Курсовая работа: Управляемый термоядерный синтез
Эти реакции медленно протекают параллельно с реакциейдейтерий+гелий-3, а образовавшиеся в ходе нихтритийигелий-3с большой вероятностью немедленно реагируют сдейтерием
2.4 "Безнейтронные" реакции
Наиболее перспективны так называемые "безнейтронные" реакции, так как порождаемый термоядерным синтезом нейтронный поток (например, в реакции дейтерий-тритий) уносит значительную часть мощности и порождает наведенную радиоактивность в конструкции реактора. Реакция дейтерий + гелий-3 является перспективной в том числе и по причине отсутствия нейтронного выхода.
3. Условия
Управляемый термоядерный синтез возможен при одновременном выполнении двух критериев:
- Скорость соударения ядер соответствует температуре плазмы:
- Соблюдениекритерия Лоусона:
(для реакции D-T)
где
— плотность высокотемпературной плазмы,
— время удержания плазмы в системе.
От значения этих двух критериев в основном зависит скорость протекания той или иной термоядерной реакции.
В настоящее время (2010) управляемый термоядерный синтез ещё не осуществлён в промышленных масштабах. Строительствомеждународного экспериментального термоядерного реактора(ITER) находится в начальной стадии.
4. Критерий Лоусона
Критерий Лоусона.Применение законов сохранения энергии и числа частиц позволяет выяснить некоторые предъявляемые к реактору синтеза общие требования, не зависящие от каких-либо особенностей технологического или конструктивного характера рассматриваемой системы. Установка произвольной конструкции содержит чистуюводороднуюплазму с плотностьюппри температуреТ.В реактор вводится топливо, например равнокомпонентная смесь дейтерия и трития, уже нагретая до необходимой температуры. Внутри реактора инжектируемые частицы время от времени сталкиваются между собой и происходит их ядерное взаимодействие. Это полезный процесс; одновременно, однако, из реактора уходит энергия за счёт электромагнитного излучения плазмы и из рабочей зоны ускользает некоторая доля "горячих" (обладающих высокой энергией) частиц, которые не успели испытать ядерные взаимодействия. Пусть t – среднее время удержания частиц в реакторе; смысл величины t таков: за время в 1секиз 1см3 плазмы в среднем уходитn/t частиц каждого знака. В стационарном режиме в реактор надо ежесекундно инжектировать такое же число частиц (в расчёте на единицу объёма). Для покрытия энергетических потерь подводимое топливо должно подаваться в зону реакции с энергией, превышающей энергию потока ускользающих частиц. Эта дополнительная энергия должна компенсироваться за счёт энергии синтеза, выделяющейся в зоне реакции, а также за счёт частичной рекуперации в стенках и оболочке реактора электромагнитного излучения и корпускулярных потоков. Примем для простоты, что коэффициент преобразования в электрическую энергию продуктов ядерных реакций, электромагнитного излучения и частиц с тепловой энергией одинаков и равен h. Величину (часто называют коэффициент полезного действия (кпд). В условиях стационарной работы системы и при нулевой полезной мощности уравнение баланса энергии в реакторе имеет вид: h(Po +Pr +Pt )=Pr +Pt ,(1) гдеPo –мощность ядерного энерговыделения,Pr –мощность потока излучения иPt –энергетическая мощность потока ускользающих частиц. Когда левая часть написанного равенства делается больше правой, реактор перестаёт расходовать энергию и начинает работать как термоядерная электростанция. При написании равенства (1) предполагается, что вся рекуперированная энергия без потерь возвращается в реактор через инжектор вместе с потоком подводимого нагретого топлива. ВеличиныРо ,Pr иPt известным образом зависят от температуры плазмы, и из уравнения баланса легко вычисляется произведение nt= f(T),(2)гдеf(T) для заданного значения кпд h и выбранного сорта топлива есть вполне определённая функция температуры. Нарис. 2приведены графикиf(T) для двух значений h и для обеих ядерных реакций. Если величины h,достигнутые в данной установке, расположатся выше кривойf(T), это будет означать, что система работает как генератор энергии. При h =1 /3 энергетически выгодная работа реактора в оптимальном режиме (минимум на кривыхрис. 2) отвечает условию ("критерии Лоусона"):реакции (d, d):nt >1015 см-3 ·сек; Т~ 109 К; (3)реакции (d, t):nt > 0,5·1015 см-3 ·сек, Т~ 2·108 К. Т.о., даже в оптимальных условиях, для наиболее интересного случая – реактора, работающего на равнокомпонентной смеси дейтерия и трития, и при весьма оптимистических предположениях относительно величины (необходимо достижение температур ~ 2·108 К. При этом для плазмы с плотностью ~ 1014 см-3 должны быть обеспечены времена удержания порядка секунд.
Конечно, энергетически выгодная работа реактора может происходить и при более низких температурах, но за это придется "расплачиваться" увеличенными значениямиnt.
Итак, сооружение реактора предполагает:
1) получение плазмы, нагретой до температур в сотни миллионов градусов;
2) сохранение плазменной конфигурации в течение времени, необходимого для протекания ядерных реакций. Исследования поУправляемый термоядерный синтезведутся в двух направлениях – по разработке квазистационарных систем, с одной стороны, и устройств, предельно быстродействующих, с другой.