Ngày nay, nhiều quốc gia đang tham gia nghiên cứu nhiệt hạch. Dẫn đầu là Liên minh Châu Âu, Hoa Kỳ, Nga và Nhật Bản, trong khi các chương trình ở Trung Quốc, Brazil, Canada và Hàn Quốc đang nhanh chóng mở rộng. Ban đầu, các lò phản ứng nhiệt hạch ở Mỹ và Liên Xô có liên quan đến việc phát triển vũ khí hạt nhân và vẫn được phân loại cho đến khi diễn ra Hội nghị Nguyên tử vì Hòa bình diễn ra tại Geneva năm 1958. Sau khi tokamak của Liên Xô được thành lập, nghiên cứu phản ứng tổng hợp hạt nhân đã trở thành “khoa học lớn” vào những năm 1970. Nhưng chi phí và độ phức tạp của các thiết bị tăng lên đến mức hợp tác quốc tế trở thành con đường duy nhất để tiến tới.
Các lò phản ứng nhiệt hạch trên thế giới
Kể từ những năm 1970, việc sử dụng năng lượng nhiệt hạch cho mục đích thương mại đã liên tục bị trì hoãn 40 năm. Tuy nhiên, rất nhiều điều đã xảy ra trong những năm gần đây có thể khiến khoảng thời gian này bị rút ngắn lại.
Một số tokamaks đã được chế tạo, bao gồm JET của Châu Âu, MAST của Anh và lò phản ứng nhiệt hạch thử nghiệm TFTR ở Princeton, Hoa Kỳ. Dự án ITER quốc tế hiện đang được xây dựng tại Cadarache, Pháp. Đây sẽ là tokamak lớn nhất khi bắt đầu hoạt động vào năm 2020. Năm 2030, Trung Quốc sẽ xây dựng CFETR, vượt qua ITER. Trong khi đó, Trung Quốc đang tiến hành nghiên cứu thử nghiệm chất siêu dẫn tokamak EAST.
Một loại lò phản ứng nhiệt hạch khác, máy sao, cũng được các nhà nghiên cứu ưa chuộng. Một trong những tổ chức lớn nhất, LHD, bắt đầu làm việc tại Viện Quốc gia Nhật Bản vào năm 1998. Nó được sử dụng để tìm ra cấu hình từ tính tốt nhất cho việc giam giữ plasma. Viện Max Planck của Đức đã tiến hành nghiên cứu tại lò phản ứng Wendelstein 7-AS ở Garching từ năm 1988 đến năm 2002, và hiện tại là lò phản ứng Wendelstein 7-X, quá trình xây dựng mất hơn 19 năm. Một máy sao TJII khác đang hoạt động ở Madrid, Tây Ban Nha. Tại Hoa Kỳ, Phòng thí nghiệm Princeton (PPPL), nơi xây dựng lò phản ứng nhiệt hạch đầu tiên thuộc loại này vào năm 1951, đã ngừng xây dựng NCSX vào năm 2008 do chi phí vượt mức và thiếu kinh phí.
Ngoài ra, những tiến bộ đáng kể đã được thực hiện trong nghiên cứu phản ứng tổng hợp quán tính. Việc xây dựng Cơ sở Đánh lửa Quốc gia (NIF) trị giá 7 tỷ USD tại Phòng thí nghiệm Quốc gia Livermore (LLNL), do Cơ quan An ninh Hạt nhân Quốc gia tài trợ, được hoàn thành vào tháng 3 năm 2009. Máy Laser Mégajoule (LMJ) của Pháp bắt đầu hoạt động vào tháng 10 năm 2014. Lò phản ứng nhiệt hạch sử dụng tia laser cung cấp khoảng 2 triệu joules năng lượng ánh sáng trong vòng vài phần tỷ giây tới mục tiêu có kích thước vài mm để kích hoạt phản ứng tổng hợp hạt nhân. Nhiệm vụ chính của NIF và LMJ là nghiên cứu hỗ trợ các chương trình hạt nhân quân sự quốc gia.
ITER
Năm 1985, Liên Xô đề xuất xây dựng tokamak thế hệ tiếp theo cùng với Châu Âu, Nhật Bản và Hoa Kỳ. Công việc được thực hiện dưới sự bảo trợ của IAEA. Từ năm 1988 đến năm 1990, những thiết kế đầu tiên cho Lò phản ứng thí nghiệm nhiệt hạch quốc tế ITER, cũng có nghĩa là "con đường" hay "cuộc hành trình" trong tiếng Latin, được tạo ra để chứng minh rằng phản ứng tổng hợp có thể tạo ra nhiều năng lượng hơn mức nó hấp thụ. Canada và Kazakhstan cũng tham gia với sự trung gian của Euratom và Nga.
Sáu năm sau, hội đồng ITER đã phê duyệt thiết kế lò phản ứng toàn diện đầu tiên dựa trên cơ sở vật lý và công nghệ đã được thiết lập, trị giá 6 tỷ USD. Sau đó, Hoa Kỳ rút khỏi tập đoàn, điều này buộc họ phải giảm một nửa chi phí và thay đổi dự án. Kết quả là ITER-FEAT trị giá 3 tỷ USD nhưng đạt được phản ứng tự duy trì và cân bằng năng lượng dương.
