Ядерный синтез

Эта статья о ядерной реакции. Чтобы узнать о его использовании в производстве энергии, см. « Энергия термоядерного синтеза» . О журнале см. Nuclear Fusion (журнал) . Чтобы узнать о песне, см. Nuclear Fusion (песня) .

Не путать с ядерным делением .

Солнце ядер является звездой главной последовательности и поэтому высвобождает свою энергию путем ядерного синтеза водорода в гелий . В своем ядре Солнце каждую секунду сжигает 500 миллионов тонн водорода.

Кривая энергии связи ядра . Образование ядер с массой до железа-56 высвобождает энергию, как показано выше.

Ядерный синтез — это реакция , в которой два или более атомных ядра , обычно дейтерий и тритий водорода ( изотопы ), объединяются с образованием одного или нескольких различных атомных ядер и субатомных частиц ( нейтронов или протонов ). Разница в массе реагентов и продуктов проявляется либо в выделении, либо поглощении энергии в . Эта разница в массе возникает из-за разницы в энергии связи между атомными ядрами до и после реакции. Ядерный синтез — это процесс, который питает активные звезды или звезды главной последовательности и другие большой величины звезды , при этом выделяется большое количество энергии .

Процесс ядерного синтеза, в результате которого образуются атомные ядра легче, чем железо-56 или никель-62, обычно выделяет энергию. Эти элементы имеют относительно небольшую массу и относительно большую энергию связи на нуклон . Слияние ядер более легких, чем эти, высвобождает энергию ( экзотермический процесс), тогда как слияние более тяжелых ядер приводит к тому, что энергия сохраняется нуклонами-продуктами, и результирующая реакция является эндотермической . Обратное верно для обратного процесса, называемого ядерным делением . В ядерном синтезе используются более легкие элементы, такие как водород и гелий , которые, как правило, более плавкие; в то время как более тяжелые элементы, такие как уран , торий и плутоний , более расщепляются. Экстремальное астрофизическое событие — взрыв сверхновой — может произвести достаточно энергии для синтеза ядер в элементы тяжелее железа.

История

Основная статья: Хронология ядерного синтеза

Американский химик Уильям Дрейпер Харкинс был первым, кто предложил концепцию ядерного синтеза в 1915 году. Затем, в 1921 году, Артур Эддингтон предположил, что термоядерный синтез водорода и гелия может быть основным источником звездной энергии. Квантовое туннелирование было открыто Фридрихом Хундом в 1927 году. а вскоре после этого Роберт Аткинсон и Фриц Хоутерманс использовали измеренные массы легких элементов, чтобы продемонстрировать, что большое количество энергии может быть высвобождено при слиянии небольших ядер. Основываясь на ранних экспериментах Патрика Блэкетта по искусственной , ядерной трансмутации лабораторный синтез изотопов водорода был осуществлен Марком Олифантом в 1932 году. В оставшуюся часть этого десятилетия теорию главного цикла ядерного синтеза в звездах разработал Ганс Бете . Исследования термоядерного синтеза в военных целях начались в начале 1940-х годов в рамках Манхэттенского проекта . Самоподдерживающийся ядерный синтез был впервые осуществлен 1 ноября 1952 года при Айви Майк испытании водородной (термоядерной) бомбы .

Хотя термоядерный синтез был достигнут при использовании водородной бомбы (водородной бомбы), реакцию необходимо контролировать и поддерживать, чтобы она могла стать полезным источником энергии. Исследования по разработке управляемого термоядерного синтеза внутри термоядерных реакторов продолжаются с 1930-х годов, но технология все еще находится на стадии разработки.

США Национальная установка зажигания , которая использует лазерный инерционный термоядерный синтез , была спроектирована с целью достижения безубыточного термоядерного синтеза; первые крупномасштабные эксперименты с лазерными мишенями были проведены в июне 2009 года, а эксперименты с зажиганием начались в начале 2011 года. 13 декабря 2022 года Министерство энергетики США объявило, что 5 декабря 2022 года они успешно осуществили безубыточный термоядерный синтез, «доставив 2,05 мегаджоуля (МДж) энергии к цели, в результате чего была получена 3,15 МДж термоядерной энергии».

До этого прорыва реакции контролируемого синтеза не могли обеспечить безубыточный (самоподдерживающийся) контролируемый синтез. Двумя наиболее продвинутыми подходами для этого являются магнитное удержание (тороидные конструкции) и инерционное удержание (лазерные конструкции). Работоспособные конструкции тороидального реактора, который теоретически будет обеспечивать в десять раз больше энергии термоядерного синтеза, чем количество, необходимое для нагрева плазмы до необходимых температур, находятся в стадии разработки (см. ИТЭР ). Ожидается, что установка ИТЭР завершит этап строительства в 2025 году. В том же году она начнет ввод в эксплуатацию реактора, а эксперименты с плазмой начнутся в 2025 году, но полный синтез дейтерия и трития начнется не раньше 2035 года.

Только в 2021 году частные компании, занимающиеся коммерциализацией ядерного синтеза, получили 2,6 миллиарда долларов частного финансирования, направленного многим известным стартапам, включая, помимо прочего, Commonwealth Fusion Systems , Helion Energy Inc. , General Fusion , TAE Technologies Inc. и Zap Energy Inc.

Процесс

При синтезе дейтерия с тритием образуется гелий-4 , высвобождается нейтрон и выделяется 17,59 МэВ в виде кинетической энергии продуктов, в то время как соответствующее количество массы исчезает , что соответствует кинетике E = ∆ mc. ² , где Δm – уменьшение общей массы покоя частиц.

Выделение энергии при синтезе легких элементов происходит благодаря взаимодействию двух противоположных сил: ядерной силы , проявления сильного взаимодействия , которое плотно удерживает протоны и нейтроны вместе в атомном ядре ; и сила Кулона , которая заставляет положительно заряженные протоны в ядре отталкивать друг друга. Более легкие ядра (ядра меньше железа и никеля) достаточно малы и бедны протонами, чтобы позволить ядерной силе преодолеть силу Кулона. Это связано с тем, что ядро ​​достаточно мало, и все нуклоны ощущают силу притяжения ближнего действия по крайней мере так же сильно, как они ощущают кулоновское отталкивание бесконечного действия. Создание ядер из более легких ядер путем термоядерного синтеза высвобождает дополнительную энергию от чистого притяжения частиц. Однако для более крупных ядер энергия не выделяется, поскольку ядерная сила имеет короткое действие и не может действовать на более крупные ядра.

Термоядерный синтез питает звезды и производит практически все элементы в процессе, называемом нуклеосинтезом . Солнце является звездой главной последовательности и, как таковое, генерирует свою энергию путем ядерного синтеза ядер водорода в гелий. В своем ядре Солнце каждую секунду плавит 620 миллионов тонн водорода и производит 616 миллионов тонн гелия. Слияние более легких элементов в звездах высвобождает энергию и массу, которая всегда сопровождает его. Например, при слиянии двух ядер водорода с образованием гелия 0,645% массы уносится в виде кинетической энергии альфа -частицы или других форм энергии, например электромагнитного излучения.

Требуется значительная энергия, чтобы заставить ядра слиться, даже ядра самого легкого элемента, водорода . При ускорении до достаточно высоких скоростей ядра могут преодолеть это электростатическое отталкивание и приблизиться достаточно близко, так что сила притяжения ядер превышает силу Кулона отталкивания. Сильное взаимодействие быстро растет, когда ядра оказываются достаточно близко, и сливающиеся нуклоны могут по существу «падать» друг на друга, в результате чего образуется синтез и чистая энергия. Слияние более легких ядер, в результате которого образуется более тяжелое ядро ​​и часто свободный нейтрон или протон, обычно высвобождает больше энергии, чем требуется для соединения ядер; это экзотермический процесс , который может вызывать самоподдерживающиеся реакции.

