Термоядерный синтез

Затем начинается термоядерная реакция в смеси дейтерия с  тритием, температура внутри бомбы  стремительно нарастает, вовлекая в  синтез все большее и большее количество водорода. При дальнейшем повышении температуры могла бы начаться реакция между ядрами дейтерия, характерная для чисто водородной бомбы. Все реакции, конечно, протекают настолько быстро, что воспринимаются как мгновенные.

На самом деле в бомбе  описанная выше последовательность процессов заканчивается на стадии реакции дейтерия с тритием. Далее  конструкторы бомбы предпочли использовать не синтез ядер, а их деление. В результате синтеза ядер дейтерия и трития образуются гелий и быстрые нейтроны, энергия  которых достаточно велика, чтобы  вызвать деление ядер урана-238. Быстрые  нейтроны расщепляют атомы урановой оболочки супербомбы. Деление одной тонны урана создает энергию, эквивалентную 18 Мт. Энергия идет не только на взрыв и выделение тепла. Каждое ядро урана расщепляется на два сильно радиоактивных «осколка». В число продуктов деления входят 36 различных химических элементов и почти 200 радиоактивных изотопов. Все это и составляет радиоактивные осадки, сопровождающие взрывы супербомб.

Благодаря уникальной конструкции  и описанному механизму действия оружие такого типа может быть сделано  сколь угодно мощным.

Последствия взрыва такой бомбы колоссальны. Два главных поражающих фактора - ударная волна и тепловой эффект. Прямое (первичное) воздействие взрыва супербомбы носит тройственный характер. Наиболее очевидное из прямых воздействий - это ударная волна огромной интенсивности. Сила ее воздействия, зависящая от мощности бомбы, высоты взрыва над поверхностью земли и характера местности, уменьшается с удалением от эпицентра взрыва. Тепловое воздействие взрыва определяется теми же факторами, но, кроме того, зависит и от прозрачности воздуха - туман резко уменьшает расстояние, на котором тепловая вспышка может вызвать серьезные ожоги.

В случае военных действий применение водородной бомбы приведет к немедленному радиоактивному загрязнению  территории в радиусе около 100 км от эпицентра взрыва. При взрыве супербомбы загрязненным окажется район в десятки тысяч квадратных километров. Столь огромная площадь поражения одной единственной бомбой делает ее совершенно новым видом оружия. Даже если супербомба не попадет в цель, проникающее излучение и сопровождающие взрыв радиоактивные осадки сделают окружающее пространство непригодным для обитания. Такие осадки могут продолжаться в течение многих дней, недель и даже месяцев. В зависимости от их количества интенсивность радиации может достичь смертельно опасного уровня. Даже спустя длительное время после прекращения прямого воздействия радиоактивных осадков будет сохраняться опасность, обусловленная высокой радиотоксичностью таких изотопов, как стронций-90.

4.Управляемый  термоядерный синтез.

Термоядерная энергетика – это источник, в которой используется абсолютно нерадиоактивный дейтерий и радиоактивный тритий, но в объемах в тысячи раз меньших, чем в атомной энергетике. А в возможных аварийных ситуациях радиоактивный фон вблизи термоядерной электростанции не превысит природных показателей. При этом на единицу веса термоядерного топлива получается примерно в 10 млн. раз больше энергии, чем при сгорании органического топлива, и примерно в 100 раз больше, чем при расщеплении ядер урана. И источник этот практически неисчерпаем, он основан на столкновении ядер водорода, а водород - самое распространенное вещество во Вселенной.

Однако проблема управляемого термоядерного синтеза настолько  сложна, что самостоятельно с ней  не справится ни одна страна. Поэтому  мировое сообщество избрало самый  оптимальный путь - создание проекта  Международного термоядерного экспериментального реактора - ИТЭР, в котором на сегодня  участвуют, кроме России, США, Евросоюз, Япония, Китай и Южная Корея.

4.1. Теоретическая база

Управляемый термоядерный синтез –  процесс слияния лёгких атомных  ядер, происходящий с выделением энергии  при высоких температурах в регулируемых, управляемых условиях. Скорости протекания термоядерных реакций малы из-за кулоновского отталкивания положительно заряженных ядер. Поэтому процесс синтеза  идёт с заметной интенсивностью только между лёгкими ядрами, обладающими  малым положительным зарядом  и только при высоких температурах, когда кинетическая энергия сталкивающихся ядер оказывается достаточной для  преодоления кулоновского потенциального барьера. В природных условиях термоядерные реакции между ядрами водорода (протонами) протекают в недрах звёзд, в частности  во внутренних областях Солнца, и служат тем постоянным источником энергии, который определяет их излучение. Сгорание водорода в звёздах идёт с малой  скоростью, но гигантские размеры и  плотности звёзд обеспечивают непрерывное  испускание огромных потоков энергии  в течение миллиардов лет. С несравненно большей скоростью идут реакции между тяжёлыми изотопами водорода (дейтерием ²H и тритием ³H) с образованием сильно связанных ядер гелия:

,

,

.

