|
 Nhiệt của Mặt trời và các ngôi sao trong vũ trụ bắt nguồn từ năng lượng sinh ra do phản ứng tổng hợp các hạt hay còn gọi là phản ứng hợp hạch (hoặc nhiệt hạch). Có lẽ không phải ai cũng biết rằng hành tinh Mặt trời có một lò phản ứng tổng hợp hạt nhân ở lõi. Dưới áp lực lớn với nhiệt độ 16 triệu °C, các hạt nhân nguyên tử hợp nhất và giải phóng năng lượng. Các nhà khoa học tính được mỗi giây có khoảng 4 tỷ tấn vật chất được biến thành ánh sáng mặt trời.
Liệu con người có thể ứng dụng phản ứng hợp hạch như đã ứng dụng phản ứng phân hạch nguyên tử hay không. Để trả lời câu hỏi ấy, các nhà khoa học cũng như các nhà hoạch định chính sách toàn cầu phải tập trung giải các bài toán phức tạp về công nghệ, hiệu quả đầu tư và khả năng phát triển bền vững đối với ứng dụng hợp hạch nguyên tử.
Chúng tôi tập trung trả lời câu hỏi về phản ứng hợp hạch, các điều kiện để phản ứng xảy ra, nhiên liệu và các thí nghiệm và ứng dụng đã và sẽ được thực hiện.
Phản ứng hợp hạch
Ngược lại với phản ứng hạt nhân (hay phân hạch nguyên tử), là quá trình bắn phá các nguyên tử, làm chúng bị tách ra thành những nguyên tử nhẹ hơn và giải phóng năng lượng, thì phản ứng hợp hạch là quá trình tổng hợp hạt nhân của các nguyên tử nhẹ dính kết với nhau để tạo thành nguyên tử nặng hơn và giải phóng lượng năng lượng. Hợp hạch nguyên tử được thử nghiệm thành công vào những năm 50 mặc dù trên lý thuyết đã được biết đến từ những năm 30 qua quá trình bức xạ tạo ra năng lượng khổng lồ của mặt trời và các vì sao khác. Các phản ứng hợp hạch cũng được biết đến như các phản ứng nhiệt hạch bởi nhiệt độ đòi hỏi lên tới hàng chục, hàng trăm triệu °C. Trong bom H (bom hydrogen hay bom khinh khí), sử dụng phản ứng hợp hạch, nhiệt độ này được tạo ra từ kíp nổ phân hạch. Phản ứng hợp hạch có hiệu suất cao hơn hẳn phản ứng phân hạch nguyên tử (?).
Năm 1952, Mỹ đã cho thử nghiệm quả bom H đầu tiên ở đảo Elugelab, Thái Bình Dương. sức công phá của quả bom H này mạnh hơn nhiều lần bom nguyên tử (bom A). Dài 8 mét, quả bom H có bí danh là Mike này có sức công phá tương đương 10,4 triệu tấn thuốc nổ TNT, bằng tổng sức mạnh của tất cả các quả bom mà quân đồng minh đã thả xuống trong Thế chiến thứ hai. Khi Mike nổ, nhiệt độ tại trung tâm của nó lớn gấp 1.000 lần nhiệt độ mặt trời. Hòn đảo Elugelab đã bị nóng chảy, chỉ còn sót lại duy nhất một miệng núi lửa ngầm nằm sâu dưới nước.
Phương trình E = mc2 biểu diễn tương quan giữa khối lượng và năng lượng. Trong phản ứng hợp hạch, một phần thế năng (mass energy) của chất phản ứng (reactant) biến đổi thành động năng của sản phẩm tạo ra. Năng lượng liên kết (binding energy) là năng lượng tương đương với chênh lệch khối lượng giữa một hạt nhân trọn vẹn và các thành phần của nó gồm các proton và neutron. Đối với năng lượng được giải thoát qua quá trình hợp hoặc phân hạch, các sản phẩm cần có năng lượng liên kết cho mỗi proton hoặc neutron cao hơn là cho chất phản ứng. Hợp hạch chỉ giải phóng năng lượng đối với các chất (nguyên tố ?) nhẹ, khác với phân hạch giải phóng năng lượng đối với các chất nặng.
Phản ứng hợp hạch xảy ra khi 2 hạt nhân tiến sát gần nhau khoảng 1.0E-15 m, làm cho lực hấp dẫn, thông qua sự tương tác mạnh còn lại giữa các hạt nhân, thắng lực đẩy điện tích giữa các proton. Hiện tượng này chỉ xảy ra khi các hạt nhân va chạm với động năng đủ mạnh. Các phản ứng hợp hạch quan trọng chỉ có đủ các hạt năng lượng ở nhiệt độ cực cao.
