Các nhà khoa học phá vỡ kỷ lục về lượng năng lượng được tạo ra trong một phản ứng nhiệt hạch được kiểm soát, duy trì

Phản ứng tổng hợp hạt nhân đạt được một cột mốc quan trọng nhờ vào các bức tường của lò phản ứng tốt hơn – tiến bộ kỹ thuật này đang hướng tới các lò phản ứng của tương lai.

Các nhà khoa học tại một phòng thí nghiệm ở Anh đã phá vỡ kỷ lục về lượng năng lượng được tạo ra trong một phản ứng nhiệt hạch có kiểm soát và duy trì. Việc tạo ra 59 megajoules năng lượng trong vòng 5 giây tại thí nghiệm Joint European Torus – hay JET – ở Anh đã được một số hãng tin gọi là “một bước đột phá” và gây ra rất nhiều sự phấn khích trong giới vật lý. Nhưng một dòng phổ biến liên quan đến sản xuất điện nhiệt hạch là nó ” luôn luôn cách xa 20 năm .”

Chúng tôi là một nhà vật lý hạt nhân và một kỹ sư hạt nhân , người nghiên cứu cách phát triển phản ứng tổng hợp hạt nhân có kiểm soát nhằm mục đích tạo ra điện.

Kết quả JET cho thấy những tiến bộ đáng kể trong sự hiểu biết về vật lý của phản ứng tổng hợp. Nhưng quan trọng không kém, nó cho thấy rằng các vật liệu mới được sử dụng để xây dựng các bức tường bên trong của lò phản ứng nhiệt hạch đã hoạt động như dự kiến. Thực tế là việc xây dựng bức tường mới đã hoạt động tốt như nó đã làm là điều ngăn cách những kết quả này với các cột mốc quan trọng trước đó và nâng tổng hợp từ tính từ một giấc mơ thành hiện thực.

Hợp nhất các hạt với nhau

Phản ứng tổng hợp hạt nhân là sự hợp nhất của hai hạt nhân nguyên tử thành một hạt nhân hợp chất. Hạt nhân này sau đó sẽ vỡ ra và giải phóng năng lượng dưới dạng các nguyên tử và hạt mới có tốc độ ra khỏi phản ứng. Một nhà máy điện nhiệt hạch sẽ thu giữ các hạt thoát ra ngoài và sử dụng năng lượng của chúng để tạo ra điện.

Có một số cách khác nhau để kiểm soát phản ứng tổng hợp trên Trái đất một cách an toàn . Nghiên cứu của chúng tôi tập trung vào phương pháp do JET thực hiện – sử dụng từ trường mạnh để giam giữ các nguyên tử cho đến khi chúng được nung nóng đến nhiệt độ đủ cao để chúng hợp nhất.

Nhiên liệu cho các lò phản ứng hiện tại và tương lai là hai đồng vị khác nhau của hydro – nghĩa là chúng có một proton, nhưng số lượng neutron khác nhau – được gọi là đơteri và triti . Hydro bình thường có một proton và không có neutron trong hạt nhân của nó. Deuterium có một proton và một neutron trong khi tritium có một proton và hai neutron.

Để phản ứng nhiệt hạch thành công, trước tiên các nguyên tử nhiên liệu phải trở nên nóng đến mức các electron bứt ra khỏi hạt nhân. Điều này tạo rahuyết tương– tập hợp các ion dương và electron. Sau đó, bạn cần phải tiếp tục làm nóng plasma đó cho đến khi nó đạt đến nhiệt độ trên 200 triệu độđộ F(100 triệuĐộ C). Huyết tương này sau đó phải được giữ trong một không gian hạn chế ở mật độ cao trong một khoảng thời gian đủ dài đểcác nguyên tử nhiên liệu va chạm vào nhau và hợp nhất với nhau.

Để kiểm soát phản ứng tổng hợp trên Trái đất, các nhà nghiên cứu đã phát triển các thiết bị hình bánh rán – được gọi là tokama – sử dụng từ trường để chứa plasma. Các đường sức từ bao quanh bên trong chiếc bánh donut hoạt động giống như đường ray xe lửa mà các ion và electron đi theo . Bằng cách tiêm năng lượng vào plasma và làm nóng nó, có thể tăng tốc các hạt nhiên liệu đến tốc độ cao đến mức khi chúng va chạm, thay vì bật ra khỏi nhau, các hạt nhân nhiên liệu sẽ hợp nhất với nhau. Khi điều này xảy ra, chúng giải phóng năng lượng, chủ yếu ở dạng neutron chuyển động nhanh .

Trong quá trình nhiệt hạch, các hạt nhiên liệu dần dần trôi ra khỏi lõi nóng, đặc và cuối cùng va chạm với thành bên trong của bình nhiệt hạch. Để ngăn các bức tường xuống cấp do những va chạm này – do đó cũng làm ô nhiễm nhiên liệu nhiệt hạch – các lò phản ứng được xây dựng để chúng chuyển các hạt hướng về phía một buồng bọc thép nặng được gọi là bộ phân kỳ. Điều này bơm ra các hạt chuyển hướng và loại bỏ bất kỳ nhiệt dư thừa nào để bảo vệ tokamak.

