Первый тип термоядерного реактора будет использовать в реакции синтеза тритий и дейтерий T + D = He + n, в итоге образуется нейтрон – n и ядро гелия - He. Для прохождения подобной реакции требуется просто колоссальная температура – около 100 000 000 Со. Это требуется для того, чтобы преодолеть электростатической силы, которая отталкивает частицы друг от друга и, сталкиваясь, даже на ничтожно малый промежуток времени, создаются условия для протекания ядерной реакции. Это приводит к образованию плазмы, состоящей из ионов и электронов.
Очень важными факторами получения положительного выхода энергии являются: время жизни плазмы – t и плотность ионов в реакции - n. А их произведение должно быть очень велико – nt > 5*1 000 000 000 000 000 c/см3 – так называемый критерий Лоусона. Главная из первых проблем, с которыми столкнулись ученые на пути к получению термоядерной энергии, - это неустойчивость плазмы, вызывающая плазменную турбулентность.
Эти проблемы и явились причиной 40-летней задержки перед постройкой первой установки способной удерживать турбулентность плазмы в достаточной мере, чтобы выполнить критерий Лоусона.
Рассматриваются два основных и совершенно разных принципа построения архитектуры термоядерного реактора в будущем, в данный момент еще не известно какой из вариантов будет наиболее приемлем и выгоден.
В так называемом инерционном термоядерном синтезе несколько миллиграмм дейтериево-тритиевой смеси сжимаются оболочкой, ускоряемой за счет реактивных сил, возникающих при испарении оболочки с помощью мощного лазерного или рентгеновского излучения. Энергия выделяется в виде микровзрыва, когда в процессе сжатия в смеси дейтерия с тритием достигаются необходимые условия для термоядерного горения. Время жизни такой плазмы определяется инерционным разлетом смеси и поэтому критерий Лоусона для инерционного удержания принято записывать в терминах произведения rr, где r - плотность реагирующей смеси и r - радиус сжатой мишени. Для того чтобы за время разлета смесь успела выгореть, нужно, чтобы rr = 3 Г/см2. Отсюда сразу следует, что критическая масса топлива, М, будет уменьшаться с ростом плотности смеси, М ~ rr3 ~ 1/r2 , а, следовательно, и энергия микровзрыва будет тем меньше, чем большей плотности смеси удастся достичь при сжатии. Ограничения на степень сжатия связаны с небольшой, но всегда существующей неоднородностью падающего на оболочку излучения и с несимметрией самой мишени, которая еще и нарастает в процессе сжатия из-за развития неустойчивостей. В результате появляется некая критическая масса мишени и, следовательно, критическая энергия, которую нужно вложить оболочку для ее разгона и получения положительного выхода энергии. По современным оценкам, в мишень с массой топлива около 5 миллиграмм и радиусом 1-2 миллиметра нужно вложить около 2 МДж за время 5-10410-9 с. При этом энергия микровзрыва будет на уровне всего 54108 Дж (эквивалентно около 100 кг обычной взрывчатки) и может быть легко удержана достаточно прочной камерой. Предполагается, что будущий термоядерный реактор будет работать в режиме последовательных микровзрывов с частотой в несколько герц, а выделяемая в камере энергия будет сниматься теплоносителем и использоваться для получения электроэнергии.
За прошедшие годы достигнут большой прогресс в понимании физических процессов происходящих при сжатии мишени и взаимодействии лазерного и рентгеновского излучения с мишенью. Более того, современные многослойные мишени уже были проверены с помощью подземных ядерных взрывов, которые позволяют обеспечить требуемую мощность излучения. Было получены зажигание и большой положительный выход термоядерной энергии, и поэтому нет сомнений, что этот способ в принципе может привести к успеху. Основная техническая проблема, с которой сталкиваются исследователи, работающие в этой области - создание эффективного импульсного драйвера для ускорения оболочки.
Чтобы получить нужную мощность, нужно использовать лазерные установки, однако мощности современных лазеров в соотношении с к.п.д. не достаточно. И на получение большей энергии, чем затрачено, пока что рассчитывать не приходится. Существуют и альтернативные лазерному подходы в создании драйверов, например: ионные и электронные пучки. В этой сфере имеются существенные успехи.
В данный момент в Соединенных Штатах строиться огромная установка-лазер под названием NIF, которая должна будет обеспечить зажигание.
{odnaknopka}