Термоядерный синтез

Наиболее широко встречающимся в природе элементом является водород. Несмотря на то, что в свободном состоянии в атмосфере Земли водорода очень мало, огромное его количество содержится на ее поверхности в различных, устойчивых соединениях, в частности в воде.

С уществуют и изотопы водорода: ¹Н, ²H, ³Н. Ядро первого представляет собой протон. Дейтерий ²H устойчив и встречается в природе в количестве примерно 0,015% количества изотопа ¹H. Третий изотоп, тритий ³H, неустойчив и имеет период полураспада 12,26 лет. Его легко получить в ходе различных ядерных, реакций. Эти изотопы могут воспроизводить такие ядерные реакции, при которых суммарная масса конечных продуктов реакции получается меньше, чем суммарная масса веществ, вступивших в реакцию. Разница в массах, как и в случае реакции деления, составляет кинетическую энергию продуктов реакции. Наибольший интерес представляют следующие реакции:

(2.9)

(2.10),(2.11)

Такой тип ядерной реакции, при которой, по крайней мере, одно из образующих ядер имеет массу, большую, чем масса любого из первоначальных ядер, называется реакцией термоядерного синтеза.

Несмотря на то, что количество энергии, получаемой в результате единичной реакции синтеза, меньше по сравнению с реакцией деления, энергия в расчете на 1 кг вещества сопоставима и составляет 2,37·10¹³ Дж. Такое количество энергии можно получить примерно из 3 м³ воды при помощи реакции синтеза по типу (2.9), (2.10), (2.11). Энергия, содержащаяся в 1 км³ морской воды, эквивалентна энергии, запасенной в 180 млн. т сырой нефти (это составляет около 1/1000 всех мировых геологических ресурсов нефти). Суммарный объем океанской воды, по оценке специалистов, равен примерно 1,5·109 км³. Если удастся овладеть термоядерным синтезом, можно будет получить поистине неограниченный источник энергии. Однако поддержание реакции синтеза в течение какого-либо продолжительного периода времени в замкнутом пространстве, из которого можно было бы отводить теплоту для производства пара, является очень трудной проблемой.

1 - сепарация дейтерия; 2 - камера термоядерного синтеза; 3 - бланкет-замедлитель; 4 - полезная работа (турбина); 5 - конденсатор; ТР- термоядерный реактор; Т - теплоноситель; СбТ -сбросная теплота; ПТР – продукт термоядерной реакции ⁴Не; Н - нейтроны; МО - мировой океан

Рисунок 2.4 – Схема потоков вещества и энергии в термоядерном реакторе

На рисунке 2.4 показана схема потока вещества и энергии в термоядерном реакторе. Для того, чтобы заставить ядра вступать в реакцию синтеза, требуются высокие температуры, но удовлетворительного способа создания и поддержания таких температур до сих пор не найдено.

Большие проблемы возникают в развитии системы магнитного удержания плазмы. Если они будут решены, то возникнет проблема отбора и преобразования избыточной энергии, проявляющейся главным образом в сфере кинетической энергии нейтронов. Для этого потребуется теплоноситель с высокой теплоемкостью и в то же время мало подверженный влиянию интенсивного нейтронного облучения в реакторе. Подходящим для этого является металл литий – он имеет высокую точку кипения и отличные характеристики теплопроводности. Два встречающихся в природе устойчивых изотопа лития вступают в реакцию с нейтронами:

(2.12)

(2.13)

Энергия отдачи продуктов реакции – трития и гелия – поглощается металлическим литием, при этом выделяется теплота. Образующийся тритий является весьма опасным для окружающей среды из-за возможности его попадания в организм при дыхании.

Наибольшее количество избыточной энергии на килограмм реагентов приходится на реакцию синтеза дейтерий – тритий (2.11). Но в природе обычно тритий не встречается, поэтому желательно получать требуемое количество трития в самом реакторе. В этом смысле термоядерный реактор является реактором – размножителем, и это его свойство является особенно опасным для окружающей среды.

С наступлением энергетического кризиса исследования в области термоядерного синтеза стали усиленно развиваться, в том числе и в РФ. В 1975 г. в Институте атомной энергии им. В.И. Курчатова была введена крупнейшая в мире опытная термоядерная установка “ Токамак-10”. Эта установка предназначена для нагрева водорода до десятка миллионов градусов и удержания нагретого вещества в течение продолжительного времени. В нагретом до таких температур газе, состоящем из изотопов водорода, начинается так называемая термоядерная реакция, т.е. слияние ядер изотопов водорода в более тяжелые ядра гелия.

Этот процесс сопровождается выделением колоссальной энергии. Достаточно сказать, что при ядерном сжигании 1 кг изотопов водорода выделяется в 10 млн. раз больше энергии, чем при сжигании 1 кг угля. С вводом в строй установки "Токамак-10" наши ученые получили мощный инструмент для исследований в области термоядерного синтеза.