Hợp nhân nóng – Phần 1 pptx

Hợp nhân nóng – Phần 1 Bất chấp hơn 50 năm nỗ lực không ngừng, các lò phản ứng nhiệt hạt nhân ngày nay vẫn đòi hỏi năng lượng để làm cho chúng hoạt động nhiều hơn là năng lượng mà chúng có thể sản sinh ra.Steve Cowley cho biết bước tiếp theo là làm cho plasma nhiệt hạch tạo ra nhiệt của riêng nó – để làm cho nó nóng hơn cả lõi của Mặt trời. Ảnh: CCFE Đó phải là một trongnhững bài thuyết trìnhtrước côngchúng đáng nể nhất trong lịch sử khoa học. Thậtvậy, bài phátbiểu của ArthurStanleyEddingtontrước cuộc họp năm 1920 củaKhối Liênhiệp Anh ở Cardiff vẫn đáng để đọc vì tính đơn giản vàrõ ràng, đó là chỉ mới nói riêng các lập luận thôi. Nhưng chínhtầm nhìn xa trông rộngcủa ông mới làcái vẫn trụ vữnggần mộtthế kỉ sauđó. Cho đến khicó bài phát biểu của Eddingtion, đôngđảo người ta vẫn chấp nhận rằngMặt trờisản sinh năng lượngbởi sự co lạido hấp dẫn, biến đổi thế năng hấpdẫn thànhbức xạ. Chừng 60nămtrước đó, ngài huân tước Kelvinđã biện luận rằng cơ chế này có nghĩa là Mặt trời có thể khônghơn 20– 30triệu nămtuổi. Nhưng sử dụng cáclập luận đơngiản dựatrên một phạm vi rộngcủa các quansát, Eddingtonđã chỉ rõ rằng Mặt trời phải già hơn ước tính của Kelvin vàcác ngôi sao phải khaithác một số nguồnnăng lượng khác nàođó. May thay,ngay trước bài phát biểu củaEddingtion,người đồngnghiệp Đại học Cambridge của ông, Francis Aston, đã đođược khối lượng của hydrogenvà helium tương ứnglà 1,008 và 4. Eddington cho rằngMặt trời sản sinh nănglượng bằngcách biếnđổihydrogen thành helium–bằng cách kết hợp bốn hạtnhân hydrogen (proton)với hai electron và giải phóng năng lượng trongquá trình đó. Các chi tiết cụ thể tất nhiên làkhông chính xác – quá trình trên phức tạp hơn vàcó liên quanđến deuterium, positronvà neutrino, chẳnghạn – nhưngquanđiểmcơ bản thì đúng: Mặttrời thật sự đang biếnđổi hydrogenthành helium. Năng lượnggiải phóng trong sự biến đổinày có thể tính bằng công thức E = mc 2 và khối lượng đo đượccủa hydrogen và helium.Từ đây, Eddington ước tính rằng Mặttrời có đủ năng lượng để tỏa sángtrong 15 tỉ năm - gần một cách xuất sắc vớicác ước tính hiện đại là xấp xỉ 10 tỉ năm từ lúc hìnhthànhcho đến khiMặt trờiđi vào pha kềnh đỏ của nó,khinó tiêu thụ cạn hydrogen tronglõi của nó. Ông đã suy luận ra sự tồn tại của cái ngày naychúng tagọi là sự nhiệt hạch. Mặcdù Eddington rất thận trọng về tính chắc chắn của nhữngkết luận của ông, nhưng ôngđã nhậnra tiềm năng đáng kinh ngạc và lậptức nhìn thấy vô số lợi ích mà sự nhiệt hạt nhân có thể mang đến cho xã hội. Như ôngphát biểu trước các thínhgiả ở Cardiff, “có đôi khi, chúngta mơ rằng một ngày nàođó con người sẽ học được cách giải phóng năng lượng đó và sử dụng nó chocuộc