Ef = k*(mi-mf)*c2
Phản ứng năng lượng:
Phương trình này xuất phát từ phương trình E = mc2 của Einstein. Sự thay đổi trong năng lượng Ef của hệ thống tỷ lệ với chênh lệch khối lượng (mi-mf) giữa chất phản ứng và sản phẩm tạo ra.
. Ef = Năng lượng / mỗi phản ứng
. mi = tổng khối lượng ban đầu (các chất phản ứng)
. mf = tổng khối lượng cuối cùng (sản phẩm tạo ra)
. Hệ số chuyển đổi k = 1 trong các dơn vị SI, hoặc = 931.466 MeV/c2 trong các đơn vị tự nhiên.
Trên các vì sao với lực hấp dẫn lớn, hydrogen thông thường với hạt nhân chứa 1 proton đơn lẻ là nhiên liệu cho các phản ứng và được hợp nhất để tạo thành helium thông qua một chu kỳ phản ứng phức tạp (nucleosynthesis). Tuy nhiên, phản ứng này diễn ra quá chậm để có thể ứng dụng trên trái đất. Đồng vị deuterium và tritium của hydrogen có phản ứng hợp hạch nhanh hơn. Khí từ hỗn hợp các đồng vị hydrogen được đun nóng đến 100 triệu °C và được hãm ít nhất 0,1 giây. Hạt nhân của hai đồng vị hydro, deuterium (D) và tritium (T), va chạm và kết hợp tạo ra hạt nhân Heli (He) và bắn ra các hạt neutron (n) tự do với năng lượng cực lớn 17.6 MeV (2.8 pJ). [phương trình phản ứng: (D + T --> 4He(3.5 MeV) + n(14.1 MeV)].
Khi không có lực hấp dẫn lớn như trên Mặt trời, có thể tạo ra điều kiện hợp hạch trong tầm kiểm soát trên Trái đất bằng cách sử dụng lực từ (nam châm) để giữ nhiên liệu hợp hạch trong khi nung nóng nó bằng nhiều phương pháp.
Tốc độ phản ứng hợp hạch plasma = R * n1 * n2
n1,n2 = mật độ loại hạt phản ứng (hạt/m3)
R = hệ số tốc độ (m3/giây).
Nhân với Ef để xác định mật độ năng lượng hợp hạch.
Để tính tốc độ phản ứng, nhân hệ số tốc độ R với mật độ của 2 loại hạt phản ứng (chia đôi nếu chỉ có 1 loại để tránh tính gấp đôi khả năng phản ứng). Hệ số tốc độ phản ứng p + p => D trên mặt trời thấp hơn rất nhiều phản ứng với hỗn hợp deuterium và tritium vì phản ứng p + p diễn ra với tương tác nguyên tử yếu. Mặc dù mật độ hạt trên mặt trời là lớn, hệ số tốc độ phản ứng thấp có nghĩa là 1 proton trên mặt trời sẽ tồn tại hàng tỷ năm trước khi hợp nhất. Trong các lò phản ứng hợp hạch sử dụng từ trường, một deuteron chỉ tồn tại khoảng 100 giây.
Đối với các phản ứng hợp hạch liên tục và trong tầm kiểm soát, không thể dùng một quả bom phân hạch để kích nổ. Khó khăn của trung tâm hợp hạch được kiểm soát nằm trong việc giữ nhiên liệu hạt nhân ở nhiệt độ cực cao cần thiết cho quá trình hợp hạch trong một khoảng thời gian đủ dài để cho phép phản ứng diễn ra. Đối với phản ứng hợp hạch sử dụng đồng vị deuterium và tritium của hydro, thời gian này là 0,1 giây. Ở nhiệt độ này, nhiên liệu không còn ở trạng thái vật chất bình thường mà trở thành một lớp plasma (bị ion hóa) chứa hỗn hợp electron và nguyên tử mang điện tích (charged atoms). Cho đến nay, chưa có vật liệu nào có thể chứa được hỗn hợp cực nóng ấy. Vì vậy các thử nghiệm hầu hết dựa trên các thuộc tính điện và từ của plasma, sử dụng từ trường để tạo ra một bình chứa bằng từ (magnetic bottle). Một phương pháp khác là sử dụng chùm tia laser nhằm vào các “pellet” nhỏ bé của nhiên liệu hợp hạch.
