Hợp nhân nóng ( Steve Cowley )

Chia sẻ: Nguyen Nhi | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:9

Thêm vào BST

Báo xấu

51
lượt xem 4
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Tài liệu tham khảo chuyên đề vật lý học về Hợp nhân nóng ( Steve Cowley ) giúp các bạn mở rộng kiến thức vật lý học của bản thân

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Hợp nhân nóng ( Steve Cowley )

H p nhân nóng Steve Cowley (Physics World, tháng 10/2010) • B t ch p hơn 50 năm n l c không ng ng, các lò ph n ng nhi t h t nhân ngày nay v n òi h i năng lư ng làm cho chúng ho t ng nhi u hơn là năng lư ng mà chúng có th s n sinh ra. Steve Cowley cho bi t bư c ti p theo là làm cho plasma nhi t h ch t o ra nhi t c a riêng nó – làm cho nó nóng hơn c lõi c a M t tr i. ó ph i là m t trong nh ng bài thuy t trình trư c công chúng áng n nh t trong l ch s khoa h c. Th t v y, bài phát bi u c a Arthur Stanley Eddington trư c cu c h p năm 1920 c a Kh i Liên hi p Anh Cardiff v n áng c vì tính ơn gi n và rõ ràng, ó là ch m i nói riêng các l p lu n thôi. Nhưng chính t m nhìn xa trông r ng c a ông m i là cái v n tr v ng g n m t th k sau ó. Cho n khi có bài phát bi u c a Eddingtion, ông o ngư i ta v n ch p nh n r ng M t tr i s n sinh năng lư ng b i s co l i do h p d n, bi n i th năng h p d n thành b c x . Ch ng 60 năm trư c ó, ngài huân tư c Kelvin ã bi n lu n r ng cơ ch này có nghĩa là M t tr i có nh: CCFE th không hơn 20 – 30 tri u năm tu i. Nhưng s d ng các l p lu n ơn gi n d a trên m t ph m vi r ng c a các quan sát, Eddington ã ch rõ r ng M t tr i ph i già hơn ư c tính c a Kelvin và các ngôi sao ph i khai thác m t s ngu n năng lư ng khác nào ó. May thay, ngay trư c bài phát bi u c a Eddingtion, ngư i ng nghi p ihc Cambridge c a ông, Francis Aston, ã o ư c kh i lư ng c a hydrogen và helium tương ng là 1,008 và 4. Eddington cho r ng M t tr i s n sinh năng lư ng b ng cách bi n i hydrogen thành helium – b ng cách k t h p b n h t nhân hydrogen (proton) v i hai electron và gi i phóng năng lư ng trong quá trình ó. Các chi ti t c th t t nhiên là không chính xác – quá 1
trình trên ph c t p hơn và có liên quan n deuterium, positron và neutrino, ch ng h n – nhưng quan i m cơ b n thì úng: M t tr i th t s ang bi n i hydrogen thành helium. Năng lư ng gi i phóng trong s bi n i này có th tính b ng công th c E = mc2 và kh i lư ng o ư c c a hydrogen và helium. T ây, Eddington ư c tính r ng M t tr i có năng lư ng t a sáng trong 15 t năm - g n m t cách xu t s c v i các ư c tính hi n i là x p x 10 t năm t lúc hình thành cho n khi M t tr i i vào pha k nh c a nó, khi nó tiêu th c n hydrogen trong lõi c a nó. Ông ã suy lu n ra s t n t i c a cái ngày nay chúng ta g i là s nhi t h ch. M c dù Eddington r t th n tr ng v tính ch c ch n c a nh ng k t lu n c a ông, nhưng ông ã nh n ra ti m năng áng kinh ng c và l p t c nhìn th y vô s l i ích mà s nhi t h t nhân có th mang n cho xã h i. Như ông phát bi u trư c các thính gi Cardiff, “có ôi khi, chúng ta mơ r ng m t ngày nào ó con ngư i s h c ư c cách gi