Энергия, выделяемая в большинстве ядерных реакций, намного больше, чем в химических реакциях , поскольку энергия связи , удерживающая ядро ​​вместе, больше, чем энергия, удерживающая электроны в ядре. Например, энергия ионизации, полученная при добавлении электрона к ядру водорода, составляет 13,6 эВ — менее одной миллионной доли от 17,6 МэВ, выделяющихся в реакции дейтерий - тритий (D–T), показанной на диаграмме рядом. Реакции синтеза имеют плотность энергии во много раз большую, чем ядерное деление ; реакции производят гораздо большую энергию на единицу массы, хотя отдельные реакции деления обычно гораздо более энергичны, чем отдельные реакции синтеза, которые сами по себе в миллионы раз более энергичны, чем химические реакции. Только прямое преобразование массы в энергию , например, вызванное аннигиляционным столкновением материи и антиматерии , является более энергичным на единицу массы, чем ядерный синтез. (Полное преобразование одного грамма материи высвободит 9 × 10 ¹³ джоули энергии.)

В звездах

Протон -протонная цепная реакция, ветвь I, доминирует в звездах размером с Солнце или меньше.

Цикл CNO доминирует у звезд тяжелее Солнца.

Важным процессом термоядерного синтеза является звездный нуклеосинтез , который питает звезды , включая Солнце. В 20 веке было признано, что энергия, выделяющаяся в результате реакций ядерного синтеза, обеспечивает долговечность звездного тепла и света. Слияние ядер в звезде, начиная с первоначального содержания водорода и гелия, обеспечивает эту энергию и синтезирует новые ядра. В зависимости от массы звезды (и, следовательно, давления и температуры в ее ядре) задействованы разные цепочки реакций.

Примерно в 1920 году Артур Эддингтон предсказал открытие и механизм процессов ядерного синтеза в звездах в своей статье «Внутреннее строение звезд» . В то время источник звездной энергии был неизвестен; Эддингтон правильно предположил, что источником был синтез водорода в гелий, высвободивший огромную энергию согласно уравнению Эйнштейна E = mc. ² . Это было особенно примечательное событие, поскольку в то время еще не были открыты ни термоядерная энергия, ни даже то, что звезды в основном состоят из водорода (см. Металличность ). В статье Эддингтона говорилось, что:

1. Ведущая теория звездной энергии, гипотеза сжатия, должна вызывать заметное ускорение вращения звезды из-за сохранения углового момента . Но наблюдения переменных звезд цефеид показали, что этого не происходит.
2. Единственным другим известным возможным источником энергии было преобразование материи в энергию; Несколькими годами ранее Эйнштейн показал, что небольшое количество материи эквивалентно большому количеству энергии.
3. Фрэнсис Астон также недавно показал, что масса атома гелия примерно на 0,8% меньше, чем масса четырех атомов водорода, которые вместе образовали бы атом гелия (согласно преобладающей в то время теории атомной структуры, которая определяла атомный вес быть отличительным свойством между элементами; работа Генри Мозли и Антониуса ван ден Брока позже показала, что отличительным свойством является заряд ядра и, следовательно, ядро ​​гелия состоит из двух ядер водорода плюс дополнительная масса). Это предполагало, что, если бы такое сочетание могло произойти, оно привело бы к высвобождению значительного количества энергии в качестве побочного продукта.
4. Если бы звезда содержала всего 5% легкоплавкого водорода, этого было бы достаточно, чтобы объяснить, как звезды получили свою энергию. (Теперь известно, что большинство «обычных» звезд обычно состоят на 70–75% из водорода.)
5. Другие элементы также могли быть синтезированы, и другие ученые предполагали, что звезды являются «тиглем», в котором легкие элементы объединяются для создания тяжелых элементов, но без более точных измерений их атомных масс в то время ничего большего сказать было невозможно.

Все эти предположения подтвердились в последующие десятилетия.

Основным источником солнечной энергии, а также энергии звезд аналогичного размера, является синтез водорода с образованием гелия ( протон-протонная цепная реакция), который происходит при температуре солнечного ядра 14 миллионов Кельвинов. Конечным результатом является слияние четырех протонов в одну альфа-частицу с высвобождением двух позитронов и двух нейтрино (что превращает два протона в нейтроны) и энергии. У более тяжелых звезд большее значение имеют цикл CNO и другие процессы. Поскольку звезда расходует значительную часть своего водорода, она начинает синтезировать более тяжелые элементы. Самые тяжелые элементы синтезируются путем термоядерного синтеза, который происходит, когда более массивная звезда подвергается вспышке мощной сверхновой в конце своей жизни — процесс, известный как нуклеосинтез сверхновой .

Требования

Прежде чем произойдет термоядерный синтез, необходимо преодолеть существенный энергетический барьер электростатических сил. На больших расстояниях два голых ядра отталкивают друг друга из-за электростатической силы отталкивания между их положительно заряженными протонами. Однако если два ядра можно сблизить достаточно близко, электростатическое отталкивание можно преодолеть с помощью квантового эффекта, при котором ядра могут туннелировать за счет кулоновских сил.

Когда к ядру добавляется нуклон, такой как протон или нейтрон , ядерная сила притягивает его ко всем другим нуклонам ядра (если атом достаточно мал), но в первую очередь к его непосредственным соседям из-за короткого радиуса действия. сила. Нуклоны внутри ядра имеют больше соседних нуклонов, чем нуклоны на поверхности. Поскольку ядра меньшего размера имеют большее отношение площади поверхности к объему, энергия связи на нуклон из-за ядерных сил обычно увеличивается с размером ядра, но приближается к предельному значению, соответствующему энергии ядра диаметром около четырех нуклоны. Важно помнить, что нуклоны являются квантовыми объектами . Так, например, поскольку два нейтрона в ядре тождественны друг другу, то цель отличить один от другого, например, какой из них находится внутри, а какой на поверхности, фактически бессмысленна, и включение поэтому квантовая механика необходима для правильных расчетов.

Электростатическая сила, с другой стороны, является силой, обратной квадрату , поэтому протон, добавленный к ядру, будет испытывать электростатическое отталкивание от всех других протонов в ядре. Таким образом, электростатическая энергия на нуклон из-за электростатической силы неограниченно увеличивается с ростом атомного номера ядра.

Электростатическая сила между положительно заряженными ядрами отталкивает, но когда расстояние достаточно мало, квантовый эффект будет туннелировать через стенку. Следовательно, необходимым условием для слияния является то, чтобы два ядра оказались достаточно близко друг к другу на достаточно долгое время, чтобы сработало квантовое туннелирование.

Конечным результатом противоположных электростатических и сильных ядерных сил является то, что энергия связи на нуклон обычно увеличивается с увеличением размера, вплоть до элементов железа и никеля , а затем уменьшается для более тяжелых ядер. В конце концов энергия связи становится отрицательной, и очень тяжелые ядра (все с более чем 208 нуклонами, что соответствует диаметру около 6 нуклонов) становятся нестабильными. Четыре наиболее прочно связанных ядра в порядке убывания энергии связи на нуклон: ⁶²
В
, ⁵⁸
Фе
, ⁵⁶
Фе
, и ⁶⁰
В
. Несмотря на то, что изотоп никеля , ⁶²
В
, более стабилен изотоп железа ⁵⁶
Фе
встречается на порядок чаще. Это связано с тем, что у звезд нет простого пути создания ⁶²
В
через альфа-процесс .

Исключением из этой общей тенденции является ядро ​​гелия-4 , энергия связи которого выше, чем у лития , следующего по тяжелому элементу. Это связано с тем, что протоны и нейтроны являются фермионами , которые согласно принципу запрета Паули не могут существовать в одном и том же ядре в совершенно одном и том же состоянии. Энергетическое состояние каждого протона или нейтрона в ядре может вмещать как частицу со спином вверх, так и частицу со спином вниз. Гелий-4 имеет аномально большую энергию связи, поскольку его ядро ​​состоит из двух протонов и двух нейтронов (это дважды магическое ядро), поэтому все четыре его нуклона могут находиться в основном состоянии. Любые дополнительные нуклоны должны будут перейти в состояния с более высокой энергией. Действительно, ядро ​​гелия-4 настолько прочно связано, что в ядерной физике его обычно рассматривают как одну квантовомеханическую частицу, а именно, альфа-частицу .

Аналогичная ситуация и при сближении двух ядер. Приближаясь друг к другу, все протоны одного ядра отталкивают все протоны другого. Только после того, как два ядра действительно сблизятся достаточно надолго, чтобы сильная ядерная сила притяжения могла взять верх и преодолеть электростатическую силу отталкивания. Это также можно описать как преодоление ядрами так называемого кулоновского барьера . Кинетическая энергия для достижения этого может быть ниже, чем сам барьер из-за квантового туннелирования.