Năm 2003, Hoa Kỳ tái gia nhập tập đoàn và Trung Quốc tuyên bố mong muốn tham gia. Kết quả là vào giữa năm 2005 các đối tác đã đồng ý xây dựng ITER ở Cadarache phía nam nước Pháp. EU và Pháp đóng góp một nửa trong số 12,8 tỷ euro, trong khi Nhật Bản, Trung Quốc, Hàn Quốc, Mỹ và Nga mỗi nước đóng góp 10%. Nhật Bản cung cấp các linh kiện công nghệ cao, duy trì cơ sở IFMIF trị giá 1 tỷ euro được thiết kế để thử nghiệm vật liệu và có quyền xây dựng lò phản ứng thử nghiệm tiếp theo. Tổng chi phí của ITER bao gồm một nửa chi phí cho 10 năm xây dựng và một nửa cho 20 năm vận hành. Ấn Độ trở thành thành viên thứ bảy của ITER vào cuối năm 2005.
Các thí nghiệm sẽ bắt đầu vào năm 2018 bằng cách sử dụng hydro để tránh kích hoạt nam châm. Dự kiến việc sử dụng huyết tương D-T sẽ không xảy ra trước năm 2026.
Mục tiêu của ITER là tạo ra 500 MW (ít nhất trong 400 giây) sử dụng ít hơn 50 MW năng lượng đầu vào mà không tạo ra điện.
Nhà máy điện trình diễn 2 gigawatt của Demo sẽ liên tục sản xuất quy mô lớn. Thiết kế ý tưởng của Demo sẽ được hoàn thành vào năm 2017 và việc xây dựng sẽ bắt đầu vào năm 2024. Việc phóng sẽ diễn ra vào năm 2033.
PHẢN LỰC
Năm 1978, EU (Euratom, Thụy Điển và Thụy Sĩ) bắt đầu dự án chung của châu Âu JET tại Anh. JET ngày nay là tokamak hoạt động lớn nhất trên thế giới. Một lò phản ứng JT-60 tương tự đang hoạt động tại Viện Hợp nhất Quốc gia Nhật Bản, nhưng chỉ JET mới có thể sử dụng nhiên liệu deuterium-tritium.
Lò phản ứng này được ra mắt vào năm 1983 và trở thành thử nghiệm đầu tiên tạo ra phản ứng tổng hợp nhiệt hạch có kiểm soát với công suất lên tới 16 MW trong một giây và 5 MW công suất ổn định trên plasma deuterium-tritium vào tháng 11 năm 1991. Nhiều thí nghiệm đã được thực hiện để nghiên cứu các phương án sưởi ấm khác nhau và các kỹ thuật khác.
Những cải tiến hơn nữa đối với JET liên quan đến việc tăng sức mạnh của nó. Lò phản ứng nhỏ gọn MAST đang được phát triển cùng với JET và là một phần của dự án ITER.
K-STAR
K-STAR là một tokamak siêu dẫn của Hàn Quốc thuộc Viện Nghiên cứu Nhiệt hạch Quốc gia (NFRI) ở Daejeon, nơi đã sản xuất plasma đầu tiên vào giữa năm 2008. ITER là kết quả của sự hợp tác quốc tế. Bán kính 1,8 m Tokamak là lò phản ứng đầu tiên sử dụng nam châm siêu dẫn Nb3Sn, loại nam châm tương tự được lên kế hoạch cho ITER. Trong giai đoạn đầu tiên hoàn thành vào năm 2012, K-STAR phải chứng minh khả năng tồn tại của các công nghệ cơ bản và đạt được các xung plasma kéo dài tới 20 giây. Ở giai đoạn thứ hai (2013-2017), nó đang được hiện đại hóa để nghiên cứu các xung dài lên tới 300 giây ở chế độ H và chuyển sang chế độ AT hiệu suất cao. Mục tiêu của giai đoạn 3 (2018-2023) là đạt năng suất và hiệu quả cao ở chế độ xung dài. Ở giai đoạn 4 (2023-2025), công nghệ DEMO sẽ được thử nghiệm. Thiết bị không có khả năng hoạt động với tritium và không sử dụng nhiên liệu D-T.
K-DEMO
Được phát triển với sự cộng tác của Phòng thí nghiệm Vật lý Plasma Princeton (PPPL) của Bộ Năng lượng Hoa Kỳ và NFRI của Hàn Quốc, K-DEMO được dự định là bước tiếp theo trong quá trình phát triển lò phản ứng thương mại sau ITER và sẽ là nhà máy điện đầu tiên có khả năng phát điện vào lưới điện, cụ thể là 1 triệu kW trong vòng vài tuần. Nó sẽ có đường kính 6,65 m và sẽ có mô-đun vùng tái tạo được tạo ra như một phần của dự án DEMO. Bộ Giáo dục, Khoa học và Công nghệ Hàn Quốc có kế hoạch đầu tư khoảng 1 nghìn tỷ won (941 triệu USD) vào đó.
PHÍA ĐÔNG
Thí nghiệm siêu dẫn tiên tiến Tokamak (EAST) của Trung Quốc tại Viện Vật lý Trung Quốc ở Hợp Phì đã tạo ra plasma hydro ở nhiệt độ 50 triệu °C và duy trì nó trong 102 giây.
TFTR
Tại phòng thí nghiệm PPPL của Mỹ, lò phản ứng nhiệt hạch thử nghiệm TFTR hoạt động từ năm 1982 đến năm 1997. Vào tháng 12 năm 1993, TFTR trở thành tokamak từ tính đầu tiên tiến hành các thí nghiệm plasma deuterium-tritium trên diện rộng. Năm sau, lò phản ứng này đã tạo ra công suất kỷ lục 10,7 MW có thể điều khiển được và vào năm 1995, nhiệt độ kỷ lục 510 triệu °C đã đạt được. Tuy nhiên, cơ sở này không đạt được mục tiêu hòa vốn về năng lượng nhiệt hạch nhưng lại đáp ứng thành công các mục tiêu thiết kế phần cứng, góp phần đáng kể vào sự phát triển của ITER.
