УПРАВЛЯ́ЕМЫЙ ТЕРМОЯ́ДЕРНЫЙ СИ́НТЕЗ

УПРАВЛЯ́ЕМЫЙ ТЕРМОЯ́ДЕРНЫЙ СИ́Н­ТЕЗ (УТС), кон­тро­ли­руе­мое про­те­ка­ние тер­мо­ядер­ных ре­ак­ций, при ко­то­ром дол­жен про­ис­хо­дить от­бор и даль­ней­шее ис­поль­зо­ва­ние вы­де­ляю­щей­ся энер­гии и (воз­мож­но) про­дук­тов ре­ак­ций. В ос­но­ве УТС ле­жит про­цесс ядер­но­го син­те­за – слия­ния ядер, сбли­зив­ших­ся на рас­стоя­ние дей­ст­вия ядер­ных сил, с об­ра­зо­ва­ни­ем бо­лее тя­жё­лых ядер. Для лёг­ких ядер (лег­че же­ле­за) ядер­ный син­тез мо­жет быть энер­ге­ти­че­ски вы­год­ным, что от­кры­ва­ет пер­спек­ти­вы УТС для энер­ге­ти­ки бу­ду­ще­го, де­лая осн. за­да­чей УТС соз­да­ние тер­мо­ядер­но­го ре­ак­то­ра.

Для сбли­же­ния на рас­стоя­ние дей­ст­вия ядер­ных сил яд­ра долж­ны об­ла­дать зна­чит. ки­не­тич. энер­ги­ей, дос­та­точ­ной для пре­одо­ле­ния ку­ло­нов­ско­го барь­е­ра. Ре­ак­ции ядер­но­го син­те­за мож­но с не­боль­шой ве­ро­ят­но­стью осу­ще­ст­вить и в тер­мо­ди­на­ми­че­ски не­рав­но­вес­ных сис­те­мах, напр. ра­зо­гнав яд­ра од­ной или не­сколь­ких ком­по­нент ре­ак­ции и бом­бар­ди­руя ими ми­шень с яд­ра­ми др. ком­по­нен­ты (т. н. пуч­ко­вый ме­ха­низм). При низ­ких энер­ги­ях реа­ги­рую­щих ядер ре­ак­ции ядер­но­го син­те­за воз­мож­ны за счёт тун­нель­но­го эф­фек­та. При сверх­вы­со­кой плот­но­сти ве­ще­ст­ва воз­мож­ны пик­но­ядер­ные ре­ак­ции за счёт ну­ле­вых ко­ле­ба­ний ядер в уз­лах кри­стал­лич. ре­шёт­ки. Од­на­ко сум­мар­ный по­ло­жи­тель­ный вы­ход энер­гии мож­но по­лу­чить лишь в ре­зуль­та­те тер­мо­ядер­ных ре­ак­ций, про­те­каю­щих в реа­ги­рую­щей сме­си, на­гре­той до вы­со­кой темп-ры, что обес­пе­чи­ва­ет пре­одо­ле­ние ку­ло­нов­ско­го барь­е­ра боль­шим ко­ли­че­ст­вом ядер (при та­кой темп-ре ве­ще­ст­во обыч­но на­хо­дит­ся в со­стоя­нии плаз­мы). Вы­со­ко­тем­пе­ра­тур­ная плаз­ма долж­на удер­жи­вать­ся в те­че­ние вре­ме­ни, дос­та­точ­но­го для эф­фек­тив­но­го про­те­ка­ния ре­ак­ций ядер­но­го син­те­за. В при­ро­де тер­мо­ядер­ные ре­ак­ции слу­жат гл. ис­точ­ни­ком энер­гии звёзд и ос­но­вой доз­вёзд­ных и звёзд­ных про­цес­сов нук­лео­син­те­за. К нач. 21 в. че­ло­вече­ст­во уме­ет ис­поль­зо­вать энер­гию тер­мо­ядер­ных ре­ак­ций лишь в во­ен. це­лях (тер­мо­ядер­ный взрыв – не­управ­ляе­мый про­цесс).

