Trong nhiều thế kỷ, con người đã mơ ước khai thác sức mạnh của mặt trời để tiếp sức cho cuộc sống của chúng ta ở đây trên Trái đất. Nhưng chúng tôi muốn vượt ra ngoài việc thu thập năng lượng mặt trời và một ngày nào đó chúng ta tự tạo ra từ một mặt trời nhỏ. Nếu chúng ta có thể giải quyết một loạt các vấn đề khoa học và kỹ thuật cực kỳ phức tạp, năng lượng nhiệt hạch hứa hẹn một xanh, an toàn, nguồn năng lượng không giới hạn. Từ chỉ Một kg deuterium chiết xuất từ ​​nước mỗi ngày có thể có đủ điện để cung cấp năng lượng cho hàng trăm ngàn ngôi nhà.

Kể từ các 1950, nghiên cứu khoa học và kỹ thuật đã tạo ra tiến bộ to lớn hướng tới việc buộc các nguyên tử hydro hợp nhất lại với nhau trong phản ứng tự duy trì - cũng như số lượng nhỏ nhưng có thể chứng minh được năng lượng nhiệt hạch. Những người hoài nghi và những người đề xướng như nhau lưu ý hai thách thức quan trọng nhất còn lại: duy trì các phản ứng trong thời gian dài và nghĩ ra cấu trúc vật chất để khai thác năng lượng nhiệt hạch cho điện.

Là nhà nghiên cứu hợp nhất tại Phòng thí nghiệm Vật lý Plasma Princeton, chúng ta biết rằng thực tế, nhà máy điện nhiệt hạch thương mại đầu tiên vẫn còn cách ít nhất là 25 năm. Nhưng tiềm năng cho lợi ích ngoại cỡ của nó sẽ đến vào nửa sau của thế kỷ này có nghĩa là chúng ta phải tiếp tục làm việc. Các cuộc biểu tình chính về tính khả thi của phản ứng tổng hợp có thể được hoàn thành sớm hơn - và phải, để sức mạnh nhiệt hạch có thể được đưa vào kế hoạch cho tương lai năng lượng của chúng ta.

Không giống như các hình thức phát điện khác, như năng lượng mặt trời, khí tự nhiên và phân hạch hạt nhân, phản ứng tổng hợp không thể được phát triển trong mô hình thu nhỏ và sau đó được thu nhỏ lại. Các bước thử nghiệm là lớn và mất thời gian để xây dựng. Nhưng vấn đề về năng lượng sạch, dồi dào sẽ là một kêu gọi nhân loại cho thế kỷ tiếp theo và hơn thế nữa. Sẽ thật ngu ngốc nếu không khai thác triệt để nguồn năng lượng hứa hẹn nhất này.

Tại sao năng lượng nhiệt hạch?

Trong phản ứng tổng hợp, hai hạt nhân của nguyên tử hydro (đồng vị deuterium và tritium) hợp nhất với nhau. Điều này tương đối khó thực hiện: Cả hai hạt nhân đều tích điện dương, và do đó đẩy nhau. Chỉ khi chúng di chuyển cực nhanh khi chúng va chạm, chúng sẽ đập vỡ với nhau, hợp nhất và do đó giải phóng năng lượng mà chúng ta theo sau.

Điều này xảy ra tự nhiên trong ánh mặt trời. Ở đây trên Trái đất, chúng ta sử dụng các nam châm cực mạnh để chứa một loại khí cực nóng gồm các hạt nhân deuterium và triti và điện tử. Khí nóng, tích điện này được gọi là plasma.

Plasma rất nóng - hơn 100 triệu độ C - đến mức các hạt nhân tích điện dương di chuyển đủ nhanh để vượt qua lực đẩy và cầu chì điện của chúng. Khi hạt nhân hợp nhất, chúng tạo thành hai hạt năng lượng - hạt alpha (hạt nhân của nguyên tử helium) và neutron.

Làm nóng plasma đến nhiệt độ cao như vậy cần một lượng năng lượng lớn - phải được đưa vào lò phản ứng trước khi quá trình tổng hợp có thể bắt đầu. Nhưng một khi nó được thực hiện, phản ứng tổng hợp có khả năng tạo ra đủ năng lượng để duy trì nhiệt lượng riêng của nó, cho phép chúng ta rút nhiệt dư thừa để biến thành điện có thể sử dụng.

