Cơ chế phản ứng nhiệt hạch (Nuclear fusion reaction mechanism)

Cơ chế phản ứng

Để phản ứng nhiệt hạch xảy ra, các hạt nhân phải vượt qua lực đẩy tĩnh điện Coulomb giữa chúng, vốn rất mạnh ở khoảng cách ngắn. Điều này đòi hỏi nhiệt độ và áp suất cực cao để các hạt nhân có đủ động năng để tiến lại gần nhau. Khi các hạt nhân đủ gần, lực hạt nhân mạnh, một lực hấp dẫn mạnh hơn lực Coulomb ở khoảng cách rất ngắn, sẽ lấn át và liên kết chúng lại với nhau.

Cụ thể, cơ chế diễn ra theo các bước sau:

1. Tiếp cận: Hai hạt nhân tiếp cận nhau với vận tốc cao. Nhiệt độ cao cung cấp động năng cần thiết cho quá trình này.
2. Vượt qua rào thế năng Coulomb: Khi các hạt nhân tiến lại gần nhau, lực đẩy Coulomb tăng lên. Để vượt qua rào thế năng này, các hạt nhân cần có đủ động năng. Đây là lý do tại sao nhiệt độ cực cao là cần thiết cho phản ứng nhiệt hạch.
3. Tương tác lực hạt nhân mạnh: Khi các hạt nhân đủ gần (khoảng $10^{-15}$ m), lực hạt nhân mạnh bắt đầu tác động và lấn át lực đẩy Coulomb.
4. Hình thành hạt nhân mới: Các hạt nhân kết hợp lại tạo thành một hạt nhân mới nặng hơn.
5. Giải phóng năng lượng: Khối lượng của hạt nhân mới nhỏ hơn tổng khối lượng của các hạt nhân ban đầu. Sự chênh lệch khối lượng này được chuyển đổi thành năng lượng theo công thức nổi tiếng của Einstein: $E = mc^2$, với $E$ là năng lượng, $m$ là khối lượng bị mất và $c$ là tốc độ ánh sáng. Năng lượng này được giải phóng dưới dạng động năng của hạt nhân mới và các hạt khác (như neutron).

Ví dụ

Một trong những phản ứng nhiệt hạch phổ biến nhất là phản ứng giữa deuteri ($^2_1$H) và triti ($^3_1$H) để tạo thành heli ($^4_2$He) và một neutron ($^1_0$n):

$^2_1$H + $^3_1$H $\rightarrow$ $^4_2$He + $^1_0$n + năng lượng

Ứng dụng

• Năng lượng nhiệt hạch: Mục tiêu của nghiên cứu năng lượng nhiệt hạch là khai thác năng lượng khổng lồ được giải phóng từ phản ứng này để tạo ra điện năng sạch và bền vững.
• Vũ khí nhiệt hạch (bom hydro): Bom hydro sử dụng phản ứng nhiệt hạch không kiểm soát để tạo ra sức nổ cực lớn.

Khó khăn kỹ thuật

Việc tạo ra và duy trì các điều kiện cần thiết cho phản ứng nhiệt hạch trên Trái Đất là một thách thức kỹ thuật rất lớn. Điều này đòi hỏi việc giam giữ plasma ở nhiệt độ và áp suất cực cao trong một khoảng thời gian đủ dài để phản ứng xảy ra một cách hiệu quả. Các phương pháp giam giữ plasma hiện đang được nghiên cứu bao gồm giam giữ từ tính và giam giữ quán tính.

Các loại phản ứng nhiệt hạch

Có nhiều loại phản ứng nhiệt hạch khác nhau, tùy thuộc vào các hạt nhân tham gia. Một số phản ứng phổ biến bao gồm:

• Deuteri-Triti (D-T): $^2_1$H + $^3_1$H $\rightarrow$ $^4_2$He + $^1_0$n + 17.6 MeV. Đây là phản ứng được nghiên cứu nhiều nhất cho năng lượng nhiệt hạch vì nó có tiết diện phản ứng lớn nhất ở nhiệt độ thấp hơn so với các phản ứng khác.
• Deuteri-Deuteri (D-D): Có hai nhánh phản ứng D-D có xác suất xảy ra tương đương nhau:
  • $^2_1$H + $^2_1$H $\rightarrow$ $^3_2$He + $^1_0$n + 3.27 MeV
  • $^2_1$H + $^2_1$H $\rightarrow$ $^3_1$T + $^1_1$H + 4.03 MeV
• Deuteri-$^3$He (D-$^3$He): $^2_1$H + $^3_2$He $\rightarrow$ $^4_2$He + $^1_1$H + 18.3 MeV. Phản ứng này tạo ra ít neutron hơn so với D-T, làm cho nó trở thành một lựa chọn hấp dẫn hơn về mặt an toàn và xử lý chất thải phóng xạ.

