Эволюция физики. Управляемый термоядерный синтез

Теперь давайте рассмотрим основные на сегодняшний день концепции УТС, чтобы попытаться спрогнозировать перспективы каждой из них на осуществление Революции в физике и в как следствие-в истории нашей Цивилизации.
Управляемый термоядерный синтез (УТС) — синтез более тяжёлых атомных ядер из более лёгких с целью получения энергии.

Управляемый термоядерный синтез отличается от традиционной ядерной энергетики тем, что в последней используется реакция распада, в ходе которой из тяжёлых ядер получаются более лёгкие ядра.

В основных ядерных реакциях, которые планируется использовать в целях осуществления управляемого термоядерного синтеза, будут применяться дейтерий(2H) и тритий (3H), а в более отдалённой перспективе гелий-3 (3He) и бор-11 (11B).

Кстати, вот термоядерная реакция с применением изотопа гелия-3:

Реакция дейтерий + гелий-3

2H + 3He = 4He + p при энергетическом выходе 18,4 МэВ.

Условия её достижения очень сложны. Гелий-3, кроме того, является редким и чрезвычайно дорогим изотопом. В промышленных масштабах в настоящее время не производится. Однако может быть получен из трития, получаемого в свою очередь на атомных электростанциях либо добыт на Луне.

Что рентабельнее?

Запасы гелия-3 на Земле составляют в атмосфере около 50 000 т  и гораздо больше в литосфере, на Луне он находится в значительном количестве: до 10 млн тонн.   Но его легко получать и на Земле из широко распространённого в земной природе лития-6 путем облучения на некоторых существующих ядерных реакторах деления.
Наиболее простым способом осуществления термоядерной реакции является синтез дейтерия и трития с выделением гелия-4 и «быстрого» нейтрона:
D + T ; 4He (3,5 МэВ) + n (14,1 МэВ).

Синтез дейтерия и гелия-3 почти не производит радиоактивных продуктов:

D + 3He ; 4He (3,7 МэВ) + p (14,7 МэВ), где p — протон.

А это схематическое изображение реакции дейтерий-тритий
Самая легко осуществимая реакция управляемого термоядерного синтеза— дейтерий + тритий:
2H + 3H = 4He + n при энергетическом выходе 17,6 МэВ (мегаэлектронвольт).
Такая реакция наиболее легко осуществима с точки зрения современных технологий, даёт значительный выход энергии, топливные компоненты дешевы. Недостаток — выход нежелательной нейтронной радиации.
Два ядра: дейтерия и трития сливаются, с образованием ядра гелия (альфа-частица) и высокоэнергетического нейтрона.

«Безнейтронные» реакции
Особо перспективны так называемые «безнейтронные» реакции, так как порождаемый термоядерным синтезом нейтронный поток (например, в реакции дейтерий-тритий) уносит значительную часть мощности и порождает наведенную радиоактивность в конструкции реактора. Реакция дейтерий + гелий-3 является перспективной в том числе и по причине отсутствия нейтронного выхода.

Реакции на лёгком водороде
Протон-протонные реакции синтеза, идущие в звёздах, не рассматриваются как перспективное термоядерное горючее. Протон-протонные реакции идут через слабое взаимодействие с излучением нейтрино, и по этой причине требуют колоссальных размеров реактора для сколь-либо ощутимого в промышленных масштабах энерговыделения.
p + p ; ;D + e+ + ;e + 0.4 Мэв

УТС уже не фантастика! Вслед за ЦЕРН в тех же краях строится и скоро будет запущен ITER.

ITER (изначально аббр. от англ. International Thermonuclear Experimental Reactor, ИТЭР) — проект международного экспериментального термоядерного реактора. 
Проектирование реактора полностью закончено и выбрано место для его строительства — исследовательский центр Кадараш (фр. Cadarache) на юге Франции, в 60 км от Марселя. Подготовка строительной площадки в Кадараш на юге Франции началась в январе 2007 года. 
Страны-участники:


Страны ЕС (выступают как единое целое)
Индия
Китай
Республика Корея
Россия
США
Япония
Казахстан

Но я боюсь, что в свете пресловутых санкций Россия может быть отлучена от Проекта, сотрудничество прекращено или сведено к минимуму. Было бы, на мой взгляд, правильнее построить такой Реактор УТС в РФ.
ITER относится к термоядерным реакторам типа «токамак». Два ядра: дейтерия и трития сливаются, с образованием ядра гелия (альфа-частица) и высокоэнергетического нейтрона.

...

http://www.iter.org/
Официальный сайт проекта ITER на англ.яз.

Итак, пока побеждает вариант дейтерий и тритий, но есть и другие варианты. А как же гелий-3. Вот что овтетил в   вопросах после лекции:

На пути к термоядерной энергетике (ответы на вопросы после лекции)
Кристофер Ллуэллин-Смит,
профессор Оксфордского университета, председатель Совета ИТЭР, председатель Совета СЕЗАМа

Вопрос. Будьте добры, скажите, как вы относитесь к перспективе замены, хотя бы в будущем, трития в токамаках на дейтерий или на гелий-3.

