Hợp nhân nóng – Phần 1 | Thư Viện Vật Lý

Steve Cowley (Physics World, tháng 10/2010)

Bất chấp hơn 50 năm nỗ lực không ngừng, các lò phản ứng nhiệt hạt nhân ngày nay vẫn đòi hỏi năng lượng để làm cho chúng hoạt động nhiều hơn là năng lượng mà chúng có thể sản sinh ra. Steve Cowley cho biết bước tiếp theo là làm cho plasma nhiệt hạch tạo ra nhiệt của riêng nó – để làm cho nó nóng hơn cả lõi của Mặt trời.

Ảnh: CCFE

Đó phải là một trong những bài thuyết trình trước công chúng đáng nể nhất trong lịch sử khoa học. Thật vậy, bài phát biểu của Arthur Stanley Eddington trước cuộc họp năm 1920 của Khối Liên hiệp Anh ở Cardiff vẫn đáng để đọc vì tính đơn giản và rõ ràng, đó là chỉ mới nói riêng các lập luận thôi. Nhưng chính tầm nhìn xa trông rộng của ông mới là cái vẫn trụ vững gần một thế kỉ sau đó. Cho đến khi có bài phát biểu của Eddingtion, đông đảo người ta vẫn chấp nhận rằng Mặt trời sản sinh năng lượng bởi sự co lại do hấp dẫn, biến đổi thế năng hấp dẫn thành bức xạ. Chừng 60 năm trước đó, ngài huân tước Kelvin đã biện luận rằng cơ chế này có nghĩa là Mặt trời có thể không hơn 20 – 30 triệu năm tuổi. Nhưng sử dụng các lập luận đơn giản dựa trên một phạm vi rộng của các quan sát, Eddington đã chỉ rõ rằng Mặt trời phải già hơn ước tính của Kelvin và các ngôi sao phải khai thác một số nguồn năng lượng khác nào đó.

May thay, ngay trước bài phát biểu của Eddingtion, người đồng nghiệp Đại học Cambridge của ông, Francis Aston, đã đo được khối lượng của hydrogen và helium tương ứng là 1,008 và 4. Eddington cho rằng Mặt trời sản sinh năng lượng bằng cách biến đổi hydrogen thành helium – bằng cách kết hợp bốn hạt nhân hydrogen (proton) với hai electron và giải phóng năng lượng trong quá trình đó. Các chi tiết cụ thể tất nhiên là không chính xác – quá trình trên phức tạp hơn và có liên quan đến deuterium, positron và neutrino, chẳng hạn – nhưng quan điểm cơ bản thì đúng: Mặt trời thật sự đang biến đổi hydrogen thành helium.

Năng lượng giải phóng trong sự biến đổi này có thể tính bằng công thức E = mc² và khối lượng đo được của hydrogen và helium. Từ đây, Eddington ước tính rằng Mặt trời có đủ năng lượng để tỏa sáng trong 15 tỉ năm - gần một cách xuất sắc với các ước tính hiện đại là xấp xỉ 10 tỉ năm từ lúc hình thành cho đến khi Mặt trời đi vào pha kềnh đỏ của nó, khi nó tiêu thụ cạn hydrogen trong lõi của nó. Ông đã suy luận ra sự tồn tại của cái ngày nay chúng ta gọi là sự nhiệt hạch. Mặc dù Eddington rất thận trọng về tính chắc chắn của những kết luận của ông, nhưng ông đã nhận ra tiềm năng đáng kinh ngạc và lập tức nhìn thấy vô số lợi ích mà sự nhiệt hạt nhân có thể mang đến cho xã hội. Như ông phát biểu trước các thính giả ở Cardiff, “có đôi khi, chúng ta mơ rằng một ngày nào đó con người sẽ học được cách giải phóng năng lượng đó và sử dụng nó cho cuộc sống của mình”.

Tầm nhìn của Eddington ngày nay nằm trong tầm với của chúng ta, mặc dù chẳng dễ gì đạt tới mục tiêu xa xôi ấy. Trên hành trình khám phá, chúng ta cần phải phát triển lĩnh vực vật lí plasma, ngành học nghiên cứu các chất khí bị làm nóng đến mức các electron tách ra khỏi các nguyên tử của chúng. Bất chấp nhiều cam go thử thách, thật hợp lí nếu nói rằng các nhà khoa học ngày nay đã ‘chộp’ được sức mạnh của Mặt trời.