Điều kiện để phản ứng nhiệt hạch xảy ra

Để đạt được phản ứng nhiệt hạch tự duy trì, cần phải đáp ứng tiêu chí Lawson, một điều kiện về mật độ hạt nhân (n), thời gian giam giữ năng lượng ($\tau_E$) và nhiệt độ (T). Tiêu chí Lawson phát biểu rằng tích $n\tau_E$ phải vượt quá một giá trị nhất định phụ thuộc vào nhiệt độ. Ví dụ, đối với phản ứng D-T ở nhiệt độ 10 keV (khoảng 100 triệu độ C), $n\tau_E$ phải lớn hơn $10^{20}$ s/m$^3$.

Các phương pháp giam giữ plasma

Có hai phương pháp giam giữ plasma chính đang được nghiên cứu:

• Giam giữ từ tính (Magnetic confinement): Sử dụng từ trường mạnh để giam giữ plasma nóng. Tokamak và stellarator là hai ví dụ về thiết bị giam giữ từ tính.
• Giam giữ quán tính (Inertial confinement): Sử dụng các chùm tia laser hoặc ion năng lượng cao để nén và làm nóng nhanh một viên nhiên liệu nhiệt hạch nhỏ.

Thách thức và triển vọng

Mặc dù tiềm năng to lớn của năng lượng nhiệt hạch, vẫn còn nhiều thách thức kỹ thuật cần phải vượt qua. Việc đạt được và duy trì các điều kiện cần thiết cho phản ứng nhiệt hạch tự duy trì là rất khó khăn và tốn kém. Tuy nhiên, những tiến bộ đáng kể đã được thực hiện trong những năm gần đây, và nhiều nhà khoa học tin rằng năng lượng nhiệt hạch thương mại có thể đạt được trong tương lai.

• J. Wesson, “Tokamaks”, Oxford University Press, 2004.
• A. Atzeni and J. Meyer-ter-Vehn, “The Physics of Inertial Fusion: Beam Plasma Interaction, Hydrodynamics, Hot Dense Matter”, Oxford University Press, 2004.
• F. F. Chen, “Introduction to Plasma Physics and Controlled Fusion”, Springer, 2016.

Câu hỏi và Giải đáp

Tại sao phản ứng nhiệt hạch lại khó đạt được trên Trái Đất hơn so với trong lõi các ngôi sao?

Trả lời: Trong lõi các ngôi sao, áp suất và nhiệt độ cực cao được duy trì bởi lực hấp dẫn khổng lồ của chính ngôi sao. Trên Trái Đất, việc tạo ra và duy trì áp suất và nhiệt độ tương tự là một thách thức kỹ thuật rất lớn. Chúng ta phải sử dụng các phương pháp như giam giữ từ tính hoặc giam giữ quán tính, vốn rất phức tạp và tốn kém.

Ngoài D-T, D-D và D-$^3$He, còn có những phản ứng nhiệt hạch nào khác có tiềm năng ứng dụng?

Trả lời: Một số phản ứng khác bao gồm p-B (proton-Boron) ($^1_1$H + $^{11}_5$B $\rightarrow$ 3$^4_2$He) và $^3$He-$^3$He ($^3_2$He + $^3_2$He $\rightarrow$ $^4_2$He + 2$^1_1$H). Tuy nhiên, những phản ứng này yêu cầu nhiệt độ cao hơn nhiều so với D-T, khiến chúng khó đạt được hơn trong thực tế.

Làm thế nào để đo lường hiệu suất của một phản ứng nhiệt hạch?

Trả lời: Hiệu suất của phản ứng nhiệt hạch thường được đo bằng tỉ số Q, là tỷ số giữa năng lượng đầu ra (năng lượng được tạo ra từ phản ứng) và năng lượng đầu vào (năng lượng cần thiết để khởi động và duy trì phản ứng). Mục tiêu của năng lượng nhiệt hạch là đạt được tỉ số Q lớn hơn 1, tức là năng lượng đầu ra lớn hơn năng lượng đầu vào.

Vai trò của neutron trong phản ứng nhiệt hạch là gì?

Trả lời: Neutron đóng vai trò quan trọng trong nhiều phản ứng nhiệt hạch, ví dụ như phản ứng D-T. Neutron mang theo một phần lớn năng lượng được giải phóng từ phản ứng. Trong lò phản ứng nhiệt hạch, năng lượng của neutron có thể được sử dụng để tạo nhiệt, sau đó được chuyển đổi thành điện năng. Tuy nhiên, neutron cũng có thể gây ra sự hoạt hóa neutron trong vật liệu xung quanh, dẫn đến vấn đề về an toàn và xử lý chất thải phóng xạ.

Những thách thức chính cần vượt qua để hiện thực hóa năng lượng nhiệt hạch thương mại là gì?

Trả lời: Một số thách thức chính bao gồm: đạt được và duy trì plasma ở nhiệt độ và áp suất cực cao trong thời gian đủ dài; phát triển vật liệu chịu được môi trường khắc nghiệt của lò phản ứng; giảm chi phí xây dựng và vận hành lò phản ứng; xử lý an toàn và hiệu quả tritium (trong trường hợp phản ứng D-T); và đạt được tỉ số Q đủ lớn để sản xuất điện năng thương mại.