Зажигание и горение термоядерного топлива

Зажигание термоядерного топлива — это состояние плазмы, при котором ядерные реакции самоподдерживаются, а внешнее подведение энергии становится несущественным для поддержания температуры. В условиях термоядерного синтеза это означает, что скорость производства энергии в реакциях преобладает над потерями энергии через теплопроводность, излучение и утечки частиц.

Ключевым параметром, характеризующим возможность зажигания, является тройное произведение nTτ_E, где:

n — плотность частиц плазмы,
T — температура плазмы,
τ_E — время удержания энергии (энергетическая конфинементность).

Для различных топливных циклов (D–T, D–D, D–³He) пороговые значения тройного произведения различаются, что обусловлено различиями в реакционных сечениях и энергетике частиц. Для наиболее изученной реакции D–T оптимальные условия зажигания достигаются при T ∼ 10 − 20 кэВ и тройном произведении порядка nTτ_E ∼ 10²¹ кэВ·с·м⁻³.

Условия горения плазмы

После зажигания реакция может перейти в режим горения, когда основной вклад в поддержание температуры вносит самопродукция энергии. Для горения D–T плазмы основной источником энергии являются альфа-частицы с энергией 3,5 МэВ, возникающие в реакции:

D + T → ^4He (3.5 МэВ) + n (14.1 МэВ)

Энергия нейтронов не задерживается в плазме, но переносится в конструкцию реактора, что позволяет использовать её для генерации электричества. Альфа-частицы, напротив, эффективно тормозятся плазмой и передают тепловую энергию частицам, поддерживая температуру.

Ключевые условия горения:

Энергетическое удержание должно превышать потери: τ_E > τ_порог.
Плазма должна находиться в стабильном состоянии, без значительных макромасштабных и микромасштабных неустойчивостей.
Концентрация реакционноспособного топлива должна оставаться достаточной, чтобы скорость самоподдерживаемых реакций превышала скорость выгорания.

Баланс энергии и роль альфа-частиц

Энергетический баланс плазмы в режиме горения описывается уравнением:

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

где:

W — энергия плазмы,
P_α — мощность, передаваемая плазме альфа-частицами,
P_подвод — внешнее подведение энергии,
P_потери — суммарные потери энергии.

При достижении режима зажигания P_α ≈ P_потери, и внешнее подведение энергии становится второстепенным. В этом состоянии температура плазмы стабилизируется на уровне, необходимом для поддержания высокой реакции, а горение становится самоподдерживающимся.

Критерий Лоусона для горения

Для количественной оценки возможности зажигания используется критерий Лоусона, который выражается через минимальное тройное произведение:

$$ n \tau_E \geq \frac{12 T}{\langle \sigma v \rangle Q_\alpha} $$

где:

⟨σv⟩ — термоядерная скорость реакции,
Q_α — энергия альфа-частицы, передаваемая плазме.

Для реакции D–T при температуре T ∼ 15 кэВ минимальное значение тройного произведения nτ_E ∼ 1 − 3 × 10²⁰ м⁻³ ⋅ с, что определяет порог для реализации зажигания.

Режимы зажигания и поддержания горения

Существуют различные режимы зажигания:

Режим с активным подведением энергии: плазма разогревается внешними методами (индукционным нагревом, НВЧ или инжекцией быстрых частиц), после чего возможен переход к самоподдерживающемуся горению.
Режим чистого альфа-зажигания: внешнее подведение энергии минимально, а плазма поддерживается исключительно энергией альфа-частиц. Этот режим является желаемой целью для термоядерного реактора.
Режим импульсного горения: характерен для инерциального термоядерного синтеза, когда плазма разогревается кратковременным импульсом, достигает условий зажигания, а затем энергия выделяется до полного выгорания топлива.

Потери энергии и ограничения на горение

Несмотря на самоподдерживающееся горение, плазма теряет энергию через:

Теплопроводность и конвекцию, обусловленные микротурбулентными процессами.
Излучение, включая тормозное излучение электронов (bremsstrahlung) и синхротронное излучение в магнитных ловушках.
Утечки частиц, особенно нейтронов и альфа-частиц при неполной конфинементности.

Эти потери определяют минимальные требования к плотности и времени удержания, а также формируют конструктивные ограничения для магнитных и инерциальных систем удержания плазмы.

Горение разных топливных циклов

Разные топливные реакции имеют свои особенности:

Топливо	Q (МэВ)	Основной носитель энергии	Особенности горения
D–T	17.6	Альфа-частицы + нейтрон	Наиболее низкая температура зажигания, широко изучено
D–D	4–3.3	Протоны, тритий	Требует выше температуры (~50 кэВ), меньшая эффективность
D–³He	18.3	Протоны	Почти без нейтронов, высокая температура зажигания (~100 кэВ)

Для каждой реакции условия зажигания строго связаны с термоядерным сечением, энергией выделяющихся частиц и потерями энергии.