Tìm hiểu phản ứng nhiệt hạch và điều khiển phản ứng nhiệt hạch trong tương lai

Bài tiểu luận: Tìm hiểu phản ứng nhiệt hạch và điều khiển phản ứng nhiệt hạch trong tương lai. Sinh viên: Cao Đình Hưng Lớp: B1K54-CNHN I. Phản ứng nhiệt hạch 1. Khả năng tổng hợp các hạt nhân nhẹ Ngoài hiện tượng giải phóng năng lượng khi phân hạch các hạt nhân nặng còn có hiện tượng giải phóng năng lượng khi kết hợp các hạt nhân nhẹ. Phản ứng tổng hợp 2 hạt nhân nhẹ tạo thành hạt nhân nặng hơn và giải phóng năng lượng còn được gọi là phản ứng nhiệt hạch.Năng lượng giải phóng trong phản ứng nhiệt hạch lớn hơn nhiều so với phản ứng phân hạch. VD: 1kg hỗn hợp các hạt deutron giải phóng năng lượng cỡ 9,2.107kWh gấp 4 lần năng lượng do 1 kg U235 giải phóng (2,3.107kWh). Phản ứng tổng hợp 2He 4 từ 1H 2 và 1H 3 Bảng năng lượng giải phóng trong phản ứng nhiệt hạch: Phản ứng Nhiệt lượng tỏa ra Qfusion (MeV) 1H 2 + 1H 2 -> 2He 3 + n (50%) 1H 2 + 1H 2 -> 1He 3 + p (50%) 1H 2 + 1H 3 -> 2He 4 + n p + 3Li 7 -> 2He 4 + 2He 4 n + 3Li 6 -> 2H 4 + 1He 3 3,25 4,03 17,6 17,3 4,8 1. Điều kiện thực hiện phản ứng nhiệt hạch Có hai loại phản ứng nhiệt hạch là deutron và proton tức là các hạt ion dương tương tác viới nhau nên phải mất năng lượng cỡ 0.5 MeV để thắng bờ thế Coulomb; loại thứ hai là neutron tương tác với hạt nhân, có thể là neutron nhiệt. Như vậy có thể tạo ra điều kiện cho các phản ứng tổng hợp hạt nhân xảy ra nhưng vấn đề khó khăn là làm thế nào để cho các phản ứng đó tự duy trì. Phản ứng nhiệt hạch hạt nhân không có tính chất dây chuyền giống như phản ứng phân hạch hạt nhân. Phản ứng này được thực hiện do sự tham ra đồng thời của một lượng lớn các hạt nhân nhẹ. Điều kiện để phản ứng xảy ra là các hạt nhân phải có động năng đủ lớn để vượt qua hàng rào thế Coulomb và tiến lại gần nhau với khoảng cách nhỏ hơn 3.10-15m. Khi đó lực hạt nhân sẽ có tác dụng và phản ứng nhiệt hạch xảy ra. Để truyền năng lượng cần thiết cho một số lớn hạt nhân deutron thì chỉ cần tạo nên nhiệt độ cao. Theo công thức W=kV thì 1eV tương đương với năng lượng của chuyển động nhiệt ở gần 11400K. Do đó muốn cung cấp cho các deutron năng lượng cỡ 0,5MeV thì cần phải có nhiệt độ cỡ 1010K. Thực ra thì chỉ cần nhiệt độ cỡ 108K là phản ứng nhiệt hạch có thể xảy ra rồi. Nguyên nhân là theo phân bố vận tốc Maxwell thì ở nhiệt độ không cao vẫn có một số hạt có vận tốc trung bình khá lớn để đảm bảo số phản ứng cần thiết xảy ra. Như vậy muốn thực hiện phản ứng nhiệt hạch cần phải tạo ra môi trường deutron có nhiệt độ cỡ hàng trăm triệu độ. 2. Phản ứng nhiệt hạch trong vũ trụ Phản ứng nhiệt hạch nguồn năng lượng chính của các vì sao và Mặt Trời. Năm 1938 Bethe đã đưa ra giả thuyết về hai chu trình phản ứng proton-proton và carbon-nitrogen. Chu trình proton-proton xảy ra như sau: 2(p + p -> d + e + + ν ) 2(d + p -> 2He 3 + γ ) 2He 3 + 2He 3 -> 2He 4 + 2p Chu trình này biến các proton thành hạt nhân helium và giải phóng năng lượng rất lớn. 6p -> 2He 4 + 2p + 2e + + 2γ Q=26MeV Phản ứng này xảy ra với thời gian bán ra T1/2 = 1,4 .10 10 năm. Tuy năng lượng giải phóng của một phản ứng là 26MeV nhưng năng lượng giải phóng trung