LHD
LHD tại Viện Hợp nhất Quốc gia Nhật Bản ở Toki, tỉnh Gifu là nhà máy sao lớn nhất thế giới. Lò phản ứng nhiệt hạch được ra mắt vào năm 1998 và đã chứng minh được đặc tính giam giữ plasma tương đương với các cơ sở lớn khác. Nhiệt độ ion 13,5 keV (khoảng 160 triệu °C) và năng lượng 1,44 MJ đã đạt được.
Wendelstein 7-X
Sau một năm thử nghiệm, bắt đầu vào cuối năm 2015, nhiệt độ heli đã nhanh chóng đạt tới 1 triệu °C. Năm 2016, lò phản ứng tổng hợp plasma hydro sử dụng công suất 2 MW đã đạt nhiệt độ 80 triệu°C trong vòng 1/4 giây. W7-X là máy sao lớn nhất thế giới và dự kiến hoạt động liên tục trong 30 phút. Chi phí của lò phản ứng là 1 tỷ €.
NIF
Cơ sở Đánh lửa Quốc gia (NIF) tại Phòng thí nghiệm Quốc gia Livermore (LLNL) được hoàn thành vào tháng 3 năm 2009. Sử dụng 192 chùm tia laser, NIF có thể tập trung năng lượng gấp 60 lần so với bất kỳ hệ thống laser nào trước đây.
Nhiệt hạch lạnh
Vào tháng 3 năm 1989, hai nhà nghiên cứu, Stanley Pons người Mỹ và Martin Fleischman người Anh, tuyên bố rằng họ đã phóng một lò phản ứng nhiệt hạch lạnh để bàn đơn giản hoạt động ở nhiệt độ phòng. Quá trình này bao gồm quá trình điện phân nước nặng bằng cách sử dụng các điện cực palladium trên đó hạt nhân deuterium được tập trung đến mật độ cao. Các nhà nghiên cứu cho biết nó tạo ra nhiệt lượng chỉ có thể giải thích bằng các quá trình hạt nhân và có các sản phẩm phụ phản ứng tổng hợp bao gồm helium, tritium và neutron. Tuy nhiên, những người thử nghiệm khác không thể lặp lại thí nghiệm này. Hầu hết cộng đồng khoa học không tin rằng lò phản ứng nhiệt hạch lạnh là có thật.
Phản ứng hạt nhân năng lượng thấp
Được khởi xướng bởi những tuyên bố về "sự hợp nhất lạnh", nghiên cứu đã tiếp tục trong lĩnh vực năng lượng thấp với một số hỗ trợ thực nghiệm, nhưng không có lời giải thích khoa học nào được chấp nhận rộng rãi. Rõ ràng, các tương tác hạt nhân yếu được sử dụng để tạo ra và thu giữ neutron (chứ không phải lực mạnh như trong phản ứng tổng hợp của chúng). Các thí nghiệm liên quan đến hydro hoặc deuterium đi qua lớp xúc tác và phản ứng với kim loại. Các nhà nghiên cứu báo cáo sự giải phóng năng lượng được quan sát thấy. Ví dụ thực tế chính là sự tương tác giữa hydro với bột niken, giải phóng nhiệt với lượng lớn hơn bất kỳ phản ứng hóa học nào có thể tạo ra.
Nhà máy điện nhiệt hạch.
Hiện nay, các nhà khoa học đang nghiên cứu tạo ra một nhà máy điện nhiệt hạch, ưu điểm của nó là cung cấp điện cho nhân loại trong thời gian không giới hạn. Nhà máy điện nhiệt hạch hoạt động trên cơ sở phản ứng tổng hợp nhiệt hạch - phản ứng tổng hợp các đồng vị hydro nặng với sự hình thành helium và giải phóng năng lượng. Phản ứng tổng hợp nhiệt hạch không tạo ra chất thải phóng xạ dạng khí hoặc lỏng và không tạo ra plutonium, chất được sử dụng để sản xuất vũ khí hạt nhân. Nếu chúng ta cũng tính đến việc nhiên liệu cho các trạm nhiệt hạch sẽ là deuterium đồng vị hydro nặng, thu được từ nước đơn giản - nửa lít nước chứa năng lượng nhiệt hạch tương đương với năng lượng thu được khi đốt một thùng xăng - thì ưu điểm của nhà máy điện dựa trên phản ứng nhiệt hạch trở nên rõ ràng.
Trong phản ứng nhiệt hạch, năng lượng được giải phóng khi các nguyên tử nhẹ kết hợp và biến thành nguyên tử nặng hơn. Để đạt được điều này, cần phải nung nóng khí này tới nhiệt độ trên 100 triệu độ - cao hơn nhiều so với nhiệt độ ở tâm Mặt trời.
Khí ở nhiệt độ này biến thành plasma. Đồng thời, các nguyên tử của đồng vị hydro hợp nhất, biến thành nguyên tử helium và neutron và giải phóng một lượng năng lượng lớn. Một nhà máy điện thương mại hoạt động theo nguyên tắc này sẽ sử dụng năng lượng của neutron được điều tiết bởi một lớp vật liệu dày đặc (lithium).
So với nhà máy điện hạt nhân, lò phản ứng nhiệt hạch sẽ để lại ít chất thải phóng xạ hơn nhiều.
Lò phản ứng nhiệt hạch quốc tế ITER
Những người tham gia tập đoàn quốc tế nhằm tạo ra lò phản ứng nhiệt hạch đầu tiên trên thế giới, ITER, đã ký một thỏa thuận tại Brussels để khởi động việc triển khai thực tế dự án.
