Термоядерный реактор.
Термоядерный реактор - устройство для получения энергии за счёт реакций термоядерного синтеза лёгких атомных ядер, происходящих в плазме при очень высоких температурах (>108К).
Основное требование, которому должен удовлетворять термоядерный реактор, заключается в том, чтобы энерговыделение в результате термоядерных реакций (TP) с избытком компенсировало затраты энергии от внешних источников на поддержание реакции.
Основной и единственный кандидат для базовой энергетики - это ядерная энергия. В настоящее время, для получения энергии освоены лишь ядерные реакции деления, которые используются на современных атомных электростанциях. Управляемый термоядерные синтез, пока, лишь потенциальный кандидат для базовой энергетики.
Все изобретенные за 50 лет устройства можно разделить на два больших класса:
1. Реакторы с зажиганием самоподдерживающейся термоядерной реакции. Стационарные или квазистационарные системы.
К нему относятся реакторы, которым энергия от внешних источников необходима только для зажигания термоядерной реакции. Далее реакция поддерживаются за счёт энергии, выделяющейся в плазме при термоядерной реакции, например в дейтерий-тритиевой смеси на поддержание высокой температуры расходуется энергия a-частиц, образующихся в ходе реакций. В смеси дейтерия с 3He энергия всех продуктов реакций, т. е. a-частиц и протонов, расходуется на поддержание необходимой температуры плазмы. В стационарном режиме работы термоядерного реактора энергия, которую несут заряженные продукты реакций, компенсирует энергетические потери из плазмы, обусловленные в основном теплопроводностью плазмы и излучением. Пример такого термоядерного реактора: токамак, стелларатор.
В системах, основанных на магнитном удержании горячей плазмы; В этом случае, плотность плазмы невелика и превышение энергии выделяемой при управляемом термоядерном синтезе над энергией вводимой в систему (критерий Лоусона) достигается за счет хорошего удержания энергии в системе, т.е. большого энергетического времени жизни плазмы. Поэтому, системы с магнитным удержанием имеют характерный размер плазмы порядка нескольких метров и относительно низкую плотность плазмы, n ~ 1020 м-3 (это примерно в 105 раз ниже, чем плотность атомов при нормальном давлении и комнатной температуре).
2. Реактор с поддержанием горения термоядерных реакций. Импульсные системы.
К нему относятся реакторы, в корых для поддержания горения реакций недостаточно энергии, выделяющейся в плазме в виде заряженных продуктов реакций, а необходима энергия от внешних источников. Это происходит в тех термоядерных реакторах, где велики энергетические потери, например открытая магнитная ловушка, токамак, работающий в режиме по плотности и температуре плазмы ниже кривой зажигания термоядерной реакции. Эти два типа реакторов включают все возможные виды термоядерных реакций, которые могут быть построены на основе систем с магнитным удержанием плазмы (токамак, стелларатор, открытая магнитная ловушка и др.) или систем с инерциальным удержанием плазмы.
В импульсных системах критерий Лоусона может достигается за счет сжатия термоядерных мишеней лазерным или рентгеновским излучением и создания смеси с очень высокой плотностью. Время жизни в импульсных системах мало и определяется свободным разлетом мишени. Основная физическая задача, в этом направлении управляемого термоядерного синтеза, заключается в снижении полной энергии взрыва до уровня, который позволит сделать практический термоядерный реактор.
Оба типа систем, не смотря на многочисленные проблемы, уже, вплотную подошли к созданию экспериментальных машин термоядерного синтеза с положительным выходом энергии, в которых будут проверены основные элементы будущих термоядерных реакторов.
Разработка термоядерного реактора с магнитным удержанием более продвинута, чем систем с инерциальным удержанием.
В настоящие время идет реализация проекта ITER (ИТЭР) — международного экспериментального термоядерного реактора разрабатывается с 1988 четырьмя сторонами - СССР (с 1992 Россия), США, странами Евратома и Японией. Задача ИТЭР заключается в демонстрации возможности коммерческого использования термоядерного реактора и решении физических и технологических проблем, которые могут встретиться на этом пути. Проектирование реактора полностью закончено и выбрано место для его строительства — исследовательский центр Кадараш (фр. Cadarache) на юге Франции, в 60 км от Марселя.