Fusion hạt nhân là gì? Cách thức hoạt động

Phù hợp với những bước đột phá gần đây trong lĩnh vực này, hợp nhất hạt nhân đang ngày càng được thảo luận trên phương tiện truyền thông. Nhưng nóng chảy hạt nhân là gì và nó khác với nứt hạt nhân như thế nào? Và tại sao nhiều công ty và tiểu bang lại đầu tư vào nghiên cứu và phát triển hợp nhất? 

Chúng tôi trả lời những câu hỏi này ở đây trước khi nêu bật vai trò của chân không trong việc đạt được sự hợp nhất hạt nhân.

Hiện nay, các nhà máy điện hạt nhân sản xuất năng lượng bằng cách khai thác quá trình phân hủy. Nứt hạt nhân liên quan đến việc lấy một nguyên tử lớn, không ổn định như đồng vị uranium U-235, và tách nó thành hai nguyên tử nhẹ hơn. Quy trình này giải phóng một lượng năng lượng có thể sử dụng khổng lồ. 

Sự phân rã được khởi xướng bằng cách bắt bom U-235 với neutron. Khi các neutron này đập vỡ thành các nguyên tử U-235, chúng buộc phải giải phóng thêm các neutron sẽ tương tác với nhiều U-235 hơn và tạo ra phản ứng chuỗi. Phản ứng này cũng có thể tạo ra bức xạ điện từ. Để tối đa hóa sản xuất năng lượng, số lượng neutron được sử dụng trong phân tách phải được kiểm soát để ngăn chặn phản ứng chuỗi chết hoặc chạy trôi.

Lò phản ứng tách hoạt động theo cách tương tự như các nhà máy điện thông thường. Sự tách xảy ra trong bình lò phản ứng, được điều hòa bởi các thanh điều khiển. Nhiệt từ phản ứng được sử dụng để làm nóng nước và tạo hơi nước. Hơi nước này sau đó biến một tuabin để sản xuất điện. Cần thực hiện thêm các bước để thải bỏ nhiên liệu đã qua sử dụng một cách an toàn vì chúng có tính phóng xạ và có thể có tuổi thọ bán thải trên 10.000 năm. Trong nhiều trường hợp, chi phí ngừng hoạt động lên đến 15% chi phí vốn ban đầu.

Để tạo ra nhiên liệu để phân hủy hạt nhân, trước tiên cần làm giàu để tăng nồng độ uranium-235 từ mức 0,7% có trong quặng uranium đến 4-5% cần thiết cho quá trình phân hủy. Điều này được thực hiện bằng cách sử dụng 1.000-2.000 giai đoạn ly tâm. Để làm điều này, quặng uranium được chuyển đổi thành khí UF6, được xử lý và sau đó chuyển thành các viên nhiên liệu sau quá trình làm giàu. Quy trình ly tâm được kiểm soát cẩn thận dưới các thông số chân không cụ thể.

Khoảng 440 lò phản ứng điện hạt nhân hoạt động tại 33 quốc gia. Những lò phản ứng này sản xuất khoảng 10% lượng điện trên thế giới. Ngoài ra, khoảng 55 lò phản ứng điện hạt nhân đang được xây dựng. Quặng uranium có nguồn gốc từ 10 quốc gia và có mật độ năng lượng gấp 70.000 lần nhiên liệu hóa thạch. Chi phí xây dựng nhà máy điện hạt nhân có thể từ $2 đến $20 tỷ, mặc dù việc phát triển các đơn vị nhỏ hơn, chi phí thấp hơn là khả thi.

Phản ứng nóng chảy của các nguyên tố ánh sáng cung cấp năng lượng cho các ngôi sao và sản xuất hầu như tất cả các nguyên tố trong một quy trình được gọi là tổng hợp hạt nhân.

Hợp nhất hạt nhân là một công nghệ đang phát triển nằm ở vị trí tiên phong trong nghiên cứu khoa học hiện tại. Với tiềm năng cách mạng hóa sản xuất năng lượng, quá trình hợp nhất là trọng tâm của một số lượng lớn các dự án quốc gia và quốc tế. 

Trong quá trình hợp nhất hạt nhân, hai nguyên tử ánh sáng được 'nối' với nhau để tạo ra một nguyên tử lớn hơn. Bằng cách này, hợp nhất hạt nhân là ngược lại với nứt: thay vì tách các nguyên tử, các nguyên tử kết hợp để tạo thành một nguyên tử lớn hơn. Điều này dẫn đến việc giải phóng năng lượng. 

