Nhiệt hạch hạt nhân đạt được một cột mốc quan trọng nhờ vào tường lò phản ứng tốt hơn

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 được kiểm soát và duy trì. Sản lượng của 59 megajoules năng lượng trong năm giây tại thí nghiệm Joint European Torus (JET) ở Anh đã được được một số hãng tin gọi là “một bước đột phá” và gây ra khá nhiều hứng thú cho các nhà vật lý. Nhưng một điểm chung liên quan đến sản xuất điện nhiệt hạch đó có phải là “luôn luôn là 20 năm nữa".

Chúng tôi là một nhà vật lý hạt nhân và 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 của JET chứng tỏ những tiến bộ vượt bậc trong sự hiểu biết về vật lý của phản ứng nhiệt hạch. Nhưng điều quan trọng không kém là nó cho thấy 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 những gì nó đã làm là điều tạo nên sự khác biệt giữa những kết quả này với các cột mốc quan trọng trước đó và nâng cao phản ứng tổng hợp từ tính. từ một giấc mơ hướng tới một thực tế.

Hợp nhất các hạt lại 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 vỡ ra và giải phóng năng lượng dưới dạng các nguyên tử và hạt mới có tốc độ thoát khỏi phản ứng. Một nhà máy điện nhiệt hạch sẽ thu giữ các hạt thoát ra và sử dụng năng lượng của chúng để tạo ra điện.

Có một vài những cách khác nhau để kiểm soát phản ứng tổng hợp một cách an toàn trên Trái đất. Nghiên cứu của chúng tôi tập trung vào cách tiếp cận của JET: 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 tan chảy.

Nhiên liệu cho các lò phản ứng hiện tại và tương lai là hai đồng vị khác nhau của hydro—có nghĩa là chúng có một proton nhưng có 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 triti 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 thoát ra khỏi hạt nhân. Điều này tạo ra plasma—một tập hợp các ion dương và electron. Sau đó, bạn cần tiếp tục làm nóng plasma đó cho đến khi nó đạt nhiệt độ trên 200 triệu độ F (100 triệu độ C). Plasma này phải được giữ trong một không gian hạn chế với mật độ cao trong một khoảng thời gian đủ dài để 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—gọi là tokamak —sử dụng từ trường để chứa plasma. Các đường sức từ quấn quanh bên trong chiếc bánh rán có tác dụng như đường ray mà các ion và electron đi theo. Bằng cách bơm năng lượng vào plasma và làm nóng nó, có thể tăng tốc các hạt nhiên liệu lên 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 trong của bình nhiệt hạch. Để ngăn các bức tường xuống cấp do những va chạm này - từ đó cũng làm ô nhiễm nhiên liệu nhiệt hạch - các lò phản ứng được chế tạo sao cho chúng truyền các hạt bướng bỉnh tới một buồng bọc thép dày đặc gọi là bộ chuyển hướng. Điều này bơm các hạt chuyển hướng ra ngoài và loại bỏ mọi nhiệt dư thừa để bảo vệ tokamak.

Những bức tường rất quan trọng

Một hạn chế lớn của các lò phản ứng trước đây là các bộ chuyển hướng không thể tồn tại trước sự 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 phản ứng nhiệt hạch.

Tường chuyển hướng là điều cần cân nhắc đầu tiên. Mặc dù các hạt nhiên liệu nguội hơn nhiều khi chúng tới bộ chuyển hướng nhưng chúng vẫn có đủ năng lượng để đánh bật các nguyên tử ra khỏi vật liệu thành của bộ chuyển hướng 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 để sử dụng trong thực tế.

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

Năng lượng mà JET tạo ra là nguyên nhân gây chú ý nhưng trên thực tế, chính việc sử dụng vật liệu tường mới đã khiến thí nghiệm thực sự ấn tượng 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 nữa của thời gian. JET là một bằng chứng thành công về khái niệm cách xây dựng thế hệ lò phản ứng nhiệt hạch tiếp theo.

Lò phản ứng nhiệt hạch tiếp theo

JET tokamak là lò phản ứng tổng hợp từ trường lớn nhất và tiên tiến nhất hiện đang hoạt động. Nhưng thế hệ lò phản ứng tiếp theo đã sẵn sàng hoạt động, đáng chú ý nhất là thí nghiệm ITER, dự kiến ​​bắt đầu hoạt động vào năm 2027. ITER, trong tiếng Latin có nghĩa là “con đường”, là đang được xây dựng ở Pháp và được tài trợ và chỉ đạo bởi một tổ chức quốc tế trong đó có Hoa Kỳ.

ITER sẽ đưa vào sử dụng nhiều tiến bộ vật chất mà JET cho thấy là khả thi. Nhưng cũng có một số khác biệt chính. Đầu tiên, ITER rất lớn. Buồng nhiệt hạch là Cao 37 feet (11.4 mét) và xung quanh 63 feet (19.4 mét), lớn hơn 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 diễn ra.

ITER cũng được kỳ vọng sẽ làm được điều gì đó cốt lõi cho ý tưởng về nhà máy điện nhiệt hạch: tạo ra nhiều năng lượng hơn mức cần thiết để làm nóng nhiên liệu. Các mô hình dự đoán ITER sẽ sản xuất khoảng 500 MW điện liên tục trong 400 giây trong khi chỉ tiêu thụ 50 MW năng lượng để làm nóng nhiên liệu. Điều này có nghĩa là lò phản ứng tạo ra năng lượng gấp 10 lần năng lượng tiêu thụ—một cải tiến lớn so với JET, đòi hỏi năng lượng để làm nóng nhiên liệu nhiều hơn khoảng ba lần so với năng lượng được tạo ra vì gần đây của nó Kỷ lục 59 megajoule.

Kỷ lục gần đây của JET đã chỉ ra rằng nhiều năm nghiên cứu về vật lý plasma và khoa học vật liệu đã được đền đáp và đưa các nhà khoa học đến gần việc khai thác phản ứng tổng hợp để phát điện. ITER sẽ mang lại bước tiến vượt bậc hướng tới mục tiêu phát triển các nhà máy điện nhiệt hạch quy mô công nghiệp.

Bài viết này được tái bản từ Conversation theo giấy phép Creative Commons. Đọc ban đầu bài viết.

Ảnh: Rswilcox/Wikimedia Commons

• Coinsmart. Sàn giao dịch Bitcoin và tiền điện tử tốt nhất Châu Âu.
• Platoblockchain. Web3 Metaverse Intelligence. Khuếch đại kiến ​​thức. TRUY CẬP MIỄN PHÍ.
• CryptoHawk. Radar Altcoin. Dùng thử miễn phí.
• Nguồn: https://singularityhub.com/2022/04/10/nucle-fusion-hit-a-milestone-thanks-to-better-reactor-walls/