Выход энергии и продукты реакций

Энергия, выделяющаяся в термоядерных реакциях, является результатом преобразования части массы участвующих частиц в энергию в соответствии с уравнением Эйнштейна E = Δmc². Разность массы исходных ядер и массы продуктов реакции называется дефектом массы. Чем больше дефект массы, тем выше выход энергии.

Ключевым свойством термоядерных реакций является то, что при слиянии лёгких ядер до атомного номера около Z ≈ 26 (железо) образуются более связанные ядра, и энергия связи на нуклон возрастает. Это делает реакции синтеза энергетически выгодными.

В реакциях, имеющих практическое значение для энергетики, выделяется энергия в диапазоне от нескольких МэВ до десятков МэВ на акт взаимодействия. Для оценки энергетической эффективности важно учитывать не только величину выделенной энергии, но и её распределение между различными продуктами.

Продукты реакций и их особенности

Продукты термоядерных реакций могут быть как заряженными частицами, так и нейтронами, что играет принципиальную роль в их применении. Заряженные частицы способны передавать энергию непосредственно плазме, поддерживая её нагрев, тогда как нейтроны покидают плазму, не взаимодействуя электромагнитно с электронами или ионами.

• Заряженные продукты (альфа-частицы, протоны, дейтроны, ядра гелия-3) задерживаются в плазме магнитным полем и вносят вклад в её нагрев за счёт кулоновских столкновений с другими частицами.
• Нейтронные продукты свободно покидают плазму и передают энергию в виде кинетической энергии конструкционным материалам реактора. Эта энергия может быть преобразована в тепловую и далее в электрическую.

Примеры характерных реакций и распределение энергии

1. Реакция D–T (дейтерий–тритий):

²H+³H  →  ⁴He (3, 5 МэВ) + n (14, 1 МэВ)

Общий выход энергии составляет 17,6 МэВ.

• 20 % энергии приходится на альфа-частицу, которая удерживается в плазме и служит источником самонагрева.
• 80 % уносят нейтроны, что делает необходимым использование специальных теплообменных и защитных систем.

2. Реакция D–D (дейтерий–дейтерий):

²H+²H  →  ³He (0, 82 МэВ) + n (2, 45 МэВ)

или

²H+²H  →  ³H (1, 01 МэВ) + p (3, 02 МэВ)

Суммарный выход энергии для каждой ветви составляет около 4 МэВ.

• Реакция имеет два канала с примерно равной вероятностью.
• Образующиеся тритий и гелий-3 могут участвовать в последующих реакциях, формируя каскад синтеза.

3. Реакция D–^3He (дейтерий–гелий-3):

²H+³He  →  ⁴He (3, 6 МэВ) + p (14, 7 МэВ)

Общий выход энергии — 18,3 МэВ.

• Все продукты заряженные, что делает реакцию «почти безнейтронной».
• Техническая сложность заключается в получении и накоплении достаточного количества изотопа ^3He.

4. Реакция p–^11B (протон–бор-11):

¹H+¹¹B → 3 ⁴He (суммарно 8, 7 МэВ)

• Продукты полностью состоят из альфа-частиц.
• Реакция также безнейтронная, но требует чрезвычайно высоких температур (порядка сотен кэВ) для преодоления кулоновского барьера.

Соотношение нейтронных и безнейтронных реакций

Реакции делятся на две категории:

• Нейтронные реакции (например, D–T, D–D) — дают высокий выход энергии, но сопровождаются мощным нейтронным потоком, что приводит к активации материалов, радиационным повреждениям и необходимости защиты.
• Безнейтронные реакции (например, D–^3He, p–^11B) — представляют интерес для «чистой» энергетики, однако требуют существенно более высоких температур, что осложняет их практическую реализацию.

Тепловое преобразование и утилизация энергии

Нейтроны, покидающие плазму, взаимодействуют с конструкционными материалами стенок реактора и бланкета, где их кинетическая энергия переходит в тепло. Это тепло можно использовать для нагрева теплоносителя (воды, жидких металлов или солей), который в дальнейшем вращает турбину и производит электричество.

Заряженные частицы, удерживаемые в плазме, непосредственно поддерживают её температуру, что является важным фактором для достижения режима зажигания. При реализации безнейтронных реакций существует перспектива прямого преобразования энергии кинетических продуктов в электрическую за счёт электростатических или магнитогидродинамических систем.

Радиационные аспекты и побочные продукты

В реакциях с выделением нейтронов продукты активируют конструкционные материалы, вызывая образование радиоактивных изотопов. Это накладывает ограничения на выбор материалов и определяет сроки эксплуатации реакторных компонентов.

В безнейтронных реакциях основным побочным фактором является рентгеновское излучение плазмы, которое требует эффективного отвода энергии и защиты, но не приводит к сильной радиоактивации.