Управляемый термоядерный синтез

- процесс слияния лёгких атомных ядер, происходящий с выделением энергии при высоких температурах в регулируемых, управляемых условиях. Скорости протекания термоядерных реакций малы из-за кулоновского отталкивания положительно заряженных ядер. Поэтому процесс синтеза идёт с заметной интенсивностью только между лёгкими ядрами, обладающими малым положительным зарядом и только при высоких температурах, когда кинетическая энергия сталкивающихся ядер оказывается достаточной для преодоления кулоновского потенциального барьера. В природных условиях термоядерные реакции между ядрами водорода (протонами) протекают в недрах звёзд, в частности во внутренних областях Солнца, и служат тем постоянным источником энергии, который определяет их излучение. Сгорание водорода в звёздах идёт с малой скоростью, но гигантские размеры и плотности звёзд обеспечивают непрерывное испускание огромных потоков энергии в течение миллиардов лет. С несравненно большей скоростью идут реакции между тяжёлыми изотопами водорода ²H и тритием ³H) с образованием сильно связанных ядер гелия:

Именно названные реакции представляют наибольший интерес для проблемы управляемого термоядерного синтеза. В особенности привлекательна вторая реакция, сопровождающаяся большим энерговыделением и протекающая со значительной скоростью. Тритий радиоактивен и не встречается в природе. Следовательно, для обеспечения работы предполагаемого термоядерного реактора, использующего в качестве ядерного горючего тритий, должна быть предусмотрена возможность воспроизводства трития. С этой целью рабочая зона рассматриваемой системы может быть окружена слоем лёгкого изотопа лития, в котором будет идти процесс воспроизводства

⁶Li + n → ³H + ⁴He.

Вероятность термоядерных реакций быстро возрастает с температурой, но даже в оптимальных условиях остаётся несравненно меньше эффективного сечения столкновений атомных. По этой причине реакции синтеза должны происходить в полностью ионизованной плазме, нагретой до высокой температуры, где процессы ионизации и возбуждения атомов отсутствуют и дейтон-дейтонные или дейтон-тритонные столкновения рано или поздно завершаются ядерным синтезом.

Удельная мощность термоядерного реактора находится путём умножения числа ядерных реакций, происходящих ежесекундно в единице объёма рабочей зоны реактора, на энергию, выделяющуюся при каждом акте реакции.

Плазма (П) частично или полностью ионизованный газ, в котором плотности положительных и отрицательных зарядов практически одинаковы. При достаточно сильном нагревании любое вещество испаряется, превращаясь в газ. Если увеличивать температуру и дальше, резко усилится процесс термической ионизации, т. е. молекулы газа начнут распадаться на составляющие их атомы, которые затем превращаются в Ионы. Ионизация газа, кроме того, может быть вызвана его взаимодействием с электромагнитным излучением (Фотоионизация) или бомбардировкой газа заряженными частицами.

Свободные заряженные частицы — особенно электроны — легко перемещаются под действием электрического поля. Поэтому в состоянии равновесия пространственные заряды входящих в состав Плазмы отрицательных электронов и положительных ионов должны компенсировать друг друга так, чтобы полное поле внутри П. было равно нулю. Именно отсюда вытекает необходимость практически точного равенства плотностей электронов и ионов в П.— её «квазинейтральности». Нарушение квазинейтральности в объёме, занимаемом П., ведёт к немедленному появлению сильных электрических полей пространственных зарядов, тут же восстанавливающих квазинейтральность. Степенью ионизации П. α называется отношение числа ионизованных атомов к полному их числу в единице объёма П. В зависимости от величины α говорят о слабо, сильно и полностью ионизованной П.

         Средние энергии различных типов частиц, составляющих П., могут отличаться одна от другой. В таком случае П. нельзя охарактеризовать одним значением температуры Т и различают электронную температуру T_e, ионную температуру T_i, (или ионные температуры, если в П. имеются ионы нескольких сортов) и температуру нейтральных атомов T_a (нейтральной компоненты). Подобная П. называется неизотермической, в то время как П., для которой температуры всех компонент равны, называется изотермической.

Применительно к П. несколько необычный смысл (по сравнению с др. разделами физики) вкладывается в понятия «низкотемпературная» и «высокотемпературная». Низкотемпературной принято считать П. с T_i ≤ 10⁵ К, а высокотемпературной — П. с T_i ≈ 10⁶—10⁸ К и более. Это условное разделение связано как с возможностью для П. достигать чрезвычайно больших температур, так и с особой важностью высокотемпературной П. в связи с проблемой осуществления управляемого термоядерного синтеза.

В состоянии П. находится подавляющая часть вещества Вселенной — Звёзды, звёздные атмосферы, Туманности галактические и Межзвёздная среда. Около Земли П. существует в космосе в виде солнечного ветра, заполняет магнитосферу Земли (образуя Радиационные пояса Земли) и ионосферу. Процессами в околоземной П. обусловлены Магнитные бури и Полярные сияния. Отражение радиоволн от ионосферной П. обеспечивает возможность дальней радиосвязи на Земле.

В лабораторных условиях и промышленных применениях П. образуется в электрическом разряде в газах (дуговом разряде ,искровом разряде, тлеющем разряде и пр.), в процессах горения и взрыва, используется в плазменных ускорителях, магнитогидродинамических генераторах и во многих др. устройствах .

Высокотемпературную П. получают в установках для исследования возможных путей осуществления УТС. Многими характерными для П. свойствами обладают совокупности электронов проводимости и дырок в полупроводниках и электронов проводимости (нейтрализуемых неподвижными положительными ионами) в металлах, которые поэтому называются плазмой твёрдых тел. Её отличительная особенность — возможность существования при сверхнизких для «газовой» П. температурах — комнатной и ниже, вплоть до абсолютного нуля температуры.

Возможные значения плотности П. n (число электронов или ионов в см³) расположены в очень широком диапазоне: от n Плазма 10^-6 в межгалактическом пространстве и n Плазма 10 в солнечном ветре до n Плазма 10²² для твёрдых тел и ещё больших значений в центральных областях звёзд.

3