Chúng ta có thể làm sự hợp nhất diễn ra không? Một phân tích thực tế vượt ra ngoài những hứa hẹn lớn

22 minute read

Updated on Mon Dec 14 2020

Trong lõi Mặt Trời, phản ứng tổng hợp diễn ra dưới áp suất lớn và nhiệt độ ở mức 15.000.000°C. Chúng ta có thể thực sự tạo ra điều kiện như thế này ở Trái Đất không? Hóa ra, chúng ta có thể đó!

Quả Đất hàn Mặt Trời

Có nhiều loại lò phản ứng nhiệt hạch và nhiều công ty và phòng thí nghiệm đang nghiên cứu chúng.Cũng có những đề xuất sử dụng nhiên liệu khác ngoài Triti và Deuteri. Để giữ cho bài viết này tương đối ngắn gọn dù có đi sâu vào một số chi tiết, chúng ta chỉ đề cập đến loại lò phản ứng đang dẫn đầu cuộc đua tính đến năm 2020 mà thôi: thiết bị tổng hợp nhiệt hạch (tokamak). Để khám phá các loại lò phản ứng khác, hãy xem chương "Các vấn đề mở" nhé!

3 yêu cầu điên rồ cho phản ứng nhiệt hạch

Mục tiêu rất rõ ràng: để Deuteri and Triti hợp nhất, chúng ta cần làm cho các hạt nhân của chúng tiếp xúc với nhau trong khi sử dụng ít năng lượng hơn so với phản ứng nhiệt hạch.

Yêu cầu 1: Tạo plasma. Để hạt nhân của các nguyên tử tiếp xúc, trước tiên chúng ta cần tách các nguyên tử khỏi các electron của chúng. Điều này được thực hiên bằng cách đun nóng hỗn hợp lên hơn 100.000.000°C. Các electron và hạt nhân trôi nổi tự do tạo thành plasma. Giống như thể rắn, lỏng, và khí, plasma chỉ là một trạng thái khác của vật chất:

Plasma - trạng thái thứ 4 của vật chất

Bước 2: Mật độ: Mật độ mô tả số lượng hạt được nén lại trong một thể tích cụ thể. Trong trường hợp của phản ứng nhiệt hạch, chúng ta muốn có được nhiều Deuteri và Triti vào một lò phản ứng nhiệt hạch.

Tại sao chúng ta cần điều này?


Bước 3: Chỗ chứa?: Chúng ta sẽ giữ plasma cực nóng, ở áp suất cao này ở đâu? Chúng ta cần một thùng chứa đặc biệt có thể chịu được những điều kiện này trong một thời gian tương đối dài. Khoảng thời gian chúng ta có thể giữ được năng lượng này đã tăng nhanh chóng trong những năm gần đây, từ 30 giây vào năm 2013 lên 101,2 giây vào năm 2017 (đến năm 2020 vẫn như vậy).

Các yêu cầu của phản ứng nhiệt hạch

Khi nào thì lò phản ứng nhiệt hạch đủ tốt?

Có hai mục tiêu rộng lớn trong nghiên cứu và kỹ thuật phản ứng nhiệt hạch:

  • Thành công trong khoa học: Các lò phản ứng tạo ra nhiều năng lượng hơn mức chúng cần để vận hành
  • Năng lượng rẻ: Chi phí đủ thấp và hiệu suất đủ cao để có thể bán năng lượng với giá rẻ

Tới nay, chúng ta vẫn chưa đạt được mục tiêu đầu tiên.

Bạn có thể đang thắc mắc tại sao các lò phản ứng nhiệt hạch lại cần năng lượng để vận hành. Hãy thử đoán xem!


Tỷ lệ năng lượng đầu vào và ra thường được gọi là “Q”.

Sản xuất năng lượng nhiệt hạch ròng

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 "tokamak") đã đạt được Q=0,65 đó!

Hãy cùng xem cách nó hoạt động nhé!

"Tokamak" - chiếc bánh rán nhiệt hạch

Tokamak: từ Deuteri đến Điện

Hãy nhớ 3 vấn đề 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 vấn đề mà các nhà nghiên cứu nhiệt hạch đang nghiên cứu hiện nay.

Bánh rán năng lượng!

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 "nhà máy Triti" 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:

Sản xuất Triti

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?

Breeding Blanket (tạm dịch: Chăn chăn nuôi)

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 vấn đề 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

Chi phí của một tokamak tăng bao nhiêu theo bán kính R?


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?

Lò phản ứng ITER

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.

Phản ứng nhiệt hạch theo thời gian

Các số trên trục y ở đây được gọi là ''tích ba thừa số tổng hợp hạt nhân". 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:

Tích ba thừa số tổng hợp hạt nhân

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?

ITER so với ARC

Xin nhắc lại: chúng ta tạo ra từ trường càng mạnh thì ta càng nhận được nhiều phản ứng nhiệt hạch hơn. Tại sao vậy?


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 "công nghệ của tương lai", 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 vấn đề duy nhất trong việc nghiên cứu phản ứng nhiệt hạch.

Có rất nhiều vấn đề 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