Nội dung bài viết
Năm bài báo được bình duyệt cập nhật thiết kế và mô hình hóa kết quả dự kiến. Cộng đồng khoa học có kế hoạch đạt được năng lượng nhiệt hạch.
Nó liên quan đến việc hiểu rõ hơn về cách kiểm soát phản ứng tổng hợp trong lò phản ứng kiểu tokamak bằng cách sử dụng lò phản ứng ITER hiện đang được xây dựng và sau đó sử dụng kiến thức đó để xây dựng các nhà máy kiểu DEMO.
Nhưng ITER thậm chí còn không được mong đợi sẽ nhìn thấy plasma nóng cho đến giữa những năm 2030, khi đó các tấm pin mặt trời sẽ rẻ đến mức tất cả chúng ta có thể sẽ nhận được chúng miễn phí trong các hộp ngũ cốc của mình.
Commonwealth Fusion là một công ty khởi nghiệp về cơ bản đặt câu hỏi “điều gì sẽ xảy ra nếu chúng ta làm điều đó, nhưng bây giờ?” Tương đương ITER của nó, một tokamak có tên SPARC, đã hoàn thành hơn 70% và dự kiến sẽ đi vào hoạt động ngay trong năm tới.
Công ty đã có địa điểm và khách hàng cho dự án sản xuất điện tiếp theo, được gọi là ARC. Cả hai dự án này đều dựa trên việc sử dụng chất siêu dẫn nhiệt độ cao để tạo ra từ trường cực mạnh cho phép công ty xây dựng một lò phản ứng nhỏ hơn và do đó hoàn thành công việc nhanh hơn.
Nhiều năm vận hành plasma thông qua tokamaks đã giúp chúng tôi tin tưởng rằng những điều cơ bản của những kế hoạch này là đúng đắn. Nhưng có rất nhiều tiềm năng chi tiết hơn rất nhiều (nếu không thì sẽ không cần đến lò phản ứng thử nghiệm).
Vì vậy, các nhà khoa học của Commonwealth, phối hợp với cộng đồng học thuật, gần đây đã phát hành năm bài báo được bình duyệt nêu chi tiết về kế hoạch của họ cho ARC: những gì các mô hình tốt nhất của chúng tôi cho chúng tôi biết bây giờ và những gì chúng tôi vẫn cần học hỏi từ SPARC để hoàn thiện thiết kế của một nhà máy nhiệt hạch sản xuất.
Tất cả các bài báo đều được xuất bản trên Tạp chí Vật lý Plasma — chúng là quyền truy cập mở nên bạn có thể tự xem nhưng chúng dài (khoảng 30–40 trang PDF) và mang tính kỹ thuật cao. Phần tiếp theo là tổng quan về một số nội dung ở đó và một số điều nổi bật đối với tôi khi tôi xem qua chúng.
ARC sẽ là một tokamak tổ chức phản ứng tổng hợp giữa hai đồng vị nặng hơn của hydro là deuterium và tritium. Phản ứng này tạo ra hạt nhân helium và giải phóng neutron và bức xạ.
Helium truyền nhiệt cho plasma, duy trì các điều kiện cần thiết cho phản ứng tổng hợp, nhưng mặt khác nó là một sản phẩm thải, được gọi là “tro” trong bối cảnh phản ứng tổng hợp. Tuy nhiên, neutron và bức xạ được đưa vào sử dụng.
Một phần của công dụng đó chỉ đơn giản là truyền năng lượng vào lớp muối nóng chảy bao quanh buồng nhiệt hạch. Năng lượng đó, tôi Ở dạng nhiệt, sẽ được sử dụng để chạy tua-bin tạo ra điện.
Muối nóng chảy bao gồm các ion lithium; khi một đồng vị lithium hấp thụ neutron, nó sẽ phân hủy thành nhiều helium hơn, cộng với tritium có thể được sử dụng làm nhiên liệu cho lò phản ứng. Có những đồng vị hiện diện cũng sẽ giải phóng thêm neutron, cho phép quá trình này tạo ra đủ nhiên liệu.
Nhìn chung, thiết kế hiện tại của ARC dự kiến sẽ sản xuất khoảng 1,13 GW năng lượng nhiệt hạch, trong đó 500 MW được sản xuất thành điện năng. Một phần trong số đó (100 MW) sẽ cần thiết để cung cấp năng lượng cho hoạt động của nhà máy, còn lại 400 MW sẽ được đưa vào lưới điện.
Phần năng lượng còn lại hoặc được giữ trong tokamak để duy trì các phản ứng nhiệt hạch hoặc bị mất đi do quá trình truyền nhiệt và năng lượng của hệ thống kém hiệu quả.
Có rất nhiều điều không chắc chắn về những con số này; 1,13 GW chỉ là trung tâm của một loạt các giá trị tiềm năng từ 900 MW đến 1,3 GW, do đó, công suất 400 MW có thể cần được điều chỉnh tăng hoặc giảm tương ứng. Một phần trong số 400 MW đó xuất hiện trong thời kỳ phản ứng tổng hợp không xảy ra.
Các phản ứng hạt nhân sẽ xảy ra trong khoảng thời gian kéo dài 15 phút, xen kẽ với việc đặt lại một phút. Việc đặt lại có nghĩa là b Nó được giữ đủ ngắn để không có gì có nhiều cơ hội nguội đi trước khi nóng lên trở lại – quán tính nhiệt sẽ cho phép nó tiếp tục tạo ra điện.
