Термоядерный двигатель: Через термояд к звёздам — Alpha Centauri

Термоядерный ракетный двигатель | это… Что такое Термоядерный ракетный двигатель?

варианты конструкции ТЯРД

Термоядерный ракетный двигатель (ТЯРД) — перспективный ракетный двигатель для космических полётов, в котором для создания тяги предполагается использовать истечение продуктов управляемой термоядерной реакции или рабочего тела, нагретого за счёт энергии термоядерной реакции.

Содержание 1 Принцип работы и устройство ТЯРД 1.1 ТЯРД на основе термоядерного реактора с магнитным удержанием плазмы 1.2 ТЯРД на основе систем инерционного синтеза (импульсный термоядерный реактор) 2 Типы реакций и термоядерное топливо 2.1 Реакция дейтерий + тритий (Топливо D-T) 2.2 Реакция дейтерий + гелий-3 2.3 Другие виды реакций 3 История, современное состояние и перспективы разработок ТЯРД 4 См. также 5 Ссылки

Принцип работы и устройство ТЯРД

В настоящее время предложены 2 варианта конструкции ТЯРД :

ТЯРД на основе термоядерного реактора с магнитным удержанием плазмы

В первом случае принцип действия и устройство ТЯРД выглядят следующим образом: основной частью двигателя является реактор, в котором происходит управляемая реакция термоядерного синтеза. Реактор представляет собой полую «камеру» цилиндрической формы, открытую с одной стороны, т. н. установку термоядерного синтеза схемы «открытая ловушка» (также именуемую «магнитная бутылка» или пробкотрон). «Камера» реактора вовсе не обязательно (и даже нежелательно) должна быть цельно-герметичной, скорее всего она будет представлять собой легкую размеростабильную ферму, несущую катушки магнитной системы. В настоящее время наиболее перспективной считается схема т. н. «амбиполярного удержания» или «магнитных зеркал» (англ. tandem mirrors), хотя возможны и другие схемы удержания: газодинамические ловушки, центробежное удержание, обращенное магнитное поле (FRC). По современным оценкам, длина реакционной «камеры» составит от 100 до 300 м при диаметре 1-3 м. В камере реактора создаются условия, достаточные для начала термоядерного слияния компонентов выбранной топливной пары (температуры порядка сотен миллионов градусов, факторы критерия Лоусона). Термоядерное топливо — предварительно нагретая плазма из смеси топливных компонентов — подаётся в камеру реактора, где и происходит постоянная реакция синтеза. Генераторы магнитных полей (магнитные катушки той или иной конструкции), окружающие активную зону, создают в камере реактора поля большой напряжённости и сложной конфигурации, которые удерживают высокотемпературную термоядерную плазму от соприкосновения с конструкцией реактора и стабилизируют происходящие в ней процессы. Зона термоядерного «горения» (плазменный факел) формируется по продольной оси реактора. Полученная плазма, направляемая магнитными управляющими системами, истекает из реактора через сопло, создавая реактивную тягу.

Следует отметить возможность «многорежимной» работы ТЯРД. Путем впрыска в струю плазменного факела относительно холодного вещества можно резко повысить общую тягу двигателя (за счет снижения удельного импульса), что позволит кораблю с ТЯРД эффективно маневрировать в гравитационных полях массивных небесных тел, например больших планет, где зачастую требуется большая общая тяга двигателя. По общим оценкам, ТЯРД такой схемы может развивать тягу от нескольких килограммов вплоть до десятков тонн при удельном импульсе от 10 000сек до 4 млн. сек. Для сравнения, показатель удельного импульса наиболее совершенных химических ракетных двигателей — порядка 450 сек.

ТЯРД на основе систем инерционного синтеза (импульсный термоядерный реактор)

Двигатель второго типа — инерциальный импульсный термоядерный двигатель. В таком реакторе управляемая термоядерная реакция проходит в импульсном режиме (доли мкс с частотой 1-10Гц), при периодическом обжатии и разогреве микромишеней, содержащих термоядерное топливо. Первоначально предполагалось использовать лазерно-термоядерный двигатель (ЛТЯРД). Такой ЛТЯРД предлагался, в частности, для межзвёздного автоматического зонда в проекте «Дедал». Главной его частью является реактор, работающий в импульсном режиме. В сферическую камеру реактора подаётся термоядерное топливо (например, дейтерий и тритий) в виде мишеней — сложной конструкции сфер из смеси замороженных топливных компонентов в оболочке диаметром несколько миллиметров. На внешней части камеры находятся мощные — порядка сотен тераватт — лазеры, наносекундный импульс излучения которых через оптически прозрачные окна в стенах камеры попадает на мишень. При этом на поверхности мишени мгновенно создается температура более 100 млн градусов при давлении порядка миллиона атмосфер — условия, достаточные для начала термоядерной реакции. Происходит термоядерный микровзрыв мощностью в несколько сотен килограммов в тротиловом эквиваленте. Частота таких взрывов в камере в проекте «Дедал» — порядка 250 в секунду, что требовало подачи топливных мишеней со скоростью более 10 км/с при помощи ЭМ-пушки. Расширяющаяся плазма вытекает из открытой части камеры реактора через сопло соответствующей конструкции, создавая реактивную тягу. В настоящее время уже теоретически и практически доказано, что лазерный метод обжатия/разогрева микромишеней является тупиковым — в том числе практически невозможно построить лазеры такой мощности с достаточным ресурсом. Поэтому в настоящее время для инерциального синтеза рассматривается вариант с ионно-пучковым обжатием/нагревом микромишеней, как более эффективный, компактный и с гораздо большим ресурсом.

И тем не менее, есть мнение, что ТЯРД на инерциально-импульсном принципе слишком громоздок из-за очень больших циркулирующих в нём мощностей, при худшем, чем у ТЯРД с магнитным удержанием, удельном импульсе и тяге, что вызвано импульсно-периодическим типом его действия. Идеологически к ТЯРД на инерциально-импульсном принципе примыкают взрыволеты на термоядерных зарядах типа проекта «Орион».

Типы реакций и термоядерное топливо

ТЯРД может использовать различные виды термоядерных реакций в зависимости от вида применяемого топлива. В частности, на настоящее время принципиально осуществимы следующие типы реакций:

Реакция дейтерий + тритий (Топливо D-T)

²H + ³H = ⁴He + n при энергетическом выходе 17,6 МэВ

Такая реакция наиболее легко осуществима с точки зрения современных технологий, даёт значительный выход энергии, топливные компоненты относительно дёшевы. Недостаток её — весьма большой выход нежелательной (и бесполезной для прямого создания тяги) нейтронной радиации, уносящей большую часть мощности реакции и резко снижающей КПД двигателя. Тритий радиоактивен, период его полураспада — около 12 лет, то есть его долговременное хранение невозможно. В то же время, возможно окружить дейтериево-тритиевый реактор оболочкой, содержащий литий: последний, облучаясь нейтронным потоком, превращается в тритий, что в известной степени замыкает топливный цикл, поскольку реактор работает в режиме размножителя (бридера). Таким образом, топливом для D-T- реактора фактически служат дейтерий и литий.