К. Ллуэллин-Смит. Существует реакция термоядерного синтеза с участием бора и гелия-3, и есть реакции, не производящие нейтроны. Всё это, на первый взгляд, интересно: никакой радиоактивности! Однако для этих реакций нужна гораздо большая температура. Очень трудно осуществить это и с дейтерием и тритием, а с этими реакциями всё будет еще гораздо сложнее. Кроме того, гелия-3 имеется не так уж много, если мы не полетим на Луну — а я знаю, что некоторые люди работают над программой, имеющей целью полеты на Луну. Но это будет очень дорого. И к тому же, у нейтронов есть преимущество: они распространяют теплоту. Так что легче иметь дело с этими очень непростыми нагревателями. И, может быть, в долгосрочной перспективе такие процессы будут использоваться, но сейчас стоит сосредоточиться на том, что и без того трудно, то есть на дейтерии и тритии.

Там же. О другом варианте, требующем разработок. Я думаю, что может оказаться еще перспективнее:

Вопрос. Как вы оцениваете перспективы использования других конструкций, отличных от токамака, например стелларатора? Ведь теоретически он может работать непрерывно, в отличие от того же токамака?

К. Ллуэллин-Смит. Есть две других установки с магнитным удержанием. Первая — стелларатор. Вот что открыли Тамм и Сахаров и другие: необходимо геликоидальное магнитное поле. И они предложили генерировать такое поле при помощи соленоида и электрического тока. Но в то же время Лайман Спитцер в Принстоне предложил создавать геликоидальное поле без тока, с помощью магнитов очень сложной конфигурации. Это стелларатор. Очень красивая идея, но идея теоретика. Такую установку очень трудно построить. Она очень сложна, очень дорога, и получить оболочку для нее очень трудно. В принципе, у нее есть преимущества, потому что ток [в токамаке] флуктуирует. Эти флуктуации могут производить нестабильности в плазме.

Таким образом, наука ставит все новые вопросы и новые технические проблемы. Все же гелиевая реакция наиболее предпочтительна, если будет найден способ решить проблему нейтронной радиации.  И это проблема ждущая, как мне думается, своих счастливых авторов решения.

Впрочем, тема радиации вовсе не снимается и с ITER  И совсем не является этот проект более безопасным, чем АЭС. Или менее дорогостоящим.
Так что рентабельность и безопасность УТС все еще остается нерешенной проблемой.

Едва ли после Чернобыля и Фукусимы можно всеръез верить в "мирный атом":любые наши манипуляции с атомом чреваты...

Но что  холодный термоядерный синтез?

Но жаль, что не национальный проект, а международный. А ведь идея ТОКАМАКов отечественная!  Все упирается в финансы. Теперь вот ЕС приватизировала идею и Россия в ней на долевом участии.
А с учетом международного кризиса в отношениях стран, да общего кризиса Евросоюза-снова все уйдет в песок?
И не многовато им:и БАК, и ИТЕР. А у нас что? Одно Сколково, а что оно делает, чем гремит? Да и поутих шум в СМИ о Сколково-"нашей Силиконовой долине"(Всякое подражание бледнее оригинала, это известно).

Да и Европейское космическое агентсво то и дело поставляет свежие сенсации, а вот Роскосмос чаще рапортует о упавших ракетах и неудачных запусках.
Скверные сенсации...

Теряем инициативу.

Я совершенно согласна с вами, Impulse, с вашим утверждением:"нет более безопасного реактора, чем данное природой Солнце".
Истинно так!  Это  БИОНИКА.  Наука познаёт природу, а техника и технологии должны прежде всего учиться у Природы, подражать ей.  Поэтому я сторонница гелиевой реакции УТС.  Рукотворное Солнце.  Проблема в необходимости очень высокой температуры и добыче сырья,  которые осложняют такой соблазнительно-простой и дешево-рентабельный солнечный принцип реализации управляемого термоядерного синтеза.
Есть ли какие-либо соображения на сей счет?
Мозговой штурм. По этому принципу решения изобретательских задач на этапе обсуждения запрещена любая критика и разрешаются любые предложения и соображения вплоть до самых "безумных" и странных, невежественных, сказочно-фантастических и т.д.Обработка идей на следующем этапе.

Впрочем, наверное лучше эту проблему вынести в отдельную тему. Правда, не на спец.подфоруме Генератор-там требуется установить размер награды и т.д., я могу предложить только свободное обсуждение. А здесь вернемся к стержневой теме:Физика будущего, держа нить темы и не уклоняясь сильно в стороны. Кстати, Импульс, для темы о РУКОТВОРНОМ СОЛНЦЕ хорошо бы наглядный материал, особенно термоядерной реакции на Солнце.