Кратко и по существу — сравнение принципов, энергетики и ключевых технических ограничений; в конце — самые критичные прорывы для коммерциализации термояда.
1) Физические принципы
- Ядерное деление: самоподдерживающаяся цепная реакция тяжёлых ядер (например ${}^{235}\mathrm{U}$), энергетический выход за счёт разницы в связующей энергии нуклонов. Контроль через замедлители/захваты нейтронов.
- Термоядерный синтез: слияние лёгких ядер (в практических проектах преимущественно $D+T{\to }^4\mathrm{He}+n$) при высокой температуре плазмы; энергия освобождается при образовании более сильно связанного ядра. Нет цепной реакции, требуется поддерживать экстремальные параметры плазмы.
2) Энергетические выходы (приближённо)
- Энергия на реакцию: деление $\sim 200\mathrm{MeV}$ на акт; $D-T$ синтез $\sim 17.6\mathrm{MeV}$ на реакцию.
- Энергия на массу топлива:
- деление ${}^{235}\mathrm{U}$: $\approx 8.2\times 10^{13}J/kg$,
- $D-T$ синтез: $\approx 3.4\times 10^{14}J/kg$.
Вывод: по энергоёмкости на единицу массы синтез выгоднее; по технологической зрелости и экономике — сейчас выигрывает деление.
3) Ключевые технологические ограничения (по темам)
- Управление нейтронами
- Деление: даёт $\sim 2-3$ нейтрона/акт при энергиях порядка $\sim 2\mathrm{MeV}$; эти нейтроны поддерживают цепь и требуют контроля (замедление, поглотители). Плюс — радиационное активирование и долгоживущие отходы.
- Синтез (D–T): даёт один быстрый нейтрон $\sim 14.1\mathrm{MeV}$. Проблемы: сильное повреждение материалов (dpa), наработка гелия (пузырение, хрупкость), активация и необходимость массивного экрана/бланкета. Нейтрон нужен для выращивания трития (${}^6\mathrm{Li}(n,\alpha )T$), т.е. нейтроны — ресурс, но и нагрузка.
- Топливо и его запасы
- Деление: запас урана/тория конечен, но при текущем потреблении достаточно на десятки–сотни лет; переработка (плутоний) и проблемы нераспространения.
- Синтез: дейтерий в океанах обилен; тритий отсутствует в природе в нужных количествах ($\mathrm{T}$ запас ограничен, $\mathrm{T}$ полуразложение $\approx 12.3\mathrm{years}$), поэтому требуется самоподдерживающееся производство (breeding ratio $>1$). Альтернативы (He‑3) крайне ограничены.
- Удержание плазмы (конфинмент)
- Деление: нет необходимости в экзотическом удержании плазмы.
- Синтез: главный технический барьер — удовлетворение критерия Лоусона. Для $D-T$ требуется, грубо, $n\tau \gtrsim 10^{20}{\mathrm{m}}^{-3}\mathrm{s}$ при $T\sim 10\mathrm{keV}$ (и/или достаточный трёхсторонний показатель $nT\tau$). Нужно устойчивое удержание с допустимыми потерями и управляемыми возмущениями (ELM, disruptions).
- Материалы и компоненты
- Деление: материалы выдерживают умеренные нейтронные флюенсы; проблема — долгоживущие радиоактивные отходы, коррозия, топливные стержни, аварийная защита.
- Синтез: крайне жёсткие требования: плазменная стена (дивертор, first wall) должна выдерживать тепловые нагрузки, эрозию, импульсные отводы энергии и миллионы dpa с минимальной активацией. Необходимы материалы с высокой стойкостью к радиационному повреждению, минимальной наработкой долгоживущих радионуклидов и допустимой теплопроводностью; также: надёжные бланкеты для разведения трития и отбора тепла, управление тритием (пермеация, очистка).
4) Что определяет практическую реализуемость
- Для деления: безопасность управления нейтронной цепью, обращение с отходами и нераспространение, экономика топливопереработки и строительство дешёвых модулей.
- Для синтеза: достижение и устойчивое поддержание положительного энергетического баланса при практических условиях эксплуатации (длительные пульсы/стационарный режим), интеграция с бланкетом для разведения трития и вывода тепла, долговечные материалы и удалённое обслуживание.
5) Наиболее критичные научно‑технические прорывы для коммерциализации термояда
- Магниты и конфайнмент:
- практические высокополевые сверхпроводники (REBCO — высокотемпературные СВЧ) и архитектуры, позволяющие компактные, стабильные токамак/стелларатор с устойчивым режимом; улучшение контроля нестабильностей (предотвращение disruptions).
- Плазменная устойчивость и управление:
- надёжные методы подавления ELM/disruptions, управление турбулентностью, реальное длительное поддержание режима с $Q$ инженерным (соотношение выработанной и вложенной для станции) существенно выше единицы (цель коммерции: $Q_{\mathrm{eng}}\gg 1$, целевые значения проектировщиков часто $Q_{\mathrm{eng}}\gtrsim 10$).
- Бланкет и тритиевая эконо́мика:
- рабочий бланкет с эффективным выходом тепла и коэффициентом размножения трития $>1$ при реальных нейтронных спектрах; надёжная технология извлечения и ремобилизации трития, минимизация потерь и утечек.
- Материалы первой стены и дивертора:
- материалы с высокой устойчивостью к dpa и плазменному импульсному нагружению; низкоактивные сплавы/композиты и технологии замены модулей (высокая ремонтопригодность, роботизация).
- Теплообмен и преобразование энергии:
- эффективные высокотемпературные циклы (электрогенерация) и надёжные системы отвода тепла в условиях интенсивного нейтронного облучения.
- Экономика и промышленная стандартизация:
- снижение капитальных затрат, стандартизированные модульные решения, длительная надёжность и минимальное время внеработы (availability).
6) Итог (кратко)
- Деление: технологически зрелое, управляемое, но ограничено топливными ресурсами, проблемой отходов и риском нераспространения.
- Синтез: теоретически более энергоёмкий по массе топлива и безопаснее по рискам аварий, но практическая реализация ограничена удержанием плазмы, нейтронной нагрузкой и материалами; коммерциализация требует интегрированного доказательства: устойчивый положительный баланс энергии в режиме, пригодном для непрерывной работы, эффективный бланкет для трития и долговечные материалы. Критические прорывы — сильные компактные магниты, надёжный бланкет/тритиевая схема, прорыв в материалах первой стены и эксплуатационной роботизации.