Управля́емый термоя́дерный си́нтез (УТС), контролируемое протекание термоядерных реакций, при котором должны происходить отбор и дальнейшее использование выделяющейся энергии и (возможно) продуктов реакций. В основе УТС лежит процесс ядерного синтеза – слияния ядер, сблизившихся на расстояние действия ядерных сил, с образованием более тяжёлых ядер. Для лёгких ядер (легче железа) ядерный синтез может быть энергетически выгодным, что открывает перспективы УТС для энергетики будущего, делая основной задачей УТС создание термоядерного реактора.

Для сближения на расстояние действия ядерных сил ядра должны обладать значительной кинетической энергией, достаточной для преодоления кулоновского барьера. Реакции ядерного синтеза можно с небольшой вероятностью осуществить и в термодинамически неравновесных системах, например разогнав ядра одной или нескольких компонент реакции и бомбардируя ими мишень с ядрами другой компоненты (т. н. пучковый механизм). При низких энергиях реагирующих ядер реакции ядерного синтеза возможны за счёт туннельного эффекта. При сверхвысокой плотности вещества возможны пикноядерные реакции за счёт нулевых колебаний ядер в узлах кристаллической решётки. Однако суммарный положительный выход энергии можно получить лишь в результате термоядерных реакций, протекающих в реагирующей смеси, нагретой до высокой температуры, что обеспечивает преодоление кулоновского барьера большим количеством ядер (при такой температуре вещество обычно находится в состоянии плазмы). Высокотемпературная плазма должна удерживаться в течение времени, достаточного для эффективного протекания реакций ядерного синтеза. В природе термоядерные реакции служат главным источником энергии звёзд и основой дозвёздных и звёздных процессов нуклеосинтеза. К началу 21 в. человечество умеет использовать энергию термоядерных реакций лишь в военных целях (термоядерный взрыв – неуправляемый процесс).

Реакции

Для решения проблемы УТС анализируются термоядерные реакции, обладающие наибольшими сечениями при относительно умеренных температурах. Интерес представляет реакция между ядрами тяжёлых изотопов водорода – дейтерия и трития: $\mathrm {D+T→^4He+n+17,6}$ МэВ ($\mathrm n$ – нейтрон). Тритий бета-радиоактивен с периодом полураспада 12,3 года; его получают, облучая нейтронами литий, запасы которого на Земле велики. Дейтерий – стабильный и широко распространённый изотоп (его содержание в водороде около 0,015 %). Таким образом для $\mathrm {DT}$-реакции на Земле имеются практически неограниченные топливные ресурсы. Для эффективного протекания этой реакции $\mathrm {DT}$-плазма должна быть нагрета до температуры порядка 100 миллионов градусов и удовлетворять критерию Лоусона.

Термоядерная реакция возможна и в $\mathrm {DD}$-смеси, но при более высоких значениях параметров плазмы (температура должна быть выше почти на порядок, а произведение концентрации частиц на т. н. энергетическое время жизни почти на 2 порядка выше, чем для $\mathrm {DT}$-реакции). Ещё более высокие температуры необходимы для безнейтронных (и потому экологически привлекательных) реакций $\mathrm { D+^3He→^4He+p+18,3}$ МэВ и $\mathrm {p+^{11}B→3^4He+8,7}$ МэВ ($\mathrm p$ – протон), что делает маловероятной возможность реализации УТС на их основе даже в отдалённой перспективе. Термоядерные реакции водородного цикла и углеродно-азотного цикла, протекающие в звёздах, имеют чрезвычайно малое сечение и не рассматриваются в целях УТС. Они реализуются лишь благодаря большому количеству звёздного вещества, удерживаемому собственной гравитацией.

