Bài tiểu luận: Tìm hiểu phản ứng nhiệt hạch điều khiển phản ứng nhiệt hạch tương lai Sinh viên: Cao Đình Hưng Lớp: B1K54-CNHN LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com I Phản ứng nhiệt hạch Khả tổng hợp hạt nhân nhẹ Ngoài tượng giải phóng lượng phân hạch hạt nhân nặng cịn có tượng giải phóng lượng kết hợp hạt nhân nhẹ Phản ứng tổng hợp hạt nhân nhẹ tạo thành hạt nhân nặng giải phóng lượng cịn gọi phản ứng nhiệt hạch.Năng lượng giải phóng phản ứng nhiệt hạch lớn nhiều so với phản ứng phân hạch VD: 1kg hỗn hợp hạt deutron giải phóng lượng cỡ 9,2.107kWh gấp lần lượng kg U235 giải phóng (2,3.107kWh) Phản ứng tổng hợp 2He4 từ 1H2 1H3 Bảng lượng giải phóng phản ứng nhiệt hạch: Phản ứng 1H 1H Nhiệt lượng tỏa Qfusion (MeV) + 1H2 -> 2He3 + n (50%) 3,25 + 1H2 -> 1He3 + p (50%) 4,03 1H + 1H -> 2He + n 17,6 p + 3Li -> 2He + 2He 17,3 n + 3Li6 -> 2H4 + 1He3 4,8 Điều kiện thực phản ứng nhiệt hạch Có hai loại phản ứng nhiệt hạch deutron proton tức hạt ion dương tương tác viới nên phải lượng cỡ 0.5 MeV để thắng bờ Coulomb; loại thứ hai neutron tương tác với hạt nhân, neutron nhiệt Như tạo điều kiện cho phản ứng LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com tổng hợp hạt nhân xảy vấn đề khó khăn làm phản ứng tự trì Phản ứng nhiệt hạch hạt nhân khơng có tính chất dây chuyền giống phản ứng phân hạch hạt nhân Phản ứng thực tham đồng thời lượng lớn hạt nhân nhẹ Điều kiện để phản ứng xảy hạt nhân phải có động đủ lớn để vượt qua hàng rào Coulomb tiến lại gần với khoảng cách nhỏ 3.10-15 m Khi lực hạt nhân có tác dụng phản ứng nhiệt hạch xảy Để truyền lượng cần thiết cho số lớn hạt nhân deutron cần tạo nên nhiệt độ cao Theo cơng thức W=kV 1eV tương đương với lượng chuyển động nhiệt gần 11400K Do muốn cung cấp cho deutron lượng cỡ 0,5MeV cần phải có nhiệt độ cỡ 1010K Thực cần nhiệt độ cỡ 108K phản ứng nhiệt hạch xảy Nguyên nhân theo phân bố vận tốc Maxwell nhiệt độ khơng cao có số hạt có vận tốc trung bình lớn để đảm bảo số phản ứng cần thiết xảy Như muốn thực phản ứng nhiệt hạch cần phải tạo mơi trường deutron có nhiệt độ cỡ hàng trăm triệu độ Phản ứng nhiệt hạch vũ trụ Phản ứng nhiệt hạch nguồn lượng Mặt Trời Năm 1938 Bethe đưa giả thuyết hai chu trình phản ứng proton-proton carbon-nitrogen Chu trình proton-proton xảy sau: 2(p + p -> d + e+ + ν ) 2(d + p -> 2He3 + γ ) 3+ 2He 2He -> 2He4 + 2p Chu trình biến proton thành hạt nhân helium giải phóng lượng lớn 6p -> 2He4 + 2p + 2e+ + 2γ Q=26MeV Phản ứng xảy với thời gian bán T1/2 = 1,4 1010 năm Tuy lượng giải phóng phản ứng 26MeV lượng giải phóng trung bình đơn vị khối lượng thấp, thấp lượng giải phóng thể người Nhưng khối lượng Mặt Trời lớn cỡ 2.1030 kg nên tổng lượng phát theo chu trình proton-proton lớn, tương đương với khối lượng Mặt Trời 4,3.106 tấn/s Chu trình carbon-nitrogen