Помоги проекту - поделись книгой:
«Токамак» — сокращение слов «тороидальная камера магнитная». Тороидом на научном языке называется геометрическая фигура, весьма похожая на… бублик. И рабочая камера такого термоядерного реактора действительно похожа на огромный бублик из стали. Внутри этого бублика, из полости которого выкачан воздух, по окружности должен располагаться плазменный шнур. А чтобы он не соприкасался со стенками камеры, его удерживают в строго заданном положении с помощью электромагнитных полей, создаваемых обмотками, которыми тороид обмотан снаружи.
В принципе конструкция не такая уж сложная. Однако на практике исследователям вот уже многие десятилетия так и не удается добиться устойчивой работы токамаков. Чтобы началось превращение атомов водорода сначала в дейтерий, а потом в гелий, что происходит благодаря синтезу ядер и сопровождается выделением огромного количества энергии, необходимо создать условия для начала термоядерной реакции — создать огромные давления, температуры в миллионы градусов, да еще, как сказано, и удержать плазму от соприкосновения со стенками тороида, то есть обеспечить соответствующую геометрию плазменного шнура.
А вот этого добиться как раз и не удается. «Рукотворное солнце» сияет ничтожные доли секунды и само поглощает уйму энергии, потраченной для создания нужной температуры и давления. В 1995 году на токамаке Принстонской лаборатории удалось получить импульс мощностью 10,6 млрд. ватт. Мировой рекорд! Однако и это «солнце» сияло лишь миллионные доли секунды.
В общем, мечта ядерщиков о создании самоподдерживающейся реакции на токамаке так и остается мечтой. И сейчас исследователям остается уповать на международный термоядерный реактор, который должен вступить в строй в первой четверти XXI века.
Его название «Итейр» составлено из первых букв сокращения, означающего в переводе «международный термоядерный экспериментальный реактор». Пока не известен ни окончательный проект данного реактора, ни место, где его будут строить. Есть лишь намерение запустить новую экспериментальную установку, которая будет сооружена совместными усилиями ученых и инженеров Японии, США, Европы и России.
«Это интересная физика, но бесперспективная энергетика», — говорят ныне многие эксперты. Поэтому Конгресс США недавно урезал на треть финансирование термоядерных программ; законсервированы из-за отсутствия средств на эксперименты многие токамаки в Европе и в нашей стране.
Заморожены работы даже на самом крупном в мире Принстонском токамаке. А это совсем уж жаль, поскольку именно здесь велись основные работы по подготовке проекта «Итейр». Энтузиасты этого направления полагают, что при 93 млн. градусов, до которых должна быть разогрета плазма в новом токамаке, термоядерный синтез станет наконец устойчивым и установка начнет выдавать больше энергии, чем потребляет. Но это пока теория, которую нужно проверить.
Потому многие ученые склоняются к мысли, что «Итейр» нужен лишь для того, чтобы окончательно убедить всех: токамаки — тупиковая ветвь термоядерной энергетики. Обойдется новый проект в десяток миллиардов долларов.
К счастью, токамак — не единственный вариант термоядерного реактора. Развитие лазерной техники, которая во времена первых токамаков находилась в зачаточном состоянии, позволяет сегодня отказаться от тороидальных камер. В Ливерморской национальной лаборатории им. Лоуренса, штат Калифорния, построена установка, в которой лучи мощных лазеров бомбардируют крошечную мишень со всех сторон импульсами ультрафиолета.
Мишенью служит пластиковая капсула величиной с горошину. Изнутри она покрыта тонким слоем золота или свинца и содержит смесь тяжелых изотопов водорода — дейтерия и трития.
Под воздействием лазерных импульсов оболочка мгновенно испаряется, дейтерий с тритием столь же молниеносно сжимаются в 20 раз, нагреваются до 100 млн. градусов и превращаются в гелий. Такая реакция ядерного синтеза сопровождается выделением энергии, причем, в отличие от токамака, энергии тут выделяется на порядок больше, чем расходуется на создание лазерных импульсов.