Fusion kết hợp các đồng vị hyđro như deuterium và tritium. Deuterium, còn được gọi là hyđro nặng, tương tự như một đồng vị hyđro 'bình thường' như protium, nhưng deuterium chứa một neutron bổ sung. Để so sánh, tritium là một đồng vị hyđro chứa hai neutron bổ sung. 

Các phản ứng dung hợp lý tưởng sử dụng hỗn hợp 50:50 của deuterium và tritium (phản ứng 3 trong hình minh họa trên) với chỉ cần một vài gram bất kỳ lúc nào. Tuy nhiên, lý tưởng này đã khó đạt được. Hiện tại, tất cả ngoại trừ một thiết bị dung hợp chỉ hoạt động bằng cách sử dụng deuterium (phản ứng 1 và 2). Điều này là do tritium hiếm có trong tự nhiên và phải được sản xuất nhân tạo. 

Các nguyên tử ánh sáng chỉ có thể nóng chảy nếu chúng được 'bóp' lại với nhau trong một thời gian đủ dài. Ở khoảng cách bán kính hạt nhân, lực hấp dẫn hạt nhân mạnh hơn lực đẩy lùi tĩnh điện. Dựa trên những hạn chế này, khó khăn kỹ thuật chính đối với quá trình dung hợp là đưa các hạt nhân đủ gần để dung hợp. Đó là lý do tại sao cần một hình thức kín từ tính hoặc trơ. 

Nhiệt độ lớn là cần thiết cho cả hai loại kín: trên 4x10⁷ K để dung hợp deuterium-tritium (DT). Nó nóng hơn Mặt Trời 10 lần!

Nhiều phương pháp khác nhau đã được đề xuất để đạt được quá trình dung hợp. Tuy nhiên, chỉ có hai loại hạn chế chính. 

Hàn kín từ tính (MCF) có lẽ là phương pháp khuyến khích nhất để tạo năng lượng thương mại. Nó sử dụng một loạt nam châm rất mạnh, với heli lỏng được sử dụng để làm mát nam châm và cải thiện hiệu suất thiết bị.

Các loại thiết bị hạn chế từ tính phổ biến nhất là Stellarator và Tokamak, mặc dù một số cơ sở đã thử nghiệm với các thiết bị sử dụng gương từ tính. Cả ba loại thiết bị này đều bao gồm một bình chân không trung tâm, nơi chứa huyết tương và phản ứng dung hợp xảy ra. Bình chân không được bao quanh bởi bộ ổn nhiệt, nơi các nam châm siêu dẫn được đặt và làm mát. Stellarator và Tokamak có hình tròn, trong khi máy gương có hình trụ. Từ trường liên tục ép các nguyên tử lại với nhau và nhiệt độ cao gây ra hiện tượng đánh lửa. 

Loại kín phổ biến thứ hai là nóng chảy kín trơ (ICF). Kỹ thuật này chiết xuất năng lượng nóng chảy bằng cách ném bom các viên nhỏ (1 đến 3 mm) nhiên liệu DT bằng laser hoặc chùm tia hạt sạc để nén và làm nóng hỗn hợp để đánh lửa. Ở đây, đánh lửa đề cập đến tình trạng tất cả các hạt alpha bị dừng lại, khiến plasma nóng lên.

Quá trình nén và gia nhiệt được thực hiện rất nhanh chóng với xung ngắn (1 đến 10 ns) bằng laser công suất cao, tia X hoặc chùm tia ion cắt ngang nhiên liệu từ nhiều hướng. Các thiết bị truyền động trực tiếp cung cấp xung năng lượng nén trực tiếp đến viên nhiên liệu. Kỹ thuật ICF truyền động gián tiếp có các viên nhiên liệu được đặt bên trong một bình kim loại nhỏ (hohlraum/buồng đốt). Sau đó, tia laser tập trung vào khoang, làm nóng nó thành một plasma phát ra tia X, sau đó được hấp thụ bởi viên. Sau đó viên nén được nén theo cách tương tự như 'truyền động trực tiếp'. So với các thiết bị truyền động trực tiếp, phương pháp truyền động gián tiếp ít hiệu quả hơn đáng kể. Nhưng vì bom nhiệt hạt nhân sử dụng một kỹ thuật tương tự, nên kỹ thuật truyền động gián tiếp được sử dụng trong mô phỏng vũ khí hạt nhân. 

