Ядерные реакции в звездах Физические основы ядерного синтеза Термоядерный синтез в земных условиях Токамак Реакторная технология Перспективы термоядерной энергетики Корпус ядерного реактора

Ядерная физика

Токамак

В установках типа токамак плазму создают внутри тороидальной камеры с помощью безэлектродного кольцевого разряда. С этой целью в плазменном сгустке создают электрический ток, и при этом, как у всякого тока, у него появлялось собственное магнитное поле - сгусток плазмы как бы сам становится магнитом. Теперь с помощью внешнего магнитного поля определенной конфигурации можно подвесить плазменное облако в центре камеры, не позволяя ему соприкасаться со стенками.

В токамаке, в сущности, заложен принцип трансформатора. Разреженная смесь дейтерия и трития (смесь должна быть сильно разреженной, чтобы исключить большие давления при миллионной температуре) помещается в тороидальную трубку. Трубка в свою очередь помещается в сильное магнитное поле. В трубке создается сильное вихревое электрическое поле (как в мощном понижающем трансформаторе), которое вызывает в газе ток порядка миллиона ампер. Магнитное поле, удерживающее плазму, создается как за счет тока, протекающего через обмотку вокруг камеры, так и за счет тока, индуцированного в плазме. Для получения более устойчивой плазмы используется внешнее продольное магнитное поле.

Вакуумная камера в форме тора заполнена смесью изотопов водорода и свободных электронов. Она охватывает стальной сердечник, играя роль вторичной обмотки трансформатора (Рис.15). На первичную обмотку подается переменное напряжение, индуцирующее в камере электрический ток - движение электронов. Сталкиваясь с атомами, электроны высокой энергии ионизуют их - сила тока возрастает. В камере возникает плазма. На камеру надеты обмотки тороидального поля, которое сжимает плазму в шнур. Поле катушек удерживает плазменный шнур в центре камеры, не давая ему коснуться стенок.

Камера в токамаке - тороидальная, то есть по форме напоминает бублик (Рис.16). Из камеры откачивают воздух, чтобы посторонние атомы не вмешивались в процесс, а затем в нее вводят дейтерий-тритиевую смесь. Снаружи расположены катушки, подключенные к переменному электрическому напряжению. Подобно первичной обмотке трансформатора, они создают
кольцевой ток в водородной плазме. В газе всегда есть свободные ионы и электроны, которые начинают двигаться в камере по кругу, как в короткозамкнутой вторичной трансформаторной обмотке. Этот ток нагревает газ, количество ионизированных атомов растет, одновременно увеличивается сила тока и повышается температура плазмы. А значит, количество водородных ядер, слившихся в ядро гелия и выделивших энергию, становится все больше.

Инерционный УТС

  В 1964 г. академики Н.Г. Басов и О.Н. Крохин высказали идею сжатия термоядерного топлива с помощью излучения лазера. К настоящему времени сформировалось самостоятельное направление исследований – лазерный управляемый термоядерный синтез (ЛУТС). Дейтерий-тритиевая смесь помещается в стеклянную сферическую оболочку (мишень) с тонкими стенками,  диаметр которой имеет величину порядка 1 мм; сжатие топлива можно производить в режиме прямого и непрямого облучения. В

 

Фотография стеклянной микросферы диаметром 470 мкм и толщиной стенки 1,2 мкм, наполненной газовой смесью дейтерия и трития под давлением 15 атм. Справа – снимок с рентгеновского микроскопа, слева – интерферограмма. Мишень изготовлена в Физическом институте им. П.Н.Лебедева РАН для экспериментов на установке «Дельфин».

первом случае (прямое облучение) на микросферу со всех сторон направляется излучение синхронно работающих лазеров. В результате этого на стеклянной поверхности мишени образуется горячая плазма с температурой порядка нескольких килоэлектронвольт (плазменная корона), разлетающаяся навстречу лучам лазеров со скоростью порядка 105…106 м/с. Те слои вещества, которые не испарились, под действием реактивного давления движутся к центру мишени, сжимая находящееся в ней топливо.

