Знание сечения реакции при разных энергиях частиц и величины выхода энергии еще недостаточно, чтобы ответить на вопрос, какими свойствами должен обладать сам реактор и система превращения кинетической энергии образующихся при реакции частиц в электрическую энергию — если нагрев производится вне реактора за счет именно электрической энергии, чтобы система в целом имела положительный выход. А еще лучше, если работа реактора станет самоподдерживающейся. В принципе кинетическую энергию а-частиц и протонов можно превратить непо- средственно в электрическую с помощью разных систем "прямого преобразования" — рекуператоров. В то же время кинетическую энергию нейтронов сейчас превратить в электрическую энергию можно только через тепловой цикл. Заметим, что в на- стоящее время нейтроны рассматриваются как нежелательный продукт реакции, не только из-за необходимости теплового цикла, но и в связи с большой радиационно- активирующей способностью нейтронов. 530 Гл. 10. Примеры современных плазменных технологий Сечение реакций, о которых говорилось выше, и которые изображены на рис. 10.5.1, весьма малы. Отсюда следует, что нельзя добиться положительного выхода энергии, если облучать быстрыми частицами какие-либо мишени. Действи- тельно, поскольку сечение упругих столкновений быстрой частицы с ядрами мишени значительно больше сечения с ядерной реакцией, то быстрая частица скорее потеряет энергию, чем произведет реакции. Поэтому необходимо создать некие "ловушки", где частицы смогут достаточно долго жить, многократно сталкиваясь между собой, пока не произойдет нужная реакция. Это утверждение можно назвать основным принципом УТС или "принципом О. А. Лаврентьева". Итак, мы должны иметь ловушку, в которой выделяющаяся энергия больше энергии, идущей на предварительный нагрев частиц до нужной "температуры", на неизбежные потери за счет излучения, теплопроводности и просто "выскальзывании" частиц из ловушки. Иными словами, должно выполняться условие л п пе — an I E A0.5.1) Здесь г] — коэффициент преобразования выделяющейся ядерной энергии в электри- ческую (обычно принимается г\ ~ 1/3 0), бя — энерговыделение в единичной реак- ции, (о~и)т — усредненная по функциям распределения тяжелых частиц скорость реакции, коэффициент 1/4 учитывает участие в реакции двух частиц, jn — интен- сивность тормозного излучения, пе/т* — потери энергии за счет "выскальзывания" частиц из ловушки и теплопроводности, те — "время жизни энергии в ловушке". Уравнение A0.5.1) можно записать |у17 1 ftl5 10 ю14 пт (d, (a \ t) CIV t) \ \ •c \ \ \ \ fit) \ 'd,d).% \ \ \ • (d,a У \ У ? > T X \ 1/300 = 1/30 / / i/3 Л = 1/3 /1 в виде Здесь А = птЕ > А. Аа A0.5.2) Условие A0.5.2) 2 3 4 5 7 10 20 30 5070100 200 400 кТ, кэВ Рис. 10.5.2. Зависимость постоянной (пара- метра) Лоусона пте от температуры для раз- ных смесей называется, не очень справедливо, кри- терием Лоусона, хотя оно в той или иной форме формулировалось раньше други- ми исследователями. На рис. 10.5.2 изображены зависимо- сти постоянной Лоусона А от темпера- туры плазмы для разных смесей. Вид- но, что наименьшее значение (пт)т[п = = А « 1014см~3с достигается для сме- си DT при температуре Т ~ ЮкэВ « ~ 108К. Для чистого дейтерия и сме- си D3-He величины (пт)т[п на порядок больше, а оптимальная температура ле- жит в окрестности Топт ~ E0—60) кэВ. Для других "термоядерных" смесей ве- личины (nr)min и Топт еще выше. Полученные значения (пт) соответ- ствуют режиму, когда в реактор подбра- *) В настоящее время B005 г.) началось широкое внедрение газовых турбин, кпд которых в 2 раза выше, чем паровых турбин. Поэтому теперь можно ориентироваться на значение г] = = 2/3. 10.5. Проблема управляемого термоядерного синтеза (УТС) 531 сывается "горючее" с рабочей температурой. Для того, чтобы реактор перешел в ре- жим "зажигания", т. е. когда достаточно подбрасывать холодное горючее, необходимо выполнение условия: (яг)™ > 2А Здесь учтено, что в случае DT-реакции 4/5 выделяющейся энергии уносят ней- троны, и нагрев вбрасываемого холодного рабочего вещества осуществляют только а-частицы. Оценим параметры плазмы для простейшего — и сейчас основного, случая, когда реакция идет на смеси DT (nr)m[n = А, а энергетическое время ловушки те = 1 с. При этих условиях концентрация заряженных частиц щ = пе = п = 1014см~3. Из условия равновесия и определения параметра C тт2 2пкТ= —/3, A0.5.3а) О7Г находим При /3 = 5- 10~2, что соответствует максимальному значению C в токамаках, то имеем Н = 4 • 104Э. Энергия электронов и ионов, заключенная в 1 м3 равна W = 2n^kTV = 0, 5 МДж. A0.5.36) И, следовательно, если те = 1 с, то термоядерная мощность, генерируемая 1 м3 такой плазмы, равна 0,5 МВт.
Ви переглядаєте статтю (реферат): «Кривые Лоусона» з дисципліни «Введення в плазмодінаміку»
