Почему до сих пор нет термояда?

moralg — 05.02.2021 По нескольку раз в год появляются сообщения об очередных достижениях в длительном удержании высокотемпературной плазмы в токамаках. С температурой, достигающей 100 млн.°К и временем удержания вплоть до минуты. Но термоядерная реакция почему-то не зажигается.
      В то же время в недрах Солнца термоядерная реакция идет непрерывно при температуре всего в 15 млн.°К. Почему же  физики до сих пор не могут зажечь термояд?

     Актом термоядерной реакции является слияние двух тяжелых ядер водорода (дейтерия с дейтерием или дейтерия с тритием) в ядро гелия. Это происходит при практически лобовом столкновении ядер. Но для такого столкновения нужны высокие скорости ядер с тем, чтобы продолеть силы их кулонового отталкивания. Высокие скорости обеспечиваются высокой температурой (скорость частиц, как мы знаем, пропорциональна квадратному корню из температуры). Но сами столкновения происходят только в том случае, если длина свободного пробега ядер будет многократно меньше размера установки, в которой удерживается плазма. То есть, плазма должна быть достаточно плотной (столкновительной). А вот этого физикам до сих пор сделать не удается.
      Насколько плотной должна быть плазма? На этот вопрос отвечает критерий Лоусона (1955). Ответ дается графиком в координатах  nτ <==> T°К, где n - плотность плазмы (число ядер в кубическом сантиметре) и τ - время удержания плазмы в секундах. А зона параметров, в которой может идти стационарная термоядерная реакция, лежит выше кривых на графике:

      Из этого графика видно, что зажечь термояд в плазме из смеси ядер дейтерия и трития будет гораздо легче, чем в чисто дейтериевой плазме. Кривые с разными параметрами η показывают, какая часть вырабатываемой реактором энергии возвращается в реактор для поддержания стационарной термоядерной реакции.
      Как видно из второго графика (он сделан по состоянию на конец 1970-х), температуры ~ 100 млн.°К достичь несложно. Но создать достаточно плотную плазму и достаточно долго ее удерживать до сих пор не удается.

      Почему же не удается создать достаточно плотную плазму? Плазму нужно удержать в ограниченном объеме. В недрах Солнца ее удерживают гравитация Солнца и давление внешних его слоев. На Земле же этих факторов нет. Но никакие стенки земных устройств не устоят перед температурой в миллионы градусов. Поэтому ее удерживают магнитным полем. Ибо заряженные частицы (ядра и электроны) могут двигаться поперек магнитного поля только крутясь вокруг его силовых линий. Оптимальной для удержания плазмы является конфигурация магнитного поля, создаваемая в токамаках. В них силовые линии магнитного поля похожи на нитки, намотанные на баранку (или на проволоку, намотанную на тороидальную катушку).
      Одиночным заряженным частицам с таких силовых линий соскочить практически не удается. Но в больших коллективах частиц развиваются довольно сильные неустойчивости, выбрасывающие в конечном счете сгустки плазмы за пределы магнитной системы ее удержания. То есть, на стенки экспериментальной установки (токамака). Этот фактор и препятствует усилиям создать установки, в которых может идти стационарная термоядерная реакция.

  Остается надеяться, что в уже давно строящемся на юге Франции реакторе ITER термояд будет получен.

Оставить комментарий

Популярные посты:

• Ранее
• Архив