Тема 5. Управляемый термоядерный синтез и пучки заряженных частиц

производство топлива сегодня составляет примерно 5х1020 Дж в год. Это

соответствует 12 х 109 тонн условного топлива (уголь, 7000 ккал/кг). Потребление энергии в мире растёт — на 2,3 процента ежегодно, то есть удваиваясь каждые 30 лет. Структура ископаемого топлива потребления: 45 % — нефть, 25 % — газ (природный), 16 % — уголь, 14 % — ядерное топливо.

синтез (УТС) – объединение относительно лёгких атомных ядер с последующим

образованием более тяжёлых. В результате выделяется значительная энергия. В отличие от взрывного синтеза процессом энерговыделения можно управлять. Является перспективным источником энергии.
 5.1. Принцип реализации и основные реакции УТС
Принцип реакции синтеза.
Два (маловероятно – три) ядра под действием некоторой внешней силы (принудительно) сближаются. Расстояние между ними соcтавляет ~ 1,3·10-13 А⅓ см. Эта сила должна преобладать над силой кулоновского отталкивания. В результате образуется новое ядро, масса которого М< М1 + М2 (здесь М1 и М2 – соответственно массы исходных ядер).
Следовательно, выделяется энергия Е = (М1 + М2 – М) с2, где с – скорость света в вакууме. Носителями энергии в этой реакции являются частицы-продукты реакции, в том числе фотоны (если они есть).
Чем меньше заряд исходных ядер, тем проще преодолеть силы отталкивания при организации реакции синтеза, тем выше вероятность ее осуществления. Поэтому водород (в форме дейтерия или трития) является лучшим исходным материалом для реакции синтеза.
Основная цель УТС – создать условия, при которых энерговыделение будет превышать затраты на организацию синтеза. Реакция должна быть экзотермической.

реализации и основные реакции УТС

реализации и основные реакции УТС

реализации и основные реакции УТС

реализации и основные реакции УТС

реализации и основные реакции УТС

осуществления реакции синтеза

Как минимум надо обеспечить два условия
T ≥ 108

K (условие по температуре плазмы)

Критерий Лоусона:
nτ ≥ 5∙1014 см-3∙с (для D-T; для других реакций эта величина может немного отличаться)

источники ионов и инжекторы быстрых атомов для термоядерных установок
Сильноточные пучки

ионов и атомов водорода (D,T) служат для создания и нагрева плазмы до термоядерных температур (T >104 эВ) в установках с магнитным удержанием плазмы. Мощность инжекторов в современных установках УТС составляет ~ 100 МВт.
Инжекторы выполняют следующие функции:
- нагрев плазмы до термоядерных температур в замкнутых магнитных системах (токамаках и стеллараторах);
- создание высокотемпературной плазмы в открытых магнитных системах;
- ввод топлива в термоядерную систему;
- управление интенсивностью протекания термоядерной реакции;
- создание безындукционного тока в торроидальной плазме токамака.
Параметры установки ИНТОР (МАГАТЭ) P ~75 МВт; энергия частиц ~ 175 КэВ; длительность импульса ~ 100 с.

схемы реализации УТС
Можно назвать по крайней мере четыре возможных схемы

реализации УТС.
1. Схема, основанная на магнитном удержании плазмы. Среда – смесь легких атомов типа D + T, D + D и т.д. Длительное (более 0,1с) нагревание сравнительно плотной (n ~ 1015 см-3) среды до высоких температур (T ≥108 К) в заданном объеме.
2. Инерциальный термоядерный синтез. Сверхбыстрое (τ ~10-9c) нагревание малых объемов конденсированной среды, содержащей склонные к синтезу легкие ядра.
3. Мюонный катализ.
4. Гибридный атомно-термоядерный реактор (система с высокотемпературной плазмой, где рождаются быстрые нейтроны, плюс бланкет из охлаждаемой среды, содержащей делящиеся ядра.

международного проекта ИТЭР (ITER)

Основа – установка с магнитным удержанием плазмы

типа «Токамак» (торроидальная камера с магнитными ловушками), содержащая бланкеты.

Цель проекта – демонстрация возможности коммерческого использования термоядерной энергии; решение технологических задач.

Местоположение установки – г. Кадараш (~ 60 км от Марселя, Франция). Страны-участницы консорциума:
EC, Япония, США, Россия, Индия, Ю. Корея, Китай.

Идея сформулирована в СССР (1985г.).

Схема: D + T→He + n +17,6 МэВ.

Планируемый запуск – в 2026 г. Цена проекта – 15·109 $ (прогноз).

Параметры установки приведены ниже.

камеры – 6,2 м
Малый радиус вакуумной камеры – 2,0 м
Объём плазмы –

837 м3
Магнитное поле – 5,3 Тл
Максимальный ток в плазменном шнуре – 15 МА
Мощность внешнего нагрева плазмы – 40 МВт
Термоядерная мощность – 500 МВт
Коэффициент усиления мощности – 10x
Средняя температура – 100 МК
Продолжительность импульса > 400с

термоядерный синтез

Схема инерциального сжигания









Критерий Лоусона в данном случае выполняется следующим

образом: τ ~ 10-8 c. n ~ 1023 см-3.
Соответственно, n·τ ~1015 с∙см-3
n – 3∙1022 – при нормальном давлении в конденсированной фазе.
В качестве драйверов в принципе могут служить пучки электронов, легких ионов, тяжелых ионов, излучение лазера.

недостатки различных драйверов
 








 
 




Несмотря на наличие альтернативных источников энергии, работа по

освоению УТС продолжается.

Мозес Г. Инерциальный термоядерный синтез: пер. с англ. М.: Энергоатоиздат,

1984, 304 с., илл.
Мухин К.Н. Экспериментальная ядерная физика:учебник для вузов, в 2-х томах. Том 1. Физика атомного ядра. Изд. 4, М.: Энергоатомиздат, 1983, 616 с.
Габович М.Д., Плешивцев Н.В., Семашко Н.Н. Пучки ионов и атомов для управляемого термоядерного синтеза и технологических целей: М., Энергоатомиздат, 1986, 248 с.