7acdc6ce51e1cbe9075d0971bb9b36a1

1.

Термоядерный синтез: теория,
технологии и перспективы
От основ реакции до международных проектов и будущего энергетики

2.

Table of Contents
Введение в термоядерный синтез
03
Основные термоядерные реакции
04
Проблемы реализации термоядерного синтеза
05
Магнитное удержание плазмы
06
Конструкция и принцип работы токамака
07
Лазерный термоядерный синтез (ЛТС)
08
Международный проект ITER
09
Роль сверхпроводников в ИТЭР
10
Развитие магнитных ловушек и технологий удержания
11
Заключение и перспективы термоядерной энергетики
12

3.

Введение в термоядерный синтез
Определение
термоядерного
синтеза
Термоядерный
синтез — это реакция
слияния лёгких
атомных ядер в
более тяжёлые с
выделением
колоссального
количества энергии.
3
Условия для
протекания реакции
Необходимая
температура
Для успешного
протекания реакции
необходимо
сближение ядер до
масштабов порядка
10⁻¹⁵ м, что требует
преодоления
кулоновских сил
отталкивания.
Для этого вещество
нагревают до сотен
миллионов градусов
Цельсия, при
которых оно
находится в
состоянии плазмы —
полностью
ионизированного
газа.
Термоядерный синтез: теория, технологии и перспективы
Свойства плазмы в
термоядерных
процессах
Такое состояние
характеризуется
высокой энергией и
особой
чувствительностью к
электромагнитным
полям, что и служит
основой
термоядерных
процессов.

4.

Основные термоядерные реакции
Реакция синтеза дейтерия и трития
Перспективная реакция дейтерия с
гелием-3
Наиболее исследуемая и практическая
реакция синтеза — это слияние дейтерия (²H) и
трития (³H):
Также перспективна реакция дейтерия с
гелием-3:
D + T → ⁴He + n + 17.6 МэВ.
При этом выделяется значительная энергия, а
запасы дейтерия практически неисчерпаемы.
Тритий синтезируется внутри реактора при
облучении лития нейтронами.
4
Термоядерный синтез: теория, технологии и перспективы
D + ³He → ⁴He + p + 18.3 МэВ,
которая не производит нейтронов, снижая
радиационные проблемы,
однако требует на порядок более высоких
температур и использование дефицитного
гелия-3, основное месторождение которого —
лунный реголит.

5.

Проблемы реализации термоядерного синтеза
5
Преодоление кулоновского
барьера
Достижение сверхвысоких
температур и плотности
Ограничения использования
твёрдого или жидкого топлива
Главные трудности
заключаются в преодолении
кулоновского барьера.
Необходимо достижение и
удержание сверхвысоких
температур и плотности
плазмы.
Использование твёрдого или
жидкого топлива невозможно
из-за экстремальных условий.
Использование плазмы как
топлива
Обеспечение стабильного
горения
Вместо этого используется
чрезвычайно разреженный газ
— плазма, которую
необходимо удерживать в
специально созданных
условиях.
Обеспечение стабильного
горения с контролем
реагентов и энергии —
ключевая техническая и
инженерная задача.
Термоядерный синтез: теория, технологии и перспективы

6.

Магнитное удержание плазмы
6
01
02
03
04
05
Определение плазмы
Роль магнитного поля
Создание магнитных
полей
Зависимость
эффективности
удержания
Цель магнитного
удержания
Плазма — это смесь
положительно заряженных
ионов и электронов,
которые под действием
сильного магнитного поля
движутся по спиралям, не
покидая пространство
удержания.
Магнитное поле действует
как непроницаемая
преграда, ограничивая
движение заряженных
частиц.
Для создания таких полей
применяются
сверхпроводящие катушки.
Чем выше интенсивность
поля, тем эффективнее
удержание.
Это позволяет создавать
магнитные ловушки, в
которых плазма способна
сохранять высокие
температуры и плотность,
необходимые для
термоядерного синтеза.
Термоядерный синтез: теория, технологии и перспективы

7.

Конструкция и принцип работы токамака
Тороидальная вакуумная
камера и магнитные поля
Нагрев плазмы
индукционным током
Радиочастотное излучение и
инжекция нейтральных
частиц
Токамак представляет собой
тороидальную вакуумную
камеру с магнитными
катушками, создающими
тороидальное и вертикальное
магнитное поле.
Нагрев плазмы достигается
индукционным током,
вызывающим сопротивление и
выделение тепла.
Дополнительный нагрев плазмы
происходит за счёт
радиочастотного излучения,
передающего энергию плазме.
Эти поля удерживают плазму в
замкнутом объёме,
предотвращая её
соприкосновение со стенками.
7
Термоядерный синтез: теория, технологии и перспективы
Инжекция
высокоэнергетических
нейтральных частиц также
способствует нагреву.
Управление и стабилизация
плазмы
Сложные системы управления
магнитным полем
стабилизируют плазму.
Они поддерживают
необходимые параметры для
запуска термоядерной реакции
и её самоподдержания.