i phóng năng lư ng ó và s d ng nó cho cu c s ng c a mình”. T m nhìn c a Eddington ngày nay n m trong t m v i c a chúng ta, m c dù ch ng d gì t t i m c tiêu xa xôi y. Trên hành trình khám phá, chúng ta c n ph i phát tri n lĩnh v c v t lí plasma, ngành h c nghiên c u các ch t khí b làm nóng n m c các electron tách ra kh i các nguyên t c a chúng. B t ch p nhi u cam go th thách, th t h p lí n u nói r ng các nhà khoa h c ngày nay ã ‘ch p’ ư c s c m nh c a M t tr i. T ư c mơ n th c t i Th t ra thì chương trình nhi t h ch hi n i ã b t u vào nh ng th i kh c cu i c a Th chi n th hai t i Los Alamos nư c Mĩ, khi Enrico Fermi cùng các thành viên khác c a i khoa h c ch t o qu bom nguyên t u tiên cho r ng m t ph n ng nhi t h t nhân có th ư c kích ho t trong m t plasma giam c m b ng m t t trư ng. Tháng 5 năm 1946, George Thomson và Moses Blackman thu c trư ng Imperial College London ã ăng kí b ng sáng ch cho m t d ng c nhi t h ch giam c m b ng t trư ng trong ó các nam châm m nh có th ư c s d ng giam gi m t plasma t i ch trong khi nó ư c làm nóng n nh ng nhi t cao. Vào u th p niên 1950, ngư i ta bi t rõ r ng ph n ng nhi t h ch d kích ho t nh t là ph n ng c a hai ng v hydrogen – deuterium và tritium. kích thích s h p nhân áng k , plasma c a deuterium và tritium ph i ư c làm nóng lên n nhi t ch ng 150 tri u kelvin. Nóng hơn tâm c a M t tr i ch ng 10 l n, ây là m t m c tiêu làm ngư i ta thoái chí. Tuy nhiên, vào năm 1997, các nhà khoa h c ã thu ư c nó trong m t plasma giam c m b ng t t i Joint European Torus (JET) t i Trung tâm Năng lư ng Nhi t h ch Culham nư c Anh. JET s n sinh ra 16 MW năng lư ng h p nhân trong khi ư c i u khi n b i công su t vào 25 MW. Có l Eddingtion s hài lòng v i s ti n b khoa h c theo t m nhìn c a ông. Nhưng b t ch p nh ng thành công ó, cho n nay chúng ta v n chưa t t i m c có th s n xu t i n năng thương m i và t m vươn c a s nhi t h ch n v i t ng h gia ình v n còn r t nhi u thách th c. Chính xác thì c n ph i làm nh ng gì ch t o m t ngu n i n nhi t h t nhân thương m i? âu là nh ng v n khoa h c chính y u? Các nư c t kh ng nh v th c a mình như th nào khi tham gia vào n n kinh t nhi t h ch trong tương lai? ây là nh ng câu h i thi t y u. Tuy nhiên, trư c khi tr l i v i chúng, i u c n thi t là i tr l i câu h i quan 2
tr ng nh t h t th y: t i sao l i quan tâm lo l ng như v y? Có l nh ng ngu n năng lư ng khác s là nh ng l a ch n ơn gi n hơn. Trên th c t , có ít ngu n năng lư ng lâu dài v i tài nguyên thay th cho ch ng 80% năng lư ng c a chúng ta ư c s n xu t ra b ng nhiên li u hóa th ch. Trong nh ng th p niên s p t i, công ngh phân h ch h t nhân hi n nay s gi m t vai trò thi t y u trong vi c s n xu t i n năng hàm lư ng carbon th p. Nhưng xét v lâu dài, ngoài s nhi t h ch ra, ch có năng lư ng m t tr i và s phân h ch h t nhân v i các lò ph n ng tái sinh uranium ho c thorium (các lò ph n ng tái sinh nhiên li u h t nhân và vì th kéo dài thêm ngu n tài nguyên nhiên li u hóa th ch) m i có kh năng thay th cho các nhiên li u hóa th ch. Nh ng công ngh này v n c n có thêm nhi u