В.В.Поступаев * Физика плазмы, тема 9
Термоядерные реакции - определениеделение
Термоядерные реакции - ядерные реакции между легкими атомными ядрами, протекающие
при высоких температурах (>107÷108 K)
Выбор подходящих реакций
реакции должны быть:
●экзотермическими (делает наиболее ценными реакции с образованием 4He из-за большой энергии связи этого ядра);
●с участием ядер с низким Z (низкий кулоновский барьер);
●с парными реакциями (тройные и выше маловероятны);
●с минимум двумя продуктами (для законов сохранения);
●с сохранением числа протонов и нейтронов (сильное взаимодействие)
В.В.Поступаев * Физика плазмы, тема 9
Г. Гамов, Е. Теллер (1938)8)
В.В.Поступаев * Физика плазмы, тема 9
Реакциитермоядерной энергетикигетики
•Реакции с низким порогом по энергии
•D-T (дейтерий-тритий, идёт при наименьшей температуре):
D + T 4He (3.5 МэВ) + n (14.1 МэВ)
•D-D (дейтерий-дейтерий, два почти равновероятных канала):
D + D |
|
T (1.01 МэВ) + H (3.02 МэВ) |
D + D |
|
3He (0.82 МэВ) + n (2.45 МэВ) |
• T-T (тритий-тритий):
T + T 4He + 2n (11.3 МэВ)
есть и схемы с пониженным выходом нейтронов: основные реакции D + 3He 4He + p и p + 11B 3 × 4He
но у каждой из них есть свои проблемы
В.В.Поступаев * Физика плазмы, тема 9
Топливодлятермоядерной энергетикиергетики
Изотопы водорода
1Н - ВОДОРОД - Г.Кавендиш, 1766 (элемент - А.Лавуазье, 1787)
2Н (D) - ДЕЙТЕРИЙ - Г.Юри, 1932 (спектроскопия), 0.016% в природном Н
3Н (T) - ТРИТИЙ - Э.Резерфорд, 1934, Т1/2 = 12.262 г.
природное содержание (1÷150)·10-18 в Н 4Н - 8Н - крайне неустойчивы
проблема термоядерной энергетики: дейтерия много, трития очень мало (мировой запас трития ~20 кг - Канада, Россия)
Гелий |
Литий (воспроизводство трития) |
в природном газе концентрация до 5÷10% |
6Li + n 4He + T + 4.8 MeV |
Изотопы: 4He - 99.99986%, 3He - остальное |
в земной коре 6.5·10-3% по массе, |
Гелий-3 в некоторых количествах есть |
в природе ~90% 7Li + ~10% 6Li |
на Луне (пока велика цена доставки) |
|
Расход на всю энергетику сегодня
D: ~300 т/год (5·1013 т в воде)
Li: ~10000 т/год (ресурс 5·106 т)
В.В.Поступаев * Физика плазмы, тема 9
Зависимостьсеченияот энергииергии
сечения приведены для реакции «быстрая частица по мишени»
КритерийЛоусона В.В.Поступаев * Физика плазмы, тема 9
В.В.Поступаев * Физика плазмы, тема 9
Балансэнергиив реакторере
Потери энергии из плазмы Ploss
Мощность т/я |
Производство |
Pout |
электричества |
|
|
реакций PFusion |
|
|
ηel |
|
|
|
|
Мощность нагрева PH
В.В.Поступаев * Физика плазмы, тема 9
Энергетическоевремя жизнини ττEE
τE = Qпл / (dQпл/dt) = Qпл / Pпотерь = 3/2·nT / Pпотерь
где Qпл – энергосодержание плазмы, для единицы объёма
Энергетическое время жизни есть мера того, с какой скоростью плазма станет остывать в случае, если будут выключены все источники нагрева,
то есть это главный показатель, характеризующий качество системы удержания плазмы.
