CÁC PHẢN ỨNG NHIỆT HẠCH CÓ ĐIỀU KHIỂN
Người ta cho rằng các dự trữ nhiên liệu hóa học chỉ đủ cho loài người dùng trong vài thập kỷ nữa. Các dự trữ nhiên liệu hạt nhân đã được thăm dò cũng rất có hạn. Các phản ứng nhiệt hạch điều khiển được có thể cứu loài người thoát khỏi cơn đói năng lượng và trở thành nguồn cung cấp thực tế là vô hạn.
Trong một lít nước thông thường có chứa 0,l5 mililit nước nặng (D2O). Khi tổng hợp các hạt nhân đoteri lấy từ 0,l5 mililit D2O sẽ được một năng lượng bằng năng lượng tỏa ra khi đốt 300 lít xăng. Triti trong thiên nhiên thực tế là không tồn tại nhưng có thể có được bằng cách dùng các nơtron n bắn phá đồng vị liti.
Hạt nhân nguyên tử hyđro không phải cái gì khác mà là proton p. Trong hạt nhân đơteri ngoài một photon còn có thêm một notron, còn trong hạt nhân triti thì có hai notron. Đoteri và triti có thể phản ứng với nhau bằng mười cách khác nhau. Nhưng xác suất xảy ra các phản ứng như thế chênh nhau đôi khi tới hàng trăm ngàn tỉ lần còn số năng lượng tỏa ra khác nhau 10 - 15 lần.
Đáng quan tâm nhất chỉ là ba phản ứng dưới đây:
Nếu tất cả các hạt nhân trong một thể tích nào đó cùng thực hiện phản ứng thì năng lượng sẽ được giải phóng tức thời. Lúc đó diễn ra vụ nổ nhiệt hạch. Trong lò phản ứng, phản ứng tổng hợp phải được diễn ra chậm chạp.
Tới nay vẫn chưa thực hiện được sự tổng hợp nhiệt hạch điều khiển được song nó hứa hẹn nhiều ưu thế lớn lao. Năng lượng lấy được trong các phản ứng nhiệt hạch tính trên đơn vị khối lượng nhiên liệu lớn hơn hàng triệu lần năng lượng của nhiên liệu hóa học, có nghĩa là rẻ hơn hàng trăm lần. Trong ngành năng lượng nhiệt hạch không có hiện
tượng thải các sản phẩm cháy vào bầu khí quyển và không có các chất thải phóng xạ. Cuối cùng ở các nhà máy điện nhiệt hạch loại trừ được các vụ nổ.
Trong thời gian diễn ra sự tổng hợp nhiệt hạch, phần năng lượng chính (trên 75%) được tỏa ra dưới dạng động năng của notron và proton. Còn khi làm chậm notron trong một chất thích hợp, nó sẽ nóng lên; lượng nhiệt thu được dễ dàng cho biến thành điện năng. Động năng của các hạt tích điện - các proton được biến thành điện một cách gián tiếp.
Trong phản ứng tổng hợp, các hạt nhân phải liên kết với nhau nhưng chúng lại tích điện dương và do đó theo định luật Coulomb, phải đẩy nhau. Để thắng được các lực đẩy, ngay cả với các hạt nhân đoteri và triti có điện tích nhỏ nhất (Z = 1), cũng cần phải có một năng lượng cỡ 10 hay 100 keV. Năng lượng này ứng với nhiệt độ cỡ 108-l09K. Ở các nhiệt độ như thế, mọi loại vật chất đều nằm ở trạng thái plasma nhiệt độ cao.
Theo quan điểm của vật lý cổ điển, phản ứng tổng hợp không thể xảy ra, nhưng ở đây vẫn xảy ra nhờ có hiệu ứng đường hầm lượng tử thuần túy hỗ trợ. Tính toán cho thấy nhiệt độ mồi lửa để từ đó năng lượng tỏa ra sẽ lớn hơn năng lượng cung cấp cho phản ứng đơteri - triti (DT) bằng cỡ 4,5.107K, còn đối với phản ứng đoteri - đoteri (DD) bằng khoảng 4.108K. Rất tự nhiên ta thấy phản ứng DT là có lợi hơn. Người ta đốt nóng plasma bằng dòng điện, trong bức xạ laze, bằng sóng điện từ và bằng các phương pháp khác. Nhưng quan trọng không chỉ là nhiệt độ cao.
Mật độ càng cao, các hạt càng hay va chạm với nhau, bởi vậy có thể chứng minh rằng, để thực hiện các phản ứng nhiệt hạch tốt hơn, ta nên dùng plasma mật độ cao.
Tuy nhiên, nếu trong 1cm3 plasma có chứa 1019 hạt (mật độ phân tử trong chất khí ở các điều kiện thông thường), áp suất của nó ở các nhiệt độ diễn ra phản ứng nhiệt hạch tăng lên tới 106atm. Không một kết cấu nào chịu nổi áp suất như thế và bởi vậy plasma phải được làm loãng đi (với mật độ gần 1015hạt trong 1cm3). Va chạm của các hạt trong trường hợp này diễn ra thưa hơn, và để duy trì phản ứng, ta cần tăng thời gian cư trú của chúng trong lò phản ứng, hay thời gian duy trì. Có nghĩa là để thực hiện phản ứng nhiệt hạch, ta phải xét tích số của mật độ hạt của plasma với thời gian duy trì chúng. Đối với phản ứng DD tích này (được gọi là tiêu chuẩn Lawson) bằng l016 giây/cm3, còn đối với phản ứng DT bằng 1014 giây/cm3. Rõ ràng rằng phản ứng DT thực hiện dễ hơn phản ứng DD.
