Untitled KH&CN nước ngoài 119 Số 1+2 năm 2021 Nguyên lý của tổng hợp hạt nhân Năng lượng tổng hợp hạt nhân dựa trên nguyên lý của nhà bác học vĩ đại Albert Einstein Phản ứng tổng hợp hạt nhân là hai n[.]
KH&CN nước TổNG Hợp HạT NHâN: Nguồn lượng tương lai GS Cao Chi Các nhà vật lý hạt nhân tiến đến gần thời điểm chế ngự nguồn lượng vô tận - lượng tổng hợp hạt nhân tương lai gần (2030-2035) Phản ứng tổng hợp hạt nhân xem nguồn lượng tương lai mà giải đồng thời hai vấn đề nóng nhân loại: biến đổi khí hậu bảo đảm lượng bền vững nhiều triệu năm lớn cho hạt nhân vượt qua tương tác đẩy Coulomb chúng mà va vào Nguyên lý tổng hợp hạt nhân Năng lượng tổng hợp hạt nhân dựa nguyên lý nhà bác học vĩ đại Albert Einstein Phản ứng tổng hợp hạt nhân hai nhân hợp lại với thành nhân nặng hơn, q trình hợp phóng thích lượng khổng lồ Còn phản ứng phân hạch hạt nhân phân rã hạt nhân phóng thích lượng, tia alpha, beta, gama Phản ứng tổng hợp hạt nhân phóng thích lượng tùy thuộc vào khối lượng hạt nhân tham gia, ví dụ: nguyên tử nhẹ sắt nickel tổng hợp hạt nhân phóng thích lượng, nhân nặng hấp thu lượng Dưới phản ứng tổng hợp hạt nhân: Hình Phản ứng tổng hợp hạt nhân cho lượng H2 (deuterium) + H3 (tritium) → H4 (Helium4) + n (neutron) Phản ứng viết lại theo ký hiệu thường dùng: 21D + 31T → 42He (3,5 MeV) + n (14,1 MeV) Nếu thực phản ứng tổng hợp thu lượng Muốn có tổng hợp hạt nhân phải làm hạt nhân ban đầu xích lại gần khoảng cách ~10-14 m Sau cần có động Để làm điều cần nguồn lượng lớn, phải tạo nhiệt độ cao 100 triệu độ (nóng gấp khoảng 10 lần tâm Mặt trời) Ở nhiệt độ cao vậy, nguyên tử khí bị “tuột” khỏi electron bên ngồi, để lại hạt nhân mang điện tích dương Đám khí gọi plasma Do mang điện tích nên chứa từ trường bên trong, nhiệt độ cao Nhiệt độ đạt đến mức cần thiết tạo từ trường đủ mạnh bắn tia hydro giàu neutron, giúp tượng nhiệt hạch xảy Vì người ta cịn gọi phản ứng nhiệt hạch Với lò phản ứng thơng thường, thành lị khơng thể chịu nhiệt độ cao nên người ta phải dùng từ trường Số 1+2 năm 2021 119 KH&CN nước ngồi Hình Tổng hợp hạt nhân cung cấp nhiều lượng tất Hình Hệ thống Tokamak ITER lắp đặt với khoảng triệu phận để giam giữ plasma Phản ứng nhiệt hạch sở để chế tạo bom khinh khí hay bom H, đồng thời sở để xây dựng lò phản ứng nhiệt hạch Tổng hợp hạt nhân giải phóng 17,6 MeV (hình 1), với lượng lớn gấp nhiều triệu lần lượng cung cấp phản ứng sử dụng carbon Nhiên liệu để phản ứng tổng hợp hạt nhân đồng vị Deuterium Tritium hydrogen Các nguyên liệu tách dễ dàng từ nước biển tổng hợp với quy mô công nghiệp từ 120 nguyên tử hydrogen không tốn Nguồn nhiên liệu hydrogen gần vô tận thiên nhiên Chỉ cần kg hỗn hợp Detrium Tritium (tách từ 1.000 l nước biển), tạo nguồn lượng ngang với tỷ dầu mỏ gấp hàng chục lần so với nhiên liệu phân hạch Uranium, đồng thời sản phẩm khí thải Helium - loại khí hiếm, hồn tồn khơng gây nhiễm mơi trường Một số lị tổng hợp hạt nhân tiêu biểu Lò ITER ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor) lị Số 1+2 năm 2021 Tokamak1 có từ trường lớn giới với sức mạnh Tesla (gấp 100 nghìn lần từ trường Trái đất), xây dựng miền nam nước Pháp Đây