Вездесущая плазма: четвертое состояние вещества

Эту универсальную модель подтверждали и научные наблюдения, и тысячелетия опыта обыденной жизни. В конце концов, каждый знает, что вода при охлаждении превращается в лед, а при нагревании закипает и испаряется. Свинец и железо тоже можно перевести и в жидкость, и в газ, их надо лишь нагреть посильнее. С конца XVIII века исследователи замораживали газы в жидкости, и выглядело вполне правдоподобным, что любой сжиженный газ в принципе можно заставить затвердеть. В общем, простая и понятная картина трех состояний вещества вроде бы не требовала ни поправок, ни дополнений.

Ученые того времени немало удивились бы, узнав, что твердое, жидкое и газообразное состояния атомно-молекулярного вещества сохраняются лишь при относительно низких температурах, не превышающих 10 000°, да и в этой зоне не исчерпывают всех возможных структур (пример — жидкие кристаллы). Нелегко было бы и поверить, что на их долю приходится не больше 0,01% от общей массы нынешней Вселенной. Сейчас-то мы знаем, что материя реализует себя во множестве экзотических форм. Некоторые из них (например, вырожденный электронный газ и нейтронное вещество) существуют лишь внутри сверхплотных космических тел (белых карликов и нейтронных звезд), а некоторые (такие как кварк-глюонная жидкость) родились и исчезли в краткий миг вскоре после Большого взрыва. Однако интересно, что предположение о существовании первого из состояний, выходящих за рамки классической триады, было высказано все в том же ХIХ столетии, причем в самом его начале. В предмет научного исследования оно превратилось много позже, в 1920-х. Тогда же и получило свое название — плазма.

Во второй половине 70-х годов XIX века член Лондонского королевского общества Уильям Крукс, весьма успешный метеоролог и химик (он открыл таллий и чрезвычайно точно определил его атомный вес), заинтересовался газовыми разрядами в вакуумных трубках. К тому времени было известно, что отрицательный электрод испускает эманацию неизвестной природы, которую немецкий физик Ойген Голдштейн в 1876 году назвал катодными лучами. После множества опытов Крукс решил, что эти лучи есть не что иное, как частицы газа, которые после столкновения с катодом приобрели отрицательный заряд и стали двигаться в направлении анода. Эти заряженные частицы он назвал «лучистой материей», radiant matter.

Следует признать, что в таком объяснении природы катодных лучей Крукс не был оригинален. Еще в 1871 году сходную гипотезу высказал крупный британский инженер-электротехник Кромвелл Флитвуд Варли, один из руководителей работ по прокладке первого трансатлантического телеграфного кабеля. Однако результаты экспериментов с катодными лучами привели Крукса к очень глубокой мысли: среда, в которой они распространяются, — это уже не газ, а нечто совершенно иное. 22 августа 1879 года на сессии Британской ассоциации в поддержку науки Крукс заявил, что разряды 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».

Нередко пишут, что именно Крукс первым додумался до четвертого состояния вещества. В действительности эта мысль гораздо раньше осенила Майкла Фарадея. В 1819 году, за 60 лет до Крукса, Фарадей предположил, что вещество может пребывать в твердом, жидком, газообразном и лучистом состояниях, radiant state of matter. В своем докладе Крукс прямо сказал, что пользуется терминами, заимствованными у Фарадея, но потомки об этом почему-то забыли. Однако фарадеевская идея была все-таки умозрительной гипотезой, а Крукс обосновал ее экспериментальными данными.

Катодные лучи интенсивно изучали и после Крукса. В 1895 году эти эксперименты привели Вильяма Рёнтгена к открытию нового вида электромагнитного излучения, а в начале ХХ века обернулись изобретением первых радиоламп. Но круксовская гипотеза четвертого состояния вещества не вызвала интереса у физиков — скорее всего потому, что в 1897 году Джозеф Джон Томсон доказал, что катодные лучи представляют собой не заряженные атомы газа, а очень легкие частицы, которые он назвал электронами. Это открытие, казалось, сделало гипотезу Крукса ненужной.

Однако она возродилась, как феникс из пепла. Во второй половине 1920-х будущий нобелевский лауреат по химии Ирвинг Ленгмюр, работавший в лаборатории корпорации General Electric, вплотную занялся исследованием газовых разрядов. Тогда уже знали, что в пространстве между анодом и катодом атомы газа теряют электроны и превращаются в положительно заряженные ионы. Осознав, что подобный газ имеет множество особых свойств, Ленгмюр решил наделить его собственным именем. По какой-то странной ассоциации он выбрал слово «плазма», которое до этого использовали лишь в минералогии (это еще одно название зеленого халцедона) и в биологии (жидкая основа крови, а также молочная сыворотка). В своем новом качестве термин «плазма» впервые появился в статье Ленгмюра «Колебания в ионизованных газах», опубликованной в 1928 году. Лет тридцать этим термином мало кто пользовался, но потом он прочно вошел в научный обиход.

