Реакция дейтерий-тритий и ее параметры

Одной из ключевых реакций в термоядерном синтезе является реакция между ядрами дейтерия (^2H) и трития (^3H). Она отличается относительно низким кулоновским барьером и высокой сечением реакции при доступных для лабораторного синтеза энергиях, что делает её наиболее перспективной для практической энергетики.

2H + 3H → 4He(3.5 МэВ) + n(14.1 МэВ)

Эта реакция сопровождается выделением 17.6 МэВ энергии, распределённой между альфа-частицей и нейтроном. Высокая доля энергии уносится нейтроном, что создаёт как преимущества (передача энергии в теплообменные системы), так и технологические трудности (радиоактивное облучение конструкционных материалов).

Энергетический выход

  • Полный выход реакции: 17.6 МэВ.
  • Энергия альфа-частицы: 3.5 МэВ.
  • Энергия нейтрона: 14.1 МэВ.

Альфа-частицы, благодаря электрическому заряду, остаются в плазме и способствуют её нагреву (самоподдержание реакции), в то время как нейтроны покидают плазму и передают энергию конструкциям реактора.

Сечение реакции

Сечение реакции D–T резко возрастает при энергиях в диапазоне 10–100 кэВ, достигая максимума около 5 барн при энергии ~100 кэВ.

Особенности:

  • Минимальный кулоновский барьер по сравнению с другими перспективными реакциями.
  • Возможность достижения эффективного сечения при температурах порядка десятков миллионов кельвинов.
  • На практике оптимальная температура для D–T синтеза составляет около 10–20 кэВ (≈100–200 млн К).

Параметры плазмы и критерий Лоусона

Для устойчивого протекания реакции необходимо выполнение критерия Лоусона:

nTτE ≥ f

где:

  • n — концентрация частиц,
  • T — температура,
  • τE — время удержания энергии,
  • f — критическое значение, зависящее от конкретной реакции.

Для реакции D–T критическое произведение:

nτE ≈ 1014 см−3 ⋅ с  при T ≈ 15 кэВ.

Таким образом, именно реакция D–T требует наименьших значений параметра удержания по сравнению с альтернативными (D–D или D–^3He).

Преимущества реакции D–T

  • Наибольшее сечение среди доступных термоядерных реакций.
  • Низкая температура зажигания по сравнению с другими топливными циклами.
  • Возможность получения стабильного режима при существующих технологиях магнитного и инерциального удержания плазмы.

Трудности и ограничения

Несмотря на привлекательность, реакция D–T сопровождается рядом проблем:

  1. Нейтронный поток

    • Нейтроны с энергией 14.1 МэВ вызывают радиационное повреждение конструкций реактора.
    • Активируются материалы, создавая радиоактивные изотопы и усложняя обслуживание.

  2. Добыча трития

    • Тритий в природе практически отсутствует (его период полураспада ~12.3 лет).

    • Необходима генерация трития внутри реактора из лития по реакциям:

      6Li + n → 4He + 3H + 4.8 МэВ

      7Li + n → 4He + 3H + n − 2.5 МэВ

    • Реализация замкнутого цикла обращения с тритием — одно из ключевых условий энергетической эффективности.

  3. Проблемы удержания плазмы

    • Высокая тепловая нагрузка на стенки камеры.
    • Необходимость стабильного магнитного или инерциального удержания при температурах в сотни миллионов градусов.

Сравнение с другими реакциями

Реакции D–D и D–^3He имеют более высокую температуру зажигания и меньшее сечение. Однако они менее нейтронно-опасны. В то же время именно D–T реакция является первым этапом на пути к промышленному синтезу, так как её параметры лежат ближе к современным технологическим возможностям.

Оглавление