Согласно (4.7.3) обеспечить положительный энергетический выход установки для УТС можно двумя путями: 1) длительное (τ ≥ 0,1 с) удержание нагретой до необходимой температуры плазмы с концентрацией n≥ 1015см-3 в заданном объеме; 2) сверхбыстрое (~ 10-9с) нагревание малых объемов твердого термоядерного топлива.
Первое направление к сегодняшнему
дню наиболее исследовано и развито. Плазму предполагается изолировать от контакта
со стенками с помощью магнитного поля. Устройства такого рода получили название
магнитных ловушек. На рис. 4.7.1 показана схема тороидальной магнитной ловушки
типа токамак (аббревиатура от слов «тороидальная камера, магнитная катушка»).
Принцип действия токамака можно понять из рисунка. При разряде конденсаторной
батареи большой емкости через первичную обмотку 2 в газовой смеси дейтерия
и трития, содержащемся в камере 3 (вторичный виток трансформатора 1), возникает
вихревое электрическое поле, направленное по оси тороида, которое вызывает
электрический разряд, в результате чего образуется шнур плазмы 4. Ток разряда
I
нагревает плазму до необходимой термоядерной температуры. Катушка 5 создает
сильное магнитное поле, направленное по оси тороида, которое в сочетании с
собственным магнитным полем В0 тока I
образует магнитное поле с винтообразными силовыми линиями. Это магнитное поле
и должно обеспечить изоляцию плазмы от стенок камеры. Однако такая простая
схема удержания плазмы оказалась далекой от совершенства и на пути к решению
УТС возникла очень серьезная проблема – неустойчивость плазмы, в результате
которой плазменный шнур касается стенок камеры и разрушается. Все ведущиеся
в настоящее время работы по реализации УТС с помощью токомаков так или иначе
связаны с устранением возникающих многочисленных видов неустойчивости плазменного
шнура. С помощью токомаков получены нейтроны термоядерного происхождения и
достигнута величина nt
= 5·1013с/см3 при температуре дейтериво-тритиевой
плазмы около 6·107К.
Второе направление, называемое инерционным удержанием плазмы, заключается в сверхбыстром (за время ~ 10-9с) сообщении энергии для сжатия и разогрева до термоядерных температур шариков диаметром в 1 мм изтвердого термоядерного топлива. Энергия сообщается импульсными ускорителями электронов с величиной тока в несколько мегаампер и энергией электронов в 1÷ 2 МэВ, или же с помощью мощных ипульсных лазеров. Для предотвращения разлета образующейся плазмы и ее сжатия импульсное нагревание необходимо производить одновременно и равномерно со всех сторон. Одна из подобных систем использует 48 мощных импульсных лазеров. Всестороннее облучение сферической мишени приводит к появлению мощных потоков частиц, испаряющихся с поверхности и возникновению реактивной силы, сжимающей вещество мишени в сотни или тысячи раз. Схлопывание ударных волн в конце процесса сжатия (кумуляция) приводит к значительной концентрации энергии в центре мишени. В результате происходит разогрев до высоких температур и термоядерная вспышка, которую можно использовать для получения энергии. На пути к практическому осуществлению инерционных методов удержанием плазмы предстоит преодолеть еще много принципиальных и технических проблем, связанных с созданием большого числа мощных импульсных источников электронного или фотонного излучения с очень близкими параметрами и высоким ресурсом и синхронизацией их действия.
Для преобразования кинетической энергии нейтронов термоядерного происхождения в тепло предполагается камеру с плазмой окружить бланкетом – специальной оболочкой, содержащей изотоп 6Li, который будет использован для воспроизводства трития в реакции (4.7.2). Так как эта реакция тоже экзоэнергетическая, то она добавляет 4,8 МэВ энергии к 17,6 МэВ энергии, выделяющейся в реакции (4.6.19). Бланкет такого рода называют чистым, так как в нем не образуются радиоактивные продукты.
Еще больший энергетический выигрыш можно получить в гибридном бланкете, который дополнительно содержит зоны с 238U. В результате деления ядер 238U быстрыми нейтронами выделяется еще дополнительно около 140 МэВ энергии на один термоядерный нейтрон, а также образуется делящийся нуклид 239Рu. Таким образом, в гибридном бланкете можно получит в шесть раз больше энергии, чем в чистом бланкете. Однако наличие делящихся нуклидов и образование осколков деления создает радиационную обстановку, близкую к той, которая существует в ядерных реакторах.