Реакции

Для ре­ше­ния про­бле­мы УТС ана­ли­зи­ру­ют­ся тер­мо­ядер­ные ре­ак­ции, об­ла­даю­щие наи­боль­ши­ми се­че­ния­ми при от­но­си­тель­но уме­рен­ных темп-рах. Ин­те­рес пред­став­ля­ет ре­ак­ция ме­ж­ду яд­ра­ми тя­жё­лых изо­то­пов во­до­ро­да – дей­те­рия и три­тия: D+T→⁴He+n+17,6 МэВ (n – ней­трон). Три­тий бе­та-ра­дио­ак­ти­вен с пе­рио­дом по­лу­рас­па­да 12,3 го­да; его по­лу­ча­ют об­лу­чая ней­тро­на­ми ли­тий, за­па­сы ко­то­ро­го на Зем­ле ве­ли­ки. Дей­те­рий – ста­биль­ный и ши­ро­ко рас­про­стра­нён­ный изо­топ (его со­дер­жа­ние в во­до­ро­де ок. 0,015%). Т. о., для DT-ре­ак­ции на Зем­ле име­ют­ся прак­ти­че­ски не­ог­ра­ни­чен­ные то­п­лив­ные ре­сур­сы. Для эф­фек­тив­но­го про­те­ка­ния этой ре­ак­ции DT-плаз­ма долж­на быть на­гре­та до темп-ры по­ряд­ка 100 млн. гра­ду­сов и удов­ле­тво­рять Ло­усо­на кри­те­рию.

Тер­мо­ядер­ная ре­ак­ция воз­мож­на и в DD-сме­си, но при бо­лее вы­со­ких зна­че­ни­ях па­ра­мет­ров плаз­мы (темп-ра долж­на быть поч­ти на по­ря­док, а про­из­ве­де­ние кон­цент­ра­ции ча­стиц на т. н. энер­гети­чес­кое вре­мя жиз­ни поч­ти на 2 по­ряд­ка вы­ше, чем для DT-ре­ак­ции). Ещё бо­лее вы­со­кие темп-ры не­об­хо­ди­мы для без­ней­трон­ных (и по­то­му эко­ло­ги­че­ски при­вле­ка­тель­ных) ре­ак­ций D+³He→⁴He+p+18,3 МэВ и p+¹¹B→3⁴He+8,7 МэВ (p – про­тон), что де­ла­ет ма­ло­ве­ро­ят­ной воз­мож­ность реа­ли­за­ции УТС на их ос­но­ве да­же в от­да­лён­ной пер­спек­ти­ве. Тер­мо­ядер­ные ре­ак­ции во­до­род­но­го цик­ла и уг­ле­род­но-азот­но­го цик­ла, про­те­каю­щие в звёз­дах, име­ют чрез­вы­чай­но ма­лое се­че­ние и не рас­смат­ри­ва­ют­ся в це­лях УТС. Они реа­ли­зу­ют­ся лишь бла­го­да­ря боль­шо­му ко­ли­че­ст­ву звёзд­но­го ве­ще­ст­ва, удер­жи­вае­мо­му собств. гра­ви­та­ци­ей.

