Và sự hợp nhất?

Các báo cáo vào cuối năm ngoái về việc xây dựng một lò phản ứng tổng hợp của các chuyên gia Trung Quốc nghe có vẻ giật gân (1). Truyền thông nhà nước Trung Quốc đưa tin, cơ sở HL-2M, đặt tại một trung tâm nghiên cứu ở Thành Đô, sẽ đi vào hoạt động vào năm 2020. Giọng điệu của các báo cáo trên phương tiện truyền thông chỉ ra rằng vấn đề tiếp cận năng lượng vô tận của phản ứng tổng hợp nhiệt hạch đã được giải quyết mãi mãi.

Xem xét kỹ hơn các chi tiết giúp làm nguội đi sự lạc quan.

Mới thiết bị loại tokamak, với thiết kế tiên tiến hơn những thiết kế được biết đến cho đến nay, sẽ tạo ra plasma có nhiệt độ trên 200 triệu độ C. Điều này đã được công bố trong một thông cáo báo chí bởi người đứng đầu Viện Vật lý Tây Nam của Tập đoàn Hạt nhân Quốc gia Trung Quốc Duan Xiuru. Thiết bị sẽ hỗ trợ kỹ thuật cho người Trung Quốc làm việc trong dự án Lò phản ứng thí nghiệm nhiệt hạch quốc tế (ITER)cũng như xây dựng.

Vì vậy, tôi nghĩ nó vẫn chưa phải là một cuộc cách mạng năng lượng, mặc dù nó được tạo ra bởi người Trung Quốc. lò phản ứng KhL-2M cho đến nay ít được biết đến. Chúng tôi không biết sản lượng nhiệt dự đoán của lò phản ứng này là bao nhiêu hoặc mức năng lượng cần thiết để thực hiện phản ứng tổng hợp hạt nhân trong đó. Chúng tôi không biết điều quan trọng nhất - liệu lò phản ứng nhiệt hạch của Trung Quốc có phải là một thiết kế có cân bằng năng lượng tích cực hay nó chỉ là một lò phản ứng nhiệt hạch thử nghiệm khác cho phép phản ứng nhiệt hạch, nhưng đồng thời cần nhiều năng lượng hơn để "đánh lửa" so với năng lượng có thể thu được do phản ứng.

Nỗ lực quốc tế

Trung Quốc, cùng với Liên minh Châu Âu, Hoa Kỳ, Ấn Độ, Nhật Bản, Hàn Quốc và Nga, là thành viên của chương trình ITER. Đây là dự án tốn kém nhất trong số các dự án nghiên cứu quốc tế hiện nay do các nước nói trên tài trợ, với chi phí khoảng 20 tỷ USD. Nó được mở ra do sự hợp tác giữa chính phủ của Mikhail Gorbachev và Ronald Reagan trong thời kỳ Chiến tranh Lạnh, và nhiều năm sau đó đã được đưa vào một hiệp ước được ký kết bởi tất cả các quốc gia này vào năm 2006.

2. Tại công trường của ITER tokamak

Dự án ITER ở Cadarache, miền nam nước Pháp (2) đang phát triển tokamak lớn nhất thế giới, tức là một buồng plasma phải được thuần hóa bằng cách sử dụng từ trường mạnh do nam châm điện tạo ra. Phát minh này được phát triển bởi Liên Xô trong những năm 50 và 60. Quản lý dự án, Lavan Koblenz, đã thông báo rằng tổ chức sẽ nhận được "plasma đầu tiên" vào tháng 2025 năm 1. ITER nên hỗ trợ phản ứng nhiệt hạch cho khoảng XNUMX nghìn người mỗi lần. giây, tăng sức mạnh 500-1100 MW. Để so sánh, tokamak lớn nhất của Anh cho đến nay, Máy bay phản lực (hình xuyến chung Châu Âu), duy trì phản ứng trong vài chục giây và tăng sức mạnh lên đến 16 MW. Năng lượng trong lò phản ứng này sẽ được giải phóng dưới dạng nhiệt - nó không được cho là chuyển thành điện năng. Việc cung cấp điện nhiệt hạch cho lưới điện là điều không cần bàn cãi vì dự án chỉ dành cho mục đích nghiên cứu. Chỉ dựa trên cơ sở của ITER, thế hệ lò phản ứng nhiệt hạch trong tương lai mới được xây dựng, đạt đến sức mạnh 3-4 nghìn. MW.

Lý do chính khiến các nhà máy điện nhiệt hạch bình thường vẫn không tồn tại (mặc dù đã hơn XNUMX năm nghiên cứu sâu rộng và tốn kém) là khó khăn trong việc kiểm soát và "quản lý" hành vi của plasma. Tuy nhiên, nhiều năm thử nghiệm đã mang lại nhiều khám phá có giá trị, và ngày nay năng lượng nhiệt hạch dường như gần hơn bao giờ hết.

