Phản ứng nhiệt hạch trong sản xuất điện

THUYẾT TRÌNH
HỌC PHẦN:
CÔNG NGHỆ NHÀ MÁY ĐIỆN
1
LÝ DO BẠN CẦN QUAN TÂM ?
LÝ DO BẠN CẦN QUAN TÂM ?
1. Tìm kiếm nguồn năng lượng mới với nguyên liệu
dồi dào, có khả năng tái tạo và thân thiện với môi
trường.
2. Hiểu nguyên lý của một phản ứng nhiệt hạch.
3. Tìm hiểu điều kiện để phản ứng nhiệt hạch xảy ra.
4. Hiểu các ứng dụng của phản ứng nhiệt hạch trong
sản xuất năng lượng sạch.
2
NỘI DUNG TRÌNH BÀY
NỘI DUNG TRÌNH BÀY
I. Khái niệm chung.
II. Năng lượng nhiệt hạch.
III. Điều kiện của phản ứng nhiệt hạch.
IV. Thiết bị Tokamak.
V. Các ứng dụng.
VI. Kết luận.
3
I. KHÁI NIỆM CHUNG
I. KHÁI NIỆM CHUNG
1. Nguyên tử
-
Nguyên tử là thành phần cấu tạo nên vật
chất.
-
Nguyên tử gồm hạt nhân và các electron

quay xung quanh (nguyên tử hyđrô khi trung
hoà chỉ có một electron).
-
Hạt nhân là tập hợp các proton và nơtron
(riêng hạt nhân nguyên tử hyđrô chỉ có một
proton) tập trung trong một thể tích rất nhỏ
và chịu tác động của hai loại lực khác nhau:
lực hạt nhân và lực điện.
4
I. KHÁI NIỆM CHUNG
I. KHÁI NIỆM CHUNG
3. Phản ứng nhiệt hạch là gì
Là quá trình 2 hạt nhân nhẹ tổng hợp lại với nhau để tạo nên một nhân
mới nặng hơn. Cùng với quá trình này là sự phóng thích năng lượng
hay hấp thụ năng lượng tùy vào khối lượng của hạt nhân tham gia.
Trong phản ứng nhiệt hạch cơ bản,
deuterium (D) và tritium (T) kết hợp lại tạo
thành helium và một neutron năng lượng
rất cao:
2D + 3T → 4He (3.5 MeV) + n (14.1 MeV)
2. Phản ứng hạt nhân
Là tất cả những biến đổi có xu hướng tạo ra các hạt nhân trung bình
cho phép giải phóng năng lượng hạt nhân.
5
II. NĂNG LƯỢNG NHIỆT HẠCH
II. NĂNG LƯỢNG NHIỆT HẠCH
2. Ưu/Nhược điểm của năng lượng nhiệt hạch
Ưu điểm:
* Phản ứng nhiệt hạch toả ra năng lượng rất lớn.
* Nguồn nhiên liệu tạo nên các phản ứng nhiệt hạch là dồi dào.

* Phản ứng nhiệt hạch không làm ô nhiễm môi trường
Nhược điểm:
* Điều kiện thực hiện khó khăn: Nhiệt độ rất cao, giam cầm nhiên liệu
khó….

1. Năng lượng nhiệt hạch
Là năng lượng tỏa ra bởi các phản ứng nhiệt hạch. Năng lượng này là
rất lớn, lớn gấp nhiều lần năng lượng thu được từ các nguồn nhiên liệu
khác.
 Ta có thể khai thác nguồn năng lượng này để sản xuất điện năng.

6
III. ĐIỀU KIỆN PHẢN ỨNG
III. ĐIỀU KIỆN PHẢN ỨNG
Để phản ứng nhiệt hạch xảy ra cần có những điều kiện:
- Nhiệt độ cao từ 50 đến 100 triệu độ.
- Mật độ hạt nhân trong plasma phải đủ lớn.
- Thời gian duy trì trạng thái plasma ở nhiệt độ cao 100 triệu độ phải
đủ lớn.
7
* Plasma
Plasma là trạng thái thái thứ 4 vật chất trong đó các chất bị ion hóa
mạnh. Đại bộ phận phân tử hay nguyên tử chỉ còn lại hạt nhân; các
electron chuyển động tương đối tự do giữa các hạt nhân.
Dòng Plasma từ quả cầu sét Dòng Plasma từ mặt trời
IV. TOKAMAK
IV. TOKAMAK
1. Mục đích
- Yêu cầu phải tạo ra các plasma nhiệt độ cao để đảm bảo cho
sự nhiệt hạch xảy ra, đồng thời làm nóng và giam cầm nguồn

