Управляемый термоядерный синтез

Материал из Википедии — свободной энциклопедии

Солнце — природный термоядерный реактор

Управляемый термоядерный синтез (УТС) — синтез более тяжёлых атомных ядер из более лёгких с целью получения энергии, который, в отличие от взрывного термоядерного синтеза (используемого в термоядерном оружии), носит управляемый характер. Управляемый термоядерный синтез отличается от традиционной ядерной энергетики тем, что в последней используется реакция распада, в ходе которой из тяжёлых ядер получаются более лёгкие ядра. В основных ядерных реакциях, которые планируется использовать в целях осуществления управляемого термоядерного синтеза, будут применяться дейтерий (²H) и тритий (³H), а в более отдалённой перспективе гелий-3 (³He) и бор-11 (¹¹B)

Содержание

1 Типы реакций
2 Условия
- 2.1 Термоядерная энергетика и гелий-3
3 Конструкции реакторов
4 Ссылки
5 Примечания

[править] Типы реакций

Управляемый термоядерный синтез может использовать различные виды термоядерных реакций в зависимости от вида применяемого топлива. Самая легко осуществимая реакция — дейтерий + тритий:

²H + ³H = ⁴He + n Два ядра: дейтерия и трития сливаются, с образованием ядра гелия (альфа-частица) и высокоэнергетического нейтрона.

${}^{2}_{1}\mbox{H} + {}^{3}_{1}\mbox{H} \rightarrow {}^{4}_{2}\mbox{He} + {}^{1}_{0}\mbox{n} + 17.6 \mbox{ MeV}$

Существенно сложнее, на пределе возможного, осуществить реакцию дейтерий + гелий-3:

²H + ³He = ⁴He + p.

Так же возможны реакции между ядрами дейтерия, они идут немного труднее реакции с участием гелия-3:

²H + ²H = ³H + p

²H + ²H = ³He + n.

Эти две реакции медленно протекают параллельно с реакцией дейтерий + гелий-3, а образовавшиеся в ходе них тритий и гелий-3 с большой вероятностью немедленно реагируют с дейтерием.

Кроме того так же перспективна протон-борная реакция:

p + ¹¹B → 3 x ⁴He

В частности, на настоящее время принципиально осуществимы следующие типы реакций:

Реакция дейтерий + тритий (Топливо D-T) :

²H + ³H = 4He + n при энергетическом выходе 17,6 МэВ

Такая реакция наиболее легко осуществима с точки зрения современных технологий, даёт значительный выход энергии, топливные компоненты дешевы. Недостаток её- выход нежелательной нейтронной радиации.

Реакция дейтерий + гелий-3:

²H + ³He = 4He + p. при энергетическом выходе 18,3 МэВ

Условия её достижения значительно сложнее. Гелий-3,кроме того, является редким и чрезвычайно дорогим изотопом. В промышленных масштабах на настоящее время не производится.

Реакция между ядрами дейтерия (D-D, монотопливо) D + D —> 3 He + n при энергетическом выходе 3,3 МэВ, и

D + D —> T + p при энергетическом выходе 4 МэВ.

Возможны и некоторые другие типы реакций. Выбор топлива зависит от многих факторов - его доступность и дешевизна, энергетический выход, лёгкость достижения требующихся для реакции термоядерного синтеза условий (в первую очередь, температуры), необходимых конструктивных характеристик реактора и проч. Наиболее перспективны т. н. «безнейтронные» реакции, так как порождаемый термоядерным синтезом нейтронный поток (например, в реакции дейтерий-тритий) уносит значительную часть мощности и не может быть использован для создания тяги. Кроме того, нейтронная радиация порождает наведенную радиоактивность в конструкции реактора и корабля, создавая опасность для экипажа. Реакция дейтерий- гелий-3 является перспективной в том числе и по причине отсутствия нейтронного выхода.

[править] Условия

УТС возможен при одновременном выполнении двух критериев:

Температура плазмы:

$T > 10^8 K \,\!$

Соблюдение критерия Лоусона:

$n\tau > 10^{14} cm^{-3} \cdot c \,\!$

где $n \,\!$ — плотность высокотемпературной плазмы, $\tau \,\!$ — время удержания плазмы в системе.

Именно от значения этих двух критериев в основном зависит скорость протекания той или иной термоядерной реакции.

