Hợp nhất hạt nhân: Khoa học đằng sau việc biến nước thành điện

11 minute read

Updated on Wed Mar 03 2021

Bạn đã bao giờ tự hỏi vì sao Mặt Trời lại chiếu sáng chưa? Liệu chúng ta có thể sử dụng cơ chế tương tự để sản xuất năng lượng tại Trái Đất này không? Câu trả lời cho những câu hỏi này nằm ở phản ứng nhiệt hạch đó!

Quả Đất tận hưởng ánh mặt trời

Phản ứng nhiệt hạch là gì?

Ở các chương trước, chúng ta đã bàn về phản ứng phân hạch - quá trình tách một nguyên tử lớn thành những nguyên tử nhỏ hơn và giải phóng năng lượng. Phản ứng nhiệt hạch thì ngược lại. Nó lấy hai nguyên tử nhỏ hơn và kết hợp chúng thành một.

Tại sao phản ứng nhiệt hạch sẽ là một nguồn năng lượng dồi dào

Bạn nghĩ đâu là lợi ích của phản ứng nhiệt hạch? Chọn 4 đáp án nhé:


Nếu việc phân tách các nguyên tử giải phóng năng lượng, vậy làm thế nào mà tổng hợp các nguyên tử cũng có thể giải phóng năng lượng vậy?

Phân tách nguyên tử (phản ứng phân hạch) sử dụng các nguyên tố nặng (nguyên tố có rất nhiều proton và neutron) trong khi sự hợp thành nguyên tử (phản ứng nhiệt hạch) sử dụng các nguyên tố rất nhẹ.

Năng lượng từ phản ứng nhiệt hạch/Phản ứng phân hạch

Vậy nên, đối với các nguyên tử lớn như Uranium, chúng ta sẽ có được năng lượng từ sự phân tách nhưng cần cung cấp rất nhiều năng lượng để tổng hợp nguyên tử lại với nhau. Ngược lại, việc tổng hợp các nguyên tử nhẹ hơn thực ra cho chúng ta năng lượng!

Từ biểu đồ trên, bạn có thể đoán được nguyên tố nào chúng ta sẽ sử dụng cho đầu vào không?


Phản ứng nhiệt hạch hoạt động như thế nào?

Bạn có thể hợp nhất hai nguyên tố bất kỳ, nhưng chúng ta sẽ chỉ nói về một phản ứng tổng hợp cụ thể được sử dụng để tạo ra điện mà thôi.

Chúng ta sẽ đề cập đến các nguyên tố bằng số proton và neutron mà nó có: ''1p2n" là hạt nhân với 1 proton và 2 neutron. Chúng ta có thể không đề cập đến các electron trong tình huống này - bạn sẽ thấy lý do tại sao sau.

Hợp nhất 1p1n và 1p2n sẽ cho bạn gì?


1p1n + 1p2n = 2p3n. Nhưng: 2p3n là một đồng vị không ổn định, có nghĩa là nó sẽ tự nhiên tách ra một cách nhanh chóng và chuyển từ 2p3n thành 2p2n cộng với một neutron thừa và năng lượng.

Phản ứng nhiệt hạch

Các nguyên tố này là gì? 1p0n là hydro “H”. 1p1n và 1p2n, được sử dụng cho phản ứng nhiệt hạch, là các đồng vị của hydro được gọi là Deuteri và Triti (chúng có cùng số proton, nhưng số neutron khác nhau):

Các đồng vị của hydro

Vậy còn sản phẩm của phản ứng trên là gì? Nó sẽ tệ nếu 2p2n là thứ gì đó nguy hiểm, như chất thải hạt nhân.

2p2n là nguyên tố nào?


May mắn thay, Heli không nguy hiểm, nó được sử dụng để thổi bong bóng đó. Bây giờ chúng ta đã biết những nguyên tố liên quan, hãy cùng xem lại phản ứng nào:

Phản ứng nhiệt hạch Deuteri-Triti đầy đủ

Tại sao nó lại giải phóng năng lượng chứ?

Nghe có vẻ lạ nhưng Heli cộng với một neutron có khối lượng nhỏ hơn Deuteri cộng với Triti đó. Đúng vậy đó! Bằng cách kết hợp lại cùng một số proton và neutron thành một cấu hình khác, toàn bộ hạt nhân sẽ mất đi khối lượng.

Khối lượng bị mất đi được chuyển thành năng lượng, được giải phóng dưới dạng nhiệt và bức xạ điện từ. Phương trình nổi tiếng của Einstein E = mc² được sử dụng ở đây: chúng ta đang chuyển hóa khối lượng thành năng lượng.

Vậy tại sao chúng ta không sử dụng phản ứng nhiệt hạch để tạo ra năng lượng nhỉ?

Trong Mặt Trời, phản ứng nhiệt hạch xảy ra là nhờ vào áp suất lớn trong lõi Mặt Trời do lực hấp dẫn gây ra. Nó có thể nóng đến 15.000.000°C đó!

Tin tốt là chúng ta có thể tạo ra phản ứng nhiệt hạch trên Trái Đất. Còn tin xấu là: nó thực sự rất khó.

Cho đến nay, tất cả các lò phản ứng nhiệt hạch đều sử dụng nhiều năng lượng hơn mức chúng tạo ra.Tất nhiên, đây là vấn đề rồi. Một nhà máy điện sử dụng nhiều năng lượng hơn mức nó tạo ra chẳng có ích gì cả.

Tỷ lệ năng lượng đầu vào và đầu ra thường được gọi là “Q”. Dù phản ứng nhiệt hạch có lịch sử lâu đời, nhưng, cho đến nay, chúng ta vẫn chưa thể đạt được Q bằng 1:

Biểu hiện của lò phản ứng nhiệt hạch

Như bạn có thể thấy từ biểu đồ này, chúng ta gần như đạt được Q=1, nhưng rồi các sự cải thiện ngừng xảy ra - tại sao lại thế? Ở chương tiếp theo, chúng ta sẽ khám phá biểu đồ trên có nghĩa gì, khám phá điều gì cản trở sự xúc tiến (cho đến hiện nay), và thảo luận về các ý tưởng gần đây nhằm đạt được Q=10 và cao hơn nữa.

Chương tiếp theo