Hợp nhân nóng (Physics World, tháng 10/2010)

- Steve Cowley (Physics World, tháng 10/2010) 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..
- Cho đến khi có bài phát biểu của Eddingtion, đông đảo người ta vẫn chấp nhận rằng Mặt trời sản sinh năng lượng bởi sự co lại do hấp dẫn, biến đổi thế năng hấp dẫn thành bức xạ.
- Chừng 60 năm trước đó, ngài huân tước Kelvin đã biện luận rằng cơ chế này có nghĩa là Mặt trời có thể không hơn 20 – 30 triệu năm tuổi.
- Nhưng sử dụng các lập luận đơn giản dựa trên một phạm vi rộng của các quan sát, Eddington đã chỉ rõ rằng Mặt trời phải già hơn ước tính của Kelvin và các ngôi sao phải khai thác một số nguồn năng lượng khác nào đó..
- Eddington cho rằng Mặt trời sản sinh năng lượng bằng cách biến đổi hydrogen thành helium – bằng cách kết hợp bốn hạt nhân hydrogen (proton) với hai electron và giải phóng năng lượng trong quá trình đó.
- Năng lượng giải phóng trong sự biến đổi này có thể tính bằng công thức E = mc 2 và khối lượng đo được của hydrogen và helium.
- Từ đây, Eddington ước tính rằng Mặt trời có đủ năng lượng để tỏa sáng trong 15 tỉ năm - gần một cách xuất sắc với các ước tính hiện đại là xấp xỉ 10 tỉ năm từ lúc hình thành cho đến khi Mặt trời đi vào pha kềnh đỏ của nó, khi nó tiêu thụ cạn hydrogen trong lõi của nó.
- Ông đã suy luận ra sự tồn tại của cái ngày nay chúng ta gọi là sự nhiệt hạch.
- Mặc dù Eddington rất thận trọng về tính chắc chắn của những kết luận của ông, nhưng ông đã nhận ra tiềm năng đáng kinh ngạc và lập tức nhìn thấy vô số lợi ích mà sự nhiệt hạt nhân có thể mang đến cho xã hội.
- “có đôi khi, chúng ta mơ rằng một ngày nào đó con người sẽ học được cách giải phóng năng lượng đó và sử dụng nó cho cuộc sống của mình”..
- Trên hành trình khám phá, chúng ta cần phải phát triển lĩnh vực vật lí plasma, ngành học nghiên cứu các chất khí bị làm nóng đến mức các electron tách ra khỏi các nguyên tử của chúng.
- Thật ra thì chương trình nhiệt hạch hiện đại đã bắt đầu vào những thời khắc cuối của Thế chiến thứ hai tại Los Alamos ở nước Mĩ, khi Enrico Fermi cùng các thành viên khác của đội khoa học chế tạo quả bom nguyên tử đầu tiên cho rằng một phản ứng nhiệt hạt nhân có thể được kích hoạt trong một plasma giam cầm bằng một từ trường.
- Tháng 5 năm 1946, George Thomson và Moses Blackman thuộc trường Imperial College London đã đăng kí bằng sáng chế cho một dụng cụ nhiệt hạch giam cầm bằng từ trường trong đó các nam châm mạnh có thể được sử dụng để giam giữ một plasma tại chỗ trong khi nó được làm nóng đến những nhiệt độ cao..
- Vào đầu thập niên 1950, người ta biết rõ rằng phản ứng nhiệt hạch dễ kích hoạt nhất là phản ứng của hai đồng vị hydrogen – deuterium và tritium.
- Tuy nhiên, vào năm 1997, các nhà khoa học đã thu được nó trong một plasma giam cầm bằng từ tại Joint European Torus (JET) tại Trung tâm Năng lượng Nhiệt hạch Culham ở nước Anh..
- JET sản sinh ra 16 MW năng lượng hợp nhân trong khi được điều khiển bởi công suất vào 25 MW..
- Nhưng bất chấp những thành công đó, cho đến nay chúng ta vẫn chưa đạt tới mức có thể sản xuất điện năng thương mại và tầm vươn của sự nhiệt hạch đến với từng hộ gia đình vẫn còn rất nhiều thách thức.
