ИНЕРЦИА́ЛЬНОЕ УДЕРЖА́НИЕ

ИНЕРЦИА́ЛЬНОЕ УДЕРЖА́НИЕ плаз­мы, ос­но­ван­ный на ис­поль­зо­ва­нии инер­ции ве­ще­ст­ва спо­соб соз­да­ния и со­хра­не­ния тре­буе­мых ус­ло­вий в плаз­ме (темп-ры и плот­но­сти) в те­че­ние не­ко­то­ро­го вре­ме­ни, т. н. вре­ме­ни И. у. Удер­жа­ние плаз­мы не­об­хо­ди­мо для осу­ще­ст­в­ле­ния управ­ляе­мо­го тер­мо­ядер­но­го син­те­за (УТС). В от­ли­чие от ква­зи­ста­цио­нар­но­го маг­нит­но­го удер­жа­ния, при ко­то­ром маг­нит­ное по­ле пре­пят­ст­ву­ет раз­лё­ту плаз­мы и умень­ша­ет по­те­ри энер­гии, свя­зан­ные с те­п­ло­про­вод­но­стью и вы­ле­том за­ря­жен­ных час­тиц, при И. у. плаз­ма дви­жет­ся бес­пре­пят­ст­вен­но, а ус­ло­вия, не­об­хо­ди­мые для осу­ще­ст­в­ле­ния тер­мо­ядер­но­го син­те­за (напр., слияния дей­те­рия и три­тия), соз­да­ют­ся и су­ще­ст­ву­ют на ста­ди­ях сжа­тия и рас­ши­ре­ния. Сис­те­мы, в ко­то­рых осу­ще­ст­в­ля­ет­ся И. у., яв­ля­ют­ся в прин­ци­пе не­ста­цио­нар­ны­ми: вре­мя И. у. $t_{\text{иу}}$ скла­ды­ва­ет­ся из вре­ме­ни сжа­тия и рас­ши­ре­ния плаз­мы.

Наи­бо­лее близ­ка к осу­ще­ст­в­ле­нию УТС ре­ак­ция слия­ния ядер дей­те­рия $D$ и три­тия $T$, про­те­каю­щая по схе­ме: $$\ce{D + T→{^4}He + n + 17,6 МэВ\qquad (1)}$$ (n – ней­трон). Ре­ак­ция про­те­ка­ет ин­тен­сив­но при температуре плаз­мы, при­бли­жаю­щей­ся к 10 кэВ (ок. 10⁸ К), т. е. при за­тра­те энер­гии на на­грев 4 час­тиц, уча­ст­вую­щих в ре­ак­ции, ок. 60 кэВ (без учё­та по­терь). По­это­му вы­иг­рыш по энер­гии мо­жет дос­ти­гать зна­че­ния 17,6 МэВ/60 кэВ≃300.

Если в сфере радиуса $R_0$ находится горячая плазма со ср. демп-рой $T_0$, состоящая из ядер трития, дейтерия с плотностями $n_T$, $n_D$ и электронов, то количество реакций синтеза $dN/dt$ в сферич. объёме $V$ за единицу времени можно найти из уравнения: $$dN/dt=n_Tn_D<σv>_{DT}(4/3)πR_0^3 ∼$$ $$∼ρ_{D, \, T}^2<σv>_{DT}V. \qquad (2)$$