Các phản ứng hợp hạch
Phản ứng hợp hạch mặt trời, chuỗi P-P
==================================
Chuỗi proton – proton là cơ chế hợp hạch phổ biến nhất trên mặt trời và các vì sao. 2 đôi proton hợp nhất tạo thành 2 deuteron. Mỗi deuteron hợp nhất với 1 proton tạo thành helium-3. Hai nguyên tử helium-3 lại hợp nhất tạo thành beryllium-6. Nguyên tử này không bền vững và phân hủy thành 2 proton và 1 hạt alpha (helium-4). Quá trình này cũng giải phóng 2 neutrino, 2 positron và các tia gamma. Các positron nhanh chóng bị triệt tiêu bởi các electron trong plasma, giải phóng thêm năng lượng dưới dạng các tia gamma. Các neutrino tương tác yếu đến độ chúng thoát khỏi mặt trời ngay tức khắc.
Phản ứng D – T [ D + T => He-4 + n ]
===============================
Phản ứng Diteurium – Tritium có tốc độ phản ứng cao nhất tại nhiệt độ của plasma hiện nay đã đạt được. Sản phẩm của phản ứng này gồm 1 hạt alpha (helium-4) với năng lượng 3.5 MeV, và 1 neutron với năng lượng 14.1 MeV. Neutron không mang điện tích thoát khỏi plasma và có thể được giữ lại bằng hệ thống nắp, vách và đường dẫn đặc biệt để tạo ra phản ứng [ n + Li-6 => He-4 + T ] nhằm biến neutron thu được lại thành tritium.
1 eV = 1.6022E-19 joules
Động nhiệt năng trung bình của hạt = 1 eV per 11,600 K.
Phản ứng hợp hạch được kiểm soát ứng dụng thành công sẽ tạo ra rất nhiều thuận lợi về mặt nguồn năng lượng so với phân hạch. Deuterium được tạo ra khá dễ dàng vì hydrogen có trong nước và có thể dễ dàng phân tách bởi điện phân, đơn giản hơn nhiều so với các phương pháp tách Uranium-235 phức tạp và đắt tiền.
Phản ứng hợp hạch dựa trên cơ sở hợp nhất các hạt nhân nhẹ như các đồng vị hydrogen (deuterium và tritium) để giải phóng năng lượng, giống như năng lượng của mặt trời và các vì sao.
Khó khăn nằm trong việc gắn và hợp nhất các nguyên tử hydro. Trên trái đất, việc này chỉ xảy ra với nhiệt độ trên 100 triệu°, hơn 6 lần nhiệt độ trung tâm mặt trời. Đây là một bài toán phức tạp nhưng không phải là không thể thực hiện. Ở nhiệt độ cao như vậy, nguyên tử khí bị tuột ra khỏi các electron bên ngoài, để lại hạt nhân mang điện tích dương. Đám khí này gọi là plasma; Do mang điện tích nên nó có thể chứa một từ trường bên trong, ngay cả ở nhiệt độ rất cao. Nhiệt độ đạt đến mức cần thiết sẽ tạo ra từ trường đủ mạnh và bắn ra tia hydrogen giàu neutron giúp hiện tượng hợp hạch có thể xảy ra.
Vì không thể có lực hấp dẫn lớn như trên mặt trời, người ta cần nhiệt độ tới hơn 100 triệu °C , dưới một áp lực đủ lớn để biến khối nhiên liệu deuterium và tritium thành plasma, tức là bị ion hoá. Các hạt plasma sẽ hợp nhất để tạo thành heli và các neutron tốc độ cao, đồng thời giải phóng một lượng năng lượng vô cùng lớn.
Nhiên liệu cho phản ứng hợp hạch
Hơn nữa, nguyên liệu cho các phản ứng hợp hạch là đồng vị hydrogen luôn có sẵn với khối lượng lớn. Thêm vào đó sẽ không có các sản phẩm phụ phóng xạ. Deuterium và tritium đều là đồng vị nặng của hydrogen (deuterium được rút ra từ nước, và tritium được sản xuất từ lithium, một kim loại nhẹ có ở khắp mọi nơi trên thế giới). Một kilogram nhiên liệu như vậy có thể sản ra năng lượng tương đương với 10.000 tấn nhiên liệu hoá thạch.
Deuterium
==========
General: Name: deuterium. symbol: 2H. Neutrons: 1. Protons: 1.
Nuclide Data: Natural abundance: 0.015%. Half-life: stable. Isotope mass: 2.01355321270 u. Spin: 1+
Excess energy: 13135.720 ± 0.001 keV. Binding energy: 2224.573 ± 0.002 keV. Atomic weight: 2.01355321270.