- Chính xác thì cần phải làm những gì để chế tạo một nguồn điện nhiệt hạt nhân thương mại? Đâu là những vấn đề khoa học chính yếu? Các nước tự khẳng định vị thế của mình như thế nào khi tham gia vào nền kinh tế nhiệt hạch trong tương lai? Đây là những câu hỏi thiết yếu.
- trọng nhất hết thảy: tại sao lại quan tâm lo lắng như vậy? Có lẽ những nguồn năng lượng khác sẽ là những lựa chọn đơn giản hơn.
- Trên thực tế, có ít nguồn năng lượng lâu dài với tài nguyên đủ để thay thế cho chừng 80% năng lượng của chúng ta được sản xuất ra bằng nhiên liệu hóa thạch..
- Nhưng xét về lâu dài, ngoài sự nhiệt hạch ra, chỉ có năng lượng mặt trời và sự phân hạch hạt nhân với các lò phản ứng tái sinh uranium hoặc thorium (các lò phản ứng tái sinh nhiên liệu hạt nhân và vì thế kéo dài thêm nguồn tài nguyên nhiên liệu hóa thạch) mới có khả năng thay thế cho các nhiên liệu hóa thạch..
- Tuy nhiên, bất chấp tiềm năng này, rõ ràng chẳng có nguồn năng lượng nào mang lại triển vọng đặc biệt như sự nhiệt hạch: nhiên liệu trên thực tế là vô hạn.
- 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).
- 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 gì để hiện thực hóa thành tựu của JET về năng lượng nhiệt hạch?.
- Giai đoạn tiếp theo rõ ràng là đi chứng minh rằng một nhà máy sản sinh sản xuất điện là có thể xây dựng được – cái mà JET đã không được thiết kế để đạt tới.
- Tỉ số của năng lượng nhiệt.
- hạch và năng lượng điện tiêu thụ để kích hoạt và duy trì phản ứng phải tăng lên.
- Điều này đòi hỏi một plasma tự làm nóng – một plasma được làm nóng lên bởi các hạt nhân helium giàu năng lượng sinh ra sinh ra trong sự hợp nhân deuterium-tritium (hình 1)..
- Cơ sở Đánh lửa Quốc gia (NIF) tại Phòng thí nghiệm quốc gia Lawrence Livermore ở Mĩ sử dụng một phương pháp khác để nhiệt hạch thay cho phương pháp giam cầm từ tính vừa nói ở trên.
- Cơ sở này được thiết kế để tập trung 500 TW năng lượng lên trên một viên nhiên liệu cỡ mili mét, sử dụng một ma trận gồm 192 laser.
- Năng lượng nhiệt hạch sinh ra được kì vọng là gấp khoảng 10 đến 20 lần năng lượng do các laser cung cấp dưới dạng ánh sáng.
- Đây sẽ là một minh chứng đáng kể của sự “đốt cháy” nhiệt hạch, tức là sự tự làm nóng.
- Tuy nhiên, laser NIF có hiệu suất dưới 1% và vì thế cơ sở này vẫn không chứng minh được yêu cầu thiết yếu rằng sự sản sinh năng lượng thực là có thể..
- Đối với phương pháp nhiệt hạch giam cầm từ tính, minh chứng thiết yếu đã sắp có mặt..
- Một phần năm (chừng 100 MW) năng lượng nhiệt hạch sẽ được giải phóng dưới dạng các hạt nhân helium năng lượng tính, chúng bị bẫy lại bởi từ trường và tự làm nóng khối plasma.
- Tuy nhiên, những thí nghiệm gần đây thực hiện với JET và các máy móc khác, cùng với việc lập mô phỏng chi tiết, cho thấy người ta có thể tăng đáng kể khoảng thời gian đó lên – và độ khuếch đại cũng tăng lên.
- Cho dù không có những sự gia tăng thêm này, thì ITER vẫn sẽ sản xuất ra các mức công nghiệp của năng lượng nhiệt hạch trong khi chủ yếu tự làm nóng lên.