bình trên một đơn vị khối lượng là rất thấp, còn thấp hơn cả năng lượng giải phóng của cơ thể người. Nhưng do khối lượng Mặt Trời rất lớn cỡ 2.1030 kg nên tổng năng lượng phát ra theo chu trình proton-proton là rất lớn, tương đương với khối lượng Mặt Trời mất đi là 4,3.106 tấn/s. Chu trình carbon-nitrogen gồm 6 phản ứng trong đó carbon đóng vai trò là chất xúc tác: 6C 12 + p -> 7N 12 + γ 7N 12 + p -> 6C 13 + e + + ν 6C 13 + p -> 7N 14 + γ 7N 14 + p -> 8O 15 + γ 8O 15 -> 7N 15 + e + + ν 7N 15 + p -> 6C 13 + 2He 4 ------------------------------------ 4p -> 2He 4 + 2e + + 2ν + 2γ Q = 26MeV Kết quả là bốn hạt nhân hydrogen tạo thành một hạt nhân helium còn lượng carbon không đổi. Phản ứng giải phóng năng lượng Q = 26MeV, thời gian bán rã T1/2=3.10 8 năm. II. Điều khiển phản ứng nhiệt hạch 1. Nguyên tắc điều khiển phản ứng nhiệt hạch. Vấn đề cơ bản của việc điều khiển phản ứng nhiệt hạch hạt nhân là thực hiện được nhiệt độ cao hàng trăm triệu độ trong cùng một thể tích giới hạn chứ đầy deuterium hay hỗn hợp deuterium và tritium. Môi trường như vậy gọi là plasma dạng thứ tư của vật chất. Để tạo và duy trì được trạng thái plasma phải giải quyết ba vấn đề chính là : tạo nên môi trường plasma ở nhiệt độ hàng trăm triệu độ, nhốt plasma trong một thể tích hữu hạn, duy trì trạng thái plasma trong thời gian đủ dài. 1.1.Nhốt môi trường plasma nhờ từ trường Muốn giữ plasma ở nhiệt độ cao hàng trăm triệu độ không thể có một cái vỏ vật liệu bình thường nào chịu đựng được lâu. Hơn nữa cần phải giữ không cho palasma tiếp xúc với thành bình để tránh trao đổi nhiệt. Để đáp ứng được các yêu cầu này người ta nhốt plasma bằng hiệu ứng nén do tương tác của dòng điện với từ trường do chính nó tạo ra. Giả sử có một chùm hạt tích điện chạy theo một chiều nào đó, chùm hạt tích điện sẽ gây xung quanh nó một từ trường. Từ trường này sẽ tác dụng lên chính chùm hạt một lực vuông góc hướng vào trong. Kết quả là chùm hạt chuyển động bị nén lại và không tiếp xúc với thành bình. Như vậy từ trường bao quanh cột plasma có tác dụng nhốt và làm cách nhiệt plasma.Tuy nhiên cột plasma bị thắt hay uốn cong ở một chỗ nào đó thì nó sẽ tiếp tục thắt lại hay uốn cong cho tới khi bị đứt khúc tại đó. Để khắc phục hiện tượng này người ta phải gây một từ trường bổ xung dọc theo cột plasma. Một phương pháp nhốt khác dựa trên quán tính của các hạt ion dưới tác dụng của tia laser hay chùm tia ion nặng. Người ta tạo nên các viên rất nhỏ chứa hỗn hợp deuterium và tritium rồi bắn từng biên vào buồng chân không. Khi vên đạt tới tâm bình chân không, chiếu chùm laser hay chùm ion nặng vào đó, thời gian cỡ 10-11s tới 10-9s. Khi đó hỗn hợp deuterium-tritium nhận được năng lượng với mật độ rất lớn trong thời gian cực ngắn, cỡ hàng chục MJ trong 10-9s, nó bị nén lại với nồng độ tăng lên cỡ 1000 lần và nóng đến nhiệt độ cao để phản ứng tổng hợp xảy ra trước khi các ion kịp chuyển động dịch ra xa do quán tính. Hai phương pháp nhốt plasma nêu trên đều được nghiên cứu nhưng phương pháp bình chứa từ trường được sử dụng rộng rãi hơn trong hai thiết bị gọi là máy Tokamark của Liên Xô trước đây và máy Stellarator của