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

Ядерная физика

Реакторная технология

Термоядерный реактор - устройство для получения энергии за счет реакций синтеза легких атомных ядер, происходящих в плазме при очень высоких температурах (выше 108К). Основное требование, которому должен удовлетворять термоядерный реактор, заключается в том, чтобы энерговыделение в результате термоядерных реакций с избытком компенсировало затраты энергии от внешних источников на поддержание реакции.

Различают два типа термоядерных реакторов. К первому относятся реакторы, которым энергия от внешних источников необходима только для зажигания термоядерной реакции. Далее реакция поддерживается за счет энергии, выделяющейся в плазме при термоядерной реакции, например, в дейтерий - тритиевой смеси на поддержание высокой температуры расходуется энергия а- частиц, образующихся в ходе реакции. В смеси дейтерия с 3Не энергия всех продуктов реакций, т.е. а-частиц и протонов, расходуется на поддержание необходимой температуры плазмы. В стационарном режиме работы термоядерного реактора энергия, которую несут заряженные продукты реакции, компенсирует энергетические потери из плазмы, обусловленные в основном теплопроводностью плазмы и излучением. Такие реакторы называются реакторами с зажиганием самоподдерживающейся термоядерной реакции. Примеры: токамак, стеллатор.

К другому типу термоядерных реакторов относятся реакторы, в которых для поддержания горения реакций недостаточно энергии, выделяющейся в плазме в виде заряженных продуктов реакций, а необходима энергия от внешних источников. Такие реакторы принято называть реакторами с поддержанием горения термоядерных реакций. Это происходит в тех термоядерных реакторах, где велики энергетические потери, например, открытая магнитная ловушка, токамак, работающий в режиме по плотности и температуре плазмы ниже кривой зажигания термоядерной реакции. Плотностной эффект реактивности В соответствии с приведенным выше определением плотностной эффект обусловлен зависимостью реактивности от плотности воды или, более точно, раствора борной кислоты- rт = f(gн2о) при s = const.

Эти два типа реакторов включают все возможные типы термоядерных реакторов, которые могут быть построены на основе систем с магнитным удержанием плазмы (токамак, стеллатор, открытая магнитная ловушка и др.) или систем с инерциальным удержанием плазмы.

Таким образом, установки для УТС бывают двух типов: квазистационарные системы (т>1 с, n>10 см- ) и импульсные системы (т«10- с, n>10 см- ). В первых (токамак, стеллараторы, зеркальные ловушки и т.п.) удержание и термоизоляция плазмы осуществляются в магнитных полях различной конфигурации. В импульсных системах плазма создается при облучении твердой мишени (крупинки смеси дейтерия и трития) сфокусированным излучением мощного лазера или электронными или ионными пучками: при попадании в фокус пучка малых твердотельных мишеней происходит последовательная серия термоядерных микровзрывов. Такой реактор работает только в режиме коротких импульсов, в отличие от реактора с магнитным удержанием плазмы, который может работать в квазистационарном и даже стационарном режимах.

Фундаментальные взаимодействия:

гравитационное

электромагнитное

сильное (ядерные силы)

слабое (процессы с испусканием и поглощением нейтрино)

Методы научного познания

Теория – система основных идей в данной области знаний

Цель теории – формулировка законов природы, объяснение на их основе существующих явлений и предсказание новых.

Гипотеза – предположительное суждение о закономерной, причинной связи явлений.

Эксперимент – научный или лабораторный опыт, результатом которого может быть определение величин или зависимостей, опровержение или подтверждение теории или гипотезы, открытие нового явления. Только эксперимент является критерием правильности теории.

Модель – абстрактная система, являющаяся упрощенной копией исследуемой реальной физической системы. При этом модель должна: иметь область применимости; допускать достаточно простое математическое описание.

Границы применимости законов задаются:

указанием допустимых пределов изменения физических величин, входящих в формулировку закона;

наивысшей допустимой точностью измерения этих величин;

обширностью круга физических явлений, для которых закон имеет смысл

Начальный этап работ характеризовался обилием идей и типов ловушек (пинчи, удержание высокочастотными полями, плазменные ускорители, способы нагрева плазмы и т. д.)

К 1968 г. при омическом нагреве плазмы на токамаке Т-ЗА температуры электронов и ионов достигли 20 млн. и 4 млн. градусов соответственно - результат, в несколько раз превосходивший мировой уровень.

В 1997 г., после завершения технического проекта реактора ИТЭР с термоядерной мощностью 1.5 ГВт, стороны решили изменить проект, чтобы сократить его стоимость с 8 до 4 млрд. долл.

В физической базе ИТЭРа, основанной на опыте десятков токамаков ведущих лабораторий мира, собраны результаты по удержанию плазмы, переходу в режимы улучшенного удержания, поведению плазмы в поверхностном слое, увлечению тока, нагреву электронов и ионов и т.д.

Современные открытые магнитные системы исследуются под руководством академика Э.П.Круглякова в Институте ядерной физики им.

Г.И.Будкера СО РАН на установках многопробочной ГОЛ-З, газодинамической ГДЛ и амбиполярной АМБАЛ-М, наиболее простых в инженерном отношении для реакторов, но сложных в отношении удержания.

Сегодня лазер - неоспоримый лидер в работах по инерционному удержанию.

В СССР исследования начались на многомодульной установке "Ангара-5-1", построенной в 1984 г. в филиале Института атомной энергии (теперь ТРИНИТИ) в Троицке


Топливо для реакторов на быстрых нейтронах