Термоядерная энергетика. Управляемый термоядерный синтез. Гелий и безнейтронная энергетика

       17  ТЕРМОЯДЕРНАЯ ЭНЕРГЕТИКА

       17.1  Управляемый термоядерный синтез (УТС)

            Термоядерные реакции между легкими ядрами, как правило, представляют собой процессы образования сильно связанных ядер из более рыхлых и поэтому сопровождаются выделением энергии, равной увеличению энергии связи продуктов реакции. Большая часть − это реакции синтеза из легких нуклидов в более тяжелые:

²H + ²H ª³He + n,  Q=3,3 MeV,                                                                (17.1)

²H + ²H ª³H + p,     Q=4,0 MeV,                                                               (17.2)

  ³H + ²H ª⁴He + n,   Q=17,6 MeV,                                                             (17.3)

³He + ²H ª⁴He + p, Q=18,3 MeV,                                                            (17.4)

³He + ³He ª ⁴He + 2p⁺ +12,8 MeV.                                                         (17.5)

Однако, имеются исключения: благодаря большой энергии связи ядра ⁴Не возможны экзоэнергетические реакции деления легких ядер. Одна из них, «чистая» реакция

¹¹В+рª 3⁴Не + 8,7 MeV,                                                                         (17.6)

возможно представляет и практический интерес.

            Для осуществления реакции синтеза необходимо, чтобы оба нуклида находились в области их взаимного адронного притяжения (~10^{-13 см), чему препятствует взаимное электростатическое отталкивание. Высота кулоновского барьера в этой области даже для комбинации ядер с наименьшим атомным номером Z=1 составляет ~200 кэВ, что соответствует температуре примерно 2.}10⁹ К. Следовательно, вид сечения взаимодействия (рис. 17.1) определяется в основном вероятностью туннельного прохождения сквозь барьер.

Рис. 17.1 Зависимость эффективных сечений реакций (17.1), (17.3) и (17.4) от энергии дейтрона.

       Таким образом, для получения самоподдерживающейся реакции необходимо нагреть смесь до очень высоких температур. Например, для получения частиц с энергией 10 кэВ требуется температура около 10⁸ К (1 кэВ соответствует температуре 11,6^.10⁶ К). при температуре 10 кэВ атомы газа полностью ионизированы и образуют плазму.

       Физические параметры плазмы

       Скорость реакций синтеза R_ab между частицами а и b определяется их концентрациями  n_a и  n_b, относительной скоростью (энергией) v и сечением

                                                  R_ab=n_a×n_b×                                                                 (17.6)

здесь  - вероятность реакции,  причем эта величина зависит только от температуры плазмы.

Энергия, высвобождаемая в единице объема за время t, составит

                                                                                   W=R_ab×Q_ab×t 

или, принимая n_a=n_b и s_ab×v_abºw_ab(T) , получим

W=n²×w_ab(T)×Q_ab×t.                                                              (17.7)

Например, при n_a=n_b = 10¹⁵ частиц/см³  и температуре Т= 100 кэВ в реакции (17.4)будет выделяться энергия порядка 10³ Вт/(см^3.с).

       В энергетическом термоядерном реакторе должно выделяться энергии больше, чем затрачиваемой на нагрев и удержание плазмы. Т.е. должны быть удовлетворены три условия:

− плазма должна быть нагрета до требуемых температур;

− плотность плазмы должна быть достаточно высокой;

− температура и плотность должны поддерживаться в течение длительного интервала времени.

       Затраты на нагревание n_a+n_b≈2n частиц до Т (кэВ) равны 3nkT.  Таким образом, для работы термоядерного реактора  необходимо, чтобы

                         n²w_ab(T)Q_abt > 3nkT.                                                            (17.8)

Принимая во внимание потери, можно перейти к критерию Лоусона - сочетанию параметра удержания n×tи температуры плазмы Т −, при выполнении которого энерговыделение термоядерного реактора превышает потребляемую энергию.

Время удержания t определяется запасом энергии в плазме Q и потерей энергии W (на нагревание стенок, тормозное излучение электродов, испускание нейтронов и др.):

t =Q/W.

Чем меньше потери, тем больше время удержания.

n×t  - параметр  удержания - чем больше концентрация плазмы, тем за меньшее время прореагирует определенное количество ядер.

Так, для дейтерий-тритиевой плазмы −  nt = (2-3)×10¹⁴ см^-3.с, при T=10 кэВ; дейтериевой плазмы −  nt = 10¹⁶см^-3.с при T=10 кэВ.

            17.2  Способы реализации УТС

Стремление получить высокотемпературную плазму натолкнулось сразу на несколько очень сложных проблем. Во-первых, надлежало ее нагреть до многих миллионов градусов. Во-вторых, чтобы сохранить высокую температуру плазмы, нужно изолировать ее от стенок реактора, создать своего рода плазменное облако. И в-третьих, удержать достаточно длительное время. Горячая плазма ведет себя подобно сильно сжатому газу, т. е. при помещении ее в замкнутый объем реактора она неизбежно придет в контакт с его стенками, передаст им тепло и остынет (либо расплавит и испарит их, как это происходит в водородной бомбе).

17.2.1 Установки с магнитным удержанием

Традиционный способ удержания плазмы − магнитные ловушки различной конфигурации. В наиболее простой частицы движутся по спирали вдоль силовых линий (рис.17.2) однородного магнитного поля.

Рис.17.2  Траектория движения плазмы в однородном магнитном поле.

Главная трудность магнитного удержания заключается в необходимости