Рассмотрим условия, при которых возможно проведение энергетически выгодной реакции ядерного синтеза в системе на встречных пучках. Пусть в системе находятся пучки ионов дейтерия и трития с энергией Е1 > 10 кэВ и концентрацией n0.
Затраты энергии на разгон пучков A1 = Е1n0. Выделяющаяся в результате синтеза энергия при многократных столкновениях пучков А = ΔnЕ0, где Δn — убыль концентрации топлива за счет сгорания; Е0 = 17,6 МэВ — энергия, выделяющаяся в единичном акте реакции ядерного синтеза.
Условие энергетически выгодной реакции
А > GA1, (1)
где G > 1 — коэффициент усиления по энергии, показывающий, во сколько раз энергия, полученная в результате синтеза, превосходит ее затраты на инициирование реакции.
В системе на встречных пучках есть два канала потерь энергии: электромагнитное излучение, возникающее при ускоренном движении заряженных частиц, и рассеяние частиц при упругих столкновениях друг с другом и с молекулами остаточного газа. Поскольку в реакции ядерного синтеза участвуют ионы дейтерия и трития (дейтроны и тритоны), имеющие массу, в 4—5 тысяч раз превышающую массу электрона, потери на излучение в системе будут пренебрежимо малы (они составят не более 0,01% от энергии, выделяющейся в результате синтеза). Таким образом, основной источник потерь энергии в системе на встречных пучках — рассеяние частиц. Но здесь Природа приготовила подарок, не воспользоваться которым — просто грех. Дело в том, что сечение рассеяния обратно пропорционально квадрату кинетической энергии относительного движения частиц и при энергии ионов около 200 кэВ сравнимо с сечением синтеза. Поэтому любое столкновение ионов во встречных пучках должно приводить к реакции синтеза, и потери на рассеяние будут сведены к нулю.
При отсутствии потерь на рассеяние взаимодействие ионных пучков в системе будет происходить до практически полного сгорания термоядерного топлива. Полученная в результате энергия А ~ Е0n0/2 во много раз превысит затраты энергии на инициирование реакции А1 = E1n0.
Допустим, что, несмотря на принятые меры, потери все-таки будут велики и на одно столкновение синтеза будет приходиться k рассеивающих столкновений. Снижение концентрации ионов Δn0 в системе будет определяться сгоранием топлива Δn и потерями на рассеяние k·Δn: #1#
Выражение (2) — аналог критерия Лоусона для системы на встречных пучках. При любых концентрациях, когда оно выполняется, реакция ядерного синтеза будет энергетически выгодна.
Проведем численные оценки для E1 = 0,2 МэВ. При G = 1 (полученная энергия равна затратам) k должно быть меньше 43.
Допустим, что построенная для осуществления реакции ядерного синтеза система окажется очень несовершенной и на одно столкновение синтеза будет приходиться 10 рассеивающих столкновений, т. е. k = 10. Даже в этом случае G = 4 и система будет работать как генератор энергии, вырабатывая на каждый затраченный джоуль энергии 4 джоуля.
Современные системы на встречных пучках имеют очень незначительные потери (k << 1), а источники ионов на энергии 0,2—1 МэВ — уже обычное промышленное технологическое оборудование. Все это дает основание полагать, что попытаться провести управляемую реакцию ядерного синтеза на встречных пучках можно в короткий срок и при небольших затратах.