gồm phản ứng carbon đóng vai trị chất xúc tác: 12 12 6C + p -> 7N + γ 12 13 + 7N + p -> 6C + e + ν 13 14 6C + p -> 7N + γ 14 15 7N + p -> 8O + γ 15 15 + e+ + ν 8O -> 7N 15 13 7N + p -> 6C + 2He -4p -> 2He4 + 2e+ + 2ν + 2γ Q = 26MeV LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Kết bốn hạt nhân hydrogen tạo thành hạt nhân helium cịn lượng carbon khơng đổi Phản ứng giải phóng lượng Q = 26MeV, thời gian bán rã T1/2=3.108 năm II Điều khiển phản ứng nhiệt hạch Nguyên tắc điều khiển phản ứng nhiệt hạch Vấn đề việc điều khiển phản ứng nhiệt hạch hạt nhân thực nhiệt độ cao hàng trăm triệu độ thể tích giới hạn đầy deuterium hay hỗn hợp deuterium tritium Môi trường gọi plasma dạng thứ tư vật chất Để tạo trì trạng thái plasma phải giải ba vấn đề : tạo nên môi trường plasma nhiệt độ hàng trăm triệu độ, nhốt plasma thể tích hữu hạn, trì trạng thái plasma thời gian đủ dài 1.1.Nhốt môi trường plasma nhờ từ trường Muốn giữ plasma nhiệt độ cao hàng trăm triệu độ khơng thể có vỏ vật liệu bình thường chịu đựng lâu Hơn cần phải giữ không cho palasma tiếp xúc với thành bình để tránh trao đổi nhiệt Để đáp ứng yêu cầu người ta nhốt plasma hiệu ứng nén tương tác dịng điện với từ trường tạo Giả sử có chùm hạt tích điện chạy theo chiều đó, chùm hạt tích điện gây xung quanh từ trường Từ trường tác dụng lên chùm hạt lực vng góc hướng vào Kết chùm hạt chuyển động bị nén lại khơng tiếp xúc với thành bình Như từ trường bao quanh cột plasma có tác dụng nhốt làm cách nhiệt plasma.Tuy nhiên cột plasma bị thắt hay uốn cong chỗ tiếp tục thắt lại hay uốn cong bị đứt khúc Để khắc phục tượng người ta phải gây từ trường bổ xung dọc theo cột plasma Một phương pháp nhốt khác dựa quán tính hạt ion tác dụng tia laser hay chùm tia ion nặng Người ta tạo nên viên nhỏ chứa hỗn hợp deuterium tritium bắn biên vào buồng chân khơng Khi vên đạt tới tâm bình chân khơng, chiếu chùm laser hay chùm ion nặng vào đó, thời gian cỡ 10-11s tới 10-9s Khi hỗn hợp deuterium-tritium nhận lượng với mật độ lớn thời gian cực ngắn, cỡ hàng chục MJ 10-9s, bị nén lại với nồng độ tăng lên cỡ 1000 lần nóng đến nhiệt độ cao để phản ứng tổng hợp xảy trước ion kịp chuyển động dịch xa quán tính Hai phương pháp nhốt plasma nêu nghiên cứu phương pháp bình chứa từ trường sử dụng rộng rãi hai thiết bị gọi máy Tokamark Liên Xô trước máy Stellarator Mĩ Và hai loại máy Tokamark nghiên cứu phổ iến lấy làm sở để xây dựng lò phản ứng nhiệt hạch tương lai 1.2 Tạo môi trường plasma với nhiệt độ hàng trăm triệu độ Đưa lượng kí deuterium với nồng độ khơng lớn vịa máy Tokamark Do tương tác tia vũ trụ số ngun tử deuterium bị ion hóa Dịng cảm ứng nam châm hình xuyến tác dụng lên ion làm chuyển động va chạm ion hóa ngun tử khác Q trình ion hóa tạo nên plasma Plasma giữ chân không nhờ thân từ trường dòng plasma LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Việc đốt nóng plasma thực theo phương pháp hiệu ứng tỏa nhiệt JouleLenz thân dòng plasma Tuy nhiên nhiệt độ cực đại dòng plasma cỡ 10 triệu độ Để nâng nhiệt độ plasma lên hàng trăm triệu độ người ta sử dụng tiếp phương pháp bắn chùm hạt trung hịa có lượng lớn vào plasma, gọi phương pháp NBI ( Neutral Beam Ịnjection) Khi vào từ trường chùm hạt bị ion hó, chuyển động từ trường va chạm với hạt plasma, truyền lượng cho hạt plasma Phương pháp thứ hai để nâng cao nhiệt độ bắn sóng điện từ vào plasma Các sóng hấp thụ cộng hưởng gia tốc lên, hay nóng lên Kĩ thuật gọi ECRH/ICRH ( Electron/ ion cyclotron resonance heating) Máy Tokamark sử dụng phương pháp đốt nóng theo hiệu ứng Joule-Lenz hai phương pháp bổ xung 1.3 Duy trì mơi trường plasma thời gian dài Để thiết bị Tokamark hoạt động lò phản ứng tổng hợp nhiệt hạch cần phải thực hai điều kiện sau: - Tiêu chuẩn Lawson: Năm 1957 J.D.Lawson chứng minh để đốt cháy trì mơi trường plasma ổn định nồng độ plasma n (hạt/m3), thời gian nhốt plasma τ (S) nhiệt độ plasma T (K) phải thỏa mãn bất đẳng thức: nτT ≥ 5.1021keV.s/m3 Điều kiện gọi tiêu chuẩn Lawson - Điều kiện vè công suất nhiệt hạch: Để đốt nóng plasma cần nguồn lượng cung cấp từ bên ngồi với cơng suất Pin Khi lò phản ứng làm việc nguồn lượng nhiệt hạch sinh với cơng suất Pfus Lị phản ứng chủ làm việc ổn định có hiệu suất cao tỉ số lớn >>1 Trên Mặt Trời plasma hình thành nhiệt độ cao cỡ 10 triệu độ trì nhờ lực hấp dẫn Nói chung điều kiện Lawson thỏa mãn với môi trường plasma với nồng độ nhiệt độ cao nên phản ứng tổng hợp nhiệt hạch trì Trên Trái Đất phản ứng tổng hợp nhiệt hạch không tự xảy nhiệt độ thấp lực hấp dẫn bé, điều kiện thông thỏa mãn tiêu chuẩn Lawson Các nhà khoa học tiến hành nghiên cứu nhằm tạo nên môi trường plasma với nồng độ lớn nhiệt độ cao Nghiên cứu điều khiển phản ứng nhiệt hạch lò phản ứng nhiệt hạch tương lai 2.1 Tokamark Các nghiên cứu phản ứng tổng hợp nhiệt hạch có điều khiển năm 1940và đến cuối năm 1950 thiết bị thực nghiệm với bình chứa từ trường cơng nhận rộng rãi Đầu năm 1960 thiết bị Tokamark Viện NLNT Kurchatov Liên Xô đề xuất Tokarmark nam châm hình xuyến gồm vịng dây đặt đặt thẳng đứng với buồng chân khơng hình xuyến bên Dịng plasma chạy buồng hình xuyếnvà giữ nhờ thân từ trường dòng plasma Đường sức từ trường dịng plasma vng góc với dịng plasma tác dụng lên dòng plasma lực hướng từ vào đẩy hạt plasma vào bên mà khơng thể dịch chuyển ngồi quỹ đạo trịn LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Các hệ Tokamark đời với tích số nτT ngày lớn.Năm 1968 Tokamark cho thông số nτ=3.1011cm-3.s nhiệt độ T=106 độ, tích số nτT~2.1017 keV.s/m3.Năm 1970 Tokamark cho thông số nτ= 6.1011cm-3.s nhiệt độ T= 4.106 độ Đầu năm 1970 số thiết bị Tokamark xây