Кулоновский барьер наименьший для изотопов водорода, поскольку их ядра содержат только один положительный заряд. Дипротон . нестабилен, поэтому в нем должны участвовать и нейтроны, в идеале таким образом, чтобы одним из продуктов было ядро ​​гелия с его чрезвычайно прочной связью

При использовании дейтерий-тритиевого топлива результирующий энергетический барьер составляет около 0,1 МэВ. Для сравнения, энергия, необходимая для отрыва электрона от водорода, составляет 13,6 эВ. (Промежуточным) результатом слияния является нестабильная ⁵ Ядро, которое сразу же выбрасывает нейтрон с энергией 14,1 МэВ. Энергия отдачи оставшихся ⁴ Ядро He имеет энергию 3,5 МэВ, поэтому общая высвободившаяся энергия составляет 17,6 МэВ. Это во много раз больше, чем было необходимо для преодоления энергетического барьера.

Скорость реакции синтеза быстро увеличивается с температурой, пока не достигнет максимума, а затем постепенно упадет. Пик скорости DT достигается при более низкой температуре (около 70 кэВ, или 800 миллионов кельвинов) и при более высоком значении, чем у других реакций, обычно рассматриваемых для энергии термоядерного синтеза.

реакции Сечение (σ) является мерой вероятности реакции синтеза как функции относительной скорости двух реагирующих ядер. Если реагенты имеют распределение скоростей, например термическое, то полезно усреднить распределения произведения поперечного сечения и скорости. Это среднее значение называется «реактивностью» и обозначается ⟨ σv ⟩ . Скорость реакции (слияние на объем за время) в ⟨ σv ⟩ раз превышает произведение плотностей реагентов:

$f=n_{1}n_{2}\langle \sigma v\rangle .$

Если вид ядер реагирует с таким же ядром, как он сам, например, реакция DD, то продукт $n_{1}n_{2}$ должен быть заменен на $n^{2}/2$.

$\langle \sigma v\rangle$ возрастает практически от нуля при комнатной температуре до значимых величин при температурах 10 – 100 кэВ. При этих температурах, значительно превышающих типичные энергии ионизации (13,6 эВ в случае водорода), реагенты синтеза существуют в плазменном состоянии.

Значение $\langle \sigma v\rangle$ как функция температуры в устройстве с определенным временем удержания энергии находится с учетом критерия Лоусона . Это чрезвычайно сложный барьер, который необходимо преодолеть на Земле, и это объясняет, почему исследованиям в области термоядерного синтеза потребовалось много лет, чтобы достичь нынешнего передового технического состояния.

Искусственный синтез

Основная статья: Сила термоядерного синтеза

Термоядерный синтез

Термоядерный синтез — это процесс объединения или «слияния» атомных ядер с использованием высоких температур, чтобы сблизить их достаточно близко друг к другу, чтобы это стало возможным. Такие температуры заставляют вещество превращаться в плазму , и, если оно ограничено, реакции синтеза могут происходить из-за столкновений с экстремальными тепловыми кинетическими энергиями частиц. Существует две формы термоядерного синтеза: неконтролируемый , при котором образующаяся энергия высвобождается неконтролируемым образом, как это происходит в термоядерном оружии («водородные бомбы») и в большинстве звезд ; и контролируемый , когда реакции термоядерного синтеза происходят в среде, позволяющей использовать часть или всю высвободившуюся энергию в конструктивных целях.

Температура является мерой средней кинетической энергии частиц, поэтому при нагревании материала он приобретет энергию. После достижения достаточной температуры, заданной критерием Лоусона , энергия случайных столкновений внутри плазмы становится достаточно высокой, чтобы преодолеть кулоновский барьер , и частицы могут слиться вместе.

в реакции синтеза дейтерия и трития Например, энергия, необходимая для преодоления кулоновского барьера, составляет 0,1 МэВ . Преобразование между энергией и температурой показывает, что барьер в 0,1 МэВ будет преодолен при температуре, превышающей 1,2 миллиарда Кельвинов .

Есть два эффекта, которые необходимы для снижения фактической температуры. Одним из них является тот факт, что температура — это средняя кинетическая энергия, а это означает, что некоторые ядра при этой температуре на самом деле будут иметь гораздо большую энергию, чем 0,1 МэВ, в то время как другие будут намного ниже. Именно ядра в высокоэнергетическом хвосте распределения по скоростям ответственны за большую часть реакций синтеза. Другой эффект – квантовое туннелирование . На самом деле ядрам не обязательно иметь достаточно энергии, чтобы полностью преодолеть кулоновский барьер. Если у них будет достаточно энергии, они смогут туннелировать через оставшийся барьер. По этим причинам топливо при более низких температурах все равно будет подвергаться термоядерному синтезу с меньшей скоростью.

Термоядерный синтез — один из методов, изучаемых в попытках получить термоядерную энергию . в мире Если термоядерный синтез станет выгодным для использования, это значительно сократит выбросы углекислого газа .

Слияние пучка-луча или пучка-мишени

Основная статья: Синтез столкнувшихся пучков

Синтез легких ионов на основе ускорителей — это метод, использующий ускорители частиц для достижения кинетической энергии частиц, достаточной для индукции реакций синтеза легких ионов.

Ускорить легкие ионы относительно легко, и это можно сделать эффективно: для этого потребуется только вакуумная трубка, пара электродов и высоковольтный трансформатор; плавление можно наблюдать при напряжении всего 10 кВ между электродами. Система может быть устроена так, чтобы ускорять ионы в статическую мишень, наполненную топливом, что известно как синтез пучка-мишени , или путем ускорения двух потоков ионов навстречу друг другу ( синтез пучка-луча) . Ключевая проблема термоядерного синтеза (и холодных мишеней в целом) заключается в том, что сечения термоядерного синтеза на много порядков ниже сечений кулоновского взаимодействия. Поэтому подавляющее большинство ионов затрачивают свою энергию на испускание тормозного излучения и ионизацию атомов мишени. Устройства, называемые генераторами нейтронов с герметичной трубкой , особенно актуальны для этой дискуссии. Эти небольшие устройства представляют собой миниатюрные ускорители частиц, наполненные газообразным дейтерием и тритием в устройстве, позволяющем ускорять ионы этих ядер на гидридных мишенях, также содержащих дейтерий и тритий, где происходит синтез с высвобождением потока нейтронов. Ежегодно производятся сотни нейтронных генераторов для использования в нефтяной промышленности, где они используются в измерительном оборудовании для обнаружения и картирования запасов нефти.

За прошедшие годы было предпринято несколько попыток рециркуляции ионов, которые «пропускают» столкновения. Одной из наиболее известных попыток 1970-х годов была компания Migma , которая использовала уникальное кольцо для хранения частиц для захвата ионов на круговые орбиты и возврата их в зону реакции. Теоретические расчеты, сделанные во время проверки финансирования, показали, что система столкнется со значительными трудностями при масштабировании, чтобы содержать достаточное количество термоядерного топлива, которое могло бы использоваться в качестве источника энергии. новую схему с использованием конфигурации с обращенным полем предложил В 1990-х годах Норман Ростокер продолжает изучаться TAE Technologies. (FRC) в качестве системы хранения данных, которая с 2021 года . Близкий подход заключается в объединении двух FRC, вращающихся в противоположных направлениях. которую активно изучает Helion Energy . Поскольку все эти подходы имеют энергии ионов далеко за пределами кулоновского барьера , они часто предполагают использование альтернативных топливных циклов, таких как p- ¹¹ B , которые слишком сложно попробовать использовать традиционные подходы.

Мюонный катализируемый синтез

Мюонный катализируемый синтез — это процесс термоядерного синтеза, происходящий при обычных температурах. Его подробно изучил Стивен Джонс в начале 1980-х годов. Производство чистой энергии в результате этой реакции оказалось безуспешным из-за высокой энергии, необходимой для создания мюонов , их короткого периода полураспада (2,2 мкс ) и высокой вероятности того, что мюон свяжется с новой альфа-частицей и, таким образом, перестанет катализировать синтез.