Các bức tường là quan trọng

Một hạn chế lớn của các lò phản ứng trong quá khứ là thực tế là các lò phản ứng chuyển hướng không thể sống sót sau cuộc bắn phá liên tục của các hạt trong hơn một vài giây. Để làm cho năng lượng nhiệt hạch hoạt động thương mại, các kỹ sư cần chế tạo một tàu tokamak có thể tồn tại trong nhiều năm sử dụng trong các điều kiện cần thiết cho nhiệt hạch.

Bức tường bộ phân kỳ là yếu tố được xem xét đầu tiên. Mặc dù các hạt nhiên liệu mát hơn nhiều khi đến bộ phân kỳ, nhưng chúng vẫn có đủ năng lượng để đánh bật các nguyên tử ra khỏi vật liệu thành của bộ phân kỳ khi chúng va chạm với nó . Trước đây, bộ chuyển hướng của JET có thành làm bằng than chì, nhưng than chì hấp thụ và giữ lại quá nhiều nhiên liệu cho mục đích sử dụng thực tế .

Khoảng năm 2011, các kỹ sư tại JET đã nâng cấp bộ phân kỳ và thành bình bên trong thành vonfram. Vonfram được chọn một phần vì nó có nhiệt độ nóng chảy cao nhất so với bất kỳ kim loại nào – một đặc điểm cực kỳ quan trọng khi bộ phân kỳ có khả năng chịu tải nhiệt cao hơn gần 10 lần so với hình nón mũi của tàu con thoi quay lại bầu khí quyển Trái đất. Thành bình bên trong của tokamak đã được nâng cấp từ than chì thành berili. Berili có các đặc tính nhiệt và cơ học tuyệt vời cho lò phản ứng nhiệt hạch – nó hấp thụ ít nhiên liệu hơn than chì nhưng vẫn có thể chịu được nhiệt độ cao .

Năng lượng mà JET tạo ra là thứ đã làm nên tiêu đề, nhưng chúng tôi tranh luận rằng thực tế là việc sử dụng vật liệu tường mới khiến thí nghiệm thực sự ấn tượng bởi vì các thiết bị trong tương lai sẽ cần những bức tường chắc chắn hơn này để hoạt động ở công suất cao trong thời gian dài hơn. của thời gian. JET là một bằng chứng thành công về khái niệm cho cách xây dựng thế hệ tiếp theo của lò phản ứng nhiệt hạch.

Các lò phản ứng nhiệt hạch tiếp theo

JET tokamak là lò phản ứng tổng hợp từ tính lớn nhất và tiên tiến nhất hiện đang hoạt động. Nhưng thế hệ tiếp theo của các lò phản ứng đang trong quá trình hoạt động, đáng chú ý nhất là thử nghiệm ITER , bắt đầu hoạt động vào năm 2027. ITER – tiếng Latinh có nghĩa là “con đường” – đang được xây dựng ở Pháp và được tài trợ và chỉ đạo bởi một tổ chức quốc tế. bao gồm Mỹ

ITER sẽ sử dụng nhiều tiến bộ vật chất mà JET cho thấy là khả thi. Nhưng cũng có một số điểm khác biệt chính. Đầu tiên, ITER rất lớn. Buồng nhiệt hạch cao 37 feet (11,4 mét) và xung quanh là 63 feet (19,4 mét) – lớn hơn gấp tám lần so với JET. Ngoài ra, ITER sẽ sử dụng nam châm siêu dẫn có khả năng tạo ra từ trường mạnh hơn trong thời gian dài hơn so với nam châm của JET. Với những nâng cấp này, ITER dự kiến sẽ phá vỡ kỷ lục nhiệt hạch của JET – cả về sản lượng năng lượng và thời gian phản ứng sẽ chạy.

ITER cũng được cho là sẽ làm điều gì đó trọng tâm của ý tưởng về một nhà máy điện nhiệt hạch: tạo ra nhiều năng lượng hơn mức cần thiết để đốt nóng nhiên liệu. Các mô hình dự đoán rằng ITER sẽ sản xuất khoảng 500 megawatt điện liên tục trong 400 giây trong khi chỉ tiêu thụ 50 MW năng lượng để đốt nóng nhiên liệu. Điều này có nghĩa là lò phản ứng tạo ra năng lượng nhiều hơn 10 lần so với mức tiêu thụ – một cải tiến lớn so với JET, vốn yêu cầu năng lượng nhiều hơn khoảng ba lần để làm nóng nhiên liệu so với kỷ lục 59 megajoule gần đây của nó.

Hồ sơ gần đây của JET đã chỉ ra rằng nhiều năm nghiên cứu về vật lý plasma và khoa học vật liệu đã thành công và đưa các nhà khoa học đến ngưỡng cửa của việc khai thác nhiệt hạch để sản xuất điện. ITER sẽ mang đến một bước tiến vượt bậc hướng tới mục tiêu xây dựng các nhà máy điện nhiệt hạch quy mô công nghiệp.

Được viết bởi:

• David Donovan – Phó Giáo sư Kỹ thuật Hạt nhân, Đại học Tennessee
• Livia Casali – Trợ lý Giáo sư Kỹ thuật Hạt nhân, Nghiên cứu viên Khoa Zinkle, Đại học Tennessee

Bài báo này được xuất bản lần đầu tiên trên The Conversation .

Theo Scitechdaily