Mục lục:

Năng lượng nhiệt hạch có tương lai không?
Năng lượng nhiệt hạch có tương lai không?

Video: Năng lượng nhiệt hạch có tương lai không?

Video: Năng lượng nhiệt hạch có tương lai không?
Video: #488 Sự Nổi Dậy Của Trí Tuệ Nhân Tạo: Viễn Cảnh Tương Lai Hay Ảo Tưởng Hollywood? 2024, Tháng Ba
Anonim

Trong hơn nửa thế kỷ, các nhà khoa học đã cố gắng chế tạo một cỗ máy trên Trái đất, trong đó, giống như trong ruột của các ngôi sao, phản ứng nhiệt hạch diễn ra. Công nghệ phản ứng tổng hợp nhiệt hạch có điều khiển hứa hẹn mang đến cho nhân loại một nguồn năng lượng sạch gần như vô tận. Các nhà khoa học Liên Xô là nguồn gốc của công nghệ này - và bây giờ Nga đang giúp xây dựng lò phản ứng nhiệt hạch lớn nhất trên thế giới.

Các phần của hạt nhân nguyên tử được giữ với nhau bằng một lực khổng lồ. Có hai cách để giải phóng nó. Phương pháp đầu tiên là sử dụng năng lượng phân hạch của các hạt nhân nặng lớn từ điểm cuối xa nhất của bảng tuần hoàn: uranium, plutonium. Tại tất cả các nhà máy điện hạt nhân trên Trái đất, nguồn năng lượng chính là sự phân rã của các hạt nhân nặng.

Nhưng cũng có một cách thứ hai để giải phóng năng lượng của nguyên tử: không phân chia, mà ngược lại, kết hợp các hạt nhân. Khi hợp nhất, một số trong số chúng giải phóng năng lượng còn nhiều hơn cả các hạt nhân uranium phân hạch. Hạt nhân càng nhẹ thì càng giải phóng nhiều năng lượng trong quá trình nhiệt hạch (như người ta nói, phản ứng tổng hợp), vì vậy cách hiệu quả nhất để có được năng lượng của phản ứng tổng hợp hạt nhân là buộc các hạt nhân của nguyên tố nhẹ nhất - hydro - và các đồng vị của nó hợp nhất..

Tay sao: ưu điểm vững chắc

Phản ứng tổng hợp hạt nhân được phát hiện vào những năm 1930 bằng cách nghiên cứu các quá trình diễn ra bên trong các ngôi sao. Hóa ra phản ứng tổng hợp hạt nhân diễn ra bên trong mỗi mặt trời, ánh sáng và nhiệt là sản phẩm của nó. Ngay sau khi điều này trở nên rõ ràng, các nhà khoa học đã nghĩ đến cách lặp lại những gì đang xảy ra trong ruột của Mặt trời trên Trái đất. So với tất cả các nguồn năng lượng đã biết, "mặt trời bàn tay" có một số lợi thế không thể chối cãi.

Đầu tiên, hydro thông thường đóng vai trò là nhiên liệu của nó, trữ lượng trên Trái đất sẽ tồn tại trong nhiều nghìn năm. Ngay cả khi tính đến thực tế là phản ứng không cần đến đồng vị phổ biến nhất là đơteri, một cốc nước cũng đủ để cung cấp điện cho một thị trấn nhỏ trong một tuần. Thứ hai, không giống như quá trình đốt cháy hydrocacbon, phản ứng tổng hợp hạt nhân không tạo ra sản phẩm độc hại - chỉ có khí trung hòa heli.

Ưu điểm của năng lượng nhiệt hạch

Nguồn cung cấp nhiên liệu gần như không giới hạn. Trong lò phản ứng nhiệt hạch, các đồng vị hydro - đơteri và triti - hoạt động như nhiên liệu; bạn cũng có thể sử dụng đồng vị heli-3. Có rất nhiều đơteri trong nước biển - nó có thể thu được bằng phương pháp điện phân thông thường, và trữ lượng của nó ở Đại dương Thế giới sẽ tồn tại trong khoảng 300 triệu năm theo nhu cầu hiện tại của nhân loại về năng lượng.

