Hợp nhân nóng – Phần 2 | 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.

>> Xem Phần 1

Dự đoán công suất cao tại ITER

Câu hỏi kĩ thuật thách thức nhất mà cộng đồng nhiệt hạch phải đối mặt là xác định thời gian xem thời gian giam cầm là bao nhiêu và làm thế nào chúng ta có thể đảm bảo nó sẽ đạt tới 3,5 – 4 s. Chúng ta biết rằng sự tổn thất nhiệt từ các plasma giam cầm bằng từ được điều khiển bởi sự nhiễu loạn quy mô nhỏ. Sự nhiễu loạn đó gồm các thăng giáng mật độ plasma và trường điện từ gây ra ít nhiều cuộn xoáy của dòng plasma. Các thăng giáng nhiễu loạn về cơ bản là những sóng âm không bền bị chi phối bởi gradient nhiệt độ trong plasma. Giống như sự đối lưu trong chảo nước, các xoáy vận chuyển plasma nóng ra và plasma lạnh vào. Sự tiến bộ trong việc cải thiện hiệu suất tokamak trong 40 năm qua thu được bằng cách làm triệt tiêu ngày một tốt hơn sự đối lưu loạn của nhiệt và do đó làm tăng τ_E. Một trong những thành tựu khoa học của thập niên vừa qua là khả năng tính ra nhiễu loạn này, sử dụng các máy tính hiệu suất cao cung cấp các chương trình mô phỏng tiên tiến (hình 4).

Các so sánh chi tiết giữa các mô phỏng và các phép đo cho thấy trong nhiều trường hợp, các phép tính thật sự đã chộp chính xác cơ sở động lực học phức tạp ấy. Tuy nhiên, vẫn còn có thêm cải tiến, đặc biệt trong những trường hợp đang gây hào hứng, trong đó nhiễu loạn được mô phỏng hầu như hoàn toàn triệt tiêu mất. Lí thuyết phân tích của sự nhiễu loạn này thật phức tạp và hiện nay người ta chỉ mới bắt đầu tìm hiểu. Tuy nhiên, kiến thức định tính của sự vận chuyển xoáy hỗn độn có thể thu được từ một lập luận đơn giản dựa trên đặc điểm của các sóng âm không bền tạo ra các cấu trúc xoáy đó. Lập luận này mang lại ước tính τ_E = L³B²T^–3/2, trong đó L là kích cỡ của dụng cụ, B là cảm ứng từ và T là nhiệt độ của nó. Rõ ràng dụng cụ càng lớn sẽ tiến hành công việc tốt hơn do sự tỉ lệ lũy thừa L³. Thật vậy, sự tỉ lệ theo lối kinh nghiệm suy ra từ nhiều thí nghiệm chỉ khác chút ít với ước tính đơn giản trên. Thời gian giam cầm năng lượng của ITER được dự đoán theo hai cách: thứ nhất, bằng cách ngoại suy từ các máy móc hiện có sử dụng sự tỉ lệ theo lối kinh nghiệm; thứ hai, sử dụng các mô hình vận chuyển cục bộ phức tạp suy ra từ các mô phỏng. Những tiên đoán này được kì vọng là rất chính xác, với thời gian giam cầm trong ngưỡng 3,5 – 4 s. Tiên đoán này là cơ sở cho sự tin tưởng của chúng ta rằng ITER sẽ đạt tới chế độ plasma cháy tự làm nóng. Chúng ta có thể có một cảm nhận định tính cho sự ngoại suy trên sử dụng sự tỉ lệ kiểu quãng đường ngẫu nhiên đơn giản: JET thu được thời gian giam cầm τ_E ~ 0,5–1 s và do đó ITER (đại thể to hơn gấp đôi, nóng hơn 30% và có từ trường lớn hơn chừng 30%) sẽ có thời gian giam cầm τ_E ~ 4 s.

