Цей симулятор моделює реакцію синтезу дейтерію та тритію (D+T) всередині токамаку — тороїдального пристрою, що використовує магнітні поля для утримання гарячої плазми. Він оцінює потрійний добуток nTτ (густина × час утримання × температура) відносно критерію Лосона — приблизно 3×10²¹ м⁻³·с·кеВ — порогу, який реактор повинен перевищити, щоб підтримувати горіння плазми. Вигляд зверху у поперечному перерізі показує камеру, польові котушки та тороїдальну плазму, що світиться.
Три повзунки задають температуру плазми T (1–100 кеВ), густину іонів n (10¹⁹–10²¹ м⁻³) та час утримання енергії τ (0,1–10 с). Симулятор обчислює реактивність D-T за апроксимацією з довідника NRL, визначає густини потужності синтезу та нагріву і повідомляє коефіцієнт енергетичного підсилення Q = P_синтез / P_нагрів. Досягнення цих умов є головним інженерним завданням для реакторів типу ITER та майбутніх електростанцій.
Що саме показує цей симулятор?
Він показує поперечний переріз токамаку з D-T плазмою та відстежує, чи досягають обрані вами умови займання синтезу. Коли ви рухаєте повзунки, симулятор перераховує потрійний добуток Лосона nTτ, густини потужності синтезу й нагріву та коефіцієнт Q, запалюючи значок займання, щойно плазма перетинає критерій.
Що таке критерій Лосона?
Критерій Лосона — це мінімальний потрійний добуток густини, часу утримання енергії та температури, необхідний для самопідтримуваної реакції синтезу. Для палива D-T симулятор використовує поріг близько 3×10²¹ м⁻³·с·кеВ. Нижче нього енергія витікає швидше, ніж синтез її поповнює; вище — плазма здатна нагрівати себе сама.
Що таке коефіцієнт Q?
Q — це відношення виробленої потужності синтезу до підведеної зовнішньої потужності нагріву: Q = P_синтез / P_нагрів. Q = 1 означає науковий беззбитковість, тобто реакція виробляє стільки енергії, скільки в неї вкладено. Коли Q стає дуже великим, плазма переходить у режим самонагріву, який симулятор позначає як займання (Q → ∞).
Реакція D+T має найбільший перетин при найнижчих температурах серед усіх видів термоядерного палива, тому її найлегше запалити. У ній два ізотопи водню зливаються в гелій-4 (з енергією 3,5 МеВ) і швидкий нейтрон (14,1 МеВ), виділяючи загалом 17,6 МеВ. Цей нейтрон несе більшу частину енергії і в реальному реакторі нагрівав би бланкет для вироблення електрики.
Повзунок температури T задає енергію іонів у кеВ, контролюючи, як часто вони долають взаємне відштовхування для злиття. Повзунок густини n визначає кількість паливних іонів у кубічному метрі. Повзунок часу утримання τ задає, як довго плазма зберігає енергію до її витоку. Усі три множаться у потрійному добутку, тому збільшення будь-якого з них наближає до порогу Лосона.
Температури плазми виражають через енергію: 1 кеВ відповідає приблизно 11,6 мільйона кельвінів. Отже, стандартне значення 10 кеВ — це близько 116 мільйонів градусів, що значно гарячіше за центр Сонця. Термоядерні пристрої потребують таких екстремальних умов, бо паливні іони мусять рухатися достатньо швидко, щоб тунелювати крізь кулонівський бар'єр між своїми позитивними зарядами.
Густина потужності синтезу масштабується приблизно як 0,25 × n² × реактивність × E_синтез, де реактивність — залежний від температури середній добуток перетину на швидкість, а E_синтез = 17,6 МеВ, виділені в одній реакції. Густина потужності нагріву моделюється як 3nT/τ. Їхнє відношення дає Q. Реактивність обчислюється за параметричною апроксимацією стандартних D-T даних із довідника плазми NRL.
Залежності та порядки величин реалістичні й засновані на стандартних формулах термоядерного синтезу, тому симулятор передає справжні компроміси між температурою, густиною та утриманням. Однак реактивність є спрощеною апроксимацією, а модель потужності не враховує радіаційних втрат, домішок, геометрії та нестабільностей. Це навчальний інструмент, а не код для проєктування реакторів.
Гаряча плазма постійно втрачає енергію через турбулентність, теплопровідність і випромінювання, тому утримати її навіть протягом секунди надзвичайно складно. Токамаки використовують потужні магнітні поля від тороїдальних і полоїдальних котушок, щоб утримувати заряджені частинки на вкладених магнітних поверхнях. Нестабільності плазми, зриви та теплові навантаження на стінки разом скорочують τ нижче теоретичного ідеалу.
Так. У 2022 році Національна установка запалювання (NIF), яка використовує інерційне утримання лазерами, а не токамак, досягла виходу енергії синтезу, що перевищив енергію лазерного імпульсу, доставленого до палива. Токамаки з магнітним утриманням, як-от JET, виробляли значну потужність синтезу протягом коротких імпульсів, а ITER будується з метою досягти сталого Q близько 10.
Синтез обіцяє рясне паливо — дейтерій у достатку міститься в морській воді, а тритій можна напрацьовувати з літію, — без довгоживучих радіоактивних відходів і без ризику некерованого розплавлення. Одна реакція синтезу виділяє у мільйони разів більше енергії на кілограм, ніж спалення вуглецевого палива. Подолання критерію Лосона — ключовий крок до практичної термоядерної електроенергетики.