nghiên c u trư c khi chúng s n sàng ư c s d ng trên quy mô l n. Tuy nhiên, b t ch p ti m năng này, rõ ràng ch ng có ngu n năng lư ng nào mang l i tri n v ng c bi t như s nhi t h ch: nhiên li u trên th c t là vô h n; ch t th i th p; không s n sinh carbon-dioxide; các chi ti t an toàn th t h p d n và s d ng ít tài nguyên t ai. ây là nh ng nguyên do y thuy t ph c phát tri n s nhi t h ch, cho dù s thành công là không m b o cho l m. Hình 1. Deuterium (hydrogen n ng) và tritium (hydrogen siêu n ng) h p nh t t o thành helium và m t neutron – gi i phóng 17,6 MeV năng lư ng dư i d ng năng lư ng nhi t h ch. ây là ph n ng nhi t h ch d kích ho t nh t vì nó có t l ph n ng cao nhi t th p (trong ó “th p” có nghĩa là 100-200 tri u kelvin). Tritium không xu t hi n trong t nhiên vì nó phân h y v i chu kì bán rã ng n 12 năm thành helium-3. Do ó, nó ph i ư c “nhân gi ng” t lithium, s d ng neutron sinh ra trong ph n ng nhi t h t nhân deuterium–tritium. ây, neutron gây ra ph n ng nhân gi ng tritium v i ng v lithium-6, ng v chi m kho ng 7,5% lithium xu t hi n trong t nhiên. Nhiên li u cho ph n ng nhi t h ch này, vì th , là deuterium và tritium, chúng có d i dào trong nư c bi n. Lò ph n ng nhi t h t nhân t nóng V y c n ph i làm gì hi n th c hóa thành t u c a JET v năng lư ng nhi t h ch? Giai o n ti p theo rõ ràng là i ch ng minh r ng m t nhà máy s n sinh s n xu t i n là có th xây d ng ư c – cái mà JET ã không ư c thi t k t t i. T s c a năng lư ng nhi t 3
h ch và năng lư ng i n tiêu th kích ho t và duy trì ph n ng ph i tăng lên. i u này òi h i m t plasma t làm nóng – m t plasma ư c làm nóng lên b i các h t nhân helium giàu năng lư ng sinh ra sinh ra trong s h p nhân deuterium-tritium (hình 1). Cơ s ánh l a Qu c gia (NIF) t i Phòng thí nghi m qu c gia Lawrence Livermore Mĩ s d ng m t phương pháp khác nhi t h ch thay cho phương pháp giam c m t tính v a nói trên. Cơ s này ư c thi t k t p trung 500 TW năng lư ng lên trên m t viên nhiên li u c mili mét, s d ng m t ma tr n g m 192 laser. Năng lư ng nhi t h ch sinh ra ư c kì v ng là g p kho ng 10 n 20 l n năng lư ng do các laser cung c p dư i d ng ánh sáng. ây s là m t minh ch ng áng k c a s “ t cháy” nhi t h ch, t c là s t làm nóng. Tuy nhiên, laser NIF có hi u su t dư i 1% và vì th cơ s này v n không ch ng minh ư c yêu c u thi t y u r ng s s n sinh năng lư ng th c là có th . i v i phương pháp nhi t h ch giam c m t tính, minh ch ng thi t y u ã s p có m t. B y i tác qu c t - Trung Qu c, Liên minh châu Âu, Nh t B n, Hàn Qu c, n , Nga và Mĩ, i di n hơn m t n a dân cư c a th gi i – hi n nay, sau nhi u năm trì hoãn, ang xây d ng m t d ng c t làm nóng g i là ITER t i Cadarache mi n nam nư c Pháp (hình 2). Gi ng như JET, thí nghi m này s có cơ c u t tính g i theo tên ti ng Nga là “tokamak”. ITER s ư c hoàn thành trong 10 năm và vài năm sau ó thì ngư i ta hi v ng nó s t o ra ch ng 500 MW công su t phát t chưa t i 50 MW công su t vào – m t s khu ch i ít nh t là 10 b c l n. M t ph n năm (ch ng 100 MW) năng lư ng nhi t h ch s ư c gi i phóng dư i d ng các h