Đại diện của Liên minh châu Âu, Mỹ, Nhật Bản, Trung Quốc, Hàn Quốc và Nga dự định bắt đầu xây dựng lò phản ứng thử nghiệm vào năm 2007 và hoàn thành trong vòng 8 năm. Nếu mọi việc diễn ra theo đúng kế hoạch thì đến năm 2040, một nhà máy điện trình diễn hoạt động theo nguyên lý mới có thể được xây dựng.
Tôi muốn tin rằng kỷ nguyên của các nhà máy thủy điện và điện hạt nhân gây nguy hiểm cho môi trường sẽ sớm kết thúc, và sẽ đến lúc xuất hiện một nhà máy điện mới - nhà máy nhiệt hạch, dự án đã được triển khai. Tuy nhiên, bất chấp thực tế là dự án ITER (Lò phản ứng nhiệt hạch quốc tế) gần như đã sẵn sàng; Mặc dù thực tế là ở lần vận hành đầu tiên các lò phản ứng nhiệt hạch thử nghiệm đã đạt được công suất vượt quá 10 MW - mức của các nhà máy điện hạt nhân đầu tiên, nhà máy điện nhiệt hạch đầu tiên sẽ không hoạt động sớm hơn 20 năm nữa, vì chi phí của nó rất cao. Chi phí của công trình ước tính khoảng 10 tỷ euro - đây là dự án nhà máy điện quốc tế đắt đỏ nhất. Một nửa chi phí xây dựng lò phản ứng do Liên minh châu Âu chi trả. Những người tham gia liên minh khác sẽ phân bổ 10% dự toán.
Giờ đây, kế hoạch xây dựng lò phản ứng, vốn sẽ trở thành dự án khoa học chung tốn kém nhất kể từ đó, phải được các nghị sĩ của các nước thành viên liên danh phê chuẩn.
Lò phản ứng sẽ được xây dựng ở tỉnh Provence miền nam nước Pháp, gần thành phố Cadarache, nơi đặt trung tâm nghiên cứu hạt nhân của Pháp.
Phản ứng tổng hợp nhiệt hạch có kiểm soát là giấc mơ xanh của các nhà vật lý và các công ty năng lượng mà họ đã ấp ủ trong nhiều thập kỷ. Lồng một mặt trời nhân tạo là một ý tưởng tuyệt vời. “Nhưng vấn đề là chúng ta không biết cách tạo ra một chiếc hộp như vậy,”- người đoạt giải Nobel Pierre Gilles de Gennes cho biết vào năm 1991. Tuy nhiên, đến giữa năm 2018, chúng tôi đã biết cách thực hiện. Và chúng tôi thậm chí còn đang xây dựng. Những bộ óc giỏi nhất trên thế giới đang thực hiện dự án lò phản ứng nhiệt hạch thử nghiệm quốc tế ITER - thí nghiệm đầy tham vọng và tốn kém nhất của khoa học hiện đại.
Một lò phản ứng như vậy có giá cao gấp 5 lần so với Máy Va chạm Hadron Lớn. Hàng trăm nhà khoa học trên khắp thế giới đang nghiên cứu dự án này. Nguồn tài trợ của nó có thể dễ dàng vượt quá 19 tỷ euro và plasma đầu tiên sẽ chỉ được đưa vào lò phản ứng vào tháng 12 năm 2025. Và bất chấp sự chậm trễ liên tục, những khó khăn về công nghệ và không đủ kinh phí từ các quốc gia tham gia, “cỗ máy chuyển động vĩnh viễn” nhiệt hạch lớn nhất thế giới vẫn đang được chế tạo. Nó có nhiều ưu điểm hơn là nhược điểm. Những cái nào? Chúng ta bắt đầu câu chuyện về dự án xây dựng khoa học đầy tham vọng nhất trong thời đại chúng ta bằng lý thuyết.
tokamak là gì?
Dưới tác động của nhiệt độ và trọng lực cực lớn, phản ứng tổng hợp nhiệt hạch xảy ra ở độ sâu của Mặt trời và các ngôi sao khác. Các hạt nhân hydro va chạm nhau, tạo thành các nguyên tử helium nặng hơn, đồng thời giải phóng neutron và lượng năng lượng khổng lồ.
Khoa học hiện đại đã đi đến kết luận rằng ở nhiệt độ ban đầu thấp nhất, lượng năng lượng lớn nhất được tạo ra bởi phản ứng giữa các đồng vị của hydro - deuterium và tritium. Nhưng ba điều kiện quan trọng để làm được điều này: nhiệt độ cao (khoảng 150 triệu độ C), mật độ huyết tương cao và thời gian lưu huyết tương cao.
Thực tế là chúng ta sẽ không thể tạo ra mật độ khổng lồ như Mặt trời. Tất cả những gì còn lại là làm nóng khí đến trạng thái plasma bằng nhiệt độ cực cao. Nhưng không có vật liệu nào có thể chịu được khi tiếp xúc với plasma nóng như vậy. Để làm điều này, viện sĩ Andrei Sakharov (theo gợi ý của Oleg Lavrentyev) vào những năm 1950 đã đề xuất sử dụng các buồng hình xuyến (rỗng hình bánh rán) có từ trường để giữ plasma. Sau đó thuật ngữ này được đặt ra - tokamak.
Các nhà máy điện hiện đại, đốt nhiên liệu hóa thạch, chuyển đổi năng lượng cơ học (ví dụ như tua bin quay) thành điện năng. Tokamaks sẽ sử dụng năng lượng nhiệt hạch, được hấp thụ dưới dạng nhiệt bởi các thành của thiết bị, để làm nóng và tạo ra hơi nước làm quay các tuabin.