dựng nhiều nước với mục đích nghiên cứu lị phản ứng nhiệt hạch Năm 1975 thiết bị Tokamark 10 xây viện Kurchatov với tích số nτT~2.1018keV.s/m3 cịn bé bậc so với tiêu chuẩn Lawson Những năm chín mươi kỉ XX nhờ thiết bị thực nghiệm thông số riêng biệt đạt tới giá trị yêu cầu, tích số nτT tăng khoảng 10 triệu lần nhỏ lần giá trị thấp (5.10-21keV.s/m3) Công suất plasma sinh thiết bị tăng hàng trăm triệu lần tỉ số Q gần đạt đến đơn vị, tức công suất plasma sinh fần công suất đốt nóng nó, tỉ số phải tăng lên bậc đạt phản ứng tổng hợp nhiệt hạch trì 2.2 Dự án lị phản ứng nhiệt hạch thử nghiệm(ITER) Để đầy mạnh việc nghiên cứu lò phản ứng nhiệt hạch dự án hợp tác quốc tế thiết lập năm 1985 với việc xây dựng lị phản ứng thử nghiệm có tên gọi ITER ( International Thermonuclear Experimental Reactor ) Nhóm nhà khoa học Mĩ, Liên minh châu Âu, Nhật Bản Nga hợp tác nghiên cứu nguyên tắc lò phản ứng ITER hoàn thành thiết kế kĩ thuật giai đoạn 1988-2001 Trung Quốc , Ấn Độ , Hàn Quốc thức tham dự án ITER từ 6/12/2005 Theo kế hoạch việc xây dựng lị phản ứng tiến hành 10 năm khuôn khổ hợp tác nước gồm Liên minh châu Âu, Mĩ , Nga, Trung Quốc , Nhật Bản , Hàn Quốc , Ấn Độ Địa điểm xây dựng ITER Cadarache, Pháp Rokkasho, Nhật Bản Ngày 28/6/2005 Pháp giành quyền xây dựng dự án ITER , theo thỏa thuận lị phản ứng nhiệt hạch xây dựng Cadarache, miền nam nước Pháp.Sau nhiều lần trì hỗn ITER vấn đề kinh phí dự án khởi cơng xây dựng từ tháng năm 2007 dự đoán đến tháng 11 năm 2019 có plasma LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Mơ hình lỏ phản ứng nhiệt hạch quốc tế (ITER) Một số thông số lị phản ứng ITER: - Cơng suất sinh plasma: 500MW - Buồng chân khơng hình xuyến có bán kính 2m, bán kính ngồi 6.2m, tiết diện ngang 21.9m2, thể tích 837 m2 , diện tích bề mặt plasma 678m2 - Từ trường tác dụng lên trục hình xuyến 5,3Tesla - Dịng plasma cường độ 15 triệu ampe, nồng độ trung bình n=1019 m-3, nhiệt độ trung bình plasma 8.9keV hay khoảng 100 triệu độ - Thời gian nhốt plasma τ=300s Như lò phản ứng nhiệt hạch ITER thỏa mãn tiêu chuẩn Lawson điều kiện cơng suất, sản sinh trì phản ứng tổng hợp nhiệt hạch Trái Đất LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com ... đổi Phản ứng giải phóng lượng Q = 26MeV, thời gian bán rã T1/2=3.108 năm II Điều khiển phản ứng nhiệt hạch Nguyên tắc điều khiển phản ứng nhiệt hạch Vấn đề việc điều khiển phản ứng nhiệt hạch. .. nhiệt độ cao Nghiên cứu điều khiển phản ứng nhiệt hạch lò phản ứng nhiệt hạch tương lai 2.1 Tokamark Các nghiên cứu phản ứng tổng hợp nhiệt hạch có điều khiển năm 194 0và đến cuối năm 1950 thiết... ứng cần thiết xảy Như muốn thực phản ứng nhiệt hạch cần phải tạo mơi trường deutron có nhiệt độ cỡ hàng trăm triệu độ Phản ứng nhiệt hạch vũ trụ Phản ứng nhiệt hạch nguồn lượng Mặt Trời Năm 1938