Trong tự nhiên có ít triti hơn nhiều, nó được sản xuất nhân tạo trong các lò phản ứng hạt nhân - nhưng rất ít cần thiết cho phản ứng nhiệt hạch. Hầu như không có heli-3 trên Trái đất, nhưng có rất nhiều trong đất mặt trăng. Nếu một ngày nào đó chúng ta có năng lượng nhiệt hạch, có lẽ nó sẽ có thể bay lên mặt trăng để lấy nhiên liệu cho nó.

Không có tiếng nổ. Cần rất nhiều năng lượng để tạo ra và duy trì một phản ứng nhiệt hạch. Ngay sau khi việc cung cấp năng lượng ngừng lại, phản ứng dừng lại, và plasma nóng lên hàng trăm triệu độ sẽ không còn tồn tại. Do đó, lò phản ứng nhiệt hạch khó bật hơn là tắt.

Hoạt độ phóng xạ thấp. Một phản ứng nhiệt hạch tạo ra một luồng neutron được phát ra từ bẫy từ và lắng đọng trên các bức tường của buồng chân không, làm cho nó có tính phóng xạ. Bằng cách tạo ra một “tấm chăn” (mền) đặc biệt xung quanh chu vi plasma, làm giảm tốc độ neutron, có thể bảo vệ hoàn toàn không gian xung quanh lò phản ứng. Bản thân chiếc chăn chắc chắn bị nhiễm phóng xạ theo thời gian, nhưng không lâu. Để nó yên nghỉ trong 20-30 năm, bạn có thể lấy lại vật liệu với bức xạ nền tự nhiên.

Không bị rò rỉ nhiên liệu. Luôn luôn có nguy cơ rò rỉ nhiên liệu, nhưng một lò phản ứng nhiệt hạch cần ít nhiên liệu đến mức thậm chí rò rỉ hoàn toàn cũng không đe dọa đến môi trường. Ví dụ, khi khởi chạy ITER, chỉ cần khoảng 3 kg triti và thêm một ít đơteri. Ngay cả trong trường hợp xấu nhất, lượng đồng vị phóng xạ này sẽ nhanh chóng tiêu tan trong nước và không khí và không gây hại cho ai.

Không có vũ khí. Lò phản ứng nhiệt hạch không tạo ra các chất có thể dùng để chế tạo vũ khí nguyên tử. Do đó, không có gì nguy hiểm khi sự lan truyền của năng lượng nhiệt hạch sẽ dẫn đến một cuộc chạy đua hạt nhân.

Nói chung, làm thế nào để chiếu sáng "mặt trời nhân tạo", nó đã trở nên rõ ràng vào những năm 50 của thế kỷ trước. Trên cả hai bờ đại dương, các tính toán đã được thực hiện nhằm thiết lập các thông số chính của một phản ứng tổng hợp hạt nhân có kiểm soát. Nó phải diễn ra ở một nhiệt độ khổng lồ hàng trăm triệu độ: trong những điều kiện như vậy, các electron bị tách ra khỏi hạt nhân của chúng. Do đó, phản ứng này còn được gọi là phản ứng nhiệt hạch. Các hạt nhân trần, va chạm với nhau với tốc độ chóng mặt, vượt qua lực đẩy Coulomb và hợp nhất.

Tokamak T-1 đầu tiên trên thế giới
Tokamak T-1 đầu tiên trên thế giới

Các vấn đề và giải pháp

Sự nhiệt tình của những thập kỷ đầu tiên đâm vào sự phức tạp đáng kinh ngạc của nhiệm vụ. Việc phóng nhiệt hạch hóa ra tương đối dễ dàng - nếu được thực hiện dưới dạng một vụ nổ. Các đảo san hô ở Thái Bình Dương và các bãi thử của Liên Xô ở Semipalatinsk và Novaya Zemlya đã trải qua toàn bộ sức mạnh của phản ứng nhiệt hạch trong thập kỷ đầu tiên sau chiến tranh.

Nhưng sử dụng sức mạnh này, ngoại trừ việc phá hủy, khó hơn nhiều so với việc kích nổ một điện tích nhiệt hạch. Để sử dụng nhiệt năng để tạo ra điện, phản ứng phải được thực hiện một cách có kiểm soát để năng lượng được giải phóng ra từng phần nhỏ.