Mĩ. Và trong hai loại máy này thì Tokamark được nghiên cứu phổ iến hơn và được lấy làm cơ sở để xây dựng lò phản ứng nhiệt hạch đầu tiên trong tương lai. 1.2. Tạo môi trường plasma với nhiệt độ hàng trăm triệu độ Đưa một lượng kí deuterium với nồng độ không lớn vòa trong máy Tokamark. Do sự tương tác của các tia vũ trụ một số nguyên tử deuterium bị ion hóa. Dòng cảm ứng của nam châm hình xuyến tác dụng lên các ion này làm nó chuyển động va chạm và ion hóa các nguyên tử khác. Quá trình ion hóa này tạo nên plasma. Plasma được giữ trong chân không nhờ bản thân từ trường của dòng plasma. Việc đốt nóng plasma được thực hiện theo phương pháp cơ bản là hiệu ứng tỏa nhiệt Joule- Lenz của bản thân dòng plasma. Tuy nhiên nhiệt độ cực đại của dòng plasma chỉ cỡ 10 triệu độ. Để nâng nhiệt độ plasma lên hàng trăm triệu độ người ta sử dụng tiếp phương pháp bắn chùm hạt trung hòa có năng lượng lớn vào plasma, gọi là phương pháp NBI ( Neutral Beam Ịnjection). Khi vào trong từ trường chùm hạt này bị ion hó, chuyển động trong từ trường và va chạm với các hạt plasma, truyền năng lượng cho các hạt plasma. Phương pháp thứ hai để nâng cao nhiệt độ là bắn sóng điện từ vào plasma. Các sóng này được hấp thụ cộng hưởng và được gia tốc lên, hay nóng lên. Kĩ thuật này gọi là ECRH/ICRH ( Electron/ ion cyclotron resonance heating). Máy Tokamark sử dụng phương pháp đốt nóng theo hiệu ứng Joule-Lenz và một trong hai phương pháp bổ xung trên. 1.3. Duy trì môi trường plasma trong một thời gian dài Để thiết bị Tokamark hoạt động như một lò phản ứng tổng hợp nhiệt hạch cần phải thực hiện hai điều kiện sau: - Tiêu chuẩn Lawson: Năm 1957 J.D.Lawson chứng minh được rằng để đốt cháy và duy trì môi trường plasma ổn định thì nồng độ plasma n (hạt/m3), thời gian nhốt plasma τ (S) và nhiệt độ plasma T (K) phải thỏa mãn bất đẳng thức: nτT ≥ 5.1021keV.s/m3 Điều kiện trên gọi là tiêu chuẩn Lawson. - Điều kiện vè công suất nhiệt hạch: Để đốt nóng plasma cần một nguồn năng lượng cung cấp từ bên ngoài với công suất Pin. Khi lò phản ứng làm việc nguồn năng lượng nhiệt hạch được sinh ra với công suất Pfus. Lò phản ứng chủ làm việc ổn định và có hiệu suất cao khi tỉ số rất lớn hơn 1. >>1 Trên Mặt Trời plasma được hình thành ở nhiệt độ cao cỡ 10 triệu độ và duy trì nhờ lực hấp dẫn. Nói chung trên các vì sao thì điều kiện Lawson được thỏa mãn với môi trường plasma với nồng độ và nhiệt độ rất cao nên các phản ứng tổng hợp nhiệt hạch được duy trì. Trên Trái Đất phản ứng tổng hợp nhiệt hạch không tự xảy ra được do nhiệt độ thấp và lực hấp dẫn quá bé, các điều kiện thông thỏa mãn tiêu chuẩn Lawson. Các nhà khoa học đang tiến hành các nghiên cứu nhằm tạo nên môi trường plasma với nồng độ lớn và nhiệt độ cao. 2. Nghiên cứu điều khiển phản ứng nhiệt hạch và lò phản ứng nhiệt hạch trong tương lai 2.1. Tokamark Các nghiên cứu phản ứng tổng hợp nhiệt hạch có điều khiển được bắt đầu từ những năm 1940và đến cuối những năm 1950 thiết bị thực nghiệm với bình chứa từ trường được công nhận rộng rãi. Đầu những năm 1960 thiết bị Tokamark được Viện NLNT Kurchatov Liên Xô đề xuất. Tokarmark là một nam châm hình xuyến gồm các