, .■ mựnu II1L1 rựẸỊVl VA H1ẸU QUA
1. Bình trộn; 2 Khoang phân huỷ; 3 Khoang chứa khí;
5.7.1 Nguyên ỉý nhà máy điện nhiệt hạch
Ta biết ràng phản ứng dây chuyền phân tách hạt nhân Uranium trong các lò phản ứng hạt nhân tạo nên nguồn năng lượng vô cùng to lớn, tuy nhiên phản ứng kêt hợp hạt nhân (phản ứng nhiệt hạch) cịn tạo ra ngn năng lượng to lớn hơn nhiều.
GIÁO TRÌNH GIÁO DỤC sử DỤNG NẤNG LƯỢNG TĨÉT KIỆM VÀ HIỆU QUẢ
Deuterium (\H) và Tritinium () còn gọi là nước nặng là hai đồng vị của hiđô khi kết hợp với nhau sẽ tạo nên hạt Hêli (ịHe còn gọi là hạt alpha), nơtron năng lượng cao và giải phóng năng lương vơ cùng to lớn 17,6 MeV theo phương trình:
\H+\H^2He+ỵữn +1 7,6Me V (5.6)
Vì các hạt nhân này đều có điện tích dương, để kết hợp lại với nhau cần giảm khoảng cách giữa chúng xuống khoảng 1 femto mét (10'15m), khi đó lực đẩy tính điện giữa chúng tỷ lệ nghịch với khoảng cách sẽ rất lớn nên đòi hỏi phải tạo nên nhiệt độ rất cao, vào khoảng vài chục triệu độ c. Mặt trời là quả cầu lửa khổng lồ trong đó phản ứng nhiệt hạch trong lịng nó vào khoảng một trăm triệu độ c duy trì ổn định và bức xạ năng lượng trong khơng gian và xuống trái đất. Chính mặt trời là nguồn gốc mọi sự sống trên trải đất. Tiếc thay mật độ năng lượng của mặt trời trong không gian không lớn và bị phân tán cho nên việc thu và sử dụng năng lượng mặt trời trên trái đất còn bị hạn chế. Một câu hỏi đặt ra là có thể tạo nên những mặt trời nhân tạo nhỏ trên trái đất để sinh ra năng lượng vô tận cho các nhà máy điện được khơng? Neu được thì bài tốn về năng lượng của nhân loại được giải quyết. ■
5.7.2 TOKAMAK
Hình 5.32 Nhà máy điện nhiệt hạch
Là tên viết tẳt của cụm từ tiếng Nga - buồng hình xuyến trong các cuộn dây từ, do nhà vật lý Xô viết Igor Yebgenyevich Tamm và Andrei Sakharov thiết kế theo ý tường ban đầu của Oleg Lavrentyeb sử dụng dịng plasma duy trì dưới dạng hình xồn trong từ trường để tạo nên trạng thái cân bàng.
Từ sau chiến tranh thế giới lần thứ hai trong cuộc chạy đua hạt nhân giữa Mỹ và Liên Xô việc nghiên cứu về phản ứng nhiệt hạch được đẩy mạnh. Năm 1956 tại Viện Kurchatov Moskva đã xây dựng Tokamak đầu tiên, kết quả là các mẫu T-3, T-4 được thử nghiệm vào năm 1968 ở Novosimbirsk, lần đầu tiên đạt được phản ứng nhiệt hạch gần ổn định. Năm 1968 tại hội nghị của IAEA phía Liên Xơ thơng báo họ đã chế tạo được thiết bị Tokamak 1000 eV.
Các ion, điện tử tại tâm nhiệt hạch của plasma có nhiệt độ rất cao và tốc độ
lớn. Đê duy trì q tíkìh kêt hợp hạt nhân các hạt mang điện trong từ trường sẽ chịu lực Lorentz theo đưịĩìg xoắn ốc dọc theo đường sức từ trường. Các hạt có
ưu i/ynguanu LUỢNG 11ET KIẸM VA HIỆU QUA
thê tạo nên các lớp song song trong từ trường. Đe duy trì nhiệt độ cao cho phản ứng nhiệt hạch cần phải bổ sung năng lượng và gia nhiệt cho plasma bằng cách:
• Gia nhiệt bằng điện: Vì plasma là chất dẫn điện nên có thể sử dụng
phương pháp đốt nóng cảm ứng. Dịng điện cảm ứng qua cuộn thứ cấp của máy biến áp. Vì Tokamak hoạt động trong chu kỳ ngắn, sự đốt nóng điện trở phụ thuộc vào tích RI2. Tuy nhiên ở nhiệt độ cao điện trở của plasma suy giảm đáng kể nên đốt nóng điện trở cũng khơng thể tăng nhiệt đáng kể và cần sử dụng phương pháp gia nhiệt khác.