Именно названные реакции представляют наибольший интерес для проблемы управляемого термоядерного синтеза. В особенности привлекательна вторая реакция, сопровождающаяся большим энерговыделением и протекающая со значительной скоростью. Тритий радиоактивен (период полураспада 12,5 лет) и не встречается в природе. Следовательно, для обеспечения работы предполагаемого термоядерного реактора, использующего в качестве ядерного горючего тритий, должна быть предусмотрена возможность воспроизводства трития. С этой целью рабочая зона рассматриваемой системы может быть окружена слоем лёгкого изотопа лития, в котором будет идти процесс воспроизводства.

Вероятность (эффективное поперечное сечение) термоядерных реакций быстро возрастает с температурой, но даже в оптимальных условиях остаётся несравненно меньше эффективного сечения  столкновений атомных. По этой причине  реакции синтеза должны происходить  в полностью ионизованной плазме, нагретой до высокой температуры, где  процессы ионизации и возбуждения  атомов отсутствуют и дейтон-дейтонные  или дейтон-тритонные столкновения рано или поздно завершаются ядерным синтезом.

Применение  законов сохранения энергии и  числа частиц позволяет выяснить некоторые предъявляемые к реактору синтеза общие требования, не зависящие  от каких-либо особенностей технологического или конструктивного характера  рассматриваемой системы. На рисунке изображена принципиальная схема работы реактора. Установка произвольной конструкции содержит чистую водородную плазму с плотностью п при температуре Т. В реактор вводится топливо, например равнокомпонентная смесь дейтерия и трития, уже нагретая до необходимой температуры. Внутри реактора инжектируемые частицы время от времени сталкиваются между собой и происходит их ядерное взаимодействие. Это полезный процесс; одновременно, однако, из реактора уходит энергия за счёт электромагнитного излучения плазмы и из рабочей зоны ускользает некоторая доля "горячих" (обладающих высокой энергией) частиц, которые не успели испытать ядерные взаимодействия. Пусть t – среднее время удержания частиц в реакторе; смысл величины t таков: за время в 1 сек из 1 см³ плазмы в среднем уходит n/t частиц каждого знака. В стационарном режиме в реактор надо ежесекундно инжектировать такое же число частиц (в расчёте на единицу объёма). Для покрытия энергетических потерь подводимое топливо должно подаваться в зону реакции с энергией, превышающей энергию потока ускользающих частиц. Эта дополнительная энергия должна компенсироваться за счёт энергии синтеза, выделяющейся в зоне реакции, а также за счёт частичной рекуперации в стенках и оболочке реактора электромагнитного излучения и корпускулярных потоков. Примем для простоты, что коэффициент преобразования в электрическую энергию продуктов ядерных реакций, электромагнитного излучения и частиц с тепловой энергией одинаков и равен η. Величину η часто называют коэффициент полезного действия (кпд). В условиях стационарной работы системы и при нулевой полезной мощности уравнение баланса энергии в реакторе имеет вид:

где P_o - мощность ядерного энерговыделения, P_r - мощность потока излучения и P_t - энергетическая мощность потока ускользающих частиц. Когда левая часть написанного равенства делается больше правой, реактор перестаёт расходовать энергию и начинает работать как термоядерная электростанция. При написании равенства (1) предполагается, что вся рекуперированная энергия без потерь возвращается в реактор через инжектор вместе с потоком подводимого нагретого топлива.

Таким образом, даже в оптимальных  условиях, для наиболее интересного  случая - реактора, работающего на равнокомпонентной  смеси дейтерия и трития, и при  весьма оптимистических предположениях относительно величины η необходимо достижение температур ~ 2∙10⁸ К. При этом для плазмы с плотностью ~ 10¹⁴см^-3 должны быть обеспечены времена удержания порядка секунд.

Итак, сооружение реактора предполагает: 1) получение плазмы, нагретой до температур в сотни миллионов градусов; 2) сохранение плазменной конфигурации в  течение времени, необходимого для  протекания ядерных реакций. Исследования по управляемому термоядерному синтезу  ведутся в двух направлениях - по разработке квазистационарных систем, с одной стороны, и устройств, предельно быстродействующих, с другой.