- Minh chứng này của tính khả thi về mặt khoa học của sự nhiệt hạch hiệu suất cao là một bước tối quan trọng trên con đường tiến đến sản xuất điện nhiệt hạch..
- 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..
- Nhưng làm sao chúng ta biết ITER sẽ đạt tới những mức hiệu suất này? Thông số vật lí quan trọng là “thời gian giam cầm năng lượng”, τ E , đó là tỉ số của năng lượng trong plasma và năng lượng cung cấp để làm nóng plasma, trong đó năng lượng cung cấp là nguồn tự làm nóng nhờ helium do sự nhiệt hạch sinh ra (một phần năm năng lượng nhiệt hạch, P nhiệt hạch /5) và năng lượng ngoài (P nhiệt.
- Thời gian giam cầm năng lượng tham số hóa cho mức độ từ trường cô lập plasma tốt như thế nào – đại khái có thể xem nó là thời gian cần thiết để nhiệt đưa vào plasma tìm đường thoát trở ra ngoài.
- Plasma được duy trì trong nhiều lần giam cầm năng lượng (trên nguyên tắc là vô hạn) bởi sự làm nóng.
- Rõ ràng τ E càng lớn thì lò phản ứng nhiệt hạch có tổng công suất phát càng lớn.
- hiệu suất năng lượng được định nghĩa là Q = P nhiệt hạch / P nhiệt .
- Năng lượng nhiệt hạch deuterium-tritium sinh ra trong mỗi mét khối plasma ở một nhiệt độ và mật độ (mật độ năng lượng nhiệt hạch) cho trước có thể tính ra bằng tiết diện hiệu dụng nhiệt hạch đo được (tỉ lệ phản ứng đối với một va chạm nhiệt hạch cho trước).
- Trong ngưỡng nhiệt độ K, mật độ năng lượng nhiệt hạch xấp xỉ bằng 0,08p 2 MWm –3 , trong đó áp suất plasma, p, được đo theo atmosphere..
- Ở áp suất cao, năng lượng nhiệt hạch lớn và plasma hoàn toàn tự làm nóng (P nhiệt = 0 và Q.
- Việc làm nóng plasma từ bên ngoài (cung cấp P nhiệt ) làm giảm công suất toàn phần và làm phức tạp thêm đối với thiết kế lò phản ứng.
- Hiệu quả của một dụng cụ nhiệt hạch phụ thuộc vào trạng thái của plasma – đặc biệt là tích nhiệt hạch, pτ E , và nhiệt độ plasma, T.
- Trong ITER, áp suất plasma trung tâm sẽ đạt tới khoảng 7 atmosphere và thời gian giam cầm được kì vọng là trong ngưỡng 3,5 – 4 giây (lưu ý là plasma của ITER sẽ được duy trì trong hơn 400 giây – có lẽ là hàng nghìn giây).
- 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.
- ITER được kì vọng mang lại độ khuếch đại lớn hơn 10 – các lò phản ứng thương mại thì cần lớn.
- Câu hỏi kĩ thuật thách thức nhất mà cộng đồng nhiệt hạch phải đối mặt là xác định thời gian xem thời gian giam cầm là bao nhiêu và làm thế nào chúng ta có thể đảm bảo nó sẽ đạt tới 3,5 – 4 s.
- Chúng ta biết rằng sự tổn thất nhiệt từ các plasma giam cầm bằng từ được điều khiển bởi sự nhiễu loạn quy mô nhỏ.
- Tuy nhiên, kiến thức định tính của sự vận chuyển xoáy hỗn độn có thể thu được từ một lập luận đơn giản dựa trên đặc điểm của các sóng âm không bền tạo ra các cấu trúc xoáy đó.
- Thời gian giam cầm năng lượng của ITER được dự đoán theo hai cách: thứ nhất, bằng cách ngoại suy từ các máy móc hiện có sử dụng sự tỉ lệ theo lối kinh nghiệm.
- Những tiên đoán này được kì vọng là rất chính xác, với thời gian giam cầm trong ngưỡng 3,5 – 4 s.