Khi các nghiên cứu plasma bắt đầu được tiến hành người ta tưởng rằng sẽ nhanh chóng thực hiện được sự tổng hợp điều khiền được. Nhưng về sau, người ta mới hiểu ra rằng, trong plasma nhiệt độ cao diễn ra các quá trình phức tạp và nhiều tính chất không ổn định có vai trò quyết định. Hiện nay đã đưa ra được một vài loại thiết bị dùng để thực hiện sự tổng hợp nhiệt hạch.
Thiết bị thông dụng nhất là tokamak (ghép chữ của cụm từ tiếng Nga Toroidalnaya KAmera s MAgnitnymi Katushkami có nghĩa là Buồng hình xuyến với các cuộn dây có từ tính). Tokamak là một máy biến thế khổng lồ cuộn sơ cấp của nó được quấn quanh lõi, còn cuộn thứ cấp có một vòng duy nhất - đó là buồng chân không có dạng chiếc bánh mì vòng (hình xuyến), có dây plasma bên trong. Hệ thống nam châm giữ cho dây plasma ở tâm của buồng, còn dòng điện với cường độ hàng ngàn ampe sẽ đốt nóng nó tới nhiệt độ đòi hỏi. Các notron được tạo thành trong quá trình phản ứng nhiệt hạch bị hấp thu ở lớp chất bọc chung quanh buồng chân không. Nhiệt năng tỏa ra khi đó có thể được dùng để phát điện.
Mặc dầu tokamak trông có vẻ đơn giản là thế, song chưa có một thiết bị nào loại này cho ta cách lấy năng lượng dương tỏa ra cả. Người ta hy vọng nhiều vào một tokamak khổng lồ có tên ITER đang được thiết kế hiện nay. Thiết bị này, nếu nó được xây dụng xong vào năm 2005, sẽ cho một công suất lối ra 1,5.109W. Trong số các đề án khác, có hai đề án đáng quan tâm: stelarato và thiết bị giữ khối plasma theo nguyên tắc quán tính.
Từ trường có hình dáng phúc tạp giữ plasma trong buồng vành tròn của tokamak, chống lại từ trường riêng của dây plasma. Từ trường riêng này có xu hướng uốn cong quỹ đạo của các hạt tích điện của plasma.
Trong máy stelarato (stellarator từ chữ Latinh stella = ''sao''), plasma được phép có hình dáng ''tùy ý'' và chỉ cần tạo ra một trường để nén dây plasma. Buồng chân không có dạng rất kỳ quặc, còn lô các cuộn dây từ tính có hình dạng khá phức tạp. Các thí nghiệm trên stelarato được tiến hành ở các nước khác nhau, nhưng vẫn chưa đạt được nhiệt độ và thời gian duy trì khối plasma cần thiết.
Phương pháp duy trì plasma bằng quán tính là một phương pháp khác về nguyên lý. Nó dựa trên quán tính của hỗn hợp phản ứng. Khi được đốt nóng rất nhanh (bằng xung laze chẳng hạn, hỗn hợp không vỡ tung ra ngay lập tức. Ống đựng hỗn hợp đoteri với trái được các xung laze rọi từ phía trong thời gian tới 10-10giây và với công suất cỡ 1020 W/cm2. Lớp vỏ ống bị bốc hơi, các khí giãn ra và áp suất ánh sáng nén hàm lượng của nó tới gần 50 ngàn lần, áp suất trong hỗn hợp tăng lên đến 1 triệu atmotphe, còn mật độ của nó tới 50 - 100 g/cm3. Trong các điều kiện như thế, phản ứng nhiệt hạch bắt đầu diễn ra.
Song trên con đường này vẫn còn hàng loạt khó khăn kỹ thuật, tạm thời chưa cho phép biến các thiết bị laze thực nghiệm thành các lò phản ứng công nghiệp.
CÁC ĐỘNG CƠ PLASMA
Phần lớn các động cơ phản lực hiện đại đều dùng năng lượng được giải phóng trong phản ứng hóa học cháy của nhiên liệu. Chúng làm tăng rất nhiều sức kéo, nhưng lại phải đốt một lượng lớn nhiên liệu. Vận tốc khí thoát ra từ ống phun cỡ 1 km/giây. Nếu làm cho vận tốc của luồng plasma đạt trên 1000 km/giây thì lượng chất tiêu hao sẽ thấp hơn hàng trăm lần so với động cơ hóa học sản ra cùng một sức kéo như nhau. Để phát tán plasma người ta dùng các sơ đồ khác nhau, nhất là sơ đồ áp dụng các điện trường và từ trường giao nhau.
Trong các động cơ plasma hiện đại, sức kéo cho tới nay vẫn chưa lớn, song chúng đang được sử dụng trong hệ định hướng các con tàu vũ trụ. Các máy bơm từ thủy động lực học cũng hoạt động theo nguyên lý này để bơm các chất lỏng dẫn điện (chẳng hạn, kim loại nóng chảy).
