Tỷ lệ năng lượng đầu vào và ra thường được gọi là “Q”
.
Để tăng Q, chúng ta cần làm hai thứ:
- Sử dụng ít năng lượng hơn
- Sản xuất nhiều năng lượng hơn
Hóa ra, hai thứ này có mối liên hệ chặt chẽ với nhau. Khi ngày càng có nhiều và nhiều phản ứng nhiệt hạch (tức là chúng ta tạo ra nhiều năng lượng hơn), plasma tự nóng lên ngày càng nhiều. Điều này có nghĩa là chúng ta không cần tiếp tục tốn công làm nóng nó nữa . Tại một số thời điểm, nó thậm chí có thể tiếp tục hoạt động mà không cần bất kỳ nhiệt đầu vào bên ngoài luôn!
Trong 60 năm qua, các nhà nghiên cứu đã nghiên cứu nhiều phương pháp khác nhau để làm được điều này . Đáng buồn thay, hầu như ở tất cả các thiết kế này, hệ số Q đều bị mắc kẹt ở giá trị trong khoảng từ 0,0001 đến 0,000001. Tuy nhiên, có một loại (được gọi là u0022tokamaku0022) đã đạt được Q=0,65 đó !
Hãy cùng xem cách nó hoạt động nhé!
u0022Tokamaku0022 - chiếc bánh rán nhiệt hạch
Hãy nhớ 3 choiceQuiz của chúng ta:
- Đun nóng plasma đến khoảng 100.000.000°C.
- Mật độ.
- Giữ plasma trong vài giây đến vài phút.
Tokamak đồng thời đáp ứng các yêu cầu về việc giữ và mật độ bằng cách sử dụng từ trường mạnh. Các từ trường này buộc các electron mang điện tích âm và các hạt nhân mang điện tích dương chuyển động tròn đều trên một đường dẫn bên trong hình bánh xuyến. Vì nam châm bao quanh plasma, chúng tạo ra một áp suất cao, làm tăng mật độ của plasma.
Hãy thở sâu nào. Ngồi lại và chắc chắn rằng bạn đã hiểu tất cả những gì ta đã đề cập đến giờ. Bởi vì bây giờ chúng ta sẽ đề cập đến một số choiceQuiz mà các nhà nghiên cứu nhiệt hạch đang nghiên cứu hiện nay.
Deuteri & Triti đến từ đâu?
Deuteri rất dễ tìm thấy và rất dồi dào - nó có trong nước biển. Tuy nhiên, chỉ có vài kilo Triti được sản xuất tự nhiên hàng năm và không có cái gọi là u0022nhà máy Tritiu0022 đâu. Các thí nghiệm nhiệt hạch ngày nay thường lấy nó từ các nhà máy điện phân hạch hạt nhân, nơi Triti được sản xuất dưới dạng chất thải phóng xạ. Nhưng chúng ta sẽ lấy nó từ đâu nếu chúng ta ngừng sử dụng các lò phản ứng phân hạch?
May mắn thay, có một cách để các lò phản ứng nhiệt hạch tạo ra Triti. Về lý thuyết, chúng ta có thể tái sử dụng neutron thừa để tạo ra nhiều Triti hơn từ Deuteri đó! Phản ứng đầy đủ sử dụng Deuteri (1p1n) và Liti-6 (3p6n) làm đầu vào để sản xuất Heli:
Sử dụng Liti-6 để sản xuất Triti thực sự mang lại nhiều năng lượng hơn cho hệ thống. Thực hiện điều này trong thực tế rất khó và là một trong những lĩnh vực nghiên cứu tích cực và không chắc chắn trong năng lượng nhiệt hạch.
Chúng ta làm thế nào để lấy năng lượng ra từ tokamak vậy?!
Mọi thứ vẫn tiến triển tốt. Chúng ta có Deuteri và Triti, chúng ta có thể làm nóng chúng và gây ra phản ứng nhiệt hạch. Nhưng chúng ta lấy năng lượng ra như thế nào?
Hãy nhớ rằng, neutron không mang điện tích. Từ trường chỉ tương tác với các hạt mang điện tích mà thôi. Điều này có nghĩa là từ trường, dù nó có mạnh hết mức, vẫn không thể giữ các neutron nhanh thoát ra từ các phản ứng nhiệt hạch.
Những neutron nhanh này vừa là khía cạnh có giá trị nhất vừa là khía cạnh khó chịu nhất của phản ứng nhiệt hạch. Chúng có giá trị vì ta có thể lấy năng lượng từ tốc độ của chúng và khó chịu vì chúng làm hỏng vách lò phản ứng. Chúng ta có thể giải quyết điều này như thế nào?
