Выгорание топлива и образование гелия

Термоядерное горение представляет собой процесс слияния лёгких ядер с образованием более тяжёлых и выделением огромного количества энергии. В контексте плазмы термоядерного реактора основным топливом выступают изотопы водорода — дейтерий (D) и тритий (T). Процесс их слияния можно схематически представить следующим образом:

D + T →  4He(3.5 МэВ) + n(14.1 МэВ)

Здесь 4He — это ядро гелия, а n — нейтрон, который уносит основную часть энергии реакции. Выделение энергии в форме кинетической энергии продуктов реакции создает основу для нагрева плазмы и поддержания термоядерного горения.

Ключевой момент: основное топливо (D и T) постепенно расходуется, а накапливается продукт реакции — ядро гелия (альфа-частица). Этот процесс называется выгоранием топлива.

Кинетика выгорания и роль альфа-частиц

Скорость выгорания топлива описывается системой уравнений, учитывающих плотности частиц и сечение реакции:

$$ \frac{dn_D}{dt} = -\langle \sigma v \rangle n_D n_T $$

$$ \frac{dn_T}{dt} = -\langle \sigma v \rangle n_D n_T $$

$$ \frac{dn_{He}}{dt} = \frac{1}{2} \langle \sigma v \rangle n_D n_T $$

Здесь ⟨σv⟩ — термоядерная реакционная скорость, зависящая от температуры плазмы.

Альфа-частицы, образующиеся в процессе D–T реакций, обладают энергией около 3.5 МэВ. Они играют критическую роль в самоподогреве плазмы: большая часть энергии этих частиц передается плазме через кулоновские столкновения, что снижает потребность во внешнем нагреве.

Энергетический баланс и плазменное самоограничение

Энергетический баланс плазмы можно представить через уравнение:

$$ \frac{dW}{dt} = P_\alpha + P_{\text{внеш}} - P_{\text{потери}} $$

где:

  • W — энергия плазмы,
  • Pα — мощность, внесенная альфа-частицами,
  • Pвнеш — внешнее отопление (лазерное или радио-частотное),
  • Pпотери — потери энергии через излучение и теплопроводность.

Ключевой момент: когда мощность альфа-нагрева сравнима с потерями, плазма может достигнуть условий самоподдерживающегося горения, и топливо начинает выгорать с минимальным внешним воздействием.

Формирование гелия и его последствия

При каждом акте слияния D и T образуется 4He. Эти гелиевые ядра постепенно накапливаются в плазме и оказывают несколько важных эффектов:

  1. Загрязнение плазмы (“He-загрязнение”) — высокоэнергетические альфа-частицы увеличивают плотность заряженных частиц, снижая эффективность реакций и изменяя профили температуры.
  2. Модификация токовых профилей — в токамаке накопление гелия влияет на проводимость плазмы и распределение тока, что может изменять магнитную конфигурацию.
  3. Необходимость вывода из плазмы — избыток гелия снижает плотность топлива и эффективность термоядерного горения, поэтому в управляемых термоядерных системах разрабатываются методы эвакуации гелия.

Влияние выгорания на плотность и состав плазмы

Выгорание топлива приводит к изменению концентрации основных компонентов:

nD, nT↓,  nHe↑

С течением времени увеличивается отношение He/T, что снижает реакционную способность плазмы. Для поддержания устойчивого горения вводятся новые дозы топлива (обычно трития) и осуществляется контроль плотности.

Ключевой момент: поддержание оптимального состава топлива является критическим для продолжительной работы термоядерного реактора.

Диффузия и эвакуация продуктов реакции

Гелий в плазме обладает высокой энергией и вызывает турбулентность и микроскопические дрейфы. Для удаления гелия из рабочего объема используются методы:

  • магнитная фильтрация в токамаках и стеллараторах,
  • сцепление с нейтральными газами в периферийной зоне,
  • активация вытяжных насосов в системах инерциального удержания плазмы.

Эффективная эвакуация гелия снижает его концентрацию до уровня, при котором поддерживается высокая скорость термоядерных реакций.

Оглавление