nguyên liệu sử dụng trong phản ứng.
- Có hai lộ trình chính để có được sự giam cầm: hoặc chúng ta
có thể giữ plasma trong một từ trường đồng thời làm nóng
nó bằng cách sử dụng sóng vô tuyến hay các chùm hạt; hoặc
chúng ta có thể nén nó đến những mật độ chưa có tiền lệ, sử
dụng laser.
8
IV. TOKAMAK
IV. TOKAMAK
2. Thiết bị Tokamak
Tokamak là thiết bị tạo ra một từ trường hình xuyến (toroidal) để giữ
plasma bên trong. Có nhiều loại thiết bị giữ plasma bằng từ trường, tuy
nhiên trong nghiên cứu tổng hợp hạt nhân, tokamak là thiết kế có triển
vọng nhất.
9
* Hệ thống tạo từ trường Toroidal: có
kích thước rất lớn gồm nhiều thanh nam
châm siêu dẫn, chức năng chính là giam
giữ các điện tích của plasma.
* Hệ thống từ trường Poloidal: bao
gồm 6 cuộn dây độc lập đặt bên ngoài
của cấu trúc Toroidal với chức năng
gom plasma cách xa bức tường và góp
phần làm dòng plasma ổn định. Từ
trường Poloidal đựơc cảm ứng bởi nam
châm và dòng điện trong plasma
IV. TOKAMAK
IV. TOKAMAK
Đặc trưng của tokamak là có trục đối
xứng tròn xoay và sử dụng dòng plasma

để tạo ra thành phần xoáy của từ trường
cần thiết nhằm tạo ra sự cân bằng ổn
định.
 Đây chính là thiết bị sẽ biến năng lượng được giải phóng trong
phản ứng nhiệt hạch thành điện năng.
10
* Nguyên lý sản xuất điện
Năng lượng thu được từ phản ứng nhiệt hạch ở dạng nhiệt
năng và được thu lại bằng chất lỏng làm nguội. Phần nhiệt
năng thu nhận được sẽ được sử dụng để chạy máy phát điện.
Những lò phản ứng hạt nhân thông dụng là những kiểu lò
chạy bằng nước nhẹ gọi chung là lò phản ứng nước
nhẹ (LWR, Light Water Reactor), những lò này sinh ra hơi
nước trực tiếp ngay trong lò phản ứng, như những kiểu lò
phản ứng nước sôi (BWR, Boiled Water Reactor), hoặc ở
ngoài lò qua một bộ chuyển nhiệt, như những kiểu lò phản
ứng nước nén (PWR, Presurized Water Reactor). Vì vậy,
một lò phản ứng hạt nhân thường được gọi là lò hơi hạt
nhân.
V. ỨNG DỤNG
V. ỨNG DỤNG
11
V. ỨNG DỤNG
V. ỨNG DỤNG
1. JT-60 (Japan Torus – 60) là
công trình mũi nhọn của chương
trình nhiệt hạch từ tính
(magnetic fusion program) Nhật
Bản, do Viên Nghiên cứu năng
lượng nguyên tử Nhật Bản