Trong hình (được lặp lại) trên, bạn thấy một lớp được gọi là chăn giữa plasma và các nam châm. Các neutron nhanh bị làm chậm lại trong tấm chăn và động năng của chúng được chuyển hóa để đốt nóng nó. Đến lượt mình, tấm chăn nóng được sử dụng để làm nóng nước, sau đó làm quay tuabin hơi nước (giống như cách phản ứng phân hạch hạt nhân và nhà máy than hoạt động).
Điều này hoạt động trên lý thuyết, nhưng trong thực tế, nó khó để xây dựng một tấm chăn hiệu quả và có tính đàn hồi trước thiệt hại từ các neutron chuyển động nhanh.
Làm thế nào để chúng ta làm cho tokamak tốt hơn?
Bên cạnh các choiceQuiz xung quanh các tấm chăn, chúng ta vẫn chưa đạt được Q>1. Có hai biến số đặc biệt quan trọng trong lò phản ứng nhiệt hạch mà chúng ta có thể kiểm soát để tác động đến lượng năng lượng được giải phóng trong lò phản ứng nhiệt hạch:
- R: bán kính của tokamak
- B: cường độ của từ trường
Vậy, các lò phản ứng cần phải lớn bao nhiêu để được giá trị Q hợp lý? ITER là lò thí nghiệm khoa học quốc tế lớn nhất từ trước đến nay nhằm đạt đến Q=10. Lò phản ứng ITER lớn bao nhiêu?
Bạn có thể nhìn thấy người ở dưới cùng không? Thứ này rất LỚN đó.
Vì kích cỡ của nó, ITER đã tiêu tốn hàng chục tỷ đô la, và mất hàng thập kỷ để xây dựng. Bạn có nhớ biểu đồ Q từ trước không? Bạn tự hỏi sao nó dừng lại đúng không? Bây giờ bạn đã biết rồi đó! Các lò phản ứng càng lớn, nghĩa là chúng càng tốn nhiều thời gian để xây dựng.
Các số trên trục y ở đây được gọi là ’’tích ba thừa số tổng hợp hạt nhânu0022. Đó là một chỉ số sơ bộ về lượng điện năng mà lò phản ứng nhiệt hạch sản xuất và được định nghĩa là sản phẩm của ba thuộc tính chính của bất kỳ lò phản ứng nhiệt hạch nào:
ITER là một thí nghiệm khoa học, không phải là lò phản ứng thương mại. Một lò phản ứng thương mại có thể sẽ cần trở nên lớn hơn nữa. Rõ ràng là, việc tăng bán kính (R) không có triển vọng gì cả. Thế còn cường độ từ trường (B) thì sao?
Nam châm mạnh hơn có thể làm lò phản ứng nhỏ hơn và rẻ hơn không?
Việc tạo ra một từ trường yêu cầu chúng ta chạy một dòng điện qua các cuộc dây điện từ trên tokamak (thiết bị tổng hợp nhiệt hạch). Trong hầu hết các vật liệu, dòng điện sử dụng năng lượng, vì một số điện năng bị mất đi dưới dạng nhiệt do điện trở. Tuy nhiên, một số vật liệu - được gọi là chất siêu dẫn - có khả năng cho dòng điện chạy qua chúng mà không bị mất nhiệt vì không có điện trở trong dòng điện.
Nghiên cứu gần đây về một loại nam châm siêu dẫn được gọi là REBCO (Oxit đồng bari đất hiếm) đã cho phép cường độ từ trường, ’B’, tăng gần gấp đôi! Yếu tố hạn chế bây giờ là độ bền của thép và bê tông giữ mọi thứ lại với nhau - ở công suất tối đa, các nam châm sẽ xé toạc lò phản ứng.
Sử dụng các nam châm REBCO có thể là một bước quan trọng trên con đường dẫn đến lò phản ứng nhiệt hạch có giá cả phải chăng với Q > 1.
Điều quan trọng là ITER vẫn sử dụng các chất siêu dẫn cũ và yếu hơn.
Kết luận
Phản ứng tổng hợp luôn là u0022công nghệ của tương laiu0022, nhưng chúng ta thực sự đang tiến gần đến Q=1 rồi.
Các công ty tư nhân và phòng thí nghiệm của trường đại học hiện nay đang làm việc để tích hợp nam châm REBCO vào lò phản ứng nhiệt hạch tokamak. Sự tiến bộ của chúng sẽ là một chỉ số quan trọng cho tiềm năng của phản ứng nhiệt hạch, nhưng việc đạt đến Q lớn hơn 1 không phải là choiceQuiz duy nhất trong việc nghiên cứu phản ứng nhiệt hạch.
Có rất nhiều choiceQuiz mở trong công nghệ chăn, sản xuất Triti, và bảo vệ lò phản ứng. Đây là một điểm không chắc chắn lớn. Tuy nhiên, trong những thập kỉ tới, chúng ta có thể sẽ biết được liệu phản ứng nhiệt hạch có thể là nguồn năng lượng sạch và dồi dào mà chúng ta hy vọng nó sẽ trở thành hay không.
Chương tiếp theo
