Việc căn chỉnh tính chất lượng tử được gọi là spin cho nhiên liệu nhiệt hạch có thể giúp tạo ra điện dễ dàng hơn về mặt kinh tế
Rachel Kremen, Phòng thí nghiệm Vật lý Plasma Princeton
Diễn giải của một nghệ sĩ về các nguyên tử được căn chỉnh theo spin trong quá trình nhiệt hạch. Nguồn: Kyle Palmer / Phòng Truyền thông PPPL
Theo một nghiên cứu mới, một hỗn hợp nhiên liệu khác nhau với các tính chất được cải thiện có thể vượt qua một số rào cản chính để biến nhiệt hạch thành nguồn năng lượng thiết thực hơn.
Phương pháp được đề xuất vẫn sẽ sử dụng deuterium và tritium, vốn được chấp nhận rộng rãi là cặp nhiên liệu triển vọng nhất để sản xuất năng lượng nhiệt hạch. Tuy nhiên, các tính chất lượng tử của nhiên liệu sẽ được điều chỉnh để đạt hiệu suất cao nhất bằng cách sử dụng một quy trình hiện có được gọi là phân cực spin. Ngoài việc phân cực spin một nửa nhiên liệu, tỷ lệ deuterium sẽ được tăng lên từ mức thông thường là khoảng 60% trở lên.
Các mô hình do các nhà khoa học tại Phòng thí nghiệm Vật lý Plasma Princeton (PPPL) thuộc Bộ Năng lượng Hoa Kỳ tạo ra cho thấy phương pháp này cho phép tritium đốt cháy hiệu quả hơn mà không làm giảm năng lượng nhiệt hạch. Điều này có thể làm giảm đáng kể lượng tritium cần thiết để khởi động và duy trì phản ứng nhiệt hạch, dẫn đến các hệ thống nhiệt hạch nhỏ gọn và giá cả phải chăng hơn.
"Phản ứng nhiệt hạch thực sự, thực sự khó khăn và thiên nhiên không ưu ái bạn nhiều", Jason Parisi, một nhà vật lý nghiên cứu tại Phòng thí nghiệm và là tác giả đầu tiên của bài báo nghiên cứu cho biết. "Vì vậy, thật đáng ngạc nhiên khi thấy sự cải thiện lớn đến vậy".
Bài báo được công bố trên tạp chí Nuclear Fusion, cho rằng phương pháp này có thể đốt cháy tritium hiệu quả hơn tới 10 lần. Nghiên cứu cũng nhấn mạnh vai trò tiên phong của PPPL trong đổi mới phản ứng nhiệt hạch, đặc biệt là khi liên quan đến một hệ thống như hệ thống được nghiên cứu trong nghiên cứu của Parisi, trong đó các khí được siêu nóng để tạo ra plasma bị giới hạn bởi từ trường thành hình dạng tương tự như một quả táo có lõi.
Thiết bị nhiệt hạch chính của Phòng thí nghiệm, National Spherical Torus Experiment—Upgrade (NSTX-U), có hình dạng tương tự như hình dạng mà các nhà nghiên cứu đã cân nhắc khi họ thử nghiệm phương pháp của mình.
"Đây là lần đầu tiên các nhà nghiên cứu xem xét cách nhiên liệu phân cực spin có thể cải thiện hiệu suất đốt tritium", nhà vật lý nghiên cứu của nhân viên và đồng tác giả Jacob Schwartz cho biết.
Giảm thiểu nhu cầu về tritium bằng cách tối đa hóa hiệu suất đốt
Nhà vật lý nghiên cứu chính của PPPL và đồng tác giả của bài báo Ahmed Diallo ví hiệu suất đốt tritium với hiệu suất của bếp gas. "Khi khí thoát ra khỏi bếp, bạn muốn đốt hết khí", Diallo cho biết. "Thông thường, trong một thiết bị nhiệt hạch, tritium không được đốt cháy hoàn toàn và rất khó để có được. Vì vậy, chúng tôi muốn cải thiện hiệu suất đốt tritium".
Nhóm PPPL đã tham khảo ý kiến của cộng đồng nhiệt hạch và cộng đồng rộng lớn hơn tham gia vào quá trình phân cực spin như một phần trong công việc của họ để tìm ra cách nâng cao hiệu suất đốt tritium. "Nhiệt hạch là một trong những lĩnh vực khoa học và kỹ thuật đa ngành nhất. Nó đòi hỏi sự tiến bộ trên rất nhiều mặt trận, nhưng đôi khi có những kết quả đáng ngạc nhiên khi bạn kết hợp nghiên cứu từ các ngành khác nhau và tổng hợp lại", Parisi cho biết.