Nhiên liệu cho năng lượng nhiệt hạch có rất nhiều trong tự nhiên. Deuterium dồi dào trong nước, và chính lò phản ứng có thể tạo ra triti từ lithium. Và nó có sẵn cho tất cả các quốc gia, chủ yếu là độc lập với tài nguyên thiên nhiên địa phương.

Sức mạnh tổng hợp là sạch sẽ. Nó không phát ra khí nhà kính và chỉ tạo ra heli và neutron.

An toàn rồi. Có không có khả năng cho một phản ứng chạy trốn, giống như một vụ nổ phân hạch hạt nhân. Thay vào đó, nếu có bất kỳ trục trặc nào, plasma nguội đi và các phản ứng nhiệt hạch chấm dứt.

Tất cả những thuộc tính này đã thúc đẩy nghiên cứu trong nhiều thập kỷ, và thậm chí còn trở nên hấp dẫn hơn theo thời gian. Nhưng các mặt tích cực phù hợp với thách thức khoa học quan trọng của phản ứng tổng hợp.

Tiến tới ngày

Sự tiến bộ trong phản ứng tổng hợp có thể được đo lường theo hai cách. Đầu tiên là sự tiến bộ to lớn trong sự hiểu biết cơ bản về các plasma nhiệt độ cao. Các nhà khoa học đã phải phát triển một lĩnh vực vật lý mới - vật lý plasma - để hình thành các phương pháp giam cầm plasma trong từ trường mạnh, và sau đó phát triển khả năng đốt nóng, ổn định, kiểm soát nhiễu loạn trong và đo các tính chất của plasma siêu nóng.

Công nghệ liên quan cũng đã tiến bộ rất nhiều. Chúng ta có đẩy biên giới trong nam châmvà nguồn sóng điện từ và chùm hạt tới chứa và làm nóng plasma. Chúng tôi cũng đã phát triển các kỹ thuật để vật liệu có thể chịu được sức nóng dữ dội của plasma trong các thí nghiệm hiện tại.

Thật dễ dàng để truyền đạt các số liệu thực tế theo dõi cuộc diễu hành của hợp nhất để thương mại hóa. Đứng đầu trong số đó là năng lượng nhiệt hạch đã được tạo ra trong phòng thí nghiệm: Sản xuất năng lượng tổng hợp leo thang từ milliwatts trong vài giây trong 1970 đến megUMX megawatt năng lượng nhiệt hạch (tại Phòng thí nghiệm Vật lý Plasma Princeton) và Megawts 16 trong một giây (tại Torus Torus chung ở Anh) trong 1990s.

Một chương mới trong nghiên cứu

Bây giờ cộng đồng khoa học quốc tế đang hợp tác để xây dựng một cơ sở nghiên cứu hợp hạch lớn ở Pháp. Gọi là ITER . Nếu năng lượng này được chuyển đổi thành điện, nó có thể cung cấp năng lượng cho các ngôi nhà 500. Là một thử nghiệm, nó sẽ cho phép chúng tôi kiểm tra các vấn đề khoa học và kỹ thuật quan trọng để chuẩn bị cho các nhà máy điện nhiệt hạch sẽ hoạt động liên tục.

ITER sử dụng thiết kế được biết đến như làtokamak, Ban đầu là một từ viết tắt tiếng Nga. Nó liên quan đến một plasma hình bánh rán, bị giam cầm trong một từ trường rất mạnh, một phần được tạo ra bởi dòng điện chạy trong chính plasma.

Mặc dù nó được thiết kế như một dự án nghiên cứu và không có ý định trở thành nhà sản xuất năng lượng điện ròng, ITER sẽ tạo ra năng lượng nhiệt hạch 10 gấp nhiều lần so với megawatt 50 cần thiết để đốt nóng plasma. Đây là một bước tiến khoa học lớn, tạo ra sản phẩm đầu tiênđốt plasma, Trong đó phần lớn năng lượng được sử dụng để làm nóng plasma đến từ chính phản ứng tổng hợp.