Реакция дейтерий + гелий-3

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

Условия её достижения значительно сложнее. Гелий-3, кроме того, является редким и чрезвычайно дорогим изотопом. В промышленных масштабах на настоящее время не производится. Хотя энергетический выход реакции D-T выше, реакция D-³He имеет следующие преимущества:

Сниженный нейтронный поток, реакцию можно отнести к «безнейтронным»,

Меньшая масса радиационной защиты,

Меньшая масса магнитных катушек реактора.

При реакции D-³He в форме нейтронов выделяется всего около 5 % мощности (против 80 % для реакции D-T).Около 20 % выделяется в форме рентгеновского излучения. Вся остальная энергия может быть непосредственно использована для создания реактивной тяги. Таким образом, реакция D-3He намного более перспективна для применения в реакторе ТЯРД.

Другие виды реакций

Реакция между ядрами дейтерия (D-D, монотопливо) D + D —>

3He + n при энергетическом выходе 3,3 МэВ, и

D + D —> T + p+ при энергетическом выходе 4 МэВ. Нейтронный выход в этой реакции весьма значителен.

Возможны и некоторые другие типы реакций:

p + ⁶Li → ⁴He (1.7 MeV) + ³He (2.3 MeV)

³He + ⁶Li → 2 ⁴He + p + 16.9 MeV

p + ¹¹B → 3 ⁴He + 8.7 MeV

Нейтронный выход в указанных выше реакциях отсутствует.

Выбор топлива зависит от многих факторов — его доступность и дешевизна, энергетический выход, лёгкость достижения потребных для реакции термоядерного синтеза условий (в первую очередь, температуры), необходимых конструктивных характеристик реактора и проч. Наиболее перспективны для осуществления ТЯРД т. н. «безнейтронные» реакции, так как порождаемый термоядерным синтезом нейтронный поток (например, в реакции дейтерий-тритий) уносит значительную часть мощности и не может быть использован для создания тяги.

Кроме того, нейтронная радиация порождает наведенную радиоактивность в конструкции реактора и корабля, создавая опасность для экипажа. Реакция дейтерий- гелий-3 является перспективной в том числе и по причине отсутствия нейтронного выхода. В настоящее время предложена ещё одна концепция ТЯРД — с использованием малых количеств антиматерии в качестве катализатора термоядерной реакции.

История, современное состояние и перспективы разработок ТЯРД

Идея создания ТЯРД появилась практически сразу после осуществления первых термоядерных реакций (испытаний термоядерных зарядов). Одной из первых публикаций по теме разработки ТЯРД явилась изданная в 1958 году статья Дж. Росса. В настоящее время ведутся теоретические разработки таких видов двигателей (в частности, на основе лазерного термоядерного синтеза) и в целом — широкие практические исследования в области управляемого термоядерного синтеза. Существуют твёрдые теоретические и инженерные предпосылки для осуществления такого типа двигателя в обозримом будущем. Исходя из расчетных характеристик ТЯРД, такие двигатели смогут обеспечить создание скоростного и эффективного межпланетного транспорта для освоения Солнечной системы. Однако реальные образцы ТЯРД на настоящий момент (2012) ещё не созданы.

См. также

• Ядерный реактивный двигатель
• Плазменный ракетный двигатель
• Фотонный двигатель
• Ионный двигатель
• Электрический ракетный двигатель
• Межзвёздный прямоточный двигатель Бассарда

Ссылки

• Космонавтика XXI века: термоядерные двигатели // газета Московского физико-технического института «За науку», 2003
• Д.Д, Рютов «Открытые ловушки» УФН
• И. Моисеев. Проект «Дедал»
• New Scientist Space (23.01.2003): Nuclear fusion could power NASA spacecraft  (англ.)
• Физическая энциклопедия, т.4, статья «термоядерные реакции», на стр. 102, Москва, «Большая Российская энциклопедия», 1994 г, 704 c.
• Межзвездные двигатели у Семенова
• Межзвездные проекты у Моисеева

Космонавтика XXI века: термоядерные двигатели

Проблема создания ТЯРД привлекает внимание уже более сорока лет (первые публикации на эту тему появились не позднее 1958 года — статья Дж. Росса, в русском переводе издана в 1961 г. в сборнике «Ионные, плазменные и дуговые ракетные двигатели»). Практически каждая новая концепция УТС в скором времени перелагалась для двигательного применения, исключение составляют, пожалуй, только стеллараторы.

В термоядерных установках возможно использование следующих реакций:

D + D —> ³

He + n + 3,3 МэВ,

D + D —> T+p+4 МэВ,

D + T —> ⁴He+n+17,6 МэВ,

D + ³He —> ⁴He+p+18,3 МэВ

Пары D-T и D-3He энергоемки, но и T, и 3He дефицитны — тритий получается при облучении лития нейтронами, а ³He образуется при b-распаде трития. Но в случае ТЯРД потребные количества Т или 3He намного меньше, чем требовалось бы промышленным реакторам, поэтому пару D-D, подкупающую лишь своей дешевизной, можно не принимать во внимание. D-³He часто называют чистой реакцией, т. к. все ее продукты — заряженные частицы, которые можно удержать магнитным полем, но тем не менее она не является вполне чистой, т.к. в смеси D и 3He всегда будет определенное число побочных реакций D-D, дающих нейтроны. Действительно чистая — более «тугоплавкая» реакция

3He+³He—>⁴He+2p+12,8МэВ. Важным параметром реакции, кроме энерговыделения, является критерий Лоусона — ограничение снизу на величину произведения концентрации плазмы n на время удержания t, он определяет условия, при которых энергопотери (в основном на излучение) будут перекрываться энергетическим выходом с учетом к.п.д. преобразователей. Первые ТЯРД, по всей видимости, будут использовать наименее требовательную топливную пару D-Т (температура зажигания 10 кэВ и минимальное nt=10²⁰ м^-3с против соответственно 100 кэВ и nt=10²² м^-3с для D-³He), которая к тому же дает вполне достойный энергетический выход. Ее единственным недостатком является нейтронная радиация, но в космосе она не страшна — вряд ли юпитерианцы выставят нам счет за загрязнение их жизненного пространства, а потеря энергии с нейтронами не так безвозвратна, как обычно считается — если поглощать половину сферически-симметрично разлетающихся нейтронов, они могут повысить тягу и УИ на 20-30%. Поглощаемые нейтроны можно использовать, например, в подкритическом реакторе деления, что поможет замкнуть цикл по энергии (можно ожидать дополнительного энергетического выхода порядка 100 МэВ на один термоядерный нейтрон).

