Термоядерные реакции

2.1 Постановка задачи. Порог реакции

Расширение использования деления урана и плутония для получения энергии имеет естественный предел - природные запасы этих элементов. Они далеко небезграничны. В то же время, если бы удалось осуществить слияние дейтронов
(1)
в режиме цепной реакции, то можно было бы использовать практически безграничные ресурсы ядерного топлива. Вода в морях и океанах содержит 1/5600 массовую долю тяжелой воды, в которой водород заменен дейтерием. Запас тяжелой воды, а с ней и тяжелого водорода, велик.

Запуск цепной реакции синтеза, в отличие от реакции деления, связан с рядом трудностей. Первую трудность создает заряд сливаемых ядер, приводящий к отталкиванию. Ядерное притяжение становится сравнимым с кулоновским отталкиванием на расстояниях порядка 10-14м. Для сближения ядер дейтерия на такое расстояние необходимо разогнать их до энергии около 0,2 МэВ (см. задачу 5 из занятия 2.1.2). В масштабах пучков ускоренных частиц это небольшая энергия, однако для достижения тепловой энергии такой величины надо первоначально разогреть газ из тяжелого водорода до температуры порядка миллиарда градусов. Вторая трудность состоит в том, что цепная реакция будет протекать только в том случае, когда выделяющейся энергии будет достаточно для поддержания высокой температуры. В единице объема должно происходить много актов слияния. Это возможно только при достаточной плотности тяжелого водорода.

2.2 Идеи осуществления цепной термоядерной реакции

Неуправляемая термоядерная реакция происходит в термоядерной бомбе. Первоначальный ядерный заряд разогревает окружающий его тяжелый водород до десятков миллионов градусов, часть ядер которого при тепловых столкновениях сливается. Ядерная бомба служит печкой для разогрева плазмы до необходимой температуры.

В настоящее время физики интенсивно ведут разработку технологии разогрева и удержания плотной плазмы (ионизированного газа), содержащей ядра дейтерия, до температуры, достаточной для преодоления ядрами кулоновского барьера. Один из методов состоит в удержании плазмы магнитным полем специальной конфигурации (магнитная бутылка).

Вопрос 1. Плазма находится в магнитном поле, линии которого изображены на рисунке 38. Объясните, почему облако плазмы не расширяется в поперечном к линиям поля направлении. Почему облако плазмы не расширяется в продольном к линиям поля направлении?

В установках “Токамак” используется кольцевое магнитное поле. При этом не возникает проблема продольного удержания.

Задача 1. Чему равен радиус орбиты ядра дейтерия в магнитном поле 1 Тл при энергии 0,1 МэВ?

Другой альтернативный метод состоит в быстром нагреве вещества, находящегося в твердом состоянии. Идея метода состоит в следующем. На шарик замороженной тяжелой воды посылается мощный световой импульс от окружающих его нескольких лазеров. Поверхностный слой мгновенно испаряется и нагревается до высокой температуры. В возникшем газовом слое происходит термоядерный синтез.

Задача 2. Поверхностный слой толщиной 1 мкм ледяного шарика диаметром 2 мм под действием мощного лазерного импульса мгновенно испарился. Оцените давление, с которым слой давит на шарик, если поглощенная энергия равна 1 КДж. Чему равна температура в газовом слое в первые мгновения? Считайте, что при взрыве вода полностью распадается на атомы.

Обоими методами уже были получены результаты - регистрировались нейтроны, указывающие на осуществление реакции (1). Пока, однако, общий энергетический выход в успешно проведенных опытах не позволяет развиться цепной реакции.

Солнце является огромным естественным термоядерным реактором. Основные предполагаемые реакции синтеза, протекающие на Солнце, таковы:
p+p+p+p= He+e++e++ne+ne (2)
(3)