Известия вузов. Ядерная энергетика

Рецензируемый научно-технический журнал. ISSN: 0204-3327

Энергетические характеристики продуктов термоядерных реакций в плазме с учетом релятивистских эффектов и температуры плазмы

30.06.2025 2025 - №02 Моделирование процессов в объектах ядерной энергетики

А.И. Годес И.И. Золотухин Д.В. Федоров В.Л. Шаблов

DOI: https://doi.org/10.26583/npe.2025.2.11

УДК: 533.5:533.9

Работа посвящена определению энергетических характеристик продуктов бинарных термоядерных реакций в холодной и горячей изотермической (но нерелятивистской) плазме с учетом релятивистских эффектов и температуры плазмы. В такой постановке задача ранее не рассматривалась – предполагалось, что релятивистские и температурные эффекты малы вследствие малости энергетических выходов термоядерных реакций по сравнению с энергиями покоя ионов плазмы, как и их кинетических энергий в характерной области предполагаемых температур термоядерного синтеза. Однако, как выясняется, для корректного определения критерия Лоусона для альтернативных термоядерных систем на основе D-3He- и D-D-топлив, ожидаемые температуры которых около и выше 100 кэВ в зависимости от рассматриваемых режимов работы этих систем, температурные эффекты могут оказаться существенными. Приводятся явные формулы для средних энергетических характеристик продуктов бинарных термоядерных реакций с учетом температурных и релятивистских эффектов. Для масс частиц использовались данные международной системы рекомендованных значений фундаментальных физических постоянных CODATA (Committee on Data for Science and Technology, версия 2022 г.). Приводится модификация формулы для нейтронного спектра за счет релятивистских поправок. Эти результаты могут быть использованы при формулировании уравнения теплового баланса в плазме и определении удельной мощности потока нейтронов из плазмы, особенно в случае D-3He- и D-D-синтеза, а также для нейтронной диагностики D-T-плазмы.

Ссылки

  1. Рыжков С.В., Чирков А.Ю. Системы альтернативной термоядерной энергетики. М.: ФИЗМАТЛИТ, 2017, 200 с.
  2. Lawson J.D. Some criteria for a power producing thermonuclear reactor. Proceedings of the Physical Society. Section B. 1957;70(1):6. DOI: https://doi.org/10.1088/0370-1301/70/1/303
  3. Wurzel S.E., C. Hsu S.C. Progress toward fusion energy breakeven and gain as measured against the Lawson criterion. Phys. Plasmas. 2022;29:062103. DOI: https://doi.org/10.1063/5.0083990
  4. Долголева Г.В., Забродина Е.А. Сравнение двух моделей расчета термоядерной кинетики. Препринты ИПМ им. М.В. Келдыша. 2014, № 68, 14 с. URL: http://library.keldysh.ru/preprint.asp?id=2014-68 (дата обращения: 30.02.2025).
  5. Баско М.М. Физические основы инерциального термоядерного синтеза. М.: ИТЭФ, 2007, 147 с.
  6. Бекман И.Н. Ядерная физика. Курс лекций. М.: Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, 2010, 511 с.
  7. Арцимович Л.А. Управляемые термоядерные реакции. М.: Гос. изд-во физ.-мат. литературы, 1965, 496 с.
  8. Stott P.E. The feasibility of using d-3He and d-d fusion fuels. Plasma Phys. Control. Fusion. 2005;47:1305–1338. DOI: https://doi.org/10.1088/0741-3335/47/8/011
  9. Широков Ю.М., Юдин Н.П. Ядерная физика. М.: Наука, 1980, 727 с.
  10. Альфа-частица. Физический энциклопедический словарь. М.: Изд-во «Советская энциклопедия», 1988, c. 64.
  11. Mohr P.J., Newell D.B., Taylor R.N., Tiesinga E. CODATA Recommended Values of the Fundamental Physical Constants, 2022. DOI: https://doi.org/10.48550/arXiv.2409.03787
  12. Годес А.И., Шаблов В.Л. Критерий Лоусона для различных сценариев использования D-3He-топлива в термоядерных реакторах. Известия вузов. Ядерная энергетика. 2023;2:134–147. DOI: https://doi.org/10.26583/npe.2023.2.11
  13. Godes A.I., Shablov V.L. Lawson criterion for different scenarios of using D-3He fuel in fusion reactors. Nuclear energy and technology. 2023;9(4):207–214. DOI: https://doi.org/10.3897/nucet.9.114267
  14. Усенков П.Л., Гаганова В.В., Молодцев Д.А. Нейтронно-активационный метод диагностики дейтериево-тритиевой плазмы. Физика плазмы. 2020;46(1):33–39. DOI: https://doi.org/10.31857/S0367292120010175
  15. Brysk H. Neutron energies and spectra. Plasma Physics. 1973;15:611–617. DOI: https://doi.org/10.1088/0032-1028/15/7/001
  16. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Теория поля. М.: Наука, 1973, 504 с.
  17. Alper I.B., Godes A. I., Shablov V.L. New parametrization for the 3He(d,p) 4He fusion reaction rate and refinement of the Lawson criterion for d-3He thermonuclear reactors. Journal of Physics: Conference Series. 2021;2103:012197. DOI: https://doi.org/10.1088/1742-6596/2103/1/012197
  18. Zerkin V.V., Pritychenko B. The experimental nuclear reaction data (EXFOR): Extended computer database and Web retrieval system. Nuclear Inst. and Methods in Physics Research, A. 2018;888:31–43. DOI: https://doi.org/10.1016/j.nima.2018.01.045
  19. Xu Y., Takahashi K., Goriely S., Arnould M., Ohta M., Utsunomiya H. NACRE II: an update of the NACRE compilation of charged-particle-induced thermonuclear reaction rates for nuclei with mass number A < 16. Nuclear Physics A, 2013;918:61–169, DOI: https://doi.org/10.1016/j.nuclphysa.2013.09.007
  20. Khvesyuk V.I., Chirkov A.Yu. Low radioactivity D-3He fusion fuel cycles with 3He production. Plasma Phys. Control. Fusion. 2002;44(2):253. DOI: https://doi.org/10.1088/0741-3335/44/2/308

физика плазмы управляемый термоядерный синтез термоядерные реакции энергетические характеристики продуктов термоядерных реакций температурные и релятивистские эффекты нейтронная диагностика плазмы

Ссылка для цитирования статьи: Годес А.И., Золотухин И.И., Федоров Д.В., Шаблов В.Л. Энергетические характеристики продуктов термоядерных реакций в плазме с учетом релятивистских эффектов и температуры плазмы. // Известия вузов. Ядерная энергетика. – 2025. – № 2. – С. 129-141. DOI: https://doi.org/10.26583/npe.2025.2.11 .

Открыть PDF файл