Liệu phản ứng tổng hợp hạt nhân có thể cung cấp cho chúng ta nguồn năng lượng sạch vô hạn không?

Ngày:_ 11/11/2021  

Phản ứng tổng hợp hạt nhân từ lâu đã được báo trước là tương lai của năng lượng. Việc nhân rộng quá trình cung cấp năng lượng kiểu mặt trời trên Trái đất hứa hẹn một nguồn cung cấp năng lượng tái tạo vô tận mà không gây hiệu nhà kính. Khái niệm này đã thu hút các nhà văn khoa học viễn tưởng - nhưng đã lảng tránh các nhà khoa học trong nhiều thập kỷ.


Tuy nhiên, hiện nay có nhiều dự án đang bước vào giai đoạn quan trọng. Thời điểm không thể tốt hơn vì nhiệt hạch có thể là con át chủ bài trong hành trình tìm kiếm năng lượng không phát thải của thế giới.

Đưa mặt trời đến trái đất

Năng lượng từ Phản ứng Nhiệt hạch nghe có vẻ tương lai, nhưng nó có từ lâu đời hơn hành tinh của chúng ta. Cuộc sống tự nó không thể phát triển nếu thiếu nó.


Sau Vụ nổ lớn Bigbang hình thành vũ trụ, các đám mây hydro hợp nhất lại để tạo thành những ngôi sao giống như mặt trời của chúng ta, và những ngôi sao này được cung cấp năng lượng bởi phản ứng tổng hợp. Trong lõi của một ngôi sao, lực hấp dẫn và nhiệt độ 15 triệu độ C tạo ra một khí hoặc plasma siêu nóng, khiến các nguyên tử hydro va chạm với nhau và hợp nhất để tạo thành một nguyên tố nặng hơn, heli. Trong quá trình này, rất nhiều năng lượng được giải phóng - chủ yếu ở dạng ánh sáng và nhiệt.

Tái tạo các điều kiện ở lõi của mặt trời của chúng ta trên Trái đất là một thách thức, ít nhất phải nói rằng, điều này giải thích tại sao năng lượng nhiệt hạch đã là một thứ gì đó giống như một chén thánh đối với khoa học và kỹ thuật.

Như Makoto Sugimoto, Giám đốc dự án nhiệt hạch ITER tại Viện Khoa học và Công nghệ Lượng tử và Phóng xạ Quốc gia Nhật Bản (QST), giải thích: “Phản ứng tổng hợp hạt nhân rất phức tạp cả về mặt khoa học và kỹ thuật - đó là một hành trình dài. Không chỉ phải nghiên cứu vật lý plasma - bởi vì hoạt động của plasmas rất phức tạp - mà bạn còn có những thách thức về kỹ thuật để đáp ứng nhiệt độ, mật độ và thời gian giam giữ cần thiết để đạt được sự hợp nhất. ”

Ông nói, bất chấp sự khó khăn cố hữu của nó, nhiệt hạch như một nguồn năng lượng vẫn là một triển vọng đáng kinh ngạc. “Bởi vì một lò phản ứng nhiệt hạch dừng lại khi có sự cố hoặc lỗi, phản ứng nhiệt hạch vốn đã an toàn.”



Ông cho biết thêm, không chỉ vậy, nó không tạo ra chất thải hạt nhân tồn tại lâu dài và nhiên liệu nhiệt hạch hầu như không cạn kiệt - chúng có thể được tìm thấy hoặc chưng cất từ ​​nước biển.

“Mặc dù về mặt kỹ thuật phản ứng tổng hợp không phải là năng lượng tái tạo, nhưng về cơ bản thì nó giống nhau.”

Phát triển công nghệ

Lò phản ứng nhiệt hạch sử dụng hai đồng vị hydro , Deuteri và triti, đã được chứng minh là hiệu quả nhất trong môi trường phòng thí nghiệm. Điều đó có nghĩa là chúng tạo ra năng lượng thu được cao nhất ở nhiệt độ 'thấp nhất'.

Deuterium có thể dễ dàng được chiết xuất từ ​​nước biển và cơ sở hạ tầng đã tồn tại để làm như vậy, vì deuterium được sử dụng trong nhiều cơ sở khoa học và công nghiệp. Triti có thể được tạo ra khi tiếp xúc với liti, cũng có thể được chiết xuất từ ​​nước biển. Các bức tường bên trong lò phản ứng nhiệt hạch được lót bằng một 'tấm chăn' chứa lithium để 'tạo ra' triti theo yêu cầu khi quá trình nhiệt hạch diễn ra.

Nhu cầu về lò phản ứng nhiệt hạch - mang năng lượng của mặt trời đến Trái đất một cách hiệu quả - là rất cao. Rất nhiều tiến bộ khoa học đã phải kết hợp với nhau để đưa chúng ta đến gần hơn với việc cung cấp thứ tự cao này.

Makoto Sugimoto tại QST chỉ ra: “Việc biến nhiệt hạch thành hiện thực đòi hỏi sự phát triển của các công nghệ tiên tiến hàng đầu trong các lĩnh vực siêu dẫn, chân không cao và chất đông lạnh.

Đây cũng là lý do tại sao nhiệt hạch trở nên khó nắm bắt, với nhiều công nghệ cho phép chỉ khả dụng với số lượng nhỏ theo thời gian.

Nhập tokamak

Thật ngạc nhiên khi dạng lò phản ứng nhiệt hạch được sử dụng rộng rãi nhất - được gọi là tokamak - đã được phát triển ở Nga từ những năm 1950 và 60. Bản thân cái tên này là từ viết tắt của tiếng Nga cho "buồng hình xuyến với các cuộn dây từ tính."