Другие принципы

Исследовательский термоядерный реактор «Токамак переменной конфигурации» в Федеральной политехнической школе Лозанны (Швейцария).

Были исследованы некоторые другие принципы заключения.

• В термоядерном синтезе, инициированном антиматерией, используются небольшие количества антиматерии , чтобы вызвать крошечный термоядерный взрыв. Это изучалось в первую очередь в контексте возможности создания ядерных импульсных двигателей и бомб чистого термоядерного синтеза . Это не близко к тому, чтобы стать практическим источником энергии, из-за одной лишь стоимости производства антиматерии.
• О пироэлектрическом синтезе сообщили в апреле 2005 года группа из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе . Ученые использовали пироэлектрический кристалл, нагретый от -34 до 7 °C (от -29 до 45 °F), в сочетании с вольфрамовой иглой для создания электрического поля напряженностью около 25 гигавольт на метр для ионизации и ускорения дейтерия ядер эрбия. в мишень из дейтерида . На предполагаемых энергетических уровнях может произойти реакция D-D-синтеза, в результате которой образуется гелий-3 и нейтрон с энергией 2,45 МэВ . Хотя он и является полезным генератором нейтронов, аппарат не предназначен для выработки электроэнергии, поскольку ему требуется гораздо больше энергии, чем он производит. Реакции синтеза D-T наблюдались с тритированной эрбиевой мишенью.
• Гибрид ядерного синтеза-деления (гибридная ядерная энергетика) — это предлагаемый способ производства энергии за счет сочетания ядерного синтеза и деления процессов . Эта концепция возникла в 1950-х годах и кратко защищалась Гансом Бете в 1970-х годах, но в значительной степени оставалась неисследованной до возрождения интереса в 2009 году из-за задержек в реализации чистого термоядерного синтеза.
• Проект PACER , реализованный в Лос-Аламосской национальной лаборатории (LANL) в середине 1970-х годов, исследовал возможность создания термоядерной энергетической системы, которая включала бы взрыв небольших водородных бомб (термоядерных бомб) внутри подземной полости. В качестве источника энергии эта система является единственной термоядерной энергетической системой, работа которой может быть продемонстрирована с использованием существующих технологий. Однако это также потребует больших и непрерывных поставок ядерных бомб, что делает экономику такой системы весьма сомнительной.
• Слияние пузырьков, также называемое сонофузией, было предложенным механизмом достижения синтеза посредством звуковой кавитации , который приобрел известность в начале 2000-х годов. Последующие попытки повторить провалились, и в 2008 году главный исследователь Руси Талеярхан был признан виновным в ненадлежащем проведении исследований .

Удержание в термоядерном синтезе

Ключевая проблема в достижении термоядерного синтеза — как удержать горячую плазму. Из-за высокой температуры плазма не может находиться в прямом контакте с каким-либо твердым материалом, поэтому ее приходится располагать в вакууме . Кроме того, высокие температуры подразумевают высокое давление. Плазма имеет тенденцию немедленно расширяться, и для противодействия ей необходима некоторая сила. Эта сила может принимать одну из трех форм: гравитацию в звездах, магнитные силы в термоядерных реакторах с магнитным удержанием или инерционную , поскольку реакция термоядерного синтеза может произойти до того, как плазма начнет расширяться, поэтому инерция плазмы удерживает материал вместе.

Гравитационное удержание

Основная статья: Звездный нуклеосинтез

Одной из сил, способных удерживать топливо достаточно хорошо, чтобы удовлетворить критерию Лоусона, является гравитация . Однако необходимая масса настолько велика, что гравитационное удержание наблюдается только у звезд : наименее массивные звезды, способные к устойчивому синтезу, — это красные карлики , а коричневые карлики способны синтезировать дейтерий и литий , если они имеют достаточную массу. звезд У достаточно тяжелых после того, как в их ядрах исчерпан запас водорода, их ядра (или оболочка вокруг ядра) начинают синтезировать гелий с углеродом . У наиболее массивных звезд (не менее 8–11 солнечных масс ) процесс продолжается до тех пор, пока часть их энергии не будет получена путем синтеза более легких элементов с железом . Поскольку железо имеет одну из самых высоких энергий связи , реакции с образованием более тяжелых элементов обычно эндотермичны . Поэтому значительные количества более тяжелых элементов не образуются в стабильные периоды эволюции массивных звезд, а образуются при взрывах сверхновых . Некоторые более легкие звезды также образуют эти элементы во внешних частях звезд в течение длительных периодов времени, поглощая энергию термоядерного синтеза внутри звезды, поглощая нейтроны, испускаемые в процессе термоядерного синтеза.

Теоретически все элементы тяжелее железа обладают некоторой потенциальной энергией, которую можно высвободить. На крайне тяжелом этапе производства элементов эти более тяжелые элементы могут производить энергию в процессе повторного расщепления до размеров железа в процессе ядерного деления . Таким образом, ядерное деление высвобождает энергию, которая была накоплена, иногда миллиарды лет назад, во время звездного нуклеосинтеза .

Магнитное удержание

Основная статья: Термоядерный синтез с магнитным удержанием

Электрически заряженные частицы (например, ионы топлива) будут следовать линиям магнитного поля (см. Направляющий центр ). Таким образом, термоядерное топливо можно поймать с помощью сильного магнитного поля. Существует множество магнитных конфигураций, включая тороидальную геометрию токамаков и стеллараторов, а также системы удержания зеркал с открытым концом.

Инерционное удержание

Основная статья: Инерционный термоядерный синтез

Третий принцип удержания состоит в том, чтобы подать быстрый импульс энергии на большую часть поверхности гранулы термоядерного топлива, заставляя ее одновременно «взорваться» и нагреться до очень высокого давления и температуры. Если топливо достаточно плотное и достаточно горячее, скорость реакции термоядерного синтеза будет достаточно высокой, чтобы сжечь значительную часть топлива до того, как оно рассеется. Для достижения этих экстремальных условий первоначально холодное топливо должно быть подвергнуто взрывному сжатию. Инерционное удержание используется в водородной бомбе , где драйвером являются рентгеновские лучи, создаваемые бомбой деления. Инерционное удержание также предпринимается в «управляемом» ядерном синтезе, где драйвером является лазер , ионный или электронный луч или Z-пинч . Другой метод заключается в использовании обычного бризантного взрывчатого материала для сжатия топлива до термоядерного состояния. Установка взрывной имплозии УТИАС использовалась для создания стабильных, центрированных и сфокусированных полусферических имплозив. для генерации нейтронов в результате реакций DD. Самый простой и прямой метод оказался в предварительно взорванной стехиометрической смеси дейтерия с кислородом . Другим успешным методом было использование миниатюрного компрессора Войтенко . где плоская диафрагма была введена волной имплозии во вторичную небольшую сферическую полость, содержащую чистый газообразный дейтерий при атмосфере в одну атмосферу.

Электростатическое удержание

Основная статья: Инерционное электростатическое удержание

Существуют также термоядерные устройства с электростатическим удержанием . Эти устройства удерживают ионы с помощью электростатических полей. Наиболее известен фузор . Это устройство имеет катод внутри анодной проволочной клетки. Положительные ионы летят к отрицательной внутренней клетке и при этом нагреваются электрическим полем. Если они не попадут во внутреннюю клетку, они могут столкнуться и слиться. Однако ионы обычно попадают на катод, создавая непомерно высокие потери проводимости . Кроме того, скорость синтеза в фузорах очень низка из-за конкурирующих физических эффектов, таких как потеря энергии в виде светового излучения. Были предложены конструкции, позволяющие избежать проблем, связанных с клеткой, путем создания поля с использованием ненейтрального облака. К ним относятся плазменно-колебательное устройство, Пеннинга ловушка и поливелл . Однако технология относительно незрела, и остается еще много научных и инженерных вопросов.

Наиболее известным методом инерционного электростатического удержания является фузор . Начиная с 1999 года ряд любителей смогли заниматься любительским фьюжн, используя эти самодельные устройства. Другие устройства IEC включают: Polywell , MIX POPS. и концепции мрамора.