Thêm heli-3, khuấy và đun nóng

ITER là trọng tâm chính của nghiên cứu nhiệt hạch toàn cầu, nhưng nhiều trung tâm nghiên cứu, công ty và phòng thí nghiệm quân sự cũng đang thực hiện các dự án nhiệt hạch khác đi chệch hướng với cách tiếp cận cổ điển.

Ví dụ, được tiến hành trong những năm gần đây trên từ Viện Công nghệ Massachusetts thí nghiệm với Helem-3 trên tokamak đã đưa ra những kết quả thú vị, bao gồm tăng gấp mười lần năng lượng ion huyết tương. Các nhà khoa học tiến hành thí nghiệm trên C-Mod tokamak tại Viện Công nghệ Massachusetts, cùng với các chuyên gia từ Bỉ và Anh, đã phát triển một loại nhiên liệu nhiệt hạch mới có chứa ba loại ion. Đội Alcatel C-Mod (3) đã tiến hành một nghiên cứu vào tháng 2016 năm XNUMX, nhưng dữ liệu từ các thí nghiệm này chỉ mới được phân tích gần đây, cho thấy sự gia tăng rất lớn của năng lượng plasma. Kết quả đáng khích lệ đến mức các nhà khoa học đang điều hành phòng thí nghiệm nhiệt hạch đang hoạt động lớn nhất thế giới, JET ở Anh, quyết định lặp lại các thí nghiệm. Mức tăng năng lượng tương tự cũng đạt được. Kết quả nghiên cứu được công bố trên tạp chí Nature Physics.

3. Tokamak Alcator C-Mod đang hoạt động

Chìa khóa để tăng hiệu suất của nhiên liệu hạt nhân là việc bổ sung một lượng nhỏ helium-3, một đồng vị ổn định của helium, với một neutron thay vì hai. Nhiên liệu hạt nhân được sử dụng trong phương pháp Alcator C trước đây chỉ chứa hai loại ion, đơteri và hydro. Deuterium, một đồng vị bền của hydro với một neutron trong hạt nhân của nó (trái ngược với hydro không có neutron), chiếm khoảng 95% nhiên liệu. Các nhà khoa học tại Trung tâm Nghiên cứu Plasma và Viện Công nghệ Massachusetts (PSFC) đã sử dụng một quy trình gọi là Sưởi ấm RF. Các ăng-ten bên cạnh tokamak sử dụng một tần số vô tuyến cụ thể để kích thích các hạt và các sóng được hiệu chỉnh để "nhắm mục tiêu" đến các ion hydro. Vì hydro chỉ chiếm một phần rất nhỏ trong tổng khối lượng riêng của nhiên liệu, chỉ tập trung một phần nhỏ của các ion vào quá trình sưởi ấm cho phép đạt được mức năng lượng cực lớn. Hơn nữa, các ion hydro được kích thích truyền sang các ion đơteri chiếm ưu thế trong hỗn hợp, và các hạt được hình thành theo cách này đi vào vỏ ngoài của lò phản ứng, giải phóng nhiệt.

Hiệu suất của quá trình này tăng lên khi ion heli-3 được thêm vào hỗn hợp với lượng nhỏ hơn 1%. Bằng cách tập trung tất cả sự đốt nóng của sóng vô tuyến vào một lượng nhỏ helium-3, các nhà khoa học đã nâng năng lượng của các ion lên thành megaelectronvolts (MeV).

Ai đến trước - phục vụ trước Tương đương trong tiếng Nga: Khách đến muộn ăn xương

Đã có nhiều sự phát triển trong thế giới của công việc nhiệt hạch có kiểm soát trong vài năm qua đã làm nhen nhóm hy vọng của các nhà khoa học và tất cả chúng ta để cuối cùng đạt được "Chén thánh" năng lượng.

Các tín hiệu tốt bao gồm những khám phá từ Phòng thí nghiệm Vật lý Plasma Princeton (PPPL) của Bộ Năng lượng Hoa Kỳ (DOE). Sóng vô tuyến đã được sử dụng rất thành công để làm giảm đáng kể cái gọi là nhiễu loạn plasma, có thể rất quan trọng trong quá trình "mặc quần áo" cho các phản ứng nhiệt hạch. Cùng một nhóm nghiên cứu vào tháng 2019 năm XNUMX đã báo cáo một thí nghiệm lithium tokamak trong đó các bức tường bên trong của lò phản ứng thử nghiệm được phủ bằng lithium, một vật liệu nổi tiếng từ pin thường được sử dụng trong thiết bị điện tử. Các nhà khoa học lưu ý rằng lớp lót liti trên thành lò phản ứng hấp thụ các hạt plasma phân tán, ngăn không cho chúng phản xạ trở lại đám mây plasma và can thiệp vào các phản ứng nhiệt hạch.

