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

Поэтому релаксацию (стремление к равновесному Максвелловскому распределению) в разряженной плазме ИТЭРа следует рассматривать как диффузию в импульсном пространстве взаимодействующих между собой заряженных частиц плазмы, происходящую с очень небольшой скоростью по сравнению со скоростью энергетической накачки за счёт ионно-циклотронного резонанса (примерно 50МГц), описываемого, наряду со стационарными полями ИТЭР, третьим членом в правой части кинетического уравнения [1]:

                                                    (2)

Здесь f – функция распределения частиц, e – их заряд, Е и В – постоянные и переменные электрические и магнитные поля, v, p –скорость и импульс, s - плотность потока в импульсном пространстве.

Уравнение такого типа составляется для каждого вида частиц плазмы, в данном случае – для ядер трития и электронов.

Из решения данных уравнений, в частности, могут быть получены отношения скоростей релаксации различного вида частиц плазмы и относительные скорости релаксации частиц различного вида:

                                                             (3)

где М и m – массы трития и электрона.

Наиболее быстро релаксируют электроны. Затем к равновесному состоянию приходят ядра трития и только после этого наступает термодинамическое равновесие между электронами и ядрами трития. Последнее есть не что иное, как потери, связанные с тормозным излучением. Однако в ИТЭР предусмотрен электронно-циклотронный резонансный нагреватель, задачей которого является нагрев электронов и, тем самым, уменьшение этих потерь.

Наиболее существенным моментом в теории ИТЭР, на мой взгляд, является рассмотрение вопроса о релаксации (максвеллизации) тритиевой компоненты плазмы. Скорость такой релаксации согласно [1] определяется величиной:



Здесь Li - интеграл столкновений Ландау, который для плазмы ИТЭР примерно равен 10-20.

Для энергий, соответствующих температуре 108К0 время релаксации составит величину:


Т.е. релаксация тяжёлой компоненты плазмы трития, имеющей энергию, соответствующую температуре 108К0 происходит крайне медленно. Это, естественно, возможно только в случае пренебрежения релаксационными процессами, связанными с переносом излучения, что по-существу и постулируется в теории магнитных ловушек. Но это возможно только тогда, когда функция распределения по импульсу ядер трития в установке ИТЭР определяется исключительно внешней накачкой от ионно-циклотронного резонансного нагревателя с характерным временем порядка 2х10-8 сек., поскольку ионно-циклотронная частота накачки составляет величину порядка 50 МГц, а это означает, что моноэнергетический пучок ионов трития просто движется по спирали вдоль линий магнитного поля. В этом случае правая часть уравнения (2) является малой величиной и, следовательно, производная функции по времени тоже мала, поскольку во времени она изменяется только за счёт релаксационных процессов. В результате уравнение (2) приобретает вид:


Т.е. имеется полное подобие обычному ускорителю ионов, в котором функция распределения определяется исключительно внешними электромагнитными полями, в которых существует равновесие между циклотронным излучением ионов трития и излучением от ионно-циклотронного резонансного нагревателя в очень узком спектральном диапазоне. Именно поэтому плазма ИТЭР, как и ионный пучок любого ускорителя, является абсолютно прозрачной во всём спектральном диапазоне за исключением частоты накачки. Следовательно, ИТЭР просто очень плохой ускоритель ионов трития и не более того.

Поэтому в прозрачной, разреженной плазме магнитных ловушек любого типа, также как и в любых ускорителях ионов, термоядерная реакция невозможна. Там может идти речь только о реакции синтеза ионов водорода в высокоэнергетических пучках. Именно поэтому в основе энергетического баланса в магнитных ловушках любого типа должны находится не термоядерные реакции, а реакции синтеза в высокоэнергетических пучках ядер изотопов водорода.

Посмотрим далее, возможна ли в принципе реализация стационарной термоядерной реакции в установках масштаба современных ядерных реакторов.

В области плотной плазмы при Максвеловском распределении скоростей, т.е. в термодинамически равновесной плазме, имеется равновесие между частицами и излучением. Максвеловское распределение частиц по скоростям обязательно должно сопровождаться Планковским спектром излучения, формируемым при изменении скоростей частиц в результате их столкновений.

В этом случае на частицы в единице объёма приходится энергия:

nkT,

где n –концентрация частиц, k – постоянная Больцмана. 

Т.е. энергия частиц растёт, как первая степень температуры.

В то же время плотность излучения, как известно, описывается формулой Стефана – Больцмана:

(4σ/с)Т4

Здесь σ – постоянная Стефана-Больцмана, а с- скорость света.

При термоядерных температурах это просто несоизмеримые вещи. От 50% до 70% энергии плазмы сосредоточено в энергии излучения. Например, при энергиях, соответствующих температуре 109К0, плотность энергии излучения достигает плотности металлов. И эта энергия в случае ИТЭР должна будет попасть на стенку. Именно поэтому термоядерной плазмы ни в каком виде в ИТЭР никогда не будет.

Ещё в далёком 1945 г. И.И. Гуревич, Я.Б. Зельдович, И.Я. Померанчук и Ю.Б. Харитон подготовили доклад “Использование ядерной энергии легких элементов”, который был заслушан 17 декабря 1945 г на двенадцатом заседании Технического совета Специального Комитета при Совете Народных комиссаров СССР. Доклад был посвящен возможности использования легких элементов, в первую очередь дейтерия и трития в целях получения взрывных реакций и энергетических применений. Основные выводы, к которым пришли авторы доклада, сводились к следующим тезисам.

1. В полном термическом равновесии значительная часть энергии превращается в излучение; это обстоятельство ограничивает равновесную среднюю энергию заряженных частиц порогом 5 — 15 кэВ, совершенно недостаточным для проведения быстрой ядерной реакции. Медленная ядерная реакция легких элементов при средней энергии около 10 кэВ практически невозможна по той причине, что отвод энергии излучением в ходе медленной реакции приведет к быстрому падению температуры и полному прекращению реакции”.

2. “Для облегчения возникновения ядерной детонации полезно применение массивных оболочек, замедляющих разлет” [2].

Данный вывод полностью подтвердился историей шестидесятилетних исследований в области ловушечного термояда. В бомбах термоядерная реакция реализована только по той причине, что термоядерное горючее на время развития термоядерной реакции (порядка 100 нс) окружается массивной оболочкой, удерживающей излучение, в котором сосредоточена основная энергия термоядерного взрыва.

Литература:

1.Лифшиц Е М, Питаевский Л П Физическая кинетика (М.: Физматлит, 2007); Lifshitz E M, Pitaevskii L P Physical Kinetics (Oxford: Butterworth-Heinemann, 1995)

2. Андрюшин И А,Чернышев А К, Юдин Ю А УКРОЩЕНИЕ ЯДРА, СТРАНИЦЫ ИСТОРИИ ЯДЕРНОГО ОРУЖИЯ И ЯДЕРНОЙ ИНФРАСТРУКТУРЫ СССР ( Саров, Саранск, Типография «Красный Октябрь» 2003).

Подпишитесь на нашу рассылку
и получайте интересные материалы на электронную почту