Đó sẽ là một trong những điểm khác biệt chính của SPARC, vốn không có khả năng trích nhiệt cần thiết để duy trì phản ứng tổng hợp ổn định trong những khoảng thời gian dài này và do đó không thể duy trì nhiệt độ gần như không đổi cần thiết để phát điện đáng tin cậy.
Không thể tránh khỏi việc các bộ phận của thiết bị sẽ tiếp xúc với bức xạ và có thể là cả plasma nhiệt hạch. Các bức tường bên trong của lò phản ứng sẽ được che chắn bằng vonfram, giúp hạn chế sự xói mòn do các điều kiện thời tiết gây ra.
Trong khi đó, bình chân không được thiết kế để thay thế sau mỗi một đến hai năm. Các bài báo lưu ý rằng tính linh hoạt này sẽ cho phép họ thực hiện một số thay đổi về thiết kế ngay cả sau khi ARC được xây dựng.
Để kích hoạt tính năng này, toàn bộ tokamak phải được chia làm đôi để bảo trì. Hai điểm không chắc chắn lớn trong hoạt động của ARC là những thách thức lâu dài đối với phản ứng tổng hợp: cách xử lý sự mất ổn định từ tính và cách xử lý tro helium và vật liệu thoát ra khỏi ngăn chặn từ tính.
Một số vấn đề sau sẽ được xử lý đơn giản bằng cách đặt lại sau mỗi 15 phút hoạt động. tai buồng phản ứng và thêm nhiên liệu mới.
Nhưng trong quá trình vận hành, điều này sẽ được xử lý bởi cái gọi là bộ chuyển hướng, một khu vực nơi các đường sức từ được định hình để cho phép một số vật liệu thoát khỏi giới hạn.
“Để tối đa hóa công suất nhiệt hạch của ARC đồng thời tránh xói mòn quá mức các thành phần tiếp xúc với plasma, chúng tôi sẽ cần tiêu tán phần lớn năng lượng đi qua bề mặt từ thông đóng cuối cùng, bơm các tạp chất bức xạ như argon hoặc neon để tiếp cận bộ phận tách bộ chuyển hướng,” một trong những bài báo cho biết.
“Việc tách bộ chuyển hướng sẽ cần phải được tích hợp với plasma lõi hiệu suất cao và bơm tạp chất hiệu quả để ngăn chặn sự tích tụ tro helium trong lõi.” Các mô hình mà họ sử dụng dự đoán rằng hệ thống sẽ giữ đủ áp suất tại bộ chuyển hướng để phun ra đủ tro heli nhằm giữ cho nó không cản trở các phản ứng nhiệt hạch.
Nhưng dự đoán đó sẽ cần phải được kiểm tra bằng thực nghiệm. Sự mất ổn định từ tính có thể dẫn đến sự mất kiểm soát plasma nhanh chóng, có khả năng khiến các hạt tích điện, mang năng lượng đập vào thành lò phản ứng.
Vonfram hạn chế thiệt hại và bảo vệ phần cứng nhạy cảm hơn, nhưng sẽ bị ăn mòn, còn vonfram sẽ bị ăn mòn có thể ở lại trong buồng và làm ô nhiễm các hoạt động tiếp theo của hệ thống.
Rất nhiều công việc đã được thực hiện để thiết kế các hệ thống kiểm soát từ trường chứa plasma, cố gắng tìm ra các chỉ số cảm biến báo trước sự bất ổn và lựa chọn các điều chỉnh có thể triệt tiêu chúng.
(Đây là điều mà các hệ thống dựa trên AI có thể hữu ích.) Commonwealth chắc chắn có kế hoạch ngăn chặn càng nhiều sự bất ổn càng tốt. Nhưng nó cũng thực tế và mong đợi rằng một số điều chắc chắn sẽ xảy ra.
Vì vậy, họ dự định chỉ cần dập tắt hệ thống với ít hư hỏng nhất có thể và khởi động lại càng nhanh càng tốt để hệ thống trích nhiệt không nguội đi đáng kể.
Về bản chất, ý tưởng là nhanh chóng đưa hệ thống về trạng thái bình thường trong quá trình đặt lại kéo dài một phút, một phần trong các hoạt động thông thường của hệ thống.
Một trong những rủi ro trong quá trình mất ổn định là các electron chạy trốn, chúng tăng tốc đến mức năng lượng tương đối tính và có thể đập vào thành buồng phản ứng.
Những điều này có thể đủ dễ dàng để xử lý với một dây được đặt cẩn thận bên trong lò phản ứng có thể chuyển đổi các electron thành dòng điện có thể chiết xuất được.
Nhưng Commonwealth không có kế hoạch lắp đặt một cái trong số chúng cho đến khi rõ ràng rằng đây là một vấn đề quan trọng: “SPARC sẽ khám phá hoạt động… điều này sẽ cung cấp dữ liệu về việc liệu các hệ thống giảm thiểu điện tử chạy trốn chuyên dụng có cần thiết trong ARC hay không.”
Gợi ý thực hành:
1. Theo dõi thông báo từ cơ quan địa phương tại California.
2. Kiểm tra nguồn chính thức trước khi chia sẻ lại thông tin.