Tokamak đầu tiên trên thế giới. T-1 của Liên Xô. 1954
Tokamak thử nghiệm nhỏ đã được chế tạo trên khắp thế giới. Và họ đã chứng minh thành công rằng con người có thể tạo ra plasma nhiệt độ cao và giữ nó ở trạng thái ổn định trong một thời gian. Nhưng kiểu dáng công nghiệp vẫn còn một chặng đường dài.
Lắp đặt T-15. thập niên 1980
Ưu điểm và nhược điểm của lò phản ứng nhiệt hạch
Các lò phản ứng hạt nhân điển hình chạy bằng hàng chục tấn nhiên liệu phóng xạ (cuối cùng biến thành hàng chục tấn chất thải phóng xạ), trong khi lò phản ứng nhiệt hạch chỉ cần hàng trăm gam tritium và deuterium. Chất đầu tiên có thể được tạo ra ngay trong lò phản ứng: neutron được giải phóng trong quá trình tổng hợp sẽ tác động lên thành lò phản ứng có tạp chất lithium, từ đó xuất hiện tritium. Dự trữ lithium sẽ kéo dài hàng ngàn năm. Sẽ không thiếu deuterium - nó được sản xuất trên thế giới với số lượng hàng chục nghìn tấn mỗi năm.
Lò phản ứng nhiệt hạch không tạo ra khí thải nhà kính, đặc trưng của nhiên liệu hóa thạch. Và sản phẩm phụ ở dạng helium-4 là một loại khí trơ vô hại.
Ngoài ra, lò phản ứng nhiệt hạch rất an toàn. Trong bất kỳ thảm họa nào, phản ứng nhiệt hạch sẽ đơn giản dừng lại mà không gây hậu quả nghiêm trọng nào cho môi trường hoặc con người, vì sẽ không có gì hỗ trợ cho phản ứng nhiệt hạch: nó cần quá nhiều điều kiện nhà kính.
Tuy nhiên, lò phản ứng nhiệt hạch cũng có nhược điểm. Trước hết, đây là khó khăn tầm thường khi bắt đầu một phản ứng tự duy trì. Cô ấy cần một khoảng chân không sâu. Các hệ thống giam giữ từ tính phức tạp đòi hỏi cuộn dây từ tính siêu dẫn khổng lồ.
Và đừng quên về bức xạ. Bất chấp một số định kiến về sự vô hại của các lò phản ứng nhiệt hạch, việc bắn phá môi trường xung quanh chúng bằng neutron được tạo ra trong quá trình tổng hợp hạt nhân là không thể hủy bỏ. Sự bắn phá này dẫn đến bức xạ. Vì vậy, việc bảo trì lò phản ứng phải được thực hiện từ xa. Nhìn về tương lai, giả sử sau khi ra mắt, robot sẽ trực tiếp bảo trì ITER tokamak.
Ngoài ra, triti phóng xạ có thể gây nguy hiểm nếu xâm nhập vào cơ thể. Đúng vậy, chỉ cần quan tâm đến việc bảo quản thích hợp và tạo ra các rào cản an toàn dọc theo tất cả các tuyến đường phân phối có thể xảy ra trong trường hợp xảy ra tai nạn là đủ. Ngoài ra, thời gian bán hủy của tritium là 12 năm.
Khi nền tảng tối thiểu cần thiết của lý thuyết đã được đặt ra, bạn có thể chuyển sang phần chính của bài viết.
Dự án đầy tham vọng nhất của thời đại chúng ta
Năm 1985, cuộc gặp cá nhân đầu tiên giữa những người đứng đầu Liên Xô và Hoa Kỳ sau nhiều năm diễn ra tại Geneva. Trước đó, Chiến tranh Lạnh đã lên đến đỉnh điểm: các siêu cường tẩy chay Thế vận hội, xây dựng tiềm năng hạt nhân và không tham gia bất kỳ cuộc đàm phán nào. Hội nghị thượng đỉnh giữa hai nước trên lãnh thổ trung lập này đáng chú ý vì một tình huống quan trọng khác. Trong thời gian đó, Tổng Bí thư Ban Chấp hành Trung ương CPSU Mikhail Gorbachev đã đề xuất thực hiện một dự án quốc tế chung nhằm phát triển năng lượng nhiệt hạch vì mục đích hòa bình.
Họ đến Pháp bằng đường biển, và từ cảng đến công trường được vận chuyển dọc theo con đường được chính phủ Pháp đặc biệt cải tạo. Đất nước này đã chi 110 triệu euro và 4 năm làm việc trên 104 km Đường ITER. Tuyến đường đã được mở rộng và củng cố. Thực tế là đến năm 2021, 250 đoàn xe chở hàng hóa khổng lồ sẽ đi qua đó. Phần nặng nhất đạt tới 900 tấn, cao nhất - 10 mét, dài nhất - 33 mét.
ITER vẫn chưa được đưa vào hoạt động. Tuy nhiên, hiện đã có một dự án nhà máy điện nhiệt hạch hạt nhân DEMO, mục đích của dự án này là để chứng minh tính hấp dẫn của việc sử dụng thương mại công nghệ này. Tổ hợp này sẽ phải liên tục (chứ không phải xung, như ITER) tạo ra 2 GW năng lượng.
Thời gian của dự án toàn cầu mới phụ thuộc vào sự thành công của ITER, nhưng theo kế hoạch năm 2012, lần ra mắt DEMO đầu tiên sẽ diễn ra không sớm hơn năm 2044.