В настоящее время управляемый термоядерный синтез ещё не осуществлён в промышленных масштабах. Строительство международного исследовательского реактора ITER находится в начальной стадии.

[править] Термоядерная энергетика и гелий-3

Схема реакции дейтерий-тритий

Запасы гелия-3 на Земле составляют от 500 кг до 1 тонны, однако на Луне он находится в значительном количестве: до 10 млн тонн (по минимальным оценкам — 500 тысяч тонн). В настоящее время контролируемая термоядерная реакция осуществляется путем синтеза дейтерия ²H и трития ³H с выделением гелия-4 ⁴He и "быстрого" нейтрона n:

${}^{2}\textrm{H} + {}^{3}\textrm{H} \rightarrow {}^{4}\textrm{He} (3,5 MeV) + n (14,1 MeV)$

Однако при этом большая часть выделяемой кинетической энергии приходится на нейтрон. В результате столкновений осколков с другими атомами эта энергия преобразуется в тепловую. Помимо этого, быстрые нейтроны создают значительное количество радиоактивных отходов. В отличие от этого синтез дейтерия и гелия-3 ³He не производит радиоактивных продуктов:

${}^{2}\textrm{H} + {}^{3}\textrm{He} \rightarrow {}^{4}\textrm{He} (3,7 MeV) + p (14,7 MeV)$ , где p - протон

Это позволяет использовать более простые и эффективные системы преобразования кинетической реакции синтеза, такие, как магнитогидродинамический генератор.

[править] Конструкции реакторов

Рассматриваются две принципиальные схемы осуществления управляемого термоядерного синтеза.

Квазистационарные системы ( $\tau \ge 1 c, n \ge 10^{14} cm^{-3} \,\!$ ). Нагрев и удержание плазмы осуществляется магнитным полем при относительно низком давлении и высокой температуре. Для этого применяются реакторы в виде токамаков, стеллараторов, зеркальных ловушек и торсатронов, которые отличаются конфигурацией магнитого поля. Реактор ITER имеет конфигурацию токамака.
Импульсные системы ( $\tau \sim 10^{-8} c, n \ge 10^{22} cm^{-3} \,\!$ ). В таких системах УТС осуществляется путем кратковременного нагрева небольших мишеней, содержащих дейтерий и тритий, сверхмощными лазерными или ионными импульсами. Такое облучение вызывает последовательность термоядерных микровзрывов.

Исследования первого вида термоядерных реакторов существенно более развиты, чем второго.

[править] Ссылки

Е.П. Велихов; С.В. Мирнов Управляемый термоядерный синтез выходит на финишную прямую (PDF) Троицкий институт инновационных и термоядерных исследований. Российский научный центр «Курчатовский институт».. ac.ru. — Популярное изложение проблемы.. Проверено 08.08.2007 г.

[править] Примечания

п·о·р

Ядерная технология

Инженерия

Ядерная физика · Деление ядра · Термоядерная реакция · Излучение · Ионизирующее излучение · Атомное ядро · Ядерная безопасность · Ядерная химия

Материалы

Ядерное топливо · Отработанное ядерное топливо · Ядерное топливное сырье · Торий · Уран (Обогащение урана • Обедненный уран) · Плутоний · Дейтерий · Тритий

Ядерная энергия

Главные темы

Ядерный реактор · Радиоактивные отходы · Управляемый термоядерный синтез · Ядерная силовая установка · Ядерный двигатель (Ядерный ракетный двигатель) · Радиоизотопный термоэлектрический генератор

Типы реакторов

Инерциальный синтез · Корпусной ядерный реактор · Кипящий ядерный реактор · 4-го поколения · Реактор на быстрых нейтронах · Магноксовый · Графито-газовый ядерный реактор · Газоохлаждаемый быстрый · Реактор с жидкометаллическим теплоносителем · Со свинцовым теплоносителем · Реактор на расплавах солей · Сверхкритический водоохлаждаемый · Сверхвысокотемпературный · С гранулированным топливом · Интегральный быстрый реактор · SSTAR

Ядерная медицина

Медицинская визуализация	Позитронно-эмиссионная томография · Однофотонная эмиссионная компьютерная томография (ОФЭКТ) · Гамма-камера
Терапия	Радиобиология опухолей · Томотерапия · Протонная терапия · Брахитерапия · Нейтрон-захватная терапия