- Tiên đoán này là cơ sở cho sự tin tưởng của chúng ta rằng ITER sẽ đạt tới chế độ plasma cháy tự làm nóng.
- Chúng ta có thể có một cảm nhận định tính cho sự ngoại suy trên sử dụng sự tỉ lệ kiểu quãng đường ngẫu nhiên đơn giản: JET thu được thời gian giam cầm τ E ~ 0,5–1 s và do đó ITER (đại thể to hơn gấp đôi, nóng hơn 30% và có từ trường lớn hơn chừng 30%) sẽ có thời gian giam cầm τ E ~ 4 s..
- Tuy nhiên, như mọi kĩ sư đều biết, việc xây dựng một nhà máy điện thương mại thường mất nhiều công sức hơn là chỉ đơn giản chứng minh một mẫu thiết kế có thể hoạt động trên các nguyên lí khoa học.
- Thật vậy, một số bộ phận của bất kì lò phản ứng nhiệt hạch tương lai nào – đặc biệt là các hệ nhân giống tritium từ lithium (phản ứng thứ hai trong hình 1) và biến đổi năng lượng neutron thành điện năng – cho đến nay vẫn chưa được kiểm tra ở bất kì quy mô nào.
- Các neutron sinh ra trong các phản ứng deuterium–.
- tritium, chúng mang bốn phần năm năng lượng nhiệt hạch, chưa được giam giữ bởi từ trường và do đó rời khỏi plasma và đi qua thành bao xung quanh.
- Lớp chăn đó chứa lithium, chúng hấp thụ neutron từ sự nhiệt hạch để nhân giống tritium (hình 1), sau đó cho tritium vào trong plasma làm nhiên liệu.
- và để tự cung cấp tritium, nó phải nhân giống lượng tritium nhiều hơn lượng do các phản ứng nhiệt hạch tiêu thụ.
- Các công nghệ chăn, cũng như thành bao, đang trở thành chủ đề chính của chương trình nhiệt hạch và sẽ tiêu biểu cho nhiều tính chất thông minh đi cùng với sự nhiệt hạch thương mại.
- Những công nghệ hệ lò phản ứng này là cần thiết cho một nền kinh tế nhiệt hạch trong tương lai – chúng ta không thể chờ đến các kết quả của ITER để bắt đầu phát triển chúng..
- Trong các điều kiện lò phản ứng tiêu biểu, các nguyên tử ở trong vài cm đầu tiên của thành bao đối mặt với plasma sẽ phải chuyển đi, hay thay thế, bởi sự bắn phá neutron hơn mười lần một năm.
- Thường thì đây sẽ là điềm lành nhưng đôi khi nó có thể làm cho cấu trúc yếu đi.
- Để giảm tối thiểu tác động môi trường của sự nhiệt hạch, các thành bao còn phải chế tạo bằng những nguyên tố không trở thành chất thải phóng xạ lâu năm sau khi bị bắn phá neutron năng lượng cao..
- Chúng ta không biết chắc chắn những vật liệu như vậy có tồn tại hay không, nhưng một vài vật liệu ứng cử viên triển vọng đã được đề xuất.
- Nhưng chúng ta vẫn không biết chắc chắn cho đến khi các mẫu được đưa vào một môi trường bức xạ neutron kiểu nhiệt hạch.
- Cơ sở Vật liệu Chiếu xạ Nhiệt hạch Quốc tế (IFMIF) là một nguồn neutron do máy gia tốc cung cấp đã được phát triển bởi cộng đồng nghiên cứu quốc tế để kiểm tra các mẫu nhỏ của các chất liệu có triển vọng.
- Phổ neutron của IFMIF sẽ bắt chước phổ neutron năng lượng cao của một lò phản ứng nhiệt hạch.
- Nếu, đúng như trông đợi, ITER tỏ ra thành công, thì sự phát triển lớp chăn có khả năng là hướng đi quan trọng cho sự nhiệt hạch.
- Nhưng chúng phải được kiểm tra ở năng lượng nhiệt hạch trọn vẹn trước khi chúng ta có thể đảm bảo một hệ thống hợp lí có giá trị thương mại.