Deuterium được Harold Clayton Urey, giáo sư hóa của ĐH Columbia, phát hiện lần đầu tiên vào năm 1931. Urey đã đoạt giải Nobel 1934 với công trình này. Năm 1933, Gilbert Newton đã thành công trong việc tách mẫu đầu tiên ra khỏi nước nặng.
Deuterium, còn gọi là hydrogen nặng, là một đồng vị ổn định của hydrogen với tỷ lệ sẵn có trong tự nhiên 1/6500 so với hydro. Hạt nhân của deuterium, gọi là deuteron, chứa 1 proton và 1 neutron trong khi hạt nhân hydrogen bình thường chỉ có 1 proton.
Ký hiệu hóa học của deuterium là 2H. Tuy nhiên ký hiệu không chính thức D thường được sử dụng nhiều hơn. Deuterium xuất hiện trong tự nhiên dưới dạng khí deuterium, ký hiệu là 2H2 hoặc D2. Khi liên kết với một nguyên tử 1H điển hình, khí này được gọi là hydrogen deuteride.
Deuterium phản ứng gần như hydrogen bình thường. Tuy nhiên vì có khối lượng nguyên tử lớn hơn nên các phản ứng có deuterium tham gia có chiều hướng xảy ra chậm hơn so với các phản ứng với hydrogen thường. Hai chất đồng vị này có thể phân biệt vật lý bằng phương pháp mass spectroscopy (?).
Deuterium có thể thay thế hydrogen thường trong các phân tử nước tạo thành nước nặng (D2O). Mặc dù không gâp ngộ độc, nước nặng có thể gây ra bệnh tim.
Sự tồn tại của deuterium trên các vì sao là một dữ liệu rất quan trọng trong vũ trụ học. Hiện tượng hợp nhất các vì sao tiêu hủy deuterium và có những quá trình tự nhiên còn chưa được biết đến đã tạo ra deuterium. Đây là một trong những luận điểm làm thuyết Big Bang có sức thuyết phục hơn so với thuyết trạng thái không đổi của vũ trụ.
Nơi sản xuất deuterium nhiều nhất hiện nay là Canada, dưới dạng nước nặng điều tiết neutron cho hoạt động của lò phản ứng CANDU.
Tritium
=======
General: Name: tritium, triton. Symbol: 3H. Neutrons: 2. Protons: 1.
Nuclide Data: Natural abundance: trace. Half-life: 12.32 years. Decay products: helium-3. Isotope mass: 3.0160492 u. Spin: 1/2+. Excess energy: 14949.794 ± 0.001 keV. Binding energy: 8481.821 ± 0.004 keV.
Decay mode: Decay energy. Beta emission: 0.018590 MeV. Atomic weight: 3.0160492.
Tritium được Ernest Rutherford, Mark Oliphant và Paul Harteck tạo ra lần đầu từ deuterium năm 1934. Tuy nhiên việc phân tách thành công tritium do Luis Alvarez thực hiện, người đã cho thấy tính phóng xạ của chất này. W. F. Libby sau đó khám phá ra rằng tritium có thể được dùng để xác định niên đại.
Tritium có ký hiệu 3H nhưng thường được dùng dưới ký hiệu không chính thức T, là một đồng vị phóng xạ của hydro. Hạt nhân của tritium (đôi khi được gọi là triton) chứa 1 proton và 2 neutron so với chỉ 1 proton của hydrogen thường. Tritium tồn tại ở thể khí dưới nhiệt độ và áp suất thông thường. Tritium kết hợp với oxygen tạo thành một chất lỏng gọi là nước tritium (tritiated water?), ký hiệu T2O, hoặc nước tritium một phần THO, gần giống nước nặng.
Tritium là chất phóng xạ có chu kỳ nửa phân rã (half-life ?) ngắn, 12,32 năm. Nó phân rã thành helium-3 và giải phóng 18.6 keV năng lượng. Điện tử có động năng trung bình 6.5 keV, trong khi năng lượng còn lại bị các điện tích phản neutron (electron antineutrino) chiếm đoạt một cách chưa giải thích được. Bức xạ năng lượng thấp beta từ tritium không thể thẩm thấu qua da, vì vậy tritium chỉ nguy hiểm qua đường hô hấp hoặc tiêu hóa.
Tritium xuất hiện trong tự nhiên do các tia vũ trụ tác dụng với khí quyển. Phản ứng quan trọng nhất để tạo ra tritium tự nhiên là khi một neutron nhanh tác dụng với nitrogen trong khí quyển.
