Тритий

Тритий (лат. Tritium), Т (или 3H), радиоактивный изотоп водорода с массовым числом 3 (отсюда название: от греч. trítos — третий). Открыт в 1934 английским учёными Э. Резерфордом, М. Л. Олифантом и П. Хартеком. Ядро Т. состоит из одного протона и двух нейтронов. Т. b-активен; период полураспада T1/2 = 12,26 года. В природе образуется в незначительных количествах под действием нейтронов космических лучей на атомы азота и при ядерных превращениях под действием космических частиц высоких энергий. Среднее содержание Т. в природных водах 1 атом на 1018 атомов 1H. Получают Т. в ядерных реакторах, облучая нейтронами

. Т. применяется как важнейший компонент в реакциях термоядерного синтеза, как горючее в термоядерных бомбах, а также в химических, биологических и гидрологических исследованиях.

Дейтерий

Дейтерий (лат. Deuterium, от греч. déuteros — второй), D, 2Н, тяжёлый водород, стабильный изотоп водорода с массовым числом 2. Ядро атома Д. — дейтрон. Большое различие в массах D и 1Н обусловливает существенную разницу в их свойствах (например, tkип обычного водорода 20,39 К, tkип Д. 23,57 К; скорости некоторых химических реакций различаются для веществ, содержащих D и 1Н, в 5—10 раз). В промышленности Д. выделяют, используя изотопный обмен между водой и сероводородом (Д. неравномерно распределяется между ними, концентрируясь в H2O), ректификацию жидкого водорода и многоступенчатый электролиз воды. Д. используется во взрывчатой системе для водородной бомбы, в будущем он может стать термоядерным горючим в энергетике. В научных исследованиях Д. применяется как изотопный индикатор. Тяжёлая вода D2O служит замедлителем нейтронов в атомных реакторах. Д. был открыт спектрально в 1932 американским учёным Г. Юри с сотрудниками.

Управляемый термоядерный синтез, процесс слияния лёгких атомных ядер, происходящий с выделением энергии при высоких температурах в регулируемых, управляемых условиях. Скорости протекания термоядерных реакций малы из-за кулоновского отталкивания положительно заряженных ядер. Поэтому процесс синтеза идёт с заметной интенсивностью только между лёгкими ядрами, обладающими малым положительным зарядом и только при высоких температурах, когда кинетическая энергия сталкивающихся ядер оказывается достаточной для преодоления кулоновского потенциального барьера. В природных условиях термоядерные реакции между ядрами водорода (протонами) протекают в недрах звёзд, в частности во внутренних областях Солнца, и служат тем постоянным источником энергии, который определяет их излучение. Сгорание водорода в звёздах идёт с малой скоростью, но гигантские размеры и плотности звёзд обеспечивают непрерывное испускание огромных потоков энергии в течение миллиардов лет. С несравненно большей скоростью идут реакции между тяжёлыми изотопами водорода (дейтерием 2H и тритием 3H) с образованием сильно связанных ядер гелия:

Именно названные реакции представляют наибольший интерес для проблемы УТС В особенности привлекательна вторая реакция, сопровождающаяся большим энерговыделением и протекающая со значительной скоростью. Тритий радиоактивен (период полураспада 12,5 лет) и не встречается в природе. Следовательно, для обеспечения работы предполагаемого термоядерного реактора, использующего в качестве ядерного горючего тритий, должна быть предусмотрена возможность воспроизводства трития. С этой целью рабочая зона рассматриваемой системы может быть окружена слоем лёгкого изотопа лития, в котором будет идти процесс воспроизводства

6Li + n ? 3H + 4He.

Вероятность (эффективное поперечное сечение) термоядерных реакций быстро возрастает с температурой, но даже в оптимальных условиях остаётся несравненно меньше эффективного сечения столкновений атомных. По этой причине реакции синтеза должны происходить в полностью ионизованной плазме, нагретой до высокой температуры, где процессы ионизации и возбуждения атомов отсутствуют и дейтон-дейтонные или дейтон-тритонные столкновения рано или поздно завершаются ядерным синтезом.

Удельная мощность термоядерного реактора находится путём умножения числа ядерных реакций, происходящих ежесекундно в единице объёма рабочей зоны реактора, на энергию, выделяющуюся при каждом акте реакции.

Критерий Лоусона

Применение законов сохранения энергии и числа частиц позволяет выяснить некоторые предъявляемые к реактору синтеза общие требования, не зависящие от каких-либо особенностей технологического или конструктивного характера рассматриваемой системы. На рис. 1 изображена принципиальная схема работы реактора. Установка произвольной конструкции содержит чистую водородную плазму с плотностью п при температуре Т. В реактор вводится топливо, например равнокомпонентная смесь дейтерия и трития, уже нагретая до необходимой температуры. Внутри реактора инжектируемые частицы время от времени сталкиваются между собой и происходит их ядерное взаимодействие. Это полезный процесс; одновременно, однако, из реактора уходит энергия за счёт электромагнитного излучения плазмы и из рабочей зоны ускользает некоторая доля "горячих" (обладающих высокой энергией) частиц, которые не успели испытать ядерные взаимодействия. Пусть t - среднее время удержания частиц в реакторе; смысл величины t таков: за время в 1 сек из 1 см3 плазмы в среднем уходит n/t частиц каждого знака. В стационарном режиме в реактор надо ежесекундно инжектировать такое же число частиц (в расчёте на единицу объёма). Для покрытия энергетических потерь подводимое топливо должно подаваться в зону реакции с энергией, превышающей энергию потока ускользающих частиц. Эта дополнительная энергия должна компенсироваться за счёт энергии синтеза, выделяющейся в зоне реакции, а также за счёт частичной рекуперации в стенках и оболочке реактора электромагнитного излучения и корпускулярных потоков. Примем для простоты, что коэффициент преобразования в электрическую энергию продуктов ядерных реакций, электромагнитного излучения и частиц с тепловой энергией одинаков и равен h. Величину (часто называют коэффициент полезного действия (кпд). В условиях стационарной работы системы и при нулевой полезной мощности уравнение баланса энергии в реакторе имеет вид:

h(Po + Pr + Pt) = Pr + Pt, (1)

где Po - мощность ядерного энерговыделения, Pr - мощность потока излучения и Pt - энергетическая мощность потока ускользающих частиц. Когда левая часть написанного равенства делается больше правой, реактор перестаёт расходовать энергию и начинает работать как термоядерная электростанция. При написании равенства (1) предполагается, что вся рекуперированная энергия без потерь возвращается в реактор через инжектор вместе с потоком подводимого нагретого топлива. Величины Ро, Pr и Pt известным образом зависят от температуры плазмы, и из уравнения баланса легко вычисляется произведение