TỔNG HỢP HẠT NHÂN

 

 

 

 

TỔNG HỢP HẠT NHÂN

 (NUCLEAR FUSION )

 

 

 

 

 

Các nhà vật lý hạt nhân đã tiến đến gần thời điểm có thể chế ngự một năng lượng sạch hầu như vô tận : năng lượng tổng hợp nhiệt hạch (fusion thermonucleaire –tổng hợp hai hạt nhân nguyên tử ) trong một tương lai gần 2030-2035.

Mục tiêu của tổng hợp hạt nhân : giải quyết vấn đề biến đổi khí hậu và bảo đảm tương lai năng lượng cho nhân loại bền vững đấy đủ trong nhiều triệu năm.

 

NGUYÊN LÝ

 

Sau đây là một phản ứng tổng hợp hạt nhân :

 Hình 1. Phản ứng tổng hợp hạt nhân cho ta năng lượng

 

 H2(deuterium)+H3 (tritium) à H4 (Helium4) + n (neutron)

Phản ứng trên viết lại theo ký hiệu thường dùng :

 

 

²₁D+³₁T à ⁴₂ He (3,5 MeV)+n (14,1 Mev).

 

Vậy nếu thực hiên được phản ứng tổng hợp thì chúng ta thu được năng lương.

Phản ứng trên thông dụng trong nghiên cứu , công nghệ và quân sự . Deuterium và tritium là nguyên tố đồng vị tự nhiên của hydrogen .

 

Muốn có được tổng hợp hạt nhân phải làm xích gần hai hạt nhân ban đầu đến khoảng ~ 10 ^-14 m để vượt qua hàng rào Coulomb. Vậy phải có nhiệt độ rất cao (tương đương hoặc cao hơn nhiệt độ trên mặt trời à khoảng  150.000.000 degrees Celsius—10 lần lớn hơn trong các phản ứng H trên mặt trời ).

 

 

Ở nhiệt độ cao như vậy (~ hàng nghìn triệu độ)  thì hệ biến thành plasma –mọi nguyên tử đều bị ion hóa.Người ta vì thế gọi đây là phản ứng nhiệt hạch.

Vì nhiệt độ rất cao nên không có thành bình nào chịu nổi ,người ta phải dùng từ trường để giam giữ plasma.Phản ứng nhiệt hạch là cơ sở để chế tạo bom khinh khí 1 (November 1952,  Ivy Mike hydrogen bomb test) và đồng thời cũng là cơ sở để xây dựng lò phản ứng nhiệt hạch.Tổng hợp hạt nhân giải phóng 17,59 MeV (xem hình 1), năng lượng nhiều triệu lần lớn hơn năng lương cung cấp bởi các phản ứng sử dụng carbon .Nhiên liệu cho tổng hợp hạt nhân (đồng vị H ) chứa trong nước các đại dương vì thế xem như vô tận.Tổng hợp hạt nhân cho nhiều năng lượng hơn phân hạch hạt nhân và các phản ứng hóa học.

 

 

 

 

 

 

             Hình 2.Tổng hợp hạt nhân cung cấp nhiều năng lượng hơn tất cả

 

 

Sau đây là một số lò phản ứng nhiệt hạch phân bố trên thế giới.

 

1      /  TOKAMAK 9 (ITER)

Tokamak” ( các chữ cái đầu của tiếng Nga) тороидальная камера c магнитными катушками,Toroidalnaia kamera s magnitnymi katushkami-buồng với các cuộn từ dạng xoáy). ITER,=International Thermonuclear Experimental Reactor.

Các tokamak xây dựng trên ý tưởng của  Igor Tamm và Andrei Sakharov, và  Oleg Lavrentiev . Có 35 nước tham gia (TQ, Ấn độ , Mỹ, UE,…), Saint-Paul-Lez-Durance (Pháp). 

Trong tokamak một plasma đồng vị H (nung đến 150 độ Celsius ) bị giam cầm trong một từ trường dạng vành đai (tore).ITER gồm 24 nam châm siêu dẫn (mỗi nam châm 300 tấn).

