Управляемый термоядерный синтез

Управляемый термоядерный синтез (УТС) —

синтез более тяжёлых атомных ядер из более лёгких,

носящий управляемый характер.

Впервые задачу по УТС в СССР сформулировал и предложил

советский физик Лаврентьев О. А.,

важный вклад внесли А. Д. Сахаров и И. Е. Тамм.

Реакция синтеза заключается в следующем:

берутся два или больше атомных ядра и сближаются настолько,

что силы притяжения преобладают над силами кулоновского отталкивания

между одинаково заряженными ядрами.

В результате формируется новое ядро, имеющее несколько меньшую массу,

чем сумма масс исходных ядер, а разница становится энергией,

которая и выделяется в соответствии с формулой E=mc².

Легкие атомные ядра, проще свести на нужное расстояние,

поэтому тяжелые изотопы водорода являются

одними из лучших видов топлива для реакции синтеза.

Сложность проведения термоядерной реакции характеризуется

произведением nTτ (плотность, температура и время удержания),

называемым критерием Лоусона.

По этому параметру наиболее эффектвной реакцией является реакция D-T,

Поскольку она осуществляется в 100 раз лучше, чем D-³H.

В основных ядерных реакциях применяются

дейтерий(²H) и тритий (³H),

а в более отдалённой перспективе гелий-3 (³He) и бор-11 (¹¹B).

. Реакция (D-T) не является единственным видом потенциального горючего.

Особенный интерес вызывают так называемые «безнейтронные» реакции, обеспечивающие низкий уровень радиоктивного загрязнения.

Схема реакции дейтерий-тритий

Схема реакции Т-Д : ²H + ³H = ⁴He + n + 17,6 МэВ энергии.

Такая реакция наиболее легко осуществима в соответствии с критерием Лоусона,

но имеет недостаток - высокий выход нежелательной нейтронной радиации.

Реакция дейтерий + гелий-3

Наиболее перспективны так называемые «безнейтронные» реакции,

так как в них нейтронный поток не рождается,

но эти реакции сложнее реализовать по критерию Лоусона. .

Пример таких реакций реакция дейтерий + гелий-3:

²H + ³He = ⁴He + p при энергетическом выходе 18,4 МэВ.

Укажем, что Гелий-3, является редким и чрезвычайно дорогим изотопом.

В промышленных масштабах в настоящее время не производится.

Однако может быть синтезирован из трития,

получаемого в свою очередь на атомных электростанциях.

Сложность проведения термоядерной реакции можно характеризовать тройным произведением nTτ (плотность, температура и время удержания), называемым критерием Лоусона. По этому параметру реакция D-³He примерно в 100 раз сложнее, чем D-T.

Реакция между ядрами дейтерия (d-d, монотопливо)

Также возможны реакции между ядрами дейтерия,

они идут немного труднее реакции с участием гелия-3:

Возможны и некоторые другие типы реакций.

Выбор топлива зависит от многих факторов,

Доступности, дешевизны, энергетического выхода,

лёгкости достижения требующихся для реакции УТС критерия Лоусона

Конструкции реакторов

Существуют две принципиальные схемы осуществления УТС:

1. Квазистационарные системы ( ) в которых нагрев и удержание плазмы осуществляется магнитным полем . Для этого применяются реакторы в виде токамаков, стеллараторов (торсатронов) и зеркальных ловушек, которые отличаются конфигурацией магнитного поля. К квазистационарным реакторам относится реактор ITER, имеющий конфигурацию токамака.

2. Импульсные системы ( ). В таких системах УТС осуществляется путем кратковременного нагрева небольших мишеней, содержащих дейтерий и тритий, сверхмощными лазерными лучами или пучками ионов или элект- ронов. Такое облучение вызывает последовательность термоядерных микровзрывов.

Токамаки

Токамак (ТОроидальная КАмера с МАгнитными Катушками для удержания плазмы). Особенностью токамака является использование электрического тока, создающего полоидальное поле, необходимое для равновесия плазмы.