ITER - Lò phản ứng nhiệt hạch quốc tế (ITER)
Mức tiêu thụ năng lượng của con người ngày càng tăng hàng năm, điều này thúc đẩy ngành năng lượng theo hướng phát triển tích cực. Như vậy, với sự xuất hiện của các nhà máy điện hạt nhân, lượng năng lượng được tạo ra trên toàn thế giới đã tăng lên đáng kể, giúp có thể sử dụng năng lượng một cách an toàn cho mọi nhu cầu của nhân loại. Ví dụ, 72,3% điện năng được tạo ra ở Pháp đến từ các nhà máy điện hạt nhân, ở Ukraine - 52,3%, ở Thụy Điển - 40,0%, ở Anh - 20,4%, ở Nga - 17,1%. Tuy nhiên, công nghệ không đứng yên và để đáp ứng nhu cầu năng lượng hơn nữa của các quốc gia trong tương lai, các nhà khoa học đang thực hiện một số dự án sáng tạo, một trong số đó là ITER (Lò phản ứng thí nghiệm nhiệt hạch quốc tế).
Mặc dù lợi nhuận của việc lắp đặt này vẫn còn là vấn đề, nhưng theo công trình của nhiều nhà nghiên cứu, việc tạo ra và phát triển tiếp theo công nghệ nhiệt hạch có kiểm soát có thể tạo ra một nguồn năng lượng mạnh mẽ và an toàn. Chúng ta hãy xem xét một số khía cạnh tích cực của việc cài đặt như vậy:
- Nhiên liệu chính của lò phản ứng nhiệt hạch là hydro, nghĩa là nguồn dự trữ nhiên liệu hạt nhân thực tế là vô tận.
- Hydro có thể được sản xuất bằng cách xử lý nước biển, điều mà hầu hết các nước đều có. Từ đó không thể nảy sinh tình trạng độc quyền về nguồn nhiên liệu.
- Xác suất xảy ra vụ nổ khẩn cấp trong quá trình vận hành lò phản ứng nhiệt hạch ít hơn nhiều so với khi vận hành lò phản ứng hạt nhân. Theo các nhà nghiên cứu, ngay cả trong trường hợp xảy ra tai nạn, khí thải phóng xạ sẽ không gây nguy hiểm cho người dân, đồng nghĩa với việc không cần phải sơ tán.
- Không giống như lò phản ứng hạt nhân, lò phản ứng nhiệt hạch tạo ra chất thải phóng xạ có chu kỳ bán rã ngắn, nghĩa là nó phân hủy nhanh hơn. Ngoài ra, không có sản phẩm cháy trong lò phản ứng nhiệt hạch.
- Lò phản ứng nhiệt hạch không yêu cầu vật liệu cũng được sử dụng cho vũ khí hạt nhân. Điều này giúp loại bỏ khả năng che đậy việc sản xuất vũ khí hạt nhân bằng cách xử lý vật liệu phục vụ nhu cầu của lò phản ứng hạt nhân.
Lò phản ứng nhiệt hạch - nhìn từ bên trong
Tuy nhiên, cũng có một số thiếu sót về mặt kỹ thuật mà các nhà nghiên cứu liên tục gặp phải.
Ví dụ, phiên bản hiện tại của nhiên liệu, được trình bày dưới dạng hỗn hợp deuterium và tritium, đòi hỏi phải phát triển các công nghệ mới. Ví dụ, khi kết thúc loạt thử nghiệm đầu tiên tại lò phản ứng nhiệt hạch JET, lò phản ứng lớn nhất cho đến nay, lò phản ứng trở nên phóng xạ đến mức cần phải phát triển thêm một hệ thống bảo trì robot đặc biệt để hoàn thành thí nghiệm. Một yếu tố đáng thất vọng khác trong hoạt động của lò phản ứng nhiệt hạch là hiệu suất của nó - 20%, trong khi hiệu suất của nhà máy điện hạt nhân là 33-34% và nhà máy nhiệt điện là 40%.
Xây dựng dự án ITER và khởi động lò phản ứng
Dự án ITER bắt đầu từ năm 1985, khi Liên Xô đề xuất hợp tác tạo ra tokamak - buồng hình xuyến với các cuộn dây từ tính có thể giữ plasma bằng nam châm, từ đó tạo ra các điều kiện cần thiết để xảy ra phản ứng tổng hợp nhiệt hạch. Năm 1992, một thỏa thuận bốn bên về phát triển ITER đã được ký kết, các bên tham gia là EU, Mỹ, Nga và Nhật Bản. Năm 1994, Cộng hòa Kazakhstan tham gia dự án, năm 2001 - Canada, năm 2003 - Hàn Quốc và Trung Quốc, năm 2005 - Ấn Độ. Năm 2005, địa điểm xây dựng lò phản ứng đã được xác định - Trung tâm nghiên cứu năng lượng hạt nhân Cadarache, Pháp.
Việc xây dựng lò phản ứng bắt đầu bằng việc chuẩn bị hố móng. Vậy thông số của hố là 130 x 90 x 17 mét. Toàn bộ tổ hợp tokamak sẽ nặng 360.000 tấn, trong đó 23.000 tấn là tokamak.
Nhiều bộ phận khác nhau của tổ hợp ITER sẽ được phát triển và chuyển giao đến công trường từ khắp nơi trên thế giới. Vì vậy, vào năm 2016, một phần dây dẫn cho cuộn dây đa hình đã được phát triển ở Nga, sau đó được gửi đến Trung Quốc, nước sẽ tự sản xuất cuộn dây.