Словом, налицо самый настоящий термоядерный взрыв, только в миниатюре. Причем серией таких взрывов, как показали эксперименты, можно управлять.
Поначалу в экспериментальной установке мишень бомбардировалась 10 лазерными лучами. Но недавно в Ливерморе вступила в строй более мощная установка, в которой на мишень обрушивается 192 лазерных импульса сразу.
Установка занимает помещение размерами с приличный авиационный ангар. Импульсы ударяют по мишени с силой 1,82 мегаджоуля. Вообще-то такой энергии едва хватает, чтобы сварить две чашки кофе. Но поскольку импульсы длятся невероятно короткое время — три миллиардных доли секунды каждый, — то энергии вполне хватает на то, чтобы зажечь «ливерморское солнце». Мгновенная мощность 192 импульсов достигнет в этот миг 3 трлн. ватт — почти в 1000 раз больше, чем установленная мощность всех электростанций США.
Кроме чисто практических целей, «ливерморское солнце» послужит также и науке. Астрофизики надеются, что, получив в свое распоряжение громадные температуры и давления, они смогут точнее разобраться в процессах, происходящих в недрах нейтронных звезд, когда они превращаются в сверхновые. Да и то, что происходит в глубинах нашего Солнца, станет намного яснее.
Установка для термоядерного синтеза с помощью лазерных импульсов способна также создавать условия, типичные для взрыва водородных бомб. А это значит, что отпадает необходимость производить испытания такого оружия в натуре.
Обошлось сооружение такой установки в 6 млрд. долларов. Дорого, конечно, но все же дешевле, чем строить токамак. Тем не менее, некоторые исследователи недовольны и этой установкой. «Лазеры энергетически мало эффективны, КПД их невелик», — говорят они. Поэтому исследователи больше уповают на обстрел мишеней тяжелыми ядрами, скажем, пучками атомов ксенона или цезия, а также рентгеновскими лучами. Именно о таком проекте недавно сообщили сотрудники национальной лаборатории Сандиа в Альбукерке, штат Нью-Мексика.
Речь здесь идет о подрыве крошечной термоядерной бомбы, которая получается при сжатии с помощью мощных рентгеновских лучей капсулы с тяжелым водородом — дейтерием. При этом состояние водорода было доведено практически до тех же параметров, что он имеет внутри звезд. Подобные контролируемые микровзрывы, безопасные вследствие своей малой мощности, могут стать основой альтернативного способа генерации электроэнергии.
Теперь о технике. Ускоритель представляет собой гигантское колесо диаметром более 30 м. В самом центре колеса помещен цилиндрический контейнер диаметром в 40 мм, состоящий из 360 вертикальных вольфрамовых проволочек. Внутрь контейнера вставляется цилиндр из пенопласта, в который вмонтирована пластиковая капсула диаметром 4,5 мм, содержащая дейтерий.
Сначала электрический импульс с силой тока в 20 млн. ампер испаряет вольфрамовую решетку и возбуждает магнитное поле. Оно сжимает вольфрамовый пар в центре цилиндра. При этом возникает мощная ударная волна, которая генерирует рентгеновское излучение. А лучи, в свою очередь, сжимают крупицы дейтерия, раскаляют их, превращая в плазму с температурой в 10 млн. градусов.
При проведении подобных экспериментов детекторы отмечают выделение нейтронов, что свидетельствует о протекании термоядерных реакций. Но мощности каждого такого взрыва едва достаточно для питания 40-ваттной электролампочки в течение 10-4 доли секунды.
В дальнейшем предстоит повысить мощность самого ускорителя, придумать устройство, которое бы автоматически подавало с определенным интервалом капсулы в самый центр установки, отработать всю технологическую цепочку. В общем, работы еще немало, и стоит она недешево. Лишь на первый ее этап намечено потратить 60 млн. долларов. Но, как полагают исследователи, овчинка, безусловно, заслуживает выделки.
НОВАЯ ЖИЗНЬ СТАРЫХ ИДЕЙ
Да будет свет!