Обсудив различные виды горючего, перейдем к камерам сгорания. В настоящее время существует два основных направления исследований в области управляемых термоядерных реакций — установки с магнитным удержанием и установки инерционного синтеза. Двигатели могут быть созданы на основе обеих концепций. В этом номере мы коснемся систем магнитного удержания, в следующем рассмотрим инерциальные.

Магнитные установки в свою очередь делятся на несколько классов, основные из них — системы замкнутой плазменной конфигурации (токамаки, сферомаки, стеллараторы) и открытые системы (магнитные бутылки разных типов, назывемые еще пробкотронами). На сегодняшний день наибольшие успехи достигнуты на токамаках — на токамаке JET (Joint European Torus), финансируемом международной организацией Euratom, достигнута термоядерная мощность в 16 МВт и Q=0,9, на японском токамаке JT60-U получено Q = 1,06. К сожалению, токамаки малопригодны в качестве двигателя по нескольким причинам — во-первых, из токамака трудно организовать отбор плазмы, во-вторых, характеристики токамаков улучшаются с ростом размеров — установка тем лучше, чем она больше (в маленькой практически нереально получить энергетически выгодную реакцию), а для космоса это решительно не подходит — и выводить на орбиту негабаритный груз, и собирать его там по частям одинаково трудно.

Тем не менее ТЯРД — замкнутые системы предлагались — Р. Бассардом на базе токамака (1990) и А. Б. Кукушкиным и В. А. Ранцевым-Картиновым на основе сферомака (1996).

Параметры же пробкотронов не столь сильно зависят от размеров, значит, ТЯРД на их основе в принципе может быть вписан в габариты имеющихся носителей, а малый объем области реакции позволяет упростить и облегчить магнитную систему, этому способствуют и более высокие по сравнению с токамаками допустимые значения b (отношения кинетического давления плазмы к давлению магнитного поля вне плазмы) — в токамаках b принципиально ограничено сверху для обеспечения МГД-устойчивости. Пробкотроны имеют и другое соблазнительное преимущество — их время удержания плазмы, в отличие от токамаков, определяется не турбулентностью (явлением труднопредсказуемым), а столкновительными процессами, поэтому вполне можно ожидать появления магнитных бутылок, способных конкурировать с токамаками.

Неудивительно, что большинство предлагавшихся ТЯРД базирутся на открытых ловушках — начиная с раннего проекта Росса 1958. К сожалению, из-за ограниченности места трудно рассмотреть все в подробностях, упомянем лишь, что в нашей стране пионером исследований в этом направлении был И. Н. Головин (ИАЭ им. Курчатова).

Определившись с наиболее вероятным методом получения плазмы, мы столкнемся со следующей проблемой: полученную плазму нужно для получения тяги выбросить из двигателя. Из магнитных же бутылок она вытекает достаточно естественным путем, но для получения тяги плазма должна вытекать преимущественно из одного конца пробкотрона (в идеале — только из одного). В принципе асимметрии потерь можно без особого труда добиться, использовав катушки неодинаковой мощности (как это предлагал Росс), но тогда полезную работу будет совершать лишь малая доля выбрасываемой плазмы. Идеальный вариант — полностью затормаживать поток из одной пробки, попутно получая электроэнергию.

Это можно сделать, используя расширитель, в котором частицы плазмы, двигаясь вдоль расходящихся веером линий магнитного поля, удаляются друг от друга, так что с некоторого момента их можно уже считать независимыми частицами, затем перед входом в область коллектора электроны выводятся из пучка магнитным полем, более тяжелые ионы его не замечают и замедляются электрическим полем в коллекторе, оседая на его пластинах, их кинетическая энергия преобразуется в электрический ток.

Один из очень немногих, по которому проводятся не только теоретические, но и экспериментальные исследования — проект группы В. Эмриха из Маршалловского центра космических полетов (в настоящее время исследуется устойчивость плазмы на сильно уменьшенной лабораторной модели, в окончательном варианте двигатель должен представлять собою 100-метровую трубу). Стоит отметить, что проект Эмриха основан на схеме удержания, предложенной в нашей стране Г. И. Димовым, и в своих публикация насовцы ссылаются на новосибирскую установку «Амбал-М».

Другое направление — инерциально-электростатическое удержание. В установках этого типа ионы разгоняются радиальным электрическим полем и сталкиваются в центре сферической камеры. Такие устройства используются в качестве источников термоядерных нейтронов для исследовательских целей. На международной конференции 2000 г. в Альбукерке Надлер, Майли и др. продемонстрировали фотографии струи плазмы, выбрасываемой из сферической камеры, напоминающей стилизованное изображение атома. Авторы видят преимущества своей конструкции в том, что она не нуждается в сильных магнитных полях, а значит, и в тяжелых системах катушек для их создания. К тому же, как они полагают, установки с ИЭУ больше всего подходят для экзотических чистых топливных пар, например, таких, как р + 11В—>3 ⁴He + 8,7 МэВ.

Еще один оригинальный вариант, предлагаемый Крамером, Льюисом, Хувом и др. — инициирование термоядерного синтеза с помощью античастиц. Созданная в Пенсильванском университете ловушка Penning trap способна удерживать около сотни антипротонов, что вселяет в ее создателей надежды на применение в не столь отдаленном времени ее аналогов в ТЯРД.

В Джонсоновском центре космических полетов разработан двигатель VASIMR (магнитоплазменный ракетный двигатель переменного удельного импульса), возможно, шаг на пути к ТЯРД. К прототипу ТЯРД его позволяет отнести нагрев высокочастотным излучением и магнитное сопло. Вес проекту придает участие в нем бывшего директора ИКИ, одного из крупнейших специалистов в физике плазмы — академика Сагдеева, ныне проживающего в США. При мощности 10 кВт УИ VASIMR’а должен составлять 10 000с, тяга — 1 Н.

Размер статьи позволил перечислить лишь малую долю работ и идей, но и из сказанного видно, что в ближайшее десятилетие можно ожидать появления на орбитах термоядерных двигателей малой мощности.

