ВВЕДЕНИЕ
В своем докладе на научной сессии, посвященной 250-летию Академии наук СССР, еще в 1975 году, академик П.Л. Капица [1] сделал анализ наиболее употребительных видов энергии — электрическая, тепловая, химическая, механическая, и так называемой ядерной. При этом он показал проблемы и ограничения, которые существовали на тот момент в развитии существующих источников энергопотребления. Основной, сделанный им вывод не претерпел изменений за прошедшие 40 лет, и заключается в том, что лучшим выходом в решении энергетической проблему Земли нужно считать получение энергии путем термоядерного синтеза. Этот процесс в импульсном режиме осуществляется в водородной бомбе, но для мирного использования он должен быть замедлен до стационарного состояния. Все трудности, которые возникают при использовании других видов энергии, будут отсутствовать, потому что термоядерный процесс не дает в ощутимых количествах радиоактивных шлаков, не представляет большой опасности при аварии, не может быть использован для бомбы как взрывчатое вещество и не занимает большие территории суши. И наконец, запас дейтерия в природе, в океанах, еще больше, чем запас урана.
Существует четыре основных источника ядерной энергии. К настоящему времени доведено до промышленной реализации только два из них: энергия радиоактивного распада реализована в виде источников тока, а цепная реакция деления – в атомных реакторах. Третий, один из наиболее мощных источников ядерной энергии – аннигиляция вещества и антивещества пока не вышел из области научной фантастики. Четвертый же источник – управляемый термоядерный синтез (УТС), находится в стадии интенсивной разработки. Этот источник по своему потенциалу уступает только аннигиляционным процессам, и существенно превышает возможности ядерных реакций деления. Перспективы УТС связаны с двумя обстоятельствами: первое — все звезды, и наше Солнце, в том числе, существует за счет протекающих в них стационарных термоядерных реакций, второе — неконтролируемый термоядерный процесс удалось достаточно просто реализовать в импульсном режиме при взрыве водородной бомбы. Таким образом, нет никаких принципиальных препятствий для поддержания управляемых реакций ядерного синтеза в земных условиях. Однако, интенсивные попытки реализовать в лабораторных условиях УТС пока не увенчались успехом. При этом существуют реальные предпосылки того, что термоядерный синтез будет поставлен на службу энергетики в текущем веке.
Ядерный синтез, термоядерный синтез — реакция слияния (синтеза) лёгких атомных ядер с образованием более тяжелых ядер за счет их кинетической энергии. Для того, чтобы произошла ядерная реакция, исходные атомные ядра должны преодолеть так называемый «кулоновский барьер» — силу электростатического отталкивания между ними. Для этого они должны иметь большую кинетическую энергию. Существуют классические представления о том, что термоядерные реакции происходят лишь при очень высоких температурах, порядка десятков миллионов градусов и выше. При этом температура является только способом увеличения скорости движения частиц за счет смещения максвелловского распределения их скорости в сторону больших значений. При этом температура характеризует лишь среднюю кинетическую энергию, то есть существуют частицы как с меньшей энергией, так и с большей. На самом деле в термоядерной реакции обычно участвует небольшое количество ядер, имеющих энергию намного больше средней (т.н. «хвост максвелловского распределения»).
Однако получить большие скорости движения частиц, можно не только повышая их температуру, но и ускоряя их в различных ускорителях. Так неоднократно было показано, что реакции ядерного синтеза могут происходить при воздействии на различные мишени пучков частиц, получаемых на мощных ускорителях. При этом практически любые нуклиды, даже самые тяжёлые, можно вовлечь в реакции синтеза. Однако во многих случаях затраты энергии в таких процессах будут значительно превышать энергетический выигрыш.
Поэтому для достижения состояния эффективного осуществления термоядерной реакции под действием потока ускоренных частиц, необходимо обеспечить: во-первых высокую энергию бомбардирующих частиц, чтобы обеспечить максимальное сечение реакции с одной стороны, и во-вторых высокую плотность потока ускоренных частиц, для обеспечения большей доли прореагировавших частиц. Кроме того мишень должна быть построена так чтобы уменьшить рассеяние частиц на электронах, содержащихся в мишени. Потому, естественно для этих целей не годятся мишени из металлов и твердых веществ. Таким образом, лучше всего использовать мишени в виде газов.
Существуют два типа термоядерных реакций, которые можно использовать при создании подобного реактора. Это реакции с участием и образованием нейтронов и, так называемые безнейтронные реакции.
Безнейтронное слияние это любая форма энергии термоядерного синтеза, в котором нейтроны не несут более чем 1% от общей выделившейся энергии [2]. В наиболее изученных термоядерных реакциях, выделяется до 80% своей энергии в нейтронах. Успешное применение безнейтронного слияния, будет в значительной степени уменьшать проблемы, связанные с нейтронным излучением, такие как ионизирующее повреждения, нейтронная активация, и требования к биологической защите, дистанционное обращение и безопасность. Тем не менее, условия, необходимые, для использования безнейтронного слияния гораздо более экстремальные, чем те, которые требуются для обычного дейтерий-тритиевого (DT) топливного цикла. Тем более образующиеся нейтроны способны осуществлять еще целый ряд ядерных реакций с легкими элементами, давая дополнительный вклад в суммарную энергетику процесса.
Скорости реакций с участием р, 3He, и других элементов не особенно высоки. Однако, когда реализуются в виде цепочки реакций, они дают возможность повышенной реактивности вследствие нетеплового распределения. Продукт от одной реакции, может участвовать во второй реакции, а продукты образовавшийся во второй реакции могут принимать участие в первой реакции, и так далее.
Наиболее изученными на сегодняшний день являются D-D – реакции, D-T- реакции и D-3He-реакции. Интерес представляют реакции p — 7Li и р — 11B. Однако первая реакция имеет меньше сечение, что, однако, смягчается удвоенной выходной мощностью. По указанным выше причинам, большинство исследований слияния сосредоточилось на реакции, р — 11B [3,4].
Исходя из вышеизложенного, можно предположить, что существует реальная возможность создания термоядерного реактора, основанного на использовании газообразных мишеней, пучков ускоренных частиц и цепочек ядерных реакций под действием пучков частиц и образующихся в этих реакциях других высокоэнергетических частиц. Настоящая статья посвящена обоснованию этого предположения.
Продолжить чтение в формате PDF