Tuy nhiên, vì có chu kỳ nửa phân rã ngắn, tritium được tạo ra theo cách này không tích lũy qua các giai đoạn địa chất và trữ lượng tự nhiên vì thế mà rất không đáng kể. Tritium nhân tạo được sản xuất trong các lò phản ứng hạt nhân qua việc làm phóng xạ / hoạt hóa neutron lithium-6.
Bên cạnh đó, tritium cũng được tạo ra từ các lò phản ứng điều tiết bằng nước nặng (heavy water-moderated reactors) khi deuterium nhận thêm 1 neutron. Phản ứng này có “cross section” cực nhỏ nên chỉ được coi là nguồn cung cấp tritium đáng kể với một dòng neutron thật lớn.
Tritium được biết đến nhiều trong nghiên cứu hợp hạch nguyên tử vì nó có phản ứng thuận lợi “cross section” và hiệu suất năng lượng cao (17.6 MeV) trong phản ứng với deuterium.
Mọi hạt nhân nguyên tử, cấu thành bởi các proton và neutron, đẩy nhau bởi điện tích dương. Tuy nhiên, khi nguyên tử đạt đến một nhiệt độ và áp lực vừa đủ (như trong tâm Mặt trời), sự vận động ngẫu nhiên của chúng có thể vượt qua lực đẩy điện tích nói trên và tiến lại gần nhau đủ cho lực hạt nhân làm chúng hợp nhất thành một nguyên tử nặng hơn. Vì tritium có cùng điện tích với hydrogen, nó cũng có một lực đẩy điện tích tương tự. Tuy nhiên, do khối lượng nặng hơn hydrogen, nó ít bị tác dụng bởi lực đẩy này và vì thế dễ hợp nhất với các nguyên tử khác hơn. Tương tự đối với deuterium. Đây cũng là lý do vì sao nhiều ngôi sao không thể đốt cháy hydrogen mà thay vào đó là deuterium.
Trữ lượng tritium trên thế giới, trước khi các vụ thử nghiệm vũ khí hạt nhân (atmospheric nuclear weapons tests) bị phản đối, ước tính khoảng c. 80 megacuries (MCi).
Giống như hydrogen, rất khó chứa tritium vì nó có thể thấm qua cao su, nhựa hay thậm chí một số loại thép. Ngoài ra cũng cần chú ý nếu tritium được sử dụng với khối lượng lớn, nhất là trong các lò phản ứng hợp hạch, nó có thể gây ra ô nhiễm phóng xạ.
Tokamak
Phản ứng nhiệt hạch dựa trên cơ sở hợp nhất các hạt nhân nhẹ như các đồng vị hydro (deuterium v à tritium) để giải phóng năng lượng, giống như năng lượng của mặt trời và các vì sao. Khí từ hỗn hợp các đồng vị hydro được đun nóng đến 100 triệu °C và được hãm ít nhất 1 giây. Hạt nhân của hai đồng vị hydro, deuterium (D) và tritium (T), va chạm và kết hợp tạo ra hạt nhân Heli (He) và bắn ra các hạt neutron (n) tự do với năng lượng cực lớn 17.6 MeV (2.8 pJ). [phương trình phản ứng: (D + T --> 4He(3.5 MeV) + n(14.1 MeV)]. Thu và biến đổi năng lượng từ các hạt neutron này thành nhiệt sẽ tạo ra nguồn năng lượng điện dồi dào trong tương lai.
Khó khăn nằm trong việc gắn và hợp nhất các nguyên tử hydro. Trên trái đất, việc này chỉ xảy ra với nhiệt độ trên 100 triệu°, hơn 6 lần nhiệt độ trung tâm mặt trời. Đây là một bài toán phức tạp nhưng không phải là không thể thực hiện. Ở nhiệt độ cao như vậy, nguyên tử khí bị tuột ra khỏi các electron bên ngoài, để lại hạt nhân mang điện tích dương. Đám khí này gọi là plasma; Do mang điện tích nên nó có thể chứa một từ trường bên trong, ngay cả ở nhiệt độ rất cao. Nhiệt độ đạt đến mức cần thiết sẽ tạo ra từ trường đủ mạnh và bắn ra tia hydro giàu neutron giúp hiện tượng nhiệt hạch có thể xảy ra.
Tokamak là một loại máy sản sinh ra từ trường hình xuyến (toroidal) để chứa plasma. Mặc dù có một số thiết bị chứa plasma khác, tokamak vẫn được coi là ứng cử viên số một trong việc tạo năng lượng hợp hạch. Cái tên tokamak được chuyển ngữ từ thuật ngữ tiếng Nga “Токамак” xuất phát từ cụm từ “тороидальная камера в магнитных катушках” – bình chứa từ hình xuyến (toroidal chamber in magnetic coils), một phát minh của Igor Yevgenyevich Tamm và Andrei Sakharov những năm 1950.
