12. Термоядерная энергетика

Известно три агрегатных состояния вещества - газ, жидкость и твердое тело. Но существует и 4-е агрегатное состояние - плазма.В этом состоянии система состоит из электронов и положительно заряженных ионов с концентрациейn_e≈n_ионов. Т.е. концентрация электронов и ионов в плазме примерно одинакова и ее объемный заряд, как и в металле, равен нулю.

Наиболее часто плазма встречается в космических телах. Основная масса вещества космоса практически полностью ионизирована вследствие высокой температуры и действия различных излучений. В частности, Солнце полностью состоит из плазмы. Верхние слои земной атмосферы (ионосфера) также представляют собой плазму.

Плазма как сильно ионизированный газ имеет большое сходство с обычными газами и подчиняется многим газовым законам. Однако между плазмой и обычным газом существуют и радикальные отличия. Они особенно резко проявляются тогда, когда имеется внешнее магнитное поле. В этом случае на заряженные частицы действует сила Лорентца (F=qVB). Эти силы не действуют в газе с нейтральными молекуламиH₂O,O₂,N2,CO₂,Ne,Heи т.д.

Другое отличие заключается в том, что ионы и электроны в плазме сильно взаимодействуют между собой из-за проявления силы Кулона F=q₁q₂/r^2..

Оба эти обстоятельства в сочетании с высокой электропроводностью плазмы ( для обычного газа электропроводность нулевая) приводят к тому, что свойства плазмы и уравнения ее движения при наличии магнитного и электрического полей резко отличаются от свойств обычных газов.

Изучение законов движения плазмы, рассматриваемой как особого рода жидкости с высокой электропроводностью составляет предмет магнитной гидродинамики плазмы и имеет большое значение для понимания астрофизических процессов и явлений, а также для создания управляемых термоядерных реакций.

Плазму, возникающую при газовом разряде называют газоразрядной, а плазму, возникающую вследствие высокой температуры вещества, называютвысокотемпературной.

В естественных условиях в звездах и на Солнце протекают термоядерные реакции при высоких температурах. В земных условиях плазма образуется при электрических разрядах (молния, электрическая дуга между электродами при сварке), в процессе горения (горящие дрова, спичка, и т.д.) и взрыва вещества, в МГД-генераторах и пр. На Земле высокая температура, необходимая для осуществления реакции синтеза легких элементов, может быть получена, например, при взрыве атомной бомбы, Взрыв атомного «капсуля» создает условия для начала реакции термоядерного синтеза – температуру до 100 млн. градусов и давление в миллионы атмосфер. Практически мгновенная реакция синтеза происходит в водородных бомбах. Это пример неуправляемой термоядерной реакции. Внутри водородной бомбы сначала взрывается находящийся внутри оболочки заряд-инициатор термоядерной реакции ( небольшая атомная бомба) в результате чего возникает нейтронная вспышка и создается высокая температура, неоюбходимая для инициирования термоядерного синтеза. Нейтроны бомбардируют мишень из соединения дейтерия с литием. Изотоп лития Li6 по действием нейтронов расщепляется на гелий и тритий. Т.е. атомный запал создает необходимые для синтеза материалы непосредственно в самой водородной бомбе. Затем начинается термоядерная реакция в смеси дейтерия с тритием, температура внутри бомбы стремительно нарастает, вовлекая в синтез все большие и большие количества водорода. При дальнейшем повышении температуры начинается реакция между ядрами дейтерия. Все реакции протекают настолько быстро, что воспринимается как мгновенные реакции.

Задача состоит в получении непрерывной управляемой реакции синтеза, что возможно при следующих условиях:

1. Топливо должно быть чистым и состоять из легких ядер (например, дейтерий ₁Д² и₁Т³ – изотопы водорода), Дейтерий (его процентное содержание в обычной воде до 0,015%), но в объеме мирового океана это горючее практически неисчерпаемо. Тритий проще всего получать для термоядерной реакции прямо на термоядерной станции, облучая изотоп лития нейтронами, т.е.₃Li⁶+₀n¹=₂He⁴+₁T³;

2. Плотность топлива должна быть не менее 10¹⁵ядер в 1см³;

3. Температура должна быть не менее 100млн. градусов и не более 1млрд . градусов по Цельсию Температура порядка 10^{8 0}С или 100 000 000 градусов);

4. Максимальная температура топлива при соответствующей плотности должна удерживаться на протяжении десятых долей секунды.

