Регистрация
Вход

О термоядерных реакциях в системах с магнитным удержанием плазмы

Автор публикации: Острецов Игорь Николаевич
Дата публикации: 04.2019
Вид издания: Статья
Тема публикации: Наука, религия, эзотерика
Регион: Гео

Аннотация

Современный мир живёт в условиях энергетического дефицита, при этом на перспективу делается ставка на термоядерную энергетику. В течение более 60 лет во всех передовых странах проводятся исследования по управляемому термоядерному синтезу в магнитных ловушках, в частности, в ТОКАМАКах. В статье показано, что термоядерная реакции в магнитных ловушках не может быть реализована, поскольку функция распределения частиц в подобных устройствах является не максвелловской, а полностью определяется внешними электромагнитными полями.

Текст

О термоядерных реакциях в системах с магнитным удержанием плазмы

И.Н. Острецов

Современный мир стремительно приближается к очень серьёзному энергетическому кризису. Проблема связана с тем, что запасы ископаемого топлива могут иссякнуть уже к концу первой половины текущего столетия. Кроме того, сжигание ископаемого топлива может привести к необходимости каким-то образом связывать и «сохранять» выпускаемый в атмосферу углекислый газ для предотвращения серьезных изменений в климате планеты.

Основным источником энергии на планете остается нефть, из которой вырабатывается 36.8% потребляемой энергии. Существенное увеличение добычи нефти в ближайшее время невозможно. Схожая ситуация и с атомными и гидроэлектростанциями. Увеличение потребления угля возможно в странах, где есть существенные его запасы. Так называемые альтернативные источники энергии еще долгое время не будут иметь серьёзной доли в мировом энергетическом балансе. В качестве перспективного источника энергии сегодня рассматривается управляемый термоядерный синтез (УТС) изотопов водорода, реализуемый в установках типа ТОКАМАК.

Работы по управляемому термоядерному синтезу в магнитных ловушках различного типа ведутся в разных странах, начиная с 1951 года, в том числе и в рамках международного проекта  ИТЭР. 

________________________________________________________________________

ИТЭР (ITER; изначально англ. International Thermonuclear Experimental Reactor; в настоящее время название связывается с латинским словом iter — путь) — проект международного экспериментального термоядерного реактора. Задача ИТЭР заключается в демонстрации возможности коммерческого использования термоядерного реактора и решении физических и технологических проблем, которые могут встретиться на этом пути.

Сначала реактор ИТЭР создавался консорциумом, в который входили Европейское Сообщество, Япония, Россия, США и Индия. 

На сегодняшний день в проекте участвуют Россия, Индия, Япония, Китай, Южная Корея и США, а также Евросоюз. Европейцы, выступающие единой группой, отвечают за выполнение 46% проекта, каждая из остальных стран-участниц взяла на себя по 9%.

Проектирование реактора полностью закончено, основные компоненты и узлы реактора ИТЭР уже созданы и испытаны, а строительство полным ходом идёт в местечке Кадараш (фр. Cadarache) — исследовательский центр на юге Франции, в 60 км от Марселя.


Стройку, стоимость которой первоначально оценивалась в 5 миллиардов евро, планировалось закончить в 2016 году. Однако, в результате значительных технических трудностей и неопределённостей, при проектировании и производстве компонентов, сроки неоднократно сдвигались. В ноябре 2015 года срок окончания постройки ИТЭР сдвинули на 2025 год, а предполагаемая сумма расходов выросла до 19 миллиардов евро.

______________________________________________________________________

Для того чтобы ядра трития вступили в реакцию слияния с ядрами дейтерия они должны преодолеть взаимное электростатическое отталкиваниеКулоновский барьер. Для этого в ИТЭР тритий должен быть нагрет до очень высоких температур ~1,5·108 К0, что приблизительно в десять раз больше, чем в ядре Солнца (~1,6·107 К0). При такой высокой температуре кинетическая энергия ядер становится достаточной для преодоления Кулоновского барьера и зажигания термоядерной реакции. После этого предполагается, что можно будет выключить внешние нагреватели плазмы. Т.е. термоядерная реакция должна будет стать самоподдерживающейся. Для разогрева плазмы используется три системы: инжектор нейтральных атомов, и два высокочастотных нагревателя ионно-циклотронный и электронно-циклотронный резонансные нагреватели.

Скорость реакции определяется соотношением: n1n2<σv>, где n и v - плотность и скорость исходных ядер, а σ - величина сечения соответствующей реакции. Скорость реакций синтеза сильно зависит от энергии частиц, поэтому при подсчёте числа реакций синтеза важно усреднение по распределению частиц по скоростям. Это распределение в термоядерной плазме должно быть близко к Максвелловскому.

Мощность энерговыделения в единице объёма от реакций синтеза Qf может быть представлена в виде:

Qf = n1n2 < σv > Еf ,                                                               (1)

где Ef – энергия, выделяющаяся в одном акте синтеза.

Для перспективных материалов в стационарно работающем реакторе разумным принимается значение объёмной мощности энерговыделения ~ 10 МВт/м3. В этом случае значение плотности частиц в реакторе составляет 1020 – 1021 м-3.

Фундаментальным физическим фактом, на котором базируется вся наука о термоядерном синтезе в магнитных ловушках любого типа, является следующее утверждение:

«Если объём занимаемый плазмой гораздо больше длины пробега излучения, так что все излучаемые фотоны поглощаются внутри его, то излучение поверхности плазмы соответствует плотности излучения черного тела, которую можно описать формулой Стефана-Больцмана. Но это справедливо только для плотной и невысокотемпературной плазмы. Термоядерная плазма прозрачна для излучения и эта формула не применима».

Эту и подобную ей фразу можно прочитать практически в любом трактате по УТС.

Зададимся простым вопросом: «Может ли высокотемпературная (имеются в виду температура, при которой идёт термоядерная реакция) термодинамически равновесная плазма, т.е. плазма, в которой, в частности, распределение частиц по скоростям описывается Максвелловской функцией, быть прозрачной для излучения?».

Основным видом нагрева ионов трития в термоядерном реакторе является нагрев на частоте ионно-циклотронного резонанса.

Учет взаимодействия частиц в плазме приводит к появлению в правой части кинетического уравнения, описывающего динамику поведения плазмы, интеграла столкновений. Эффективная частота столкновений является определяющей величиной, поскольку возмущенная функция распределения стремится к равновесной под действием столкновений, а скорость установления равновесного распределения определяется релаксационными процессами, т.е. теми же столкновениями. В газах, например, всё определяют близкие парные столкновения. Специфика плазмы обусловлена дальнодействием Кулоновских сил. В этом случае основную роль играют именно дальние столкновения. Действие Кулоновских сил определяется величиной Дебаевского радиуса, который для случая ИТЭР достигает очень большой величины (10-2 см). Но на больших расстояниях импульс взаимодействующих частиц претерпевает лишь очень малые изменения. 

                                                   

Подпишитесь на нашу рассылку
и получайте интересные материалы на электронную почту