Реакция горячего слияния

Реакция горячего слияния — это ядерная реакция, в ходе которой лёгкие атомные ядра (например, изотопы водорода) преодолевают кулоновский барьер и сливаются в более тяжёлое ядро, выделяя значительное количество энергии. Данный процесс требует экстремально высоких температур (порядка десятков и сотен миллионов градусов Цельсия) и высокого давления, необходимых для придания ядрам достаточной кинетической энергии. Реакции горячего слияния лежат в основе энерговыделения звёзд, включая Солнце, а также являются принципом действия термоядерного оружия и управляемого термоядерного синтеза (УТС).

Физические основы

Условия протекания

Для осуществления реакции слияния необходимо преодолеть электростатическое отталкивание (кулоновский барьер) между положительно заряженными ядрами. Это возможно, если ядра сблизятся на расстояние порядка 10⁻¹⁵ м (размер ядра), где начинает действовать сильное ядерное взаимодействие, превосходящее кулоновское отталкивание. В условиях горячего слияния ядрам сообщается кинетическая энергия, достаточная для туннелирования или прямого преодоления барьера. Температура, при которой средняя кинетическая энергия частиц сравнивается с высотой барьера, составляет для реакции D-T (дейтерий-тритий) около 10⁸ К (100 миллионов Кельвинов). На практике из-за туннельного эффекта и максвелловского распределения частиц по скоростям реакция начинает идти при несколько более низких температурах (порядка 10⁷ К), но с очень малой скоростью.

Основные реакции

Наиболее изученными и перспективными для практического использования являются следующие реакции:

1. D + T → ⁴He (3,5 МэВ) + n (14,1 МэВ) — реакция дейтерия с тритием. Обладает наибольшим сечением (вероятностью) при относительно низких температурах (около 65 кэВ). Является основной для проектируемых термоядерных реакторов.
2. D + D → T (1,01 МэВ) + p (3,02 МэВ) и D + D → ³He (0,82 МэВ) + n (2,45 МэВ) — две ветви реакции дейтерия с дейтерием. Протекают с равной вероятностью. Требуют более высоких температур, чем D-T.
3. D + ³He → ⁴He (3,6 МэВ) + p (14,7 МэВ) — реакция дейтерия с гелием-3. Перспективна для анергетического синтеза (без выхода нейтронов), но ³He крайне редок на Земле.

Энерговыделение

Энергия, выделяющаяся при горячем слиянии, значительно превышает энергию, выделяемую при делении ядер (на единицу массы топлива). Так, при слиянии 1 кг смеси D-T выделяется около 3,4·10¹⁴ Дж, что эквивалентно сгоранию примерно 10 000 тонн нефти. Основная часть энергии уносится нейтронами (в реакции D-T — 80%), которые затем передают её окружающему веществу (например, бланкету реактора) в виде тепла.

История

Теоретические предпосылки

Возможность протекания термоядерных реакций в звёздах была впервые обоснована в 1920-х годах Артуром Эддингтоном, а конкретный механизм (протон-протонная цепочка) предложен Хансом Бете в 1938 году. В 1934 году Эрнест Резерфорд, Марк Олифант и Пол Хартек впервые экспериментально наблюдали слияние ядер дейтерия, бомбардируя мишень из дейтерия ускоренными ядрами дейтерия.

Военное применение

Практическая реализация неуправляемого горячего слияния была осуществлена в ходе разработки термоядерного оружия. Первое испытание термоядерного устройства (американский «Иви Майк») было проведено 1 ноября 1952 года на атолле Эниветок. В СССР первая термоядерная бомба (РДС-6с) была испытана 12 августа 1953 года. В термоядерном оружии для создания начальных температуры и давления используется атомный взрыв (деление урана или плутония), который поджигает термоядерное топливо (обычно дейтерид лития-6).

Управляемый термоядерный синтез

Параллельно с военными разработками велись поиски способов осуществления управляемого горячего слияния для получения энергии. С 1950-х годов в СССР, США, Великобритании и других странах начались работы по магнитному удержанию плазмы (токамаки, стеллараторы) и инерциальному удержанию (лазерный термояд). Ключевым этапом стало создание в 1968 году на установке Т-3 (Институт атомной энергии им. И. В. Курчатова, СССР) плазмы с температурой около 10 млн °C, что подтвердило перспективность токамаков. В настоящее время крупнейшим международным проектом в этой области является ИТЭР (ITER, Международный экспериментальный термоядерный реактор), строящийся на юге Франции.

