Во время разряда они врываются в плазму из электродов, будто струя пены из огнетушителя в пылающий костер. Словом, электроды весьма нежелательны. Они гасят жар плазмы, неминуемо остужают ее.
Где же выход?
ВИТОК ИЗ ПЛАЗМЫА что, если попытаться осуществить плазменный разряд, не прибегая к услугам электродов? Пусть, например, плазма вихрем несется по кольцу и не натыкается ни на какие электроды! Ведь это сразу увеличило бы ее жизнь. Разряд получился бы куда долговечнее, нарастание тока можно было бы сделать гораздо плавнее, удар по плазме смягчился бы. Вместе с тем кольцевой безэлектродный разряд укутал бы плазму в магнитное одеяло «с головой и ногами», избавил ее от вредного леденящего балласта тяжелых ядер, вылетающих из электродов.
Как видите, кольцевой разряд — дело заманчивое.
Но как его осуществить?
Непосвященному кажется, что проводники, подводящие к плазме ток, совершенно необходимы. Но физики и здесь нашли остроумный выход.
Кому не известно простейшее электротехническое устройство — трансформатор. Его можно увидеть в любом радиоприемнике. Назначение трансформатора—преобразовывать переменный ток: из тока высокого напряжения получать ток низкого напряжения и наоборот. Достигается это просто. На железный сердечник помещены две изолированные друг от друга обмотки: первичная, на которую подается преобразуемый ток, и вторичная, откуда снимается ток преобразованный. Переменный ток первичной обмотки создает переменное магнитное поле и железном сердечнике. А оно, в свою очередь, наводит переменный ток во вторичную обмотку, намотанную на тот же сердечник. Вот и все. Причем обратите внимание: вторичная обмотка не имеет никакого контакта с первичной. А для возбуждения кольцевого плазменного разряда как раз и требуется освободиться от контактов.
Словом, у физиков возникла идея: устроить «звездную спичку» в виде трансформатора. На железный сердечник решили намотать обычную проволочную первичную обмотку, с тем чтобы роль вторичной обмотки передать... плазме.
Час от часу не легче!
Попробуй-ка намотай на что-нибудь разреженный газ, да еще раскаленный до звездных температур! Но суть дела не так уж сложна.
Вторичная обмотка должна состоять из одного-единственного «газового витка».
Представьте себе замкнутую круглую трубу в форме баранки. На языке геометрии подобное тело именуется тором. Баранка эта окружает железный сердечник с первичной обмоткой. Можно обойтись и без сердечника— лишь бы тор охватывался первичной обмоткой. А внутри камеры находится сильно разреженный газ — тот самый, в котором должен происходить кольцевой плазменный разряд.
На этом принципе действуют так называемые тороидальные камеры — разрядные устройства, на которые сейчас возлагают большие надежды ученые, штурмующие проблему управляемого термоядерного синтеза.
„ РЕЗИНКИ“Мы рассказали лишь о принципе устройства тороидальных разрядных камер. На самом деле они много-сложнее. Особых приспособлений требует, например, борьба за устойчивость плазменного потока, забота о том, чтобы частицы плазмы, двигаясь, поменьше виляли в стороны, придерживались предписанного им кольцевого пути и не «дрейфовали» к стенкам этой камеры-баранки.
Ведь и в прямой разрядной трубке плазменный ручей оказался, как вы помните, весьма нестойким. Он слишком быстро разрушался. Его губили молниеносно раздувающиеся пузырьки, ничтожные уменьшения его толщины, коленца и т. д. В тороидальных же камерах, где разряд обязан существовать гораздо дольше, чем в прямых трубках, все эти дефекты шнура плазмы должны быть особенно опасны.
Как избавиться от них?
На этот раз физики уподобились... портным.
Они решили «прошить» шнур плазмы укрепляющими нитями, или, лучше сказать, «резинками».
Это звучит не слишком правдоподобно. Что за нити? Какие резинки? Ведь плазма раскалена до колоссальной температуры! Однако «прошить» ее все же удается. Роль «резинок» можно поручить дополнительному внешнему магнитному полю, направленному вдоль плазменного тока. Создать такое поле нетрудно. Достаточно намотать на разрядную трубку проволочную катушку и пропустить через нее постоянный ток. Вы помните, что еще в первых экспериментах с прямыми трубками продольное поле увеличивало жизнь плазменного ручья. Почему же?