Thiết bị gây ra phản ứng tạo năng lượng của mặt trời và năng lượng được tạo ra lớn hơn năng lượng tiêu thụ. Vướng mắc là các cỗ máy với tên gọi tokamak này sử dụng tới hạn hiện nay của vật lý nguyên tử và cực kỳ đắt tiền. Sẽ còn cần vài thập kỷ cho các thí nghiệm tốn kém khác trước khi thiết bị phản ứng nhiệt hạch có thể tạo ra điện thương phẩm.
Đặc trưng của tokamak là tính đối xứng quay (hay đối xứng phương vị) và việc sử dụng dòng plasma để tạo ra cấu tạo xoắn ốc của từ trường cần thiết cho cân bằng ổn định (the use of the plasma current to generate the helical component of the magnetic field necessary for stable equilibrium). Không giống với stellarator, một thiết bị chứa từ hình xuyến (toroidal magnetic confinement) khác có hệ đối xứng quay riêng rẻ / rời rạc (discrete) trong đó tất cả từ trường được tạo ra từ cuộn dây bên ngoài với một dòng điện cực nhỏ / không đáng kể (negligible) chạy qua plasma.
Hình dạng đặc biệt của lò phản ứng hợp hạch nhằm tạo ra từ trường càng đều càng tốt. Hình xuyến có tính chất hình học mà các hình dạng khác, như hình cầu chẳng hạn, không có. Vấn đề ở đây liên quan tới định lý “hairy ball” (?). Tưởng tượng một hình cầu có tóc mọc xung quanh, tương tự như các đường từ trường / đường sức từ (magnetic field lines) trong lò phản ứng hợp hạch. Người ta thấy rằng không thể chải tóc trên quả cầu mà không làm cho tóc dựng đứng lên / mắc vào nhau (stick up). Hiện tượng này (A strand of hair that is standing on end) tạo ra sự bất ổn trong lò phản ứng. Một hình xuyến “có tóc” giải quyết được vấn đề này, giúp cho việc điều chỉnh từ trường tránh các trường hợp sai quy luật, cho phép từ trường chứa plasma tốt hơn.
Một hệ quả lý thú của định lý “hairy ball”: nếu coi trái đất có hình cầu, mỗi điểm trên bề mặt trái đất sẽ có một hướng gió riêng. Từ đó cho thấy sẽ luôn có 1 nơi mà không khí ở đó đứng yên.
Trong vật lý, từ trường là một thực thể được sản sinh do các vật mang điện (các dòng điện) di động sử dụng lực trên các vật mang điện di động khác. Sự xoắn theo cơ chế lượng tử (quantum-mechanical spin) của một hạt tạo ra từ trường và bị từ trường này tác động như thể nó là một dòng điện (acted on by them as though it were a current). Điều này giải thích các từ trường được tạo ra từ sắt từ vĩnh cửu / nam châm vĩnh cửu (permanent ferromagnets). Từ trường là một trường vector (vector field): nó kết hợp với mọi điểm trong không gian tạo thành 1 vector có thể thay đổi theo thời gian. Hướng của trường vector này là hướng cân bằng của kim la bàn đặt trong trường.
Các thí nghiệm về hợp hạch nguyên tử
Joint European Torus
===================
JET, the Joint European Torus, is a tokamak and is the largest nuclear fusion reactor yet built.
Máy tokamak JET (Joint European Torus) là lò phản ứng nguyên tử lớn nhất đã được xây dựng từ trước đến nay. JET được khởi công từ năm 1978 trên nền một sân bay cũ gần Culham, Oxfordshire, Anh quốc. Các thí nghiệm đầu tiên được thực hiện vào năm 1983.
JET được trang bị thiết bị điều khiển từ xa nhằm tránh phóng xạ sinh ra từ nguyên liệu hỗn hợp Deuterium-Tritium, nguyên liệu được đề xuất sử dụng cho thế hệ nhà máy năng lượng hợp hạch đầu tiên. Trong khi ITER đang được xây dựng, JET vẫn được coi là lò phản ứng hợp hạch lớn duy nhất đang sử dụng nguyên liệu hỗn hợp này.
Năm 1997, JET đã sinh ra mức năng lượng hợp hạch tới 16MW, bằng kỷ lục mới đây của năm 2004. Một thí nghiệm tương tự thu được giá trị Q=~0.7 với Q là tỷ lệ giữa năng lượng hợp hạch trên năng lượng sử dụng đầu vào. Phản ứng hợp hạch nguyên tử tự phát (self-sustaining) cần giá trị Q>1.