siêu dự án nghiên cứu phát triển công nghệ tổng hợp hạt nhân quốc tế, với góp sức 35 quốc gia, chi phí lên tới hàng chục tỷ USD, vai trị thuộc Liên minh châu Âu, Anh, Thụy Sỹ, Mỹ, Trung Quốc, Nhật Bản, Nga, Ấn Độ Hàn Quốc Dự án kỳ vọng mở kỷ nguyên cho việc sử dụng lượng nhiệt hạch lồi người ITER đóng vai trị nơi thử nghiệm số công nghệ khác bao gồm sản xuất Tritium, kiểm sốt plasma, trì q trình cháy nghiên cứu nâng cao khác ITER nơi kiểm tra tính an tồn cần có nhà máy điện nhiệt hạch tương lai Những hoạt động lò ITER lên kế hoạch vào năm 2025 hướng đến mục tiêu vận hành phản ứng tổng hợp hạt nhân vào năm 2035 Lò Wendelstein 7-X Lò phản ứng Wendelstein 7-X (W7-X) lò thử nghiệm Viện Max Planck vật lý plasma (IPP) xây dựng Greifswald, Đức, hoàn thành vào 10/2015 sau 19 năm nghiên cứu, xây dựng, với chi phí tỷ Euro Đây lò Hầu hết nghiên cứu nhiệt hạch sử dụng thiết bị giam giữ từ tính gọi Tokamak Được phát triển lần từ năm 50 kỷ XX, Tokamak buồng chân khơng hình xuyến sử dụng nam châm điện mạnh để giam giữ định hình plasma (Tokamak viết tắt tiếng Nga cho “buồng hình xuyến với cuộn dây từ tính”) KH&CN nước ngồi phản ứng tổng hợp hạt nhân dạng stellarator2 Hình Thiết bị từ trường stellarator Wendelstein 7-X Trong lần hoạt động thức (12/2014), lị Wendelstein 7-X lấp đầy khí heli nung nóng tia laser triệu độ C Plasma sản sinh bên lị trì vịng 1/10 giây, không dài đủ để chứng minh Wendelstein 7-X hoạt động cách bình thường Lần hoạt động (2/2016) bước tiến lớn nhà khoa học sử dụng nguồn xạ vi sóng với cơng suất MW để nung nóng khí hydro lên tới 80 triệu độ C vòng 1/4 giây (mục tiêu để lị Wendelstein 7-X hoạt động hồn hảo tạo plassma với nhiệt độ lên tới 100 triệu độ C) coi thành công bước đầu Mục tiêu cuối lò phản ứng nhiệt hạch hồn hảo phải trì dịng plasma nhiệt độ 100 triệu độ C thời gian 1.000 giây (khoảng 17 phút) Lò phản ứng NIF Đây dự án kết hợp Phịng thí nghiệm Rutherford Appleton (Anh) Hệ thống kích hoạt quốc Hình Bên Lị phản ứng NIF Tokamak sử dụng dòng điện để xoắn electron ions plasma, tạo vòng lặp theo chiều dọc chiều ngang thiết bị có hình bánh donut Tuy nhiên sử dụng điện nên gặp cố điện, từ trường bị phá vỡ lò phản ứng bị tổn hại, nguy hiểm Ngược lại, Stellarator tạo vòng lặp ngang dọc thiết kế ban đầu Tokamak, bọc thêm cuộn dây vào bánh donut Tuy nhiên, cách làm lại khiến Stellarator khó xây dựng Tokamak có ưu điểm không cần dùng điện Nhưng xây dựng thành công, phản ứng diễn an toàn từ trường tạo thành từ cuộn dây bọc vịng quanh, giữ cho plasma ln bên Số 1+2 năm 2021 121 KH&CN nước gia - NIF (Mỹ) NIF dùng hạt nhân Deuterium, Tritium bắn tia laser để hợp hạt vài phần trăm kích cỡ ban đầu chúng Quá trình khiến nguyên tử hydro hợp nhất, biến thành helium phản ứng tương tự bom H (bom khinh khí) Phản ứng kiểm sốt tạo dịng neutron chuyển động nhanh Chúng dùng để đun nóng nước quay tuabin nước, tạo lượng Mục tiêu NIF kích hoạt (phản ứng) vài năm tới Để đạt đến mục tiêu này, nguồn lượng tạo phải tăng khoảng 1.000 lần Vì thế, thách thức mà cơng nghệ phải đối mặt thật không nhỏ Thách thức cần vượt qua Tham vọng làm chủ nguồn lượng nhiệt hạch vấp phải nhiều