29. Реакции синтеза, Термоядерная энергия.

Реакции синтеза – процессы слияния самых легких ядер с образованием более тяжелого ядра.

Основное препятствие к протеканию: Кулоновский потенциал (10÷100 кЭв). => в этих реакциях могут участвовать только ядра с достаточно высокими кинетическими энергиями. Они достигаются путем первоначального разогрева реагентов, далее она самоподдерживается. Проблема: эта Т очень велика (Т ~10^8 К). Разрешение: преодолимо за счет туннельного эффекта и существования ядер с энергией выше средней.

Основные реакции управляемого термоядерного синтеза (УТС). Условия протекания.

Проблемы: применение ускорителей не даст только (затраты превысят доход), поэтому рассматриваются только термические (термоядерные) реакции синтеза. При требуемых температурах (10÷100 млн. К) вещества пребывают в состоянии плазмы. Поэтому основой из рассматриваемых реакций является «дейтерий-тритиевая»:

2/1Н+3/1Н->4/2Не+1/0n+17,6 МэВ. (1)

Ее характеристики: наиболее эффективна (энергетически, выделяемая энергия в 3,5 раза больше ядерных реакций), кулоновский потенциал сравнительно низок, большое сечение при относительно невысоких энергиях.

«дейтерий-дейтериевая»:

2/1Н+2/1Н->3/2Не+1/0n+3,25 МэВ. или 2/1Н+2/1Н->3/1Н+1/1Н+4,03 МэВ.

Ее показатели существенно хуже реакции (1).

«термоядерное деление»:

1/1Н+11/5В->3*4/2Не+8,7 МэВ. или 1/1Н+7/3Li->2*4/2Не+17,3 МэВ.

Преимущества: Alfa частицы массивны и быстро отдают свою энергию, отсутствуют радиоактивные отходы и проникающее излучение.

Препятствием к осуществлению последних двух реакций являются чрезмерно высокие значения температуры и др. параметров.

Далее речь будет идти только о реакции (1).

Реакций УТС. Критерий Лоусона.

Критерий Лоусона – условие протекание УТС (управляемых термоядерных реакций).

Для плазмы, в которой возможна стационарная термоядерная реакция число элементарных актов синтеза в единице объема равно:

N=alpha(T)*n_0*nt*tau, где n_0 и n_t – концентрация дейтерия и трития, tau – время удержания плазмы в горячем состоянии. Aplpha(T) – функция температуры, вид которой определяется энергетической зависимостью сечения реакции в (1) и условиями протекания теплообмена в плазме. Детальный анализ поведения alpha(T) показывает, что реакция:

Первое условие Лоусона: Т/с2*10^8 К. (2).

Второе условие Лоусона: n*tau>10^20 (3).

где n=n_0+n_t – полная концентрация ядерных реакций.

Время изменяется в сек., а концентрация в м^(-3).

Критерий Лоусона: это (2)+(3). Для «дейтерий-дейтериевой» реакции это будет: Т/с2*10^9 К, n*tau>10^23. Откуда очевидна ее более тяжелая реализация.

Методы «разогрева» в УТС:

Омический: плазма является полупроводником и при пропускании через нее тока выделяется джоулево тепло. Он наиболее разработан, но пригоден только для разогрева на начальных стадиях (до Т~10^7 К.), т.к. при повышении температура проводимость плазмы растет (полупроводник). Этот процесс сопровождается «пинч-эффектом» - сжимание плазмы за счет притяжения отдельных параллельных токов в ней. Это сжатие быстро и почти адиабатические и сопровождается выделение теплоты. Помимо этого, данный эффект сопровождается турбулизации плазмы и развитием в ней ударных волн, что также разогревает плазму.

Т.е. разогрев плазмы уже по существу не проблема. Но главная трудность в удовлетворении условию (3).

Решается двумя путями:

удержание в течении длительного времени высокотемпературной плазмы с небольшой концентрацией при невысоких давлениях.

n=10^29 м^(-3), tau>1 c. (4)

очень быстрый разогрев высококонцентрированного термоядерного горючего в надежде, что за это малое время реакция осуществится. n>10^29 м^(-3), tau=10^(-9) c. (5)

Магнитное удержание плазмы.

Магнитное удержание плазмы: рассмотрим практическую реализацию УТС. Плазма требуется удерживать в ограниченном объеме – реакторе - в котором и будет проходить УТС. Но плазма вмиг ионизирует вещество стенок реактора и за их счет охладится. Разрешил эту проблему в 1950 году Тамм, предложив экранировать плазму магнитным полем.

Существует два способа создания поля:

проводником, расположенным вне плазмы (стеллараторы).

удержание собственным магнитным полем плазмы – т.е. полем, созданным протеканием через плазму тока (токамаки). (все тот же пресловутый «пинч-эффект»).

Наиболее перспективными считаются токамаки, однако и возможности стеллараторов на сегодняшний день далеко не исчерпаны. Эти установки реализуют (4).

Импульсный УТС.

Магнитное удержание плазмы реализует первый путь реализации условия (3), импульсные же установки реализуют второй путь реализации (3).

Их достоинства: отсутствие проблемы удержания высокотемпературной плазмы.

Недостатки: концентрация вещ-ва (из (5)) соответствует твердым телам. Поэтому реагент в них крупинка смеси дейтерия и трития. Ее нужно разогреть до 100 мил град., для чего потребна энергия:

Е=4*pi/3*R^3*n*2*(3/2)~10^4÷10^7 Дж.

Причем внедрить ее в образец следует за время порядка 1 нс. Импульсные установки предполагается реализовывать либо с помощь лазеров, либо пучков релятивистских электронов.