8.

Лазерный термоядерный синтез (ЛТС)
8
Основы метода ЛТС
Продолжительность высоких параметров
плазмы
Метод ЛТС основан на облучении микроскопических
шариков с топливом из дейтерия и трития мощными
лазерными импульсами, вызывающими их локальное
нагревание и сжатие до экстремальных температур и
давлений.
Период высокой плотности и температуры плазмы
чрезвычайно короток — от 10⁻¹⁰ до 10⁻¹¹ секунды — что
требует работы в импульсном режиме.
Импульсный режим работы
Комплекс Национальная зажигательная
установка (NIF)
Для достижения необходимых условий термоядерного
синтеза применяется работа в импульсном режиме изза чрезвычайно короткого периода высокой
температуры и плотности плазмы.
Ведущим объектом исследований является комплекс
«Национальная зажигательная установка» (NIF) в США
с 192 лазерами, способный создавать условия, близкие
к необходимым для безопасного и эффективного
термоядерного синтеза.
Термоядерный синтез: теория, технологии и перспективы

9.

Международный проект ITER
9
Описание проекта ITER
Цель проекта
История создания
ITER — международный
экспериментальный термоядерный
реактор, строящийся во
французском Кадараше, с участием
России, США, Японии, ЕС и других
стран.
Его цель — достижение
управляемого безубыточного
синтеза дейтерий-тритиевой
плазмы с длительным горением.
Проект инициирован в 1980-х годах
и стартовал строительство в 2008
году.
Уникальность инфраструктуры
Международное
сотрудничество
ITER представляет собой
уникальную инфраструктуру, в
которой разрабатываются и
отрабатываются технологии,
необходимые для перехода к
коммерческому термоядерному
энергетическому производству.
В проекте участвуют Россия, США,
Япония, Европейский союз и другие
страны.
Термоядерный синтез: теория, технологии и перспективы

10.

Роль сверхпроводников в ИТЭР
Применение сверхпроводников в
ITER
Для создания интенсивных магнитных
полей в ITER применяются
сверхпроводники, производство которых
базируется на технологиях,
разработанных ВНИИНМ в России.
Объем производства
сверхпроводников
Для проекта изготовлено более 220 тонн
сверхпроводников NbTi и Nb3Sn.
Функциональное значение
материалов
Эти материалы обеспечивают мощные и
устойчивые магнитные поля,
необходимые для эффективного
удержания плазменного кольца.
10
Термоядерный синтез: теория, технологии и перспективы
Производственные площадки
Производство осуществляется на
Чепецком механическом заводе с
участием АО «ТВЭЛ».
Качество сверхпроводников
Сверхпроводники отличаются высокой
стабильностью и надёжностью при
циклических нагрузках.

11.

Развитие магнитных ловушек и технологий удержания
Определение магнитных
ловушек
Магнитные ловушки — это
устройства с усиленными
магнитными «пробками»,
которые задерживают
заряженные частицы
плазмы.
11
Использование
высокочастотных
магнитных полей
Для повышения
эффективности устройства
применяются
высокочастотные
магнитные поля,
усиливающие запирание.
Термоядерный синтез: теория, технологии и перспективы
Роль магнитных
«поршней»
Создание устойчивых
термоядерных условий
Максимизация
энергоотдачи
Магнитные «поршни»
сжимают и нагревают
плазму, повышая её
температуру и плотность.
Такие технологии
позволяют создавать
устойчивые термоядерные
условия, минимизируя
потери.
Использование магнитных
ловушек и технологий
удержания максимально
повышает энергоотдачу.

12.

Заключение и перспективы термоядерной энергетики
Перспективность термоядерной
энергетики
Термоядерная энергетика представляет
собой перспективное решение мировых
проблем энергетики благодаря огромным
запасам топлива.
Отсутствие долгоживущих
радиоактивных отходов
Термоядерный синтез не производит
долгоживущих радиоактивных отходов,
снижая экологические риски.
Прогресс в проектах ITER и NIF
Прогресс, достигнутый в рамках проектов
ITER и NIF, свидетельствует о
значительном приближении к
коммерческой реализации термоядерной
энергии, способной обеспечить
человечество чистой и практически
неисчерпаемой энергией.
12
Термоядерный синтез: теория, технологии и перспективы
Безопасность процесса
Фундаментальная безопасность процесса
термоядерного синтеза является
ключевым преимуществом технологии.
Научные и инженерные вызовы
Долговечность материалов и
стабилизация плазмы остаются
значительными вызовами для развития
термоядерной энергетики.