Классическая плазма — это ионно-электронный газ, возможно, разбавленный нейтральными частицами (строго говоря, там всегда присутствуют фотоны, но при умеренных температурах их можно не учитывать). Если степень ионизации не слишком мала (как правило, вполне достаточно одного процента), этот газ демонстрирует множество специфических качеств, которыми не обладают обычные газы. Впрочем, можно изготовить плазму, в которой свободных электронов не будет вовсе, а их обязанности возьмут на себя отрицательные ионы.

Для простоты рассмотрим лишь электронно-ионную плазму. Ее частицы притягиваются или отталкиваются в соответствии с законом Кулона, причем это взаимодействие проявляется на больших расстояниях. Именно этим они отличаются от атомов и молекул нейтрального газа, которые чувствуют друг друга лишь на очень малых дистанциях. Поскольку плазменные частицы пребывают в свободном полете, они легко смещаются под действием электрических сил. Для того чтобы плазма находилась в состоянии равновесия, необходимо, чтобы пространственные заряды электронов и ионов полностью компенсировали друг друга. Если это условие не выполняется, в плазме возникают электрические токи, которые восстанавливают равновесие (например, если в какой-то области образуется избыток положительных ионов, туда мгновенно устремятся электроны). Поэтому в равновесной плазме плотности частиц разных знаков практически одинаковы. Это важнейшее свойство называется квазинейтральностью.

Практически всегда атомы или молекулы обычного газа участвуют только в парных взаимодействиях — сталкиваются друг с другом и разлетаются в стороны. Иное дело плазма. Поскольку ее частицы связаны дальнодействующими кулоновскими силами, каждая из них находится в поле ближних и дальних соседей. Это означает, что взаимодействие между частицами плазмы не парное, а множественное — как говорят физики, коллективное. Отсюда следует стандартное определение плазмы — квазинейтральная система большого числа разноименных заряженных частиц, демонстрирующих коллективное поведение.

Плазма отличается от нейтрального газа и реакцией на внешние электрические и магнитные поля (обычный газ их практически не замечает). Частицы плазмы, напротив, чувствуют сколь угодно слабые поля и немедленно приходят в движение, порождая объемные заряды и электрические токи. Еще одна важнейшая особенность равновесной плазмы — зарядовое экранирование. Возьмем частицу плазмы, скажем, положительный ион. Он притягивает электроны, которые формируют облако отрицательного заряда. Поле такого иона ведет себя в соответствии с законом Кулона лишь в его окрестности, а на расстояниях, превышающих определенную критическую величину, очень быстро стремится к нулю. Этот параметр называется дебаевским радиусом экранирования — в честь голландского физика Питера Дебая, который описал этот механизм в 1923 году.

Легко понять, что плазма сохраняет квазинейтральность, лишь если ее линейные размеры по всем измерениям сильно превышают дебаевский радиус. Стоит отметить, что этот параметр возрастает при нагреве плазмы и падает по мере увеличения ее плотности. В плазме газовых разрядов по порядку величины он равен 0,1 мм, в земной ионосфере — 1 мм, в солнечном ядре — 0,01 нм.

В наши дни плазма используется в великом множестве технологий. Одни из них известны каждому (газосветные лампы, плазменные дисплеи), другие представляют интерес для узких специалистов (производство сверхпрочных защитных пленочных покрытий, изготовление микрочипов, дезинфекция). Однако наибольшие надежды на плазму возлагают в связи с работами по осуществлению управляемых термоядерных реакций. Это и понятно. Чтобы ядра водорода слились в ядра гелия, их надо сблизить на расстояние порядка одной стомиллиардной доли сантиметра — а там уже заработают ядерные силы. Такое сближение возможно лишь при температурах в десятки и сотни миллионов градусов — в этом случае кинетической энергии положительно заряженных ядер хватит для преодоления электростатического отталкивания. Поэтому для управляемого термоядерного синтеза необходима высокотемпературная водородная плазма.

Правда, плазма на основе обычного водорода здесь не поможет. Такие реакции происходят в недрах звезд, но для земной энергетики они бесполезны, поскольку слишком мала интенсивность энерговыделения. Лучше всего использовать плазму из смеси тяжелых изотопов водорода дейтерия и трития в пропорции 1:1 (чисто дейтериевая плазма тоже приемлема, хотя даст меньше энергии и потребует более высоких температур для поджига).

Однако для запуска реакции одного нагрева маловато. Во-первых, плазма обязана быть достаточно плотной; во-вторых, попавшие в зону реакции частицы не должны покидать ее слишком быстро — иначе потеря энергии превысит ее выделение. Эти требования можно представить в виде критерия, который в 1955 году предложил английский физик Джон Лоусон. В соответствии с этой формулой произведение плотности плазмы на среднее время удержания частиц должно быть выше некоторой величины, определяемой температурой, составом термоядерного топлива и ожидаемым коэффициентом полезного действия реактора.