На базе установок инерциального синтеза возможно создание ТЯРД высокой мощности. Это направление развивалось в США в работах Дж. Накколсом (Ливерморская лаборатория) в 1961-1972 гг., Р. Хайдом (1983), в 1978 г. группой британских ученых во главе с А. Бондом опубликован проект термоядерного звездолета «Дедал» (его изображение украшало заголовок предыдущей статьи), в Ливерморе же под руководством Ч. Орта во второй половине 80-х проводились работы над проектом VISTA (корабль для полета к Марсу). У нас оригинальные концепции предложены в 70-х гг. В. А. Белоконем. В одном из следующих номеров мы рассмотрим потенциальные возможности создания импульсных ТЯРД.

Д. ОЗОЛ

Литература для предварительного ознакомления с вопросом: Хеглер, Кристиансен «Введение в управляемый термоядерный синтез», 1980

Zap Energy зажгла в прототипе термоядерного реактора нового поколения FuZE-Q первую плазму / Хабр

22. 06.2022

До термоядерных станций и космических кораблей с термоядерным двигателем ещё далеко, но 22 июня Zap Energy выпустила пресс релиз о том, что компания первый раз зажгла плазму в реакторе FuZE-Q, построенном на принципе Z-pinch.

На прошлой неделе Zap Energy завершила важный этап, создав первую плазму — горячую плотную форму материи, встречающуюся в звездах — в своём новом прототипе реактора, названном FuZE-Q, предназначенном для достижения долгожданной цели и получения Q больше единицы, когда процесс ядерного синтеза внутри плазмы дает больше энергии, чем было затрачено на его создание. Новый реактор потребовался после того, как в прошлом году компания продемонстрировала увеличение срока жизни плазмы в Z-pinch реакторе своей конструкции при силе тока более 500 kA.

Для ускорения вывода своей технологии на рынок компания так же объявила об окончании раунда финансирования серии C в сумме $160M.

Не требуются сверхпроводящие магниты

Zap Energy применяет революционный метод удержания и сжатия плазмы, названный Z-pinch, стабилизированным сдвиговым потоком (SFS). При Z-pinch синтезе столб плазмы, несущий электрический ток, генерирует собственное магнитное поле, которое «сжимает» плазму до тех пор, пока она не станет достаточно горячей и плотной для термоядерного синтеза. Затем SFS помогает удерживать плазму, подавляя нестабильность, которая преследовала предыдущие попытки Z-pinch синтеза.

По сравнению с преобладающими подходами к синтезу, технология Zap Energy невероятно элегантна и не требует никаких сверхпроводящих магнитов или мощных лазеров. Более простой метод производства термоядерного синтеза означает возможность создания меньших, менее сложных и легче масштабируемых систем.

В Fusion Z-Pinch Experiment (FuZE) используется набор инструментов для получения экспериментальных данных при создании компактных термоядерных реакторов.

Концептуальная основа технологии была разработана в Вашингтонском университете (UW) совместно с сотрудниками из Ливерморской национальной лаборатории Лоуренса. Профессора UW Ури Шумлак (Uri Shumlak) и Брайан А. Нельсон (Brian A. Nelson) объединились с предпринимателем и инвестором Бенджем Конвеем (Benj Conway), чтобы в 2017 году стать соучредителями Zap Energy, ускорить, и, в конечном счёте, коммерциализировать исследование. Сейчас в компании работает более 60 сотрудников в Сиэтле, Эверетте и Мукилтео, штат Вашингтон.

«Z-pinch долгое время был привлекательным способом осуществления ядерного синтеза, но в течение многих лет исследователи считали нестабильность плазмы Z-Pinch непреодолимой проблемой», — говорит Шумлак, главный научный сотрудник Zap Energy, а также профессор аэронавтики и космонавтики Калифорнийского университета в Вашингтоне. «С помощью моделирования и эксперимента мы показали, что сдвиговые потоки могут стабилизировать термоядерную плазму и что стабильность должна распространяться на коммерчески выгодные масштабы. Команда Zap Energy добилась быстрого прогресса с тех пор, как эта технология вышла за пределы лаборатории, особенно с недавним ростом команды и инвестиций».

В термоядерном реакторе Zap Energy используется метод Z-pinch, когда плазменный шнур, несущий электрический ток, генерирует магнитное поле, которое удерживает и сжимает — «зажимает» — плазму.

Условия для термоядерной реакции

Чем больший ток разряда Z-Pinch, тем горячее и плотнее будет плазма, поэтому переход к все более и более высоким токам является ключевой частью продвижения синтеза Z-Pinch. Прошлой осенью Zap Energy достигла тока в 500 кА и пределов своих текущих аппаратных возможностей, и теперь начнет работу на своей платформе следующего поколения, известной как FuZE-Q, где в конце этого года установит ультрасовременный блок питания. Новая система будет рассчитана на уровни тока, необходимые для достижения эквивалентной точки энергетической безубыточности Q=1, когда энергия, генерируемая реактором, сравняется с энергией, затрачиваемой на поддержание его работы. Математическое моделирование предсказывает, что эквивалентная точка Q=1 будет достигнута при силе тока около 650 кА. Для коммерческого реактора Q должно быть порядка 15-20 и ток разряда в районе 1,5-2 миллионов ампер.

Электрический ток является ключевым фактором выработки энергии при Z-Pinch синтезе, и эксперименты Zap Energy неуклонно продвигаются к получению энергии, необходимой для коммерческого синтеза.

«Команда Zap Energy приближается к массовому производству термоядерных реакторов, достаточно маленьких, чтобы поместиться в гараже», — отмечает Клэй Дюма (Clay Dumas), партнер-основатель Lowercarbon. «Эта технология, от электроснабжения тяжелой промышленности до отдаленных населенных пунктов, может иметь большое значение для обезвреживания нашей экономики с помощью энергии, которая будет дешевле, чище и более распространена».

«Мы считаем, что термоядерные технологии могут стать одним из наиболее важных достижений на благо климата и общества в целом», — добавляет Кармайкл Робертс (Carmichael Roberts), Breakthrough Energy Ventures. «Подход Zap, основанный на десятилетиях рецензируемых исследований Z-Pinch, представляет собой еще один важный шаг на пути к развитию термоядерного синтеза как жизнеспособного варианта безуглеродного получения энергии, и мы с нетерпением ждем совместной работы с ними, поскольку они продолжают двигаться по пути к коммерциализации».

Основатели Zap Energy — слева направо: главный технический директор Брайан А. Нельсон (Brian A Nelson), президент Бендж Конвей (Benj Conway) и главный научный сотрудник Ури Шумлак (Uri Shumlak).