t nhân helium năng lư ng tính, chúng b b y l i b i t trư ng và t làm nóng kh i plasma. M c tiêu là duy trì m c công su t này trong kho ng th i gian 400 giây ho c lâu hơn. Tuy nhiên, nh ng thí nghi m g n ây th c hi n v i JET và các máy móc khác, cùng v i vi c l p mô ph ng chi ti t, cho th y ngư i ta có th tăng áng k kho ng th i gian ó lên – và khu ch i cũng tăng lên. Cho dù không có nh ng s gia tăng thêm này, thì ITER v n s s n xu t ra các m c công nghi p c a năng lư ng nhi t h ch trong khi ch y u t làm nóng lên; ây là ch plasma-cháy. Minh ch ng này c a tính kh thi v m t khoa h c c a s nhi t h ch hi u su t cao là m t bư c t i quan tr ng trên con ư ng ti n n s n xu t i n nhi t h ch. Hình 2. Hi n ang ư c xây d ng t i Cadarache mi n nam nư c Pháp, ITER s ch a g n 830 m3 plasma nóng bên trong m t cái h p hình toroid. S giam c m ư c cung c p b i m t t trư ng ch ng 5,2 T t o ra b i m t cu n dây siêu d n niobium- thi c nhi t 4 K. Plasma s ư c làm nóng lên n nhi t nhi t h ch b ng các sóng vô tuy n và các h t trung hòa năng lư ng tính ư c bơm vào plasma. M t khi t t i nhi t nhi t h ch (ch ng 200 tri u kelvin), ngư i ta kì v ng ITER s s n sinh ra ch ng 500 MW năng lư ng nhi t h ch trong hơn 400 giây và ch y u t làm nóng lên – nh ng plasma như v y ư c g i là plasma cháy. ITER ư c thi t k có “chu trình công su t” ít nh t là 25% - t c là kho ng th i gian tr ng gi a nh ng l n b n plasma cháy chưa t i ba l n kho ng th i gian b n ( nh: ITER). 4
Nhưng làm sao chúng ta bi t ITER s t t i nh ng m c hi u su t này? Thông s v t lí quan tr ng là “th i gian giam c m năng lư ng”, τE, ó là t s c a năng lư ng trong plasma và năng lư ng cung c p làm nóng plasma, trong ó năng lư ng cung c p là ngu n t làm nóng nh helium do s nhi t h ch sinh ra (m t ph n năm năng lư ng nhi t h ch, Pnhi t h ch/5) và năng lư ng ngoài (Pnhi t). Th i gian giam c m năng lư ng tham s hóa cho m c t trư ng cô l p plasma t t như th nào – i khái có th xem nó là th i gian c n thi t nhi t ưa vào plasma tìm ư ng thoát tr ra ngoài. Plasma ư c duy trì trong nhi u l n giam c m năng lư ng (trên nguyên t c là vô h n) b i s làm nóng. Rõ ràng τE càng l n thì lò ph n ng nhi t h ch có t ng công su t phát càng l n. hi u su t năng lư ng ư c nh nghĩa là Q = Pnhi t h ch/ Pnhi t. Năng lư ng nhi t h ch deuterium-tritium sinh ra trong m i mét kh i plasma m t nhi t và m t (m t năng lư ng nhi t h ch) cho trư c có th tính ra b ng ti t di n hi u d ng nhi t h ch o ư c (t l ph n ng i v i m t va ch m nhi t h ch cho trư c). Trong ngư ng 100 × 106–200 × 106 K, m t năng lư ng nhi t h ch x p x b ng 0,08p2 MWm–3, nhi t trong ó áp su t plasma, p, ư c o theo atmosphere. áp su t cao, năng lư ng nhi t h ch l n và plasma hoàn toàn t làm nóng (Pnhi t = 0 và Q → ∞) – ây ư c g i là “s ánh l a”. Vi c làm nóng plasma t bên ngoài (cung c p Pnhi t) làm gi m công su t toàn ph n và làm ph c t p thêm i v i thi t k lò ph n ng. Vì th , khu ch i cao là thi t y u. Hi u qu c a m t d ng c nhi t h ch ph thu c vào tr ng thái c a plasma – c bi t là tích nhi t h ch, pτE, và nhi t