Проблема управляемых термоядерных реакций

Ядерная энергия освобождается не только в ядерных реакциях деления тяжелых ядер, но и в реакциях соединения легких атомных ядер. Удельная энергия связи ядер резко увеличивается при переходе от ядер тяжелого водорода (, ) к литию и к гелию , т.е. реакции синтеза легких ядер в более тяжелые должны сопровождаться выделением большого количества энергии. В качестве примеров можно привести следующие реакции синтеза:

(Q=4,0 МэВ);

(Q=3,3 МэВ);

(Q=17,6 МэВ);

(Q=22,4 МэВ),

где Q – энерговыделение.

Для соединения одноименно заряженных протонов необходимо преодолеть кулоновские силы отталкивания, что возможно при достаточно больших скоростях сталкивающихся частиц. Синтез гелия из легкого изотопа водорода происходит при температурах К, а для синтеза гелия из тяжелых изотопов водорода дейтерия и трития – по схеме требуется нагревание примерно до К.

Реакция синтеза легких атомных ядер в более тяжелые, происходящие при сверхвысоких температурах, называются термоядерными реакциями. Термоядерные реакции дают наибольший выход энергии на единицу массы «топлива». Например, при синтезе 1 г гелия из дейтерия и трития выделяется энергия Дж. Такая энергия выделяется при сжигании 10 тонн дизельного топлива.

Необходимые условия для синтеза ядер гелия имеются в недрах Солнца и других звезд. Термоядерные реакции являются одним из источников энергии этих светил. На Земле термоядерная реакция синтеза осуществлена при экспериментальных термоядерных взрывах. В 1953 г. в нашей стране, через полгода – в США были произведены испытания водородной бомбы, где взрывчатым веществом служила смесь дейтерия и трития, а запалом – атомная бомба, при взрыве которой возникает необходимая для протекания реакции температура. В этом случае реакция термоядерного синтеза является неуправляемой.

Особый интерес представляет осуществление управляемой термоядерной реакции. Для обеспечения управляемой термоядерной реакции необходимо создание и поддержание в ограниченном объеме температуры порядка 10⁸ К. При данной температуре термоядерное рабочее вещество представляет собой полностью ионизованную плазму, поэтому возникает проблема ее термоизоляции от стенок установки, в которой она находится. Для того чтобы удержать ее от соприкосновения со стенками установки, в настоящее время применяется магнитная термоизоляция. Так как плазма состоит из заряженных частиц, то в сильном магнитном поле на заряженную частицу действует сила Лоренца, вследствие чего траектория частицы винтообразно навивается на силовую линию.

В 1975 году в Институте атомной энергии под руководством Л.А.Арцимовича был пущен крупнейший в мире термоядерный реактор «Токамак-10» (Т-10). В Т-10 плазма создается в тороидальной камере, находящейся в магнитном поле, а само плазменное образование – плазменный шнур – также имеет форму тора. На этой установке удалось получить плазму с температурой и плотностью n =10¹⁴ частиц/см³ и поддержать ее в течение t =1 с. Однако для получения условия, необходимого для начала самоподдерживающейся термоядерной реакции, нужно примерно в 20 раз увеличить nt (произведение плотности частиц на время удержания плазмы) и примерно в 10 раз температуру.

До более высоких температур водород может быть нагрет с помощью лазерного излучения. В экспериментах на лазерных установках уже получена плазма с температурой в несколько десятков миллионов градусов. Запасы водорода на Земле практически неисчерпаемые, поэтому использование энергии термоядерного синтеза в мирных целях является одной из важнейших задач современной науки и техники.