- 26 -

.Р^ = const-< ei/> e.

(3.1)

= consi

(3.2)

Выракая П из фо{ 1улы (1.6) и подставляя в (3.1), получим

Так как произведение <1Г> зависит от ионной температуры, то при заданных индукции магнитного поля и рабочей температуре плотность мощности реакции оингеза пропощиснальна р^ . При заданных р и рабочей температуре Р пропорциональна В>.

Раоомотренные выше принципиальные схемы удержания можно попользовать в реакторах, работающих как в стационарном, гак и в импульсном режимах.

В реакторе юботающемв отапионарном режиме, топливо необходимо HenpepiBHO вводить в горящую плазму, а отработанное топливо (т.е. не прореагировавшее топливо и продукты реакции) - непрерывно удалять. Необходимая скорость подачи тошшва определяется как скоростью выгорания топлива, так и скоростью его утечки. Иногда скорость выгорания топлива характеризуется коэффициентом относительного выгорания , который представляет собой отношение скорости выгорания к скорости подачи топлива.

В импульсном реакторе после поджига начальной порции топлива реакция синтеза идет в течение времени, определяемого схемой удержания. По окончании реакции непрореагировавшее топливо и продукты реакции удаляются и в камеру реактора вводится новая порция топлива, которая вновь поджигается.

При квазиотационарном режиме работы реактора время горения будет больше времени удержания частиц, а введение топлива и удаление отработанного топлива надо будет производить во время фазы горения. В таком режиме возможно только периодическое горение плаз мы и реактор поэтому характеризуется циклическим режимом работы.

Наиболее важные реакции синтеза приведены в I.I (выражения (I.I)). На основе этих реакций возможны только несколько топливных циклов:

I. В цикле В -Т- LL первичным топливом служат дейтерий и литий. Литий необходим для регенерации трития и входит в состав бланкета (системы , окружащей плазму, в которой нейтроны отдают свою энергию).Три№й регенер1руется следующими реакциями:

Т-ь^Не ,8 МэВ.

(3.3)

*LH-n - Т + Не +n - 2.5 МэВ.

В реакции D +Т примерно 80 % энергии оингеза ооогавляет энергия нейтронов. g

2. В цикле D-D-T- Не первичным топливом являетоя дейтерий. Тритий и гелий - 3, образующиеся при реакции J) +Т>, повторно используются в плазме. Регенерации трития не требуется. Энергия синтеза выделяется в реакциях 1) + Т , D+D и iD+ Не. Примерно 35 % этой энергии ооотавляег энергия нейтронов. Этот топливный цикл иногда называется 2> -1) -циклом о катализом .

3. В цикле D - В -Не первичным топливом является дейтерий. Не , образующийся при реакции D + D , остается

в топливном цикле, однако образующийся тритий отделяется и после распада и превращения в Не используется как топливо. Основная энергия оингеза выделяется в реакциях I) +-Не , 2) -f-1). Примерно 15 % выделенной энергии уносится нейтронами. ,

4. Цикл D - Не , в котором Не - исходное топливо. Особенность цикла

состоит в том, что OOHOBHIt-

ми продуктами реакции является заряженные частиды-протоны.

На рис.3.1 приведены графики относительной шо1-ности мощности синтеза для указанных топливных циклов в температурном диапазоне I-IOO кэБ. Вблизи максимума значение плотности мощности синтеза цикла Ь - Т-Ц на 1-2 порядка величины больше, чем для двух других циклов, что делает его наиболее вероятным циклом получения энергии на термсядер-

Температура., КэВ. Рис.3.1

Магнитные Катушкн

Траектврчл чапертв 1 частичь/.

