Мы уже отмечали, что ядерный синтез, то есть слияние легких ядер в тяжелее ядро
, сопровождается, как и разделение тяжелых ядер, выделением больших количеств энергии. Поскольку для синтеза ядер необходимы высокие температуры, этот процесс называется термоядерной реакцией.
Средней энергии теплового движения, равен 0,35 МэВ, по формуле Е = kT соответствует температура ~ 2 • 109 K. Однако, синтез легких ядер может протекать и при значительно более низких температурах. Вследствие статистического распределения частиц по скоростям есть некоторое количество ядер, энергия которых значительно превышает среднее значение. Для реализации управляемой термоядерной реакции необходимо создать и поддерживать в некотором объеме температуру ~ 108 К (100 миллионов градусов).
При таких температурах вещество представляет собой полностью ионизированный газ - плазму. На пути осуществления управляемой термоядерной реакции стоят большие трудности. Наряду с необходимостью получения чрезвычайно высоких температур, возникает проблема удержания плазмы в заданном объеме. Прикосновение плазмы к стенкам камеры приведет к охлаждению плазмы. Кроме того, стенка с любого вещества при такой температуре немедленно испарилась.
Для того, чтобы термоядерная реакция протекала с большим выделением энергии, нужно еще иметь необходимую концентрацию ядер дейтерия и трития в единице объема (иначе говоря, необходимую плотность плазмы). Чем выше концентрация ядер атомов, тем меньше времени необходимо, чтобы удерживать плазму, и наоборот. Численно эта зависимость учитывается критерием Лоусона: для каждой термоядерной реакции и температуры плазмы является минимальное необходимое значение произведения концентрации ядер и времени удержания плазмы. Для дейтерий-тритиевой реакции (D + T-реакции) и Т = 108 К критерий Лоусона равна 3 • 1014. Это означает, что при концентрации ядер атомов 3 • 1014 г/см3 время удержания плазмы должен быть не менее 1 с.
Советские ученые предложили удерживать плазму в заданном объеме с помощью магнитного поля. Эта программа создания термоядерного реактора получила название ТОКАМАК (от начальных букв выражения "тороидальных камера с магнитной катушкой"). Схему термоядерного реактора ТОКАМАК приведены на рис. 32.3. Камера представляет собой тор (на рис. Показано в сечении его половина), 1 - плазма, 2 - бланкет (поглотитель нейтронов), 3 - биологическая защита, 4 - обмотка катушки, 5 - обмотка индуктора.
Реактор работает в импульсном режиме. Первые 5-10 с образуется плазма и нагревается до температуры "зажигания". Высокую температуру получают, пропуская через плазму очень сильный электрический ток ~ 106 А. Для этого образуется разряд огромного конденсатора через обмотку индуктора. Энергия, которая образуется в результате термоядерной реакции, воспринимается на 80% нейтронами и на 20% ядрами атомов гелия (?-частицами). Нейтроны свободно выходят из плазмы и попадают в оболочку, которая ее окружает, - бланкет, где поглощаются и отдают свою энергию. Далее с помощью теплоносителя энергия отводится до теплообменника.