Без электричества жить нельзя. Но прежде чем потребитель включит свет, холодильник или нагреватель, энергетики должны протянуть к нему провода или кабель. А потому во многих отдаленных уголках земного шара работают автономные генераторы, а то и чадят лучины. Впрочем, специалисты снова заговорили о возможности передачи энергии без проводов…
Технология, разработанная во французском Агентстве по исследованию космического пространства (CNES), обещает переворот в электроэнергетике. Специалисты предполагают использовать технологию, реализованную во всем известных СВЧ-печах, где электроэнергия преобразуется в микроволны. Разница в том, что установка CNES работает на частоте, для которой наиболее прозрачна атмосфера, а микроволновый луч, посланный параболическими рефлекторами, будет улавливаться в пункте назначения приемным устройством и снова превращаться в электроток.
Плюсы этого изобретения вскоре предстоит оценить жителям острова Реюньон — французского владения в Индийском океане. Первая в мире беспроводная ЛЭП начнет снабжать энергией отдаленную островную деревню, расположенную на дне глубокого ущелья. До сих пор селяне вынуждены были получать электроэнергию с помощью солнечных батарей — не очень эффективных в этой местности, а ночью и вовсе бесполезных. Пробная передача электроэнергии по воздуху должна состояться в начале 2004 года. А еще через три года начнется промышленная эксплуатация установки.
Впрочем, стоит вспомнить, что в 1986 году газеты сообщали, что во Франции уже осуществлена передача электроэнергии без проводов.
Тогда излучатель энергии состоял из катушки с магнитным сердечником, по которой протекал ток частотой в несколько десятков килогерц. Приемное устройство — тоже катушка с сердечником — монтировалось в электроприбор. Когда этот прибор находился рядом с излучателем, в нем действительно возникала электродвижущая сила, позволявшая ему исправно функционировать, как при включении в обычную электросеть. Специальный компьютерный блок предохранял излучатель от перегрузок, коротких замыканий, внезапных отключений и позволял в пределах одного помещения запитывать сразу несколько бытовых электроприборов.
Газетчики тогда наперебой заговорили об исполнении мечты Николы Теслы, гениального сербского изобретателя, который еще в 1893 году на съезде Ассоциации электрического освещения в Сент-Льюисе продемонстрировал лампы, горевшие без проводов, электромотор, ротор которого вращался без электросети…
Правда, Тесла намекал, что передает электрические колебания не по воздуху, а по земле, и пообещал осветить Всемирную выставку 1903 года в Париже электроэнергией Ниагары, которая будет передана с континента на континент — из Америки в Европу — без проводов.
Однако проект этот осуществлен не был. Идея была забыта на многие десятилетия. Лишь в конце 80-х годов XX века к ней вернулись. И, кроме описанных уже экспериментов во Франции, провели впечатляющие опыты в Канаде. Там в 1988 году была испытана модель самолета, на борту которой не было ни бензобака, ни аккумулятора…
Вся энергия, необходимая для вращения пропеллеров, передавалась с земли по микроволновому лучу.
Испытания показали тогда перспективность подобного способа. Заговорили даже, что в скором будущем так же начнут передавать на Землю электроэнергию космических солнечных электростанций, которые запустят на орбиту вокруг планеты. Однако тогда возникли опасения, что мощные энергетические пучки, идущие из космоса, будут выжигать в атмосфере «озоновые дыры». Да и денег у правительств ведущих стран мира на осуществление столь глобального проекта не нашлось.
Тем не менее, как видите, о нем не забыли окончательно. И эксперименты специалистов CNES позволяют надеяться, что когда-нибудь он все же осуществится. Пока, правда, по-прежнему остается нерешенной все та же проблема. Никто еще не проверял на практике, как будут воздействовать микроволновые лучи на атмосферу.
РАССКАЖИТЕ, ОЧЕНЬ ИНТЕРЕСНО…
Крутится, вертится шар голубой… А почему?
«День да ночь — сутки прочь», — гласит поговорка. Как известно, суточные изменения обеспечивает вращение нашей планеты вокруг собственной оси. А почему, собственно, она крутится?
