Một định luật mới tách rời năng lượng nhiệt hạch

Một định luật mới tách rời năng lượng nhiệt hạch

    [Vui lòng đăng ký trang Youtube của Pacific Group tại

    https://www.youtube.com/channel/UCAxje1GxiUpZD6MEcR0f5Jg/videos

    Chúng tôi có các buổi chia sẻ về kinh doanh thực tế hàng tuần]

    Một định luật mới tách rời năng lượng nhiệt hạch
    bởi Ecole Polytechnique Federale de Lausanne

    plasma
    Nguồn: Miền công cộng CC0
    Các nhà vật lý tại EPFL, trong một sự hợp tác lớn của châu Âu, đã sửa đổi một trong những định luật cơ bản đã được xây dựng nền tảng cho nghiên cứu plasma và nhiệt hạch trong hơn ba thập kỷ, thậm chí điều chỉnh việc thiết kế các siêu dự án như ITER. Bản cập nhật cho thấy chúng ta thực sự có thể sử dụng nhiều nhiên liệu hydro hơn trong các lò phản ứng nhiệt hạch một cách an toàn và do đó thu được nhiều năng lượng hơn những gì đã nghĩ trước đây.

    Nhiệt hạch là một trong những nguồn năng lượng hứa hẹn nhất trong tương lai. Nó liên quan đến việc hai hạt nhân nguyên tử kết hợp thành một, do đó giải phóng một lượng năng lượng khổng lồ. Trên thực tế, chúng ta trải nghiệm phản ứng tổng hợp hàng ngày: hơi ấm của mặt trời đến từ các hạt nhân hydro hợp nhất thành các nguyên tử heli nặng hơn.

    Hiện có một siêu dự án nghiên cứu nhiệt hạch quốc tế tên là ITER, nhằm tái tạo các quá trình nhiệt hạch của mặt trời để tạo ra năng lượng trên Trái đất. Mục đích của nó là tạo ra plasma nhiệt độ cao cung cấp môi trường thích hợp để phản ứng tổng hợp xảy ra, tạo ra năng lượng.

    Plasmas - một trạng thái ion hóa của vật chất tương tự như khí - được tạo thành từ các hạt nhân mang điện tích dương và các electron mang điện tích âm, và có mật độ ít hơn gần một triệu lần so với không khí chúng ta hít thở. Plasmas được tạo ra bằng cách đưa "nhiên liệu nhiệt hạch" - nguyên tử hydro - tới nhiệt độ cực cao (gấp 10 lần nhiệt độ của lõi mặt trời), buộc các electron tách khỏi hạt nhân nguyên tử của chúng. Quá trình này diễn ra bên trong một cấu trúc hình bánh rán ("hình xuyến") được gọi là "tokamak."

    Paolo Ricci tại Trung tâm Plasma Thụy Sĩ, một trong những viện nghiên cứu hàng đầu thế giới về phản ứng nhiệt hạch, cho biết: “Để tạo ra plasma cho phản ứng nhiệt hạch, bạn phải cân nhắc ba điều: nhiệt độ cao, mật độ nhiên liệu hydro cao và khả năng giam giữ tốt”. EPFL.


    Dấu vết thời gian của thông lượng khí, mật độ electron từ tán xạ Thomson, cường độ bức xạ và nhiễu từ đối với phóng điện JET số 80823. Sự kiện MARFE được xác định bằng sự gia tăng mạnh mẽ của bức xạ đo được trên điểm X. Khởi đầu MARFE trước khi xuất hiện chế độ bị khóa, điều này cuối cùng dẫn đến sự gián đoạn plasma. Đường thẳng gạch ngang màu đỏ thể hiện thời gian bắt đầu MARFE, tM ≃ 20,9 s. Thời gian bắt đầu chế độ N = 1 bị khóa xảy ra ở 21,95 giây, trong khi thời gian gián đoạn là 21,1 giây. Tín dụng: Thư đánh giá vật lý (2022). DOI: 10.1103 / PhysRevLett.128.185003
    Làm việc trong một sự hợp tác lớn ở châu Âu, nhóm của Ricci hiện đã phát hành một nghiên cứu cập nhật nguyên tắc cơ bản của quá trình tạo plasma — và cho thấy rằng chiếc tokamak ITER sắp tới thực sự có thể hoạt động với lượng hydro gấp đôi và do đó tạo ra nhiều năng lượng nhiệt hạch hơn những gì đã nghĩ trước đây.

    Ricci cho biết: “Một trong những hạn chế trong việc tạo ra plasma bên trong tokamak là lượng nhiên liệu hydro bạn có thể bơm vào nó. "Kể từ những ngày đầu của sự hợp nhất, chúng tôi đã biết rằng nếu bạn cố gắng tăng mật độ nhiên liệu, đến một lúc nào đó sẽ có cái mà chúng tôi gọi là 'sự gián đoạn' - về cơ bản bạn hoàn toàn mất đi sự giới hạn và plasma sẽ đi bất cứ đâu. Vì vậy, trong những năm 80, mọi người đang cố gắng đưa ra một số loại định luật có thể dự đoán mật độ tối đa của hydro mà bạn có thể đặt bên trong một chiếc tokamak. "

    Một câu trả lời đã được đưa ra vào năm 1988, khi nhà khoa học nhiệt hạch Martin Greenwald công bố một định luật nổi tiếng tương quan giữa mật độ nhiên liệu với bán kính nhỏ của tokamak (bán kính của vòng tròn bên trong bánh rán) và dòng điện chạy trong plasma bên trong tokamak. Kể từ đó, "giới hạn Greenwald" đã là một nguyên tắc cơ bản của nghiên cứu nhiệt hạch; trên thực tế, chiến lược xây dựng tokamak của ITER dựa trên nó.