 

 

                                     Hình 3. Tokamak

2 / Greifswall – Đức , Helicoidal Wendelstein 7-X

 

3 / NIF-sử dụng laser.Địa điểm LIVERMORE (Californie)

 

4 /  MagLif àmachine Z (Albuquerque-Mỹ)

5 /  Máy nén (Burnaby-CANADA)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Hình 4  . Phân bố các máy nghiên cứu tổng hợp hạt nhân trên thế giới

 

 

Nguyên lý hoạt động

 

 

Nói chung nguyên lý hoạt động các máy vừa kể trên là tương tự : giam giữ một hệ khó bị giam giữ là plasma bằng từ trường , để thực hiện nguyên lý trên người ta có thể dùng những công nghệ  khác nhau (giam cầm từ trường-confinement magnetique, từ trường quán tính-magneto-inertiel, nén-compression). Có thể phân biệt các công nghệ qua mật độ trung bình của plasma theo hình 5 :

 

 

 

  

          Hình 5. Minh họa các công nghệ qua hình dáng từ trường và mật độ plasma

 

Các công nghệ (theo hình dáng từ trường và mật độ plasma – hình 5)

 

1 / Giam cầm từ trường (Confinement magnétique) : giam cầm  plasma vào giữa một từ trường mạnh có dạng của một hình xuyến (tore),các yếu tố đóng góp nhiệt độ ([2] trang 456): nhiệt trở kháng (resistive heating) từ dòng điện chảy trong plasma ,các nguyên tử nhiên liệu trung hòa (được bắn vào) tương tác với plasma và cảm ứng RF (radio-frequency) nhiệt của plasma (như trong lò vi sóng ) .

2 /  Từ trường quán tính (Magneto-inertiel) : tạo mật độ lớn trong một thời gian ngắn bằng cách bắn đối tượng nhiên liệu bằng laser siêu mạnh : phương pháp này gọi là giam cầm từ-quán tính.

3  / Nén (Compression) :  một plasma  bọc trong một từ trường được nén bởi một hệ thống piston.

 

 

 

KHÓ KHĂN CHỦ YẾU

 

Khó khăn chủ yếu là tạo ra được plasma với nhiệt độ cao T,mật độ nhất định plasma , lưu giữ được plasma đó trong thời gian nhất định  sao cho tích của 3 thừa số đó vượt một ngưỡng nhất định để tổng hợp hạt nhân có thể xảy ra . Đó  là tiêu chí Lawson (theo tên nhà vật lý người Anh J.D. Lawson ) cho tổng hợp hạt nhân. Muốn tạo được phản ứng tỏng hợp cần có điều kiện :

 

 

Hiện nay nhiều lò phản ứng đã thỏa mãn tiêu chí Lawson.

 

 

 

Những chuyên môn cần thiết ở đây là : từ-thủy động học magneto-hydro dynamics và trí khôn nhân tạo (AI) trong điều khiển .

 

KẾT LUẬN

 

Phương hướng tổng hợp nhiệt hạch hiện nay đang phát triển mạnh làm hé mở một phương pháp tạo năng lượng vô cùng tận (cung cấp năng lượng cho nhân loại nhiều triệu năm ), không gây khí nhà kính , giải quyết vấn đề biến đồi khí hậu. Nhiều vấn đề công nghệ phức tạp cần phải tiếp tục hoàn thành để biến tổng hợp hạt nhân thành công nghiệp thị trường.

Với quy mô và tốc độ phát triển hiện nay chúng ta có thể chờ đợi không lâu (~2030-2035) để chế ngự một năng lượng có một không hai cho loài người-năng lượng tổng hợp hạt nhân.

 

TÀI LIỆU THAM KHẢO

 

[1] Vincent Nouyrigat,Fusion-Enfin les première  étincelles,Science et vie số tháng 2 / 2020, trang 58

[2] Stephen T. Thornton & Andrew Rex, Modern Physics ,Saunders College Publishing

[3] Cao Chi ,Vật lý hiện đại ,tập 2,NXB Tri Thức , 2015