Точка neSopora

Сеченые

Катуыки типо инь-ян

Рис.3.2

Для предотвращения развития магнитсгидродинамической неустойчивости (МГД-неустойчивости) и связанных с такой неустойчивостью

Схема реактора на основе ШШ реализуется в установке с большим р> , которая использует либо открытую, либо замкнутую конфигурацию удерживающего магнитного поля. Хотя в настоящее время и ведутся исследования замкнутой схемы удержания с магнитными пробками (называемой схемой пробочных ловушек, замкнутых в тор), мы будем под магнитной пробкой подразумевать магнитную ловушку с открытой конфигурацией магнитного поля. Принцип действия ЛШ иллюстрирует рис.3.2. Магнитное поле имеет такую конфигурацию, при которой оно действует на заряженную частицу в центральной области слабев, чем на концах. Концеше области являются отражающими зеркалами или пробками . Частица, движущаяся из центральной области к пробке, изменяет направление своего двикения на обратное из-за увеличения напрякенности поля. Таким образом частица оказывается запертой мевду магнитными пробками.

Bol влектроотанции.

Описанные вше топливные циклы ишот две особенности:

1. Дают значиталвное количество нейтронов, вызыващих радиа-цконные повреаденнн и остаточную активность в конструкциях реакторов.

2. Приводят к необходимости работы с радиоактивным трктием.

Эти проблемы исчезает, если использовать в качестве ядерного топлива материалы с большим Z (1.2). Однако циклы на топлива! с большим Z обвчво предьявляют более высокие требсвания к системам удержания и нагрева и здесь не рассматривавтоя.

Энергия реакции синтеза мокет выделяться в ввде анергии как нейтронов, так и заряженных частиц. Энергия нейтронов переходит в тепло в бяанкете и ее мокно использовать с помощью системы теплового преобраэсвания энергии. Энергию заряженных частиц также мокно преобразовать в тепловую о помощью какой-либо оиотеш! теплового преобразования, однако всзмокно и прямое пресбразовааие внергяи зараженных частиц в электрическую внергис. £ыдс предложено несколько схем прямого преобразования кинетическое внергии заряженных частиц в электрическую. С помощью электрической схемы заряженные частицы, пскндапцив область удержания, замвддяютоя влвктрическими полями и собираются на высоковольтных ажектродах. Электромагнитная схема прямого преобразования внергии основывается на явлении вытеснения плазмой магнитного поля и п^вшенима лишь при импульсном режиме работы. Топливные циклы D-B-T-He и В - D -Не открытвают более широкие возможности для прямого преобразсввния внергии по сравнению с циклом D -Т- Li , так как в них заряженным частицам отдается больше энергии.

В дальнейшем оснсвное внимание мы будем уделять тошшвн1М1у циклу 1) -Т- Ll , так как скорее всего именно он будет использован на первых этапах промышленного освоения термоядерной внергии. Однако в необходимых случаях будут обсуждаться характеристики и других топливных циклов.

Из всех возможных схем реакторов на основе кназистационар-ных систем с магнитным удержанием мы будем рассматривать наиболее

проработанные открытые и замкнутые системы: реакторы на основе ловушек с магнитными пробками (как физически более наглядные) и реакторы на основе токамака. Другие системы будут рассмотрены более сжато.

Рассмотрим принципиальную схему реактора на основе откситой магнитной системы или ловушки с магнитными пробками (ДШ).

в отепени 3/2, поэтому пробочные реакторы должны работать при больших энергиях (диапазон средних энергий ионов 100 кэВ - ГЫэВ), Величина средней энергии иона обусловлена главным образом рабочими характеристиками системы прямого преобразования энергии.

2. Удержание ЛШ растет пропорционально логарифму пробочного отношения . Пробочное отношение - отношение максимальной величины поля, действующего на частицу, к минимальной величине поля (величине поля в средней части). Пробочное отношение должно йачъ больше единицы, причем чем оно бсльша, тем лучше, хотя его приемлемое значение равно двум или трем. Выражение (3.2) показывает, что плотность мощнооти синтеза пропорциональна полю пробки в четвертой отепени. Таким образом, величина пробочного отношения определяется, с одной стороны,стремлением к увеличению удержания и плотнооти мощнооти оинтеза, а с другой стороны - необходимостью учета ограничений, налагаемых технологией сверхпроводящих магнитов и свойствами конструкционных материалов.

