Джерело енергії термоядерного процесу
У 1969 році на міжнародній конференції в Дубні було оголошено, що в плазмі токамака Т-3 досягнута фантастична для того часу температура - 7-10 млн. градусів. Почалося всесвітнє “звертання в токамаки”.
Зараз на токамаках, крім Росії, працюють у США, Великобританії, Франції, ФРН, Італії, Японії, Китаї, Австралії, Лівії, Угорщині й інших країнах.
Виявилося, що в замкнутих магнітних системах положення класичної теорії парних зіткнень часток плазми, на яку тоді спиралися учені, не виконуються. А в 1965 році відомі радянські фізики Р.З.Садєєв, А.А.Галєєв і Л.М.Коврижних створили нову теорію, за що згодом були визнані гідними Ленінської премії.
2. Умови керованого ядерного синтезу
Термоядерний синтез - процес злиття легких атомних ядер при високих температурах з виділенням енергії. Процес синтезу інтенсивно протікає тільки між легкими ядрами, що володіють малим позитивним зарядом і тільки при температурах 10 К, коли кінетична енергія ядер, що зіштовхуються, виявляється достатньою для подолання кулонівських сил відштовхування.
У природних умовах термоядерні реакції між ядрами водню протікають у надрах зірок і служать постійним джерелом енергії для їх випромінювання. На Землі має сенс використовувати лише найбільш ефективну з термоядерних реакцій, а саме злиття двох ізотопів водню - дейтерію і тритію.
В енергетично вигідних термоядерних реакціях беруть участь насамперед ізотопи водень-дейтерій (Д) і тритій (Т). При цьому з двох реакцій Д+Д і Д+Т остання в сто разів ефективніше, і у всіх сучасних установках намагаються здійснити саме її. При злитті ядер дейтерію і тритію утвориться нестабільне ядро, що швидко розпадається на альфа-частинку (ядро гелію-4) з енергією 3,5 Мев і нейрон з енергією 14,1 Мев (тобто 20( і 80( загальної енергії відповідно): Д+Т( 4Не++ (3,5 Мев)+n(14,1 Мев).
Справа ускладнюється тим, що “готового” тритію в природі майже немає. Але вихід знайдений: цей ізотоп виробляється в самому реакторі з літію.Таким чином, у термоядерних реакціях, у тому числі в токамаках, буде, по суті, “спалюватися” літій, один грам якого в цьому випадку відповідає тонні умовного палива. А доступні запаси літію на Землі на три порядки перевершують запаси органічного палива, причому добувати літій порівняно нескладно.
Для одержання корисної енергії в реакціях ядерного синтезу треба послідовно досягти двох граничних умов: “запалювання” реакції, те є позитивного енергобалансу, і самостійного, синтезу, що самопідтримується, що вже не вимагає зовнішнього “підігріву”.
Крім того, необхідні визначена щільність і час існування плазми при даній температурі. У 1957 році англійський фізик Дж.Лоусон вивів відповідний критерій: добуток щільності плазми n (число часток у кубічному метрі її обсягу) на час існування ( (вимірюване в секундах) при температурі Т=108 До повинно бути не менш 2*1020 с/м3. У цих умовах енергобаланс термоядерної реакції буде позитивним, тобто загальний вихід енергії перевищить енерговитрати на нагрівання.
Але досягнення першої граничної умови – запалювання - ще не забезпечує другого, тобто самопідтримки реакції. Уся надія лише на заряджені ядра гелію. Щоб вони удержалися в зоні реакції, а їхньої енергії вистачило на її самопідтримка, магнітне поле повинне мати визначену напруженість У, а плазма- визначений обсяг V. Добуток цих двох величин BV називається фактором утримання, що і характеризує ступінь самозабезпеченості реакції.
3. Токамаки: що досягнуто?
Т - 4 — по суті, збільшена модель Т-3.
Т - 7 — унікальна установка, у якій вперше у світі реалізована відносно велика магнітна система зі зверхпровідним соленоїдом на базі ніобата олова, охолоджуваного рідким гелієм. Головна задача Т - 7 була виконана: підготовлена перспектива для наступного покоління зверхпровідних соленоїдів термоядерної енергетики. Щоб підкреслити всю складність цієї задачі, відзначимо, що спроба наших колег із ФРН спорудити плазмову установку W - 7 зі зверхпровідною системою не удалася.