Важные реакции

Звездные цепочки реакций

При температурах и плотностях звездных ядер скорости термоядерных реакций, как известно, очень низкие. Например, при температуре ядра Солнца ( Т ≈ 15 МК) и плотности (160 г/см ³ ), скорость энерговыделения составляет всего 276 мкВт/см. ³ — около четверти объёмной скорости, с которой покоящееся человеческое тело выделяет тепло. Таким образом, воспроизведение состояния ядра звезды в лаборатории по производству термоядерной энергии совершенно непрактично. Поскольку скорость ядерных реакций зависит как от плотности, так и от температуры, а большинство схем термоядерного синтеза работают при относительно низких плотностях, эти методы сильно зависят от более высоких температур. Скорость термоядерного синтеза как функция температуры (exp(−E / kT ) ), приводит к необходимости достижения температур в земных реакторах в 10–100 раз выше, чем в недрах звезд: T ≈ (0,1–1,0) × 10 ⁹ К. ​

Критерии и кандидаты на земные реакции

Основная статья: Термоядерная энергия § Топливо

При искусственном синтезе основным топливом не обязательно должны быть протоны, и можно использовать более высокие температуры, поэтому выбираются реакции с большими поперечными сечениями. Еще одной проблемой является производство нейтронов, которые активируют структуру реактора радиологически, но также имеют преимущества, позволяющие объемное извлечение энергии термоядерного синтеза и воспроизводство трития . Реакции, в которых не выделяются нейтроны, называются анейтронными .

Чтобы быть полезным источником энергии, реакция синтеза должна удовлетворять нескольким критериям. Оно должно:

Быть экзотермическим

Это ограничивает реагенты стороной с низким Z (числом протонов) кривой энергии связи . Он также производит гелий ⁴
Он
наиболее распространенный продукт из-за его чрезвычайно плотного переплета, хотя ³
Он
и ³
ЧАС
тоже появитесь.

с низким атомным номером ( Z ) Вовлекайте ядра

Это связано с тем, что электростатическое отталкивание, которое необходимо преодолеть, прежде чем ядра окажутся достаточно близко для слияния ( кулоновский барьер ), напрямую связано с количеством содержащихся в нем протонов — его атомным номером.

Иметь два реагента

При любой плотности, меньшей, чем звездная, столкновения трех тел слишком маловероятны. При инерционном удержании и плотность звезд, и температура превышаются, чтобы компенсировать недостатки третьего параметра критерия Лоусона - очень короткого времени удержания ICF.

Иметь два или более продукта

Это позволяет одновременно сохранять энергию и импульс, не полагаясь на электромагнитную силу.

Сохраните и протоны, и нейтроны.

Сечения слабого взаимодействия слишком малы.

Лишь немногие реакции соответствуют этим критериям. Ниже приведены те, которые имеют наибольшее поперечное сечение:

(1)

2 1 Д

+

3 1 Т

→

4 2 Он

(

3,52 МэВ

)

+

н 0

(

14,06 МэВ

)

(2и)

2 1 Д

+

2 1 Д

→

3 1 Т

(

1,01 МэВ

)

+

п +

(

3,02 МэВ

)

50%

(2ii)

→

3 2 Он

(

0,82 МэВ

)

+

н 0

(

2,45 МэВ

)

50%

(3)

2 1 Д

+

3 2 Он

→

4 2 Он

(

3,6 МэВ

)

+

п +

(

14,7 МэВ

)

(4)

3 1 Т

+

3 1 Т

→

4 2 Он

+

2 н 0

+

11,3 МэВ

(5)

3 2 Он

+

3 2 Он

→

4 2 Он

+

2 р +

+

12,9 МэВ

(6и)

3 2 Он

+

3 1 Т

→

4 2 Он

+

п +

+

н 0

+

12,1 МэВ

57%

(6ii)

→

4 2 Он

(

4,8 МэВ

)

+

2 1 Д

(

9,5 МэВ

)

43%

(7и)

2 1 Д

+

6 3 Ли

→

2  4 2 Он

+

22,4 МэВ

(7ii)

→

3 2 Он

+

4 2 Он

+

н 0

+

2,56 МэВ

(7iii)

→

7 3 Ли

+

п +

+

5,0 МэВ

(7iv)

→

7 4 Будь

+

н 0

+

3,4 МэВ

(8)

п +

+

6 3 Ли

→

4 2 Он

(

1,7 МэВ

)

+

3 2 Он

(

2,3 МэВ

)

(9)

3 2 Он

+

6 3 Ли

→

2  4 2 Он

+

п +

+

16,9 МэВ

(10)

п +

+

11 5 Б

→

3  4 2 Он

+

8,7 МэВ

Для реакций с двумя продуктами энергия делится между ними обратно пропорционально их массам, как показано. В большинстве реакций с тремя продуктами распределение энергии варьируется. Для реакций, которые могут привести к образованию более чем одного набора продуктов, указаны коэффициенты ветвления.

Некоторые кандидаты на реакцию могут быть устранены сразу. Д- ⁶ Реакция Ли не имеет преимущества по сравнению с п. ⁺ – ¹¹
₅ Б
потому что его примерно так же трудно сжечь, но при этом образуется значительно больше нейтронов. ²
₁ Д
– ²
₁ Д
побочные реакции. Еще есть п ⁺ – ⁷
₃ Ли
реакция, но сечение слишком мало, за исключением случаев, когда Т _i > 1 МэВ, но при таких высоких температурах эндотермическая реакция с прямым образованием нейтронов также становится очень значимой. Наконец, есть еще п. ⁺ – ⁹
₄ Будь
реакция, которую не только трудно сжечь, но и ⁹
₄ Будь
можно легко заставить расщепиться на две альфа-частицы и нейтрон.

Помимо реакций синтеза, для «разведения» трития в «сухих» термоядерных бомбах и некоторых предлагаемых термоядерных реакторах важны следующие реакции с нейтронами:

н 0	+	6 3 Ли	→	3 1 Т	+	4 2 Он + 4,784 МэВ
н 0	+	7 3 Ли	→	3 1 Т	+	4 2 Он + н 0 − 2,467 МэВ

Последнее из двух уравнений было неизвестно, когда США проводили испытания термоядерной бомбы Castle Bravo в 1954 году. Будучи всего лишь второй когда-либо испытанной термоядерной бомбой (и первой, в которой использовался литий), конструкторы Castle Bravo «Креветка» поняли полезность ⁶ Ли занимался производством трития, но не осознал этого. ⁷ Деление лития значительно увеличило бы мощность бомбы. Пока ⁷ Li имеет малое нейтронное сечение при низких энергиях нейтронов, более высокое сечение — выше 5 МэВ. Выход 15 Мт был на 150% выше прогнозируемых 6 Мт и вызвал неожиданное воздействие осадков.

Чтобы оценить полезность этих реакций, помимо реагентов, продуктов и выделяемой энергии, нужно кое-что знать о ядерном сечении . Любое термоядерное устройство имеет максимальное давление плазмы, которое оно может выдержать, и экономичное устройство всегда будет работать вблизи этого максимума. При этом давлении наибольшая мощность термоядерного синтеза получается, когда температура выбирается так, чтобы ⟨ σv ⟩ / T ² это максимум. Это также температура, при которой значение тройного произведения nTτ, необходимое для воспламенения, является минимальным, поскольку это необходимое значение обратно пропорционально ⟨ σv ⟩ / T ² (см. критерий Лоусона ). (Плазма «зажигается», если реакции синтеза производят достаточную мощность для поддержания температуры без внешнего нагрева.) Это оптимальная температура и значение ⟨ σv ⟩ / T ² при этой температуре приведены для некоторых из этих реакций в следующей таблице.

топливо	Т [кэВ]	⟨ σv ⟩ / T 2 [м 3 /с/кэВ 2 ]
2 1 Д – 3 1 Т	13.6	1.24 × 10 −24
2 1 Д – 2 1 Д	15	1.28 × 10 −26
2 1 Д – 3 2 Он	58	2.24 × 10 −26
п + – 6 3 Ли	66	1.46 × 10 −27
п + – 11 5 Б	123	3.01 × 10 −27

Обратите внимание, что многие реакции образуют цепочки. Например, реактор, работающий на топливе ³
₁ Т
и ³
₂ Он
создает некоторые ²
₁ Д
, который затем можно использовать в ²
₁ Д
– ³
₂ Он
реакция, если энергии «правильные». Элегантная идея — объединить реакции (8) и (9). ³
₂ Он
из реакции (8) может реагировать с ⁶
₃ Ли
в реакции (9) до полной термализации. При этом образуется энергичный протон, который, в свою очередь, подвергается реакции (8) перед термализацией. Детальный анализ показывает, что эта идея не сработает. но это хороший пример случая, когда обычное предположение о максвелловской плазме неприемлемо.

