Nguyên tắc hoạt động của động cơ phản lực plasma cũng giống như nguyên tắc hoạt động của động cơ dùng nhiên liệu hoá học. Điều khác biệt chủ yếu ở đây là năng lượng cần thiết để đốt khí của động cơ phản lực plasma thu được từ hồ quang điện.
Khí ion hoá được tạo ra nhờ điện trường được đưa vào buồng phóng điện (biểu diễn ở hình 36). Khi bay qua lỗ tròn trên catot, khí bị ion hoá (plasma) bay tới miền mà điện trường và từ trường vuông góc với nhau. Miền này có tác dụng như một máy bơm plasma dùng để phun plasma ra với tốc độ lớn. Do đó, nó tạo ra
SVTH: Nguyễn Thị Bích Phượng 66 Plasma và ứng dụng của plasma một phản lực lớn tác dụng lên động cơ, làm cho động cơ tiến về phía trước. Sơ đồ mà ta vừa xét thực chất là sơ đồ đơn giản của plasmatron.
Phần sau đây sẽ giải thích tại sao động cơ plasma có nhiều ưu điểm hơn so với động cơ thông thường khác. Ta biết rằng, động lượng của tên lửa được xác định bằng tích của khối lượng chất phóng ra và vận tốc của dòng plasma. Nghĩa là, nhiều nhiên liệu phóng ra nhưng với vận tốc không lớn, hay ít nhiên liệu phóng ra mà vận tốc lớn thì động lượng vẫn như nhau. Các phép tính của các nhà kỹ thuật chứng tỏ trong động cơ phản lực thông thường dùng nhiên liệu hoá học tốc độ của luồng khí phụt ra là 105 cm/s, còn động cơ phản lực plasma tốc độ phóng hạt là 107 cm/s. Như vậy, tốc độ phóng hạt của động cơ plasma lớn hơn gấp 100 lần tốc độ luồng khí của động cơ dùng nhiên liệu hoá học. Do đó, trong các chuyến bay dài ngày đến các khoảng cách xa trong vũ trụ, các động cơ phản lực plasma tỏ ra thích hợp hơn các động cơ tên lửa dùng nhiên liệu hoá học (bởi vì chúng tiêu thụ nhiên liệu ít hơn mà cho phép đạt được tốc độ lớn hơn). Tuy nhiên, cũng cần thiết rằng khi ấy sự tiêu phí năng lượng tăng lên rất nhiều. Đây là vấn đề mà các nhà khoa học quan tâm tìm kiếm nguồn năng lượng lớn để cung cấp cho các chuyến bay vũ trụ. Hiện nay, đã có một số nhà bác học đề nghị dùng năng lượng hạt nhân làm nguồn năng lượng cho các động cơ plasma.
IV.Phản ứng nhiệt hạch có điều khiển
Ta biết là năng lượng của các nguyên tử nặng như Uranium, plutoni, … Năng lượng của chúng có thể giải phóng trong quả trình phân hạch (nghĩa là chia thành các hạt nhân nhỏ hơn khi bị neutron chậm bắn phá vào). Ngược lại, hạt nhân của các nguyên tử nhẹ chỉ có thể giải phóng năng lượng trong các phản ứng tổng hợp (nghĩa là trong quá trình hai hạt nhân va chạm trên khoảng cách rất gần để kết hợp thành hạt nhân nặng). Sự giải phóng năng lượng này ở các dạng khác nhau tuỳ thuộc vào các phản ứng. Thí dụ như sự tổng hợp Deuterium với Tritium thì phần năng lượng chủ yếu được toả ra (gần 80%) dưới dạng động năng của các hạt neutron. Nếu ở ngoài bẫy từ có bố trí một cơ cấu giảm tốc thích hợp, thì các neutron sẽ bay chậm lại. Khi đó, ta có thể nhận được nhiệt năng và biến nó thành
SVTH: Nguyễn Thị Bích Phượng 67 Plasma và ứng dụng của plasma điện năng. Phản ứng tổng hợp Deuterium với Tritium thì khoảng 2/3 năng lượng toả ra do các hạt mang điện mang đi và chỉ gần 1/3 năng lượng toả ra do các neutron mang đi. Tuy nhiên về nguyên tắc có thể biến đổi trực tiếp động năng của các hạt mang điện thành điện năng.
Chú ý : Để các phản ứng tổng hợp được thực hiện, các hạt nhân cần thiết
phải kết hợp với nhau. Nhưng chính mỗi hạt nhân lại mang điện tích dương và bởi vậy giữa chúng xuất hiện những lực đẩy lẫn nhau, được xác định theo định luật Coulomb : 2 2 2 1 r e z z k F
Do đó, các hạt nhân muốn kết hợp với nhau thì nó cần phải thắng được các lực đẩy Coulomb mà các lực này trở nên rất lớn khi các hạt nhân ở gần nhau. Những lực này sẽ nhỏ nhất đối với các hạt nhân có điện tích nhỏ nhất (Z=1) trong số tất cả các hạt nhân. Chính vì vậy, những phản ứng tổng hợp các Deuterium và Tritium là quan trọng hơn cả. Muốn thắng được lực đẩy Coulomb và kết hợp với nhau, các hạt nhân phải có năng lượng vào khoảng 0,01 – 0,1 MeV. Động năng trung bình đó của các hạt tương ứng với nhiệt độ gần 100 triệu đến 1 tỉ độ. Nhiệt độ này còn lớn hơn nhiệt độ trong lòng Mặt trời. Vì những phản ứng tổng hợp chỉ xảy ra ở nhiệt độ rất cao, nên người ta gọi chúng là những phản ứng nhiệt hạch.
Với nhiệt độ hàng tỉ và trăm tỉ độ, các nguyên tử hay phân tử trung hoà bị ion hoá hoàn toàn và thu được plasma ion hoá cao độ. Để sử dụng nhiệt năng của khối plasma này, vấn đề chủ yếu là làm sao giữ nó tồn tại trong thời gian lâu dài không tiếp xúc trực tiếp với thành (vỏ) của thiết bị. Người ta dùng từ trường để giữ plasma mỏng. Từ trường sẽ đóng vai trò của các bức thành vô hình giữ không cho plasma thoát ra.
Hiện nay, các nhà Vật lý plasma đang tìm điều kiện thiết lập trạng thái cân bằng giữa plasma và từ trường. Nghiên cứu sự ổn định của plasma nóng trong từ trường là hướng nghiên cứu chủ yếu của các nhà vật lý hạt nhân và vật lý plasma, nhằm tiến đến điều khiển được phản ứng nhiệt hạch. Với sự hỗ trợ của các nhà kỹ
SVTH: Nguyễn Thị Bích Phượng 68 Plasma và ứng dụng của plasma thuật, việc sử dụng nguồn năng lượng khổng lồ của các phản ứng nhiệt hạch có điều khiển chắc chắn không phải là một điều viễn tưởng.