Rõ ràng, công việc quy mô lớn như vậy không hề dễ dàng để tổ chức; một số quốc gia đã nhiều lần không theo kịp tiến độ dự án, khiến việc khởi động lò phản ứng liên tục bị hoãn lại. Vì vậy, theo thông điệp tháng 6 năm ngoái (2016): “dự kiến nhận lô huyết tương đầu tiên vào tháng 12 năm 2025”.
Cơ chế hoạt động của ITER tokamak
Thuật ngữ "tokamak" xuất phát từ từ viết tắt tiếng Nga có nghĩa là "buồng hình xuyến với cuộn dây từ tính".
Trái tim của tokamak là buồng chân không hình xuyến. Bên trong, dưới nhiệt độ và áp suất cực cao, khí nhiên liệu hydro trở thành plasma – một loại khí nóng, tích điện. Như đã biết, vật chất của sao được thể hiện bằng plasma và các phản ứng nhiệt hạch trong lõi mặt trời xảy ra chính xác trong điều kiện nhiệt độ và áp suất cao. Các điều kiện tương tự cho sự hình thành, lưu giữ, nén và làm nóng plasma được tạo ra bằng các cuộn dây từ tính lớn đặt xung quanh bình chân không. Tác động của nam châm sẽ hạn chế dòng plasma nóng tỏa ra từ thành bình.
Trước khi quá trình bắt đầu, không khí và tạp chất được loại bỏ khỏi buồng chân không. Sau đó, hệ thống từ tính giúp kiểm soát plasma sẽ được tích điện và đưa nhiên liệu khí vào. Khi một dòng điện mạnh chạy qua bình, khí bị tách điện và bị ion hóa (nghĩa là các electron rời khỏi nguyên tử) và tạo thành plasma.
Khi các hạt plasma được kích hoạt và va chạm, chúng cũng bắt đầu nóng lên. Các kỹ thuật gia nhiệt được hỗ trợ giúp đưa plasma đến nhiệt độ từ 150 đến 300 triệu ° C. Các hạt “bị kích thích” đến mức này có thể vượt qua lực đẩy điện từ tự nhiên của chúng khi va chạm, những va chạm như vậy sẽ giải phóng lượng năng lượng khổng lồ.
Thiết kế tokamak bao gồm các yếu tố sau:
Bình chân không
(“bánh rán”) là một buồng hình xuyến được làm bằng thép không gỉ. Đường kính lớn của nó là 19 m, đường kính nhỏ của nó là 6 m, và chiều cao của nó là 11 m. Thể tích của buồng là 1.400 m 3, và trọng lượng của nó là hơn 5.000 tấn. chất làm mát sẽ lưu thông giữa các bức tường, đó sẽ là nước cất. Để tránh ô nhiễm nước, thành trong của buồng được bảo vệ khỏi bức xạ phóng xạ bằng một tấm chăn.
Cái chăn
(“chăn chăn”) – bao gồm 440 mảnh bao phủ bề mặt bên trong của buồng. Tổng diện tích tiệc là 700m2. Mỗi mảnh là một loại băng cassette, thân được làm bằng đồng, thành trước có thể tháo rời và được làm bằng berili. Các thông số của băng cassette là 1x1,5 m và khối lượng không quá 4,6 tấn. Các băng berili như vậy sẽ làm chậm các neutron năng lượng cao hình thành trong quá trình phản ứng. Trong quá trình điều tiết neutron, nhiệt sẽ được hệ thống làm mát giải phóng và loại bỏ. Cần lưu ý rằng bụi berili hình thành do hoạt động của lò phản ứng có thể gây ra một căn bệnh nghiêm trọng gọi là berili và còn có tác dụng gây ung thư. Vì lý do này, các biện pháp an ninh nghiêm ngặt đang được phát triển tại khu phức hợp.
Tokamak trong phần. Nam châm màu vàng - điện từ, màu cam - trường hình xuyến (TF) và trường đa hình (PF), màu xanh lam - chăn, màu xanh nhạt - VV - bình chân không, màu tím - bộ chuyển hướng
(“Gạt tàn”) thuộc loại đa hình là một thiết bị có nhiệm vụ chính là “làm sạch” plasma bụi bẩn do sự nóng lên và tương tác của các thành buồng được phủ chăn với nó. Khi các chất gây ô nhiễm như vậy xâm nhập vào plasma, chúng bắt đầu bức xạ mạnh, dẫn đến tổn thất bức xạ bổ sung. Nó nằm ở dưới cùng của tokomak và sử dụng nam châm để dẫn các lớp plasma phía trên (là lớp bị ô nhiễm nhiều nhất) vào buồng làm mát. Tại đây plasma nguội đi và biến thành khí, sau đó nó được bơm trở lại buồng. Bụi berili sau khi đi vào buồng thực tế không thể quay trở lại plasma. Do đó, ô nhiễm plasma chỉ tồn tại trên bề mặt và không xâm nhập sâu hơn.
Máy điều hòa nhiệt độ
- thành phần lớn nhất của tokomak, là lớp vỏ bằng thép không gỉ có thể tích 16.000 m 2 (29,3 x 28,6 m) và khối lượng 3.850 tấn. Các bộ phận khác của hệ thống sẽ được đặt bên trong bộ điều hòa nhiệt độ và chính nó sẽ phục vụ. như một rào cản giữa tokamak và môi trường bên ngoài. Trên các bức tường bên trong của nó sẽ có các màn chắn nhiệt được làm mát bằng nitơ tuần hoàn ở nhiệt độ 80 K (-193,15 °C).
Hệ thống từ tính
– một tập hợp các phần tử dùng để chứa và kiểm soát plasma bên trong bình chân không. Nó là một bộ gồm 48 phần tử:
- Cuộn dây trường hình xuyến được đặt bên ngoài buồng chân không và bên trong bộ điều hòa nhiệt độ. Chúng được trình bày thành 18 mảnh, mỗi mảnh có kích thước 15 x 9 m và nặng khoảng 300 tấn. Cùng với nhau, các cuộn dây này tạo ra từ trường 11,8 Tesla xung quanh hình xuyến plasma và tích trữ năng lượng 41 GJ.
- Cuộn dây trường đa giác – nằm phía trên cuộn dây trường hình xuyến và bên trong bộ điều hòa nhiệt độ. Những cuộn dây này có nhiệm vụ tạo ra một từ trường tách khối plasma ra khỏi thành buồng và nén plasma để đốt nóng đoạn nhiệt. Số lượng cuộn dây như vậy là 6. Hai trong số các cuộn dây có đường kính 24 m và khối lượng 400 tấn, bốn cuộn còn lại nhỏ hơn một chút.
- Bộ điện từ trung tâm nằm ở phần bên trong của buồng hình xuyến, hay đúng hơn là ở “lỗ bánh rán”. Nguyên lý hoạt động của nó tương tự như một máy biến áp, nhiệm vụ chính là kích thích dòng điện cảm ứng trong plasma.
- Cuộn dây điều chỉnh được đặt bên trong bình chân không, giữa chăn và thành buồng. Nhiệm vụ của họ là duy trì hình dạng của plasma, có khả năng “phình ra” cục bộ và thậm chí chạm vào thành bình. Cho phép bạn giảm mức độ tương tác của thành buồng với plasma, từ đó giảm mức độ ô nhiễm của nó, đồng thời cũng làm giảm sự mài mòn của chính buồng.
Cấu trúc của phức hợp ITER
Thiết kế tokamak được mô tả “tóm tắt” ở trên là một cơ chế đổi mới rất phức tạp được lắp ráp thông qua nỗ lực của một số quốc gia. Tuy nhiên, để nó hoạt động đầy đủ, cần phải có cả một khu phức hợp các tòa nhà nằm gần tokamak. Trong số đó:
- Hệ thống điều khiển, truy cập dữ liệu và truyền thông – CODAC. Nằm trong một số tòa nhà của khu phức hợp ITER.
- Hệ thống lưu trữ nhiên liệu và nhiên liệu - phục vụ việc cung cấp nhiên liệu cho tokamak.
- Hệ thống chân không - bao gồm hơn bốn trăm máy bơm chân không, nhiệm vụ của nó là bơm các sản phẩm phản ứng nhiệt hạch, cũng như các chất gây ô nhiễm khác nhau ra khỏi buồng chân không.
- Hệ thống đông lạnh - được biểu diễn bằng mạch nitơ và heli. Mạch helium sẽ bình thường hóa nhiệt độ trong tokamak, công việc (và do đó là nhiệt độ) không xảy ra liên tục mà theo xung. Mạch nitơ sẽ làm mát tấm chắn nhiệt của bộ điều nhiệt và chính mạch khí heli. Cũng sẽ có một hệ thống làm mát bằng nước, nhằm mục đích hạ nhiệt độ của các bức tường chăn.
- Nguồn điện. Tokamak sẽ cần khoảng 110 MW năng lượng để hoạt động liên tục. Để đạt được điều này, các đường dây điện dài hàng km sẽ được lắp đặt và kết nối với mạng lưới công nghiệp của Pháp. Điều đáng nhớ là cơ sở thí nghiệm ITER không cung cấp năng lượng mà chỉ hoạt động vì lợi ích khoa học.
tài trợ ITER
Lò phản ứng nhiệt hạch quốc tế ITER là một công trình khá tốn kém, ban đầu ước tính trị giá 12 tỷ USD, trong đó Nga, Mỹ, Hàn Quốc, Trung Quốc và Ấn Độ chiếm 1/11 số tiền, Nhật Bản chiếm 11/2 và EU chiếm 4 /11 . Số tiền này sau đó đã tăng lên 15 tỷ USD. Đáng chú ý là nguồn tài chính được thực hiện thông qua việc cung cấp thiết bị cần thiết cho khu phức hợp được phát triển ở mỗi quốc gia. Do đó, Nga cung cấp chăn, thiết bị sưởi plasma và nam châm siêu dẫn.
Phối cảnh dự án
Hiện tại, việc xây dựng tổ hợp ITER và sản xuất tất cả các bộ phận cần thiết cho tokamak đang được tiến hành. Sau kế hoạch ra mắt tokamak vào năm 2025, một loạt thử nghiệm sẽ bắt đầu, dựa trên kết quả mà các khía cạnh cần cải tiến sẽ được ghi nhận. Sau khi vận hành thành công ITER, dự kiến sẽ xây dựng một nhà máy điện dựa trên phản ứng tổng hợp nhiệt hạch có tên là DEMO (Nhà máy điện DEMONstration). Mục tiêu của DEMo là chứng minh cái gọi là “sức hấp dẫn thương mại” của năng lượng nhiệt hạch. Nếu ITER chỉ có khả năng tạo ra 500 MW năng lượng thì DEMO sẽ cho phép tạo ra 2 GW năng lượng liên tục.
Tuy nhiên, cần lưu ý rằng cơ sở thí nghiệm ITER sẽ không sản xuất năng lượng và mục đích của nó là thu được lợi ích khoa học thuần túy. Và như bạn đã biết, thí nghiệm vật lý này hay thí nghiệm vật lý kia không chỉ có thể đáp ứng được kỳ vọng mà còn mang lại những kiến thức và trải nghiệm mới cho nhân loại.