Обилие термоядерного топлива

См. также: Содержание химических элементов , Содержание элементов в земной коре , Содержание элементов (страница данных) , Анейтронный синтез , Цикл CNO и Холодный синтез.

Изотоп ядерного термоядерного топлива	Период полураспада	Избыток
1 1 час	Стабильный	99.98%
2 1 Д	Стабильный	0.02%
3 1 Т	12.32(2) и	след
3 2 Он	стабильный	0.0002%
4 2 Он	стабильный	99.9998%
6 3 Ли	стабильный	7.59%
7 3 Ли	стабильный	92.41%
11 5 Б	стабильный	80%
12 6 С	стабильный	98.9%
13 6 С	стабильный	1.1%
13 7 Н	9,965(4) мин.	его
14 7 Н	стабильный	99.6%
15 7 Н	стабильный	0.4%
14 8 О	70,621(11) с	его
15 8 О	122,266(43) с	его
16 8 О	стабильный	99.76%
17 8 О	стабильный	0.04%
18 8 О	стабильный	0.20%
17 99F	64,370(27) с	его
18 99F	109,734(8) мин.	след
19 99F	стабильный	100%
18 10 Не	1664,20(47) мс	след
19 10 Не	17,2569(19) с	след

Нейтронность, требования к удержанию и плотность мощности

Любая из вышеперечисленных реакций в принципе может быть основой производства термоядерной энергии . Помимо обсуждавшихся выше температуры и сечения, необходимо учитывать полную энергию продуктов синтеза E _fus , энергию заряженных продуктов синтеза E _ch и атомный номер Z неводородного реагента.

Спецификация ²
₁ Д
– ²
₁ Д
Однако реакция влечет за собой некоторые трудности. Для начала необходимо усреднить по двум ветвям (2i) и (2ii). Сложнее решить, как лечить ³
₁ Т
и ³
₂ Он
продукты. ³
₁ Т
настолько хорошо горит в дейтериевой плазме, что его практически невозможно извлечь из плазмы. ²
₁ Д
– ³
₂ Он
реакция оптимизируется при гораздо более высокой температуре, поэтому выгорание при оптимальном ²
₁ Д
– ²
₁ Д
температура может быть низкой. Поэтому представляется разумным предположить, что ³
₁ Т
но не ³
₂ Он
сгорает и добавляет свою энергию к общей реакции, что означает, что общая реакция будет суммой (2i), (2ii) и (1):

5 ²
₁ Д
→ ⁴
₂ Он
+ 2 н ⁰ + ³
₂ Он
+ р ⁺ , E _фуз = 4,03 + 17,6 + 3,27 = 24,9 МэВ, E _ch = 4,03 + 3,5 + 0,82 = 8,35 МэВ.

Для расчета мощности реактора (в котором скорость реакции определяется стадией D–D) посчитаем ²
₁ Д
– ²
₁ Д
энергия синтеза на D–D-реакцию как E _fus = (4,03 МэВ + 17,6 МэВ) × 50% + (3,27 МэВ) × 50% = 12,5 МэВ и энергия в заряженных частицах как E _ch = (4,03 МэВ + 3,5 МэВ) × 50% + (0,82 МэВ) × 50% = 4,2 МэВ. (Примечание: если ион трития реагирует с дейтроном, пока он еще имеет большую кинетическую энергию, то кинетическая энергия образующегося гелия-4 может сильно отличаться от 3,5 МэВ, поэтому этот расчет энергии заряженных частиц является лишь приближением среднего значения.) Количество энергии на один потребляемый дейтрон составляет 2/5 от этого, или 5,0 МэВ ( удельная энергия около 225 миллионов МДж на килограмм дейтерия).

Еще один уникальный аспект ²
₁ Д
– ²
₁ Д
Реакция заключается в том, что существует только один реагирующий агент, что необходимо учитывать при расчете скорости реакции.

При таком выборе мы заносим в таблицу параметры четырех наиболее важных реакций.

топливо	С	Я был [МэВ]	Эх [ МэВ]	нейтронность
2 1 Д – 3 1 Т	1	17.6	3.5	0.80
2 1 Д – 2 1 Д	1	12.5	4.2	0.66
2 1 Д – 3 2 Он	2	18.3	18.3	≈0.05
п + – 11 5 Б	5	8.7	8.7	≈0.001

В последнем столбце указана нейтронность реакции, доля энергии термоядерного синтеза, выделяющаяся в виде нейтронов. Это важный показатель масштабов проблем, связанных с нейтронами, таких как радиационное повреждение, биологическая защита, дистанционное управление и безопасность. Для первых двух реакций он рассчитывается как ( E _fus − E _ch )/ E _fus . Для последних двух реакций, где этот расчет дает ноль, указанные значения являются грубыми оценками, основанными на побочных реакциях, которые производят нейтроны в плазме, находящейся в тепловом равновесии.

Разумеется, реагенты также следует смешивать в оптимальных пропорциях. Это тот случай, когда на каждый ион-реагент плюс связанные с ним электроны приходится половина давления. Если предположить, что общее давление фиксировано, это означает, что плотность частиц неводородного иона меньше плотности водородного иона в 2/( Z + 1) раза . Следовательно, скорость этих реакций снижается во столько же раз, помимо любых различий в значениях ⟨ σv ⟩ / T ² . С другой стороны, поскольку ²
₁ Д
– ²
₁ Д
В реакции имеется только один реагент, ее скорость в два раза выше, чем при разделении топлива между двумя разными водородными соединениями, что создает более эффективную реакцию.

существует «штраф» 2/( Z + 1), Таким образом , для неводородного топлива обусловленный тем, что ему требуется больше электронов, которые поглощают давление, не участвуя в реакции синтеза. (Обычно считается правильным предположить, что температура электронов будет почти равна температуре ионов. Однако некоторые авторы обсуждают возможность того, что электроны могут поддерживаться существенно более холодными, чем ионы. В таком случае, известный как «горячий ионном режиме», «штраф» не будет применяться.) В то же время существует «бонус» в размере 2 за ²
₁ Д
– ²
₁ Д
потому что каждый ион может реагировать с любым другим ионом, а не только с его частью.

Теперь мы можем сравнить эти реакции в следующей таблице.

топливо	⟨ σv ⟩ / T 2	штраф/бонус	обратная реактивность	Критерий Лоусона	плотность мощности [Вт/м 3 /кПа 2 ]	обратное соотношение удельной мощности
2 1 Д – 3 1 Т	1.24 × 10 −24	1	1	1	34	1
2 1 Д – 2 1 Д	1.28 × 10 −26	2	48	30	0.5	68
2 1 Д – 3 2 Он	2.24 × 10 −26	2/3	83	16	0.43	80
п + – 6 3 Ли	1.46 × 10 −27	1/2	1700		0.005	6800
п + – 11 5 Б	3.01 × 10 −27	1/3	1240	500	0.014	2500

Максимальное значение ⟨ σv ⟩ / T ² берется из предыдущей таблицы. Фактор «штраф/бонус» относится к неводородному реагенту или одновидовой реакции. Значения в столбце «обратная реактивность» находятся путем деления 1,24 × 10 ⁻²⁴ на произведение второго и третьего столбцов. Он указывает на фактор, на который остальные реакции протекают медленнее, чем ²
₁ Д
– ³
₁ Т
реакцию в сравнимых условиях. Столбец « Критерий Лоусона » взвешивает эти результаты с помощью E _ch и показывает, насколько труднее добиться воспламенения с помощью этих реакций по сравнению с трудностью для ²
₁ Д
– ³
₁ Т
реакция. Предпоследний столбец помечен как «плотность мощности» и весит практическую реактивность по E _fus . В последнем столбце указано, насколько ниже плотность мощности термоядерного синтеза других реакций по сравнению с ²
₁ Д
– ³
₁ Т
реакции и может рассматриваться как мера экономического потенциала.

