Phản ứng nhiệt hạch trong sản xuất điện

Hiểu các ứng dụng của phản ứng nhiệt hạch trong sản xuất năng lượng sạch... Phản ứng nhiệt hạch là gì Là quá trình 2 hạt nhân nhẹ tổng hợp lại với nhau để tạo nên một nhân mới nặng hơn

THUYẾT TRÌNH

HỌC PHẦN:

CÔNG NGHỆ NHÀ MÁY ĐIỆN

1

LÝ DO BẠN CẦN QUAN TÂM ?

1 Tìm kiếm nguồn năng lượng mới với nguyên liệu dồi dào, có khả năng tái tạo và thân thiện với môi trường.

2 Hiểu nguyên lý của một phản ứng nhiệt hạch.

3 Tìm hiểu điều kiện để phản ứng nhiệt hạch xảy ra.

4 Hiểu các ứng dụng của phản ứng nhiệt hạch trong sản xuất năng lượng sạch.

NỘI DUNG TRÌNH BÀY

I Khái niệm chung.

II Năng lượng nhiệt hạch.

III Điều kiện của phản ứng nhiệt hạch.

IV Thiết bị Tokamak.

V Các ứng dụng.

VI Kết luận.

3

I KHÁI NIỆM CHUNG

1 Nguyên tử

- Nguyên tử là thành phần cấu tạo nên vật

chất

- Nguyên tử gồm hạt nhân và các electron

quay xung quanh (nguyên tử hyđrô khi trung

hoà chỉ có một electron)

- Hạt nhân là tập hợp các proton và nơtron

(riêng hạt nhân nguyên tử hyđrô chỉ có một

proton) tập trung trong một thể tích rất nhỏ

và chịu tác động của hai loại lực khác nhau:

lực hạt nhân và lực điện

I KHÁI NIỆM CHUNG

3 Phản ứng nhiệt hạch là gì

Là quá trình 2 hạt nhân nhẹ tổng hợp lại với nhau để tạo nên một nhân mới nặng hơn Cùng với quá trình này là sự phóng thích năng lượng hay hấp thụ năng lượng tùy vào khối lượng của hạt nhân tham gia

Trong phản ứng nhiệt hạch cơ bản,

deuterium (D) và tritium (T) kết hợp lại tạo

thành helium và một neutron năng lượng

rất cao:

2D + 3T → 4He (3.5 MeV) + n (14.1 MeV)

2 Phản ứng hạt nhân

Là tất cả những biến đổi có xu hướng tạo ra các hạt nhân trung bình cho phép giải phóng năng lượng hạt nhân

5

II NĂNG LƯỢNG NHIỆT HẠCH

2 Ưu/Nhược điểm của năng lượng nhiệt hạch

Ưu điểm:

* Phản ứng nhiệt hạch toả ra năng lượng rất lớn

* Nguồn nhiên liệu tạo nên các phản ứng nhiệt hạch là dồi dào

* Phản ứng nhiệt hạch không làm ô nhiễm môi trường

Nhược điểm:

* Điều kiện thực hiện khó khăn: Nhiệt độ rất cao, giam cầm nhiên liệu khó…

1 Năng lượng nhiệt hạch

Là năng lượng tỏa ra bởi các phản ứng nhiệt hạch Năng lượng này là rất lớn, lớn gấp nhiều lần năng lượng thu được từ các nguồn nhiên liệu khác

 Ta có thể khai thác nguồn năng lượng này để sản xuất điện năng

III ĐIỀU KIỆN PHẢN ỨNG

Để phản ứng nhiệt hạch xảy ra cần có những điều kiện:

- Nhiệt độ cao từ 50 đến 100 triệu độ

- Mật độ hạt nhân trong plasma phải đủ lớn

- Thời gian duy trì trạng thái plasma ở nhiệt độ cao 100 triệu độ phải

đủ lớn

7

Plasma là trạng thái thái thứ 4 vật chất trong đó các chất bị ion hóa mạnh Đại bộ phận phân tử hay nguyên tử chỉ còn lại hạt nhân; các electron chuyển động tương đối tự do giữa các hạt nhân

