Phản ứng nhiệt hạch

1. Khái niệm phản ứng nhiệt hạch

Phản ứng nhiệt hạch là phản ứng tổng hợp hạt nhân nặng từ hai hay nhiều hạt nhân nhẹ hơn. Phản ứng nhiệt hạch sản sinh ra nhiệt lượng khổng lồ lớn hơn cả phản ứng phân hạch tuy nhiên phản ứng nhiệt hạch cần phải có các điều kiện cụ thể mới có thể xảy ra được.

Cùng với quá trình này là sự phóng thích năng lượng hay hấp thụ năng lượng tùy vào khối lượng của hạt nhân tham gia.

Nhân sắt và nickel có năng lượng kết nối nhân lớn hơn tất cả các nhân khác nên bền vững hơn các nhân khác. Sự kết hợp hạt nhân của các nguyên tử nhẹ hơn sắt và nickel thì phóng thích năng lượng trong khi với các nhân nặng hơn thì hấp thụ năng lượng.

2. Nguyên lý phản ứng nhiệt hạch

Năng lượng tổng hợp hạt nhân dựa trên nguyên lý của nhà bác học vĩ đại Albert Einstein. Phản ứng tổng hợp hạt nhân là hai nhân hợp lại với nhau thành một nhân nặng hơn, trong quá trình hợp nhất phóng thích ra năng lượng khổng lồ. Phản ứng tổng hợp hạt nhân phóng thích năng lượng tùy thuộc vào khối lượng của hạt nhân tham gia, ví dụ: những nguyên tử nhẹ hơn sắt và nickel tổng hợp hạt nhân thì phóng thích năng lượng, trong khi các nhân nặng hơn thì hấp thu năng lượng.

Dưới đây là một phản ứng tổng hợp hạt nhân:

H2 (deuterium) + H3 (tritium) → H4 (Helium4) + n (neutron). Phản ứng trên viết lại theo ký hiệu thường dùng: 21D + 31T → ⁴₂He (3,5 MeV) + n (14,1 Mev). 

Nếu thực hiện được phản ứng tổng hợp thì chúng ta thu được năng lượng.

Để làm được điều này cần một nguồn năng lượng rất lớn, phải tạo ra nhiệt độ cao trên 100 triệu độ (nóng gấp khoảng 10 lần tâm của Mặt trời). Ở nhiệt độ cao như vậy, nguyên tử khí bị “tuột” ra khỏi các electron bên ngoài, để lại hạt nhân mang điện tích dương. Đám khí này gọi là plasma. Do mang điện tích nên nó có thể chứa từ trường bên trong, ngay cả ở nhiệt độ rất cao. Nhiệt độ đạt đến mức cần thiết sẽ tạo ra từ trường đủ mạnh và bắn ra tia hydro giàu neutron, giúp hiện tượng nhiệt hạch xảy ra. Vì thế người ta còn gọi đây là phản ứng nhiệt hạch. Phản ứng nhiệt hạch là cơ sở để chế tạo bom khinh khí hay bom H, đồng thời cũng là cơ sở để xây dựng lò phản ứng nhiệt hạch.

3. Đặc điểm phản ứng nhiệt hạch

Nhiên liệu thường dùng trong phản ứng tổng hợp hạt nhân là các đồng vị deuterium và tritium của hydrogen. Các đồng vị này có thể trích lấy dễ dàng từ thành phần nước biển, hoặc tổng hợp không mấy tốn kém từ nguyên tử hydrogen.

Để làm cho các hạt nhân hợp lại với nhau, cần tốn một nguồn năng lượng rất lớn, đòi hỏi phải nâng nhiệt độ của hệ lên cao trước khi phản ứng xảy ra.

Năng lượng phóng thích từ phản ứng hạt nhân thường lớn hơn nhiều so với phản ứng hóa học, bởi vì năng lượng kết dính giữ cho các nhân với nhau lớn hơn nhiều so với năng lượng để giữ các electron với nhân. 