Потери тормозного излучения в квазинейтральной изотропной плазме

Ионы, подвергающиеся синтезу во многих системах, по существу, никогда не встречаются по отдельности, а смешиваются с электронами ионов , которые в совокупности нейтрализуют объемный электрический заряд и образуют плазму . Электроны обычно имеют температуру, сравнимую с температурой ионов или превышающую ее, поэтому они будут сталкиваться с ионами и испускать рентгеновское излучение с энергией 10–30 кэВ — процесс, известный как тормозное излучение .

Огромный размер Солнца и звезд означает, что рентгеновские лучи, образующиеся в этом процессе, не ускользнут и отдадут свою энергию обратно в плазму. Говорят, что они непрозрачны для рентгеновских лучей. Но любой земной термоядерный реактор будет оптически тонким для рентгеновских лучей этого диапазона энергий. Рентгеновские лучи трудно отражать, но они эффективно поглощаются (и преобразуются в тепло) толщиной менее миллиметра из нержавеющей стали (которая является частью защиты реактора). Это означает, что процесс тормозного излучения выносит энергию из плазмы, охлаждая ее.

Отношение производимой термоядерной мощности к рентгеновскому излучению, теряемому стенками, является важным показателем. Это соотношение обычно максимизируется при гораздо более высокой температуре, чем та, которая максимизирует плотность мощности (см. предыдущий подраздел). В следующей таблице показаны оценки оптимальной температуры и соотношения мощностей при этой температуре для нескольких реакций:

топливо	Ти ] [кэВ	P fusion / P Бремстраль
2 1 Д – 3 1 Т	50	140
2 1 Д – 2 1 Д	500	2.9
2 1 Д – 3 2 Он	100	5.3
3 2 Он – 3 2 Он	1000	0.72
п + – 6 3 Ли	800	0.21
п + – 11 5 Б	300	0.57

Фактическое соотношение мощности термоядерного синтеза к мощности тормозного излучения, вероятно, будет значительно ниже по нескольким причинам. Во-первых, расчет предполагает, что энергия продуктов синтеза полностью передается ионам топлива, которые затем отдают энергию электронам в результате столкновений, которые, в свою очередь, теряют энергию из-за тормозного излучения. Однако, поскольку продукты термоядерного синтеза движутся гораздо быстрее, чем топливные ионы, они отдадут значительную часть своей энергии непосредственно электронам. Во-вторых, предполагается, что ионы в плазме являются чисто топливными ионами. На практике будет присутствовать значительная доля примесных ионов, что приведет к снижению соотношения. В частности, сами продукты термоядерного синтеза должны оставаться в плазме до тех пор, пока не отдадут свою энергию, и будут оставаться еще некоторое время после этого в любой предложенной схеме удержания. Наконец, все каналы потери энергии, кроме тормозного излучения, были упущены из виду. Последние два фактора взаимосвязаны. С теоретической и экспериментальной точки зрения удержание частиц и энергии кажется тесно связанным. В схеме изоляции, которая хорошо сохраняет энергию, будут накапливаться продукты термоядерного синтеза. Если продукты термоядерного синтеза эффективно выбрасываются, то удержание энергии также будет плохим.

Температуры, максимизирующие термоядерную мощность по сравнению с тормозным излучением, в каждом случае выше, чем температура, которая максимизирует плотность мощности и минимизирует требуемое значение тройного произведения термоядерного синтеза . Это не изменит оптимальную рабочую точку для ²
₁ Д
– ³
₁ Т
очень сильно, потому что доля тормозного излучения мала, но это подтолкнет другие виды топлива к режимам, где плотность мощности по отношению к ²
₁ Д
– ³
₁ Т
еще ниже, а требуемого ограничения еще труднее достичь. Для ²
₁ Д
– ²
₁ Д
и ²
₁ Д
– ³
₂ Он
Потери тормозного излучения станут серьезной, возможно, непомерно высокой проблемой. Для ³
₂ Он
– ³
₂ Он
, п ⁺ – ⁶
₃ Ли
и п ⁺ – ¹¹
₅ Б
Потери тормозного излучения, по-видимому, делают невозможным создание термоядерного реактора, использующего это топливо с квазинейтральной изотропной плазмой. Некоторые пути выхода из этой дилеммы рассматривались, но были отвергнуты. Это ограничение не распространяется на ненейтральную и анизотропную плазму ; однако у них есть свои проблемы, с которыми приходится бороться.

Математическое описание поперечного сечения

Термоядерный синтез в рамках классической физики

В классической картине ядра можно понимать как твердые сферы, которые отталкиваются друг от друга за счет силы Кулона, но сливаются, когда две сферы подходят достаточно близко для контакта. Оценивая радиус атомного ядра примерно в один фемтометр, энергия, необходимая для слияния двух атомов водорода, составит:

$E_{\ce {thresh}}={\frac {1}{4\pi \epsilon _{0}}}{\frac {Z_{1}Z_{2}}{r}}{\ce {->[{\text{2 protons}}]}}{\frac {1}{4\pi \epsilon _{0}}}{\frac {e^{2}}{1\ {\ce {fm}}}}\approx 1.4\ {\ce {MeV}}$

Это означало бы, что для ядра Солнца, которое имеет распределение Больцмана с температурой около 1,4 кэВ, вероятность того, что водород достигнет порога, равна $10^{-290}$, то есть синтез никогда не произойдет. Однако термоядерный синтез на Солнце действительно происходит благодаря квантовой механике.

Параметризация поперечного сечения

Вероятность возникновения термоядерного синтеза значительно увеличивается по сравнению с классической картиной благодаря размытию эффективного радиуса как длины волны де Бройля , а также квантовому туннелированию через потенциальный барьер. Для определения скорости реакций синтеза наибольший интерес представляет значение сечения , которое описывает вероятность того, что частицы сольются, создавая характерную область взаимодействия. Оценка площади поперечного сечения сварки часто разбивается на три части:

$\sigma \approx \sigma _{\text{geometry}}\times T\times R,$

где $\sigma _{\text{geometry}}$ — геометрическое сечение, T — прозрачность барьера, а R — реакционные характеристики реакции.

$\sigma _{\text{geometry}}$ имеет порядок квадрата длины волны де Бройля $\sigma _{\text{geometry}}\approx \lambda ^{2}={\bigg (}{\frac {\hbar }{m_{r}v}}{\bigg )}^{2}\propto {\frac {1}{\epsilon }}$ где $m_{r}$ – приведенная масса системы и $\epsilon$ является центром массы энергии системы.

T можно аппроксимировать прозрачностью Гамова, которая имеет вид: $T\approx e^{-{\sqrt {\epsilon _{G}/\epsilon }}}$ где $\epsilon _{G}=(\pi \alpha Z_{1}Z_{2})^{2}\times 2m_{r}c^{2}$ является фактором Гамова и получается в результате оценки вероятности квантового туннелирования через потенциальный барьер.

R содержит всю ядерную физику конкретной реакции и принимает самые разные значения в зависимости от характера взаимодействия. Однако для большинства реакций изменение $R(\epsilon )$ мал по сравнению с отклонением от фактора Гамова и поэтому аппроксимируется функцией, называемой астрофизическим S-фактором , $S(\epsilon )$, слабо меняющаяся по энергии. Объединив эти зависимости, одно из приближений для сечения термоядерного синтеза как функции энергии принимает вид:

$\sigma (\epsilon )\approx {\frac {S(\epsilon )}{\epsilon }}e^{-{\sqrt {\epsilon _{G}/\epsilon }}}$

Более подробные формы поперечного сечения можно получить с помощью моделей, основанных на ядерной физике, и R-матрицы теории .