Cuối năm 1999, Cơ quan năng lượng nguyên tử Anh quốc UKAEA (United Kingdom Atomic Energy Authority) thay mặt cho các đối tác châu Âu đảm nhận trách nhiệm về JET. (The experimental programme is as of 2000 being co-ordinated by the European Fusion Development Agreement (EFDA) Close Support Unit).
JET hoạt động cao độ nhất là vào năm 2006 với các thí nghiệm sử dụng lượng nhỏ tritium. Từ 2004 đến nay, JET gần như đóng cửa cho một loạt nâng cấp nhằm tăng nhiệt năng có thể tạo ra lên tới 40 MW, tạo điều kiện cho các nghiên cứu liên quan đến việc phát triển ITER. JET-EP đời mới (Enhanced Performance) sẽ có khả năng tăng kỷ lục cho năng lượng hợp hạch.
JT-60
=====
JT-60 (Japan Torus – 60) là công trình mũi nhọn của chương trình hợp hạch từ tính (magnetic fusion program) Nhật Bản, do Viên Nghiên cứu năng lượng nguyên tử Nhật Bản JAERI (Japan Atomic Energy Research Institute) thực hiện trong khu nghiên cứu hợp hạch Naka tại Ibaraki. JT-60 đang giữ kỷ lục về nhiệt độ của ion lên tới 520 MK. JT-60 là một cỗ máy tokamak đặc thù, giống như JET.
Theo Naoyuki Miya, giám đốc JT-60 của khu nghiên cứu năng lượng nhiệt hạch Naka, thiết bị trị giá 2 tỷ usd của họ ở 520 triệu °C đã tạo ra năng lượng nhiều hơn 25% mức tiêu thụ mối phút. Bước tiến vượt bậc này đã thuyết phục được những người còn hoài nghi về tính khả thi của năng lượng nhiệt hạch. Những người ủng hộ đang đưa sự tăng liên tục của giá dầu, môi trường ngày càng ô nhiễm, nguy cơ leo thang hạt nhân làm luận cứ thúc đẩy việc thiết kế một hệ thống Iter lớn hơn, mạnh hơn ngay lập tức để đặt nền móng sự phát triển toàn diện các nhà máy năng lượng nhiệt hạch.
ITER
=====
ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor) là một chương trình thí nghiệm tokamak quốc tế dự định đặt tại Pháp. Lò phản ứng ITER được thiết kế để chứng tỏ tính khả thi xét trên phương diện khoa học cũng như kỹ thuật của một lò phản ứng năng lượng hợp hạch hoàn chỉnh, dựa trên các nghiên cứu đã được thực hiện với các thiết bị TFTR, JET, JT-60, và T-15, nhưng với quy mô lớn nhất từ trước đến nay. Chương trình được dự tính kéo dài trong 30 năm, gồm 10 năm xây dựng và 20 năm hoạt động, với chi phí ước tính khoảng 10 tỷ euro. Sau nhiều năm cân nhắc, vào tháng 5/2005, ITER được xác định xây dựng tại Cadarache, France. Cái tên ITER theo tiếng Latin có nghĩa là “con đường”, thể hiện ý nghĩa của công trình như một con đường khai thác hợp hạch nguyên tử như một nguồn năng lượng ổn định.
Nếu được xây dựng, Iter sẽ là một kỳ tích kỹ thuật đầy ấn tượng. Với quy mô lớn hơn rất nhiều các thiết bị tokamak hiện có, Iter sẽ là cỗ máy đầu tiên được thiết kế nhằm tạo ra năng lượng nhiệt hạch. Ở mức tối đa, nó có thể ngốn tới 110MW năng lượng từ lưới điện, tức là khoảng 10% sản lượng của một nhà máy điện cỡ vừa. Ống chân không nằm ở giữa thiết bị có đường kính khoảng 25m, cao 11m và nặng gần 9 ngàn tấn. Để hoạt động, 31 viên nam châm siêu dẫn, nặng 750 tấn mỗi viên, sẽ được làm lạnh tới -269° (dưới 0) chỉ trên 4° so với 0 tuyệt đối. Trong khi đó, cách đó chỉ 2m, plasma sẽ được đốt ở 100triệu°. Việc duy trì nhiệt độ sẽ là một thách thức lớn, theo Ken Tomabechi, trưởng nhóm thiết kế Iter. Tất cả các khâu đều rất tốn kém về tiền bạc và thời gian. Iter sẽ được xây dựng trong 10 năm với chi phí khoảng 5 tỷ usd. Chí phí hoạt động cho dự án 20 năm này cũng sẽ lên tới khoảng chừng ấy.