rào cản kỹ thuật Trong đó, khó khăn lớn phải tạo plasma với nhiệt độ cao (T), mật độ định plasma (n), lưu giữ plasma thời gian định (t) cho tích thừa số vượt ngưỡng định để tổng hợp hạt nhân xảy Đó tiêu chí Lawson (đặt theo tên nhà vật lý người Anh J.D Lawson) cho tổng hợp hạt nhân Muốn tạo phản ứng tổng hợp cần có điều kiện: nt ≥ ×1020 s / m3 nt T ≥ ×1021 s.keV / m3 Hiện nhiều lị phản ứng 122 thỏa mãn tiêu chí Lawson Kết luận Bên cạnh đó, tham vọng chinh phục nguồn lượng tổng hợp hạt nhân gặp phải thách thức khác như: Phương hướng tổng hợp hạt nhân phát triển mạnh mẽ, mở nhiều hy vọng phương pháp tạo lượng vô tận (cung cấp lượng cho nhân loại nhiều triệu năm), khơng gây khí nhà kính, giải vấn đề biến đổi khí hậu Nhiều vấn đề cơng nghệ phức tạp cần phải tiếp tục hoàn thành để biến tổng hợp hạt nhân thành công nghiệp thị trường Khả giam giữ plasma: việc giam giữ plasma từ trường gây tượng rị rỉ, ra, thời gian giam giữ plasma cần phải đủ dài phép ion nhận đủ nhiệt lượng cho phản ứng nhiệt hạch Các thiết bị giam giữ plasma khoảng thời gian ngắn Để giam giữ plasma với thời gian lâu hơn, lò phản ứng cần có kích thước lớn từ trường mạnh Vật liệu lị Tokamak: chưa có vật liệu đủ tin cậy để chịu nhiệt độ cực cao bắn phá liên tục hạt nơtron suốt vòng đời nhà máy điện Các vật liệu siêu dẫn nhiệt độ cao niềm hy vọng việc cải thiện khả giam giữ plasma lò Tokamak Sản xuất điện: để tạo điện từ lò phản ứng nhiệt hạch, thiết bị phải hoạt động nhiệt độ cao Do đó, q trình trao đổi nhiệt hoạt động dấu hỏi Hầu hết thiết kế dựa ý tưởng vịng tuần hồn heli lấy nhiệt từ chăn liti truyền động trực tiếp cho tuabin tạo nước vòng lặp thứ cấp để làm quay tuabin Số 1+2 năm 2021 Với quy mô tốc độ phát triển nay, chờ đợi khơng lâu (khoảng 2030-2035) để chế ngự lượng có khơng hai cho lồi người - lượng tổng hợp hạt nhân ? TÀI LIỆU THAM KHẢO 1.vVincent Nouyrigat (2020), “Fusion-Enfin les première étincelles”, Science et vie, 2, p.58 Stephen T Thornton & Andrew Rex (1993), Modern Physics, Saunders College Publishing Cao Chi (2015), Vật lý đại, Tập 2, NXB Tri thức 4.vhttps://cvdvn.net/2018/01/16/ bao-gio-co-nha-may-nang-luong-nhiethach-dau-tien-the-gioi/ 5.vhttp://nangluongvietnam.vn/ news/vn/dien-hat-nhan-nang-luongtai-tao/dien-hat-nhan/phan-ung-tonghop-hat-nhan-nguon-nang-luong-cuatuong-lai.html 6.vhttp://pecc2.com/Detail.aspx?is MonthlyNew=1&newsID=101473&Mo nthlyCatID=18 https://tinhte.vn/thread/xay-dungthanh-cong-lo-phan-ung-nhiet-hachdang-stellarator-lon-nhat-tu-truoc-toinay.2521297/ ... chinh phục nguồn lượng tổng hợp hạt nhân gặp phải thách thức khác như: Phương hướng tổng hợp hạt nhân phát triển mạnh mẽ, mở nhiều hy vọng phương pháp tạo lượng vô tận (cung cấp lượng cho nhân loại... tích thừa số vượt ngưỡng định để tổng hợp hạt nhân xảy Đó tiêu chí Lawson (đặt theo tên nhà vật lý người Anh J.D Lawson) cho tổng hợp hạt nhân Muốn tạo phản ứng tổng hợp cần có điều kiện: nt ≥ ×1020... phản ứng nhiệt hạch Tổng hợp hạt nhân giải phóng 17,6 MeV (hình 1), với lượng lớn gấp nhiều triệu lần lượng cung cấp phản ứng sử dụng carbon Nhiên liệu để phản ứng tổng hợp hạt nhân đồng vị Deuterium