Управляемый термоядерный синтез с  магнитной термоизоляцией. Основной вопрос состоит в том, каким способом удерживать горячую плазму в зоне реакции. Диффузионные потоки частиц и  тепла при указанных значениях  оказываются гигантскими и любые  материальные стенки непригодными. Основополагающая идея, высказанная в 1950 в Советском  Союзе и США, состоит в использовании  принципа магнитной термоизоляции  плазмы. Заряженные частицы, образующие плазму, находясь в магнитном поле, не могут свободно перемещаться перпендикулярно  к силовым линиям поля. В результате коэффициенты диффузии и теплопроводности поперёк магнитного поля, в случае устойчивой плазмы, очень быстро убывают  с возрастанием напряжённости поля и, например, при полях ~10⁵ гс уменьшаются на 14-15 порядков величины против своего "незамагниченного" значения для плазмы с указанной выше плотностью и температурой. Таким образом, применение достаточно сильного магнитного поля в принципе открывает дорогу для проектирования реактора синтеза.

Исследования в области управляемого термоядерного синтеза с магнитной  термоизоляцией делятся на три основных направления:     

1) открытые (или зеркальные) магнитные  ловушки; 2) замкнутые магнитные системы; 3) установки импульсного действия.

В открытых ловушках уход частиц из рабочей  зоны поперёк силовых линий на стенки установки затруднён; он происходит либо в ходе процесса "замагниченной" диффузии (то есть очень медленно), либо путём перезарядки на молекулах остаточного газа. Заполнение ловушек плазмой обычно производится путём инжекции плазменных сгустков или отдельных частиц, обладающих большой энергией. Дополнительный нагрев плазмы может быть осуществлен с помощью адиабатического сжатия в нарастающем магнитном поле.

В системах замкнутого типа (токамак, стелларатор) уход частиц на стенки тороидальной установки поперёк продольного магнитного поля также затруднён и происходит за счёт замагниченной диффузии и перезарядки. Нагревание плазменного шнура в токамаке на начальных стадиях процесса осуществляется протекающим по нему кольцевым током. Однако по мере повышения температуры джоулев нагрев становится всё менее эффективным, так как сопротивление плазмы быстро падает с ростом температуры.

В установках импульсного действия нагревание плазмы и её удержание  осуществляются сильными кратковременными токами, протекающими через плазму. При одновременном нарастании тока и магнитного давления плазма отжимается от стенок сосуда, чем обеспечивается её термоизоляция.

Успешная работа любой из перечисленных  установок возможна только при условии, что исходная плазменная структура  оказывается макроскопически устойчивой, сохраняя заданную форму в течение всего времени, необходимого для протекания реакции. Кроме того, в плазме должны быть подавлены микроскопические неустойчивости, при возникновении и развитии которых распределение частиц по энергиям перестаёт быть равновесным и потоки частиц и тепла поперек силовых линий резко возрастают по сравнению с их теоретическими значениями. Именно в направлении стабилизации плазменных конфигураций развивались основные исследования магнитных систем, начиная с 1950, и эта работа всё ещё не может считаться полностью завершенной.

  Исследования в области управляемого  термоядерного синтеза сталкиваются  с большими трудностями как  чисто физического, так и технического  характера. К первым относится  уже упомянутая проблема устойчивости  горячей плазмы, помещенной в  магнитную ловушку. Правда, применение  сильных магнитных полей специальной  конфигурации подавляет потоки  частиц, покидающих зону реакции,  и позволяет получить в ряде  случаев достаточно устойчивые  плазменные образования. 

Вторая фундаментальная трудность  связана с проблемой примесей. Даже малая добавка чужеродных атомов с большим Z, которые при рассматриваемых температурах находятся в сильно ионизованном состоянии, приводит к резкому увеличению интенсивности сплошного спектра, к появлению линейчатого спектра и возрастанию энергетических потерь выше допустимого уровня. Требуются чрезвычайные усилия, чтобы содержание примесей в плазме оставалось ниже допустимого уровня.

Огромное значение, которое  придаётся исследованиям в области  управляемого термоядерного синтеза, объясняется рядом причин. Нарастающее  загрязнение окружающей среды настоятельно требует перевода промышленного  производства планеты на замкнутый  цикл, когда возникает минимум  отходов. Но подобная реконструкция  промышленности неизбежно связана  с резким возрастанием энергопотребления. Между тем ресурсы минерального топлива ограничены и при сохранении существующих темпов развития энергетики будут исчерпаны на протяжении ближайших  десятилетий (нефть, горючие газы) или  столетий (уголь). Конечно, наилучшим  вариантом было бы использование  солнечной энергии, но низкая плотность  мощности падающего излучения сильно затрудняет радикальное решение  этой проблемы.