Để tạo ra điện từ ICF, các viên nhiên liệu được thả vào buồng phản ứng chân không, nơi chúng được đánh lửa. Bức xạ từ plasma và neutron dung hợp được hấp thụ bởi lithium lỏng. Nhiệt được tạo ra được sử dụng trong quá trình tạo hơi nước thông thường và tritium được sản xuất để tái chế làm nhiên liệu mới.

Nung chảy có khả năng tạo ra lượng năng lượng khổng lồ chỉ từ một lượng nhiên liệu rất nhỏ - chỉ khoảng 250kg mỗi năm trong lò phản ứng thương mại - một khi đạt được sự đánh lửa bền vững. 

Ưu điểm chính của quá trình nóng chảy là sự dồi dào của nhiên liệu so với các nguồn hydrocacbon, sự thiếu các sản phẩm phụ có hại như khí nhà kính và sự an toàn nội tại của nó so với phân hủy hạt nhân. 

So với nứt vỡ, nóng chảy hạt nhân có những ưu điểm bổ sung: 

• Trong khi phản ứng dung hợp giải phóng các neutron nguy hiểm cho con người, các neutron này được chứa lại và quá trình sản xuất neutron dừng lại gần như ngay khi nhà máy tắt.  
  
• Sự nóng chảy vốn an toàn hơn vì không có phản ứng chuỗi, rò rỉ hoặc nóng chảy.
  
• Sự nóng chảy dẫn đến nhiệt độ cực cao nhưng nếu có bất kỳ huyết tương nào thoát ra, thì nhiệt sẽ nhanh chóng tiêu tán mà không gây hại.
  
• Các neutron có thể được ion hóa gián tiếp nhưng dễ dàng bị dừng lại.
  
• Mặc dù nóng chảy hạt nhân tạo ra chất thải phóng xạ, nhưng hoạt tính phóng xạ này có tuổi thọ ngắn - đặc biệt là khi so sánh với chất thải do nứt vỡ. Điều này bao gồm mạch ném bom neutron.  
  
• Chất thải được tạo ra thông qua quá trình nóng chảy không cần phải được vận chuyển để thải bỏ, lưu trữ hoặc tái xử lý.
  
• Tritium phân hủy thông qua các hạt beta rất yếu, do đó đồng vị không phải là mối nguy hiểm bức xạ bên ngoài. Tuy nhiên, tritium có thể gây nguy hiểm bức xạ bên trong nếu hơi nước tritium được hít vào hoặc hấp thụ qua da. Đồng thời, tritium được cơ thể hấp thụ ít hơn, dù qua phổi hay da.

Yêu cầu về chân không trong lò phản ứng nóng chảy phụ thuộc vào loại kín và kích thước của lò phản ứng.

Nhu cầu lớn nhất về chân không trong khung từ tính là trong buồng chân không trung tâm và buồng đông lạnh xung quanh. Điều này có thể vượt quá 100 m³ và phải ở dưới UHV (khoảng 10 ^-9 mbar) để ngăn ngừa nhiễm bẩn huyết tương. 

Chân không cũng cần thiết để sản xuất tritium, bơm heli và tái tuần hoàn nhiên liệu. Trong trường hợp nóng chảy kín trơ, tất cả các đường chùm tia laser hoặc hạt phải được hút chân không cùng với buồng phản ứng. Giống như với khung từ tính, điều này có thể là một thể tích rất lớn đòi hỏi UHV để ngăn ngừa tổn thất và sai lệch trong chùm tia. Bơm turbo phân tử và bơm đông lạnh được sử dụng phổ biến nhất và chúng phải có khả năng xử lý đỉnh bức xạ cục bộ và từ trường cao. Các mối quan ngại tương tự áp dụng cho các bộ bơm chính, đồng hồ đo và van.

1. Rút chân không tự bình phản ứng vào UHV: cần thiết để loại bỏ các loại khí lớn hơn và ngăn ngừa nhiễm bẩn huyết tương.
   
2. Tạo lạnh (bộ ổn nhiệt): chính hệ thống làm mát yêu cầu chân không.
   
3. Sản xuất tritium: tritium thường được sản xuất bằng cách va chạm giữa các neutron với lithium, điều này đòi hỏi chân không và bơm khí làm mát. Neutron cũng được sản xuất từ các phản ứng nứt hoặc các chất tăng tốc tuyến tính, cả hai đều yêu cầu chân không để hoạt động.
   
4. Làm nóng plasma: cần chân không trong hệ thống tiêm tia trung tính để làm nóng plasma
   
5. Kiểm tra chân không: thiết bị được kiểm tra dưới chân không và sử dụng các công cụ như thiết bị tháo khí và máy dò rò rỉ.
   
