Ядерний Синтез: Як Зірки Палять та Чому Його Важко Відтворити

Реакція: дейтерій плюс тритій

Найбільш практична на даному етапі реакція злиття відбувається між дейтерієм (²H) та тритієм (³H): ²H + ³H → ⁴He (3.5 МеВ) + n (14.1 МеВ), що вивільняє загалом 17,6 МеВ – приблизно в 10 мільйонів разів більше енергії на одиницю маси, ніж спалювання вугілля. Гелієвий нуклоне залишається всередині плазми та допомагає підтримувати її температуру; високоенергетичний нейтрон повністю покидає магнітну камеру і відкладає свою енергію як тепло в навколишній захисний екран, який приводить в дію звичайні парові турбіни. Дейтерій є надлишковим та стабільним (30 г на кубічний метр морської води); тритій радіоактивний і рідкісний, тому електростанції розроблені для виробництва його з літону-6 в тому ж захисному екрані.

Кулонівський бар’єр та квантовій перехід

Обидва ядра є позитивно зарядженими, тому вони повинні подолати — або пройти крізь — відштовхуючий електростатичний бар’єр приблизно 1.4 МеВ на ядерній відстані. При 100 мільйонах °C (близько 10 кевлі), теплі іони Д-Т мають значно менше енергії, ніж це. Злиття відбувається все ж таки завдяки квантовому туннелінгу: хвильова функція кожного ядра трохи проникає через бар’єр, що дає невелику, але ненульову ймовірність спонтанного проникнення при кожному близькому підході. Злиття Д-Т має найвищий переріз розрізу при найнижчій енергії будь-якої практичної реакції, пік якого досягається приблизно на 100 кевлі — що саме пояснює, чому це паливо є вибором першого покоління реакторів.

Критерій Лоусона: три способи досягти точки беззбитковості

Для того, щоб плазма з термоядерного синтезу виробляла чисту енергію, добуток щільності n, температури T та часу утримання τ_E повинен перевищити поріг:

n × T × τ_E ≥ 3×10²¹ м⁻³ · кВ·с (D-T, при 15–20 кВ) Існує три шляхи до цього порогу: надзвичайно висока щільність, утримувана лише короткий час (інерційний синтез, стискання палива до 1000 разів густини рідини протягом ~10 наносекунд), помірна щільність плазми, що підтримується протягом секунд (магнітне утримання), або надзвичайно висока температура, яка безпосередньо збільшує реакційну перетинність. Реальні реактори поєднують стратегії, але два домінуючі підходи — токамаки та лазерами-індукований інерційний синтез — знаходяться на протилежних кінцях цього компромісу.

n × T × τ_E ≥ 3×10²¹ m⁻³ · keV · s   (D-T, at 15–20 keV)

Ядерний Синтез: Основні Принципи та Досягнення

Ядерний синтез – це процес, при якому два легкі ядра об’єднуються у більш важке ядро, виділяючи значну кількість енергії. Цей процес є джерелом енергії для зірок, таких як Сонце.

У лабораторних умовах, зокрема в токамаках, науковці намагаються відтворити цей процес. Токамак – це пристрій, який використовує потужні надпровідні магнітні поля для утримання плазми при температурах 100-200 мільйонів °C. Плазма – це суміш іонізованого газу, в якій електрони відірвані від атомів, створюючи електричну провідність.

ITER, будівництво якого розпочалося у Франції у 2010 році, має на меті досягти Q = 10 – тобто десять разів більше енергії, що виділяється в процесі синтезу, ніж енергія, необхідна для його підтримки. Планується проведення експериментів з дейтерію та тритію (D-T) приблизно до 2035 року.

На інерентній стороні, Національний Об’єкт для Ініціації Імпульсу (NIF) здійснив історичну подію у грудні 2022 року. 192 лазерних променів, що доставляють 2,15 МДж енергії, стиснули мікроскопічну капсуль з дейтерію та тритію до 100 мільярдів атмосфер у менше ніж 10 наносекунд, виробивши 3,15 МДж енергії синтезу – вперше в історії вихід енергії від синтезу перевищив енергію, що подавалася лазерами.

Часті запитання

Спробуйте наживо

Усе, що вище, працює прямо у вашому браузері — відкрийте the simulation і змінюйте параметри під час роботи. Нічого не встановлюється, нічого не завантажується на сервер, уся модель живе в одній вкладці.