Магнитное поле, «продернутое» вдоль шнура плазмы, как бы натягивает его, придает ему упругость и эластичность. Теперь мелкие неоднородности шнур будет выправлять сам. Нечто похожее происходит с мягкой текстильной тесьмой, если продернуть через нее настоящие резинки.
Вот в какой-то мере мы застраховались от губительного действия мелких неоднородностей ручейка плазмы.
Иной режим получается при очень сильном внешнем продольном поле. Тогда плазма не стягивается в шнур при разряде, а равномерно заполняет камеру. Разогреваться плазма будет не под действием пинч-эффекта, а просто из-за своего сопротивления току — подобно спирали в электрической плитке. Однако такой разряд может быть достаточно устойчивым и горячим лишь, если поток плазмы надежно отодвинут от стенок камеры. Возможно ли это?
“РЕССОРЫ"Изоляция от стенок разрядной камеры требует особых забот как при сильном, так и при слабом дополнительном укрепляющем поле. И тонкий плазменный шнур может, оставаясь однородным по толщине, вдруг равномерно расшириться или изогнуться змейкой и дотронуться своим нежным раскаленным тельцем до ледяной стенки. Тогда он мгновенно остынет, и разряд прекратится.
Любопытно, что стенка при этом почти не пострадает. Несмотря на миллионоградусный жар плазменного ручейка, тепловой энергии в нем сосредоточено мало[9]. Поэтому получается, что не столько стенка разогревается от шнура, сколько, наоборот, шнур остывает от стенки.
Но и от таких аварий нашлось средство.
Поиски привели к неожиданному и удивительно простому предложению. Оказалось, что можно заставить саму стенку отталкивать приблизившийся шнур плазменного разряда, сжимать его. И требуется для этого лишь одно: переменить материал трубки. Делать ее следует не из стекла или фарфора, а из толстого слоя металла. Почему?
Металл — это своего рода тормоз для магнитного поля.
Проникая в металл, магнитные силы возбуждают в нем вихревые движения электронов. Это ведет к рождению в металле собственных магнитных полей. Но «ответное» магнитное поле металла направлено всегда против поля-«пришельца», которое благодаря этому проходит через металл с трудом, преодолевая сопротивление, задерживаясь. К примеру, через десять сантиметров меди магнитное поле проходит за целую секунду.
Явление это известно давно и широко используется в электротехнике. На нем основан, в частности, бытовой электросчетчик. Там задержанный магнитный поток заставляет двигаться металлический диск. И это же явление может спасти шнур плазмы от прикосновений к металлической стенке разрядной трубки. Ведь плазменный ручеек окружен магнитным полем. Приближаясь к металлу, оно как бы вязнет, задерживается. Торможение поля влечет за собой торможение шнура. Словом, магнитное поле здесь действует как рессора, которая мешает шнуру удариться о металлическую стенку трубки и сдавливает, укрепляет поток плазмы.
КОЛЬЦЕВОЙ РАЗРЯДВот нам и стали понятны основные черты тороидальных разрядных установок.
Камера-баранка, размещенная каким-либо способом внутри первичной обмотки, которую можно соединить с батареей конденсаторов, накапливающих электрический заряд для импульса, должна быть освобождена от воздуха, а затем наполнена сильно разреженным термоядерным горючим.
Снаружи тор обвивают дополнительной обмоткой. Пропуская по ней постоянный ток, удается создать магнитное поле, предназначенное для выправления мелких неоднородностей и искривлений в шнуре плазмы. Известно нам и средство, оберегающее плазменный ручеек от губительных прикосновений к стенкам: тор надо выполнить из металла (часто его делают из металлических колец с неметаллическими промежутками, чтобы вся баранка в целом была электрическим изолятором и чтобы без помех пропускать извне внутрь трубы магнитное поле).
Все готово к эксперименту.
На первичную обмотку от батареи конденсаторов подается электрический импульс очень высокого напряжения. Как и в любом трансформаторе, этот импульс наводит сильный ток во вторичной обмотке — в «витке» газа, заключенного в тор.
Конечно, наведенный ток с большой охотой побежал бы по металлической проволоке. Но выбора у него нет. Волей-неволей приходится пробивать себе путь в газе.
