Trên đường đến năng lượng của tương lai

15

Trên đường đến năng lượng của tương lai

Sự phát triển của nền văn minh gắn bó chặt chẽ với sự gia tăng sản xuất năng lượng. Một cách hấp dẫn hơn là sử dụng năng lượng tổng hợp của các hạt nhân hydro nặng, trữ lượng của chúng nhất thiết phải lớn (xem “Vật lý-10”, § 145). Các phản ứng sau sẽ xảy ra:

$$\text{1H}^2 + \text{1H}^2 \rightarrow \text{2He}^3 + \text{0n}^1,$$

(1)

$$\text{1H}^2 + \text{1H}^2 \rightarrow \text{1H}^3 + \text{1H}^1.$$

(2)

Trong lần đầu tiên, hai hạt nhân hydro nặng được biến đổi thành hạt nhân gel nhẹ và neutron, trong lần thứ hai - thành hạt nhân hydro siêu nặng và một proton. Một lượng lớn năng lượng được giải phóng cùng một lúc. Thậm chí có thể thu được nhiều năng lượng hơn thông qua phản ứng giữa hydro nặng và hydro siêu nặng được tạo ra một cách nhân tạo:

$$\text{1H}^2 + \text{1H}^3 \rightarrow \text{2He}^4 + \text{0n}^1.$$

(3)

Vì hạt nhân nguyên tử có điện tích dương và đẩy nhau nên phản ứng nhiệt hạch chỉ có thể xảy ra ở chất có hạt nhân có động năng cao, đủ để thực hiện công chống lại lực đẩy. Điều này có nghĩa là những hạt nhân phản ứng này có thể được nhận ra khi chất này được nung nóng đến nhiệt độ rất cao. Vì vậy, những phản ứng như vậy được gọi là nhiệt hạch. Để thực hiện các phản ứng nhiệt hạch tích hợp (1-2), cần phải đun nóng hydro nặng đến vài trăm triệu độ và duy trì nhiệt độ này trong ít nhất vài giây. Phản ứng (3) có thể được quan sát ở nhiệt độ khoảng 100 triệu độ. Ở nhiệt độ như vậy, chất này chuyển sang trạng thái plasma - các nguyên tử hydro phân hủy thành các electron cấu thành và hạt nhân nguyên tử của chúng. Để ngăn plasma nóng “thoát” vào thành lạnh của bình bao quanh nó, nó phải được đặt trong từ trường. Trong trường hợp này, sóng Lorentz tác động lên mỗi hạt tích điện sẽ buộc nó “cuộn” trên đường cảm ứng từ, ngăn không cho bộ phận đó rời khỏi thành bình (xem “Vật lý-9”, § 93).

Tạo ra lò phản ứng nhiệt hạch là một nhiệm vụ khoa học kỹ thuật vô cùng phức tạp. Các nhà khoa học và kỹ sư đã nghiên cứu con đường lời giải của nó trong gần ba mươi năm. Một cách hấp dẫn hơn là sử dụng năng lượng tổng hợp của các hạt nhân hydro nặng, nguồn dự trữ chỉ cần một vòng quay. Cuộn dây này được hình thành bởi một buồng hình khuyên khép kín có hình xuyến (bánh rán). Buồng chứa đầy hydro ở áp suất thấp. Bằng cách cho dòng điện cao chạy qua cuộn sơ cấp của máy biến áp như vậy, nó sẽ gây ra sự cố điện trong khí chứa trong buồng. Hydro bị NON hóa và dòng điện thứ cấp chạy qua nó làm nóng nó đến nhiệt độ rất cao. Dòng điện vòng, dưới tác dụng của lực từ, bị co lại thành tiếng ồn plasma mỏng, vì các dòng điện song song, cùng chiều bị uốn cong (xem “Vật lý-9”, § 88). Để cô lập thành công plasma hydro, một từ trường bổ sung được sử dụng, được tạo ra bởi một nam châm điện, các cuộn dây được quấn trên bề mặt bên ngoài của hình xuyến. Từ “tokamak” có nguồn gốc từ các khe đầu tiên của các thành phần chính được đặt tên của hệ thống lắp đặt (PHÒNG TORONDAL trong TRƯỜNG TỪ TÍNH). Hiện có hơn 50 tokamak hoạt động ở nhiều quốc gia khác nhau.

Có một khái niệm cơ bản về con đường dẫn tới các phản ứng nhiệt hạch có kiểm soát. Phản ứng tổng hợp nhiệt hạch có thể được thực hiện trên cơ sở chuyển đổi vi mô định kỳ của các phần nhỏ nhiên liệu nhiệt hạch rắn (hydro). Về nguyên tắc, các chùm tia laser mạnh hoặc chùm electron dày đặc được gia tốc đến tốc độ gần bằng tốc độ ánh sáng có thể hòa tan và làm nóng một tay sai rắn bằng nhiên liệu nhiệt hạch đến các giá trị cao về mật độ và nhiệt độ mà tại đó phản ứng nhiệt hạch thành công diễn ra trong chất mỏ trong phần nano giây. Con đường này cũng đang được các nhà khoa học Liên Xô khám phá.

Ở nước ta, công việc nghiên cứu các phản ứng nhiệt hạch có kiểm soát được thực hiện trên diện rộng. Bài luận ảnh này sẽ cho bạn biết về một số nghiên cứu nhiệt hạch được thực hiện tại I.V. Viện Năng lượng nguyên tử Kurchatov. Những bức ảnh được chụp bởi V. Obodzinsky.

Những độc giả muốn tìm hiểu thêm về các vấn đề được thảo luận ở đây được khuyến khích trở thành:

V. Kadomtsev. Con đường đến năng lượng nhiệt hạch. “Khoa học và Đời sống”, 1976, số 1, tr. 44; V. Kadomtsev. Vật lý của tokamak. “Thiên nhiên”, 1979, số 2, tr. 21.

16

Hình 1. Một trong những cơ sở nhiệt hạch lớn nhất thế giới là Tokamak-10, đi vào hoạt động năm 1975. Nhiệt độ plasma trong đó sẽ lên tới 13 triệu độ. Mật độ plasma gần bằng giá trị của nó trong các lò phản ứng nhiệt hạch kỹ thuật trong tương lai. Về nguyên tắc, để tạo ra những lò phản ứng như vậy, chỉ cần tăng đáng kể kích thước của buồng torid là đủ. Vì vậy, Tokamak-10 có thể coi là nguyên mẫu của các nhà máy nhiệt điện hạt nhân trong tương lai.

Hình 2. Gần đây, một phương pháp làm nóng thêm plasma đã được phát triển bằng cách “tìm kiếm” hạt nhân hydro trong đó, được tăng tốc lên tốc độ cao trong các thiết bị gia tốc đặc biệt. Trong plasma nhiệt độ cao, các hạt còn tạo thành thành phần thậm chí còn nóng hơn.

Khi chúng va chạm với các hạt có thành phần lạnh hơn, chúng cung cấp cho chúng một phần động năng, do đó làm tăng nhiệt độ của plasma. Một phương pháp làm nóng plasma tương tự đang được nghiên cứu tại cơ sở Tokamak-11 được trình bày ở đây với hai kỹ sư (đang tìm kiếm) hạt nhân hydro được tăng tốc.