Устройства

В ка­че­ст­ве тер­мо­ядер­но­го ре­ак­то­ра для УТС наи­бо­лее при­вле­ка­тель­ны сис­те­мы, ра­бо­таю­щие в ста­цио­нар­ном или ква­зи­ста­цио­нар­ном ре­жи­ме. Та­ки­ми сис­те­ма­ми яв­ля­ют­ся маг­нит­ные ло­вуш­ки, обес­пе­чи­ваю­щие маг­нит­ное удер­жа­ние вы­со­ко­тем­пе­ра­тур­ной плаз­мы. Маг­нит­ное по­ле ло­вуш­ки ог­ра­ни­чи­ва­ет дви­же­ние за­ря­жен­ных час­тиц, обес­пе­чи­вая маг­нит­ную тер­мо­изо­ля­цию плаз­мы. Наи­боль­шее рас­про­стра­не­ние по­лу­чи­ли маг­нит­ные ло­вуш­ки ти­па то­ка­мак – замк­ну­тые то­рои­даль­ные сис­те­мы, маг­нит­ная кон­фи­гу­ра­ция ко­то­рых соз­да­ёт­ся внеш­ни­ми ка­туш­ка­ми и те­ку­щим по плаз­ме то­ком. То­ка­мак обес­пе­чи­ва­ет бес­ко­неч­но дол­гое удер­жа­ние уе­ди­нён­ной за­ря­жен­ной час­ти­цы, но столк­но­ве­ния ме­ж­ду час­ти­ца­ми и раз­ви­тие плаз­мен­ной тур­бу­лент­но­сти при­во­дят к по­те­рям плаз­мы. Близ­ки­ми свой­ст­ва­ми об­ла­да­ют сис­те­мы ти­па стел­ла­ра­тор – замк­ну­тые ло­вуш­ки, маг­нит­ное по­ле ко­то­рых соз­да­ёт­ся толь­ко внеш­ни­ми об­мот­ка­ми. Стел­ла­ра­то­ры кон­ст­рук­тив­но слож­нее то­ка­ма­ков; их осн. пре­иму­ще­ст­во свя­за­но с воз­мож­но­стью бо­лее про­дол­жи­тель­ной (ста­цио­нар­ной) ра­бо­ты, по­сколь­ку, в от­ли­чие от то­ка­ма­ков, не тре­бу­ет­ся под­дер­жа­ние те­ку­ще­го по плаз­ме то­ка. По­тен­ци­аль­но ин­те­рес­ные кон­фи­гу­ра­ции маг­нит­ных ло­ву­шек с об­ра­щён­ным маг­нит­ным по­лем ши­ро­ко­го рас­про­стра­не­ния не по­лу­чи­ли. От­кры­тые (про­боч­ные или зер­каль­ные) маг­нит­ные ловуш­ки из-за по­вы­шен­ных по­терь час­тиц в ка­че­ст­ве тер­мо­ядер­ных ре­ак­то­ров не рас­смат­ри­ва­ют­ся, од­на­ко со­хра­ня­ют­ся пер­спек­ти­вы их ис­поль­зо­ва­ния в ка­че­ст­ве тер­мо­ядер­ных ис­точ­ни­ков ней­тро­нов и плаз­мен­ных кос­мич. дви­га­те­лей.

Аль­тер­на­ти­вой маг­нит­но­го удер­жа­ния слу­жит прин­цип инер­ци­аль­но­го удер­жа­ния, ос­но­ван­ный на воз­мож­но­сти про­те­ка­ния тер­мо­ядер­ной ре­ак­ции за вре­мя ес­теств. раз­лё­та вы­со­ко­тем­пе­ра­тур­ной плаз­мы. По­сколь­ку это вре­мя очень ко­рот­кое, для вы­пол­не­ния кри­те­рия Ло­усо­на смесь дей­те­рия и три­тия не­об­хо­ди­мо бы­ст­ро и силь­но сжать и на­греть. Для это­го мож­но ис­поль­зо­вать мощ­ные ла­зер­ные им­пуль­сы (ла­зер­ный тер­мо­ядер­ный син­тез), пуч­ки ус­ко­рен­ных час­тиц (ион­ный тер­мо­ядер­ный син­тез), раз­ря­ды с боль­шим то­ком (пинч-эф­фект) и др. По су­ти, речь идёт о ми­ниа­тюр­ных тер­мо­ядер­ных взры­вах, для реа­ли­за­ции ко­то­рых соз­да­ют­ся слож­ные мно­го­слой­ные ми­ше­ни, обес­пе­чи­ваю­щие бо­лее рав­но­мер­ное и од­но­род­ное бы­строе сжа­тие то­п­лив­ной сме­си и её на­грев. Од­но­род­ность не­об­хо­ди­ма, что­бы из­бе­жать раз­ви­тия не­ус­той­чи­во­стей плаз­мы – од­но­го из осн. пре­пят­ст­вий на пу­ти к реа­ли­за­ции УТС. Пред­ло­жен спо­соб т. н. бы­ст­ро­го под­жи­га, ко­гда сжа­тие пред­ше­ст­ву­ет на­гре­ву, ко­то­рый дол­жен быть им­пульс­ным, сверх­ко­рот­ким для ло­каль­но­го под­жи­га ми­ше­ни, с по­сле­дую­щим рас­про­стра­не­ни­ем тер­мо­ядер­но­го го­ре­ния на всю плаз­му.