plasma, T. S ánh l a x y ra i khái khi pτE > 20. Trong ITER, áp su t plasma trung tâm s t t i kho ng 7 atmosphere và th i gian giam c m ư c kì v ng là trong ngư ng 3,5 – 4 giây (lưu ý là plasma c a ITER s ư c duy trì trong hơn 400 giây – có l là hàng nghìn giây). th bi u di n p > iτE theo T cho phép so sánh hi u su t i v i các tokamak khác nhau, trong ó pi = p/2 là áp su t ion trong vùng chính gi a c a plasma toroid (hình 3). Hình 3. D li u ch n l c t các tokamak khác nhau ch ng minh s ti n b th t s trong nh ng th p niên g n ây, v i nhi t ion hơn 100 tri u kelvin tính cho n nay. V i JET, ngư i ta ã t t i hi u su t năng lư ng (Q) vào kho ng 0,7 – thành t u này ư c ánh d u “breakeven” trong bi u này. Thí nghi m Nh t B n JT60 ã ch y không c n tritium nhưng n u nó s d ng tritium, thì khu ch i s là 1,25. ITER ư c kì v ng mang l i khu ch i l n hơn 10 – các lò ph n ng thương m i thì c n l n hơn 20. 5
D oán công su t cao t i ITER Câu h i kĩ thu t thách th c nh t mà c ng ng nhi t h ch ph i i m t là xác nh th i gian xem th i gian giam c m là bao nhiêu và làm th nào chúng ta có th m b o nó s t t i 3,5 – 4 s. Chúng ta bi t r ng s t n th t nhi t t các plasma giam c m b ng t ư c i u khi n b i s nhi u lo n quy mô nh . S nhi u lo n ó g m các thăng giáng m t plasma và trư ng i n t gây ra ít nhi u cu n xoáy c a dòng plasma. Các thăng giáng nhi u lo n v cơ b n là nh ng sóng âm không b n b chi ph i b i gradient nhi t trong plasma. Gi ng như s i lưu trong ch o nư c, các xoáy v n chuy n plasma nóng ra và plasma l nh vào. S ti n b trong vi c c i thi n hi u su t tokamak trong 40 năm qua thu ư c b ng cách làm tri t tiêu ngày m t t t hơn s i lưu lo n c a nhi t và do ó làm tăng τE. M t trong nh ng thành t u khoa h c c a th p niên v a qua là kh năng tính ra nhi u lo n này, s d ng các máy tính hi u su t cao cung c p các chương trình mô ph ng tiên ti n (hình 4). Các so sánh chi ti t gi a các mô ph ng và các phép o cho th y trong nhi u trư ng h p, các phép tính th t s ã ch p chính xác cơ s ng l c h c ph c t p y. Tuy nhiên, v n còn có thêm c i ti n, c bi t trong nh ng trư ng h p ang gây hào h ng, trong ó nhi u lo n ư c mô ph ng h u như hoàn toàn tri t tiêu m t. Lí thuy t phân tích c a s nhi u lo n này th t ph c t p và hi n nay ngư i ta ch m i b t u tìm hi u. Tuy nhiên, ki n th c nh tính c a s v n chuy n xoáy h n n có th thu ư c t m t l p lu n ơn gi n d a trên c i m c a các sóng âm không b n t o ra các c u trúc xoáy ó. L p lu n này mang l i ư c tính τE = L3B2T–3/2, trong ó L là kích c c a d ng c , B là c m ng t và T là nhi t c a nó. Rõ ràng d ng c càng l n s ti n hành công vi c t t hơn do s t l lũy th a L3. Th t v y, s t l theo l i kinh nghi m suy ra t nhi u thí nghi m ch khác chút ít v i ư c tính ơn gi n trên. Th i gian giam c m năng lư ng c a ITER ư c d oán theo hai cách: th nh t, b ng cách ngo i suy t các máy móc hi n có s d ng s t l theo l i kinh nghi m; th hai, s d ng các mô hình v n chuy n c c b ph c t p suy ra t các mô ph ng. Nh ng tiên oán này ư c kì v ng là r t chính xác, v i th i gian giam