sốngcủa mình”. Tầm nhìncủa Eddington ngày nay nằmtrong tầm với của chúngta, mặc dù chẳng dễ gì đạt tới mục tiêu xaxôi ấy. Trên hành trìnhkhám phá, chúng ta cần phải pháttriển lĩnh vựcvật lí plasma,ngành học nghiên cứucác chất khí bị làm nóng đến mức các electrontách rakhỏi các nguyên tử của chúng. Bất chấp nhiều cam go thử thách, thật hợplí nếu nói rằng các nhà khoa họcngày nay đã ‘chộp’ đượcsức mạnhcủa Mặttrời. Từ ước mơ đến thực tại Thật ra thì chươngtrình nhiệt hạch hiện đại đã bắtđầu vào nhữngthời khắc cuối của Thế chiến thứ hai tại LosAlamosở nước Mĩ, khiEnrico Fermicùng các thành viên khác củađội khoahọc chế tạo quả bom nguyên tử đầu tiên cho rằng một phản ứng nhiệthạt nhân có thể đượckích hoạttrong một plasma giam cầm bằngmột từ trường.Tháng5 năm 1946, George Thomsonvà MosesBlackman thuộctrường Imperial College Londonđã đăng kí bằng sáng chế cho một dụng cụ nhiệt hạch giam cầm bằng từ trường trong đó các namchâm mạnhcó thể được sử dụngđể giamgiữ mộtplasma tại chỗ trong khinó đượclàm nóng đến những nhiệt độ cao. Vào đầu thập niên1950, người ta biếtrõrằng phản ứngnhiệt hạch dễ kích hoạt nhất là phảnứng của haiđồng vị hydrogen – deuterium vàtritium. Để kích thích sự hợp nhân đáng kể, plasmacủa deuterium và tritium phải được làmnóng lên đếnnhiệt độ chừng150 triệu kelvin.Nónghơn tâmcủa Mặttrời chừng 10 lần, đây là một mụctiêu làm người ta thoái chí. Tuy nhiên,vào năm 1997, các nhàkhoa học đã thuđược nó trong một plasma giamcầm bằngtừ tại Joint European Torus (JET) tại Trung tâm Năng lượng Nhiệt hạch Culhamở nước Anh.JET sảnsinhra 16 MW năng lượng hợp nhân trongkhi được điều khiển bởi công suấtvào 25 MW. Có lẽ Eddingtion sẽ hài lòng với sự tiến bộ khoahọc theotầm nhìn của ông. Nhưng bất chấp những thànhcông đó, chođến naychúng ta vẫn chưa đạt tới mức có thể sản xuất điện năng thương mại và tầm vươncủa sự nhiệt hạch đến vớitừng hộ gia đình vẫn còn rất nhiều thách thức. Chính xác thì cần phải làm những gì để chế tạo một nguồn điện nhiệthạt nhân thương mại?Đâu là nhữngvấn đề khoahọc chínhyếu?Các nước tự khẳng địnhvị thế của mình như thế nào khi tham gia vào nền kinhtế nhiệt hạchtrong tươnglai?Đây là những câu hỏi thiết yếu. Tuy nhiên, trướckhitrở lại vớichúng, điều cần thiết là đi trả lời câu hỏi quan trọng nhất hết thảy: tại sao lại quantâm lo lắng như vậy? Có lẽ những nguồn nănglượng khác sẽ là những lựa chọn đơn giản hơn. Trên thực tế, có ítnguồn năng lượng lâudài với tài nguyên đủ để thaythế cho chừng 80%năng lượng củachúng ta được sản xuất ra bằngnhiên liệuhóa thạch. Trongnhững thập niên sắp tới,công nghệ phân hạchhạtnhân hiện nay sẽ giữ một vai trò thiết yếu trong việc sản xuất điện nănghàmlượng carbon thấp. Nhưng