Từ ước mơ đến thực tại

Thật ra thì chương trình nhiệt hạch hiện đại đã bắt đầu vào những thời khắc cuối của Thế chiến thứ hai tại Los Alamos ở nước Mĩ, khi Enrico Fermi cùng các thành viên khác của đội khoa học chế tạo quả bom nguyên tử đầu tiên cho rằng một phản ứng nhiệt hạt nhân có thể được kích hoạt trong một plasma giam cầm bằng một từ trường. Tháng 5 năm 1946, George Thomson và Moses Blackman thuộc trường Imperial College London đã đăng kí bằng sáng chế cho một dụng cụ nhiệt hạch giam cầm bằng từ trường trong đó các nam châm mạnh có thể được sử dụng để giam giữ một plasma tại chỗ trong khi nó được làm nóng đến những nhiệt độ cao.

Vào đầu thập niên 1950, người ta biết rõ rằng phản ứng nhiệt hạch dễ kích hoạt nhất là phản ứng của hai đồng vị hydrogen – deuterium và tritium. Để kích thích sự hợp nhân đáng kể, plasma của deuterium và tritium phải được làm nóng lên đến nhiệt độ chừng 150 triệu kelvin. Nóng hơn tâm của Mặt trời chừng 10 lần, đây là một mục tiêu làm người ta thoái chí. Tuy nhiên, vào năm 1997, các nhà khoa học đã thu được nó trong một plasma giam cầm bằng từ tại Joint European Torus (JET) tại Trung tâm Năng lượng Nhiệt hạch Culham ở nước Anh. JET sản sinh ra 16 MW năng lượng hợp nhân trong khi được điều khiển bởi công suất vào 25 MW.

Có lẽ Eddingtion sẽ hài lòng với sự tiến bộ khoa học theo tầm nhìn của ông. Nhưng bất chấp những thành công đó, cho đến nay chúng ta vẫn chưa đạt tới mức có thể sản xuất điện năng thương mại và tầm vươn của sự nhiệt hạch đến với từng hộ gia đình vẫn còn rất nhiều thách thức. Chính xác thì cần phải làm những gì để chế tạo một nguồn điện nhiệt hạt nhân thương mại? Đâu là những vấn đề khoa học chính yếu? Các nước tự khẳng định vị thế của mình như thế nào khi tham gia vào nền kinh tế nhiệt hạch trong tương lai? Đây là những câu hỏi thiết yếu. Tuy nhiên, trước khi trở lại với chúng, điều cần thiết là đi trả lời câu hỏi quan trọng nhất hết thảy: tại sao lại quan tâm lo lắng như vậy? Có lẽ những nguồn năng lượng khác sẽ là những lựa chọn đơn giản hơn. Trên thực tế, có ít nguồn năng lượng lâu dài với tài nguyên đủ để thay thế cho chừng 80% năng lượng của chúng ta được sản xuất ra bằng nhiên liệu hóa thạch.

Trong những thập niên sắp tới, công nghệ phân hạch hạt nhân hiện nay sẽ giữ một vai trò thiết yếu trong việc sản xuất điện năng hàm lượng carbon thấp. Nhưng xét về lâu dài, ngoài sự nhiệt hạch ra, chỉ có năng lượng mặt trời và sự phân hạch hạt nhân với các lò phản ứng tái sinh uranium hoặc thorium (các lò phản ứng tái sinh nhiên liệu hạt nhân và vì thế kéo dài thêm nguồn tài nguyên nhiên liệu hóa thạch) mới có khả năng thay thế cho các nhiên liệu hóa thạch. Những công nghệ này vẫn cần có thêm nhiều nghiên cứu trước khi chúng sẵn sàng được sử dụng trên quy mô lớn. Tuy nhiên, bất chấp tiềm năng này, rõ ràng chẳng có nguồn năng lượng nào mang lại triển vọng đặc biệt như sự nhiệt hạch: nhiên liệu trên thực tế là vô hạn; chất thải thấp; không sản sinh carbon-dioxide; các chi tiết an toàn thật hấp dẫn và sử dụng ít tài nguyên đất đai. Đây là những nguyên do đầy thuyết phục để phát triển sự nhiệt hạch, cho dù sự thành công là không đảm bảo cho lắm.

Hình 1. Deuterium (hydrogen nặng) và tritium (hydrogen siêu nặng) hợp nhất tạo thành helium và một neutron – giải phóng 17,6 MeV năng lượng dưới dạng năng lượng nhiệt hạch. Đây là phản ứng nhiệt hạch dễ kích hoạt nhất vì nó có tỉ lệ phản ứng cao ở nhiệt độ thấp (trong đó “thấp” có nghĩa là 100-200 triệu kelvin). Tritium không xuất hiện trong tự nhiên vì nó phân hủy với chu kì bán rã ngắn 12 năm thành helium-3. Do đó, nó phải được “nhân giống” từ lithium, sử dụng neutron sinh ra trong phản ứng nhiệt hạt nhân deuterium–tritium. Ở đây, neutron gây ra phản ứng nhân giống tritium với đồng vị lithium-6, đồng vị chiếm khoảng 7,5% lithium xuất hiện trong tự nhiên. Nhiên liệu cho phản ứng nhiệt hạch này, vì thế, là deuterium và tritium, chúng có dồi dào trong nước biển.

