Почему термоядерные реакторы должны быть в 10 раз горячее Солнца

Температура в центре Солнца достигает примерно 15 миллионов градусов Цельсия, и этого достаточно для непрерывных термоядерных реакций, питающих нашу звезду миллиарды лет. Однако для создания управляемого термоядерного синтеза на Земле учёные стремятся нагреть плазму до 100–150 миллионов градусов.

Такая разница объясняется не только температурой, но и плотностью вещества, временем удержания плазмы и особенностями ядерного топлива.

Термоядерный синтез происходит, когда ядра лёгких атомов объединяются в более тяжёлые, высвобождая энергию. Этот процесс лежит в основе свечения Солнца и других звёзд. Однако атомные ядра имеют положительный электрический заряд, поэтому отталкиваются друг от друга. Чтобы произошло слияние, они должны сблизиться на расстояние, при котором начинает действовать сильное ядерное взаимодействие. Высокая температура увеличивает скорость движения частиц и вероятность их сближения. При этом ядрам необязательно полностью преодолевать электрическое отталкивание за счёт своей кинетической энергии.

Благодаря квантовому туннелированию некоторые из них способны проникать через потенциальный барьер даже при меньших энергиях. В недрах Солнца необходимые условия создаёт огромная сила тяжести. Гравитация удерживает вещество в чрезвычайно плотном и горячем состоянии. Давление в солнечном ядре достигает сотен миллиардов атмосфер, благодаря чему в относительно небольшом объёме находится огромное количество взаимодействующих частиц. Земные термоядерные установки работают иначе.

В токамаках и стеллараторах плазма удерживается мощными магнитными полями. При этом её плотность намного ниже плотности вещества в центре Солнца. Поэтому вероятность столкновений ядер значительно меньше, и для получения достаточно интенсивного синтеза приходится повышать температуру. Различается и само ядерное топливо. На Солнце основным источником энергии служит протон-протонная цепочка реакций, в ходе которой водород постепенно превращается в гелий. Её начальный этап требует превращения одного из протонов в нейтрон посредством слабого ядерного взаимодействия. Этот процесс протекает чрезвычайно медленно.

Однако Солнце содержит настолько огромное количество водорода, что совокупная энергия множества реакций обеспечивает его излучение на протяжении миллиардов лет. В земных установках чаще предполагается использовать дейтерий и тритий — два тяжёлых изотопа водорода. При слиянии их ядер образуются ядро гелия и нейтрон, которые уносят выделившуюся энергию. Эта реакция происходит значительно быстрее протон-протонной и считается наиболее доступной для энергетического термоядерного синтеза. Для дейтерий-тритиевой плазмы многие проекты предусматривают температуры порядка 100–150 миллионов градусов. Например, международный экспериментальный реактор ITER, строящийся во Франции, рассчитан на нагрев плазмы примерно до 150 миллионов градусов Цельсия — в десять раз выше температуры солнечного ядра. При этом термоядерные реакции могут происходить и при более низких температурах.

Значение 150 миллионов градусов не является универсальным порогом, после которого синтез внезапно начинается. Оно связано с необходимостью обеспечить достаточно высокую скорость реакций при конкретных условиях работы установки. Одной температуры недостаточно. Для эффективного термоядерного синтеза необходимо одновременно обеспечить высокую температуру и достаточную плотность плазмы, а также удерживать её энергию достаточно долго. Произведение этих трёх величин называют тройным параметром термоядерного синтеза. Особенно большое значение имеет время энергетического удержания. Оно характеризует скорость потери тепловой энергии плазмой, а не общую продолжительность эксперимента. Даже если плазма достигнет рекордной температуры, слишком быстрые потери энергии не позволят поддерживать эффективный синтез.

В токамаках и стеллараторах эту задачу решают с помощью магнитного удержания. При инерциальном синтезе используют другой подход: мощные лазерные импульсы быстро сжимают и нагревают небольшую топливную мишень, чтобы реакции успели произойти до её разлёта. В этих установках соотношение температуры, плотности и времени удержания существенно отличается. Конечная цель заключается в создании плазмы, значительная часть нагрева которой обеспечивается самими термоядерными реакциями. При дейтерий-тритиевом синтезе образующиеся ядра гелия остаются в магнитной ловушке и передают энергию окружающим частицам. При достижении термоядерного зажигания этот механизм способен поддерживать необходимую температуру без внешнего нагрева. Однако даже успешное зажигание плазмы ещё не означает создание коммерческой электростанции.

Для практического использования необходимо также преобразовывать выделяемую энергию в электричество, обеспечивать надёжную работу оборудования и поддерживать воспроизводство трития. Таким образом, температура выше 100 миллионов градусов нужна земным термоядерным установкам не потому, что синтез невозможен при температуре солнечного ядра. Она позволяет компенсировать особенности лабораторных условий и получать достаточно интенсивные реакции в ограниченном объёме плазмы.

Бодро и простым языком обсуждаем околополитические темы на моем канале "Гражданин на диване" (Гражданин на диване в МАХ), а интересную и познавательную информацию читаем на моем канале "Таблетка для головы" (Таблетка для головы в МАХ) и в ТикТоке. Ну и всяческие прикольные ситуации из жизни будут тут

Подписывайтесь!

Источник: masterok.livejournal.com

уникальные шаблоны и модули для dle