Nhiệt hạch - Nguồn năng lượng của tương lai

Thorium - Nguồn năng lượng sạch và dồi dào cho tương lai Thời Chiến tranh Lạnh (1947 - 1991) Thorium bị “xô đổ” bởi Uranium vì không thiết thực cho mục đích sản xuất vũ khí. Nhưng nay lại trở thành nguồn tài nguyên khả dụng, giúp con người giải quyết đồng thời hai mục tiêu là sạch và bền vững.

Thêm một dự án, mặc dù có quy mô nhỏ, nhưng thuộc tầm cỡ “Megascience”, là lò phản ứng Tokamak Kurchatov T-15MD. Thiết bị này sẽ cho phép các nhà khoa học khám phá các công nghệ nhiệt hạch có kiểm soát để thu được nguồn năng lượng hầu như không cạn kiệt và an toàn với môi trường.

Năm 2021, được tuyên bố là Năm Khoa học và Công nghệ ở Nga, được đánh dấu bằng việc ra mắt một lò phản ứng nhiệt hạch Tokamak T-15MD, một buồng hình xuyến có cuộn dây từ tính.

Thuật ngữ “tokamak” xuất hiện vào những năm 50 của thế kỷ trước, khi các nhà khoa học Liên Xô cho ra đời một thiết bị có dạng một chiếc bánh rán, ở trung tâm là từ trường chứa một plasma được nung nóng đến nhiệt độ cực lớn. Kể từ đó, các chuyên gia Nga luôn là những người tiên phong trong lĩnh vực nghiên cứu về nguồn năng lượng plasma (plasma được coi là một dạng vật chất hoàn toàn mới, ngoài 3 dạng vật chất quen thuộc đã được loài người chinh phục là rắn, lỏng, và khí). Dạng vật chất này tồn tại trong nhân của trái đất, từ lâu đã được các nhà khoa học quan tâm nghiên cứu. Lò phản ứng nhiệt hạch “tokamak” T-15MD được chế tạo năm 2021 thuộc loại độc đáo duy nhất trên thế giới, có công suất cao, với kích thước nhỏ gọn.

Tokamak T-15MD được thiết kế và chế tạo hoàn toàn tại Nga trong vòng 10 năm. Đây là phiên bản sửa đổi của lò phản ứng T-15, đã hoạt động tại Viện Kurchatov từ cuối những năm 1980. Nó khác với lò tiền nhiệm của nó ở hình chữ D. Trong khi lò T-15 có tiết diện plasma tròn và là chất siêu dẫn, lò T-15MD có plasma hình chữ D giúp nó có thể duy trì plasma ở một chế độ hoàn thiện - chế độ H. Chế độ H là một chế độ duy trì plasma khi tổn thất nhiệt từ nó giảm mạnh, và nhiệt độ ở trung tâm tăng lên. Chế độ H là cần thiết để thu được năng lượng cao từ quá trình đốt cháy nhiệt hạch trong các lò phản ứng. Cũng có thể thu được các chế độ như vậy trong plasma có tiết diện tròn, tuy nhiên, trong plasma hình chữ D, có thể đạt được các kết quả quan trọng hơn nhiều. Tokamak T-15MD là một phần của dự án nhiệt hạch quốc tế ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor). Đây là lò phản ứng nhiệt hạch mới đầu tiên được chế tạo ở Nga trong vòng 20 năm qua.

Dịch vụ báo chí của Trung tâm Nghiên cứu Viện Kurchatov cho biết: “Đối với đất nước chúng tôi, đây là chiếc Tokamak hình chữ D cỡ vừa đầu tiên. Ở Petersburg có một lò Globus-M2, nhưng nó nhỏ hơn 3 - 4 lần so với T-15MD về kích thước tuyến tính và có thể đặt vừa trong một căn phòng khá rộng rãi trong một căn hộ bình thường. Lò Tokamak T-15DM cần một căn phòng có kích thước như một xưởng máy. Và quy mô trong trường hợp này là rất quan trọng, để có được các thông số plasma cao”.

Tokamak mới có kích thước chỉ bằng một ngôi nhà nhỏ ở nông thôn, nhưng nhiệm vụ của nó ở quy mô vũ trụ: Nó phải khởi động được các phản ứng nhiệt hạch như những phản ứng vẫn thường xảy ra ở trong tâm của các ngôi sao. Điều này có được nhờ nhiệt độ ở tokamak, có thể lên tới 100 triệu độ C - gấp 8 lần so với nhiệt độ ở trung tâm của Mặt trời. Tokamak T-15MD sẽ được sử dụng để giải quyết các vấn đề nghiên cứu. Nắm vững công nghệ phản ứng tổng hợp nhiệt hạch có kiểm soát (CNF) sẽ giúp ta có thể thu được nguồn năng lượng hầu như không cạn kiệt và thân thiện với môi trường. Một lò phản ứng như vậy, do khả năng chạy bằng nhiên liệu an toàn và giá cả phải chăng - đơteri và triti - nên giúp thay thế các nhà máy điện hạt nhân. Phản ứng tổng hợp nhiệt hạch có thể cung cấp năng lượng sạch cho nhân loại trong nhiều năm tới, vì vậy việc đưa vào hoạt động một lò phản ứng như vậy là một bước tiến lớn trên con đường này.