    Ricci giải thích: "Greenwald rút ra định luật theo kinh nghiệm, đó là hoàn toàn từ dữ liệu thực nghiệm - không phải là lý thuyết đã được thử nghiệm, hay cái mà chúng ta gọi là 'các nguyên tắc đầu tiên'". "Tuy nhiên, giới hạn hoạt động khá tốt cho nghiên cứu. Và, trong một số trường hợp, giống như DEMO (người kế nhiệm của ITER), phương trình này tạo thành một giới hạn lớn đối với hoạt động của chúng vì nó nói rằng bạn không thể tăng mật độ nhiên liệu trên một mức nhất định."

    Làm việc với các nhóm tokamak đồng nghiệp, Trung tâm Plasma của Thụy Sĩ, đã thiết kế một thử nghiệm có thể sử dụng công nghệ rất phức tạp để kiểm soát chính xác lượng nhiên liệu được bơm vào một tokamak. Các thí nghiệm lớn được thực hiện tại các tokama lớn nhất thế giới, Joint European Torus (JET) ở Anh, cũng như ASDEX Upgrade ở Đức (Max Plank Institute) và TCV tokamak của EPFL. Nỗ lực thử nghiệm lớn này đã được thực hiện bởi EUROfusion Consortium, tổ chức châu Âu điều phối nghiên cứu nhiệt hạch ở châu Âu và EPFL hiện tham gia thông qua Viện Max Planck về Vật lý Plasma ở Đức.

    Đồng thời, Maurizio Giacomin, một Tiến sĩ. sinh viên trong nhóm của Ricci, đã bắt đầu phân tích các quá trình vật lý giới hạn mật độ trong tokamaks, để tìm ra một định luật nguyên tắc thứ nhất có thể tương quan giữa mật độ nhiên liệu và kích thước tokamak. Tuy nhiên, một phần của điều đó, liên quan đến việc sử dụng mô phỏng tiên tiến của plasma được thực hiện với 

    mô hình máy tính.

    Ricci cho biết: “Các mô phỏng khai thác một số máy tính lớn nhất trên thế giới, chẳng hạn như máy tính do CSCS, Trung tâm Siêu máy tính Quốc gia Thụy Sĩ và EUROfusion cung cấp. "Và những gì chúng tôi tìm thấy, thông qua mô phỏng của chúng tôi, là khi bạn đổ thêm nhiên liệu vào plasma, các phần của nó sẽ di chuyển từ lớp lạnh bên ngoài của tokamak, ranh giới, trở lại lõi của nó, bởi vì plasma trở nên hỗn loạn hơn. Sau đó , không giống như dây đồng điện, trở nên bền hơn khi bị đốt nóng, plasmas trở nên bền hơn khi chúng nguội đi. Vì vậy, bạn càng đổ nhiều nhiên liệu vào nó ở cùng nhiệt độ, thì càng nhiều phần của nó nguội đi — và càng khó hơn. cho dòng điện chạy trong plasma, có thể dẫn đến gián đoạn. "

    Điều này là một thách thức để mô phỏng. Ricci nói: “Sự hỗn loạn trong chất lỏng thực sự là vấn đề mở quan trọng nhất trong vật lý cổ điển. "Nhưng sự nhiễu loạn trong plasma thậm chí còn phức tạp hơn vì bạn cũng có các trường điện từ."

    Cuối cùng, Ricci và các đồng nghiệp của ông đã có thể bẻ khóa mã, và đặt "bút vẽ vào giấy" để tìm ra một phương trình mới cho giới hạn nhiên liệu trong một chiếc xe tokamak, phù hợp rất tốt với các thí nghiệm. Được xuất bản trên tạp chí Physical Review Letters, nó phù hợp với giới hạn của Greenwald, bằng cách gần với nó, nhưng cập nhật nó theo những cách quan trọng.

    Phương trình mới cho thấy giới hạn Greenwald có thể được nâng lên gần như gấp hai lần về nhiên liệu trong ITER; điều đó có nghĩa là các tokama như ITER thực sự có thể sử dụng gần gấp đôi lượng nhiên liệu để tạo ra plasmas mà không lo bị gián đoạn. Ricci nói: “Điều này rất quan trọng vì nó cho thấy rằng mật độ bạn có thể đạt được trong một chiếc xe tokamak sẽ tăng lên cùng với sức mạnh bạn cần để chạy nó. "Trên thực tế, DEMO sẽ hoạt động với công suất cao hơn nhiều so với các loại tokama và ITER hiện tại, có nghĩa là bạn có thể thêm mật độ nhiên liệu nhiều hơn mà không giới hạn sản lượng, trái ngược với luật Greenwald. Và đó là một tin rất tốt."

    Zalo
    Hotline