Термоядерная энергия выделяется при синтезе одного более тяжелого ядра из двух более легких атомных ядер. Термоядерная энергетика является одним из основных направлений исследований в области физики плазмы, которое пытаются использовать термоядерные реакции как источник энергии.
В большинстве крупномасштабных коммерческих программ тепло от рассеяния нейтронов в контролируемой реакции используется для работы паровой турбины, которая управляет электрическим генератором. Многие концепции синтеза находятся в разработке. В настоящее время ведущими конструкциями являются тороидальная камера с магнитными катушками и инерциальный управляемый термоядерный синтез.
Принцип действия
Термоядерная реакция происходит, когда два или более относительно легких атомных ядра сближаются настолько, что сильное взаимодействие начинает преобладать над силами кулоновского отталкивания и в итоге соединяет их в одно более тяжелое ядро. Для ядер легче железа-56 реакция является экзотермической, а для ядер тяжелее железа-56 реакция будет проходить с поглощением тепла.
Сильное ядерное взаимодействие действует только на коротком расстоянии, а отталкивающие силы электростатического поля на бо̀льших расстояниях. Таким образом, кинетическая энергия необходима, чтобы преодолеть этот “Барьер Кулона”. Одним из способов по преодолению барьера является нагревание до полной ионизации, т. е. до состояния плазмы. Поскольку плазма электропроводящая и магнито-контролируема, многие термоядерные устройства используют это для контроля над плазмой.
Поперечное сечение
Поперечное сечение реакции, обозначаемое σ, является мерой вероятности возникновения термоядерной реакции. Оно зависит от относительной скорости двух ядер. Повышение относительной скорости увеличивает вероятность.
В плазме скорость частиц может быть охарактеризована с помощью распределения вероятностей. Если плазма термализуется, распределение выглядит как кривая распределения Максвелла. В этом случае удобно взять среднее поперечное сечение по распределению скоростей. Это вводится в объемной скорости термоядерной реакцииреакции.
Где:
P — производимая энергия в единицу времени и объема;
— плотности частиц вида A и B;
— Сечение реакции среднее по скоростям частиц A и B;
— Энергия выделяющаяся при реакции синтеза.
Критерий Лоусона
Критерий Лоусона показывает, как энергия зависит от температуры, плотности, скорости столкновения и вида топлива. Это уравнение является основным для анализа работы с горячей плазмой.
Полезная мощность = эффективность * (Энергия синтеза — радиационные потери — потери проводимости)
Где:
Эффективность — как много требуется энергии для управления процессом и качество этого процесса;
Энергия синтеза — количество энергии вырабатываемой при синтезе;
Радиационные потери — количество энергии теряемой в виде света;
Потери проводимости — потери плазмой импульса.
Плазменные облака теряют энергию за счет проводимости и излучения. Проводимость происходит когда ионы или электроны плазмы взаимодействуют с внешней средой и теряют часть своей кинетической энергии. Потери на излучение происходя в видимом, ультрафиолетовом, инфракрасном и рентгеновском диапазонах. Излучение увеличивается с ростом температуры.
Тройной продукт: плотность, температура, время
Критерий Лоусона утверждает, что аппарат, держащий горячую плазму должен соответствовать основным критериям, чтобы преодолеть потери и достигнуть эффективности 30 процентов. Это стало известно как «тройной продукт»: плазменная плотность, температура и время удержания.
Попытки увеличить тройной продукт привели к увеличению размеров реакторов. Удаление центра плазмы от материала реактора позволило уменьшить потери проводимости и потери на излучение, так как большая часть излучения отражается обратно, а плазма практически не контактирует с материалом реактора. Это привело к строительству более крупных, более сложных и более дорогих установок, таких как международный термоядерный экспериментальный реактор и национальный комплекс лазерных термоядерных реакций.
Поведение плазмы
Плазма представляет собой ионизированный газ, который проводит электричество. Преимущественно процессы протекающие в плазме описываются при помощи уравнений гидродинамики, таких как уравнения Навье-Стокса и уравнения Максвелла. В термоядерном синтезе еще используются несколько свойств плазмы:
– Самоорганизация плазмы приводит к возникновению электрического и магнитного полей
– Диамагнетизм плазмы. Плазма может создавать собственное внутреннее магнитное поле
– Магнитные зеркала могут отражать плазму, когда она движется по направлению градиента напряженности электромагнитного поля.
Захват энергии
Было предложено несколько способов по захвату энергии. Самый простой это нагреть жидкость. Нейтроны, рожденные в ходе термоядерной реакции, могут повторно генерировать потраченное ядерное топливо. Прямое преобразование энергии было разработано в качестве способа поддержания напряжения с использованием продуктов реакции синтеза. Это привело к увеличению эффективности захвата до 48 процентов.