Здесь $<σv>_{\text{DT}}$ (в см³/с) – ско­рость ре­ак­ции (1) в еди­ни­це объ­ё­ма, ус­ред­нён­ная по мак­свел­лов­ским рас­пре­де­ле­ни­ям дей­тро­нов и три­то­нов и за­ви­ся­щая толь­ко от темп-ры $T_0$, $σ$ – се­че­ние ре­ак­ции, $v$ – те­п­ло­вая ско­рость час­тиц. Ско­рость ре­ак­ции в объ­ё­ме $V$ про­пор­цио­наль­на плот­но­сти час­тиц, т. е. плот­но­сти ве­ще­ст­ва $ρ_{\text{D, T}} = m_{\text{D, T}}n_{\text{D, T}}$ ($m_{\text{D,T}}$ – мас­са дей­тро­нов и три­то­нов). Вре­мя $t_{\text{иу}}$, в те­че­ние ко­то­ро­го эф­фек­тив­но про­те­ка­ет тер­мо­ядер­ная ре­ак­ция, про­пор­цио­наль­но вре­ме­ни гид­ро­ди­на­мич. дви­же­ния плаз­мы (сжа­тия и рас­ши­ре­ния) $t_{\text{дв}} = R_0/v_{\text{дв}}$ ($v_{\text{дв}}$ – ско­рость гид­ро­ди­на­мич. дви­же­ния). При сжа­тии плаз­мы ско­рость ре­ак­ции оп­ре­де­ля­ет­ся внеш­ни­ми ус­ло­вия­ми (внеш­ним дав­ле­ни­ем); при рас­ши­ре­нии ско­рость ре­ак­ции за­ви­сит от энер­гии, вы­де­лив­шей­ся в плаз­ме в ре­зуль­та­те ре­ак­ций. Ско­ро­сти сжа­тия и рас­ши­ре­ния дос­ти­га­ют зна­че­ний 100–1000 км/с.

Важ­ной ха­рак­те­ри­сти­кой плаз­мы, оп­ре­де­ляю­щей её спо­соб­ность к са­мо­по­до­гре­ву за счёт по­гло­ще­ния $α$-час­тиц, ро­ж­даю­щих­ся в тер­мо­ядер­ной ре­ак­ции, и, сле­до­ва­тель­но, к осу­ще­ст­в­ле­нию са­мо­под­дер­жи­ваю­щей­ся тер­мо­ядер­ной ре­ак­ции, яв­ля­ет­ся от­но­ше­ние раз­ме­ра (ра­диу­са) плаз­мы $R_0$ к ср. про­бе­гу $α$-час­тиц в этой плаз­ме, $l_α$, т. е. чис­ло про­бе­гов $α$-час­тиц на этом раз­ме­ре плаз­мы. От­но­ше­ние R0/lα ока­зы­ва­ет­ся про­пор­цио­наль­ным про­из­ве­де­нию плот­но­сти плаз­мы на её раз­мер к мо­мен­ту на­ча­ла ре­ак­ций, $R_0/l_α∼ρ_0R_0$. Наи­бо­лее эф­фек­тив­ное тер­мо­ядер­ное го­ре­ние в ре­жи­ме И. у. воз­мож­но при плот­но­стях $n≫$ 10²³ см^–3, т. е. не­об­хо­ди­мо су­ще­ст­вен­ное сжа­тие плаз­мы, ко­то­рое обыч­но осу­ще­ст­в­ля­ют в сис­те­мах с цен­траль­ной сим­мет­ри­ей (ци­линдр, сфе­ра). Пре­пят­ст­ви­ем к дос­ти­же­нию вы­со­ких сте­пе­ней сжа­тия яв­ля­ет­ся гид­ро­ди­на­мич. не­ус­той­чи­вость (см. Не­ус­той­чи­во­сти плаз­мы). Для ус­той­чи­во­сти сис­те­мы И. у. не­об­хо­ди­мы так­же сим­мет­рия и од­но­род­ность на­чаль­но­го со­стоя­ния плаз­мы и сжи­маю­ще­го дав­ле­ния.

Для ис­сле­до­ва­ния И. у. ис­поль­зу­ют сис­те­мы с разл. ис­точ­ни­ка­ми энер­гии: мощ­ные элек­трич. раз­ря­ды с си­лой то­ка, пре­вы­шаю­щей 10 МА, по­то­ки за­ря­жен­ных час­тиц от ус­ко­ри­те­лей, пуч­ки фо­то­нов от сверх­мощ­ных ла­зе­ров (см. Ла­зер­ный тер­мо­ядер­ный син­тез).