Và nó sống đúng với tên gọi của nó.

Tokamak là một buồng chân không hình chiếc bánh rán (hình xuyến) sử dụng trường điện từ cực mạnh để duy trì và giam giữ plasma siêu nóng được tạo ra bởi hỗn hợp nhiên liệu deuterium-triti - ở nhiệt độ từ 150 đến 300 triệu độ C.

Tokamak lớn nhất thế giới hiện đang được xây dựng ở miền nam nước Pháp như một phần của dự án kỹ thuật và nghiên cứu nhiệt hạch ITER. Để thiết lập trường ngăn chặn của nó, cần phải có một loạt các nam châm mạnh. Chúng bao gồm 18 cuộn dây trường hình xuyến nặng hơn 300 tấn mỗi cuộn và chiều cao khoảng 17 mét. Được thiết kế cho thành viên ITER của Nhật Bản, QST, bởi Mitsubishi Heavy Industries, chúng được cho là nam châm siêu dẫn lớn nhất và mạnh nhất từng được tạo ra.

Masahiko Inoue, giám đốc dự án ITER tại MHI, giải thích, các nam châm sẽ phải chịu tải trọng điện từ hàng nghìn tấn và phải chịu được lực lớn và chênh lệch nhiệt độ khắc nghiệt.

Nhiệt độ ITER sẽ dao động từ khoảng 150 triệu độ C - gấp 10 lần nhiệt độ trong lõi của mặt trời - xuống gần như không độ tuyệt đối. Điều này đòi hỏi phải phát triển một loại thép không gỉ mới, cực kỳ cứng và một kỹ thuật mới để hàn các cấu trúc dày tới 40 cm.

Và những yêu cầu cao này cũng được phản ánh trong tỷ lệ rất lớn của cấu trúc thượng tầng của tokamak và cơ sở hạ tầng hỗ trợ của nó, minh họa thách thức mà một dự án như vậy đặt ra.

Tổ hợp tokamak tại ITER sẽ là một tòa nhà nặng 400.000 tấn, cao 80 m, dài 120 m và rộng 80 m. Cao bảy tầng, cấu trúc cũng sẽ bao gồm hơn 30 hệ thống nhà máy cần thiết cho hoạt động của lò phản ứng nhiệt hạch.

Các dự án hiện tại

ITER đang lên kế hoạch cho "plasma đầu tiên" vào tháng 12 năm 2025 - khoảng 40 năm sau khi ý tưởng về một thí nghiệm chung quốc tế lần đầu tiên được đưa ra.

ITER sẽ tiếp quản Công ty Liên minh Châu Âu Joint European Torus (Phản lực cơ) ở Anh, một phần của sáng kiến ​​nghiên cứu Eurofusion gồm 28 quốc gia , mà tokamak đã hoạt động từ năm 1983.

Các dự án hợp nhất sử dụng công nghệ tokamak đang được tiến hành trên khắp thế giới, bao gồm cả ở Mỹ và Trung Quốc. Theo Hiệp hội Hạt nhân Thế giới, Lò phản ứng Thử nghiệm Kỹ thuật Nhiệt hạch mới của Trung Quốc (CFETR) sẽ được hoàn thành vào năm 2030 và được báo cáo là lớn hơn ITER. Bên cạnh tokama, còn có các lò phản ứng nghiên cứu sử dụng các công nghệ nhiệt hạch khác nhau, chẳng hạn như thiết bị phân tách và lò phản ứng giam giữ quán tính.

ITER là một bước tiến đáng kể không chỉ vì kích thước của nó, mà vì nó sẽ là lò phản ứng nhiệt hạch đầu tiên tạo ra nhiều năng lượng hơn mức tiêu thụ.

Mục tiêu của ITER là sản lượng 500 MW chỉ từ 50 MW để khởi động và duy trì quá trình nhiệt hạch. Đây là khoảng năng lượng mà một nhà máy phân hạch nhỏ tạo ra.

Mặc dù điều này thể hiện lợi tức đầu tư gấp 10 lần năng lượng, ITER sẽ không thu năng lượng mà nó tạo ra dưới dạng điện. Thay vào đó, dự án sẽ hoàn thành vai trò như một thiết bị thí nghiệm, cung cấp nhiều thông tin kỹ thuật về nhiều thành phần quan trọng của lò phản ứng.

Sugimoto của QST chỉ ra: “Sự thành công của ITER không ngay lập tức dẫn đến một nhà máy điện nhiệt hạch. Bước tiếp theo là chứng minh khả năng phát điện trong lò phản ứng trình diễn, DEMO. Các lò phản ứng nhiệt hạch thương mại sẽ đi vào hoạt động vào giữa thế kỷ này ”.

Bên cạnh các sáng kiến ​​do chính phủ lãnh đạo, còn có các sáng kiến ​​thương mại, bao gồm hai phòng thí nghiệm tư nhân ở Anh, Tokamak Energy và First Light Fusion. Theo Financial Times, cả hai đều đang đặt mục tiêu hoàn thành các lò phản ứng của mình vào năm 2030 để thương mại hóa.

Dù bằng cách nào, vẫn sẽ có một số cách để đi trước khi "khoa học viễn tưởng" về sự hợp nhất trở thành hiện thực và có thể chủ động giúp mang lại một thế giới không có mạng. Trang web ITER trích lời Lev Artsimovich , một viện sĩ người Nga và là một nhân vật lớn trong lịch sử nghiên cứu nhiệt hạch cho biết: "Năng lượng Nhiệt hạch sẽ sẵn sàng khi xã hội cần".

 ----o00o----

www.Uviet.net