Если в атомной энергетике используется реакция деления тяжелых ядер, то в термоядерной энергетике используется реакция синтеза легких ядер с образованием более тяжелых. Топливом для термоядерной энергетики могут служить ядра изотопов водорода, в первую очередь тяжелого водорода — дейтерия, а также сверхтяжелого водорода — трития. В результате термоядерного синтеза образуется гелий, а высвобождается в 7-8 раз больше энергии, чем при ядерной реакции деления. Дейтерий входит в состав тяжелой воды, которая содержится в любой воде. В 1 литре природной воды его содержится около 0,04 г, но количество энергии, которое может быть получено при реакции синтеза, эквивалентно тепловой энергии, получаемой при сжигании 500 кг нефти или 700 кг высококачественного угля.
Осуществить реакцию синтеза легких ядер значительно труднее, чем реакцию деления тяжелых ядер. Реакция синтеза происходит при сближении ядер на расстояние порядка 10-13 см. Ядра дейтерия несут положительный заряд и взаимно отталкиваются, следовательно, они должны обладать очень большой кинетической энергией, чтобы преодолеть электростатические силы отталкивания и сблизиться. Такие условия можно обеспечить, если нагреть вещество до астрономических температур. Выделяющаяся при слиянии ядер энергия еще выше будет поднимать температуру вещества, участвующего в реакции синтеза, возникает ускоряющаяся термоядерная реакция.
Для осуществления термоядерной реакции нужно нагреть тяжелый водород-дейтерий примерно на 100 млн градусов Кельвина. При таких температурах вещество находится в состоянии плазмы. Основное препятствие в осуществлении управляемого термоядерного синтеза — удержание высокотемпературной плазмы. Одним из методов удержания плазмы является использование сильного магнитного поля, силовые линии которого обволакивают ее со всех сторон. В результате можно получить «клубок» высокотемпературной плазмы, «подвешенный» в вакууме и не взаимодействующий со стенками реактора.
Принципиальная схема реактора типа «ТОКАМАК» со стационарными условиями протекания реакции синтеза показана на рис.1.
Установка имеет тороидальную замкнутую камеру, надетую на ярмо трансформатора. Внутрь камеры выпускается газообразный дейтерий при сравнительно невысоком давлении. С помощью трансформатора в камере наводится ток индукции, который ионизирует газ, превращая его в плазму. Силовые линии, охватывая плазменный виток, сжимают его, а проходящий по витку плазмы ток нагревает ее.
Плазма, разогретая током и сжатая магнитным полем в шнур, удерживается внутри рабочей камеры в результате того, что силовые линии магнитного поля направлены перпендикулярно току индукции и охватывают плазменный виток. Чтобы плазменный виток был устойчивым, на поверхность рабочей камеры надевают магнитные катушки, создающие сильное поле, силовые линии которого направлены параллельно току в плазме.
Рис. 1. Принципиальная схема термоядерного реактора «ТОКАМАК»:
1- ярмо трансформатора; 2 — магнитные катушки; 3 — рабочая камера; 4 — виток плазмы; 5 — теплоизоляция; 6 — обмотка трансформатора; 7 — кольцевая камера; 8 — парогенератор
В результате взаимодействия двух магнитных полей образуется коаксиальное магнитное поле со спиральными линиями, охватывающими шнур плазмы. Энергия реакции термоядерного синтеза (около 80 %) выделяется в виде кинетической энергии образующихся нейтронов и используется для нагрева первичного теплоносителя (лития или гелия) в кольцевой камере, окружающей виток плазмы. Около 20 % общего энерговыделения составляет энергия заряженных частиц. Эту часть энергии используют для получения электроэнергии методами прямого преобразования.
Воспринятая в кольцевой камере теплота передается в парогенераторе рабочему телу — воде; полученный пар второго контура, как и в двухконтурных атомных электростанциях, направляется в паровые турбины для выработки электроэнергии.
Следует отметить, что синтез легких ядер в отличие от реакций деления тяжелых ядер не сопровождается образованием долгоживущих радиоактивных осколков, как в атомном реакторе.
Подробнее о реакторе можно почитать на Википедии.
Источник: Полещук И.З., Цирельман Н.М. Введение в теплоэнергетику: Учебное пособие пособие / Уфимский государственный авиационный технический университет. – Уфа, 2003.