Trên tokamak T-15MD, dự kiến ​​sẽ nghiên cứu một loạt các đặc tính của plasma và tính năng “hành vi” của các nguyên tố khác nhau trong trạng thái tổ hợp này. Trong số đó có các quá trình khuếch tán hỗn loạn và vận chuyển, cũng như các dòng chảy địa đới - các thông số quan trọng để giữ plasma ở trạng thái được kiểm soát. Với mục đích này, người ta cũng lên kế hoạch nghiên cứu vai trò của điện trường và chuyển động quay trong quá trình duy trì plasma và chuyển đổi plasma sang các chế độ khác nhau. Điều đặc biệt quan trọng đối với các nhà khoa học là nghiên cứu sự chuyển đổi của plasma sang cái gọi là “Chế độ L”. Chế độ L được đặc trưng bởi sự phụ thuộc tiêu cực của thời gian tồn tại của plasma vào công suất gia nhiệt, cũng như sự suy giảm của sự giam giữ plasma (giảm thời gian tồn tại) và những thay đổi bên trong của dòng chảy hỗn loạn trong plasma.

Nói một cách dễ hiểu, khi chuyển sang chế độ L, chiếc bánh rán plasma bên trong Tokamak có nguy cơ bị phá hủy khi được gia nhiệt và quá trình khởi động sẽ phải bắt đầu lại từ đầu. Vật liệu chế tạo bức tường đầu tiên và chế tạo các bộ chuyển hướng, vốn sẽ phải chịu nhiệt rất lớn, cũng sẽ được nghiên cứu. Trong số các nguyên tố hứa hẹn có bo, berili, liti, vonfram. Và đó chưa phải là danh sách đầy đủ những gì các nhà khoa học phải tìm hiểu.

Tại lễ ra mắt lò phản ứng T-15MD, ông Mikhail Kovalchuk, Chủ tịch Trung tâm Nghiên cứu Quốc gia Viện Kurchatov cho biết: “Fusion (quá trình tổng hợp nhiệt hạch) là một công nghệ rất phức tạp và rất đắt tiền. Và ở đây chúng tôi chiếm một vị trí hàng đầu trên thế giới. Những nghiên cứu trong lĩnh vực này sẽ dẫn chúng tôi đến năng lượng mới, tạo ra công nghệ plasma, vật liệu mới... Viện Kurchatov luôn nổi bật bởi thực tế là chúng tôi đã luôn làm việc từ ý tưởng mà chúng tôi đề xuất và xây dựng, cho đến kết quả cuối cùng là triển khai trong thực tế. Điều tương tự như vậy đã diễn ra với dự án bom hạt nhân trước đây, cũng đang diễn ra với dự án phản ứng tổng hợp nhiệt hạch hiện nay”.

Nghiên cứu plasma là rất quan trọng đối với các nhà khoa học. Trước hết, các nhà khoa học phải tìm ra bản chất của việc duy trì năng lượng và giam giữ các hạt trong plasma của các bẫy từ kín, suy ra là bản chất của các dòng của nhiệt và các dòng của các hạt từ plasma đến thành buồng chân không. Trong tương lai, điều này sẽ giúp có thể xây dựng nhiều dự án nhiệt hạch quy mô lớn hơn và sẽ cho phép nhân loại giải quyết vấn đề về nhu cầu điện đang tăng lên hàng năm.

Các câu hỏi quan trọng tiếp theo là: Vai trò của các thông số khác nhau trong quá trình giam giữ plasma là gì? Sự hỗn loạn, điện trường, hoặc hồ sơ nhiệt độ plasma sẽ ảnh hưởng như thế nào đến sự giam giữ plasma và dòng chảy của các hạt? Các nhà khoa học đã biết rất nhiều về điều này, nhưng họ vẫn còn rất nhiều điều để tìm hiểu.

Ngoài các vấn đề vật lý thuần túy, là các nghiên cứu về dòng chảy, sự hỗn loạn và vai trò của điện trường trong sự giam giữ, còn có các nghiên cứu về công nghệ. Chúng bao gồm sự tương tác của plasma với thành lò, nghiên cứu về các vật liệu chế tạo thành đầu tiên của buồng chân không, về duy trì dòng điện plasma bằng các phương pháp không cảm ứng, cũng như ngăn chặn sự gián đoạn plasma. Các nhà khoa học sẽ có thể tìm được câu trả lời cho những câu hỏi này khi Tokamak T 15-MD đạt được khả năng hoạt động toàn diện. Việc nâng cấp lò phản ứng được lên kế hoạch hoàn thành vào năm 2024./.

TS. NGUYỄN THÀNH SƠN (BIÊN DỊCH)

Nguồn: https://www.gazeta.ru/social/2021/12/24/14344207.shtml