть плазму, делая реакцию самоподдерживающейся.

Накопленный опыт и знания позволяют трезво оценить перспективы термояда на сегодняшний день. Каковы они?

По всем перечисленным направлениям продолжается работа, в частности в нашей лаборатории, которая была создана Министерством в Политехе. Началась сборка международного экспериментального термоядерного реактора ITER. В приветствии Президента отмечено, что это крупнейший международный научно-технический проект. В его основе - разработанная в нашей стране концепция токамака.

Мы рады, что в России утвержден Федеральный проект по термоядерным и плазменным технологиям. Профессиональное сообщество надеется на то, что после более трех десятков лет перерыва у нас в стране будут приняты решения о строительстве экспериментальной инфраструктуры, не уступающей зарубежной. Так было в прошлом, когда по советским книгам учились другие, и когда наши токамаки демонстрировали выдающиеся на то время параметры.

Ничего в науке и технике, разумеется, нельзя сделать без квалифицированных кадров. Прогресс двигают люди и а людей готовят научные школы. В нашей стране в конце двадцатого века случились драматичные события, которые повлияли и на развитие научно-технического потенциала, в том числе и в кадровом отношении. Как сейчас обстоят дела?

Известные исторические обстоятельства и их следствия не обошли и нашу науку. Кадровый вопрос - ключевой. Для успешной реализации поставленных Президентом национальных целей в части термоядерных и плазменных исследований по нашим оценкам требуется подготовить в стране около пяти тысяч новых специалистов в ближайшие 15 лет, чтобы компенсировать возникший с 90-х годов отрыв. Мы надеемся, что Минобрнауки, учитывая особую роль России как основоположника исследований по управляемому синтезу легких ядер, должным образом организует развитие кадрового потенциала в области физики высокотемпературной плазмы и смежных областях. Мы готовы над этим работать.