vòng dây đặt đặt thẳng đứng với buồng chân không hình xuyến bên trong. Dòng plasma chạy trong buồng hình xuyếnvà được giữ nhờ bản thân từ trường của dòng plasma này. Đường sức từ trường của dòng plasma vuông góc với dòng plasma và tác dụng lên dòng plasma một lực hướng từ ngoài vào trong đẩy các hạt plasma vào bên trong mà không thể dịch chuyển ra ngoài quỹ đạo tròn. Các thế hệ Tokamark lần lượt ra đời với tích số nτT ngày càng lớn.Năm 1968 Tokamark 3 cho thông số nτ=3.1011cm-3.s ở nhiệt độ T=106 độ, và tích số nτT~2.1017 keV.s/m3.Năm 1970 Tokamark 4 cho thông số nτ= 6.1011cm-3.s ở nhiệt độ T= 4.106 độ. Đầu những năm 1970 một số thiết bị Tokamark được xây dựng ở nhiều nước với mục đích nghiên cứu lò phản ứng nhiệt hạch. Năm 1975 thiết bị Tokamark 10 được xây tại viện Kurchatov với tích số nτT~2.1018keV.s/m3 nhưng vẫn còn bé hơn 3 bậc so với tiêu chuẩn Lawson. Những năm chín mươi của thế kỉ XX nhờ các thiết bị thực nghiệm từng thông số riêng biệt đã đạt tới giá trị yêu cầu, tích số nτT đã tăng được khoảng 10 triệu lần nhưng vẫn nhỏ hơn 5 lần giá trị thấp nhất (5.10 -21 keV.s/m 3 ). Công suất do plasma sinh ra của các thiết bị đã tăng hàng trăm triệu lần và tỉ số Q gần đạt đến đơn vị, tức là công suất plasma sinh ra fần bằng công suất đốt nóng nó, nhưng tỉ số này phải tăng lên một bậc nữa mới đạt được phản ứng tổng hợp nhiệt hạch duy trì. 2.2 Dự án lò phản ứng nhiệt hạch thử nghiệm(ITER) Để đầy mạnh việc nghiên cứu lò phản ứng nhiệt hạch . một dự án hợp tác quốc tế được thiết lập năm 1985 với việc xây dựng một lò phản ứng thử nghiệm có tên gọi ITER ( International Thermonuclear Experimental Reactor ). Nhóm các nhà khoa học Mĩ, Liên minh châu Âu, Nhật Bản và Nga đã hợp tác nghiên cứu về nguyên tắc lò phản ứng ITER và hoàn thành thiết kế kĩ thuật trong giai đoạn 1988-2001. Trung Quốc , Ấn Độ , Hàn Quốc chính thức tham ra dự án ITER từ 6/12/2005. Theo kế hoạch thì việc xây dựng lò phản ứng sẽ tiến hành trong 10 năm trong khuôn khổ hợp tác của các nước gồm Liên minh châu Âu, Mĩ , Nga, Trung Quốc , Nhật Bản , Hàn Quốc , Ấn Độ. Địa điểm xây dựng ITER có thể là Cadarache, Pháp hoặc Rokkasho, Nhật Bản. Ngày 28/6/2005 Pháp đã giành được quyền xây dựng dự án ITER , theo thỏa thuận thì lò phản ứng nhiệt hạch này sẽ được xây dựng tại Cadarache, miền nam nước Pháp.Sau nhiều lần trì hoãn thì ITER do vấn đề kinh phí thì dự án đã được khởi công xây dựng từ tháng 1 năm 2007 và dự đoán đến tháng 11 năm 2019 sẽ có plasma đầu tiên. Mô hình lỏ phản ứng nhiệt hạch quốc tế (ITER) Một số thông số của lò phản ứng ITER: - Công suất sinh plasma: 500MW - Buồng chân không hình xuyến có bán kính trong 2m, bán kính ngoài 6.2m, tiết diện ngang bằng 21.9m2, thể tích 837 m2 , diện tích bề mặt ngoài plasma 678m2 - Từ trường tác dụng lên trục hình xuyến bằng 5,3Tesla - Dòng plasma cường độ 15 triệu ampe, nồng độ trung bình n=1019m-3, nhiệt độ trung bình của plasma bằng 8.9keV hay khoảng 100 triệu độ - Thời gian nhốt plasma τ=300s Như vậy lò phản ứng nhiệt hạch ITER sẽ thỏa mãn tiêu chuẩn Lawson và điều kiện về công suất, có thể sản sinh và duy trì phản ứng tổng hợp nhiệt hạch trên Trái Đất.