1.3.2 Термоядерные реакции

Освоенный к настоящему времени способ извлечения и использова­ния внутриядерной энергии — деления ядер урана-235 имеет свои преде­лы расширения, так как запасы ²³⁵U меньше запасов органических топ­лив. Поэтому одной из важнейших задач ядерной энергетики является самообеспечение топливом путем наработки искусственного горючего — изотопа ²³⁹Рu из ²³⁸U. Это, осуществимо не только в реакторах на быст­рых нейтронах, но и в термоядерных реакторах.

Реакции термоядерного синтеза (слияния легких ядер) возможны лишь при сверхвысоких температурах - порядка 10⁸ К и выше. Необходимость таких температур обусловлена тем, что из-за электростатичес­ких сил взаимного отталкивания при обычных температурах ядра не могут сблизиться на такие малые расстояния, на которых начинают дей­ствовать ядерные силы. При сверхвысоких температурах ядра получа­ют дополнительно большую кинетическую энергию, что позволяет им сблизиться, чтобы прореагировать. Термоядерные реакции сопровожда­ются выделением огромных количеств энергии, что способствует поддер­жанию сверхвысоких температур. Например, при полном превращении 1 кг водорода в гелий выделяется около 800 ТДж (800 • 10¹² Дж) - примерно в 10 раз больше, чем при делении 1 кг ²³⁵U, и в 20 • 10⁶ раз больше, чем при сжигании 1 кг бензина.

В естественных условиях термоядерные реакции происходят на Солн­це, в звездах, являясь основным источником излучаемой ими энергии. Искусственные термоядерные реакции получены пока только в форме неуправляемых нестационарных реакций, используемых, например, в термоядерном оружии. Главная трудность осуществления управляемой искусственной термоядерной реакции связана с созданием эффектив­ной системы, обеспечивающей длительную теплоизоляцию термоядерно­го рабочего вещества от окружающей среды. В качестве рабочего веще­ства предполагается использование высокотемпературной плазмы из смеси тяжелого и сверхтяжелого изотопов водорода - дейтерия и три­тия. Плазма представляет собой такое состояние вещества, когда оно состоит из электронейтральной смеси положительно заряженных ионов и электронов.

Решение проблемы управляемого термоядерного синтеза будет до­стигнуто в плазме при температуре выше 10⁸ К и выполнении критерия Лоусона: ητ > 10¹⁴ см^-3 • с, где η — плотность высокотемпературной плазмы; τ — время удержания ее в системе.

Исследования проводятся в квазистационарных системах и импульсных системах. В пер­вых (токамаки, стеллараторы, зеркальные ловушки и т. д.) удержа­ние и термоизоляция плазмы осуществляются в магнитных полях раз­личной конфигурации. В импульсных системах плазма создается при облу­чении твердой мишени (крупинки смеси дейтерия и трития) сфокусиро­ванным излучением мощного лазера или электронными пучками: при попадании в фокус пучка малых твердотельных мишеней происходит последовательность термоядерных микровзрывов.

Решение проблемы управляемого термоядерного синтеза обеспечит человечество энергией практически на неограниченный срок.

Реакция синтеза дейтерия и трития (D—Т-реакция) сопровождается образованием ядра ⁴Не и нейтрона, энергии которых 3,5 и 14,1 МэВ соответственно. Нейтрон необходимо использовать для получения три­тия из лития, так как в природе трития практически нет. Однако жела­тельно перед этим размножить число нейтронов.

Развитие термоядерной энергетики будет происходить в три этапа. Сначала в энергетических системах будут совместно работать АЭС и гибридные термоядерные электростанции. На втором этапе будут внед­рены ’’чистые” (негибридные) электростанции на основе D—Т-реакции. Продолжительность двух этапов лимитируется только запасами лития, которые огромны, и будет достаточной для того, чтобы завершить работы по созданию реакторов синтеза на основе D—D- или D—T-реакций. В ре­зультате этих реакций возможно осуществить прямое преобразование энергии синтеза в электрическую с помощью МГД-преобразователей (третий этап).