4. Hình dung về dự án Công nghệ TAE

Các học giả từ các tổ chức khoa học có uy tín lớn thậm chí đã trở thành những người lạc quan thận trọng trong các tuyên bố của họ. Gần đây, sự quan tâm lớn đến các kỹ thuật nhiệt hạch có kiểm soát trong khu vực tư nhân cũng tăng lên. Vào năm 2018, Lockheed Martin đã công bố kế hoạch phát triển một nguyên mẫu lò phản ứng nhiệt hạch (CFR) nhỏ gọn trong vòng một thập kỷ tới. Nếu công nghệ mà công ty đang nghiên cứu hoạt động, một thiết bị cỡ xe tải sẽ có thể cung cấp đủ điện để đáp ứng nhu cầu của một thiết bị rộng 100 foot vuông. cư dân thành phố.

Các công ty và trung tâm nghiên cứu khác đang cạnh tranh để xem ai có thể xây dựng lò phản ứng nhiệt hạch thực sự đầu tiên, bao gồm TAE Technologies và Viện Công nghệ Massachusetts. Ngay cả Jeff Bezos của Amazon và Bill Gates của Microsoft gần đây cũng tham gia vào các dự án sáp nhập. NBC News gần đây đã thống kê được mười bảy công ty nhỏ chỉ chuyên về hợp nhất ở Mỹ. Các công ty khởi nghiệp như General Fusion hay Commonwealth Fusion Systems đang tập trung vào các lò phản ứng nhỏ hơn dựa trên chất siêu dẫn sáng tạo.

Khái niệm "nhiệt hạch lạnh" và các lựa chọn thay thế cho các lò phản ứng lớn, không chỉ tokama mà còn cả cái gọi là. dấu hiệu, với một thiết kế hơi khác, được xây dựng bao gồm cả ở Đức. Việc tìm kiếm một cách tiếp cận khác cũng tiếp tục. Một ví dụ về điều này là một thiết bị được gọi là Z-pinch, được xây dựng bởi các nhà khoa học từ Đại học Washington và được mô tả trong một trong những số mới nhất của tạp chí Physics World. Chốt Z hoạt động bằng cách bẫy và nén plasma trong một từ trường mạnh. Trong thí nghiệm, plasma có thể ổn định trong 16 micro giây và phản ứng nhiệt hạch diễn ra trong khoảng một phần ba thời gian này. Cuộc biểu tình được cho là để chứng minh rằng khả năng tổng hợp quy mô nhỏ là có thể, mặc dù nhiều nhà khoa học vẫn còn nghi ngờ nghiêm túc về điều này.

Đổi lại, nhờ sự hỗ trợ của Google và các nhà đầu tư khác tham gia vào các công nghệ tiên tiến, công ty TAE Technologies ở California sử dụng một phương pháp khác, không phải điển hình cho các thử nghiệm với phản ứng tổng hợp, hỗn hợp nhiên liệu bo, vốn được sử dụng để phát triển các lò phản ứng nhỏ hơn và rẻ hơn, ban đầu cho mục đích của cái gọi là động cơ tên lửa nhiệt hạch. Một lò phản ứng nhiệt hạch hình trụ nguyên mẫu (4) với chùm phản xạ (CBFR), làm nóng khí hydro để tạo thành hai vòng plasma. Chúng kết hợp với các bó hạt trơ và được giữ ở trạng thái như vậy, điều này sẽ làm tăng năng lượng và độ bền của plasma.

Một công ty khởi nghiệp hợp nhất khác là General Fusion từ tỉnh British Columbia của Canada được sự hỗ trợ của chính Jeff Bezos. Nói một cách đơn giản, khái niệm của ông là bơm plasma nóng vào một quả bóng kim loại lỏng (hỗn hợp của lithium và chì) bên trong một quả bóng thép, sau đó plasma được nén bằng các pít-tông, tương tự như động cơ diesel. Áp suất được tạo ra sẽ dẫn đến phản ứng tổng hợp, sẽ giải phóng một lượng năng lượng khổng lồ để cung cấp năng lượng cho các tuabin của một loại nhà máy điện mới. Mike Delage, giám đốc công nghệ của General Fusion, cho biết phản ứng tổng hợp hạt nhân thương mại có thể ra mắt sau XNUMX năm nữa.

5. Hình minh họa từ một bằng sáng chế nhiệt hạch của Hải quân Hoa Kỳ.

Gần đây, Hải quân Hoa Kỳ cũng đã nộp bằng sáng chế cho một "thiết bị phản ứng tổng hợp plasma." Bằng sáng chế nói về từ trường để tạo ra "rung động gia tốc" (5). Ý tưởng là xây dựng các lò phản ứng nhiệt hạch đủ nhỏ để có thể di động được. Không cần phải nói, đơn xin cấp bằng sáng chế này đã vấp phải sự hoài nghi.