Легко увидеть, что существуют два пути выполнения критерия Лоусона. Можно сократить время удержания до наносекунд за счет сжатия плазмы, скажем, до 100−200 г/см3 (поскольку плазма при этом не успевает разлететься, этот метод удержания называют инерционным). Физики отрабатывают эту стратегию с середины 1960-х годов; сейчас ее наиболее совершенной версией занимается Ливерморская национальная лаборатория. В этом году там начнут эксперименты по компрессии миниатюрных капсул из бериллия (диаметр 1,8 мм), заполненных дейтериево-тритиевой смесью, с помощью 192 ультрафиолетовых лазерных пучков. Руководители проекта полагают, что не позднее 2012 года они смогут не только поджечь термоядерную реакцию, но и получить положительный выход энергии. Возможно, аналогичная программа в рамках проекта HiPER (High Power Laser Energy Research) в ближайшие годы будет запущена и в Европе. Однако даже если эксперименты в Ливерморе полностью оправдают возлагаемые на них ожидания, дистанция до создания настоящего термоядерного реактора с инерционным удержанием плазмы все равно останется очень большой. Дело в том, что для создания прототипа электростанции необходима очень скорострельная система сверхмощных лазеров. Она должна обеспечить такую частоту вспышек, зажигающих дейтериево-тритиевые мишени, которая в тысячи раз превысит возможности ливерморской системы, делающей не более 5−10 выстрелов в секунду. Сейчас активно обсуждаются различные возможности создания таких лазерных пушек, но до их практической реализации еще очень далеко.

Альтернативно можно работать с разреженной плазмой (плотностью в нанограммы на кубический сантиметр), удерживая ее в зоне реакции не менее нескольких секунд. В таких экспериментах вот уже более полувека применяют различные магнитные ловушки, которые удерживают плазму в заданном объеме за счет наложения нескольких магнитных полей. Самыми перспективными считают токамаки — замкнутые магнитные ловушки в форме тора, впервые предложенные А.Д.Сахаровым и И.Е. Таммом в 1950 году. В настоящее время в различных странах работает с дюжину таких установок, крупнейшие из которых позволили приблизиться к выполнению критерия Лоусона. Международный экспериментальный термоядерный реактор, знаменитый ITER, который построят в поселке Кадараш неподалеку от французского города Экс-ан-Прованс, — тоже токамак. Если все пойдет по плану, ITER позволит впервые получить плазму, удовлетворяющую лоусоновскому критерию, и поджечь в ней термоядерную реакцию.

«За последние два десятка лет мы добились огромного прогресса в понимании процессов, которые происходят внутри магнитных плазменных ловушек, в частности — токамаков. В целом мы уже знаем, как движутся частицы плазмы, как возникают неустойчивые состояния плазменных потоков и до какой степени увеличивать давление плазмы, чтобы ее все-таки можно было удержать магнитным полем. Были также созданы новые высокоточные методы плазменной диагностики, то есть измерения различных параметров плазмы, — рассказал "ПМ" профессор ядерной физики и ядерных технологий Массачусетского технологического института Йен Хатчинсон, который свыше 30 лет занимается токамаками. — К настоящему времени в крупнейших токамаках достигнуты мощности выделения тепловой энергии в дейтериево-тритиевой плазме порядка 10 мегаватт на протяжении одной-двух секунд. ITER превзойдет эти показатели на пару порядков. Если мы не ошибаемся в расчетах, он сможет выдавать не менее 500 мегаватт в течение нескольких минут. Если уж совсем повезет, энергия будет генерироваться вообще без ограничения времени, в стабильном режиме».

Профессор Хатчинсон также подчеркнул, что ученые сейчас хорошо понимают характер процессов, которые должны происходить внутри этого огромного токамака: «Мы даже знаем условия, при которых плазма подавляет свои собственные турбулентности, а это очень важно для управления работой реактора. Конечно, необходимо решить множество технических задач — в частности, завершить разработку материалов для внутренней облицовки камеры, способных выдержать интенсивную нейтронную бомбардировку. Но с точки зрения физики плазмы картина достаточно ясна — во всяком случае мы так считаем. ITER должен подтвердить, что мы не ошибаемся. Если все так и будет, придет черед и токамаку следующего поколения, который станет прототипом промышленных термоядерных реакторов. Но сейчас об этом говорить еще рано. А пока мы рассчитываем, что ITER начнет работать в конце этого десятилетия. Скорее всего, он сможет генерировать горячую плазму никак не раньше 2018 года — во всяком случае по нашим ожиданиям». Так что с точки зрения науки и техники у проекта ITER неплохие перспективы.