Dòng Plasma từ quả cầu sét Dòng Plasma từ mặt trời

IV TOKAMAK

1 Mục đích

- Yêu cầu phải tạo ra các plasma nhiệt độ cao để đảm bảo cho

sự nhiệt hạch xảy ra, đồng thời làm nóng và giam cầm nguồn nguyên liệu sử dụng trong phản ứng

- Có hai lộ trình chính để có được sự giam cầm: hoặc chúng ta

có thể giữ plasma trong một từ trường đồng thời làm nóng

nó bằng cách sử dụng sóng vô tuyến hay các chùm hạt; hoặc chúng ta có thể nén nó đến những mật độ chưa có tiền lệ, sử dụng laser.

IV TOKAMAK

2 Thiết bị Tokamak

Tokamak là thiết bị tạo ra một từ trường hình xuyến (toroidal) để giữ plasma bên trong Có nhiều loại thiết bị giữ plasma bằng từ trường, tuy nhiên trong nghiên cứu tổng hợp hạt nhân, tokamak là thiết kế có triển vọng nhất

9

* Hệ thống tạo từ trường Toroidal: có

kích thước rất lớn gồm nhiều thanh nam

châm siêu dẫn, chức năng chính là giam

giữ các điện tích của plasma

* Hệ thống từ trường Poloidal: bao

gồm 6 cuộn dây độc lập đặt bên ngoài

của cấu trúc Toroidal với chức năng

gom plasma cách xa bức tường và góp

phần làm dòng plasma ổn định Từ

trường Poloidal đựơc cảm ứng bởi nam

châm và dòng điện trong plasma

IV TOKAMAK

Đặc trưng của tokamak là có trục đối

xứng tròn xoay và sử dụng dòng plasma

để tạo ra thành phần xoáy của từ trường

cần thiết nhằm tạo ra sự cân bằng ổn

định

 Đây chính là thiết bị sẽ biến năng lượng được giải phóng trong

phản ứng nhiệt hạch thành điện năng

* Nguyên lý sản xuất điện

Năng lượng thu được từ phản ứng nhiệt hạch ở dạng nhiệt năng và được thu lại bằng chất lỏng làm nguội Phần nhiệt năng thu nhận được sẽ được sử dụng để chạy máy phát điện.

Những lò phản ứng hạt nhân thông dụng là những kiểu lò

chạy bằng nước nhẹ gọi chung là lò phản ứng nước

nhẹ (LWR, Light Water Reactor), những lò này sinh ra hơi

nước trực tiếp ngay trong lò phản ứng, như những kiểu lò phản ứng nước sôi (BWR, Boiled Water Reactor), hoặc ở ngoài lò qua một bộ chuyển nhiệt, như những kiểu lò phản ứng nước nén (PWR, Presurized Water Reactor) Vì vậy,

một lò phản ứng hạt nhân thường được gọi là lò hơi hạt

nhân.

V ỨNG DỤNG

11

V ỨNG DỤNG

1 JT-60 (Japan Torus – 60) là

công trình mũi nhọn của chương

trình nhiệt hạch từ tính

(magnetic fusion program) Nhật

Bản, do Viên Nghiên cứu năng

lượng nguyên tử Nhật Bản

JAERI Japan Atomic Energy

Research Institute) thực hiện

trong khu nghiên cứu nhiệt hạch

Naka tại Ibaraki JT-60 đang giữ

kỷ lục về nhiệt độ của ion lên

tới 520 triệu độ.

