Проблемы управления термоядерным синтезом

Сверхбыстродействующие  системы УТС с инерциальным удержанием.

Трудности, связанные с магнитным удержанием плазмы, можно в принципе обойти, если сжигать ядерное горючее  за чрезвычайно малые времена, когда  нагретое вещество не успевает разлететься  из зоны реакции. Согласно критерию Лоусона, полезная энергия при таком способе сжигания может быть получена лишь при очень высокой плотности рабочего вещества. Чтобы избежать ситуации термоядерного взрыва большой мощности, нужно использовать очень малые порции горючего, исходное термоядерное топливо должно иметь вид небольших крупинок (диаметром 1-2 мм), приготовленных из смеси дейтерия и трития, впрыскиваемых в реактор перед каждым его рабочим тактом. Главная проблема здесь заключается в подведении необходимой энергии для разогрева крупинки горючего. В настоящее время (1976) решение этой проблемы возлагается на применение лазерных лучей или интенсивных электронных пучков. Исследования в области УТС с применением лазерного нагрева были начаты в 1964; использование электронных пучков находится на более ранней стадии изучения - здесь выполнены пока сравнительно немногочисленные эксперименты.

Оценки  показывают, что выражение для  энергии W, которую необходимо подводить  к установке для обеспечения  работы реактора, имеет вид:

 Дж

Здесь h - выражение общего вида для кпд  устройства и a - коэффициент сжатия мишени. Как показывает написанное равенство, даже при самых оптимистических допущениях относительно возможного значения h величина W при a = 1 получается несоразмерно большой. Поэтому только в сочетании с резким увеличением плотности мишени (примерно в 104 раз) по сравнению с исходной плотностью твёрдой (d, t) мишени можно подойти к приемлемым значениям W. Быстрое нагревание мишени сопровождается испарением её поверхностных слоев и реактивным сжатием внутренних зон. Если подводимая мощность определённым образом программирована во времени, то, как показывают вычисления, можно рассчитывать на достижение указанных коэффициентов сжатия. Другая возможность состоит в программировании радиального распределения плотности мишени. В обоих случаях необходимая энергия снижается до 106 Дж, что лежит в пределах технической осуществимости, учитывая стремительный прогресс лазерных устройств. 

Трудности и перспективы.

Исследования  в области УТС 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. Электромагнитное излучение при используемых значениях n и Т плазмы и возможных размерах реактора свободно покидает плазму, но для чисто водородной плазмы эти энергетические потери определяются только тормозным излучением электронов и в случаи (d, t) реакций перекрываются ядерным энерговыделением уже при температурах выше 4-107 К. 

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 (непрерывное совершенствование вакуумных установок, использование тугоплавких и труднораспыляемых металлов в качестве материала диафрагм, применение специальных устройств для улавливания чужеродных атомов и т.д.), чтобы содержание примесей в плазме оставалось ниже допустимого уровня. Точнее - "летальная" концентрация, исключающая возможность протекания термоядерных реакций, например для примеси вольфрама или молибдена, составляет десятые доли процента. 

На рис. 3 на диаграмме (nt, Т) указаны параметры, достигнутые на различных установках к середине 1976. Ближе всего к области, где оказывается удовлетворённым критерий Лоусона и может протекать самоподдерживающаяся термоядерная реакция, располагаются установки типа токамак и системы с лазерным нагревом. Было бы, однако, ошибочным на основании имеющихся данных делать категорические заключения о типе того устройства, которое будет положено в основу термоядерного реактора будущего. Слишком быстрыми темпами происходит развитие данной области технической физики, и многие оценки могут измениться на протяжении ближайшего десятилетия.

 

Огромное  значение, которое придаётся исследованиям  в области УТС, 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.  

Переход энергетики в глобальном масштабе на ядерные реакторы деления ставит сложные проблемы захоронения огромных радиоактивных отходов (альтернатива: выброс радиоактивных отходов в  космос). По имеющимся оценкам, радиоактивная опасность установок на УТС должна оказаться на три порядка величины ниже, чем у реакторов деления. Если говорить о далёких прогнозах, то оптимум следует искать в сочетании солнечной энергетики и УТС 

Рис. 1	Рис. 2	Рис. 3

 

 

Дополнительная  информация

 

• УТС –  Управляемый термоядерный синтез.

