Phản ứng hợp hạch (Fusion reaction)

Cơ chế

Để phản ứng hợp hạch xảy ra, các hạt nhân phải vượt qua lực đẩy tĩnh điện giữa chúng. Điều này đòi hỏi nhiệt độ và áp suất cực kỳ cao để các hạt nhân có đủ động năng để tiến lại gần nhau. Nhiệt độ cao làm cho các electron bị tách khỏi nguyên tử, tạo thành plasma, một trạng thái vật chất gồm các ion và electron tự do. Khi các hạt nhân đến đủ gần, lực hạt nhân mạnh, mạnh hơn lực đẩy tĩnh điện ở khoảng cách rất ngắn, sẽ kéo chúng lại với nhau và tạo thành một hạt nhân mới. Sự chênh lệch khối lượng giữa các hạt nhân ban đầu và hạt nhân tạo thành được chuyển đổi thành năng lượng theo phương trình nổi tiếng của Einstein, $E=mc^2$, trong đó $E$ là năng lượng, $m$ là khối lượng bị mất và $c$ là tốc độ ánh sáng.

Ví dụ

Phản ứng hợp hạch nổi tiếng nhất là phản ứng diễn ra trong Mặt Trời, nơi hydro được chuyển đổi thành heli. Có một số chu trình phản ứng trong Mặt Trời, nhưng chu trình proton-proton (p-p chain) là phổ biến nhất:

• $^1H + ^1H \rightarrow ^2H + e^+ + \nu_e$ (Hai proton hợp nhất thành deuteri, positron và neutrino electron)
• $^2H + ^1H \rightarrow ^3He + \gamma$ (Deuteri và proton hợp nhất thành heli-3 và photon gamma)
• $^3He + ^3He \rightarrow ^4He + 2^1H$ (Hai hạt nhân heli-3 hợp nhất thành heli-4 và hai proton)

Chu trình này diễn ra trong lõi Mặt Trời, nơi nhiệt độ và áp suất cực kỳ cao.

Năng lượng được giải phóng

Lượng năng lượng được giải phóng trong phản ứng hợp hạch được tính theo phương trình nổi tiếng của Einstein: $E = \Delta m c^2$, trong đó $E$ là năng lượng, $\Delta m$ là sự chênh lệch khối lượng giữa các hạt nhân ban đầu và hạt nhân sản phẩm, và $c$ là tốc độ ánh sáng. Do sự chênh lệch khối lượng này, một lượng nhỏ khối lượng được chuyển đổi thành một lượng năng lượng khổng lồ.

Ứng dụng

• Năng lượng hợp hạch: Phản ứng hợp hạch có tiềm năng trở thành nguồn năng lượng sạch, an toàn và gần như vô tận. Các lò phản ứng hợp hạch đang được nghiên cứu và phát triển, mặc dù vẫn còn nhiều thách thức kỹ thuật cần vượt qua. Một trong những thách thức lớn nhất là duy trì plasma ở nhiệt độ và áp suất đủ cao trong một khoảng thời gian đủ dài để phản ứng hợp hạch diễn ra một cách hiệu quả.
• Vũ khí nhiệt hạch (bom hydro): Bom hydro sử dụng phản ứng phân hạch để tạo ra nhiệt độ và áp suất cần thiết để kích hoạt phản ứng hợp hạch. Phản ứng hợp hạch trong bom hydro giải phóng một lượng năng lượng khổng lồ, gây ra sức công phá khủng khiếp.

Ưu điểm của năng lượng hợp hạch

• Nhiên liệu dồi dào: Deuteri có thể được chiết xuất từ nước biển, và triti có thể được sản xuất từ liti, một nguyên tố tương đối phổ biến.
• Sạch: Phản ứng hợp hạch không tạo ra khí nhà kính hoặc chất thải phóng xạ tồn tại lâu dài. Sản phẩm phụ chính của phản ứng deuteri-triti là heli, một loại khí trơ vô hại.
• An toàn: Không có nguy cơ xảy ra sự cố như lò phản ứng phân hạch. Phản ứng hợp hạch không thể tự duy trì nếu có sự cố xảy ra, do đó không có nguy cơ xảy ra phản ứng dây chuyền.

Nhược điểm của năng lượng hợp hạch

• Điều kiện khắc nghiệt: Cần nhiệt độ và áp suất cực cao để duy trì phản ứng hợp hạch.
• Thách thức kỹ thuật: Việc chế tạo và vận hành lò phản ứng hợp hạch rất phức tạp và tốn kém. Việc đạt được và duy trì các điều kiện cần thiết cho phản ứng hợp hạch là một thách thức công nghệ đáng kể.

Phản ứng hợp hạch là một quá trình mạnh mẽ với tiềm năng to lớn trong việc cung cấp năng lượng sạch cho tương lai. Mặc dù vẫn còn nhiều thách thức cần vượt qua, nhưng nghiên cứu và phát triển về năng lượng hợp hạch đang được tiến hành tích cực trên toàn thế giới.