Возьмите два куриных яйца — одно вареное, другое сырое — и попробуйте их раскрутить. С круто сваренным яйцом это сделать легко, а вот сырое сразу останавливается…
Под твердой скорлупой у него скрывается жидкая сердцевина, тормозящая импульс вращения.
Ситуация с земным шаром еще сложнее. Как полагают ученые, под твердой поверхностью планеты — литосферой — находится раскаленная жидкая магма. А в самом центре располагается опять-таки твердое ядро. Раскрутить подобную твердо-жидко-твердую систему непросто. Тем не менее, все 9 известных сегодня планет Солнечной системы, начиная от Меркурия и кончая Плутоном, обращаются вокруг Солнца в одном направлении — в том же, что и крутится вокруг собственной оси само наше светило. И сами планеты (кроме Венеры и Урана) тоже имеют суточное вращение в том же направлении.
Венера же вращается чрезвычайно медленно и в обратную сторону, а Уран и вовсе крутится, как бы лежа на боку. Такое могло произойти, полагают астрофизики, вследствие столкновения этих планет с какими-то небесными телами.
Само же вращение всей Солнечной системы объясняют следующим образом. Некогда вся система представляла собой этакий спирально закрученный «блин» из пыли и межпланетных газов. «Блин» этот, в свою очередь, еще раньше выделился из спирально закрученной галактики Млечный Путь, вследствие воздействия гравитации. Около 5 млрд. лет тому назад из пылевого облака постепенно стали образовываться более плотные комки. Это и были протопланеты и протосолнце — предки современных небесных тел.
Таким образом, их вращение было уже изначально заложено в систему.
1 — кора; 2 — мантия; 3 — жидкое внешнее ядро; 4 — твердое внутреннее ядро.
После этого когда-то «заведенная» наша планета крутилась, как юла, по инерции. И со временем это вращение все замедляется. Это видно по размаху прибрежных приливов и отливов. Они, да будет вам известно, образуют на морском дне отложения. А кораллы и моллюски формируют из них все новые слои на своем теле — получается нечто вроде годовых колец на деревьях, показывающих, сколько тепла и влаги получили растения в тот или иной год.
В общем, заметив замедление вращения, исследователи стали искать его причину.
Прежде всего, торможение происходит потому, что планета наша крутится вовсе не в стопроцентном вакууме. Вокруг всегда есть какое-то количество межпланетных газов и пыли. Они и замедляют понемногу движение планеты.
Кроме того, весьма существенное влияние на движение нашей планеты оказывает Луна. Она, как известно, своим тяготением образует приливные горбы. Причем не только в океане, где приливные волны могут достигать высоты в десятки метров. На суше тоже имеется такой горб — Луна своим притяжением приподнимает земную поверхность примерно на полметра. Но поскольку земная твердь — не вода, то горб этот наращивается довольно медленно и в своем движении отстает от Луны примерно на четверть круга. И эта «шишка» своей гравитационной массой тоже притормаживает вращение Земли.
Так дело обстоит в теории. Однако на практике неожиданно выяснилось, что по крайней мере дважды — 400 млн. лет и 180 млн. лет назад — наша планета вдруг неожиданно ускоряла свое вращение. Ускорение заметили по тем же донным отложениям и стали искать их причину.
Пока определили два сценария, согласно которым планета могла изменить скорость вращения. Первый — катастрофический. По планете, словно шар по шару на бильярдном столе, могло ударить небесное тело — астероид или малая планета типа нашей же Луны. Именно так, вероятно, могли обрести странности своего вращения Венера и Уран.
Второй способ почти что фантастический. Однако Филипп Машетель, директор Института Земли при французском Университете Монпелье, уверяет, что он гораздо вероятнее первого. Суть же этого процесса заключается в следующем.
Как мы уже выяснили, сырое яйцо трудно раскрутить из-за того, что внутри оно жидкое и слои его, особенно белка и желтка, смещаются друг относительно друга, мешая раскрутке.
Поделиться книгой: