Deuterium-tritium và stellarator- công nghệ mang lại điện nhiệt hạch trong tương lai

Sự hợp nhất các nguyên tử deuterium (D) và tritium (T) tạo ra năng lượng thu được cao nhất ở nhiệt độ "thấp nhất". Ảnh: ITER

Nhiên liệu deuterium-tritium là tốt nhất

Năng lượng nhiệt hạch có tiềm năng cung cấp nguồn điện an toàn, sạch và gần như vô hạn. Phản ứng nhiệt hạch có thể xảy ra đối với các hạt nhân nhẹ có trọng lượng nhỏ hơn sắt, nhưng các nguyên tố nhẹ kết hợp với nhau trong điều kiện nhiệt độ vào áp suất trong lòng mặt trời.

Để tạo ra môi trường plasma trong các lò phản ứng nhiệt hạch thí nghiệm như tokamak và stellarator, các nhà khoa học đã xác định nhiên liệu deuterium-tritium là tốt nhất. Nhiên liệu này đạt đến điều kiện nhiệt hạch ở nhiệt độ thấp hơn so với các nguyên tố khác và giải phóng nhiều năng lượng hơn trong các phản ứng nhiệt hạch.

Deuterium và tritium là đồng vị của hydro, nguyên tố phong phú nhất trong vũ trụ. Tất cả các đồng vị của hydro đều có 1 proton, nhưng deuterium có 1 neutron và tritium có 2 neutron.

Khi deuterium và tritium hợp nhất sẽ tạo ra 1 hạt nhân helium, có 2 proton và 2 neutron. Phản ứng kết hợp giải phóng một nơtron năng lượng. Các nhà máy điện nhiệt hạch sẽ chuyển đổi năng lượng giải phóng từ các phản ứng nhiệt hạch thành điện năng, cung cấp cho nhu cầu sử dụng trên thế giới.

Chỉ có một proton trong hạt nhân của tất cả các đồng vị của hydro, nhưng số lượng neutron khác nhau. Ảnh do General Atomics cung cấp

Deuterium rất phổ biến. Khoảng 1 trong số 5.000 nguyên tử hydro trong nước biển là deuterium. Đại dương chứa nhiều tấn deuterium, khi năng lượng nhiệt hạch trở thành hiện thực, một gallon nước biển có thể tạo ra năng lượng tương đương 300 gallon xăng.

Tritium là một đồng vị phóng xạ phân hủy tương đối nhanh (có chu kỳ bán phân rã 12 năm) và hiếm trong tự nhiên. Nhưng khi nguyên tố lithium làm giàu tiếp xúc với các nơtron năng lượng cao có thể tạo ra tritium.

Một nhà máy điện nhiệt hạch cần lithium làm giàu để tạo ra tritium trong chu trình nhiên liệu deuterium-tritium. Các nỗ lực nghiên cứu và phát triển (R&D) hiện nay tập trung vào hoàn thiện thiết kế tiên tiến Chăn nuôi tritium, sử dụng lithium ban đầu thu được từ những nguồn tự nhiên trên Trái Đất.

Máy stellarator để tạo ra nhiệt hạch

Nước làm từ deuterium nặng hơn nước thường khoảng 10%. Do đó trong ngành năng lượng hạt nhân được gọi là “nước nặng”..

Các nguồn tritium trên Trái Đất bao gồm nguồn sản xuất tự nhiên từ sự tương tác với các tia vũ trụ, lò phản ứng phân hạch của nhà máy điện hạt nhân như lò phản ứng CANDU nước nặng, các vụ thử nghiệm vũ khí hạt nhân.

Sơ đồ của stellarator nam châm vĩnh cửu. Plasma màu vàng, màu đỏ và màu xanh chỉ ra nam châm vĩnh cửu với các cuộn dây đơn giản xung quanh. Ảnh: Coaxing Zhu

Máy stellarator là một trong những công nghệ mà các nhà khoa học tin rằng có thể sử dụng để tạo ra nhiệt hạch. Máy stellarator sử dụng từ trường xoắn để giới hạn plasma nóng chảy trong hình dạng của một chiếc bánh vòng hình xuyến. Từ trường xoáy cho phép các nhà khoa học kiểm soát các hạt plasma, tạo điều kiện thích hợp cho những phản ứng nhiệt hạch. Stellarator sử dụng nam châm điện cực mạnh để tạo ra từ trường xoắn kéo dài quấn quanh hình xuyến.

Stellarators có một số ưu điểm so với Tokamak là yêu cầu năng lượng đầu vào thấp hơn để duy trì plasma, thiết kế linh hoạt hơn và cho phép đơn giản hóa một số khía cạnh điều khiển plasma. Nhưng độ phức tạp thiết bị rất cao, đặc biệt đối với các cuộn dây từ trường.

Hiện nay, để thiết kế stellarator với hiệu quả tối ưu, các nhà khoa học đã chuyển sang thiết kế mô phỏng trên máy tính hiệu suất cao và lý thuyết plasma hiện đại. 

Giản đồ của máy sao nam châm vĩnh cửu với plasma màu vàng và bề mặt từ tính màu xanh lam. Ảnh: Michael Drevlak

Các stellarators thông thường (trái) và tối ưu hóa (phải) sử dụng cuộn dây điện từ phức tạp để giới hạn plasma bằng từ trường xoáy ba chiều theo hình dạng của hình xuyến. Ảnh: D. Anderson, Đại học Wisconsin tại Madison