НАУКА и ОБРАЗОВАНИЕ

Файл статьи: SE-BMSTU...o335.pdf (667.90Кб)

УДК 533.9

Россия,  МГТУ им. Н.Э. Баумана

Параметры плазмы в современных токамаках достигли уровня, соответствующего коэффициенту усиления мощности Q ~ 1 в термоядерном реакторе. Термоядерные устройства с Q ~ 1 могут быть использованы в качестве нейтронных источников для гибридных термоядерно-ядерных реакторов с подкритичным бланкетом. Термоядерные нейтроны в таких реакторах вызывают деление сырьевых изотопов, в результате чего образуются делящиеся изотопы и выделяется энергия. В работе рассматривается плазменно-пучковый режим генерации термоядерных нейтронов в магнитной ловушке токамак, реализуемый при мощном нагреве нейтральными пучками быстрых атомов. В рассматриваемых режимах отношение Q термоядерной мощности к мощности инжекционного нагрева порядка единицы, что достаточно для источника быстрых нейтронов для гибридного термоядерно-ядерного реактора. Скорость реакции с участием быстрых частиц значительно превышает скорость реакции в максвелловской плазме, что позволяет снизить требования к размерам магнитной ловушки. Расчет скорости реакции выполнен в приближении «сдвинутого» максвелловского распределения быстрых частиц по скоростям. Для обоснования выполненных оценок проведен специальный анализ влияния профилей плотности и температуры на величину Q в условиях, близких к рабочим режимам Интернационального Термоядерного Экспериментального Реактора (ИТЭР, ITER). Использование пространственно нуль-мерного приближения не приводит к завышению коэффициента усиления мощности Q. Время релаксации пучка в условиях нейтронного источника значительно превосходит время удержания энергии плазмы. Показана возможность создания источника быстрых термоядерных нейтронов с Q = 1 на основе системы масштаба современных токамаков. Оцененные параметры такого источника соответствуют уровню уже существующих экспериментальных установок магнитного удержания плазмы.

1. ITER Physics Basis // Nuclear Fusion. 1999. Vol. 39, no. 12. P. 2137–2638 .
2. Research Needs for Fusion–Fission Hybrid Systems. Report of the Research Needs Workshop (ReNeW). Gaithersburg, Sept. 30 – Oct. 2, 2009. U.K. Department of Energy, 2009. Режим доступа : http://fire.pppl.gov/Hybrid_Report_Final.pdf ( дата обращения 12.04.2015).
3. Moir R.W., Manheimer W. Ch. 14. Fusion–Fission Hybrid Reactors // In: Magnetic Fusion Technology / ed. by T.J. Dolan. Springer-Verlag London, 2013. P. 699–472. (Ser. Lecture Notes in Energy; vol. 19). DOI: 10.1007/978-1-4471-5556-0_14
4. Азизов Э.А., Велихов Е.П. Долгий путь к гибриду // Природа. 2013. № 12. С . 8–16.
5. Азизов Э.А., Алексеев П.Н., Кутеев Б.В. Коррекция дорожной карты российской термоядерной стратегии // XLI Международная (Звенигородская) конференция по физике плазмы и УТС (г. Звенигород Московской обл., 10-14 февраля 2014 г.): тез. 2014. Режим доступа:http://www.fpl.gpi.ru/Zvenigorod/XLI/R/ru/NI-Kuteev.docx (дата обращения 12.04.2015).
6. Dolan T.J. Ch.29. Fusion –Fission hybrids // In: Fusion Research. Principles, Experiments and Technology. Pergamon Press, 1982. P. 830-847.
7. Кутеев Б.В., Гончаров П.Р., Сергеев В.Ю., Хрипунов В.И. Мощные нейтронные источники на основе реакций ядерного синтеза // Физика плазмы. 2010. Т. 36, № 4. С. 307–346.
8. Юров Д.В., Приходько В.В. Гибридные системы для дожигания трансурановых отходов атомных энергетических установок: состояние исследований и перспективы // Успехи физических наук. 2014. Т . 184, № 11. С . 1237–1248 .
9. Bagryansky P.A., Ivanov A.A., Kruglyakov E.P., Kudryavtsev A.M., Tsidulko Yu.A., Andriyash AV., Lukin A.L., Zouev Yu.N. Gas dynamic trap as high power 14 MeV neutron source // Fusion Engineering and Design. 2004. Vol. 70, iss. 1. P. 13-33.
10. Голиков А.А., Кутеев Б.В. Усовершенствованная модель для анализа плазменных характеристик токамака с интенсивной реакцией ядерного синтеза // Вопросы атомной науки и техники. Сер . Термоядерный синтез . 2012. Вып . 1. С . 45–63.
11. Chirkov A.Yu. Optimal parameters of fusion neutron sources with a powerful injection heating // Journal of Fusion Energy. 2014. DOI: 10.1007/s10894-014-9835-x
12. Strachan J.D., Batha S., Beer M., et al. TFTR DT experiments // Plasma Physics and Controlled Fusion. 1997. Vol. 39, no. 12B. P. B103–B114. DOI: 10.1088/0741-3335/39/12B/008
13. Hawryluk R . J ., Batha S ., Blanchard W .,  et al . Fusion plasma experiments on TFTR: A 20 year retrospective // Physics of Plasmas. 1998. Vol. 5. P. 1577–1589. DOI: 10.1063/1.872825
14. Клеммоу Ф., Доуэрти Дж. Электродинамика частиц и плазмы: пер. с англ. М.: Мир, 1996. 528 с .
15. Чирков А.Ю. О возможной концепции токамака-реактора с альтернативным термоядерным циклом D –³He // Вопросы атомной науки и техники. Сер. Термоядерный синтез. 2001. Вып. 2. С. 37–43.
16. Чирков А.Ю. О возможности использования D–³He-цикла с наработкой³He в термоядерном реакторе на основе сферического токамака // Журнал технической физики. 2006. Т. 76, № 9. С . 51–54.
17. Чирков А.Ю. Малорадиоактивный термоядерный реактор на основе сферического токамака с сильным магнитным полем // Наука и образование МГТУ им. Н.Э.  Баумана. Электрон. ж урн. 2011. № 3. Режим доступа:http://technomag.edu.ru/doc/167577.html(дата обращения 05.04.2015).
18. Chirkov A.Yu. Low radioactivity fusion reactor based on the spherical tokamak with a strong magnetic field // Journal of Fusion Energy. 2013. Vol. 32, no. 2. P. 208–214.
19. Bosh H.-S., Hale G.M. Improved formulas for fusion cross-sections and thermal reactivities // Nuclear Fusion. 1992. Vol. 32, no. 4. P. 611–631. DOI:10.1088/0029-5515/32/4/I07
20. Чирков А.Ю., Хвесюк В.И. К расчету функций распределения высокоэнергетичных ионов по скоростям // Вопросы атомной науки и техники. Сер. Термоядерный синтез. 2003. Вып. 1. С. 55–65.
21. Чирков А.Ю. Численное решение уравнения Фоккера–Планка для моделирования модифицированных газодинамических режимов плазмы в магнитной ловушке с нагревом интенсивными атомарными пучками // Физико-химическая кинетика в газовой динамике. 2011. Т. 11. Режим доступа:http://chemphys.edu.ru/media/files/2011-02-01-029_Chirkov.pdf(дата обращения 05.04.2015).
22. Чирков А.Ю. Энергетическая эффективность альтернативных термоядерных систем с магнитным удержанием плазмы // Ядерная физика и инжиниринг. 2013. Т. 4, № 11–12. С. 1050–1059.