Устройства

В качестве термоядерного реактора для УТС наиболее привлекательны системы, работающие в стационарном или квазистационарном режиме. Такими системами являются магнитные ловушки, обеспечивающие магнитное удержание высокотемпературной плазмы. Магнитное поле ловушки ограничивает движение заряженных частиц, обеспечивая магнитную термоизоляцию плазмы. Наибольшее распространение получили магнитные ловушки типа токамак – замкнутые тороидальные системы, магнитная конфигурация которых создаётся внешними катушками и текущим по плазме током. Токамак обеспечивает бесконечно долгое удержание уединённой заряженной частицы, но столкновения между частицами и развитие плазменной турбулентности приводят к потерям плазмы. Близкими свойствами обладают системы типа стелларатор – замкнутые ловушки, магнитное поле которых создаётся только внешними обмотками. Стеллараторы конструктивно сложнее токамаков; их основное преимущество связано с возможностью более продолжительной (стационарной) работы, поскольку, в отличие от токамаков, не требуется поддержание текущего по плазме тока. Потенциально интересные конфигурации магнитных ловушек с обращённым магнитным полем широкого распространения не получили. Открытые (пробочные или зеркальные) магнитные ловушки из-за повышенных потерь частиц в качестве термоядерных реакторов не рассматриваются, однако сохраняются перспективы их использования в качестве термоядерных источников нейтронов и плазменных космических двигателей.

Альтернативой магнитного удержания служит принцип инерциального удержания, основанный на возможности протекания термоядерной реакции за время естественного разлёта высокотемпературной плазмы. Поскольку это время очень короткое, для выполнения критерия Лоусона смесь дейтерия и трития необходимо быстро и сильно сжать и нагреть. Для этого можно использовать мощные лазерные импульсы (лазерный термоядерный синтез), пучки ускоренных частиц (ионный термоядерный синтез), разряды с большим током (пинч-эффект) и др. По сути, речь идёт о миниатюрных термоядерных взрывах, для реализации которых создаются сложные многослойные мишени, обеспечивающие более равномерное и однородное быстрое сжатие топливной смеси и её нагрев. Однородность необходима, чтобы избежать развития неустойчивостей плазмы – одного из основных препятствий на пути к реализации УТС. Предложен способ т. н. быстрого поджига, когда сжатие предшествует нагреву, который должен быть импульсным, сверхкоротким для локального поджига мишени с последующим распространением термоядерного горения на всю плазму.

Перспективы

Основные достоинства УТС для энергетики будущего состоят в отсутствии ограничений по топливу, в значительно большей (по сравнению с ядерной энергетикой) радиационной и экологической безопасности, а также безопасности относительно угроз терроризма и аварий.

Сроки реализации УТС и перехода к установкам реакторного типа не вполне определены из-за большого масштаба и высокой стоимости экспериментальных установок. Это, в свою очередь, является стимулом для широкого международного сотрудничества в этой области. Примером такого сотрудничества для магнитного УТС стал токамак IТER, сооружаемый во Франции международным консорциумом из 7 участников. Этот токамак должен продемонстрировать длительное горение $\mathrm {DT}$-плазмы с термоядерным тепловыделением мощностью 0,4–0,5 ГВт, почти на порядок превышающим энергетические затраты. Крупнейшей системой лазерного УТС должна стать установка УФЛ-2М, создаваемая в Российском федеральном ядерном центре – Всероссийском НИИ экспериментальной физики (г. Саров). Энергия, доставляемая к мишени УФЛ-2М, составит 2,8 МДж, что почти в 1,5 раза превышает энергию существующих установок – NIF (США, 1,8 МДж) и LMF (Франция, 2 МДж). Установки ITER и УФЛ-2М должны быть запущены в 2020-х гг.

Кроме прямого использования УТС для получения энергии, возможно создание гибридных систем, сочетающих термоядерный источник нейтронов (ТИН) и оболочку (бланкет), в которой под действием высокоэнергичных термоядерных нейтронов будет происходить наработка топлива для обычных атомных электростанций. Требования к параметрам плазмы ТИН и конструктивные требования значительно ниже, чем к термоядерному реактору, что повышает вероятность такой реализации УТС. Ряда трудностей, свойственных магнитному термоядерному реактору, можно было бы избежать, разместив его в космосе, однако пока эта перспектива является отдалённой.