Phản ứng nhiệt hạch là sự

Phản ứng nhiệt hạch là sự kết hợp hai hạt nhân rất nhẹ thành một hạt nhân nặng hơn trong điều kiện nhiệt độ rất cao.

Phản ứnng nhiệt hạch là gì?

Xem thêm: lpg là gì?

Xem thêm: Trục khuỷu quay bao nhiêu độ

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.

Trong thực tế ta chỉ nghiên cứu các phản ứng nhiệt hạch trong đó các hạt nhân Hidro tự tổng hợp thành hạt nhân He do nguồn nguyên liệu vô tận của Hidro trong tự nhiên.
Phương trình phản ứng nhiệt hạch trong tự nhiên

21H+31H→42He+1on12H+13H→24He+o1n + 17,6MeV
21H+21H→42He12H+12H→24He + 3,25MeV​

Các phép tính toán cho thấy năng lượng tỏa ra khi tổng hợp 1g He lớn gấp 10 lần năng lượng tỏa ra của phản ứng phân hạch 1g Urani. Lớn gấp 100 triệu lần năng lượng tỏa ra khi đốt 1g Cácbon.

Điều kiện để xảy ra 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 những lý do trên mà hiện tại những kỹ thuật tiên tiến nhất vẫn chưa thể ứng dụng để tạo ra các lò phản ứng hạt nhân nhiệt hạch. Phục vụ cho nhu cầu cung cấp năng lượng sạch vô hạn cho con người.

Phản ứng nhiệt hạch trên trái đất

Phản ứng nhiệt hạch có điều khiển

21H+31H→42He+1on12H+13H→24He+o1n​

Phản ứng này thực hiện một cách đơn lẻ như sau: cho triti (31H13H) ở thể khí bám vào một tấm đồng. Các hạt nhân đơteri (21H12H) được gia tốc đập vào tấm bia đó. Phản ứng nhiệt hạch xảy ra với dấu hiệu là sự phát ra hạt notron năng lượng xác định 14,1MeV.
Để thực hiện được phản ứng trên cần điều kiện sau:

Đưa tốc độ của các hạt nhân Hidro lên rất lớn (bằng cách sử dụng nhiệt độ cao hoặc dùng các máy ra tốc hoặc sử dụng các chùm tia Laze cực mạnh)

“Giam hãm” các hạt nhân đó trong một phạm vi không gian nhỏ hẹp. Để chúng có thể gặp nhau trong khoảng thời gian đủ lớn để xảy ra phản ứng.

Video hoạt động của bề mặt Mặt trời nơi xảy ra phản ứng nhiệt hạch giải phóng năng lượng (photon ánh sáng, các loại bức xạ …)

Các quá trình nhiệt hạch

Trong thiên nhiên, lực hấp dẫn của các ngôi sao là đủ mạnh để nhiệt độ. Mật độ và khối lượng của lõi ngôi sao cũng đủ sức để làm cho các hạt nhân kết hợp lại thông qua hiệu ứng “đường hầm lượng tử” (quantum tunneling). Vượt qua rào cản tĩnh điện đó. Trong phòng thí nghiệm, hiệu ứng này xảy ra ít hơn hẳn và người ta chỉ có thể vượt qua rào cản ấy. Bằng cách làm cho các hạt nhân nóng lên. Tới cực điểm – gấp sáu đến bảy lần nhiệt độ ở lõi Mặt trời.

Ngay cả phản ứng nhiệt hạch đơn giản nhất – kết hợp hai đồng vị của hydro là deuteri và triti để tạo thành heli (là một hạt nhân nặng hơn). Và một neutron năng lượng cao (cỡ 14 MeV) – cũng cần đến nhiệt độ khoảng 120 triệu độ C. Ở nhiệt độ cực cao này, các nguyên tử nhiên liệu bị phá vỡ thành các điện tử và hạt nhân. Tạo thành một hỗn hợp plasma cực nóng (hỗn hợp ion hóa deuteri và triti).

Giữ trạng thái của plasma này đủ lâu tại một chỗ để các hạt nhân kết hợp lại là một việc cực kỳ khó. Trong phòng thí nghiệm, plasma bị giam giữ bởi các từ trường mạnh do các cuộn dây siêu dẫn tạo ra. Các cuộn dây này làm thành một cái “chai từ” hình xuyến để nhốt plasma vào trong đó.

Sự thay đổi chế độ

Lò phản ứng thí nghiệm nhiệt hạch quốc tế ITER (International Thermonuclear Eperimental Reactor). Hiện đang được xây dựng ở Cadarach miền nam nước Pháp. Sẽ nghiên cứu “chế độ plasma đốt nóng”. Khi lượng nhiệt tỏa ra từ phản ứng nhiệt hạch sẽ lớn hơn lượng nhiệt cung cấp cho phản ứng nhiệt hạch. Tổng lượng nhiệt nhận được từ ITER sẽ gấp 5 lần lượng nhiệt cung cấp từ bên ngoài trong những phản ứng gần như liên tục. Và đạt được từ 10 đến 30 lần trong những phản ứng thời gian ngắn.

Với cái giá hơn 20 tỉ USD và được tài trợ bởi một tập đoàn gồm bảy quốc gia và liên minh. ITER là dự án khoa học lớn nhất thế giới cho đến nay. Mục đích của nó là chứng tỏ tính khả thi về mặt khoa học. Và công nghệ của việc sử dụng phản ứng nhiệt hạch cho những mục đích hòa bình, như việc sản xuất điện năng.

Các thách thức kĩ thuật và vật lí là không hề nhỏ. ITER sẽ phải có một từ trường với sức mạnh 5 Tesla (gấp 100 nghìn lần từ trường Trái Đất). Và một thiết bị có đường kính 6 m. Chứa 840 m3 plasma (1/3 thể tích một bể bơi tiêu chuẩn Olympic). Thiết bị sẽ có trọng lượng 23 nghìn tấn, bao gồm 100 nghìn km dây siêu dẫn hợp kim niobi-thiếc. Hợp kim này là chất siêu dẫn tại 4,5 độ K (khoảng âm 269 độ C). Nên cả thiết bị sẽ nằm trong một máy làm lạnh bằng heli lỏng. Để giữ các sợi dây siêu dẫn ở vào nhiệt độ cao vài độ so với không độ tuyệt đối.