• Gia nhiệt bằng chùm natron: các nguyên tử bị ion hoá và bị bẫy trong từ
trường các ion năng lượng cao chuyển phần năng lượng tới các hạt plasma trong các va chạm lặp lại.
• Gia nhiệt bằng nén từ: Plasma thể khí có thể bị đốt nóng do nén đột ngột.
Trong Tokamak việc nén được thực hiện đơn giản bằng cách di chuyển plasma trong vùng có từ trường cao.
• Gia nhiệt cao tần trong ống cao tần 84 GHz và 118 GHz do bộ dao động
tần sổ cao Gyrotron và Klystron đặt bên ngồi hình xuyến. Nhiều kỹ thuật đốt nóng cộng hưởng cylotron được thực hiện.
Hình 5.33 Nguyên lý cơ bản của TOKAMAK
Dù đã có nhiều cải tiến nhưng cho đến nay các Tokamak của Nga, Mỹ, EU, Nhật...mới tạo nên phản ứng nhiệt hạch ổn định dưới 1 giây bằng cách tiêu thụ năng lượng của nguồn mà chưa phát ra năng lượng, do đó bài tốn tạo nên nguồn năng lượng nhiệt hạch có điều khiển vẫn cịn bị bỏ ngỏ.
5.7.3 ITER
Là tên viêt tăt của cụm từ (International Thermonuclear Experimental
Reactor) - Lò phản ứng nhiệt hạch thử nghiệm quốc tế. Người ta tránh nói đến lị
phản ứng nhiệt hạch vì sợ sự phản đối của dư luận với vũ khí nhiệt hạch. Dự án quốc tế này được ký kết vào ngày 21-11-2006 gồm các bên tham gia: EU, Hoa Kỳ, Nga, Trung Quốc, Hàn quốc, Canada.
GIÁO TRINH GIÁO DỤC sứ DỤNG NÂNG LƯỢNG TIÉT KIỆM VÀ HIỆU QUẢ
Hình 5.34 Lị phản ứng nhiệt hạch kiểu ITER
Các mục tiêu chính của dự án là:
• Tạo nên năng lượng nhiệt gấp 10 lần năng lượng cung cấp;
• Duy trì dịng plasma ổn định trong vịng 8 phút của buồng phản ứng nhiệt hạch có thể tích 840 m3;
• Phát triển cơng nghệ và q trình cần thiết cho nhà máy điện nhiệt hạch có mạch từ nam châm siêu dẫn và điều khiển xa bằng rơbơt.
Q trình kết hợp Deuterium và Tritium với 0,5 gam nhiên liệu giải phóng năng lượng gấp 5 lần Uranium 235 và gấp một triệu lần năng lượng giải phóng khi đốt than. Đây sẽ là bước tiến rất quan trọng trong việc xây dựng những mặt trời nhỏ trên trái đất. Cơng nghệ này khơng gây hiệu ứng nhà kính, hồn tồn khơng có khí thải độc hại cũng như chất thải phóng xạ phải xử lý. Nguồn nước nặng Deuterium và Trititum có trong nước biển là vơ tận trên trái đất.Thành công trong dự án này nhân loại sẽ làm chủ được cơng nghệ nhiệt hạch vào mục đích hịa bình và sẽ có bước tiến vững chác trong việc tạo nên nguồn năng lượng sạch và vô cùng to lớn cho những năm giữa thế kỷ 21 và trong tưong lai lâu dài. Con người sẽ khơng cịn lo lắng về nguồn năng lượng nữa vì đã chế tạo và khống che được nhiều mặt trời nhỏ trên trái đất. Hình 5.23 dưới đây là mơ hình lị phản ứng nhiệt hạch vì mục đích hịa bình ITER.
ựnu Hrtnu Ị.tụ.ìi.1 Iir.1 IVIẸ1V1 VA nitu yt)A
Nucíeac Steam Supply System
vȒ
Hình 5.35 Mơ hình lị phản ứng nhiệt hạch vì mục đích hịa bình
GIÁO TRĨNH GIÁO DỤC sử DỤNG NẤNG LƯỢNG TIỀT KIỆM VÀ HIỆU QUẢ