Термоядерный синтез представляет собой процесс объединения легких ядер в более тяжелые с выделением огромного количества энергии. Наиболее изученными реакциями являются реакции с участием изотопов водорода: дейтерия (D) и трития (T):
D + T→4He + n + 17, 6 МэВ
D + D → T + p + 4, 03 МэВ
D + D→3He + n + 3, 27 МэВ
Энергетический выход реакций DT значительно выше, чем у DD, что делает их приоритетными для первых экспериментов по управляемому термоядерному синтезу. Ключевым параметром является энергия кулоновского барьера, которую должны преодолеть ядра для реакции. Для дейтерий-тритиевого синтеза она составляет порядка сотен киловольт в эквиваленте кинетической энергии частиц, что соответствует температурам порядка 100 миллионов Кельвин.
Для реализации термоядерного синтеза вещество должно находиться в состоянии плазмы — ионизированного газа с высокой температурой. В экстремальных условиях плазма характеризуется:
Для описания поведения плазмы используют уравнения гидродинамики, модифицированные под электромагнитное взаимодействие (магнитогидродинамика — МГД):
$$ \frac{\partial \rho}{\partial t} + \nabla \cdot (\rho \mathbf{v}) = 0 $$
$$ \rho \frac{d \mathbf{v}}{dt} = - \nabla p + \mathbf{J} \times \mathbf{B} + \rho \mathbf{g} $$
$$ \frac{\partial \mathbf{B}}{\partial t} = \nabla \times (\mathbf{v} \times \mathbf{B}) - \nabla \times (\eta \mathbf{J}) $$
где ρ — плотность, v — скорость, p — давление, B — магнитное поле, J — плотность тока, η — магнитная диффузия. Эти уравнения описывают динамику плазмы в условиях магнитного удержания, характерного для токамаков и стеллараторов.
Магнитное удержание (магнитные ловушки) основывается на взаимодействии плазмы с внешним магнитным полем, предотвращающем контакт горячей плазмы со стенками камеры. Основные конфигурации:
Инерциальное удержание реализуется с помощью мощных лазеров или ионных пучков, сжимающих микроскопические топливные капсулы до экстремальных плотностей и температур. Для успешного синтеза необходимо соблюдение условия Лоусона:
$$ n \tau_E \geq \frac{12 k_B T}{\langle \sigma v \rangle Q} $$
где n — плотность плазмы, τE — время удержания энергии, ⟨σv⟩ — термоядерная реакционная вероятность, Q — энергия реакции.
Для устойчивого термоядерного синтеза необходимо, чтобы выделяемая энергия превысила потери энергии. Основные механизмы потерь:
Критерий Лоусона в форме для DT реакции:
nτE ≥ 1014 с/см3
При выполнении этого условия достигается “энергетический выход больше единицы”, что делает процесс самоподдерживающимся.
Реакция DT сопровождается выделением высокоэнергетичного нейтрона (En ∼ 14, 1 МэВ), который покидает магнитное удержание и может использоваться для производства энергии через теплообмен с жидким металлом (например, литий). Взаимодействие нейтронов с литиевым покрытием ведет к образованию трития и тепла:
6Li + n → T+4He + 4, 8 МэВ
Это создает замкнутый цикл воспроизводства топлива для реактора.
При температурах T > 108K кинетическая энергия ядер превосходит кулоновский барьер, но квантовое туннелирование по-прежнему критично для вероятности реакции, особенно при реакциях DD и D^3He. Вероятность реакции оценивается через функцию Гамова:
$$ P(E) \sim \exp \left(- \sqrt{\frac{E_G}{E}} \right) $$
где EG — энергия Гамова, характеризующая кулоновский барьер. Квантовое туннелирование обеспечивает возможность синтеза даже при температурах ниже “классического” порога, что особенно важно для астрофизических условий и моделирования звёздных процессов.
Работа в экстремальных условиях предъявляет уникальные требования к материалам:
Используются высокотемпературные сплавы, керамика и композиты на основе бериллия и вольфрама, а также жидкометаллические стенки для отвода тепла и снижения эрозии.
Изучение термоядерного синтеза в экстремальных условиях не только направлено на создание чистого источника энергии, но и позволяет исследовать:
Фундаментальные исследования дают ключ к пониманию процессов, происходящих в звездах, суперновых и в ранней Вселенной, а также обеспечивают основу для разработки управляемых термоядерных реакторов будущего.