Vật lý nghiên cứu chuyên sâu
Phản ứng tổng hợp hạt nhân (nhiệt hạch)
Nhiệt hạch kết hợp các hạt nhân nhẹ thành hạt nhân nặng hơn; độ hụt khối có thể giải phóng năng lượng, nhưng tốc độ phản ứng phụ thuộc mạnh vào nhiệt độ và các tiết diện phản ứng.
Hai hạt nhân tích điện dương phải tiến đủ gần để lực hạt nhân mạnh thắng lực đẩy Coulomb. Nhiệt độ cao làm phân bố vận tốc có đuôi năng lượng lớn; xuyên hầm lượng tử cũng góp phần đáng kể, nên không cần mọi va chạm đạt đúng năng lượng Coulomb cổ điển.
Định nghĩa: Độ lợi phản ứng Q
Q>0 nghĩa là tổng khối lượng nghỉ của sản phẩm nhỏ hơn ban đầu; năng lượng được phân chia cho động năng sản phẩm và, tùy phản ứng, bức xạ. Q dương không tự đảm bảo một hệ thống tạo ra nhiều năng lượng hữu ích hơn năng lượng nó tiêu thụ.
Nhiệt độ và tiêu chuẩn giam giữ
Trong plasma nhiệt hạch, các đại lượng mật độ hạt n, nhiệt độ T và thời gian giam giữ năng lượng τ_E cùng chi phối điều kiện đốt cháy. Tiêu chuẩn Lawson thường biểu diễn yêu cầu qua tích nτ_E (hoặc nTτ_E), với ngưỡng phụ thuộc nhiên liệu và nhiệt độ. Rò nhiệt, bức xạ và tạp chất đều làm tăng công suất cần bù.
Ví dụ: Tính năng lượng phản ứng
Phản ứng D + T → ⁴He + n có Q xấp xỉ 17,6 MeV. Nếu một phản ứng xảy ra, tổng động năng của hai sản phẩm trong hệ khối tâm xấp xỉ bao nhiêu?
Lời giải
Khoảng 17,6 MeV, do bảo toàn năng lượng-momentum: trong hệ khối tâm, ban đầu động năng tương đối nhỏ so với Q. Năng lượng chia không đều; neutron nhận khoảng 14,1 MeV, hạt alpha khoảng 3,5 MeV.
Một tiêu chuẩn năng lượng gộp phải phân biệt công suất phản ứng với công suất ngoài đưa vào plasma. Trong hỗn hợp deuterium–tritium, hạt alpha tích điện có thể tự nung nóng plasma nếu năng lượng của nó được giữ lại đủ lâu; neutron trung hòa thoát khỏi từ trường và truyền năng lượng tới lớp áo. Cân bằng năng lượng còn bị chi phối bởi bức xạ hãm, vận chuyển rối, trao đổi với thành và hiệu suất biến đổi nhiệt thành điện. Do đó điều kiện Lawson là điều kiện cần trong mô hình lý tưởng, không phải bảo đảm nhà máy có lãi năng lượng ròng. Nghiên cứu hiện nay phải ghép động học hạt, ổn định MHD, tương tác plasma–vật liệu và chu trình nhiên liệu tritium.
Một tiêu chí nghiên cứu khác là tải nhiệt lên thành buồng và lớp phủ. Neutron năng lượng cao gây dịch chuyển nguyên tử, tạo heli qua phản ứng hạt nhân và làm biến đổi cơ tính vật liệu; lớp phủ phải đồng thời truyền nhiệt và sinh tritium. Dự đoán tuổi thọ cần phối hợp thí nghiệm chiếu xạ, mô hình vận chuyển neutron và dữ liệu vật liệu, với ngoại suy được ghi rõ bất định.
Kiểm tra nhanh
Ý nghĩa của Q>0 trong một phản ứng nhiệt hạch là gì?
Vì sao nhiệt độ plasma không xác định duy nhất một năng lượng va chạm?
Tài liệu tham khảo
- T. J. M. Boyd, J. J. Sanderson (2003). The Physics of Plasmas
- A. A. Harms et al. (2000). Principles of Fusion Energy