Проблемы управляемого термоядерного синтеза

Зависимость удельной энергии связи от массового числа (Рис.43) делает энергетически выгодным процесс синтеза легких ядер в одно ядро. В наиболее перспективной реакции выделяется 17,6 МэВ, а в расчете на нуклон 3,5 МэВ, что в 4 раза больше, чем в реакции деления урана (0,9 МэВ на нуклон).

Для прохождения реакции необходимо преодолеть кулоновский барьер, который для двух протонов составляет или 0,35 МэВ в расчете на 1 нуклон. При тепловом движении такая энергия () соответствует температуре 2·10⁹К. Впервые реакция синтеза была осуществлена в водородной бомбе, где в качестве запала использовался взрыв атомной бомбы, обеспечивавший необходимые температуры.

Однако, синтез может протекать и при меньшей температуре (10⁷К) за счет туннельного эффекта и максвелловского распределения ядер по скоростям (определенное число ядер имеют энергию, значительно превышающую среднее значение). При таких температурах вещество представляет собой ионизированную плазму и ее можно удержать только в магнитном поле. В настоящее время управляемую термоядерную реакцию пытаются получить в установках под названием токамаки (ТОроидальная КАмера с МАгнитными Катушками), впервые предложенных А.Д.Сахаровым и И.Е.Таммом.

Для реализации управляемой реакции синтеза выделившаяся энергия должна превышать энергию, уносимую из плазмы электромагнитным и корпускулярным излучением. При равенстве этих величин реакция синтеза будет протекать, но генерации энергии происходить не будет. Это равенство, называемое условием зажигания термоядерной реакции, было получено в оценочном аналитическом виде американским физиком Дж.Д. Лоусоном в 1957 году и называется критерием Лоусона:

,

где n –число частиц в 1 см³ (плотность плазмы), τ — среднее время удержания плазмы в активной зоне реактора; L (T) — коэффициент Лоусона, зависящий от температуры, типа легких ядер и потерь на излучение. Зависимость критерия Лоусона от температуры при преобразовании выделившейся энергии в полезную работу с КПД

= 1/3 показана на Рис.43.

Рис.43 Зависимость критерия Лоусона от температуры (DT – реакция дейтерия и трития )

Из рисунка видно, что оптимальная температура для реакции приблизительно равна 2 ·10⁸ К, а критерий Лоусона с/см³. Таким образом, для осуществления реакции синтеза в дейтерий-тритиевой плазме необходимо обеспечить высокую температуру (нагреть) и концентрацию ионов (сжать) в течение определенного времени (удержать). В настоящее время удерживание, ускорение и сжатие плазмы происходит в магнитном поле токамаков.

Проблема выработки электроэнергии с помощью управляемого термоядерного синтеза заключается в увеличении времени реакции с уровня микросекунд в бомбе до часов и дней. В 1997 году на объединенном европейском токамаке-реакторе JET (Англия) удалось достичь мощности энерговыделения более 16 МВт, что примерно сравнялось с мощностью потерь. Это достижение получило название «перевала» - равенства тепловых потерь и энергетического выхода реакции термоядерного синтеза, однако оно было получено в импульсном режиме длительностью в 1 сек.

21 ноября 2006 года в Париже ЕС, Китай, Россия, США, Южная Корея и Япония подписали международное соглашение о создании Интернационального Термоядерного Экспериментального Ядерного Реактора (ИТЭР), 14 октября 2007 года было начато его строительство в Кадараше (под Ниццей, Франция). Главная задача ИТЭР, который будет предположительно построен в течение 10 лет, - достичь момента «зажигания», когда начнется самоподдерживающееся горение плазмы, а системы внешнего нагрева плазмы можно будет отключить. Это должно произойти при длительность реакции порядка 400 сек и мощности ядерного синтеза от 300-500 МВт. Создание первого энергетического реактора возможно через 20-30 лет после реального начала строительства ИТЭРа.

Дейтериево-тритиевая (ДТ) энергетика почти не ограничена ресурсами. Литий, который необходим для получения трития – элемент, широко распространенный в природе, а запасы дейтерия практически безграничны (на каждые 7000 атомов водорода в обычной воде приходится атом дейтерия). ДТ-энергетика, по современным оценкам, будет безопасней примерно на два порядка энергетики деления урана, главным образом, за счет того, что в ней должны отсутствовать газообразные и жидкие радиоактивные отходы, а твердые, по мнению экспертов, не представляют большой опасности. Наконец, термоядерная энергетика практически безынерционна, поэтому ситуации типа чернобыльской в ней исключены.

Элементарные частицы

Элементарными частицами условно называют большую группу микрочастиц, не являющихся атомами или атомными ядрами (за исключением протона, который является ядром атома водорода). В настоящее время известно около 400 таких частиц. Истинно элементарными, т.е. такими, которые нельзя составить ни из каких других известных частиц, являются электрон, мюон, тау-лептон, все виды нейтрино, фотоны и кварки.