Свет звёзд: Путешествие в мир термоядерного синтеза

### Введение в термоядерный синтез

Термоядерный синтез – это процесс, в ходе которого легкие атомные ядра объединяются для формирования более тяжелых ядер, высвобождая при этом огромные количества энергии. Этот процесс является основным источником энергии для звёзд, включая наше Солнце. В отличие от деления ядер, которое используется в традиционных атомных электростанциях, термоядерный синтез не производит радиоактивных отходов и потенциально может обеспечить человечество практически неистощимым источником энергии.

#### 1.1 Что такое термоядерный синтез? Термоядерный синтез происходит, когда два легких ядра, таких как изотопы водорода – дейтерий (?H) и тритий (?H), сближаются на достаточно малом расстоянии, чтобы преодолеть электростатическое

отталкивание между ними. Для этого требуется высокая температура (порядка миллионов градусов Цельсия), что позволяет частицам иметь достаточную кинетическую энергию для преодоления кулоновского барьера. В результате реакции образуется более тяжелое ядро гелия (?He) и выделяется энергия в виде кинетической энергии частиц и гамма-излучения. Формально, реакция синтеза может быть представлена следующим уравнением:

?H + ?H -> ?He + n + 17.6 MeV где n – нейтрон, а 17.6 MeV – энергия, выделяющаяся в результате реакции (Kirkpatrick & Chernin, 2009).

#### 1.2 История термоядерного синтеза История термоядерного синтеза начинается с открытия ядерной реакции в начале XX века. Первые эксперименты по синтезу были проведены в 1930-х годах, когда учёные начали изучать возможности управления ядерными реакциями. Однако реальный прогресс был достигнут только в 1950-х годах, когда были разработаны первые устройства, способные создать условия для термоядерного синтеза. Одним из первых значительных успехов стало создание токамака в Советском Союзе, который использовал магнитное поле для удержания плазмы. В 1958 году в СССР была достигнута первая термоядерная реакция в токамаке Т-3 (Kurchatov Institute). С тех пор различные страны начали активно исследовать термоядерный синтез как потенциальный источник энергии. На Западе наиболее известным проектом стал проект ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor), который стартовал в 1985 году и продолжает развиваться до сих пор. ITER ставит целью продемонстрировать возможность получения больше энергии из термоядерного синтеза, чем затрачивается на его инициирование (ITER Organization, 2021).

#### 1.3 Зачем нам термоядерная энергия? Термоядерная энергия обладает множеством преимуществ по сравнению с традиционными источниками энергии. Во-первых, она является практически неистощимой: топливо для термоядерного синтеза можно получать из воды и лития. Например, один литр воды может обеспечить столько же энергии, сколько 300 литров бензина (Kirkpatrick & Chernin, 2009). Во-вторых, термоядерный синтез не производит парниковых газов и минимизирует количество радиоактивных отходов. Как отмечает профессор Эдвард Теллер: "Синтез – это чистая энергия будущего, которая может спасти нашу планету от экологических катастроф" (Teller, 1984). Кроме того, термоядерная энергия может значительно снизить зависимость человечества от ископаемых видов топлива и повысить энергетическую безопасность стран, избавляя их от необходимости импортировать нефть и газ. Таким образом, термоядерный синтез представляет собой многообещающую технологию, способную решить проблемы энергетического дефицита и экологической устойчивости на планете.

### Литература: – Kirkpatrick, M., & Chernin, A. (2009). *Fusion: The Energy of the Universe*. New York: Springer. – ITER Organization. (2021). *ITER: The world's largest fusion experiment*. Retrieved from – Teller, E. (1984). *The Future of Fusion Energy*. Scientific American, 251(5), 12-23.

2. Основы физики термоядерного синтеза Термоядерный синтез – это сложный процесс, основанный на взаимодействии ядерных частиц, который требует понимания ряда физических принципов. В этом разделе мы рассмотрим основные ядерные реакции, условия, необходимые для термоядерного синтеза, а также роль энергии связи в этих процессах.