About Zap Energy

Zap Energy создает недорогую, компактную и масштабируемую энергетическую платформу термоядерного синтеза, которая удерживает и сжимает плазму без необходимости использования дорогих и сложных магнитных катушек. Технология Zap со стабилизированным сдвиговым потоком Z-Pinch потенциально предлагает кратчайший путь к коммерчески жизнеспособному термоядерному синтезу и требует на порядки меньше капитала, чем традиционные подходы. В Zap Energy работает более 60 сотрудников на двух предприятиях недалеко от Сиэтла, и ее поддерживают ведущие финансовые и стратегические инвесторы. Посетите Zap онлайн на zap.energy
www.zapenergyinc.com/news/first-plasmas-fuzeq-series-c

З.Ы. Апгрейд.

Два ролика о Zap Energy.

www.zapenergyinc.com

Ядерная и космическая: ядерная тепловая тяга — Х-энергия: HTGR

Ядерная и космическая

Ядерная тепловая тяга

Как построить лучшую марсианскую ракету

Ваш браузер не поддерживает тег видео HTML5.

Куда-то собираетесь?

Химические ракеты возглавляют список самых быстрых объектов, когда-либо созданных. Но если мы хотим открыть Солнечную систему для исследования человеком, их скорости недостаточно.

Введите ядерную тепловую двигательную установку

Ядерная тепловая двигательная установка

Сегодня полет на Марс в один конец занимает не менее шести месяцев. Для астронавта это долгий срок пребывания в космическом корабле размером с однокомнатную квартиру. Это также создает серьезные оперативные проблемы для миссии. Чем дольше астронавт находится в пути, тем больше он подвергается воздействию высоких доз опасного космического излучения и тем больше припасов ему нужно взять с собой для выполнения миссии.

За последние полвека инженеры выжали все до последней капли из обычных химических ракетных двигателей. Если мы действительно хотим совершать регулярные полеты на Марс, нам потребуется резкое изменение эффективности ракетных двигателей.

Если мы хотим открыть Солнечную систему для исследования людьми, их скорости недостаточно.

Как попасть на Марс?

Путешествие человека на Марс требует значительно более быстрой транспортировки. Ядерная тепловая двигательная установка позволяет космическим кораблям двигаться быстрее, сокращая время, в течение которого люди подвергаются воздействию радиации.

Faster Spacecraft

Как это работает

Ядерный реактор быстро нагревает топливо, такое как жидкий водород, который расширяется через сопло ракеты и обеспечивает значительную тягу.

Жидкий водород

Раннее происхождение

Идея ядерных тепловых двигателей почти так же стара, как и сама космическая эра… когда-то идея опережала свое время.

НАСА

NTP: новый тип двигателя

В обычном жидкостном ракетном двигателе окислитель и топливо смешиваются в камере сгорания и воспламеняются. Это заставляет газы быстро расширяться, что резко увеличивает давление в камере сгорания и выталкивает выхлоп через сопло ракетного двигателя на высоких скоростях.

Тепловая ядерная двигательная установка также работает за счет выброса горячих газов из двигателя под высоким давлением. Ключевое отличие заключается в том, как эти газы доводятся до температуры. Вместо сгорания реакторная система NTP прокачивает жидкое топливо — обычно водород — через активную зону высокотемпературного ядерного реактора. Когда газ проходит через активную зону реактора, он нагревается до невероятно высоких температур (> 2500 ° C), что заставляет его быстро расширяться через сопло и создавать тягу.

Одним из основных преимуществ ядерных тепловых двигателей является их эффективность. Ядерная тепловая ракета может более чем в два раза повысить эффективность по сравнению с обычной химической ракетой, потому что ее топливо нагревается до гораздо более высокой температуры, чем в обычной камере сгорания. Это означает, что ядерная тепловая ракета может сократить время полета до Марса (и обратно домой) вдвое.

«Вы ничего не сжигаете, поэтому вам не нужно носить с собой кислород, который очень тяжел», — говорит Майк Кинард, бывший руководитель проекта NASA Space Nuclear Propulsion Project. «Но вам все еще нужно нести много водорода на Марс, чтобы вы могли вернуться, а для этого требуется чрезвычайно эффективная система. NTP создан специально для этого».

«Вы ничего не сжигаете, поэтому вам не нужно носить с собой кислород, который очень тяжелый»

— Майк Кинард (бывший руководитель проекта НАСА по космическим ядерным двигателям)

Ядерная мечта НАСА

Идея ядерной тепловой тяги почти так же стара, как и сама космическая эра. В начале 1960-х НАСА объединило усилия с Комиссией по атомной энергии для изучения конструкции двигателя NTP. Новаторская программа NERVA завершилась серией наземных испытаний прототипа ядерного двигателя и вдохновила Вернера фон Брауна, директора Центра космических полетов НАСА имени Маршалла и отца современной ракетной техники, предложить отправить астронавтов на Марс на ядерной тепловой ракете с помощью 1980-е годы. Пыль после «гигантского прыжка» Нила и Базза едва осела, но фон Браун уже осознал огромный потенциал ядерных тепловых двигателей.

Несмотря на ранний энтузиазм НАСА по поводу ядерных тепловых двигателей, их двигатель NERVA так и не был запущен в космос. Программа столкнулась с техническими трудностями, особенно когда речь шла о поиске материалов, способных выдерживать интенсивные температуры реактора, которые являются ключевыми для эффективности ядерной ракеты. Материаловедение просто не было готово справиться с жарой — до сих пор.

Seeing Red

Теперь, когда НАСА снова обратило свои взоры на Марс, ядерные тепловые двигатели готовы к возрождению. В течение многих лет инженеры НАСА изучали фундаментальную физику и материаловедение критических компонентов ядерного теплового двигателя. Программа получила мощную поддержку Конгресса, который выделил более 100 миллионов долларов на программу ядерных тепловых двигателей НАСА в своем бюджете на каждый из последних четырех лет.

Цель НАСА — запустить первую демонстрационную полетную миссию ядерного теплового двигателя к середине 2020-х годов. Но они не могут сделать это в одиночку, поэтому агентство использовало энергию X, чтобы помочь разработать концепции реактора и топлива для космического ядерного теплового двигателя.

NTP @ XE

Летом 2020 года компания X-energy представила свои концепции ядерного теплового двигательного реактора, способного развивать удельный импульс в 900 секунд. Удельный импульс является мерой того, насколько эффективно ракетный двигатель использует свое топливо. Это похоже на расход бензина для автомобиля: более высокий удельный импульс означает, что вы можете ехать быстрее и дальше на заданном количестве топлива. Проект X-energy для ядерной тепловой двигательной установки будет способен более чем в два раза увеличить удельный импульс двигателей Saturn V, доставивших астронавтов на Луну, которые остаются самыми мощными и эффективными ракетными двигателями, когда-либо летавшими в космос.

