Термоядерные реакции
Для нейтронов плазма прозрачна, и их энергия утилизируется в бланкете, окружающем разрядную камеру. Протоны и частицы, диффундируя к стенкам камеры и бомбардируя их с энергией до нескольких сот килоэлектрон-вольт, передают энергию ионам плазмы и стенке. При этом стенка распыляется, часть ионов внедряется в материал на глубину, зависящую от энергии частицы, а остальные, нейтрализуясь, возвращаются в плазму. Здесь они повторно ионизуются, снова падают на стенку и т. д., циркулируя в пристеночной зоне реактора.
Аналогично ведут себя ионы дейтерия и трития. Диффундируя в плазме поперек удерживающего магнитного поля, эти ионы постепенно теряют энергию, уходят в периферийные слои плазмы и затем, частично нейтрализуясь, на стенку. Энергетический диапазон частиц, бомбарди-статистически детерминированная продолжительность его жизни до нейтрализации. По порядку т. соизмеримо с энергетическим временем удержания тЕ. После нейтрализации и последующей эмиссии со стенки эти частицы в виде холодных атомов возвращаются в плазму. В результате их перезарядки на стенку возвращается примерно такой же поток ионов, но уже с энергией около 1 кэВ, соответствующей температуре внешних слоев плазменного шнура. Эти частицы интенсивно распыляют стенку, наиболее быстрые из них внедряются в нее, однако большая часть возвращается в плазму, поддерживая постоянную циркуляцию (рециклинг} термоядерного топлива. Стенка воспринимает также поток электронов, мощность которого примерно равна суммарной мощности а-частиц.
Большинство экспериментов по физике высокотемпературной плазмы выполнено пока на самом легком изотопе водорода — протии.
Реакция (d) носит резонансный характер и имеет сечение на два порядка большее, чем реакции (а) и (Ь). Поэтому практический интерес как термоядерное топливо, во всяком случае в обозримом будущем, представляет равнокомпонентная DT-смесь, в которой будут идти одновременно, но с разными скоростями все четыре названные выше реакции.
Таким образом, в процессе термоядерной реакции в DT-плазме выделяются нейтроны энергией 14 МэВ и (в пропорции примерно 100 : 1) а-частицы и протоны. Число актов синтеза в единице объема за 1 с определяется соотношением:
Наряду с корпускулярным плазма генерирует мощное электромагнитное излучение. Его главными источниками являются торможение электронов электрическим полем ядер и их движение в магнитных полях. Появление в плазме примесных ионов, в особенности тяжелых, резко интенсифицирует ее электромагнитное излучение. В реакторах импульсного действия протий и гелий не оказывают влияния на ход термоядерной реакции. Однако в реакторах с магнитным удержанием их накопление вредно влияет на энергетический баланс реактора, снижает термоядерную мощность и в конечном итоге ограничивает продолжительность рабочего цикла. Поэтому удаление указанных примесей для стационарных ТЯР с магнитным удержанием составляет одну из важнейших вакуумнофизических задач.
В реакторах с магнитным удержанием продолжительность рабочего цикла fp намного превышает время жизни нейтральных примесных атомов в плазме (то 1 мкс). Так, даже в демонстрационных реакторах-токамаках tp/r0 » 108, в энергетических реакторах это соотношение еще больше. Поэтому примесные атомы в плазме находятся в ионизованном состоянии, причем их эффективный заряд увеличивается с ростом температуры, приближаясь к предельному значению. Газообразная DT-смесь, инжектируемая в ТЯР перед каждым циклом, смешивается с остаточной газовой средой и находится в контакте со стенками. Вот почему вопросы взаимодействия плазмы со стенками реактора и остаточной средой занимают одно из центральных мест в исследованиях по физико-техническим проблемам управляемого термоядерного синтеза.
В реакторах с инерциальным удержанием стенки и остаточный газ не влияют на ход термоядерной реакции. Лишь при разлете остатков топлива и продуктов реакции их взаимодействие с газом и стенками становится важным фактором работы реактора.
По перечисленным выше причинам основное внимание в дальнейшем будет уделено ТЯР с магнитным удержанием.
Воздействие корпускулярного и электромагнитного излучений плазмы на непосредственно граничащую с ней (первую) стенку порождает очень серьезные проблемы. Во-первых, оно разрушает стенку, а во-вторых, насыщает плазму примесными частицами, поступающими в результате ионного распыления стенки, стимулированной десорбции и других процессов, подробно обсуждаемых в 2.3. Основные факторы воздействия плазмы на первую стенку, имеющие принципиальное значение при создании элементов вакуумного тракта и системы откачки ТЯР, приведены в табл. 2.1.
Поток атомов дейтерия и трития из плазмы на стенку определяется соотношением:
Приведем типичные значения важнейших характеристик ТЯР-токамаков. Средняя ионная температура плазмы 10 кэВ; ее концентрация и объем 1,4 • 1О20 м3 и 300 м3 соответственно; энергетическое время удержания 1 — 2 с; разрядный ток 5 — 6 МА; генерируемая термоядерная мощность 600 МВт; длительность рабочего цикла 100 — 200 с; энергия, выделяющаяся при срыве тока, 200 — 250 МДж; состав ионного потока, бомбардирующего стенку: 47% D + 47% Т + 5% Не + 1% (С + + О). Поскольку существующие модели поведения DT-плазмы в ТЯР не безупречны, эти значения необходимо рассматривать как ориентировочные.