Lò phản ứng nhiệt hạt nhân tự nóng

Vậy cần phải làm gì để hiện thực hóa thành tựu của JET về năng lượng nhiệt hạch? Giai đoạn tiếp theo rõ ràng là đi chứng minh rằng một nhà máy sản sinh sản xuất điện là có thể xây dựng được – cái mà JET đã không được thiết kế để đạt tới. Tỉ số của năng lượng nhiệt hạch và năng lượng điện tiêu thụ để kích hoạt và duy trì phản ứng phải tăng lên. Điều này đòi hỏi một plasma tự làm nóng – một plasma được làm nóng lên bởi các hạt nhân helium giàu năng lượng sinh ra sinh ra trong sự hợp nhân deuterium-tritium (hình 1).

Cơ sở Đánh lửa Quốc gia (NIF) tại Phòng thí nghiệm quốc gia Lawrence Livermore ở Mĩ sử dụng một phương pháp khác để nhiệt hạch thay cho phương pháp giam cầm từ tính vừa nói ở trên. Cơ sở này được thiết kế để tập trung 500 TW năng lượng lên trên một viên nhiên liệu cỡ mili mét, sử dụng một ma trận gồm 192 laser. Năng lượng nhiệt hạch sinh ra được kì vọng là gấp khoảng 10 đến 20 lần năng lượng do các laser cung cấp dưới dạng ánh sáng. Đây sẽ là một minh chứng đáng kể của sự “đốt cháy” nhiệt hạch, tức là sự tự làm nóng. Tuy nhiên, laser NIF có hiệu suất dưới 1% và vì thế cơ sở này vẫn không chứng minh được yêu cầu thiết yếu rằng sự sản sinh năng lượng thực là có thể.

Đối với phương pháp nhiệt hạch giam cầm từ tính, minh chứng thiết yếu đã sắp có mặt. Bảy đối tác quốc tế - Trung Quốc, Liên minh châu Âu, Nhật Bản, Hàn Quốc, Ấn Độ, Nga và Mĩ, đại diện hơn một nửa dân cư của thế giới – hiện nay, sau nhiều năm trì hoãn, đang xây dựng một dụng cụ tự làm nóng gọi là ITER tại Cadarache ở miền nam nước Pháp (hình 2). Giống như JET, thí nghiệm này sẽ có cơ cấu từ tính gọi theo tên tiếng Nga là “tokamak”. ITER sẽ được hoàn thành trong 10 năm và vài năm sau đó thì người ta hi vọng nó sẽ tạo ra chừng 500 MW công suất phát từ chưa tới 50 MW công suất vào – một sự khuếch đại ít nhất là 10 bậc độ lớn. Một phần năm (chừng 100 MW) năng lượng nhiệt hạch sẽ được giải phóng dưới dạng các hạt nhân helium năng lượng tính, chúng bị bẫy lại bởi từ trường và tự làm nóng khối plasma. Mục tiêu là duy trì mức công suất này trong khoảng thời gian 400 giây hoặc lâu hơn. Tuy nhiên, những thí nghiệm gần đây thực hiện với JET và các máy móc khác, cùng với việc lập mô phỏng chi tiết, cho thấy người ta có thể tăng đáng kể khoảng thời gian đó lên – và độ khuếch đại cũng tăng lên. Cho dù không có những sự gia tăng thêm này, thì ITER vẫn sẽ sản xuất ra các mức công nghiệp của năng lượng nhiệt hạch trong khi chủ yếu tự làm nóng lên; đây là chế độ plasma-cháy. Minh chứng này của tính khả thi về mặt khoa học của sự nhiệt hạch hiệu suất cao là một bước tối quan trọng trên con đường tiến đến sản xuất điện nhiệt hạch.