Большой вопрос для НАСА заключается в том, какой тип ядерного топлива использовать в этих планетарных исследовательских реакторах. Обеспокоенность по поводу риска распространения ослабила энтузиазм по поводу использования высокообогащенного урана, но низкообогащенный уран, используемый в существующих наземных ядерных реакторах, не обладает достаточной плотностью энергии для удовлетворения потребностей высокотемпературной двигательной реакторной установки. Высокопробное низкообогащенное урановое топливо (HALEU), которое занимает промежуточное положение между низко- и высокообогащенным ураном (обогащение до 20%), является сильным претендентом на ядерные тепловые ракеты.

«Я думаю, что самым большим прорывом в последнее время является тот факт, что мы нашли способы использования низкообогащенного урана [высокой пробы] для получения таких характеристик, которые нам нужны для ядерных тепловых двигателей», — говорит Кинард.

X-energy — одна из немногих компаний в США, способных производить формы топлива с керамическим покрытием с использованием HALEU, который лежит в основе нашего топлива TRISO. Каждый топливный сердечник TRISO состоит из 0,5-микронной таблетки оксикарбида урана (размером с маковое зернышко), обернутой тремя чередующимися слоями графита и карбида кремния. Тысячи этих частиц заключены в форму графитового топлива: либо галька, либо призматические компакты. В наземном реакторе X-energy, Xe-100, более 60 000 таких камешков (размером примерно с биток) будут проходить через активную зону реактора в течение года.

«Мы спрашивали: «Почему все по-прежнему делается именно так?», и во многих ситуациях ответ был: «Мы всегда так делали». на фундаментальном уровне, чтобы мы могли внедрять новые материалы и технологии производства».

— Д-р Даниэль Браун (инженер-технолог по топливу в X-energy)

«TRISO топливо впервые было создано в 1960-х годов, и во многих процессах, используемых для изготовления этого топлива, до сих пор используются технологии 1960-х годов», — говорит д-р Дэниел Браун, инженер-технолог по топливу в X-energy. «Мы спрашивали: «Почему все по-прежнему делается именно так?», и во многих ситуациях ответ был: «Мы всегда так поступали». уровне, чтобы мы могли внедрять новые материалы и технологии производства».

Вернувшись к основам, мы смогли определить ключевые области, в которых производство TRISO можно улучшить. После многих лет исследований и разработок компания X-energy создала запатентованные процессы производства топлива из твердых частиц с керамическим покрытием, которые значительно улучшили качество, стабильность и безопасность топлива TRISO, а также обеспечили надежные поставки в промышленных масштабах.

Мы называем наше творение TRISO-X .

Критическая температура

Самое главное в топливе X-energy TRISO-X заключается в том, что его можно безопасно использовать при экстремально высоких температурах. Слои графита и карбида кремния вокруг зерен урана действуют как автономный экран, удерживающий продукты деления урана. Это означает, что уран можно довести до температуры намного выше 3000 градусов по Фаренгейту — более чем в 7 раз выше рабочей температуры обычного ядерного реактора — без риска расплавления. Это критическая особенность ядерной тепловой ракеты, которая должна работать при гораздо более высоких температурах, чтобы достичь повышения эффективности по сравнению с двигателями на химическом топливе.

«Быть ​​«защищенным от плавления» топливом недостаточно… для ракеты с ядерным тепловым двигателем требуется такое же надежное ядро».

— Д-р Ханс Гугар (менеджер X-energy по разработке продуктов для разработки микрореакторов)

Но быть «устойчивым к расплавлению» топливом недостаточно, говорит д-р Ханс Гугар, менеджер X-energy по продуктам Инжиниринг для разработки микрореакторов. Ядерная тепловая ракета нуждается в таком же прочном сердечнике. Предложенная X-energy конструкция высокотемпературного газоохлаждаемого реактора восходит к программе НАСА NERVA. Как и в двигателе NERVA, конструкция X-energy пропускает горячий водород через графитовый сердечник для создания тяги. Ключевое отличие состоит в том, что в нашей топливной матрице TRISO-X используются современные материалы, которые не разрушаются при работе двигателя при экстремальных температурах. Наши усовершенствованные замедлители повышают эффективность реакции деления, позволяя использовать топливо HALEU, сохраняя при этом достаточно легкий вес реактора для полета.

Эффективность нашей ядерной тепловой двигательной установки является ключевым отличием нашей конструкции. Для любого космического приложения вес всегда является ключевым фактором, а это означает наличие минимального количества топлива, возможного для безопасного завершения миссии. В X-energy мы занимаемся производством небольших ядерных реакторов, но даже наши наземные блоки слишком велики для ракеты. Наш реактор Xe-100 слишком тяжел на несколько сотен тонн, чтобы его можно было запустить в космос. Будущее ядерных тепловых двигателей зависит от нашей способности производить примерно такую ​​же выходную мощность, как и типичный коммерческий усовершенствованный реактор, но работать при гораздо более высокой температуре, уменьшая его размер на порядки.

После нескольких месяцев работы над концептуальным проектированием для НАСА мы уверены, что наши инновации и опыт работы с небольшими высокотемпературными газовыми реакторами и неплавящимся топливом TRISO-X позволят в ближайшем будущем осуществлять межпланетные миссии с экипажем. Мы уже начинаем проводить эксперименты по усовершенствованному производству топлива NTP на нашем пилотном производственном объекте TRISO-X в Национальной лаборатории Ок-Ридж, поэтому мы готовы масштабировать производство топлива, чтобы уложиться в сроки исследований НАСА. Мы также извлекаем выгоду из опыта исследования космоса наших дочерних компаний, Intuitive Machines и Axiom Space, которые разрабатывают первый в мире частный лунный посадочный модуль и коммерческую космическую станцию ​​соответственно.

«Тесное сотрудничество с нашей топливной командой TRISO-X и нашими дочерними компаниями, которые планируют и выполняют космические миссии в течение многих лет, значительно ускорило наш междисциплинарный процесс проектирования и улучшило наши решения», — говорит д-р Брэд Реарден, директор Архитектор технических решений и решений X-energy для космических реакторов. «Мы используем уроки, извлеченные из других инициатив по микрореакторам, и полагаемся на наш специальный передовой вычислительный инструментарий для создания действительно инновационного решения, которое можно будет изготовить, испытать и запустить к середине 2020-х годов, что соответствует графику НАСА».

Когда-то ядерная тепловая ракета была идеей, опередившей свое время.

Теперь пришло время.

Наша история с космосом

Axiom Space & Intuitive Machines

Что еще мы делаем в космосе?