Управляемый термоядерный синтез (УТС)

Магнитное удержание

В системах с магнитным удержанием плазма (ионизированный газ из ядер и электронов) удерживается от контакта со стенками камеры с помощью сильных магнитных полей. Наиболее развитой конфигурацией является токамак — тороидальная камера с магнитными катушками, в которой плазма дополнительно стабилизируется продольным током. Другим типом является стелларатор, где магнитное поле создаётся только внешними катушками сложной формы, что обеспечивает стационарный режим работы без необходимости поддержания тока в плазме.

Инерциальное удержание

В системах с инерциальным удержанием мишень (капсула с термоядерным топливом) облучается мощными лазерными или ионными пучками. В результате быстрого нагрева и сжатия внешнего слоя мишени происходит имплозия — внутреннее сжатие топлива до сверхвысоких плотностей и температур, достаточных для начала реакции слияния. Реакция происходит за время, меньшее, чем время разлёта плазмы (около 10⁻¹⁰ с). Наиболее известные установки — NIF (США) и Laser Mégajoule (Франция).

Критерий Лоусона

Для получения положительного энергетического выхода в УТС необходимо выполнение критерия Лоусона, который устанавливает минимальное произведение плотности плазмы (n) на время удержания энергии (τ) при заданной температуре. Для реакции D-T при температуре около 10⁸ К требуется nτ > 10²⁰ с·м⁻³. В токамаках достигаются значения nτ порядка 10¹⁹–10²⁰ с·м⁻³, что близко к зажиганию, но пока не обеспечивает коммерчески выгодного выхода энергии.

Применение

Энергетика

Основная цель разработок УТС — создание экологически чистого и практически неисчерпаемого источника энергии. Термоядерные реакторы потенциально способны работать на топливе, запасы которого (дейтерий в морской воде и литий для наработки трития) практически неограниченны. В отличие от реакторов деления, они не производят долгоживущих радиоактивных отходов и не несут риска неконтролируемой цепной реакции.

Военное дело

Реакции горячего слияния используются в термоядерном оружии (водородных бомбах). Такие боеприпасы обладают практически неограниченной мощностью (мегатонны в тротиловом эквиваленте) и могут быть сконструированы как для стратегических, так и для тактических целей. Кроме того, термоядерные заряды применяются в качестве первичных источников нейтронов для некоторых типов ядерного оружия.

Научные исследования

Установки УТС используются для изучения физики высокотемпературной плазмы, свойств материи в экстремальных состояниях, а также для моделирования процессов, протекающих в звёздах. Термоядерные реакции также находят применение в нейтронографии и материаловедении (как источники интенсивных нейтронных потоков).

Проблемы и перспективы

Технические трудности

Основными проблемами на пути создания коммерческого термоядерного реактора являются:

• Удержание плазмы: неустойчивости плазмы (например, тиринг-моды и разрывы плазмы в токамаках) приводят к потерям энергии и разрушению разряда.
• Материалы: стенки камеры и элементы бланкета должны выдерживать интенсивные нейтронные потоки (14,1 МэВ), высокие тепловые нагрузки и эрозию от бомбардировки заряженными частицами.
• Воспроизводство трития: тритий не встречается в природе в значимых количествах и должен нарабатываться в бланкете реактора из лития под действием нейтронов. Эффективность этого процесса пока не доказана в промышленных масштабах.
• Экономика: стоимость строительства и эксплуатации термоядерного реактора, по современным оценкам, может быть чрезвычайно высокой.

Современное состояние

На 2024 год ни одна экспериментальная установка УТС не достигла режима «зажигания» (когда выделяемая термоядерная энергия превышает затраченную на нагрев плазмы). В 2022 году на NIF (США) впервые был получен положительный выход энергии (3,15 МДж при затраченных 2,05 МДж на лазер), однако это был однократный импульс, а не стационарный процесс. Проект ИТЭР, запуск которого ожидается в 2030-х годах, должен продемонстрировать возможность получения 500 МВт термоядерной мощности при затратах 50 МВт на нагрев плазмы.

Источники

1. Арцимович Л. А. Управляемые термоядерные реакции. — М.: Физматгиз, 1961.
2. Вудс Л. К. Термоядерный синтез: физика, технологии, перспективы. — М.: Интеллект, 2014.
3. Гласстоун С., Лавберг Р. Основы термоядерного синтеза. — М.: Атомиздат, 1973.
4. Козлов А. Н. Ядерная физика и термоядерный синтез: учебное пособие. — М.: МИФИ, 2018.
5. ITER Organization. The ITER Project. — 2023.
6. National Ignition Facility. Achieving Fusion Ignition. — Lawrence Livermore National Laboratory, 2022.