Các loại phản ứng hợp hạch

Ngoài chu trình proton-proton diễn ra trong Mặt Trời, còn có nhiều loại phản ứng hợp hạch khác, ví dụ:

• Chu trình CNO: Đây là một chu trình phản ứng khác diễn ra trong các ngôi sao nặng hơn Mặt Trời, sử dụng carbon, nitơ và oxy làm chất xúc tác.
• Phản ứng deuteri-triti (D-T): $^2H + ^3H \rightarrow ^4He + n$ (Deuteri và triti hợp nhất thành heli-4 và neutron). Đây là phản ứng được nhắm mục tiêu cho hầu hết các lò phản ứng hợp hạch đang được phát triển do nó có tiết diện phản ứng lớn ở nhiệt độ tương đối thấp.
• Phản ứng deuteri-deuteri (D-D): Có hai nhánh phản ứng D-D có xác suất xấp xỉ nhau:
  • $^2H + ^2H \rightarrow ^3He + n$
  • $^2H + ^2H \rightarrow ^3H + p$

Phương pháp giam cầm plasma

Vì plasma (trạng thái vật chất ở nhiệt độ rất cao) cần thiết cho phản ứng hợp hạch, việc giam cầm plasma là một thách thức kỹ thuật lớn. Hai phương pháp giam cầm chính đang được nghiên cứu là:

• Giam cầm quán tính: Sử dụng các chùm tia laser hoặc ion năng lượng cao để nén và làm nóng một viên nang nhỏ chứa nhiên liệu hợp hạch.
• Giam cầm từ tính: Sử dụng từ trường mạnh để giam cầm và làm nóng plasma trong một thiết bị hình xuyến gọi là tokamak hoặc stellarator.

Thách thức của năng lượng hợp hạch

• Đạt được điểm bốc cháy (ignition): Điểm bốc cháy là khi năng lượng được tạo ra bởi phản ứng hợp hạch đủ để duy trì phản ứng mà không cần thêm năng lượng bên ngoài.
• Duy trì plasma ổn định: Plasma rất nhạy cảm với sự bất ổn định, có thể dẫn đến mất giam cầm.
• Phát triển vật liệu chịu được nhiệt độ và bức xạ cao: Các vật liệu bên trong lò phản ứng hợp hạch phải chịu được nhiệt độ và bức xạ cực kỳ cao.
• Chi phí: Xây dựng và vận hành lò phản ứng hợp hạch rất tốn kém.

ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor)

ITER là một dự án hợp tác quốc tế nhằm xây dựng một lò phản ứng hợp hạch thí nghiệm sử dụng phương pháp giam cầm từ tính. Dự án này được coi là bước quan trọng hướng tới việc hiện thực hóa năng lượng hợp hạch.

• [1] J. Freidberg, “Plasma Physics and Fusion Energy,” Cambridge University Press, 2007.
• [2] K. Miyamoto, “Plasma Physics and Controlled Nuclear Fusion,” Springer, 2005.
• [3] John Wesson, “Tokamaks,” Oxford University Press, 2011.

Câu hỏi và Giải đáp

Tại sao phản ứng hợp hạch lại khó đạt được trên Trái Đất, trong khi nó diễn ra dễ dàng trong lõi các ngôi sao?

Trả lời: Trong lõi các ngôi sao, áp suất và nhiệt độ cực kỳ cao do lực hấp dẫn khổng lồ. Điều này tạo điều kiện lý tưởng cho phản ứng hợp hạch xảy ra. Trên Trái Đất, việc tạo ra và duy trì áp suất và nhiệt độ tương tự là một thách thức kỹ thuật rất lớn.

Ngoài D-T và D-D, còn có những phản ứng hợp hạch nào khác được xem xét cho việc sản xuất năng lượng?

Trả lời: Mặc dù D-T và D-D là những phản ứng được nghiên cứu nhiều nhất, còn có những phản ứng khác như p-B (proton – Boron-11: $^1H + ^{11}B \rightarrow 3^4He$) cũng được xem xét. Phản ứng p-B hấp dẫn vì nó tạo ra helium-4, một hạt alpha không có tính phóng xạ, tuy nhiên nó đòi hỏi nhiệt độ plasma cao hơn đáng kể.

Vật liệu nào được sử dụng để chế tạo các thành phần bên trong lò phản ứng hợp hạch, chịu được nhiệt độ và bức xạ cực cao?

Trả lời: Các vật liệu chịu được nhiệt độ và bức xạ cao như vonfram, beryllium, và thép đặc biệt được sử dụng trong lò phản ứng hợp hạch. Việc phát triển các vật liệu mới có khả năng chịu đựng tốt hơn đang là một lĩnh vực nghiên cứu quan trọng.

Làm thế nào để xử lý neutron được tạo ra trong phản ứng hợp hạch D-T?

Trả lời: Neutron sinh ra từ phản ứng D-T mang năng lượng rất cao. Chúng được hấp thụ bởi một lớp phủ đặc biệt xung quanh lò phản ứng, thường là liti, để tạo ra triti (nhiên liệu cho phản ứng) và nhiệt. Nhiệt này sau đó được sử dụng để tạo ra điện năng.

Ngoài việc cung cấp năng lượng, phản ứng hợp hạch còn có ứng dụng nào khác không?

Trả lời: Ngoài sản xuất năng lượng, phản ứng hợp hạch còn có tiềm năng ứng dụng trong các lĩnh vực khác như sản xuất đồng vị phóng xạ cho y học và công nghiệp, nghiên cứu vật liệu, và vật lý thiên văn. Ví dụ, phản ứng hợp hạch có thể được sử dụng để sản xuất đồng vị y tế quý hiếm hoặc mô phỏng các điều kiện trong lõi các ngôi sao.