4.3.8. Энергия управляемого термоядерного синтеза

Управляемый термоядерный синтез (УТС) – синтез более тяжелых ядер из более легких с целью получения энергии, который носит управляемый характер, в отличие от взрывного термоядерного синтеза.

Основной реакцией для УТС является (D + T = 4He + n). В результате столкновения ядер дейтерия и трития образуются ядро гелия и нейтрон, а также выделяется 17,6 МэВ энергии (т.е. 2.8·10-12 Дж на один акт деления).

Оптимальная температура для этой реакции Т = 2·108 К. Данная термоядерная реакция для своего осуществления требует значительно меньших температур и плотностей плазмы, чем традиционное для звезд слияние двух ядер дейтерия в гелий, да и энергии при таком акте выделяется в 5 раз больше, чем в солнечном.

Проблема управляемого термоядерного синтеза: создание высоких температур для слияния ядер 2H – дейтерия и 3H – трития.

Для осуществления термоядерного синтеза плазма должна быть очень плотной и удерживаться в течение длительного времени. В соответствии с критерием Лоусона произведение плотности реагирующих ядер на время жизни плазмы N·t = 0,5·1015 см-3·с.



Рассматриваются две принципиальные схемы для осуществления УТС:

  1. Нагрев и удержание плазмы магнитным полем при относительно низком давлении и высокой температуре. Для этого применяются реакторы в виде токамаков, стеллараторов, которые отличаются конфигурацией магнитного поля.
  2. Кратковременный нагрев небольших мишеней, содержащих дейтерий и тритий, сверхмощными лазерными импульсами или пучками частиц.

К сожалению, проблемы УТС пока не решены.

Другой проблемой создания УТС является дефицит термоядерного топлива: дейтерия и трития.

Дейтерий еще можно рентабельно добывать из воды, а тритий приходится синтезировать из редкого изотопа лития с большими энергозатратами. Тритий может заменить 3Hе, который за счет солнечного света скопился за миллиарды лет на Луне (500 млн. тонн). По оценкам специалистов, чтобы обеспечить на 1 год все человечество энергией, необходимо 2–3 полета космических кораблей по 10 тонн грузоподъемностью. Такой проект возможно реализовать через 20–30 лет. Специалисты утверждают, что термоядерная электростанция с тепловой мощностью 1 ГВт в плане радиационной опасности эквивалентна урановому реактору деления мощностью 1 КВт (типичный университетский исследовательский реактор). И это обстоятельство во многом является решающим фактором, вызывающим пристальное внимание правительств многих стран к термоядерной энергетике. Почти полное отсутствие радиоактивных отходов и минимальность радиоактивной опасности даже в случае катастрофического разрушения термоядерного реактора в сочетании с огромными запасами топлива для таких электростанций делает термоядерную энергетику крайне перспективной в плане преодоления грядущего энергетического кризиса.