Реакции управляемого термоядерного синтеза. Устройство токамака

Потребности человечества с каждым годом увеличиваются, соответственно растёт спрос на электроэнергию. И, разумеется, человечество стремится найти такой источник энергии, который минимизирует расходы на её производство. Ещё в прошлом столетии была предложена идея использования управляемых термоядерных реакций, к основным достоинствам которых относятся дешевизна и доступность топлива (водорода), а также значительный выход энергии

Термоядерная реакция – синтез легких ядер в более тяжёлые с выделением большого количества энергии. Для ее осуществления необходимо преодолеть ядерные силы отталкивания путем достижения большой кинетической энергии, что возможно только при увеличении скорости атомов. На данный момент известно достаточное количество элементов, которые допустимо использовать в термоядерном синтезе, однако далеко не все из них удобны и представляют практический интерес [2]. Из множества энергетически выгодных (экзотермических) реакций (формулы 1–4) в приоритете находятся реакции с изотопами водорода-тритием и дейтерием (рисунок 1).

Рисунок 1. Взаимодействие трития и дейтерия

Реакция, описываемая формулой (3), является наиболее доступной и экономически выгодной в промышленном масштабе, важное достоинство которой – большой выход энергии (около 17,6 МэВ). В отличие от дейтерия, запасы которого в природе значительны,  тритий из-за радиоактивного распада практически отсутствует в объектах, изолированных от атмосферы (период полураспада трития составляет 12,3 года). В прошлом веке количество трития на Земле существенно увеличилось в связи с ростом испытаний термоядерного оружия, после запрета которых, однако, его выделение в таких масштабах прекратилось.

Но существует иной способ воспроизводства необходимого изотопа (формулы 5–6):

Именно эти реакции планируется использовать в термоядерном реакторе для получения трития. Литий вводится в реактор, а нейтроны образуются в ходе синтеза лёгких ядер. Что касается реакций (1), (2), то они будут протекать с гораздо меньшей вероятностью по сравнению с (3), (4), кроме того энергия, которая в итоге выделяется также существенно меньше.

Если выделяющаяся энергия окажется больше суммарных потерь теплоты, то перечисленные выше реакции будут самоподдерживающимися.

Одним из условий протекания управляемой термоядерной реакции является наличие плазмы, представляющей собой ионизированный газ. Удерживание плазмы в реакторе возможно посредством магнитного поля, движение заряженной частицы в котором осуществляется по винтовой линии, для создания которой вдоль тора на поверхности плазмы применяется дополнительное поле. В настоящее время изучены и распространены два типа установок с камерами в форме тора: токамаки и стеллараторы. Главное их отличие друг от друга заключается в различных методах создания дополнительного поля. Токамак (от начальных букв в названиях основных элементов установки: ТОроидальная КАмера с МАгнитными КАтушками) – это в некоторой степени магнитная ловушка, форма которой представляет собой тор. Экспериментальные исследования тороидальной камеры начались в 1951 году в Институте атомной энергии имени И. В. Курчатова и после внушительных результатов, касаемых решения важных физико-технических проблем, выбора температуростойких конструкторских деталей токамака, данную установку для изучения синтеза лёгких ядер стали применять и в большинстве стран мира.

Современное устройство токамака не претерпело кардинальных изменений со времен её создания, на рисунке 2 в виде схемы отображён типичный вид установки, на базе которой осуществляется термоядерный синтез лёгких ядер. Её главные составляющие сосредоточены вблизи тороидальной камеры, внутри которой, необходимо отметить, находится вакуум и заключена плазма 5. Индукторная обмотка 1 расположена на магнитопроводе (или же сердечнике) 11, сделанном из железа, и является первичной обмоткой трансформатора. При пропускании через обмотку переменного тока в плазме вдоль оси индуцируется ток. Возникающее магнитное поле сжимает плазму, она, в свою очередь, нагревается посредством джоулева выделения теплоты. Помимо этого нагреву также способствуют инжекторы 3. Если внимательнее присмотреться к тору, то между объёмом, занимаемом плазмой, и первой стенкой камеры 6 мы обнаружим вакуумный зазор 4. Дивертор 2 используется для очищения нагретой плазмы от разного рода примесей, а также от продуктов реакции, кроме того он защищает первую стенку от ускоренного потока частиц. Что же касается магнитного поля, возникающего в торе, то оно создаётся токами в обмотках катушек 10 из сверхпроводников. Между первой стенкой и тороидальными катушками находится бланкет. Бланкет – неотъемлемая деталь реактора, состоящая из зоны наработки плутония 7, зоны воспроизводства трития 8 и радиационной защиты 9.

1 – индуткорная обмотка; 2 – дивертор; 3 – инжекторы; 4 – вакуумный зазор; 5 – плазма; 6 – стенка вакуумной камеры; 7 – зона наработки плутония; 8 – зона воспроизводства трития; 9 – зона радиационной защиты; 10 – катушки из сверхпроводников; 11 – магнитопровод

Рисунок 2.  Структура токамака

Особенностью данного реактора является работа в импульсном режиме. Процесс зарождается с создания вакуума в камере, после чего тор заполняют газовым топливом, которое начинает ионизироваться при помощи электрических зарядов специальных систем, что в конечном итоге приводит к образованию плазмы. Далее в течение некоторого времени ионизированная смесь постепенно нагревается благодаря собственному току и инжекторам. Частицы удерживаются в камере сравнительно недолго (около одной секунды), впоследствии взаимодействуя с первой стенкой (но не все частицы вступают в взаимодействие, поскольку часть из них выводится в дивертор). Стенка начинает разрушаться из-за высокой температуры в том числе, её материал попадает в плазму, что приводит к крайне быстрому остыванию плазмы. Горение останавливается. После начинается откачивание содержимого тора, цикл запускается вновь. Важная особенность данного типа реакторов состоит в том, что энергия, которая выделяется, в скором времени подступает к  первой стенке, но уже в виде тепловой. Сюда же поступает энергия, выделяющаяся в реакциях в зоне бланкета, а также энергия плазмы и термоядерных нейтронов. Этот избыток теплоты необходимо с помощью бланкета выводить, чтобы после использовать её в других целях. Состав зон бланкета влияет на хаотичное распределение теплоты, девяносто процентов которой образуется в зоне плутония 7. Для того, чтобы обеспечить сверхпроводимость обмоток катушек, необходимо достичь определённой низкой температуры, а выделяющаяся теплота препятствует этому, поэтому энергию нагрева стараются свести к минимуму. Именно для этой цели в термоядерном реакторе выделена зона для радиационной защиты, поскольку в ней происходит поглощение нейтронов и излучения. Данный вид токамака причисляют к гибридному, потому что в нём сочетаются и реакции деления ядер (в бланкете) , и реакции синтеза в плазме.

Установка данного типа послужила базой для создания  ИТЭР. На токамаке были достигнуты ошеломляющие успехи в 1969-1970 гг., в советской установке было впервые получено энерговыделение около 1 мВт. Это событие заставило учёных начать тщательную работу по улучшению реактора с целью получения в скором времени большей энергии. В 2007 году началась масштабное строительство термоядерного реактора, которое продолжается в настоящий момент [1].

Термоядерная энергетика, её внедрение– грандиозное событие в истории человечества. Решив насущные проблемы, люди в скором будущем смогут осуществить синтез лёгких ядер в большом масштабе, что казалось ещё таким невозможным буквально в прошлым столетии. Успешное завершение проекта ИТЭР будет означать переход к новому типу энергетике, к новому источнику энергии – управляемому термоядерному синтезу.