Перспективы

Осн. дос­то­ин­ст­ва УТС для энер­ге­ти­ки бу­ду­ще­го со­сто­ят в от­сут­ст­вии ог­ра­ни­че­ний по то­п­ли­ву, в зна­чи­тель­но боль­шей (по срав­не­нию с ядер­ной энер­ге­ти­кой) ра­диа­ци­он­ной и эко­ло­гич. безо­пас­но­сти, а так­же безо­пас­но­сти от­но­си­тель­но уг­роз тер­ро­риз­ма и ава­рий.

Сро­ки реа­ли­за­ции УТС и пе­ре­хо­да к ус­та­нов­кам ре­ак­тор­но­го ти­па не впол­не оп­ре­де­ле­ны из-за боль­шо­го мас­шта­ба и вы­со­кой стои­мо­сти экс­пе­рим. ус­та­но­вок. Это, в свою оче­редь, яв­ля­ет­ся сти­му­лом для ши­ро­ко­го ме­ж­ду­нар. со­труд­ни­че­ст­ва в этой об­лас­ти. При­ме­ром та­ко­го со­труд­ни­че­ст­ва для маг­нит­но­го УТС стал то­ка­мак IТER, со­ору­жае­мый во Фран­ции ме­ж­ду­нар. кон­сор­циу­мом из 7 уча­ст­ни­ков. Этот то­ка­мак дол­жен про­де­мон­ст­ри­ро­вать дли­тель­ное го­ре­ние DT-плаз­мы с тер­мо­ядер­ным те­п­ло­вы­де­ле­ни­ем мощ­но­стью 0,4–0,5 ГВт, поч­ти на по­ря­док пре­вы­шаю­щим энер­ге­тич. за­тра­ты. Круп­ней­шей сис­те­мой ла­зер­но­го УТС долж­на стать ус­та­нов­ка УФЛ-2М, соз­да­вае­мая в Рос. фе­де­раль­ном ядер­ном цен­тре – Все­рос. НИИ экс­пе­рим. фи­зи­ки (г. Са­ров). Энер­гия, дос­тав­ляе­мая к ми­ше­ни УФЛ-2М, со­ста­вит 2,8 МДж, что поч­ти в 1,5 раза пре­вы­ша­ет энер­гию су­ще­ст­вую­щих ус­та­но­вок – NIF (США, 1,8 МДж) и LMF (Фран­ция, 2 МДж). Ус­та­нов­ки ITER и УФЛ-2М долж­ны быть за­пу­ще­ны в 2020-х гг.

Кро­ме пря­мо­го ис­поль­зо­ва­ния УТС для по­лу­че­ния энер­гии, воз­мож­но со­зда­ние гиб­рид­ных сис­тем, со­че­таю­щих тер­мо­ядер­ный ис­точ­ник ней­тро­нов (ТИН) и обо­лоч­ку (блан­кет), в ко­то­рой под дей­ст­ви­ем вы­со­ко­энер­гич­ных тер­мо­ядер­ных ней­тро­нов бу­дет про­ис­хо­дить на­ра­бот­ка то­п­ли­ва для обыч­ных атом­ных элек­тро­стан­ций. Тре­бо­ва­ния к па­ра­мет­рам плаз­мы ТИН и кон­ст­рук­тив­ные тре­бо­ва­ния зна­чи­тель­но ни­же, чем к тер­мо­ядер­но­му ре­ак­то­ру, что по­вы­ша­ет ве­ро­ят­ность та­кой реа­ли­за­ции УТС. Ряд труд­но­стей, свой­ст­вен­ных маг­нит­но­му тер­мо­ядер­но­му ре­ак­то­ру, мож­но бы­ло бы из­бе­жать, раз­мес­тив его в кос­мо­се, од­на­ко по­ка эта пер­спек­ти­ва яв­ля­ет­ся от­да­лён­ной.