Kĩ thuật phủ chăn

Với kiến thức hiện nay của chúng ta, hợp lí hơn là hãy giả sử ITER sẽ đạt tới mục tiêu plasma cháy của nó vào giữa thập niên 2020. Tuy nhiên, như mọi kĩ sư đều biết, việc xây dựng một nhà máy điện thương mại thường mất nhiều công sức hơn là chỉ đơn giản chứng minh một mẫu thiết kế có thể hoạt động trên các nguyên lí khoa học. Thật vậy, một số bộ phận của bất kì lò phản ứng nhiệt hạch tương lai nào – đặc biệt là các hệ nhân giống tritium từ lithium (phản ứng thứ hai trong hình 1) và biến đổi năng lượng neutron thành điện năng – cho đến nay vẫn chưa được kiểm tra ở bất kì quy mô nào. Các neutron sinh ra trong các phản ứng deuterium–tritium, chúng mang bốn phần năm năng lượng nhiệt hạch, chưa được giam giữ bởi từ trường và do đó rời khỏi plasma và đi qua thành bao xung quanh. Bên trong thành bao, phải có một hệ phức tạp hấp thụ các neutron trên, trích xuất nhiệt và “nhân giống” tritium từ lithium – thành bao này được gọi là “chăn phủ”.

Có nhiều mẫu chăn nhưng chúng đều có một vài điểm chung: chúng thường dày 0,5 – 1 m, cách li với plasma bằng một thành thép và bọc phía ngoài bằng một lá chắn thép. Lớp chăn đó chứa lithium, chúng hấp thụ neutron từ sự nhiệt hạch để nhân giống tritium (hình 1), sau đó cho tritium vào trong plasma làm nhiên liệu. Cũng có mặt trong lớp chăn là các bộ nhân neutron và một chất làm nguội dùng để trích lấy tritium và nhiệt lượng, cái cần thiết để cấp nguồn cho một tuabin và sản xuất ra điện năng.

Lớp chăn đó phải thỏa mãn một số yêu cầu cơ bản: để có giá trị về mặt kinh tế, nó phải hoạt động ổn định ở nhiệt độ cao trogn một môi trường neutron gay gắt trong nhiều năm; và để tự cung cấp tritium, nó phải nhân giống lượng tritium nhiều hơn lượng do các phản ứng nhiệt hạch tiêu thụ. Các công nghệ chăn, cũng như thành bao, đang trở thành chủ đề chính của chương trình nhiệt hạch và sẽ tiêu biểu cho nhiều tính chất thông minh đi cùng với sự nhiệt hạch thương mại. Những công nghệ hệ lò phản ứng này là cần thiết cho một nền kinh tế nhiệt hạch trong tương lai – chúng ta không thể chờ đến các kết quả của ITER để bắt đầu phát triển chúng.

Một điều kiện tiên quyết cho một hệ chăn-thành bao hợp lí là các vật liệu có sức bền. Các vật liệu cấu tạo, vật liệu nhân giống và vật liệu dòng-nhiệt-cao là cần thiết. Trong các điều kiện lò phản ứng tiêu biểu, các nguyên tử ở trong vài cm đầu tiên của thành bao đối mặt với plasma sẽ phải chuyển đi, hay thay thế, bởi sự bắn phá neutron hơn mười lần một năm. Mỗi lần dịch chuyển làm cho cấu trúc cục bộ của thành rắn bị sắp xếp lại. Thường thì đây sẽ là điềm lành nhưng đôi khi nó có thể làm cho cấu trúc yếu đi. Vì thế, các cấu trúc cần phải giữ được tính nguyên vẹn cấu trúc trong những điều kiện rất thách thức này trong vài ba năm. Để giảm tối thiểu tác động môi trường của sự nhiệt hạch, các thành bao còn phải chế tạo bằng những nguyên tố không trở thành chất thải phóng xạ lâu năm sau khi bị bắn phá neutron năng lượng cao.