3. Удеркание М,И1 не зависит от объема плазмы. Реактори на основе ЛШ могут оказаться перспективныщ для электростанций с малой выходной мощностью (порядка оотен МВт), так как капитальные затраты на создание такого реактора относительно мало зависят от его размеров.

До середины 70-х гг. из-за недостаточно хорошего удержания плазмы магнитными пробками в открытых ловушках не удавалось выработать удовлетворительной концепции экономически выгодного термоядерного реактора. Положение изменилось с появлением концепции амбиполярной ловушки, в которой плазма удерживается магнитными и электроотатичеокЕми барьерами (пробками), создаваемыми линейной системой магнитов. Одновременно с развитием экспериментальных и теоретических физических исследований шла разработка концептуальных проектов термоядерных стангдлй на основе амбиполярннх ловушек. Из имеющихся разработок можно отметить проекты чистой станции WITAMIR- (СШ) и станции о гибридным реактором ТРШ (СССР). Однако разработки концептуальных проектов показали, что переход от физических экспериментальных установок к терлоядерным станциям невозможен без создания испытательных термоядерных реакторов. Следствием этого явилась разработка концептуального проекта испытательного амбиполярного D-T реактора ТА SKA (США, ФРГ). В табл.3.1 приведены основные параметры перечисленных выше проектов термоядерных станций и реакторов на основе амбкполярнай ловушки.

потерь в направленш, перпевдшсулярном магнитному полю, шеото простых пробочных катушек иопользуют конотрукции катушек типа инь-ян , в которых создается более глубокая магнитная потенциальная та.

Не рассматривая физику удеркания и поведение плазмы, отметим главные особенности работы реактора на основе ШЖ:

1. Реактор будет работать в принудительном стационарном ре-ниме, т.е. потребуется непрерывный ввод энергии для поддержания горения плазмы. Стационарная плотность мощнооти синтеза

будет поддерживаться путем непрерывной подачи топлива в плазму, в которой идет реакция оинтеза, при постоянном удалении отработанного тошшва (непрореагировавшего топлива и продуктов реакции). В Ш1 потери через концы ловушки обеспечивают естественный механизм вывода отработанного тошшва.

2. Энергия, необходимая для зажигания плазмы и поддержания ее горения, будет подводиться путем инжекции в плазму пучков ускоренных нейтральных частиц топлива. Ивжекторн нейтральных пучков будут служить также и оиотемой ввода тошшва в реактор.

3. Для запуска реактора будет использована плазма-мишень, захватывающая инжектируемый пучок. При этом плазма доводится до желаемого рабочего оостояяия. Плазиа-мишень может быть получена: лазерным нагревом шариков тошшва или магнитным сжатием плазмы.

4. После запуска оиогемы термоядерная энергия будет вырабатываться непрерывно. Так как катушки удерживающего поля тоже будут работать в непрерывном режиме, то для уменьшения недопустимо больших потерь на джоулев нагрев эти катушки должны быть сверхпроводящими.

5. Энергия, переносимая термоядерными нейтронами, выделяется в бланкете, окружающем плазму, в виде тепла и будет преоб-разовыватьоя в электрическую энергию системой теплового преобразования (ом.§ 3.2).

6. Энергия, уносимая из плазмы ускоренныгди заряженныш частицами (она включает в себя практически всю энергию инжектированных нейтральных пучков), передается в систему прилого электрического преобразования энергии. Непрореагировавшее топливо будет выделяться из этого преобразователя и вновь направляться в плазму реактора.

Теоретические расчеты показывают:

I. Удержание 1Ш растет пропорционально средней энергии иона