- Vì thế, tôi tin rằng một “cơ sở thử nghiệm bộ phận” (CTF) có thể cung cấp dòng neutron ở mức lò phản ứng trên nhiều mét vuông là cần thiết để tăng tốc đáng kể sự phát triển của lớp chăn và các cấu trúc thành bao.
- Các đường sức từ nằm bám trên những bề mặt hình bánh rán – các mặt toroid.
- Trong hìn này, chúng ta có thể thấy hai bề mặt như vậy, sự nhiễu loạn giữa chúng và hai lát cắt bề mặt.
- Các đường sức đó không được thể hiện nhưng các thăng giáng kéo dài theo các đường sức từ và do đó có thể nhìn thấy là các vệt đỏ và lam dọc theo mặt toroid.
- Kết quả từ những dụng cụ này cho thấy tokamak cầu là một ứng cử viên lí tưởng cho một dụng cụ nhiệt hạch nhỏ gọn và linh hoạt – nghĩa là một ứng cử viên thích hợp cho một CTF.
- Những cơ sở này có thể kiểm tra toàn bộ các bộ phận của lớp chăn và thành bao ở công suất trọn vẹn trong nhiều năm.
- Nếu như MAST nâng cấp xác nhận tính khả thi của một CTF cầu, thì một CTF có thể sẽ được chế tạo trong những năm đầu trong quá trình hoạt động của ITER.
- Sự phát triển thành bao và lớp chăn trên CTF cùng với chương trình của ITER có thể cho phép xây dựng các lò phản ứng minh chứng đầu tiên vào thập niên 2030.
- Các chương trình quốc tế hiện nay không có kế hoạch xây dựng một CTF – nhưng chắc chắn nó sẽ là thiết yếu nếu chúng ta phổ biến sự nhiệt hạch thương mại khi cần thiết..
- Với những gì đã đạt được, điều dường như không thể tránh khỏi là ước mơ của Eddington cuối cùng sẽ trở thành hiện thực – nhưng mà khi nào? Mặc dù chúng ta không thể nói chắc chắn, nhưng đối với một thế giới đang đói khát năng lượng, thì sự rút ngắn thời gian đạt tới sự nhiệt hạch thương mại dù chỉ một thập niên thôi cũng có một sự tác động hết sức to lớn..
- Điện nhiệt hạch có triển vọng đặc biệt do sử dụng nhiên liệu trên thực tế là vô tận, không sản sinh carbon-dioxide, độ an toàn cao và sử dụng đất đai không đáng kể..
- Sự nhiệt hạch có điều khiển đã được hiện thực hóa vào thập niên 1990 bởi Joint European Torus (JET) và Lò phản ứng Thử nghiệm Nhiệt hạch Tokamak của Mĩ.
- JET cần nhiều năng lượng để chạy hơn năng lượng mà nó tạo ra – 25 MW công suất cấp cho plasma tạo ra 16 MW công suất nhiệt hạch.
- Chúng ta có thể đạt tới sự sản sinh điện năng toàn phần bằng cách xây dựng một lò phản ứng có thể chịu được chế độ plasma cháy nóng, trong đó các sản phẩm nhiệt hạchc d nhanh tự cấp nhiệt cho phản ứng, cho nên cần ít năng lượng vào hơn..
- Các mô phỏng và đo lường dự đoán rằng cơ sở ITER hiện đang xây dựng ở Pháp sẽ đạt tới chế độ này bởi việc có một plasma nhiệt hạch ít nhiễu loạn hơn và có thể tích lớn hơn – do đó gây ra nhiều phản ứng nhiệt hạch và thất thoát ít năng lượng hơn – so với các thiết bị tiền nhiệm của nó..
- Để đạt tới sự nhiệt hạch thương mại, một thành bao và “lớp chăn” cho lò phản ứng phải được xử lí kĩ thuật để có thể trụ vững trong nhiều năm chịu nhiệt và bức xạ mà không bị suy yếu..
- Steve Cowley, Trung tâm Năng lượng Nhiệt hạch Culham