Làm thế nào để làm nó? Môi trường diễn ra phản ứng nhiệt hạch được gọi là plasma. Nó tương tự như khí, chỉ khác với khí bình thường, nó bao gồm các hạt mang điện. Và hành vi của các hạt mang điện có thể được kiểm soát bằng cách sử dụng điện trường và từ trường.

Do đó, ở dạng chung nhất, lò phản ứng nhiệt hạch là một cục đông plasma bị mắc kẹt trong các chất dẫn điện và nam châm. Chúng ngăn không cho plasma thoát ra ngoài, và trong khi chúng làm điều này, các hạt nhân nguyên tử hợp nhất bên trong plasma, do đó năng lượng được giải phóng. Năng lượng này phải được loại bỏ khỏi lò phản ứng, được sử dụng để làm nóng chất làm mát - và phải thu được điện.

Bẫy và rò rỉ

Plasma hóa ra lại là chất thất thường nhất mà con người trên Trái đất phải đối mặt. Mỗi lần các nhà khoa học tìm ra cách ngăn chặn một loại rò rỉ plasma, một loại mới lại được phát hiện. Toàn bộ nửa sau của thế kỷ 20 được dành cho việc học cách giữ plasma bên trong lò phản ứng trong một khoảng thời gian đáng kể. Vấn đề này chỉ bắt đầu xảy ra vào thời của chúng ta, khi các máy tính mạnh mẽ xuất hiện có thể tạo ra các mô hình toán học về hành vi của plasma.

Vẫn chưa có sự nhất trí về phương pháp nào là tốt nhất để giam giữ huyết tương. Mô hình nổi tiếng nhất, tokamak, là một buồng chân không hình bánh rán (như các nhà toán học nói, một hình xuyến) với các bẫy plasma bên trong và bên ngoài. Cấu hình này sẽ có hệ thống lắp đặt nhiệt hạch lớn nhất và đắt nhất trên thế giới - lò phản ứng ITER hiện đang được xây dựng ở miền nam nước Pháp.

ITER
ITER

Ngoài tokamak, có rất nhiều cấu hình có thể có của lò phản ứng nhiệt hạch: hình cầu, như ở St. Petersburg Globus-M, các thiết bị tạo khối cong một cách kỳ lạ (như Wendelstein 7-X tại Viện Vật lý Hạt nhân Max Planck ở Đức), laze bẫy quán tính, chẳng hạn như NIF của Mỹ. Họ nhận được ít sự chú ý của giới truyền thông hơn ITER, nhưng họ cũng có nhiều kỳ vọng.

Có những nhà khoa học coi thiết kế của máy sao chép về cơ bản thành công hơn tokamak: nó rẻ hơn để chế tạo và thời gian giam giữ plasma hứa hẹn sẽ mang lại nhiều hơn. Năng lượng thu được được cung cấp bởi hình dạng của chính bẫy plasma, cho phép người ta thoát khỏi các hiệu ứng ký sinh và rò rỉ vốn có trong "chiếc bánh rán". Phiên bản bơm laser cũng có những ưu điểm của nó.

Nhiên liệu hydro trong chúng được đốt nóng đến nhiệt độ cần thiết bằng xung laze, và phản ứng nhiệt hạch bắt đầu gần như ngay lập tức. Plasma trong các hệ thống lắp đặt như vậy được giữ theo quán tính và không có thời gian để phân tán - mọi thứ diễn ra quá nhanh.

Cả thế giới

Tất cả các lò phản ứng nhiệt hạch tồn tại trên thế giới ngày nay đều là máy thí nghiệm. Không ai trong số chúng được sử dụng để tạo ra điện. Chưa có phương pháp nào thành công trong việc hoàn thành tiêu chí chính của phản ứng nhiệt hạch (tiêu chí của Lawson): nhận được nhiều năng lượng hơn số năng lượng đã tiêu tốn để tạo ra phản ứng. Do đó, cộng đồng thế giới đã tập trung vào dự án ITER khổng lồ. Nếu tiêu chí Lawson được đáp ứng tại ITER, nó sẽ có thể cải tiến công nghệ và cố gắng chuyển nó sang đường ray thương mại.

