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 9,2.10
7
kWh gấp 4 lần năng lượng do 1 kg U
235

giải phóng (2,3.10
7
kWh).

Phản ứng tổng hợp
2
He
4
từ
1
H
2
và
1
H
3


Bảng năng lượng giải phóng trong phản ứng nhiệt hạch:

Phản ứng Nhiệt lượng tỏa ra Q
fusion
(MeV)
1
H
2
+
1
H
2
->
2
He
3

+ n (50%)
1
H
2
+
1
H
2
->
1
He
3
+ p (50%)
1
H
2
+
1
H
3
->
2
He
4
+ n
p +
3
Li
7
->

2
He
4
+
2
He
4

n +
3
Li
6
->
2
H
4
+
1
He
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
-15
m. 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 10
10
K. Thực ra thì chỉ cần nhiệt độ cỡ 10
8
K 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 ->
2
He
3
+ γ )
2
He
3 +
2
He
3
->
2
He
4
+ 2p
Chu trình này biến các proton thành hạt nhân helium và giải phóng năng lượng rất lớn.
6p ->
2
He
4
+ 2p + 2e
+
+ 2γ Q=26MeV
Phản ứng này xảy ra với thời gian bán ra T
1/2
= 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 2.10
30
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 4,3.10
6
tấn/s.
Chu trình carbon-nitrogen gồm 6 phản ứng trong đó carbon đóng vai trò là chất xúc tác:
6
C
12
+ p ->
7
N
12

+ γ
7
N
12
+ p ->
6
C
13
+ e
+
+ ν
6
C

13
+ p ->
7
N
14
+ γ
7
N
14
+ p ->
8
O
15
+ γ
8
O
15
->
7
N
15
+ e
+
+ ν
7
N
15
+ p ->
6
C

13
+
2
He
4

------------------------------------
4p ->
2
He
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 T
1/2
=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
-9
s. 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
-9
s, 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/m
3
), thời gian nhốt plasma τ (S) và
nhiệt độ plasma T (K) phải thỏa mãn bất đẳng thức:
nτT ≥ 5.10
21
keV.s/m
3
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 P
in
. Khi lò phản ứng làm việc nguồn năng lượng nhiệt
hạch được sinh ra với công suất P
fus
. 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.