Анатолий Федорович Цыцаркин
Нерешенные проблемы термоядерного синтеза. Надежды и перспективы
Литий является лимитирующим сырьем для термоядерной энергетики, использующей тритий. При осуществлении реакции (2D+2D) можно получить энергию в 100 млн. раз больше, чем при сжигании всех запасов органического топлива.
Удельный расход термоядерного топлива является самый минимальным при выработке тепловой энергии, причем в этом отношении имеется преимущество перед ядерным топливом.
Так, для получения 1 млн. квт•час энергии необходимо затратить 10,7 г. дейтерий – тритиевой смеси; 44;3 г. 235U (в 4,1 раза больше) и 123 тн. условного топлива (теплотворная способность 29,3·106 дж/кг).
2. Обескураживающая особенность термоядерного реактора типа токамак
В этой системе смесь дейтерия с тритием загружается в тороидальную камеру при достаточно низком давлении. Нагрев производится индукционным способом. В проводящей плазме от индуктора возбуждается ток порядка миллиона ампер. За счет джоулевых потерь плазму разогревают до рабочих температур.
С помощью магнитного поля, создаваемого сверхпроводящей магнитной системой, расположенной снаружи камер, плазма отжимается к оси. При этом устраняется непосредственный контакт высокотемпературной плазмы со стенкой. Полностью ионизированная плазма не излучает, как обычные газы и материалы при невысоких температурах, однако в конкретном случае характеризуется тормозным излучением ядер, поскольку их скорость поперек оси камер гасится магнитным полем.
Чтобы термоядерная реакция произошла, в плазме должны выполняться условия, соответствующие критерию Лоусона [л.1]: n·t>1014, где n-концентрация атомов в 1см3. t- время удержания плазмы при необходимой температуре.
В настоящее время достигнута температура около 30 млн. К. с удержанием в течение <0,1 сек и концентрацией частиц ~1014 1/см3=1020 1/м3.
Представляет интерес оценить некоторые параметры термоядерного реактора системы токамак при его гипотетической реализации.
Примем загрузку камеры дейтерий – тритиевой газовой смесью в соответствие с критерием Лоусона равной 1020 частиц на 1 м3.
Потенциально возможное число термоядерных актов для объема камеры в 1м3 составит половину концентрации частиц, т. е. 5·1019.
Энергетический потенциал дейтерий-тритиевой смеси в 1м3. При этом давление в камере составит 0,37 Па. После разогрева до 100 млн. градусов давление оказалось бы на уровне атмосферного, но под действием магнитного поля, создаваемого сверхпроводящей системой, оно увеличивается примерно в 6 раз, что приводит к сокращению диаметра плазменного шнура в 2,45 раз.
При энергетическом эффекте одного термоядерного акта 17,6 Мэв или 2,82·109. (1эв=1,602·10-19дж). Энергетический потенциал дейтерий-тритиевой смеси в 1м3 камеры составит: объемный энергетический потенциал
ЭП=5·1019·2,82·10-12 =1,41·108 , а для одного погонного метра длины тора при его диаметре около 5м-2,77·109 , что определяет удельное энерговыделение на 1м2 поверхности камеры Q=1,764·108 ,.
Расчетное значение ЭП для солнечного ядра составляет 3,3·1019 ,, однако мощность энерговыделения оказывается равной всего 72 вт/м3, что обеспечивает активность в течение миллиардов лет.
По данным л.2 величина ЭП ядерного реактора ВВЭР~1000 равна 6,4·1015 Дж/м3 на 3 года эксплуатации, а удельное энерговыделение -110 Мвт/м3.
Проведем оценку удельного энерговыделения рассматриваемого термоядерного реактора.
В отношении кинетики термоядерной реакции в токамаке имеется некоторая неопределенность, однако расчетное значение объемного энергетического потенциала ЭП=1,41·108 можно считать установленным достаточно оптимальным.
Время запитки токамака, настройки всех подсистем, выхода на режим может быть оценено в несколько суток.
В этих условиях минимальное время эксплуатации следует принять около месяца (720 часов).