 

• Токамак –  Тораидальная Камера с Магнитной  Катушкой.

 

• ТВЭЛ - Тепловыделяющий  элемент.

 

• Пинч-эффект – (от англ. pinch - сужение, сжатие), эффект самостягивания разряда, свойство электрического токового канала в сжимаемой проводящей среде уменьшать своё сечение под действием собственного, порождаемого самим током, магнитного поля. Впервые это явление описано в 1934 американским учёным У. Беннетом применительно к потокам быстрых заряженных частиц в газоразрядной плазме. Термин "П.-э." введён в 1937 английским физиком Л. Тонксом при исследовании дугового разряда.

 

• Стелларатор (от англ. stellar - звёздный), замкнутая  магнитная ловушка для удержания  высокотемпературной плазмы. Предложена в 1951 Л. Спицером (США) в связи с проблемой управляемого термоядерного синтеза. Магнитное поле в С. создаётся с помощью внешних проводников; его силовые линии подвергаются т. н. вращательному преобразованию, в результате которого эти линии многократно обходят вдоль тора и образуют систему замкнутых вложенных друг в друга тороидальных магнитных поверхностей. Вращательное преобразование силовых линий может быть осуществлено как путём геометрической деформации тороидального соленоида (например, скручиванием его в "восьмёрку"), так и с помощью винтовых проводников, навитых на тор.

 

• Эрнест Резерфорд

 

(30.8.1871, Брайтуотер, Новая Зеландия, - 19.10.1937, Кембридж).

Английский физик, заложивший основы учения о радиоактивности и строении атома; он первый осуществил искусственное превращение элементов. Член Лондонского королевского общества (1903). За научные заслуги получил титул лорда Нельсона (1931 ). 
 

• Сагдеев Роальд Зиннурович (р. 26.12.1932, Москва), советский  физик, академик АН СССР (1968; член-корреспондент 1964). Окончил МГУ (1955). В 1956-61 работал в институте атомной энергии, в 1961-70 заведующий лабораторией Института ядерной физики Сибирского отделения АН СССР, в 1970-73 - Института физики высоких температур АН СССР. С 1973 директор Института космических исследований. Основные труды по физике плазмы. Исследовал колебания и неустойчивости плазмы, открыл существование в ней так называемых бесстолкновительных ударных волн. Развил теорию процессов переноса в установках токамак. Награжден орденами Октябрьской Революции и Трудового Красного Знамени.

 

Заключение

 

В будущем  термояд позволит преодолеть еще  один "кризис человечества", а  именно, перенаселение Земли.  

Не секрет, что развитие земной цивилизации  предусматривает постоянный и устойчивый рост населения планеты, поэтому вопрос освоения "новых территорий", иными словами, колонизация соседних планет Солнечной системы для создания постоянных поселений - вопрос уже совсем недалекого будущего.

Сегодня, как признаются ведущие специалисты в области космонавтики, в частности, директор НАСА Шон О'Киф, современные ракетные двигатели уже исчерпали свои возможности и могут использоваться, даже при условии постоянной модификации, только для исследования околоземного пространства. Межпланетное сообщение, строительство долговременных комплексов на "чужих" орбитах возможно только при установке на космических объектах мощных и экономичных двигательных установок, способных обеспечить длительных пилотируемый полет, работу в космосе и безопасное возвращение на Землю.  

Токамак и в космосе будет как раз на своем месте.

 

Список  литературы

 

• Журнал  «Наука и жизнь» № 3, 1990 г

 

• Журнал  «Наука и жизнь» № 6, 1989 г.

 

• Журнал  «Наука и жизнь» № 11, 1999 г.

 

• Журнал  «Наука и жизнь» № 12, 1999 г.

 

• Д.А.Овсянников, директор НИИ ВмиПУ, журнал «Высокие технологии»

 

• «Управляемый термоядерный синтез в установках с плотной плазмой», Будкер Г.И., «Природа», № 5, 1974 г., стр. 14 – 21

 

• Академик  М.А. Леонтович изд. «Наука», 2003. – стр. 511

 

• Попов Ю.П. «Выход термоядерных нейтронов из плазмы, сжимаемой оболочкой».