Методы
Магнитное удержание
Токамак — наиболее развитый и финансируемый способ проведения термоядерной реакции. Токамак представляет собой тороидальную вакуумную камеру, на которую намотаны катушки для создания тороидального магнитного поля. С помощью индуктора в камере создают вихревое электрическое поле. Электрическое поле вызывает протекание тока и зажигание в камере плазмы. Протекающий через плазму ток разогревает ее и создает вокруг себя магнитное поле называемое полоидальным. Наличие полоидального поля необходимо для стабильного удержания плазмы в такой системе.
Стелларатор — замкнутая магнитная ловушка для удержания плазмы. Стелларатор отличается от токамака тем что в нем магнитное поля для удержания плазмы создается полностью внешними катушками, в то время как токамаки создают магнитные поля используя внутренний ток.
Левитирующий дипольный эксперимент — эксперимент по созданию технологии термоядерного синтеза с использованием сверхпроводящего магнита тороидальной формы, который должен левитировать внутри камеры реактора. Сверхпроводник образует осесимметричное магнитное поле сдерживающее плазму. Считается, что эта технология поможет более эффективно удерживать плазму.
Магнитное зеркало или пробкотрон — ловушка с магнитными пробками. Для удержания плазмы в них создается особая конфигурация магнитного поля, линии которого сближаются вблизи торцов, что создает подобие пробки для заряженных частиц. При сближении частицы к пробке у силы Лоренца появляется составляющая, которая тормозит движение к пробке и возвращает ее обратно к центру ловушки.
Инерционное удержание
В инерциальном методе достигается большие плотность и температура, при этом удерживать плазму нужно совсем не долго.
Прямая инициация — в этом способе лазеры взрывают шарик топлива. Цель в том чтобы достичь необходимых плотности и температуры. Во время взрыва топливного шарика частицы плазмы разлетаются не моментально, их сдерживают инерциальные силы. Благодаря этому можно преодолеть критерий Лоусона, не сдерживая плазму в реакторе. Проблема этого метода в том что шарик топлива должен быть идеальной формы для создания симметричной ударной волны, которая приведет к повышению плотности плазмы.
Быстрое зажигание — В этом методе используется два лазерных импульса. Первый импульс сжимает термоядерное топливо, а второй высокоэнергетический импульс поджигает топливо.
Косвенная инициация — В этом методе лазеры взрывают структуру вокруг шарика с топливом. Эта структура известна как Хольраум. Проходя через эту структуру рентгеновские лучи равномерно облучают топливо что приводит к более равномерному сжатию. Эта технология используется в национальном комплексе лазерных термоядерных реакций.
Магнитная инициация — В этом методе совместно используется лазерный импульс с магнитным удержанием (Пинч-эффект).
Инерционное электростатическое удержание
Фузор — В этом методе используется электрическое поле для нагревания и удержания плазмы. В устройстве используется две сферические клетки катод внутри анода. Ни один Фузор на данный момент не преодолел критерий Лоусона.
Поливелл — Метод сочетает в себе магнитное и электростатическое удержания. Поливелл состоит из магнитов собранных в форме многогранника, внутри которого магнитные поля удерживают облако электронов. В середине устройства образуется потенциал, используемый для ускорения и удержания ионов.
Другие способы удержания
Намагниченная термоядерная мишень — Намагниченная плазма сжимается до высоких плотностей и нагревается до больших температур. Отличие от традиционных методов заключается в том, что для удержания сжатого термоядерного топлива используется магнитное поле. Это позволяет увеличить нагрев топлива и уменьшить потери тепла.
Неконтролируемый метод — Предполагает использование взрыва водородной бомбы для инициации термоядерной реакции.
Ультразвуковой метод — Способ инициации термоядерной реакции в схлопывающихся кавитационных пузырях газа, создаваемых в жидкости звуковыми волнами. Этот метод был дискредитирован в научных кругах.
Холодный ядерный синтез — Это гипотетический тип ядерной реакции, которая должна происходить при комнатной температуре. Этот метод получил плохую репутацию и признан антинаучным.
Мюонная катализация — Мюоны позволяют атомам сближаться, тем самым снижая порог энергии необходимой для инициации реакции синтеза. Этот метод непрактичен потому что требует больше энергии чем получится на выходе.
Сфера Дайсона — Этот метод предполагает использование вырабатываемой солнцем или любой другой звездой термоядерной энергии. Этот метод является самым перспективным, но текущего технического развития цивилизации недостаточно для воплощения в жизнь этого метода.
Литература:
- C. Ю. Лукьянов. Горячая плазма и управляемый ядерный синтез. — Москва. — 1975, 398 с.
- И. А. Котельников. Лекции по физике плазмы. —Новосибирск. — 1996, 138 с.
- D. A. Shea, D. Morgan. The Helium-3 Shortage: Supply, Demand, and Options for Congress. — Washington. — 2010, 27 с.
- Д. Рассел, Р. Кон. Управляемый термоядерный синтез. — Москва. — 2012, 104 с.
- А. А. Акатов, Ю. С. Коряковский. Будущее ядерной энергетики, термоядерные реакторы. — Москва. — 2012, 20 с.