Chúng ta không biết chắc chắn những vật liệu như vậy có tồn tại hay không, nhưng một vài vật liệu ứng cử viên triển vọng đã được đề xuất. Thí dụ, những loại thép đặc biệt đã được chứng minh là có những tính chất cấu trúc thích hợp trong các phép tính lí thuyết và trong các phép kiểm tra chùm ion tiến hành tại Culham và các trường đại học Anh quốc. Nhưng chúng ta vẫn không biết chắc chắn cho đến khi các mẫu được đưa vào một môi trường bức xạ neutron kiểu nhiệt hạch. Cơ sở Vật liệu Chiếu xạ Nhiệt hạch Quốc tế (IFMIF) là một nguồn neutron do máy gia tốc cung cấp đã được phát triển bởi cộng đồng nghiên cứu quốc tế để kiểm tra các mẫu nhỏ của các chất liệu có triển vọng; đội thiết kế của nó làm việc ở Nhật Bản là một bên đối tác đã mang ITER đến với châu Âu. Phổ neutron của IFMIF sẽ bắt chước phổ neutron năng lượng cao của một lò phản ứng nhiệt hạch. Các mẫu sẽ được chiếu xạ trong một chùm neutron trong vài năm để đánh giá các biến đổi tính chất cấu trúc của chung.

Chúng tôi cần cơ sở thử nghiệm

Hình 4. Các thăng giáng mật độ plasma gây ra bởi sự nhiễu loạn, mô phỏng cho tokamak tại General Atomics ở La Jolla, California, sử dụng một bộ mã máy tính gọi là GYRO. Các đường sức từ nằm bám trên những bề mặt hình bánh rán – các mặt toroid. Trong hìn này, chúng ta có thể thấy hai bề mặt như vậy, sự nhiễu loạn giữa chúng và hai lát cắt bề mặt. Vùng plasma nóng ở giữa bị bỏ qua. Các đường sức đó không được thể hiện nhưng các thăng giáng kéo dài theo các đường sức từ và do đó có thể nhìn thấy là các vệt đỏ và lam dọc theo mặt toroid. Dòng nhiễu loạn đại khái dọc theo các đường màu không đổi và vuông góc với các đường sức từ. GYRO giải các phương trình động học cho các vòng tích điện hình thành bởi chuyển động xoắn ốc của các hạt xung quanh các đường sức từ. Từ trường được tính ra từ các phương trình Maxwell. (Ảnh: Jeff Candy và Ron Waltz)

Nếu, đúng như trông đợi, ITER tỏ ra thành công, thì sự phát triển lớp chăn có khả năng là hướng đi quan trọng cho sự nhiệt hạch. Các mẫu chắn đã và đang được phát triển và kiểm nghiệm với các nguồn neutron yếu, và có vẻ như những thiết kế này sẽ nhân giống trititum đủ hiệu quả để tự cung cấp. Nhưng chúng phải được kiểm tra ở năng lượng nhiệt hạch trọn vẹn trước khi chúng ta có thể đảm bảo một hệ thống hợp lí có giá trị thương mại. Mặc dù các mô-đun chăn thử nghiệm sẽ được đặt trong thành của ITER vào những giai đoạn sau này của quá trình hoạt động, nhưng các thử nghiệm dứt khoát đòi hỏi một dòng neutron liên tục 1–2 MW m^–2 trong vài ba năm, yêu cầu đó sẽ không thể đạt tới về mặt kĩ thuật tại ITER. Vì thế, tôi tin rằng một “cơ sở thử nghiệm bộ phận” (CTF) có thể cung cấp dòng neutron ở mức lò phản ứng trên nhiều mét vuông là cần thiết để tăng tốc đáng kể sự phát triển của lớp chăn và các cấu trúc thành bao. Để mang lại một dụng cụ như vậy đòi hỏi nó phải nhỏ gọn với công suất tiêu thụ thấp.

Các nhà nghiên cứu tại Culham đã phát triển tiên phong một dụng cụ nhỏ gọn gọi là tokamak cầu, là một ứng cử viên sáng giá cho một CTF. Thật vậy, MAST (Tokamak Cầu MegaAmp) đã đạt được các điều kiện plasma thật ấn tượng ở một quy mô rất khiêm tốn. Các tính toán và đo lường cho thấy MAST thu được sự giam cầm tốt bằng cách triệt tiêu sự nhiễu loạn, bằng cách cho plasma quay tròn ở tốc độ siêu thanh. Thí nghiệm Tokamak Cầu Quốc gia (NSTX) tại Princeton ở Mĩ cũng hoạt động ở quy mô cỡ MAST.