4. Điều kiện phản ứng nhiệt hạch

- Trước hết hỗn hợp nhiên liệu phải được chuyển sang trạng thái plasma (cần nhiệt độ khoảng 104 độ).

- Cung cấp động năng ban đầu vào khoảng 105 eV để các hạt nhân tiếp xúc với nhau tạo nên phản ứng phân hạch (cần nhiệt độ khoảng 100 triệu độ)

- Mật độ hạt nhân trong trạng thái plasma phải đủ lớn

- Thời gian duy trì trạng thái plasma ở nhiệt độ 100 triệu độ phải đủ lớn

- Vì vậy mà đến nay ta vẫn chưa thể ứng dụng những kỹ thuật tiên tiến nhất để tạo ra các lò phản ứng hạt nhân nhiệt hạch nhằm phục vụ nhu cầu cung cấp năng lượng sạch vô hạn cho con người.

5. Phản ứng nhiệt hạch trên Trái Đất

- Trên Trái Đất, loài người đã tạo ra phản ứng nhiệt hạch khi thử quả bom H và đang nghiên cứu tạo ra phản ứng nhiệt hạch có điều khiển.

- Phản ứng nhiệt hạch có điều khiển

- Hiện nay, các trung tâm nghiên cứu đều sử dụng đến phản ứng:

₂¹H + ₃¹H → ⁴₂He+¹₀n + 17,6 MeV

Phản ứng này dễ thực hiện một cách đơn lẻ như sau: cho triti ở thể khí bay bám vào một tấm đồng; các hạt nhân đơteri được gia tốc đến 2 MeV đập vào tấm bia ấy. Phản ứng nhiệt hạch xảy ra với dấu hiệu là sự phát ra hạt nơtron năng lượng xác định 14,1 MeV.

6. Một số lò tổng hợp hạt nhân tiêu biểu

Lò ITER

Với đường kính và chiều cao 30m, lò phản ứng nhiệt hạch trị giá 14 tỷ USD mang tên ITER (viết tắt của International Thermonuclear Experimental Reactor - Dự án Lò phản ứng Thí nghiệm Nhiệt hạt nhân Quốc tế) sẽ trở thành lò phản ứng nhiệt hạch lớn nhất thế giới. Dự án này được các nhà khoa học khẳng định sẽ mở ra một kỷ nguyên mới cho việc sử dụng năng lượng nhiệt hạch của loài người.

Bằng phương pháp tổng hợp hạt nhân 2 đồng vị của hydro - deuterium và tritium, ITER sẽ trở thành một nguồn phát điện với công suất 500 MW. Con số này tương đương với 10 lần mức năng lượng nó cần để hoạt động. Vì vậy mà ITER được kỳ vọng sẽ trở thành lò phản ứng nhiệt hạch đầu tiên thu hẹp khoảng cách giữa những công trình mang tính chất nghiên cứu và những nhà máy điện nhiệt hạch có thể cung cấp năng lượng cho những thành phố lớn trong tương lai.

Lò Wendelstein 7-X

Wendelstein 7-X chính là lò phản ứng nhiệt hạch dạng Stellarator lớn nhất thế giới đã được được Viện Max Planck về vật lý plasma (IPP) xây dựng tại Greifswald, Đức, hoàn thành vào 10/2015 sau 19 năm nghiên cứu, xây dựng, với chi phí hơn 1 tỷ Euro. Đây là lò phản ứng tổng hợp hạt nhân dạng stellarator. Được biết, các nhà nghiên cứu đã sử dụng sự trợ giúp của siêu máy tính để thiết kế ra hình dáng của lò với độ chính xác cực kỳ cao nhằm đẩy hiệu suất phản ứng lên mức mong muốn. 

Đặc điểm của lò Wendelstein 7-X là quá trình tổng hợp hạt nhân không thải ra độc chất CO₂, không phóng xạ nguy hiểm và không có nguy cơ gây nổ. Thậm chí, mỗi gram nguyên liệu dùng để tổng hợp hạt nhân sẽ tạo ra nguồn năng lượng tương đương với nhiệt lượng sản sinh khi đốt 11 tấn than đá.