c m trong ngư ng 3,5 – 4 s. Tiên oán này là cơ s cho s tin tư ng c a chúng ta r ng ITER s t t i ch plasma cháy t làm nóng. Chúng ta có th có m t c m nh n nh tính cho s ngo i suy trên s d ng s t l ki u quãng ư ng ng u nhiên ơn gi n: JET thu ư c th i gian giam c m τE ~ 0,5–1 s và do ó ITER ( i th to hơn g p ôi, nóng hơn 30% và có t trư ng l n hơn ch ng 30%) s có th i gian giam c m τE ~ 4 s. Kĩ thu t ph chăn V i ki n th c hi n nay c a chúng ta, h p lí hơn là hãy gi s ITER s t t i m c tiêu plasma cháy c a nó vào gi a th p niên 2020. Tuy nhiên, như m i kĩ sư u bi t, vi c xây d ng m t nhà máy i n thương m i thư ng m t nhi u công s c hơn là ch ơn gi n ch ng minh m t m u thi t k có th ho t ng trên các nguyên lí khoa h c. Th t v y, m t s b ph n c a b t kì lò ph n ng nhi t h ch tương lai nào – c bi t là các h nhân gi ng tritium t lithium (ph n ng th hai trong hình 1) và bi n i năng lư ng neutron thành i n năng – cho n nay v n chưa ư c ki m tra b t kì quy mô nào. Các neutron sinh ra trong các ph n ng deuterium– tritium, chúng mang b n ph n năm năng lư ng nhi t h ch, chưa ư c giam gi b i t trư ng và do ó r i kh i plasma và i qua thành bao xung quanh. Bên trong thành bao, ph i có m t h ph c t p h p th các neutron trên, trích xu t nhi t và “nhân gi ng” tritium t lithium – thành bao này ư c g i là “chăn ph ”. 6
Có nhi u m u chăn nhưng chúng u có m t vài i m chung: chúng thư ng dày 0,5 – 1 m, cách li v i plasma b ng m t thành thép và b c phía ngoài b ng m t lá ch n thép. L p chăn ó ch a lithium, chúng h p th neutron t s nhi t h ch nhân gi ng tritium (hình 1), sau ó cho tritium vào trong plasma làm nhiên li u. Cũng có m t trong l p chăn là các b nhân neutron và m t ch t làm ngu i dùng trích l y tritium và nhi t lư ng, cái c n thi t c p ngu n cho m t tuabin và s n xu t ra i n năng. L p chăn ó ph i th a mãn m t s yêu c u cơ b n: có giá tr v m t kinh t , nó ph i ho t ng n nh nhi t cao trogn m t môi trư ng neutron gay g t trong nhi u năm; và t cung c p tritium, nó ph i nhân gi ng lư ng tritium nhi u hơn lư ng do các ph n ng nhi t h ch tiêu th . Các công ngh chăn, cũng như thành bao, ang tr thành ch chính c a chương trình nhi t h ch và s tiêu bi u cho nhi u tính ch t thông minh i cùng v i s nhi t h ch thương m i. Nh ng công ngh h lò ph n ng này là c n thi t cho m t n n kinh t nhi t h ch trong tương lai – chúng ta không th ch n các k t qu c a ITER b t u phát tri n chúng. M t i u ki n tiên quy t cho m t h chăn-thành bao h p lí là các v t li u có s c b n. Các v t li u c u t o, v t li u nhân gi ng và v t li u dòng-nhi t-cao là c n thi t. Trong các i u ki n lò ph n ng tiêu bi u, các nguyên t trong vài cm u tiên c a thành bao i m t v i plasma s ph i chuy n i, hay thay th , b i s b n phá neutron hơn mư i l n m t năm. M i l n d ch chuy n làm cho c u trúc c c b c a thành r n b s p x p l i. Thư ng thì ây s là i m lành nhưng ôi khi nó có th làm cho c u trúc y u i. Vì th , các c u trúc c n ph i gi ư c tính nguyên v n c u trúc trong nh ng i u ki n r t thách th c này trong vài ba năm. gi m t i thi u tác ng môi trư ng c a s nhi t h ch, các thành bao còn ph i ch t o b ng nh ng nguyên t không tr thành ch t th i phóng x lâu năm sau khi b b n phá neutron năng lư ng cao. Chúng ta không bi t ch c ch n nh ng v t li u như v y có t n t i hay không, nhưng m t vài v t li u ng c viên tri n v ng ã ư c xu t. Thí d , nh ng lo i thép c bi t ã ư c ch ng minh là có nh ng tính ch t c u trúc thích h p trong các phép tính lí thuy t và trong các phép ki m tra chùm ion ti n hành t i Culham và các trư ng i h c Anh qu c. Nhưng chúng ta v n không bi t ch c ch n cho n khi các m u ư c ưa vào m t môi trư ng b c x neutron ki u nhi t h ch. Cơ s V t li u Chi u x Nhi t h ch Qu c t (IFMIF) là m t ngu n neutron do máy gia t c cung c p ã ư c phát tri n b i c ng ng nghiên c u qu c t ki m tra các m u nh c a các ch t li u có tri n v ng; i thi t k c a nó làm vi c Nh t B n là m t bên i tác ã mang ITER n v i châu Âu. Ph neutron c a IFMIF s b t chư c ph neutron năng lư ng cao c a m t lò ph n ng nhi t h ch. Các m u s ư c chi u x trong m t chùm neutron trong vài năm ánh giá các bi n i tính ch t c u trúc c a chung. Chúng tôi c n cơ s th nghi m N u, úng như trông i, ITER t ra thành công, thì s phát tri n l p chăn có kh năng là hư ng i quan tr ng cho s nhi t h ch. Các m u ch n ã và ang ư c phát tri n và ki m nghi m v i các ngu n neutron y u, và có v như nh ng thi t k này s nhân gi ng trititum hi u qu t cung c p. Nhưng chúng ph i ư c ki m tra năng lư ng nhi t h ch tr n v n trư c khi chúng ta có th m b o m t h th ng h p lí có giá tr thương m i. M c dù các mô- un chăn th nghi m s ư c t trong thành c a ITER vào nh ng giai o n sau này c a quá 7
trình ho t ng, nhưng các th nghi m d t khoát òi h i m t dòng neutron liên t c 1– 2 MW m–2 trong vài ba năm, yêu c u ó s không th t t i v m t kĩ thu t t i ITER. Vì th , tôi tin r ng m t “cơ s th nghi m b ph n” (CTF) có th cung c p dòng neutron m c lò ph n ng trên nhi u mét vuông là c n thi t tăng t c áng k s phát tri n c a l p chăn và các c u trúc thành bao. mang l i m t d ng c như v y òi h i nó ph i nh g n v i công su t tiêu th th p. Hình 4. Các thăng giáng m t plasma gây ra b i s nhi u lo n, mô ph ng cho tokamak t i General Atomics La Jolla, California, s d ng m t b mã máy tính g i là GYRO. Các ư ng s c t n m bám trên nh ng b m t hình bánh rán – các m t toroid. Trong hìn này, chúng ta có th th y hai b m t như v y, s nhi u lo n gi a chúng và hai lát c t b m t. Vùng plasma nóng gi a b b qua. Các ư ng s c ó không ư c th hi n nhưng các thăng giáng kéo dài theo các ư ng s c t và do ó có th nhìn th y là các v t và lam d c theo m t toroid. Dòng nhi u lo n i khái d c theo các ư ng màu không i và vuông góc v i các ư ng s c t . GYRO gi i các phương trình ng h c cho các vòng tích i n hình thành b i chuy n ng xo n c c a các h t xung quanh các ư ng s c t . T trư ng ư c tính ra t các phương trình Maxwell. ( nh: Jeff Candy và Ron Waltz) Các nhà nghiên c u t i Culham ã phát tri n tiên phong m t d ng c nh g n g i là tokamak c u, là m t ng c viên sáng giá cho m t CTF. Th t v y, MAST (Tokamak