Một loại spin khác
Spin lượng tử rất khác so với spin vật lý trên một quả bóng chày. Ví dụ, một cầu thủ ném bóng giỏi có thể ném bóng với một trong nhiều spin khác nhau. Có một chuỗi các khả năng. Tuy nhiên, chỉ có một vài lựa chọn riêng biệt cho spin lượng tử trên một hạt—ví dụ, lên và xuống.
Khi hai nguyên tử nhiên liệu nhiệt hạch có cùng spin lượng tử, chúng có nhiều khả năng hợp nhất hơn. "Bằng cách khuếch đại mặt cắt ngang nhiệt hạch, có thể tạo ra nhiều năng lượng hơn từ cùng một lượng nhiên liệu", Parisi cho biết.
Mặc dù các phương pháp phân cực spin hiện có không căn chỉnh mọi nguyên tử, nhưng mức tăng được thể hiện trong mô hình PPPL không yêu cầu căn chỉnh spin 100%. Trên thực tế, nghiên cứu chứng minh rằng mức độ phân cực spin khiêm tốn có thể cải thiện đáng kể hiệu quả đốt tritium, cải thiện hiệu quả tổng thể và giảm mức tiêu thụ tritium.
Khám phá những thông tin mới nhất về khoa học, công nghệ và không gian với hơn 100.000 người đăng ký dựa vào Phys.org để có thông tin chi tiết hàng ngày. Đăng ký nhận bản tin miễn phí của chúng tôi và nhận thông tin cập nhật về những đột phá, sáng kiến và nghiên cứu quan trọng—hàng ngày hoặc hàng tuần.
Cải thiện hiệu quả để giảm nhu cầu về tritium
Với nhu cầu ít tritium hơn, quy mô tổng thể của nhà máy điện nhiệt hạch có thể được giảm bớt, giúp cấp phép, định vị và xây dựng dễ dàng hơn. Nhìn chung, điều này sẽ giúp giảm chi phí vận hành của hệ thống nhiệt hạch.
Tritium cũng có tính phóng xạ và mặc dù bức xạ đó tồn tại tương đối ngắn so với nhiên liệu đã qua sử dụng từ lò phản ứng phân hạch hạt nhân, nhưng việc giảm lượng cần thiết có lợi ích về an toàn vì nó làm giảm nguy cơ rò rỉ hoặc nhiễm tritium.
"Càng ít tritium chảy qua hệ thống của bạn, thì lượng tritium đó càng ít đi vào các thành phần", Parisi cho biết. Các cơ sở lưu trữ và xử lý cần thiết cho tritium cũng có thể được làm nhỏ hơn nhiều và hiệu quả hơn. Điều này làm cho những thứ như hạt nhân đóng băng dễ dàng hơn.
"Mọi người nghĩ rằng kích thước ranh giới của địa điểm có phần tỷ lệ thuận với lượng tritium bạn có. Vì vậy, nếu bạn có thể có ít tritium hơn, nhà máy của bạn có thể nhỏ hơn, nhanh hơn để được các cơ quan quản lý chấp thuận và rẻ hơn."
Những hướng đi mới để khám phá
Cần phải làm thêm nhiều việc để điều tra những điều cần thiết để triển khai hệ thống được đề xuất nhưng vẫn chưa được khám phá đầy đủ. Schwartz cho biết "Liệu có thể có các kịch bản tích hợp duy trì plasma tổng hợp cấp cao với các luồng nhiên liệu dư thừa và tro cụ thể này từ plasma hay không cần phải được xác định".
Diallo cho biết cũng có những vấn đề tiềm ẩn liên quan đến các phương pháp phân cực, nhưng chúng tạo ra các cơ hội. "Một thách thức sẽ là chứng minh các kỹ thuật để sản xuất nhiên liệu phân cực spin với số lượng lớn và sau đó lưu trữ chúng. Có một lĩnh vực công nghệ hoàn toàn mới sẽ mở ra."
Mời các đối tác xem hoạt động của Công ty TNHH Pacific Group.
FanPage: https://www.facebook.com/Pacific-Group
YouTube: https://www.youtube.com/@PacificGroupCoLt