Kết quả từ những dụng cụ này cho thấy tokamak cầu là một ứng cử viên lí tưởng cho một dụng cụ nhiệt hạch nhỏ gọn và linh hoạt – nghĩa là một ứng cử viên thích hợp cho một CTF. Do đó, Culham và Phòng thí nghiệm quốc gia Oak Ridge ở Mĩ đã phát triển các mẫu CTF trên khái niệm dựa trên các tokamak cầu. Những cơ sở này có thể kiểm tra toàn bộ các bộ phận của lớp chăn và thành bao ở công suất trọn vẹn trong nhiều năm. Cả Princeton và Culham đều đang nâng cấp máy móc của họ để chứng minh tính xác thực của các mẫu khái niệm này. MAST nâng cấp sẽ mang lại các điều kiện gần như nhiệt hạch, các plasma tự duy trì và thử nghiệm một hệ thống xả thải mới cho các sản phẩm plasma cháy dạng khí – bộ thải Super-X.

Nếu như MAST nâng cấp xác nhận tính khả thi của một CTF cầu, thì một CTF có thể sẽ được chế tạo trong những năm đầu trong quá trình hoạt động của ITER. Sự phát triển thành bao và lớp chăn trên CTF cùng với chương trình của ITER có thể cho phép xây dựng các lò phản ứng minh chứng đầu tiên vào thập niên 2030. Các chương trình quốc tế hiện nay không có kế hoạch xây dựng một CTF – nhưng chắc chắn nó sẽ là thiết yếu nếu chúng ta phổ biến sự nhiệt hạch thương mại khi cần thiết.

Với những gì đã đạt được, điều dường như không thể tránh khỏi là ước mơ của Eddington cuối cùng sẽ trở thành hiện thực – nhưng mà khi nào? Mặc dù chúng ta không thể nói chắc chắn, nhưng đối với một thế giới đang đói khát năng lượng, thì sự rút ngắn thời gian đạt tới sự nhiệt hạch thương mại dù chỉ một thập niên thôi cũng có một sự tác động hết sức to lớn.

Tóm tắt

Điện nhiệt hạch có triển vọng đặc biệt do sử dụng nhiên liệu trên thực tế là vô tận, không sản sinh carbon-dioxide, độ an toàn cao và sử dụng đất đai không đáng kể.
Sự nhiệt hạch có điều khiển đã được hiện thực hóa vào thập niên 1990 bởi Joint European Torus (JET) và Lò phản ứng Thử nghiệm Nhiệt hạch Tokamak của Mĩ. JET cần nhiều năng lượng để chạy hơn năng lượng mà nó tạo ra – 25 MW công suất cấp cho plasma tạo ra 16 MW công suất nhiệt hạch
Chúng ta có thể đạt tới sự sản sinh điện năng toàn phần bằng cách xây dựng một lò phản ứng có thể chịu được chế độ plasma cháy nóng, trong đó các sản phẩm nhiệt hạchc d nhanh tự cấp nhiệt cho phản ứng, cho nên cần ít năng lượng vào hơn.
Các mô phỏng và đo lường dự đoán rằng cơ sở ITER hiện đang xây dựng ở Pháp sẽ đạt tới chế độ này bởi việc có một plasma nhiệt hạch ít nhiễu loạn hơn và có thể tích lớn hơn – do đó gây ra nhiều phản ứng nhiệt hạch và thất thoát ít năng lượng hơn – so với các thiết bị tiền nhiệm của nó.
Để đạt tới sự nhiệt hạch thương mại, một thành bao và “lớp chăn” cho lò phản ứng phải được xử lí kĩ thuật để có thể trụ vững trong nhiều năm chịu nhiệt và bức xạ mà không bị suy yếu.

Steve Cowley, Trung tâm Năng lượng Nhiệt hạch Culham; giáo sư vật lí plasma, Đại học Imperial College London.

Trần Nghiêm dịch – thuvienvatly.com