6. Đồng hồ đo áp suất và thiết bị đo lường: để theo dõi thiết bị và hiệu suất quy trình
   
7. Làm mát: cần bơm khí heli để làm mát siêu dẫn
   
8. Tuần hoàn: nhiên liệu không sử dụng và heli được bơm ra khỏi buồng, tách ra và tuần hoàn
   
9. Nhiên liệu nóng chảy: cần bơm mạnh mẽ để bơm nhiên liệu nóng chảy vào buồng

1. Rút chân không khoang mục tiêu sang UHV: cần thiết để loại bỏ các loại khí lớn hơn và ngăn ngừa nhiễm bẩn huyết tương
   
2. Hệ thống định vị mục tiêu: các hệ thống được sử dụng để nhắm mục tiêu laser vào nhiên liệu yêu cầu chân không
   
3. Chân không đường chùm tia: một số đường chùm tia được sử dụng cho laser và tất cả các đường này đều phải ở trong chân không
   
4. Bộ lọc không gian: bộ lọc không gian được sử dụng để 'làm sạch' chùm tia laser và hoạt động trong chân không
   
5. Đồng hồ đo áp suất và thiết bị đo lường: để theo dõi thiết bị và hiệu suất quy trình

Một trong những yêu cầu chính đối với bơm chân không là khả năng xử lý tritium. Điều này có nghĩa là gioăng kim loại được ưu tiên sử dụng và bơm phải không chứa hydrocarbon.

Trong trường hợp ngăn chặn từ tính, bơm cũng phải có khả năng hoạt động trong môi trường từ trường cao và thường cần phải che chắn. Không gian xung quanh các buồng phản ứng rất hạn chế và thời gian ngừng hoạt động cực kỳ tốn kém, do đó bơm phải có diện tích nhỏ và có độ tin cậy cao với yêu cầu bảo trì tối thiểu.

Có tranh luận về thời điểm đạt được lợi nhuận năng lượng ròng từ quá trình hợp nhất, với ước tính lạc quan là 10-20 năm.

Thực tế là các dự án sáp nhập trên toàn thế giới đã bắt đầu phá vỡ các kỷ lục. Ví dụ, các nhà khoa học tại Joint European Torus gần đây đã "tạo ra xung năng lượng bền vững cao nhất từng được tạo ra" bằng công nghệ dung hợp. 

Một thí nghiệm nóng chảy khác gần đây, lần này đến từ các nhà nghiên cứu tại Phòng thí nghiệm Quốc gia Lawrence Livermore, đã đạt được năng suất hơn 1,3 megajoule (MJ) - một bước quan trọng để đạt được quy trình đánh lửa nóng chảy. 

Mặc dù 10-20 có vẻ như là một khoảng thời gian dài, nhưng ngành công nghiệp hợp nhất đang phát triển với tốc độ nhanh chóng. Một dấu hiệu của sự trưởng thành, các dịch vụ của bên thứ ba đang bắt đầu xuất hiện, chẳng hạn như ARPA-E, một cơ quan nhằm cung cấp chẩn đoán độc lập cho các dự án sáp nhập. 

Nhiều lò phản ứng mới cũng đang được lên kế hoạch, với một số công ty khởi nghiệp đang tìm kiếm 'cách nhanh hơn để hợp nhất'. Một dự án đầy hứa hẹn là ITER, một lò phản ứng kiểu tokamak đang được xây dựng (lớn nhất thế giới) nhằm sản xuất nhiều năng lượng hơn gấp 10 lần so với mức sử dụng. Một trong những mục tiêu của ITER là dẫn đầu cho DEMO, một nguyên mẫu cho lò phản ứng nóng chảy thương mại. 

Trên 18 quốc gia, có hơn 50 thiết bị dung hợp đang hoạt động hoặc đang được chế tạo. Một số thiết bị được tài trợ tư nhân cũng đang được phát triển. Cho đến nay, chỉ có một thiết bị dung hợp hiện đang sử dụng tritium do nguồn cung hạn chế. Chi phí của một cơ sở làm việc dao động từ $100M đến hơn $20B.

Hiện tại, không có cơ sở nóng chảy nào tạo ra lợi nhuận năng lượng ròng. Nhưng vì mật độ năng lượng của nhiên liệu nóng chảy thậm chí còn cao hơn nứt vỡ, và khoảng 10.000.000 lần so với nhiên liệu hóa thạch, công nghệ này hứa hẹn sẽ định hình lại tương lai của sản xuất năng lượng.