Ядерний Синтез: Критерій Лазоні та Токамак

One reaction, two products, 17.6 MeV

The most practical fusion reaction for near-term power generation fuses two hydrogen isotopes, deuterium and tritium, into helium plus a neutron:

²H + ³H → ⁴He (3.5 MeV) + n (14.1 MeV) Total energy released: 17.6 MeV per reaction The mass deficit between reactants and products converts directly to energy via ΔE = Δm·c² — about 10 million times more energy per unit mass than burning coal. The helium-4 nucleus, being charged, stays trapped by the magnetic field and reheats the plasma, which is what eventually lets a reactor sustain itself. The neutron, having no charge, passes straight through the magnetic confinement and deposits its much larger 14.1 MeV share of the energy as heat in a surrounding blanket — the heat that actually drives a turbine. Deuterium is abundant (about 30 g per cubic metre of seawater); tritium is radioactive and scarce, so power plants are designed to breed their own from lithium-6 in that same neutron blanket.

²H + ³H → ⁴He (3.5 MeV) + n (14.1 MeV)
Total energy released: 17.6 MeV per reaction

Проникнення через потенційний бар’єр Кулона

Обидва ядра несуть позитивний заряд, тому вони відштовхуються один від одного електростатично. На ядерній відстані (~1 фм) цей бар’єр Кулона становить приблизно 1,4 МеВ — але плазма при 100 мільйонах °C надає іонам лише близько 10 кТ із теплової енергії, вдвічі менше. Злиття все ще відбувається завдяки квантовому тунелінгу: хвильова функція ядра трохи проникає через бар’єр, що дає невеликий, але ненульовий шанс на спонтанний проникнення при кожному близькому підході. D-T має найвищий переріз реакції серед будь-якої пари паливних матеріалів на найнижчій енергії, досягаючи піку близько 65 мільлібанів поблизу 100 кТ, що саме пояснює його як перший за своєю суттю паливо.

Критерій Лазоні: три способи досягти одного числа

Для плазми, щоб виробляти більше енергії, ніж коштує її підтримка, добуток щільності n, температури T та часу утримання енергії τE повинен перевищити поріг:

n · T · τE ≥ 3×10²¹ м⁻³ · кевл·с (D-T, 15–20 кев) Оскільки це добуток трьох факторів, існують три життєздатні стратегії: збільшити щільність екстремально високо та підтримувати її протягом наносекунд (інерційне утримання), підтримувати помірну щільність протягом секунд (магнітне утримання) або підвищити температуру, щоб збільшити реакційний переріз — справжні реактори комбінують усі три до певної міри.

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

Tokamaks: magnetically suspended plasma

A tokamak confines plasma in a toroidal (donut-shaped) vessel using powerful superconducting magnets, so the 100–200 million °C plasma never touches a physical wall. Two field components — toroidal (running along the donut) and poloidal (wrapping around its cross-section) — combine into helical field lines that charged particles spiral along, unable to easily escape sideways. ITER, under construction in France since 2010, is the largest tokamak ever built, with an 847-tonne central solenoid producing a 13-tesla field; its design target is Q = 10, with D-T experiments expected around 2035. Japan's JT-60SA achieved first plasma in December 2023 and is currently the largest operating superconducting tokamak.

Q factor, ignition, and where things stand

The Q factor is simply fusion power out divided by heating power in. Q = 1 is scientific breakeven; Q = ∞, called ignition, is the point where the plasma's own fusion-generated heat (via the trapped helium-4) sustains the reaction with no external heating input at all — the ultimate goal of the whole field.

In December 2022 the National Ignition Facility's 192 lasers, delivering 2.15 MJ to compress a millimetre-scale D-T capsule to 100 billion atmospheres in under 10 nanoseconds, produced 3.15 MJ of fusion energy from 2.05 MJ of laser light — the first time any experiment exceeded Q = 1 on that basis, though the roughly 300 MJ drawn from the grid to power the lasers means the plant as a whole is nowhere near net electricity yet.

On the magnetic-confinement side, JET (UK) set a record of 59 MJ over five seconds of D-T plasma in 2022 (Q ≈ 0.67), and ITER's Q = 10 target, plus a wave of private ventures (Commonwealth Fusion, TAE, Helion) targeting net electricity in the 2030–2035 window, define the next decade of progress.

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.