xét về lâudài, ngoài sự nhiệt hạch ra,chỉ có năng lượngmặt trời và sự phân hạchhạt nhân với các lò phảnứng táisinh uraniumhoặc thorium (các lò phản ứng tái sinhnhiên liệuhạt nhân và vì thế kéodài thêm nguồn tài nguyên nhiên liệu hóa thạch) mới có khả năng thaythế cho các nhiên liệu hóa thạch. Những côngnghệ này vẫn cần có thêm nhiều nghiên cứutrước khi chúngsẵn sàng được sử dụng trên quy mô lớn. Tuynhiên, bất chấp tiềmnăng này, rõ ràng chẳngcó nguồn năng lượng nào mang lại triển vọngđặc biệt như sự nhiệt hạch: nhiênliệu trên thựctế là vô hạn;chất thải thấp; không sản sinh carbon-dioxide;các chitiết an toàn thật hấp dẫn và sử dụng íttài nguyên đất đai. Đây là những nguyên do đầy thuyết phục để pháttriển sự nhiệt hạch, cho dù sự thànhcônglà không đảm bảo cholắm. Hình 1. Deuterium (hydrogen nặng) và tritium (hydrogen siêu nặng) hợp nhất tạo thành helium và một neutron – giải phóng 17,6 MeV năng lượng dưới dạng năng lượng nhiệt hạch. Đây là phản ứng nhiệt hạch dễ kích hoạt nhất vì nó có tỉ lệ phản ứng cao ở nhiệt độ thấp (trong đó “thấp” có nghĩa là 100-200 triệu kelvin). Tritium không xuất hiện trong tự nhiên vì nó phân hủy với chu kì bán rã ngắn 12 năm thành helium-3. Do đó, nó phải được “nhân giống” từ lithium, sử dụng neutron sinh ra trong phản ứng nhiệt hạt nhân deuterium–tritium. Ở đây, neutron gây ra phản ứng nhân giống tritium với đồng vị lithium-6, đồng vị chiếm khoảng 7,5% lithium xuất hiện trong tự nhiên. Nhiên liệu cho phản ứng nhiệt hạch này, vì thế, là deuterium và tritium, chúng có dồi dào trong nước biển. Lò phản ứng nhiệt hạt nhân tự nóng Vậy cần phải làm gìđể hiện thực hóa thành tựu củaJET về nănglượng nhiệt hạch? Giaiđoạn tiếp theorõ ràng là đi chứng minh rằng một nhàmáy sản sinhsản xuấtđiện là có thể xây dựngđược– cái mà JET đã không được thiết kế để đạt tới. Tỉ số củanăng lượng nhiệt hạch và nănglượng điệntiêu thụ để kích hoạt và duytrì phản ứng phải tănglên. Điều này đòi hỏi một plasma tự làm nóng – một plasma được làm nónglên bởi các hạt nhân helium giàu năng lượng sinh rasinh ra trong sự hợpnhân deuterium-tritium(hình 1). Cơ sở Đánh lửa Quốcgia (NIF) tại Phòng thí nghiệmquốc gia Lawrence Livermore ở Mĩ sử dụng một phương phápkhác để nhiệthạch thay cho phương pháp giamcầm từ tính vừa nói ở trên. Cơ sở này được thiết kế để tậptrung 500 TW năng lượng lên trên một viênnhiên liệu cỡ mili mét,sử dụng mộtma trận gồm 192 laser.Năng lượng nhiệt hạch sinh ra được kì vọng làgấp khoảng10 đến 20lần năng lượngdo các lasercungcấp dướidạng ánh sáng. Đây sẽ làmột minh chứng đáng kể của sự “đốt cháy” nhiệt hạch, tứclà sự tự làm nóng.Tuy nhiên, laser NIFcó hiệu suất dưới 1%vàvì thế cơ sở này vẫn không chứng minh