КритерийЛоусона (2)В.В.Поступаев * Физика плазмы, тема 9
Баланс энергии при нулевой полезной мощности реактора
мощность нагрева η (Pf + Pr + Pt) = Pr + Pt + Pn мощность потерь
η - КПД преобразования тепла в мощность нагрева Pf - термоядерная мощность (полезная)
Pr - мощность излучения
Pt - потери на теплопроводность
Pn - потери на выгорание топлива (3/2kT на частицу)
(Pr + Pt + Pn) = Pпотерь = Q/τE = (3/2 nT)/τE
Критерий Лоусона (для D-D и D-T реакций)
η P = (1-η)·P |
потерь |
= (1-η)·(3/2nT)/τ |
E |
P ~ const·E n2 |
<συ> |
|
f |
|
f |
f |
|
||
nτE = (1-η)/η [3T/(const·Ef <συ>)]
В критерий Лоусона входит произведение nτE
КритерийЛоусона (3)В.В.Поступаев * Физика плазмы, тема 9
nτE = (1-η)/η [3T/(const·Ef <συ>)]
Минимумы кривых
(для КПД 30%):
DD реактор (100 кэВ): nτE > 1015 см-3·с
D50T50 смесь (20 кэВ): nτE > 0.5·1014 см-3·с
нужно удерживать горячую плазму
В.В.Поступаев * Физика плазмы, тема 9
Коэффициентплазменного усиленияления QQ
Q – мера успешности в достижении реакторных условий
Термоядерная мощность Q = Мощность систем нагрева
Мощность D-T:
|
|
|
|
|
|
Условие |
Коэффициент плазменного усиления |
|
auxiliary |
||
|
|||||
• «Плазменный порог» (breakeven) |
|
Q = 1 |
|||
• Необходимо для поддержания плазмы нагревом от α-частиц |
|
Q = 5 |
|||
• «Инженерный порог» |
|
Q = 10 |
|||
• Нужно для коммерчески-успешного реактора |
|
Q = 30÷50 |
|||
• «Зажигание», дополнительный нагрев не нужен |
|
Q = ∞ |
|||
В.В.Поступаев * Физика плазмы, тема 9
Альтернативныетермоядерные топливатоплива
Основная идея поиска - уменьшить долю реакций с участием нейтронов
D + 3He → 4He + p |
p + 11B → 3×4He |
общие качества: требуют более высоких температур, выигрывают при немаксвелловской функции распределения ионов, большие радиационные потери, привлекательными становятся системы
сбольшой β и с большой плотностью)
возможные преимущества альтернативных термоядерных концепций
В.В.Поступаев * Физика плазмы, тема 9
Реакция D + 3He →4He + pp
●основная реакция безнейтронная
●нейтроны появляются в канале DD (т.е. доля D в смеси д.б. невелика)
●отсутствие 3Не на Земле
●рассматривались варианты с совместным горением в немаксвелловской литиевой плазме:
(а) p + 6Li → 4He (1.7 МэВ) + 3He (2.3 МэВ)
(б) 3He + 6Li → 2 4He + p + 16.9 МэВ
идея в том, что 3Не из (а) успевает вступить в (б) до термализации,
а быстрый протон замыкает цепь в (а)... красиво, но не работает
●привлекательны системы с более высокими магнитными полями и током в плазме (т.к. меньше нейтронная нагрузка на первую стенку по сравнению с DT)
В.В.Поступаев * Физика плазмы, тема 9
Реакция p + 11B →3 4He
●реакции между компонентами безнейтронные
●небольшое количество нейтронов появляется вместе с продуктами основной реакции (т.к. температура - доли МэВ):
часть реакций из списка ниже идет с поглощением энергии
p + 11B → 12C + γ p + 11B → 11C + n
4He + 11B → n + 14N
4He + 11B → p + 14C
4He + 11B → t + 12C
……………и дальше реакции с ними
●максимальное Q ~ 1.68 (при 250 кэВ), для реактора с положительным выходом надо 3.6 для этой реакции нет путей для зажигания в равновесной (максвелловской) плазме !
●проекты использования неравновесной плазмы есть (Tri Alpha Energy).
