Bài tiểu luận:

Tìm hiểu phản ứng nhiệt hạch và điều
khiển phản ứng nhiệt hạch trong
tương lai. Sinh viên: Cao Đình Hưng
Lớp: B1K54-CNHN

I. Phản ứng nhiệt hạch
1. Khả năng tổng hợp các hạt nhân nhẹ
Ngoài hiện tượng giải phóng năng lượng khi phân hạch các hạt nhân nặng còn có hiện tượng
giải phóng năng lượng khi kết hợp các hạt nhân nhẹ. Phản ứng tổng hợp 2 hạt nhân nhẹ tạo thành
hạt nhân nặng hơn và giải phóng năng lượng còn được gọi là phản ứng nhiệt hạch.Năng lượng
giải phóng trong phản ứng nhiệt hạch lớn hơn nhiều so với phản ứng phân hạch. VD: 1kg hỗn
hợp các hạt deutron giải phóng năng lượng cỡ 9,2.10
7
kWh gấp 4 lần năng lượng do 1 kg U
235

giải phóng (2,3.10
7
kWh).
+ n (50%)
1
H
2
+
1
H
2
->
1
He
3
+ p (50%)
1
H
2
+
1
H
3
->
2
He
4
+ n
p +
3
Li
7
->

nhau nên phải mất năng lượng cỡ 0.5 MeV để thắng bờ thế Coulomb; loại thứ hai là neutron
tương tác với hạt nhân, có thể là neutron nhiệt. Như vậy có thể tạo ra điều kiện cho các phản ứng
tổng hợp hạt nhân xảy ra nhưng vấn đề khó khăn là làm thế nào để cho các phản ứng đó tự duy
trì.
Phản ứng nhiệt hạch hạt nhân không có tính chất dây chuyền giống như phản ứng phân hạch
hạt nhân. Phản ứng này được thực hiện do sự tham ra đồng thời của một lượng lớn các hạt nhân
nhẹ. Điều kiện để phản ứng xảy ra là các hạt nhân phải có động năng đủ lớn để vượt qua hàng
rào thế Coulomb và tiến lại gần nhau với khoảng cách nhỏ hơn 3.10
-15
m. Khi đó lực hạt nhân sẽ
có tác dụng và phản ứng nhiệt hạch xảy ra.
Để truyền năng lượng cần thiết cho một số lớn hạt nhân deutron thì chỉ cần tạo nên nhiệt độ
cao. Theo công thức W=kV thì 1eV tương đương với năng lượng của chuyển động nhiệt ở gần
11400K. Do đó muốn cung cấp cho các deutron năng lượng cỡ 0,5MeV thì cần phải có nhiệt độ
cỡ 10
10
K. Thực ra thì chỉ cần nhiệt độ cỡ 10
8
K là phản ứng nhiệt hạch có thể xảy ra rồi. Nguyên
nhân là theo phân bố vận tốc Maxwell thì ở nhiệt độ không cao vẫn có một số hạt có vận tốc
trung bình khá lớn để đảm bảo số phản ứng cần thiết xảy ra.
Như vậy muốn thực hiện phản ứng nhiệt hạch cần phải tạo ra môi trường deutron có nhiệt độ
cỡ hàng trăm triệu độ.

2. Phản ứng nhiệt hạch trong vũ trụ
Phản ứng nhiệt hạch nguồn năng lượng chính của các vì sao và Mặt Trời. Năm 1938 Bethe
đã đưa ra giả thuyết về hai chu trình phản ứng proton-proton và carbon-nitrogen. Chu trình
proton-proton xảy ra như sau:
2(p + p -> d + e
+

một phản ứng là 26MeV nhưng năng lượng giải phóng trung bình trên một đơn vị khối lượng là
rất thấp, còn thấp hơn cả năng lượng giải phóng của cơ thể người. Nhưng do khối lượng Mặt
Trời rất lớn cỡ 2.10
30
kg nên tổng năng lượng phát ra theo chu trình proton-proton là rất lớn,
tương đương với khối lượng Mặt Trời mất đi là 4,3.10
6
tấn/s.
Chu trình carbon-nitrogen gồm 6 phản ứng trong đó carbon đóng vai trò là chất xúc tác:
6
C
12
+ p ->
7
N
12