được yêu cầu thiết yếu rằngsự sản sinhnăng lượng thực là cóthể. Đối với phương pháp nhiệthạchgiam cầmtừ tính, minhchứng thiết yếu đã sắp có mặt. Bảy đối tác quốc tế - TrungQuốc, Liên minh châu Âu, Nhật Bản, Hàn Quốc,ẤnĐộ, Nga vàMĩ, đại diện hơn một nửa dâncư củathế giới – hiện nay,sau nhiều năm trì hoãn,đang xâydựng mộtdụngcụ tự làmnónggọilàITERtại Cadaracheở miền namnước Pháp (hình2). Giống như JET, thí nghiệm nàysẽ có cơ cấu từ tính gọi theo tên tiếng Ngalà “tokamak”. ITER sẽ được hoànthành trong 10 năm và vài năm sauđó thì người ta hi vọng nó sẽ tạora chừng 500MWcông suất pháttừ chưa tới 50 MWcôngsuất vào– một sự khuếchđại ít nhất là10 bậc độ lớn. Một phần năm (chừng 100MW) năng lượngnhiệt hạchsẽ được giải phóng dưới dạng các hạt nhânhelium năng lượngtính, chúng bị bẫy lại bởi từ trườngvà tự làm nóngkhối plasma.Mục tiêu là duytrì mức công suất này trongkhoảngthời gian 400giây hoặc lâu hơn. Tuynhiên, những thínghiệm gần đây thực hiện với JET và các máy móc khác, cùngvớiviệc lập môphỏng chitiết, cho thấyngười tacó thể tăng đángkể khoảng thời gianđó lên –và độ khuếchđại cũngtăng lên.Cho dù khôngcó những sự gia tăng thêmnày, thì ITERvẫn sẽ sảnxuất ra các mức công nghiệp củanăng lượng nhiệt hạch trongkhi chủ yếu tự làm nónglên; đây là chế độ plasma-cháy. Minhchứng này của tínhkhả thi về mặt khoahọc của sự nhiệt hạch hiệu suất cao làmột bước tốiquan trọng trên con đườngtiếnđến sản xuất điện nhiệt hạch. Hình 2. Hiện đang được xây dựng tại Cadarache ở miền nam nước Pháp, ITER sẽ chứa gần 830 m 3 plasma nóng bên trong một cái hộp hình toroid. Sự giam cầm được cung cấp bởi một từ trường chừng 5,2 T tạo ra bởi một cuộn dây siêu dẫn niobium-thiếc ở nhiệt độ 4 K. Plasma sẽ được làm nóng lên đến nhiệt độ nhiệt hạch bằng các sóng vô tuyến và các hạt trung hòa năng lượng tính được bơm vào plasma. Một khi đạt tới nhiệt độ nhiệt hạch (chừng 200 triệu kelvin), người ta kì vọng ITER sẽ sản sinh ra chừng 500 MW năng lượng nhiệt hạch trong hơn 400 giây và chủ yếu tự làm nóng lên – những plasma như vậy được gọi là plasma cháy. ITER được thiết kế để có “chu trình công suất” ít nhất là 25% - tức là khoảng thời gian trống giữa những lần bắn plasma cháy chưa tới ba lần khoảng thời gian bắn (Ảnh: ITER). Nhưng làm sao chúng ta biết ITER sẽ đạttới những mức hiệu suất này? Thôngsố vật lí quantrọng là “thời gian giamcầm năng lượng”, τ E , đó là tỉ số của năng lượngtrong plasma và năng lượng cung cấp để làm nóng plasma, trong đó năng lượngcungcấp là nguồn tự làm nóng nhờ heliumdo sự nhiệthạchsinh ra (một phần năm năng lượng nhiệthạch, P nhiệt hạch /5) và năng lượng ngoài (P nhiệt ). Thời gian giam cầm năng lượng thamsố hóa cho mứcđộ từ trườngcô lập