Устойчивые лунные базы

Читайте: ЛСП

Ядерная тепловая ракета Пентагона становится серьезной

• Проект ядерных тепловых полетов направлен на доставку астронавтов в части космоса между Луной и Землей.
• DARPA ищет предложения по проектированию и созданию двигателя в надежде использовать ядерную тепловую тягу для более эффективных космических путешествий.
• Эта технология может использоваться даже для дальних космических полетов в будущем, таких как миссии на Марс.

---

Агентство перспективных оборонных исследовательских проектов Пентагона ( DARPA ) требует предложений для космического корабля следующего поколения: ракеты с ядерной силовой установкой. Эта технология позволит летать дальше с меньшим количеством топлива, чем современные химические ракетные системы. Демонстрационная ракета для быстрых прилунных операций (DRACO) также позволит космическим кораблям маневрировать в космосе, что является целью будущих космических операций 9.0160 согласно DARPA . В случае войны быстрое маневрирование будет иметь решающее значение, чтобы уйти с пути вражеского корабля.

🚀 Получите неограниченный доступ к Pop Mech Pro — , начиная с СЕЙЧАС.

DARPA — научно-исследовательское подразделение Министерства обороны США — планирует провести в 2026 году летную демонстрацию ядерного теплового двигателя (NTP), который доставит космический корабль на орбиту Земли. В конце концов, двигатель можно будет использовать для летать через окололунное пространство, пространство между Землей и Луной. (Среднее расстояние от Луны до нас составляет 238 855 миль.) Возможно, та же технология могла бы транспортировать людей для длительных космических полетов по данным Управления ядерной энергетики . Например, это может быть полет на Марс. Однако

NTP не запустит космический корабль с Земли . Это потому, что NTP не предназначен для достижения тяги в миллионов фунтов , необходимой для борьбы с гравитационным притяжением Земли. Как только космический корабль выйдет на орбиту с использованием более традиционной химической ракетной тяги, он вступит в бой с ракетами NTP, которые несет на борту.

Программа DRACO началась с предварительного проекта от компании General Atomics, занимающейся беспилотными полетами, для реактора ракетного двигателя. Космические компании Blue Origin и Lockheed Martin представили в программу два концептуальных проекта космических кораблей в 2021 году9. 0186

🚀 Запуск в космос Новости

• Сможет ли списанный ракетный двигатель доставить нас на Марс?
• Итак, вы хотите прыгнуть с парашютом из космоса?
• Совершите виртуальное путешествие в космос на этой рогатке

DARPA принимает заявки на открытый конкурс, чтобы проект не ограничивался уже участвующими компаниями. Оборонное агентство ищет подробные предложения, описывающие, как инженеры будут проектировать, разрабатывать, изготавливать и собирать двигатель. Заявки принимаются до 5 августа.

Ученые исследуют ядерные тепловые двигатели с 1960-х годов. Когда программа Nuclear Engine for Rocket Vehicle Application была активной, ученые Лос-Аламосской национальной лаборатории помогали разрабатывать и испытывать ядерные ракеты.

Если программа DRACO будет работать так, как задумано, вскоре мы сможем увидеть новое поколение ядерных ракет, летящих в космос. Они могут даже облегчить достижение Марса.

---

Почему ядерные ракеты более эффективны, чем химические

Тепловая ядерная двигательная установка начинается с жидкого топлива, такого как водород, прокачиваемого через активную зону реактора. Внутри ядра атомы урана расщепляются в процессе, называемом делением , при котором выделяется тепло. Когда топливо нагревается, оно превращается в газ. В этот момент процесс аналогичен другим ракетам, в которых газ-топливо расширяется и выбрасывается через сопло, отталкивая самолет. Однако

NTP — это не то же самое, что , химический двигатель. Химические ракеты производят водяной пар в качестве побочного продукта при сжигании химикатов, что делает их тяжелее и менее эффективными. Побочный водород в системе NTP намного легче, поэтому ракета летит дальше на меньшем количестве топлива. тяги можно получить от химической ракеты, которая сжигает определенное количество жидкого водорода и жидкого кислорода за 450 секунд. Это половина минимальной тяги, ожидаемой для ядерных ракет, которая оценивается в 900 секунд.

«В отличие от двигателей, используемых сегодня, NTP может достигать высокого отношения тяги к весу, аналогичного химическому двигателю, но с эффективностью в два-пять раз больше», — объясняет DARPA в статье SpaceNews .

Прежде чем уйти…

• Поздоровайтесь с самым мощным в мире магнитом
• Может ли это быть серьезной альтернативой батарейкам?
• 25 процентов атомных электростанций рискуют закрыться в США

Манаси Ваг

До прихода в Popular Mechanics Манаси Ваг работала газетным репортером, научным журналистом, техническим писателем и компьютерным инженером. Она всегда ищет способы совместить три величайшие радости в своей жизни: науку, путешествия и еду.

термоядерный реактор | Описание, история, использование и факты

термоядерный реактор

Просмотреть все материалы

Связанные темы:

токамак стелларатор электромагнитное волновое отопление пинч с обратным полем привод радиочастотного тока

Просмотреть весь связанный контент →

термоядерный реактор , также называемый термоядерной электростанцией или термоядерный реактор , устройство для производства электроэнергии из энергии, выделяемой в реакции ядерного синтеза. Использование реакций ядерного синтеза для производства электроэнергии остается теоретическим.

С 1930-х годов ученые знали, что Солнце и другие звезды генерируют энергию путем ядерного синтеза. Они поняли, что если производство термоядерной энергии можно воспроизвести контролируемым образом на Земле, это вполне может стать безопасным, чистым и неисчерпаемым источником энергии. 1950-е годы ознаменовались началом всемирных исследований по разработке термоядерного реактора. Существенные достижения и перспективы этого продолжающегося усилия описаны в этой статье.

Механизм производства энергии в термоядерном реакторе представляет собой соединение двух легких атомных ядер. Когда два ядра сливаются, небольшое количество массы превращается в большое количество энергии. Энергия ( E ) и масса ( m ) связаны соотношением Эйнштейна, E  =  м c ² , на большой коэффициент преобразования c ² , где c — скорость света (около 3 × 10 ⁸ метров в секунду, или 186,0 миль в секунду). Масса может быть преобразована в энергию также путем ядерного деления, расщепления тяжелого ядра. Этот процесс разделения используется в ядерных реакторах.