START
======
START (Small Tight Aspect Ratio Tokamak) là thí nghiệm hợp hạch nguyên tử sử dụng máy tokamak bắt đầu từ năm 1991 tại Trung tâm khoa học Culham (Culham Science Centre), Anh quốc và kết thúc năm 1998 trước khi được tháo gỡ và chuyển tới Phòng thí nghiệm ENEA tại Frascati, Italy. Nhóm nghiên cứu START sau đó thực hiện thí nghiệm hợp hạch MAST cho đến nay.
START giữ kỷ lục cao nhất về áp lực plasma, thu được bằng cách sử dụng súng bắn tia trung tính (neutral beam injector) làm nóng plasma. START được thiết kế với chi phí thấp, hầu như lắp ráp từ các linh kiện mà các thành viên của nhóm nghiên cứu đã có sẵn. Máy tokamak được thay đổi từ hình xuyên thành hình gần như hình cầu nhằm giảm chi phí so với thiết kế thông thường, trong khi từ trường để duy trì plasma ổn định là hệ số của … (factor of 10 less).
MAST
=====
MAST (Mega Ampere Spherical Tokamak) là thí nghiệm hợp hạch nguyên tử thực hiện tại Trung tâm khoa học Culham, Anh quốc, từ năm 1999, tiếp theo các thành công của thí nghiệm START (1991 – 1998). MAST cũng sử dụng thiết kế tokamak hình cầu cải tiến như START. Hoạt động của MAST đã vượt quá cả những dự đoán lạc quan nhất, chứng thực cho các kết quả đã đạt được trước đó của START với thí nghiệm lớn hơn và cso mục đích cụ thể.
Được thực hiện dưới sự chỉ đạo của EURATOM/UKAEA, MAST, mất 2 năm thiết kế và 2 năm xây dựng, gồm một súng bắn tia trung tính (neutral beam injector) và sử dụng kỹ thuật nén hợp nhất (merging compression technique) giống START thay cho kỹ thuật cảm ứng trực tiếp thông thường (conventional direct induction).
Kỹ thuật nén hợp nhất (merging compression) cho phép tiết kiệm central solenoid flux, có thể được dùng để tăng dòng plasma và/hoặc duy trì dòng điện cần thiết (required current flat-top). Mục tiêu của MAST là hiểu rõ cơ chế của tokamak, cải thiện thiết kế cho ITER hay hiệu quả của hình dạng plasma.
Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL)
=======================================
Phòng thí nghiệm vật lý Plasma Princeton PPPL (Princeton Plasma Physics Laboratory) là phòng thí nghiệm thuộc Cục năng lượng quốc gia Mỹ (United States Department of Energy national) nghiên cứu về vật lý plasma và khoa học hợp hạch năng lượng đặt phía bắc khu Đại học Princeton, New Jersey. Nhiệm vụ chính của PPPL là phát triển các hiểu biết khoa học và đổi mới (innovation) then chốt có thể dẫn tới một nguồn năng lượng hợp hạch khai thác được.
Nghiên cứu về hợp hạch tại Priceton bắt đầu từ năm 1951 với Dự án Matterhorn. Giáo sư vũ trụ học Lyman Spitzer Jr đã có nhiều năm nghiên cứu các chất khí loãng cực nóng trong không gian giữa các vì sao (interstellar).
Trong 3 thập kỷ qua, PPPL luôn đi đầu trong các thí nghiệm với tokamak, đặc biệt là với TFTR (Tokamak Fusion Test Reactor). TFTR hoạt động tại PPPL từ 1982 đến 1997, là thiết bị đầu tiên sử dụng hỗn hợp deuterium-tritium với tỷ lệ 1:1, thu được năng lượng 10,7 MW, vượt quá mức dự đoán ban đầu.
Các nhà nghiên cứu của PPPL hiện nay đang tập trung vào một thiết bị hợp hạch cấp độ cao hơn với thí nghiệm NSTE (National Spherical Torus Experiment) và đang phát triển các công thức mới trên cơ sở hợp tác với các viện nghiên cứu khác trong và ngoài nước. Rất nhiều kiến thức cả lý thuyết và thực nghiệm đã được áp dụng trong nghiên cứu hợp hạch ví dụ từ khoa học vật liệu, từ vật lý mặt trời, từ hóa học và từ sản xuất.
Trịnh Minh Giang
VnGG | 2005
|