plasma tốt như thế nào – đại khái có thể xem nó là thời gian cần thiết để nhiệt đưa vào plasmatìm đường thoát trở ra ngoài. Plasma được duytrì trongnhiều lần giam cầm năng lượng (trên nguyên tắc là vô hạn) bởisự làm nóng. Rõ ràng τ E càng lớn thì lò phản ứngnhiệt hạch cótổngcông suấtphát càng lớn. hiệu suất năng lượng được định nghĩa làQ = P nhiệt hạch / P nhiệt . Năng lượng nhiệt hạchdeuterium-tritium sinh ra trong mỗi mét khối plasmaở mộtnhiệt độ vàmật độ (mật độ nănglượng nhiệt hạch) cho trước có thể tính ra bằng tiết diện hiệu dụng nhiệt hạch đo được (tỉ lệ phảnứng đốivớimột va chạm nhiệt hạch cho trước). Trong ngưỡng nhiệt độ 100 × 10 6 –200 × 10 6 K, mật độ năng lượngnhiệt hạch xấp xỉ bằng 0,08p 2 MWm –3 , trong đó áp suất plasma,p,đượcđo theo atmosphere. Ở áp suất cao, nănglượng nhiệt hạch lớn và plasmahoàn toàntự làm nóng (P nhiệt = 0 và Q → ∞) – đây được gọi là“sự đánh lửa”.Việclàm nóng plasma từ bên ngoài (cung cấp P nhiệt ) làm giảm côngsuất toànphần và làmphức tạp thêm đối với thiết kế lò phản ứng. Vì thế, độ khuếch đại caolà thiếtyếu. Hiệu quả của một dụng cụ nhiệthạch phụ thuộc vào trạng thái của plasma – đặc biệt là tích nhiệthạch, pτ E , và nhiệt độ plasma,T. Sự đánh lửa xảy ra đại kháikhi pτ E > 20. TrongITER, áp suất plasmatrung tâmsẽ đạt tới khoảng 7 atmosphere vàthời giangiam cầm được kì vọng làtrong ngưỡng3,5 – 4 giây (lưu ýlà plasmacủa ITER sẽ được duy trì trong hơn400 giây – có lẽ là hàng nghìn giây). Đồ thị biểu diễn p > iτ E theo T chophép so sánh hiệu suất đối với các tokamakkhác nhau,trong đó p i =p/2là áp suất ion trong vùng chínhgiữa củaplasmatoroid (hình 3). Hình 3. Dữ liệu chọn lọc từ các tokamak khác nhau chứng minh sự tiến bộ thật sự trong những thập niên gần đây, với nhiệt độ ion hơn 100 triệu kelvin tính cho đến nay. Với JET, người ta đã đạt tới hiệu suất năng lượng (Q) vào khoảng 0,7 – thành tựu này được đánh dấu “breakeven” trong biểu đồ này. Thí nghiệm Nhật Bản JT60 đã chạy không cần tritium nhưng nếu nó sử dụng tritium, thì độ khuếch đại sẽ là 1,25. ITER được kì vọng mang lại độ khuếch đại lớn hơn 10 – các lò phản ứng thương mại thì cần lớn hơn 20. . Hợp nhân nóng – Phần 1 Bất chấp hơn 50 năm nỗ lực không ngừng, các lò phản ứng nhiệt hạt nhân ngày nay vẫn đòi hỏi năng lượng để làm cho chúng. này đòi hỏi một plasma tự làm nóng – một plasma được làm nónglên bởi các hạt nhân helium giàu năng lượng sinh rasinh ra trong sự hợpnhân deuterium-tritium(hình 1) . Cơ sở Đánh lửa Quốcgia (NIF). deuterium và tritium phải được làmnóng lên đếnnhiệt độ chừng150 triệu kelvin.Nónghơn tâmcủa Mặttrời chừng 10 lần, đây là một mụctiêu làm người ta thoái chí. Tuy nhiên,vào năm 19 97, các nhàkhoa học đã