60217733 (49) · 10-19 Дж
Температура, відповідна теплової енергії в 1 еВ, дорівнює 1.16 · 104 К, (= е/к). Енергія іонізації атома водню дорівнює 13.6 еВ. Навіть якщо теплова (середня) енергія водневого газу становить 1 еВ, що відповідає температурі T ~ 104 К, т в ньому присутній дуже мала кількість електронів з енергією вище 13.6 еВ, здатних іонізувати водень, перетворюючи газ у водневу плазму.
Термоядерна плазма. Прогрес у фізиці плазми пов'язаний значною мірою із завданням отримання термоядерної плазми. Необхідні для вирішення цього завдання умови обговорюються в даний час. Ядерні реакції синтезу - це реакції злиття легких ядер з утворенням важких. Якщо сума мас ядер, що утворилися в результаті реакції, менше суми мас ядер, що вступили в реакцію, на величину? M, звану дефектом маси, то, відповідно до теорії відносності, при такій реакції вивільняються (? M) с2 енергії (с - швидкість світла).
Для використання в реакторах синтезу інтерес представляють наступні реакції:
D + D? T (1.01 МеВ) + p (3.03 МеВ);
D + D? Не3 (0.82 МеВ) + n (2.45 МеВ);
T + D? Не4 (3.52 МеВ) + n (14.06 МеВ);
D + Не3? Не4 (3.67 МеВ) + p (14.67 МеВ);
Li6 + n? T + Не4 + 4.8 МеВ;
Li7 + n (2.5 МеВ)? T + Не4 + n.
Тут D означає дейтон, T - тритон, Не3 - ядро ??гелію - 3, Li - ядро ??літію, p - протон (іон водню) і n - нейтрон (1 МеВ=106 еВ). У порівнянні з енергією, рівною 2.96 еВ, що виділяється в хімічній реакції H2 + (1/2) O2? H2 O, енергія, що вивільняється в реакціях ядерного синтезу, приблизно в мільйон разів більше. Енергія зв'язку на один нуклон в атомному ядрі невелика для дуже легких або дуже важких ядер і має максимум для ядер масовим числом близько 60, тому в реакціях синтезу легких ядер вивільняється велика кількість енергії. Дейтерій широко поширений в природі, наприклад, в морській воді об'ємом 1.35 · 109 км3 його міститься 0.015% від загального числа атомів водню.
Розглянемо ядерну реакцію при зіткненні Дейтона з тритоном. Ефективний переріз ядра тритію Т позначимо через. Це перетин є функцією кінетичної енергії Дейтона Е. Перетин DT реакції при Е=100 кеВ становить 5? 10-24 см2. Перетин реакцій DT, D- D, D-He3 залежно від кінетичної енергії ядер, що стикаються наведено на рис. 3.а. Імовірність реакції синтезу в одиницю часу у випадку, коли іон дейтерію, що рухається зі швидкістю V, стикається з іонами тритію, щільність яких nT, дорівнює nT V.
Рис. 3. а - залежність перетину реакції синтезу від кінетичної енергії Е ядер, що стикаються. дорівнює сумі перетинів можливих каналів D- D, реакції під номером 1 і 2; 1 барн=10-24 см2;- Залежність швидкості реакції синтезу від іонної температури Тi.
Якщо плазма максвеллівська з температурою іонів Тi, то необхідно розрахувати - середнє по простору швидкостей величину V. Залежність від іонної температури Тi показана на рис. 3. Для DT реакції величина в залежності від kT, вимірюваної в кеВ, може бути оцінена за формулою:
де
На рис. 4 зображена груба схема електростанції з DT реактором синтезу. Швидкі нейтрони, що народжуються в термоядерної плазмі, проникають через першу стінку в літієвий бланкет, де їх кінетична енергія перетворюється в тепло. Крім цього в БЛАНКЕТ відбувається напрацювання тритію допомогою реакцій під номером 5 і 6. Тепло Бланкета відводиться за допомогою теплообмінника і використовується для виробництва пари, електроенергія виробляється паровою турбіною. Частина виробленої електричної потужності витрачається на роботу система нагріву плазми, необхідної для компенсації втрат енергії з плазми, яка підтримується в гарячому стані. Вихід термоядерної енергії повинен перевищувати необхідні енергетичні витрати на нагрів плазми з урахуванням ефективності перетворення. Оскільки необхідна для нагріву потужність дорівнює в стаціонарному режимі швидкості втрат енергії з термоядерної плазми, ключового значення набуває хороше утримання енергії гарячої плазми.
Принцип дії
Для отримання термоядерної температури омічний нагрів виявляється недостатнім. З ростом температури опору плазми зменшується, і ефективність такого способу падає. Для подальшого збільшення температури потрібно додатковий нагрів плазми.
Найбільш перспективними представляються два методи нагрівання: пучками швидких атомів і струмами високої частоти.
Широко вивчається нагрів плазми високочастотним магнітним полем. Помістивши поблизу робочої камери петлю з струмом високої частоти, можна порушити в плазмі електромагнітні хвилі. При ...