 Таким образом, энергия лазерного излучения превращается в кинетическую энергию вещества оболочки, летящего к центру мишени, и энергию плазменной короны, движущейся в противоположном направлении. Понятно, что полезная энергия сосредоточена в движении к центру; ее отношение к полной энергии излучения называется гидродинамическим коэффициентом полезного действия и характеризует эффективность использования лазерного излучения для сжатия термоядерного топлива. Достижение значений гидродинамического к.п.д. примерно 10…20% является одной из важнейших проблем ЛУТС.

 Что же препятствует достижению высокой степени сжатия? Одна из основных причин заключается в том, что при плотности мощности лазерного излучения, превышающей 1014 Вт/см2 , заметная доля энергии, поглощенной плазменной короной, трансформируется в потоки быстрых электронов, энергия которых много больше температуры короны (т.н. надтепловые электроны). Поскольку длина свободного пробега быстрых электронов сравнима с размерами мишени, это приводит к предварительному нагреву топлива и затрудняет получение высокой степени сжатия. Этому же способствует и жесткое рентгеновское излучение, сопутствующее надтепловым электронам. В связи с этим в последнее время наметилась тенденция перехода к коротковолновому лазерному излучению ( мкм) при умеренной плотности мощности (<1015 Вт/см2). Исследования показывают, что с уменьшением длины волны увеличивается поглощение в плазменной короне; соответственно возрастает реактивное давление и гидродинамический к.п.д. Кроме того, на несколько порядков уменьшается доля надтепловых электронов, генерируемых в короне. Практическая возможность перехода к коротковолновому излучению обусловлена тем, что энергия излучения неодимового лазера с частотой  преобразуется с эффективностью 70…80% в излучение с частотой ,  и . Поэтому в настоящее время фактически все крупные установки для ЛУТС снабжаются системами умножения частоты.

Пинч-эффект появляется в токовом канале, например в цилиндре, заполненном проводящей средой. Электрическое поле приложено к противоположным концам цилиндра и действует по его оси.

В системах открытой конфигурации проблема удержания плазмы в продольном направлении решается путем создания магнитного поля, силовые линии которого вблизи торцов камеры имеют вид сужающегося пучка

Установки с магнитным удержанием Одной из первых и самых простых попыток реализовать идею магнитного удержания является Z-пинч - плазменный шнур между двумя электродами, ток в котором создает азимутальное магнитное поле, призванное сжимать и удерживать плазму.

Для удержания плазмы при помощи тороидального магнитного поля необходимо создать условия, при которых плазма не смещалась бы к стенкам тора

Теперь с помощью внешнего магнитного поля определенной конфигурации можно подвесить плазменное облако в центре камеры, не позволяя ему соприкасаться со стенками Основной нагрев идет за счет джоулева тепловыделения. Сильно нагреваются прежде всего электроны плазмы, менее - ионы. Передача энергии от электронов к ионам идет медленно (из-за малости потока энергии)

Омический нагрев плазмы в токамаке недостаточен для осуществления реакции термоядерного синтеза.

Создание термоядерного реактора натолкнулось на ряд технологических трудностей

Стелларатор Здесь, как и в ТОКАМАКе, плазма тоже подвешена в магнитном поле, но тока в ней нет. Греют плазму в основном мощным радиоизлучением, а держат ее только сложной формы магнитные поля, созданные внешними катушками.

Открытая ловушка В установке типа открытой ловушки (пробкотрон) в цилиндрическую вакуумную камеру, запертую магнитными пробками, точно выбрав направление, впрыскивают атомы, которые тормозятся в водородном газе и превращают его в горячую плазму. Удерживают ее магнитные поля сложной конфигурации.

Чтобы не доводить дело до взрыва, термоядерная реакция должна протекать в малых дозах - в разреженной и очень нагретой дейтерий-тритиевой плазме


Топливо для реакторов на быстрых нейтронах