Рис. 166 Схема реакции синтеза легких ядер

Реакция синтеза

₁D²+ ₁T³ = ₂He⁴ + ₀n¹ + 17,6Мэв (12-8)

или

₁D² + ₂Не³ →₂Не⁴ +₁р¹ + 18,3Мэв. (12-9)

В результате реакции синтеза дейтерия с тритием (рис. 166) образуется ядро гелия и нейтрон и выделяется энергия, что составляет приблизительно 3,5Мэв/нуклон. Для сравнения , при делении ядер урана высвобождается приблизительно 0,85Мэв/нуклон.

Получение энергии за счет синтеза ядер обладает рядом преимуществ :

1. Используется дешевое топливо с пракически неисчерпаемыми запасами;

2. Исключаются аварии ядерных установок наподобие аварий при возникновении неуправляемой реакции деления ядер (типа Чернобыльской АЭС);

3. Получаются нетоксичные и нерадиоактивные конечные продукты термоядерного синтеза;

4. Непосредственно преобразуется энергия заряженных частиц, из которых состоит высокотемпературная плазма, в электрическую энергию. При этом могут быть получены высокие значения КПД до 90% , что позволит сократить тепловое загрязнение окружающей среды.

Проблемы термоядерной реакции. 1. Нужно создать и поддерживать в некотором объеме высокую температуру (≈10⁸ К). При такой температуре вещество полностью ионизировано, состоит только из ядер и электронов. Одна из возможностей - использовать один или несколько мощных импульсных лазеров Р≈50-100Гвт.

Мишень состоит из твердых дейтеря и трития в виде мелких крупинок.

Можно использовать разряд от мощного конденсатора. Напряжение порядка 100 000В, Емкость конденсатора порядка нескольких фарад ( например 10Ф). Тогда энергия запасенная в конденсаторе W=CU₂/2 = 5 -10¹⁰дж.

2. Плазму необходимо удержать в некотором объеме (условно говоря, в некотором сосуде). Но, соприкасаясь со стенками сосуда, плазма остывает, а вещество стенок плавится и испаряется. Рекордсменами тугоплавкости из металлов является вольфрам (Темп. плавления порядко 3500 градусов). У графита темп. плавление порядка 4000⁰С. Следовательно, обычные материалы не пригодны для удержания высокотемпературной плазмы. В связи с этим для удержания плазмы применяяют магнитные поля разной конфигурации. Наиболее перспективными считается применение камеры, называемой ТОКАМАКОМ ( ТОроидальная Камера с МАгнитными Катушками) (рис.167). Идея магнитной термоизоляции плазмы очеь проста. Известно, что заряженная частица не может двигаться поперек магнитной силовой линии. Если создать систему замкнутых магнитных силовых линий, то, в принципе, можно удерживать плазму в некором ограниченном объеме. ТОКАМАК – один из вариантов устройства, способного формировать долгоживущую горячую плазму высокой плотности

Рис.167 Схема ТОКАМАКА

Внешне токамак похож на большой трансформатор с железным замкнутым сердечником и первичной обмоткой (тороидальной формы), по которой пропускается переменный электрический ток – в простейшем случае ток от разряда конденсаторной батареи. В качестве вторичной обмотки используется единственный замкнутый виток вакуумной камеры – плазменный шнур.

При разряде батареи в камере появляется вихревое электрическое поле, образование которого приводит к электрическому пробою газа, его ионизации и нагреванию до высоких температур. Например, в установке «Токамак – 10» ток в плазме достигает 600 000А, а сама плазма имеет объем около 4м³. В такой магнитной "бутылке, бублике или баранке" на заряды действует сила Лорентца, которая отталкивает плазму от стенок сосуда и заставляет заряженные частицы двигаться во винтовой траектории вдоль центра тороидальной камеры. Если ток зарядов на этой траектории оказывается достаточно большим, то создаваемое этим током собственное магнитное поле будет еще сильнее сжимать плазму относительно оси тора( создается так называемый пинч-эффект.

Поведение плазмы зависит в первую очередь, от качества магнитного поля токамака, его способности выполнять роль магнитной ловушки.

3. Одной из главных проблем это проблема плазменной неустойчивости, которая приводит к выбросу плазмы из магнитного поля на стенки вакуумной камеры.

Проектируется создание электростанцию на 1 000Мвт. Термоядерный реактор будет сжигать дейтерий и литий, а в результате реакции будет образовываться инертный газ – гелий. Для такого реактора в год потребуется 100кг дейтерия и 300кг лития. Считается, что такая электростанция в плане радиационной безопасности будет эквивалентна урановому реактору деления ядер мощностью 1КВт. И это обстоятельство является решающим фактором, преимуществом термоядерной энергетики в сравнении с атомной энергетикой.