+ γ
7
N
12
+ p ->
6
C
13
+ e
+
+ ν
6
C

13
+
2
He
4

------------------------------------
4p ->
2
He
4
+ 2e
+
+ 2ν + 2γ Q = 26MeV
Kết quả là bốn hạt nhân hydrogen tạo thành một hạt nhân helium còn lượng carbon
không đổi. Phản ứng giải phóng năng lượng Q = 26MeV, thời gian bán rã T
1/2
=3.10
8
năm.

II. Điều khiển phản ứng nhiệt hạch
1. Nguyên tắc điều khiển phản ứng nhiệt hạch.
Vấn đề cơ bản của việc điều khiển phản ứng nhiệt hạch hạt nhân là thực hiện được nhiệt độ
cao hàng trăm triệu độ trong cùng một thể tích giới hạn chứ đầy deuterium hay hỗn hợp
deuterium và tritium. Môi trường như vậy gọi là plasma dạng thứ tư của vật chất. Để tạo và duy
trì được trạng thái plasma phải giải quyết ba vấn đề chính là : tạo nên môi trường plasma ở nhiệt
độ hàng trăm triệu độ, nhốt plasma trong một thể tích hữu hạn, duy trì trạng thái plasma trong
thời gian đủ dài.


1.2. Tạo môi trường plasma với nhiệt độ hàng trăm triệu độ
Đưa một lượng kí deuterium với nồng độ không lớn vòa trong máy Tokamark. Do sự tương
tác của các tia vũ trụ một số nguyên tử deuterium bị ion hóa. Dòng cảm ứng của nam châm hình
xuyến tác dụng lên các ion này làm nó chuyển động va chạm và ion hóa các nguyên tử khác. Quá
trình ion hóa này tạo nên plasma. Plasma được giữ trong chân không nhờ bản thân từ trường của
dòng plasma.
Việc đốt nóng plasma được thực hiện theo phương pháp cơ bản là hiệu ứng tỏa nhiệt Joule-
Lenz của bản thân dòng plasma. Tuy nhiên nhiệt độ cực đại của dòng plasma chỉ cỡ 10 triệu độ.
Để nâng nhiệt độ plasma lên hàng trăm triệu độ người ta sử dụng tiếp phương pháp bắn chùm hạt
trung hòa có năng lượng lớn vào plasma, gọi là phương pháp NBI ( Neutral Beam Ịnjection). Khi
vào trong từ trường chùm hạt này bị ion hó, chuyển động trong từ trường và va chạm với các hạt
plasma, truyền năng lượng cho các hạt plasma. Phương pháp thứ hai để nâng cao nhiệt độ là bắn
sóng điện từ vào plasma. Các sóng này được hấp thụ cộng hưởng và được gia tốc lên, hay nóng
lên. Kĩ thuật này gọi là ECRH/ICRH ( Electron/ ion cyclotron resonance heating). Máy
Tokamark sử dụng phương pháp đốt nóng theo hiệu ứng Joule-Lenz và một trong hai phương
pháp bổ xung trên.
1.3. Duy trì môi trường plasma trong một thời gian dài
Để thiết bị Tokamark hoạt động như một lò phản ứng tổng hợp nhiệt hạch cần phải thực hiện
hai điều kiện sau:
- Tiêu chuẩn Lawson: Năm 1957 J.D.Lawson chứng minh được rằng để đốt cháy và duy trì
môi trường plasma ổn định thì nồng độ plasma n (hạt/m
3
), thời gian nhốt plasma τ (S) và
nhiệt độ plasma T (K) phải thỏa mãn bất đẳng thức:
nτT ≥ 5.10
21
keV.s/m
3
Điều kiện trên gọi là tiêu chuẩn Lawson.
- Điều kiện vè công suất nhiệt hạch: Để đốt nóng plasma cần một nguồn năng lượng cung