Материал: Морозов Введение в теорию горячей плазмы Ч.1 2011

оказалась весьма капризным и трудно управляемым объектом. Потребовались очень глубокие и серьезные исследования. Сроки были пересмотрены и растянуты до 20 лет. Но время шло, а оценка « через 20 лет» сохранялась. Злые языки стали говорить, что 20 лет – это новая мировая константа.

C точки зрения получения энергии, выделяющейся при синтезе легких ядер, наиболее интересными являются реакции, представленные ниже:

1.а. Реакция дейтерий-дейтерий идет по двум каналам. По первому каналу в результате реакции рождаются ядро трития с энергией 1.01 МэВ и протон с энергией 3.03 МэВ. Сечение реакции максимально при энергии Emax 2 МэВ. Этот максимум равен max 1.16 барн. (Напомним, что 1 барн равен 10−24 см2)

1.б. Канал соответствует рождению ядра с энергией 0.83 МэВ и нейтрона с энергией 2.45 МэВ.

6

2.При реакции дейтерий – тритий рождаются

ядро Не4 с энергией 3.52 МэВ и нейтрон с энергией 14.06 МэВ. Эта реакция по сравнению с другими имеет самое большое сечение 5 барн, и достигается оно при сравнительно небольшой энергии 150 кэВ.

Именно эта реакция наиболее легко осуществима в термоядерном реакторе.

3.И, наконец, реакция D He, привлекательная тем, что все продукты реакции являются заряженными частицами, которые удерживаются магнитным полем, а гелий-3, по предположениям, должен содержаться в большом количестве в лунном грунте, где образовался в результате длительной бомбардировки лунной поверхности солнечными космическими лучами. Скорости реакции в максвелловской плазме как функции температуры приведены на рис. 1. Полная скорость реакции а) определяется из того, что она идет в два этапа: сначала реакция с рождением гелия-3, а затем реакция в).

Мы еще многого не понимаем в процессах, происходящих в горячей плазме, однако наших знаний уже достаточно, чтобы начать строительство большого токамака, в котором энергия, получаемая

врезультате термоядерной реакции, превосходила бы примерно на порядок энергию, затрачиваемую на нагрев плазмы. Строительство установки типа «токамак» под названием ИТЭР (рис. 2) начато международным сообществом в 2007 г. во Франции. Первую плазму в этой установке надеются получить в 2018 г., но не исключено, что это – слишком оптимистическая оценка.

7

Рис. 1. Сечения термоядерных реакций как функции энергии (а) и их скорости как функции температуры (б)

Заметим, что развиваются и другие направления управляемого синтеза. Это стеллараторы и пинчи для магнитного удержания, и инерционное удержание, когда мишень из дейтериево-тритиевой смеси обжимается и нагревается либо различного рода излучениями, либо потоками частиц, ускоренными до релятивистских скоростей. При этом токамак, скорее всего, не является ни самым простым, ни самым удобным термоядерным реактором. Однако именно токамаки ближе всего подошли к осуществлению термоядерной реакции с

8

положительным выходом энергии. Следует также упомянуть такой перспективный и легко реализуемый «гибридный» реактор, в котором основным источником энергии является деление ядер урана-238. Эти ядра могут делиться только быстрыми нейтронами, а источником таких нейтронов будет являться термоядерное устройство. Требования к параметрам такого реактора существенно мягче, чем к параметрам чисто термоядерного реактора.

За годы развития физики плазмы появилось множество других приложений этой науки. Это и плазмохимия, позволяющая получать химические соединения, которые иным способом получить не удается, и упрочнение металлических поверхностей с помощью имплантации ионов, и космические двигатели малой тяги, предназначенные для маневров на орбите, и магнитогидродинамические генераторы, преобразующие тепловую энергию плазмы непосредственно в электрическую. Впрочем, всего не перечислить.

Физику плазмы называют поздним ребенком классической физики. Это верно лишь отчасти. С одной стороны, динамика плазмы во многих случаях описывается уравнениями, основанными на представлениях ньютоновской или релятивистской механики. С другой стороны элементарные процессы взаимодействия электронов с ионами, такие как ионизация, рекомбинация и излучение носят сугубо квантовый характер. И, наконец, динамика неоднородной плазмы (а именно таковой она является в термоядерных установках) во многих

9

случаях описывается уравнениями, аналогичными уравнению Шредингера. Следовательно, математический аппарат, разработанный в свое время для квантовой механики, с успехом применяется и в физике плазмы.

Рис. 2. Проект токамака ИТЕР в разрезе.

Для того, чтобы понять масштаб сооружения, внизу нарисована маленькая фигурка. Это человек.

Интересно заметить, что такое единство математического описания различных физических (и не только физических) проблем встречается

10