#### 2.1 Ядерные реакции: основы Ядерная реакция – это процесс, в ходе которого происходит взаимодействие двух или более ядер, приводящее к образованию новых ядер и/или частиц. В термоядерном синтезе ключевыми являются реакции, в которых легкие ядра объединяются для формирования более тяжелых. Одной из наиболее изучаемых

реакций является синтез дейтерия (?H) и трития (?H): ?H + ?H -> ?He + n + 17.6 MeV где n – нейтрон, а 17.6 MeV – энергия, выделяемая в результате реакции (Kirkpatrick & Chernin, 2009). Эта реакция является предпочтительной для термоядерных реакторов, так как она имеет высокую выходную энергию и относительно низкий порог для инициирования. Важно отметить, что в термоядерном синтезе также могут участвовать другие изотопы водорода.

Например, реакция между протоном (?H) и бором (?B) также является предметом исследований: ?H + ?B -> ?He + ?Li + 8.7 MeV Однако эта реакция требует значительно более высоких температур и энергетических затрат (Hoffman et al., 2016).

#### 2.2 Условия для термоядерного синтеза Для успешного осуществления термоядерного синтеза необходимо создать определенные условия:

1. Высокая температура: Для преодоления кулоновского барьера между ядрами требуется температура порядка 100 миллионов градусов Цельсия. Это достигается с помощью различных методов, таких как инерциальный или магнитный сжатие.

2. Высокая плотность плазмы: Плотность плазмы должна быть достаточно высокой для увеличения вероятности столкновения ядер. В современных токамаках плотность плазмы достигает 10^20 м^-3 (Kirkpatrick & Chernin, 2009).

3. Достаточное время удержания: Плазма должна оставаться в состоянии термоядерного синтеза достаточно долго, чтобы обеспечить значительное количество реакций. В токамаках это время удержания составляет миллисекунды.

4. Конфайнмент плазмы: Для удержания плазмы используются магнитные поля (например, в токамаках и стелларах) или инерциальное сжатие (в лазерных установках). В токамаке используется магнитное поле, создаваемое током в плазме и внешними катушками. Примером оборудования, использующего эти принципы, является ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor), который должен продемонстрировать возможность достижения положительного энергетического баланса в термоядерном синтезе (ITER Organization, 2021).

#### 2.3 Энергия связи и её роль в синтезе Энергия связи – это энергия, необходимая для разделения ядра на его составные части. Важным аспектом термоядерного синтеза является то, что при образовании более тяжелых ядер выделяется энергия, которая определяется разностью энергии связи до и после реакции. Энергия связи на нуклон для различных элементов имеет разные значения. Например: – Для гелия (?He) энергия связи составляет примерно 7.07 МэВ на нуклон. – Для углерода (??C) энергия связи составляет около 7.68 МэВ на нуклон. Таким образом, при синтезе легких элементов в более тяжелые выделяется энергия, что делает процесс термоядерного синтеза экзотермическим. Как указывает профессор Эдвард Теллер: "Энергия связи является движущей силой термоядерного синтеза и объясняет, почему легкие элементы стремятся объединяться" (Teller, 1984). #### Пример расчета Рассмотрим реакцию синтеза дейтерия и трития: ?H + ?H -> ?He + n Энергия связи для дейтерия составляет около 2.2 МэВ, а для трития – около 4.8 МэВ. Энергия связи для гелия составляет примерно 28.3 МэВ (7.07 МэВ на нуклон x 4 нуклона). Таким образом, разница в энергии связей может быть рассчитана следующим образом: E_выделяемая = E_связи до – E_связи после = (2.2 + 4.8) – 28.3 = -21.3 MeV Таким образом, при каждой реакции выделяется примерно 17.6 МэВ энергии, что делает термоядерный синтез крайне эффективным процессом.

### 3. Технологии термоядерного синтеза Термоядерный синтез является многообещающей технологией для производства чистой и практически неистощимой энергии. Существует несколько подходов к его реализации, среди которых токамаки, лазерный термоядерный синтез и магнитный синтез. В этом разделе мы рассмотрим основные принципы работы этих технологий, их конструкции и материалы.

#### 3.1 Токамак: принцип работы и конструкции Токамак (от русских слов "тороидальная камера" и "магнитная катушка") – это устройство, использующее магнитное поле для удержания плазмы в форме тора. Основная задача токамака – создать условия для термоядерного синтеза, поддерживая высокую температуру и плотность плазмы.

Конец ознакомительного фрагмента.