Không quốc gia nào trên thế giới có thể xây dựng ITER một mình. Nó cần 100 nghìn km dây siêu dẫn, và hàng chục nam châm siêu dẫn và một điện từ trung tâm khổng lồ để giữ plasma, một hệ thống tạo chân không cao trong một vòng, bộ làm mát heli cho nam châm, bộ điều khiển, thiết bị điện tử … dự án đang xây dựng 35 quốc gia và hơn thế nữa cùng một lúc hàng nghìn viện khoa học và nhà máy.

ITER
ITER

Nga là một trong những nước chính tham gia dự án; ở Nga 25 hệ thống công nghệ của lò phản ứng tương lai đang được thiết kế và chế tạo. Đây là các chất siêu dẫn, hệ thống đo các thông số plasma, bộ điều khiển tự động và các thành phần của bộ phân kỳ, phần nóng nhất của thành bên trong tokamak.

Sau khi ra mắt ITER, các nhà khoa học Nga sẽ có quyền truy cập vào tất cả các dữ liệu thử nghiệm của nó. Tuy nhiên, tiếng vang của ITER sẽ không chỉ được cảm nhận trong khoa học: hiện nay ở một số vùng đã xuất hiện các cơ sở sản xuất mà trước đây ở Nga không hề có. Chẳng hạn, trước khi dự án khởi công, ở nước ta chưa có công nghiệp sản xuất vật liệu siêu dẫn, cả thế giới chỉ sản xuất được 15 tấn / năm. Giờ đây, chỉ tại Nhà máy Cơ khí Chepetsk của tập đoàn nhà nước "Rosatom" có thể sản xuất 60 tấn mỗi năm.

Tương lai của năng lượng và hơn thế nữa

Plasma đầu tiên tại ITER dự kiến sẽ được nhận vào năm 2025. Cả thế giới đang chờ đợi sự kiện này. Nhưng một, ngay cả những cỗ máy mạnh nhất, không phải là tất cả. Trên khắp thế giới và ở Nga, họ tiếp tục xây dựng các lò phản ứng nhiệt hạch mới, những lò này sẽ giúp cuối cùng hiểu được hành vi của plasma và tìm ra cách tốt nhất để sử dụng nó.

Vào cuối năm 2020, Viện Kurchatov sẽ ra mắt một chiếc tokamak T-15MD mới, sẽ trở thành một phần của hệ thống lắp đặt hỗn hợp với các nguyên tố hạt nhân và nhiệt hạch. Các neutron, được hình thành trong vùng phản ứng nhiệt hạch, trong hệ thống lai ghép sẽ được sử dụng để bắt đầu quá trình phân hạch của các hạt nhân nặng - uranium và thorium. Trong tương lai, những cỗ máy lai như vậy có thể được sử dụng để sản xuất nhiên liệu cho các lò phản ứng hạt nhân thông thường - cả neutron nhiệt và nhanh.

Sự cứu rỗi Thorium

Đặc biệt hấp dẫn là viễn cảnh sử dụng một "hạt nhân" nhiệt hạch làm nguồn neutron để bắt đầu phân rã trong hạt nhân thorium. Có nhiều thorium trên hành tinh hơn uranium, và việc sử dụng nó làm nhiên liệu hạt nhân giải quyết một số vấn đề của năng lượng hạt nhân hiện đại cùng một lúc.

Do đó, các sản phẩm phân rã của thori không thể được sử dụng để sản xuất vật liệu phóng xạ quân sự. Khả năng sử dụng như một yếu tố chính trị khiến các nước nhỏ không thể phát triển năng lượng hạt nhân của riêng mình. Nhiên liệu Thorium giải quyết vấn đề này một lần và mãi mãi.

Bẫy plasma có thể hữu ích không chỉ trong năng lượng mà còn trong các ngành công nghiệp hòa bình khác - ngay cả trong không gian. Hiện Rosatom và Viện Kurchatov đang nghiên cứu các thành phần cho một động cơ tên lửa plasma không điện dùng cho tàu vũ trụ và các hệ thống biến đổi plasma vật liệu. Sự tham gia của Nga vào dự án ITER thúc đẩy ngành công nghiệp này, dẫn đến việc tạo ra các ngành công nghiệp mới, vốn đã hình thành cơ sở cho những phát triển mới của Nga.

Đề xuất: