Một bước đột phá lớn trong phản ứng tổng hợp hạt nhân đã đưa chúng ta tiến gần hơn đến năng lượng 'vô hạn'

Năng lượng sạchNăng lượngHạt nhânTính bền vững

Tháng Chín 16th, 2021

Tạo ra nguồn năng lượng bền vững với công suất hầu như không giới hạn, an toàn, tiết kiệm và thân thiện với môi trường. Các nhà khoa học hiện đang thúc đẩy việc tạo ra một lò phản ứng nhiệt hạch có thể tạo ra nhiều năng lượng hơn mức tiêu thụ. Điều này dường như là có thể.

 

By Greg De Temmerman

Cộng tác viên nghiên cứu tại Mines ParisTech-PSL. Giám đốc điều hành của Zenon Research, Mines ParisTech


 

Phòng thí nghiệm quốc gia Lawrence Livermore đã công bố một bước đột phá lớn trong phản ứng tổng hợp hạt nhân, sử dụng tia laze mạnh để tạo ra 1.3 megajoules năng lượng - khoảng 3% năng lượng có trong 1kg dầu thô.

 

Phản ứng tổng hợp hạt nhân từ lâu đã được coi là năng lượng của tương lai - một nguồn năng lượng “vô hạn” không phụ thuộc vào nhu cầu đốt cháy carbon. Nhưng sau nhiều thập kỷ nghiên cứu, nó vẫn chưa mang lại lời hứa thú vị.

 

Bước đột phá mới này có thể đưa chúng ta đến kết quả mong muốn gần hơn bao nhiêu? Dưới đây là một tổng quan ngắn gọn để đưa tiến bộ khoa học mới này vào quan điểm.

 

Phản ứng tổng hợp hạt nhân là gì?

 

Có hai cách sử dụng năng lượng hạt nhân: phân hạch, được sử dụng trong các nhà máy điện hạt nhân hiện nay và nhiệt hạch.

 

Trong quá trình phân hạch, các nguyên tử uranium nặng bị phá vỡ thành các nguyên tử nhỏ hơn để giải phóng năng lượng. Phản ứng tổng hợp hạt nhân là một quá trình ngược lại: các nguyên tử nhẹ được biến đổi thành các nguyên tử nặng hơn để giải phóng năng lượng, quá trình tương tự xảy ra trong lõi plasma của Mặt trời.

 

Lò phản ứng nhiệt hạch khuếch đại công suất: phản ứng được kích hoạt phải tạo ra nhiều năng lượng hơn mức cần thiết để đốt nóng plasma nhiên liệu để xảy ra sản xuất năng lượng - đây được gọi là sự đánh lửa. Chưa có ai quản lý điều này. Kỷ lục hiện tại đạt được vào năm 1997 bởi Joint European Torus ở Vương quốc Anh, nơi 16 megawatt điện đã được tạo ra bằng phản ứng tổng hợp từ tính, nhưng phải mất 23 megawatt để kích hoạt nó.

 

Bên trong buồng nhiệt hạch của DIII-D tokamak, San Diego, Mỹ. Rswilcox, CC BY-SA
Bên trong buồng nhiệt hạch của DIII-D tokamak, San Diego, Mỹ. Rswilcox, CC BY-SA

 

Có hai cách để đạt được phản ứng tổng hợp hạt nhân: giam giữ từ trường, sử dụng nam châm mạnh để giam giữ plasma trong thời gian rất dài và giam giữ quán tính, sử dụng xung laser rất mạnh và ngắn để nén nhiên liệu và bắt đầu phản ứng nhiệt hạch.

 

Trong lịch sử, phản ứng tổng hợp từ tính được ưa chuộng vì công nghệ cần thiết cho phản ứng tổng hợp quán tính, đặc biệt là laser, không có sẵn. Phản ứng tổng hợp quán tính cũng đòi hỏi thu được cao hơn nhiều để bù đắp cho năng lượng tiêu thụ của laser.

 

Giam giữ quán tính

 

Hai dự án quán tính lớn nhất là Cơ sở Đánh lửa Quốc gia tại Phòng thí nghiệm Quốc gia Lawrence Livermore ở Hoa Kỳ và Laser MégaJoule ở Pháp, nơi có các ứng dụng chủ yếu là quân sự và được tài trợ bởi các chương trình quốc phòng. Cả hai cơ sở đều mô phỏng các vụ nổ hạt nhân cho mục đích nghiên cứu, mặc dù Cơ sở Đánh lửa Quốc gia cũng thực hiện nghiên cứu về năng lượng.

 

Cơ sở Đánh lửa Quốc gia sử dụng 192 chùm tia laser tạo ra tổng cộng 1.9 megajoules năng lượng trong khoảng thời gian kéo dài vài nano giây để kích hoạt phản ứng nhiệt hạch. Nhiên liệu được đặt bên trong một viên kim loại có bề ngang vài mm, khi được đốt nóng bằng laser, sẽ phát ra tia X làm nóng và nén nhiên liệu.

 

Chính quá trình này, vào ngày 8 tháng 2021 năm 1.3, đã đạt được mức sản xuất năng lượng mang tính bước ngoặt là XNUMX megajoules, giá trị cao nhất từng được ghi nhận theo phương pháp quán tính: tức là nơi gần chúng ta nhất để đánh lửa.

 

Mức tăng tổng thể 0.7 tương đương với kỷ lục đạt được của Joint European Torus vào năm 1997 bằng cách sử dụng giam giữ từ tính, nhưng trong trường hợp này, nhiên liệu đã hấp thụ 0.25 megajoules năng lượng và tạo ra 1.3 megajoules: do đó, phản ứng tổng hợp tạo ra một phần nhiệt cần thiết cho phản ứng, tiếp cận điểm bắt lửa.

 

Tuy nhiên, một lò phản ứng sẽ phải đạt được lợi nhuận cao hơn nhiều (hơn 100) để hấp dẫn về mặt kinh tế.

 

Giam giữ từ tính

 

Phương pháp giam giữ từ trường hứa hẹn triển vọng phát triển tốt hơn và do đó là con đường được ưa thích cho sản xuất năng lượng cho đến nay.

 

Phần lớn các nghiên cứu tập trung vào tokamaks, lò phản ứng nhiệt hạch được phát minh ở Liên Xô vào những năm 1960, nơi plasma bị giới hạn bởi từ trường mạnh.

 

ITER, một lò phản ứng trình diễn đang được xây dựng ở miền nam nước Pháp với sự tham gia của 35 quốc gia, sử dụng cấu hình tokamak. Nó sẽ là lò phản ứng nhiệt hạch lớn nhất thế giới, và nhằm chứng minh mức tăng 10 - plasma sẽ được đốt nóng bởi công suất 50 megawatt và sẽ tạo ra 500 megawatt. Hiện tại, plasma đầu tiên được dự kiến ​​chính thức vào cuối năm 2025, với sự trình diễn phản ứng tổng hợp dự kiến ​​vào cuối những năm 2030.

 

Vương quốc Anh gần đây đã khởi động dự án STEP (Tokamak hình cầu để sản xuất điện), nhằm mục đích phát triển một lò phản ứng kết nối với lưới năng lượng vào những năm 2040. Trung Quốc cũng đang theo đuổi một chương trình đầy tham vọng để sản xuất đồng vị triti và điện vào những năm 2040. Cuối cùng, châu Âu có kế hoạch mở một người biểu tình tokamak, DEMO, vào những năm 2050.

 

Một cấu hình khác được gọi là bộ đếm, giống như của Đức Wendelstein-7X, đang cho thấy kết quả rất tốt. Mặc dù hiệu suất của bộ đếm thấp hơn so với những gì một tokamak có thể đạt được, nhưng sự ổn định nội tại và những kết quả đầy hứa hẹn gần đây khiến nó trở thành một sự thay thế nghiêm túc.

 

Tương lai của nhiệt hạch

 

Trong khi đó, các dự án tổng hợp hạt nhân tư nhân đang bùng nổ trong những năm gần đây. Hầu hết họ đều hình dung một phản ứng nhiệt hạch trong vòng 20 đến XNUMX năm tới và cùng nhau thu hút 2 tỷ đô la tài trợ để vượt xa khu vực phát triển truyền thống.

 

Hai kịch bản triển khai tổng hợp hạt nhân khác nhau, so với gió, mặt trời và phân hạch hạt nhân. Nguồn ảnh: G De Temmerman, D Chuard, J -B. Rudelle cho Zenon Research (Tác giả cung cấp)

 

Mặc dù những sáng kiến ​​này sử dụng các công nghệ tiên tiến khác để đạt đến sự tổng hợp và do đó rất có thể đưa các lò phản ứng hoạt động nhanh chóng, nhưng việc triển khai một đội các lò phản ứng trên khắp thế giới chắc chắn sẽ mất nhiều thời gian.

 

Nếu sự phát triển theo đà tăng tốc này, phản ứng tổng hợp hạt nhân có thể chiếm khoảng 1% nhu cầu năng lượng toàn cầu vào năm 2060.

 

Vì vậy, trong khi bước đột phá mới này rất thú vị, cần lưu ý rằng nhiệt hạch sẽ là nguồn năng lượng cho phần thứ hai của thế kỷ - sớm nhất là.

 

Bài báo này ban đầu được xuất bản bởi The talk, Australia, vào ngày 26 tháng 2021 năm XNUMX, và đã được tái bản theo Giấy phép Creative Commons Ghi công-Phi thương mại-Không dẫn xuất 4.0 Giấy phép Công cộng Quốc tế. Bạn có thể đọc bài báo gốc nhấn vào đây. và Nó ban đầu được xuất bản trong Tiếng Pháp. Các quan điểm được trình bày trong bài viết này là của một mình tác giả và không phải của WorldRef.


 

Khám phá các dịch vụ của WorldRef để tìm hiểu cách chúng tôi đang làm cho việc mở rộng toàn cầu của bạn trở nên dễ dàng và tiết kiệm hơn!

Nhiệt điện và đồng phát | Khai thác và Khoáng sản | Kiểm soát ô nhiễm không khí | Hệ thống xử lý vật liệu | Xử lý nước và nước thải |

Thiết bị công nghiệp đã qua sử dụng | Phụ tùng, Dụng cụ và Vật dụng | Mua sắm công nghiệp