C u MegaAmp) ã t ư c các i u ki n plasma th t n tư ng m t quy mô r t khiêm t n. Các tính toán và o lư ng cho th y MAST thu ư c s giam c m t t b ng cách tri t tiêu s nhi u lo n, b ng cách cho plasma quay tròn t c siêu thanh. Thí nghi m Tokamak C u Qu c gia (NSTX) t i Princeton Mĩ cũng ho t ng quy mô c MAST. K t qu t nh ng d ng c này cho th y tokamak c u là m t ng c viên lí tư ng cho m t d ng c nhi t h ch nh g n và linh ho t – nghĩa là m t ng c viên thích h p cho m t CTF. Do ó, Culham và Phòng thí nghi m qu c gia Oak Ridge Mĩ ã phát tri n các m u CTF trên khái ni m d a trên các tokamak c u. Nh ng cơ s này có th ki m tra toàn b các b ph n c a l p chăn và thành bao công su t tr n v n trong nhi u năm. C Princeton và Culham u ang nâng c p máy móc c a h ch ng minh tính xác th c c a các m u khái ni m này. MAST nâng c p s mang l i các i u ki n g n như nhi t h ch, các plasma t duy trì và th nghi m m t h th ng x th i m i cho các s n ph m plasma cháy d ng khí – b th i Super-X. 8
N u như MAST nâng c p xác nh n tính kh thi c a m t CTF c u, thì m t CTF có th s ư c ch t o trong nh ng năm u trong quá trình ho t ng c a ITER. S phát tri n thành bao và l p chăn trên CTF cùng v i chương trình c a ITER có th cho phép xây d ng các lò ph n ng minh ch ng u tiên vào th p niên 2030. Các chương trình qu c t hi n nay không có k ho ch xây d ng m t CTF – nhưng ch c ch n nó s là thi t y u n u chúng ta ph bi n s nhi t h ch thương m i khi c n thi t. V i nh ng gì ã t ư c, i u dư ng như không th tránh kh i là ư c mơ c a Eddington cu i cùng s tr thành hi n th c – nhưng mà khi nào? M c dù chúng ta không th nói ch c ch n, nhưng i v i m t th gi i ang ói khát năng lư ng, thì s rút ng n th i gian t t i s nhi t h ch thương m i dù ch m t th p niên thôi cũng có m t s tác ng h t s c to l n. Tóm t t i n nhi t h ch có tri n v ng c bi t do s d ng nhiên li u trên th c t là vô t n, không s n • sinh carbon-dioxide, an toàn cao và s d ng t ai không áng k . S nhi t h ch có i u khi n ã ư c hi n th c hóa vào th p niên 1990 b i Joint European • Torus (JET) và Lò ph n ng Th nghi m Nhi t h ch Tokamak c a Mĩ. JET c n nhi u năng lư ng ch y hơn năng lư ng mà nó t o ra – 25 MW công su t c p cho plasma t o ra 16 MW công su t nhi t h ch Chúng ta có th t t i s s n sinh i n năng toàn ph n b ng cách xây d ng m t lò ph n ng có • th ch u ư c ch plasma cháy nóng, trong ó các s n ph m nhi t h chc d nhanh t c p nhi t cho ph n ng, cho nên c n ít năng lư ng vào hơn. Các mô ph ng và o lư ng d oán r ng cơ s ITER hi n ang xây d ng Pháp s t t i ch • này b i vi c có m t plasma nhi t h ch ít nhi u lo n hơn và có th tích l n hơn – do ó gây ra nhi u ph n ng nhi t h ch và th t thoát ít năng lư ng hơn – so v i các thi t b ti n nhi m c a nó. t t i s nhi t h ch thương m i, m t thành bao và “l p chăn” cho lò ph n ng ph i ư c • x lí kĩ thu t có th tr v ng trong nhi u năm ch u nhi t và b c x mà không b suy y u. Steve Cowley, Trung tâm Năng lư ng Nhi t h ch Culham; giáo sư v t lí plasma, i h c Imperial College London. Tr n Nghiêm d ch – thuvienvatly.com 9