JAERI Japan Atomic Energy
Research Institute) thực hiện
trong khu nghiên cứu nhiệt hạch
Naka tại Ibaraki. JT-60 đang giữ
kỷ lục về nhiệt độ của ion lên
tới 520 triệu độ.
12
V. ỨNG DỤNG
V. ỨNG DỤNG
2. START (Small Tight
Aspect Ratio Tokamak) là thí
nghiệm nhiệt hạch nguyên tử sử
dụng máy tokamak bắt đầu từ
năm 1991 tại Trung tâm khoa
học Culham (Culham Science
Centre), Anh quốc và kết thúc
năm 1998 trước khi được tháo
gỡ và chuyển tới Phòng thí
nghiệm ENEA tại Frascati,
Italy.
START giữ kỷ lục cao nhất về
áp lực plasma, thu được bằng
cách sử dụng súng bắn tia trung
tính (neutral beam injector) làm
nóng plasma.
13
V. ỨNG DỤNG
V. ỨNG DỤNG
3. MAST (Mega Ampere
Spherical Tokamak) là thí

nghiệm nhiệt hạch nguyên tử
thực hiện tại Trung tâm khoa
học Culham, Anh quốc, từ
năm 1999, tiếp theo các thành
công của thí nghiệm START
(1991 – 1998). MAST cũng
sử dụng thiết kế tokamak
hình cầu cải tiến như
START.
14
V. ỨNG DỤNG
V. ỨNG DỤNG
4. JET (Joint European
Torus) là thí nghiệm vật lý
nhân tạo lớn nhất của châu âu
để giam giữ plasma đang hoạt
động. Được đặt tại Anh, mục
đích chính của nó là để mở
đường cho tương lai các lò
phản ứng tổng hợp hạt
nhân thí nghiệm như ITER và
DEMO.
15
V. ỨNG DỤNG
V. ỨNG DỤNG
5. TFTR ( Tokamak Fusion Test Reactor)
tại Phòng thí nghiệmVật lý plasma Princeton
(PPPL) 1982-1997. TFTR thiết lập nhiệt độ
trong plasma đạt tới 510 triệu độ, vượt
quá 100 triệu độ cần thiết cho tổng hợp hạt

nhân thương mại. TFTR cũng đạt được tất
cả các mục tiêu thiết kế phần cứng, góp
phần đáng kể trong lĩnh vực phát triển công
nghệ nhiệt hạch.
12/1993, TFTR trở thành thiết bị đầu tiên trên
thế giới phản ứng tổng hợp từ để thực hiện thí
nghiệm với plasma gồm deuterium 50/50 /
triti - nhiên liệu cần thiết cho thực tiễn sản
xuất điện nhiệt hạch. Năm 1994, TFTR sản
xuất một lượng kỷ lục 10.700.000 watt
điện nhiệt hạch có kiểm soát, đủ để đáp ứng
nhu cầu của hơn 3.000 ngôi nhà. Tuy nhiên
chưa thể duy trì được thời gian.
16
V. ỨNG DỤNG
V. ỨNG DỤNG
6. Tokamak ITER (International
Thermonuclear Experimental
Reactor)
là một chương trình thí nghiệm
tokamak quốc tế đặt tại Pháp. Lò
phản ứng ITER được thiết kế để
chứng tỏ tính khả thi xét trên phương
diện khoa học cũng như kỹ thuật của
một lò phản ứng năng lượng nhiệt
hạch hoàn chỉnh.
ITER là thí nghiệm lớn cuối cùng
trước khi một nhà máy điện nhiệt
hạch chính thức được xây dựng trên
thế giới. Đề án này không có tham

vọng giải quyết tất cả các vấn đề
năng lượng của trái đất, nhưng nó sẽ
chứng minh rằng có thể sản xuất
được lượng năng lượng rất lớn xuất
phát từ phản ứng tổng hợp hạt nhân
“nhiệt hạch”.
17
V. ỨNG DỤNG
V. ỨNG DỤNG
Thành phần cơ bản của lò phản ứng nhiệt hạch.
18
1. Bộ phận tạo từ trường
2. Buồng phản ứng
3. Divertor
4. Buồng chân không
5. Buồng lạnh
6. Hệ thống điều khiển và đo đạc
VI. KẾT LUẬN
VI. KẾT LUẬN
- Việc tìm kiếm giải pháp để tạo ra phản ứng nhiệt hạch nhân tạo, có
kiểm soát là khả thi.
- Thông qua các thí nghiệm con người đang dần làm chủ được công nghệ
và kỹ thuật sản xuất điện từ phản ứng nhiệt hạch.
- Trong tương lai không xa các nhà máy điện nhiệt hạch sẽ được hình
thành và đóng góp đáng kể vào nguồn năng lượng của thế giới.
19
20