Реакции синтеза тормозятся электрической силой отталкивания, называемой кулоновской силой, которая действует между двумя положительно заряженными ядрами. Чтобы произошло слияние, два ядра должны приблизиться друг к другу с высокой скоростью, чтобы преодолеть свое электрическое отталкивание и достичь достаточно малого расстояния (менее одной триллионной сантиметра), чтобы преобладало сильное взаимодействие ближнего действия. Для производства полезного количества энергии необходимо слияние большого количества ядер; то есть должен быть произведен газ плавящихся ядер. В газе при чрезвычайно высоких температурах среднее ядро ​​содержит достаточную кинетическую энергию для синтеза. Такая среда может быть получена путем нагревания обычного газа выше температуры, при которой электроны выбиваются из их атомов. В результате получается ионизированный газ, состоящий из свободных отрицательных электронов и положительных ядер. Этот ионизированный газ находится в плазменном состоянии, четвертом состоянии вещества. Большая часть материи во Вселенной находится в состоянии плазмы.

Викторина «Британника»

Энергия и ископаемое топливо

От ископаемого топлива и солнечной энергии до электрических чудес Томаса Эдисона и Николы Теслы — мир живет за счет энергии. Используйте свои природные ресурсы и проверьте свои знания об энергии в этой викторине.

В основе экспериментальных термоядерных реакторов лежит высокотемпературная плазма. Между ядрами происходит слияние, при этом электроны присутствуют только для поддержания макроскопической нейтральности заряда. Температура плазмы составляет около 100 000 000 кельвинов (К; около 100 000 000 ° C или 180 000 000 ° F), что более чем в шесть раз превышает температуру в центре Солнца. (Более высокие температуры требуются для более низких давлений и плотностей, встречающихся в термоядерных реакторах.) Плазма теряет энергию в результате таких процессов, как излучение, проводимость и конвекция, поэтому для поддержания горячей плазмы требуется, чтобы реакции синтеза добавляли достаточно энергии, чтобы уравновесить потери энергии. Чтобы достичь этого баланса, произведение плотности плазмы на время удержания ее энергии (время, необходимое плазме, чтобы потерять свою энергию, если ее не восполнить) должно превышать критическое значение.

Звезды, включая Солнце, состоят из плазмы, вырабатывающей энергию в результате термоядерных реакций. В этих естественных термоядерных реакторах плазма удерживается под высоким давлением огромным гравитационным полем. Невозможно собрать на Земле плазму, достаточно массивную, чтобы ее можно было удерживать под действием гравитации. Для наземных применений существует два основных подхода к управляемому синтезу, а именно магнитное удержание и инерционное удержание.

Оформите подписку Britannica Premium и получите доступ к эксклюзивному контенту. Подпишитесь сейчас

В магнитном удержании плазма низкой плотности удерживается в течение длительного периода времени магнитным полем. Плотность плазмы составляет примерно 10 ²¹ частиц на кубический метр, что во много тысяч раз меньше плотности воздуха при комнатной температуре. При этом время удержания энергии должно быть не менее одной секунды, т. е. энергия в плазме должна обновляться каждую секунду.

При инерционном удержании не предпринимается никаких попыток удерживать плазму сверх времени, необходимого для ее разборки. Время удержания энергии — это просто время, необходимое для расширения плавящейся плазмы. Ограниченная только собственной инерцией, плазма выживает лишь около одной миллиардной доли секунды (одной наносекунды). Следовательно, безубыточность в этой схеме требует очень большой плотности частиц, обычно около 10 ³⁰ частиц на кубический метр, что примерно в 100 раз превышает плотность жидкости. Термоядерная бомба является примером инерционно удерживаемой плазмы. В силовой установке с инерционным удержанием экстремальная плотность достигается за счет сжатия твердой топливной гранулы миллиметрового масштаба с помощью лазеров или пучков частиц. Эти подходы иногда называют лазерным синтезом или синтезом пучков частиц.

Наименее трудная для осуществления реакция синтеза объединяет дейтрон (ядро атома дейтерия) с тритоном (ядро атома трития). Оба ядра являются изотопами ядра водорода и содержат единичную единицу положительного электрического заряда. Таким образом, для синтеза дейтерия-трития (DT) требуется, чтобы ядра имели меньшую кинетическую энергию, чем это необходимо для синтеза более сильно заряженных и более тяжелых ядер. Два продукта реакции — альфа-частица (ядро атома гелия) с энергией 3,5 миллиона электрон-вольт (МэВ) и нейтрон с энергией 14,1 МэВ (1 МэВ — энергетический эквивалент температуры около 10 000 000 000 К). Нейтрон, лишенный электрического заряда, не подвержен влиянию электрических или магнитных полей и может покинуть плазму, чтобы отдать свою энергию окружающему материалу, такому как литий. Тепло, вырабатываемое в литиевом «одеяле», затем может быть преобразовано в электрическую энергию с помощью обычных средств, таких как паровые турбины. Между тем электрически заряженные альфа-частицы сталкиваются с дейтронами и тритонами (путем их электрического взаимодействия) и могут магнитно удерживаться внутри плазмы, тем самым передавая свою энергию реагирующим ядрам. Когда это перераспределение энергии синтеза в плазму превышает мощность, теряемую из плазмы, плазма становится самоподдерживающейся или «зажигается».

Хотя тритий не встречается в природе, тритоны и альфа-частицы образуются, когда нейтроны от реакций DT-синтеза захватываются окружающим литиевым бланкетом. Затем тритоны возвращаются в плазму. В этом отношении термоядерные реакторы DT уникальны, поскольку они используют свои отходы (нейтроны) для производства большего количества топлива. В целом, термоядерный реактор DT использует дейтерий и литий в качестве топлива и генерирует гелий в качестве побочного продукта реакции. Дейтерий можно легко получить из морской воды — примерно одна из каждых 3000 молекул воды содержит атом дейтерия. Литий также распространен и недорог. На самом деле дейтерия и лития в океанах достаточно, чтобы обеспечить мировые потребности в энергии на миллиарды лет. С дейтерием и литием в качестве топлива термоядерный реактор DT был бы фактически неисчерпаемым источником энергии.

Практический термоядерный реактор также будет иметь несколько привлекательных характеристик безопасности и защиты окружающей среды. Во-первых, термоядерный реактор не будет выделять загрязняющие вещества, сопровождающие сжигание ископаемого топлива, в частности, газы, способствующие глобальному потеплению. Во-вторых, поскольку термоядерная реакция не является цепной реакцией, в термоядерном реакторе не может произойти неконтролируемая цепная реакция или «расплавление», как это может произойти в ядерном реакторе. Реакция синтеза требует замкнутой горячей плазмы, и любое прерывание работы системы управления плазмой погасит плазму и прекратит синтез. В-третьих, основные продукты реакции синтеза (атомы гелия) не радиоактивны. Хотя некоторые радиоактивные побочные продукты образуются в результате поглощения нейтронов окружающим материалом, существуют материалы с низкой активацией, так что эти побочные продукты имеют гораздо более короткий период полураспада и менее токсичны, чем отходы ядерного реактора.