Формулы сечений плавления

Справочник по физике плазмы Военно-морской исследовательской лаборатории дает полное сечение в барнах как функцию энергии (в кэВ) падающей частицы по направлению к покоящемуся иону мишени, соответствующую формуле:

$\sigma ^{\text{NRL}}(\epsilon )={\frac {A_{5}+{\big (}(A_{4}-A_{3}\epsilon )^{2}+1{\big )}^{-1}A_{2}}{\epsilon (e^{A_{1}\epsilon ^{-1/2}}-1)}}$ со следующими значениями коэффициентов:

Коэффициенты формульного сечения NRL

	ДТ(1)	ЛО(2i)	ДД(2ii)	И 3 (3)	ТТ(4)	The3 (6)
А1	45.95	46.097	47.88	89.27	38.39	123.1
А2	50200	372	482	25900	448	11250
А3	1.368 × 10 −2	4.36 × 10 −4	3.08 × 10 −4	3.98 × 10 −3	1.02 × 10 −3	0
A4	1.076	1.22	1.177	1.297	2.09	0
А5	409	0	0	647	0	0

Босх Хейл также сообщает о расчетных сечениях R-матрицы, согласующих данные наблюдений с коэффициентами рациональной аппроксимации Паде . При энергии в кэВ и сечениях в миллибарнах коэффициент имеет вид:

$S^{\text{Bosch-Hale}}(\epsilon )={\frac {A_{1}+\epsilon {\bigg (}A_{2}+\epsilon {\big (}A_{3}+\epsilon (A_{4}+\epsilon A_{5}){\big )}{\bigg )}}{1+\epsilon {\bigg (}B_{1}+\epsilon {\big (}B_{2}+\epsilon (B_{3}+\epsilon B_{4}){\big )}{\bigg )}}}$, со значениями коэффициентов:

Коэффициенты Боша-Хейла для сечения плавления

	ДТ(1)	ДД(2ii)	И 3 (3)	The4
$\epsilon _{G}$	31.3970	68.7508	31.3970	34.3827
А1	5.5576 × 10 4	5.7501 × 10 6	5.3701 × 10 4	6.927 × 10 4
А2	2.1054 × 10 2	2.5226 × 10 3	3.3027 × 10 2	7.454 × 10 8
А3	−3.2638 × 10 −2	4.5566 × 10 1	−1.2706 × 10 −1	2.050 × 10 6
A4	1.4987 × 10 −6	0	2.9327 × 10 −5	5.2002 × 10 4
А5	1.8181 × 10 −10	0	−2.5151 × 10 −9	0
Б1	0	−3.1995 × 10 −3	0	6.38 × 10 1
Б2	0	−8.5530 × 10 −6	0	−9.95 × 10 −1
Б3	0	5.9014 × 10 −8	0	6.981 × 10 −5
Б4	0	0	0	1.728 × 10 −4
Применимый диапазон энергии [кэВ]	0.5–5000	0.3–900	0.5–4900	0.5–550
$(\Delta S)_{\text{max}}\%$	2.0	2.2	2.5	1.9

где $\sigma ^{\text{Bosch-Hale}}(\epsilon )={\frac {S^{\text{Bosch-Hale}}(\epsilon )}{\epsilon \exp(\epsilon _{G}/{\sqrt {\epsilon }})}}$

Усредненные по Максвеллу ядерные сечения

В термоядерных системах, находящихся в тепловом равновесии, частицы находятся в распределении Максвелла-Больцмана , что означает, что частицы имеют диапазон энергий, сосредоточенный вокруг температуры плазмы. Солнце, магнитно-удерживаемая плазма и термоядерные системы с инерционным удержанием хорошо смоделированы так, чтобы находиться в тепловом равновесии. В этих случаях интересующей величиной является сечение слияния, усредненное по распределению Максвелла – Больцмана. В справочнике по физике плазмы Военно-морской научно-исследовательской лаборатории приводятся таблицы усредненных Максвеллом сечений термоядерного синтеза в $\mathrm {cm^{3}/s}$.

Скорость реакций синтеза по формуле NRL, усредненная по распределениям Максвелла

Температура [кэВ]	ДТ(1)	ДД(2ii)	И 3 (3)	ТТ(4)	The3 (6)
1	5.5 × 10 −21	1.5 × 10 −22	1.0 × 10 −26	3.3 × 10 −22	1.0 × 10 −28
2	2.6 × 10 −19	5.4 × 10 −21	1.4 × 10 −23	7.1 × 10 −21	1.0 × 10 −25
5	1.3 × 10 −17	1.8 × 10 −19	6.7 × 10 −21	1.4 × 10 −19	2.1 × 10 −22
10	1.1 × 10 −16	1.2 × 10 −18	2.3 × 10 −19	7.2 × 10 −19	1.2 × 10 −20
20	4.2 × 10 −16	5.2 × 10 −18	3.8 × 10 −18	2.5 × 10 −18	2.6 × 10 −19
50	8.7 × 10 −16	2.1 × 10 −17	5.4 × 10 −17	8.7 × 10 −18	5.3 × 10 −18
100	8.5 × 10 −16	4.5 × 10 −17	1.6 × 10 −16	1.9 × 10 −17	2.7 × 10 −17
200	6.3 × 10 −16	8.8 × 10 −17	2.4 × 10 −16	4.2 × 10 −17	9.2 × 10 −17
500	3.7 × 10 −16	1.8 × 10 −16	2.3 × 10 −16	8.4 × 10 −17	2.9 × 10 −16
1000	2.7 × 10 −16	2.2 × 10 −16	1.8 × 10 −16	8.0 × 10 −17	5.2 × 10 −16

Для энергий $T\leq 25{\text{ keV}}$ данные могут быть представлены следующим образом:

$({\overline {\sigma v}})_{DD}=2.33\times 10^{-14}\cdot T^{-2/3}\cdot e^{-18.76\ T^{-1/3}}\mathrm {~{cm}^{3}/s}$

$({\overline {\sigma v}})_{DT}=3.68\times 10^{-12}\cdot T^{-2/3}\cdot e^{-19.94\ T^{-1/3}}\mathrm {~{cm}^{3}/s}$

где T в кэВ.

См. также

• Китайский испытательный реактор термоядерного синтеза
• Холодный синтез
• Фокус-слияние
• Фюсенет
• Термоядерная ракета
• Генератор импульсов
• Объединенный европейский тор
• Список экспериментов по термоядерному синтезу
• Список примеров Fusor
• Источник нейтронов
• Атомная энергетика
• Ядерная физика
• Ядерный реактор
• Периодическая таблица
• Импульсная мощность
• Чистое термоядерное оружие
• Дизайн Теллера – Улама
• Хронология ядерного синтеза
• Тройной альфа-процесс

Дальнейшее чтение

• «Что такое ядерный синтез?» . NuclearFiles.org. Архивировано из оригинала 28 сентября 2006 года . Проверено 12 января 2006 г.
• С. Ацени; Дж. Мейер-тер-Вен (2004). «Реакции ядерного синтеза» (PDF) . Физика инерционного синтеза . Оксфордский университет Пресс . ISBN  978-0-19-856264-1 . Архивировано из оригинала (PDF) 24 января 2005 г.
• Г. Брамфил (22 мая 2006 г.). «Хаос может держать термоядерный синтез под контролем». Природа . дои : 10.1038/news060522-2 . S2CID   62598131 .
• Р.В. Бассард (9 ноября 2006 г.). «Должен ли Google перейти на ядерную энергию? Чистая, дешевая ядерная энергия» . Google TechTalks . Архивировано из оригинала 26 апреля 2007 года . Проверено 18 апреля 2007 г.
• А. Вениш; Р. Кромп; Д. Рейнбергер (ноябрь 2007 г.). «Наука или фантастика: есть ли будущее у атомной энергетики?» (PDF) . Австрийский институт экологии . Архивировано (PDF) из оригинала 26 января 2021 года . Проверено 8 октября 2008 г.
• М. Кикучи, К. Лакнер и MQ Тран (2012). Физика термоядерного синтеза . Международное агентство по атомной энергии . п. 22. ISBN  9789201304100 . Архивировано из оригинала 8 декабря 2015 года . Проверено 8 декабря 2015 г.
• Р.К. Янев, изд. (1995). Атомные и молекулярные процессы в термоядерной плазме . Спрингер США . дои : 10.1007/978-1-4757-9319-2 . ISBN  978-1-4757-9319-2 . Архивировано из оригинала 16 января 2023 года . Проверено 16 января 2023 г.

Внешние ссылки

• NuclearFiles.org – хранилище документов, связанных с ядерной энергетикой.
• Аннотированная библиография по ядерному синтезу из цифровой библиотеки по ядерным вопросам Алсос.
• Формуляр NRL Fusion. Архивировано 26 октября 2020 г. в Wayback Machine.