Hình 2. Hiện đang được xây dựng tại Cadarache ở miền nam nước Pháp, ITER sẽ chứa gần 830 m³ plasma nóng bên trong một cái hộp hình toroid. Sự giam cầm được cung cấp bởi một từ trường chừng 5,2 T tạo ra bởi một cuộn dây siêu dẫn niobium-thiếc ở nhiệt độ 4 K. Plasma sẽ được làm nóng lên đến nhiệt độ nhiệt hạch bằng các sóng vô tuyến và các hạt trung hòa năng lượng tính được bơm vào plasma. Một khi đạt tới nhiệt độ nhiệt hạch (chừng 200 triệu kelvin), người ta kì vọng ITER sẽ sản sinh ra chừng 500 MW năng lượng nhiệt hạch trong hơn 400 giây và chủ yếu tự làm nóng lên – những plasma như vậy được gọi là plasma cháy. ITER được thiết kế để có “chu trình công suất” ít nhất là 25% - tức là khoảng thời gian trống giữa những lần bắn plasma cháy chưa tới ba lần khoảng thời gian bắn (Ảnh: ITER).

Nhưng làm sao chúng ta biết ITER sẽ đạt tới những mức hiệu suất này? Thông số vật lí quan trọng là “thời gian giam cầm năng lượng”, τ_E, đó là tỉ số của năng lượng trong plasma và năng lượng cung cấp để làm nóng plasma, trong đó năng lượng cung cấp là nguồn tự làm nóng nhờ helium do sự nhiệt hạch sinh ra (một phần năm năng lượng nhiệt hạch, P_{nhiệt hạch}/5) và năng lượng ngoài (P_nhiệt). Thời gian giam cầm năng lượng tham số hóa cho mức độ từ trường cô lập plasma tốt như thế nào – đại khái có thể xem nó là thời gian cần thiết để nhiệt đưa vào plasma tìm đường thoát trở ra ngoài. Plasma được duy trì trong nhiều lần giam cầm năng lượng (trên nguyên tắc là vô hạn) bởi sự làm nóng. Rõ ràng τ_E càng lớn thì lò phản ứng nhiệt hạch có tổng công suất phát càng lớn. hiệu suất năng lượng được định nghĩa là Q = P_{nhiệt hạch}/ P_nhiệt. Năng lượng nhiệt hạch deuterium-tritium sinh ra trong mỗi mét khối plasma ở một nhiệt độ và mật độ (mật độ năng lượng nhiệt hạch) cho trước có thể tính ra bằng tiết diện hiệu dụng nhiệt hạch đo được (tỉ lệ phản ứng đối với một va chạm nhiệt hạch cho trước). Trong ngưỡng nhiệt độ 100 × 10⁶–200 × 10⁶ K, mật độ năng lượng nhiệt hạch xấp xỉ bằng 0,08p² MWm^–3, trong đó áp suất plasma, p, được đo theo atmosphere.

Ở áp suất cao, năng lượng nhiệt hạch lớn và plasma hoàn toàn tự làm nóng (P_nhiệt = 0 và Q → ∞) – đây được gọi là “sự đánh lửa”. Việc làm nóng plasma từ bên ngoài (cung cấp P_nhiệt) làm giảm công suất toàn phần và làm phức tạp thêm đối với thiết kế lò phản ứng. Vì thế, độ khuếch đại cao là thiết yếu. Hiệu quả của một dụng cụ nhiệt hạch phụ thuộc vào trạng thái của plasma – đặc biệt là tích nhiệt hạch, pτ_E, và nhiệt độ plasma, T. Sự đánh lửa xảy ra đại khái khi pτ_E > 20. Trong ITER, áp suất plasma trung tâm sẽ đạt tới khoảng 7 atmosphere và thời gian giam cầm được kì vọng là trong ngưỡng 3,5 – 4 giây (lưu ý là plasma của ITER sẽ được duy trì trong hơn 400 giây – có lẽ là hàng nghìn giây). Đồ thị biểu diễn p > iτ_E theo T cho phép so sánh hiệu suất đối với các tokamak khác nhau, trong đó p_i = p/2 là áp suất ion trong vùng chính giữa của plasma toroid (hình 3).

Hình 3. Dữ liệu chọn lọc từ các tokamak khác nhau chứng minh sự tiến bộ thật sự trong những thập niên gần đây, với nhiệt độ ion hơn 100 triệu kelvin tính cho đến nay. Với JET, người ta đã đạt tới hiệu suất năng lượng (Q) vào khoảng 0,7 – thành tựu này được đánh dấu “breakeven” trong biểu đồ này. Thí nghiệm Nhật Bản JT60 đã chạy không cần tritium nhưng nếu nó sử dụng tritium, thì độ khuếch đại sẽ là 1,25. ITER được kì vọng mang lại độ khuếch đại lớn hơn 10 – các lò phản ứng thương mại thì cần lớn hơn 20.

Còn tiếp Phần hai...

Trần Nghiêm dịch – thuvienvatly.com