V ỨNG DỤNG

2 START (Small Tight

Aspect Ratio Tokamak) là thí

nghiệm nhiệt hạch nguyên tử sử

dụng máy tokamak bắt đầu từ

năm 1991 tại Trung tâm khoa

học Culham (Culham Science

Centre), Anh quốc và kết thúc

năm 1998 trước khi được tháo

gỡ và chuyển tới Phòng thí

nghiệm ENEA tại Frascati,

Italy

START giữ kỷ lục cao nhất về

áp lực plasma, thu được bằng

cách sử dụng súng bắn tia trung

tính (neutral beam injector) làm

nóng plasma

13

V ỨNG DỤNG

3 MAST (Mega Ampere

Spherical Tokamak) là thí

nghiệm nhiệt hạch nguyên tử

thực hiện tại Trung tâm khoa

học Culham, Anh quốc, từ

năm 1999, tiếp theo các thành

công của thí nghiệm START

(1991 – 1998) MAST cũng

sử dụng thiết kế tokamak

hình cầu cải tiến như

START

V ỨNG DỤNG

4 JET (Joint European

Torus) là thí nghiệm vật lý

nhân tạo lớn nhất của châu âu

để giam giữ plasma đang hoạt

động Được đặt tại Anh, mục

đích chính của nó là để mở

đường cho tương lai các lò

phản ứng tổng hợp hạt

nhân thí nghiệm như ITER và

DEMO

15

V ỨNG DỤNG

5 TFTR ( Tokamak Fusion Test Reactor)

tại Phòng thí nghiệmVật lý plasma Princeton

(PPPL) 1982-1997 TFTR thiết lập nhiệt độ

trong plasma đạt tới 510 triệu độ, vượt

quá 100 triệu độ cần thiết cho tổng hợp hạt

nhân thương mại TFTR cũng đạt được tất

cả các mục tiêu thiết kế phần cứng, góp

phần đáng kể trong lĩnh vực phát triển công

nghệ nhiệt hạch.

12/1993, TFTR trở thành thiết bị đầu tiên trên

thế giới phản ứng tổng hợp từ để thực hiện thí

nghiệm với plasma gồm deuterium 50/50 /

triti - nhiên liệu cần thiết cho thực tiễn sản

xuất điện nhiệt hạch Năm 1994, TFTR sản

xuất một lượng kỷ lục 10.700.000 watt

điện nhiệt hạch có kiểm soát, đủ để đáp ứng

nhu cầu của hơn 3.000 ngôi nhà Tuy nhiên

chưa thể duy trì được thời gian.

V ỨNG DỤNG

6 Tokamak ITER (International

Reactor)

là một chương trình thí nghiệm

tokamak quốc tế đặt tại Pháp Lò

phản ứng ITER được thiết kế để

chứng tỏ tính khả thi xét trên phương

diện khoa học cũng như kỹ thuật của

một lò phản ứng năng lượng nhiệt

hạch hoàn chỉnh.

ITER là thí nghiệm lớn cuối cùng

trước khi một nhà máy điện nhiệt

hạch chính thức được xây dựng trên

thế giới Đề án này không có tham

vọng giải quyết tất cả các vấn đề

năng lượng của trái đất, nhưng nó sẽ

chứng minh rằng có thể sản xuất

được lượng năng lượng rất lớn xuất

phát từ phản ứng tổng hợp hạt nhân

“nhiệt hạch”

17

V ỨNG DỤNG

Thành phần cơ bản của lò phản ứng nhiệt hạch.

1 Bộ phận tạo từ trường

2 Buồng phản ứng

3 Divertor

4 Buồng chân không

5 Buồng lạnh

6 Hệ thống điều khiển và đo đạc

VI KẾT LUẬN

- Việc tìm kiếm giải pháp để tạo ra phản ứng nhiệt hạch nhân tạo, có

kiểm soát là khả thi

- Thông qua các thí nghiệm con người đang dần làm chủ được công nghệ

và kỹ thuật sản xuất điện từ phản ứng nhiệt hạch

- Trong tương lai không xa các nhà máy điện nhiệt hạch sẽ được hình

thành và đóng góp đáng kể vào nguồn năng lượng của thế giới

19