ITER được hỗ trợ bởi các chính phủ đại diện cho một nửa dân số thế giới: Trung Quốc, Liên minh Châu Âu, Ấn Độ, Nhật Bản, Nga, Hàn Quốc và Hoa Kỳ Đó là một tuyên bố quốc tế mạnh mẽ về sự cần thiết và hứa hẹn về năng lượng nhiệt hạch.

Con đường phía trước

Từ đây, con đường còn lại hướng tới năng lượng nhiệt hạch có hai thành phần. Đầu tiên, chúng ta phải tiếp tục nghiên cứu về tokamak. Điều này có nghĩa là tiến bộ vật lý và kỹ thuật để chúng ta có thể duy trì plasma ở trạng thái ổn định trong nhiều tháng. Chúng ta sẽ cần phát triển các vật liệu có thể chịu được một lượng nhiệt bằng một phần năm thông lượng nhiệt trên bề mặt mặt trời trong thời gian dài. Và chúng ta phải phát triển các vật liệu sẽ phủ lên lõi lò phản ứng để hấp thụ neutron và tạo ra triti.

Thành phần thứ hai trên con đường hợp nhất là phát triển các ý tưởng nâng cao sức hấp dẫn của phản ứng tổng hợp. Bốn ý tưởng như vậy là:

1) Sử dụng máy tính, tối ưu hóa thiết kế lò phản ứng nhiệt hạch trong các ràng buộc của vật lý và kỹ thuật. Ngoài những gì con người có thể tính toán, những thiết kế tối ưu hóa này tạo ra hình dạng bánh rán xoắn có độ ổn định cao và có thể hoạt động tự động trong nhiều tháng. Họ được gọi là những ngôi sao nổi tiếng trong ngành kinh doanh tổng hợp.

2) Phát triển nam châm siêu dẫn nhiệt độ cao mới có thể mạnh hơn và nhỏ hơn tốt nhất hôm nay. Điều đó sẽ cho phép chúng tôi xây dựng các lò phản ứng nhiệt hạch nhỏ hơn và có thể rẻ hơn.

3) Sử dụng kim loại lỏng, thay vì chất rắn, làm vật liệu bao quanh plasma. Kim loại lỏng không vỡ, đưa ra một giải pháp khả thi cho thách thức to lớn về cách vật liệu xung quanh có thể hoạt động khi tiếp xúc với plasma.

4) Xây dựng hệ thống chứa các plasma hình bánh rán với không có lỗ ở trung tâm, tạo thành một plasma có hình dạng gần giống như một quả cầu. Một số phương pháp này cũng có thể hoạt động với từ trường yếu hơn. Những người nàytori nhỏ gọnCác phương pháp tiếp cận trên các lĩnh vực thấp và các lĩnh vực khác cũng cung cấp khả năng giảm kích thước và chi phí.

Chương trình nghiên cứu do chính phủ tài trợ trên khắp thế giới đang nghiên cứu các yếu tố của cả hai thành phần - và sẽ dẫn đến kết quả có lợi cho tất cả các phương pháp tiếp cận năng lượng nhiệt hạch (cũng như sự hiểu biết của chúng ta về plasma trong vũ trụ và công nghiệp). Trong quá khứ 10 đến 15, các công ty tài trợ tư nhân cũng đã tham gia nỗ lực, đặc biệt là trong việc tìm kiếm tori nhỏ gọn và đột phá trường thấp. Tiến bộ đang đến và nó sẽ mang lại nguồn năng lượng dồi dào, sạch sẽ, an toàn với nó.

Giới thiệu về Tác giả

Stewart Prager, Giáo sư Khoa học Vật lý Thiên văn, cựu giám đốc Phòng thí nghiệm Vật lý Plasma Princeton, Đại học Princeton và Michael C. Zarnstorff, Phó Giám đốc Nghiên cứu, Phòng thí nghiệm Vật lý Plasma Princeton, Đại học Princeton

Bài viết này ban đầu được xuất bản vào Conversation. Đọc ban đầu bài viết.

[Ghi chú của biên tập viên: Đây là một tin nhắn cảnh báo liên quan đến năng lượng nhiệt hạch.]

Sách liên quan:

at Thị trường InnerSelf và Amazon