Trong vũ trụ, phản ứng tổng hợp nhiệt hạch là một trong những phản ứng phổ biến nhất. Phản ứng này mang tới nguồn năng lượng cho các ngôi sao. Trên Trái Đất, việc sản xuất năng lượng bằng quá trình này hiện vẫn rất khó khăn do vấn đề kiểm soát plasma phát ra lượng năng lượng lớn. Điều quan trọng nằm ở thông tin về trạng thái plasma và năng lượng được giải phóng trong các phản ứng hạt nhân. Trong lò phản ứng ITER, thông tin này sẽ được thu thập bởi một hệ thống chẩn đoán tinh vi về thông lượng neutron.
Lò phản ứng thử nghiệm ITER, được xây dựng trong hơn một thập kỷ, là cột mốc trong quá trình phát triển năng lượng nhiệt hạch. Đây là thiết bị đầu tiên sử dụng phản ứng nhiệt hạch, có khả năng tạo ra năng lượng lớn gấp nhiều lần so với điều kiện vận hành. Yếu tố cực kỳ quan trọng của hệ thống chẩn đoán plasma trong lò phản ứng này là máy quang phổ neutron độ phân giải cao (HRNS), vừa được công bố trên Tạp chí Fusion Engineering and Design. Thiết kế máy quang phổ này là của các nhà vật lý và kỹ sư từ Viện Vật lý Hạt nhân thuộc Viện Hàn lâm Khoa học Ba Lan (IFJ PAN) tại Cracow, Đại học Uppsala và Viện Khoa học và Công nghệ Plasmi tại Milan và được phát triển với sự hợp tác chặt chẽ Tổ chức ITER. Máy quang phổ này cho phép đo cả số lượng và năng lượng của neutron phát ra từ plasma trên toàn bộ dải công suất nhiệt hạch của lò phản ứng ITER, cung cấp thông tin về tỷ lệ deuterium và tritium, các đồng vị hydro kết hợp với nhau bên trong buồng phản ứng. Việc đo mật độ neutron nhanh từ hai phản ứng chủ yếu trong plasma là một chỉ báo trực tiếp về thành phần nhiên liệu, nhiệt độ ion và chất lượng cháy. Trong ITER và các lò phản ứng trong tương lai, đây sẽ là một công cụ quan trọng để kiểm soát và tối ưu hóa hoạt động của lò phản ứng. Việc thiếu thông tin này thực chất đồng nghĩa với việc mất đi một trong những công cụ chẩn đoán plasma quan trọng nhất, gây cản trở đáng kể cho cả nghiên cứu khoa học tại ITER lẫn hoạt động an toàn của các lò phản ứng điện trong tương lai.
Hệ thống HRNS với bốn máy quang phổ neutron (TPR, NDD, FToF và BToF) đặt trên Cấu trúc hỗ trợ ô cổng (PCSS).
Năng lượng nhiệt hạch có thể được coi là “nguồn năng lượng xanh”. Năng lượng được tạo ra ở đây tương tự như cách được tạo ra bên trong các ngôi sao, tức là thông qua các phản ứng tổng hợp hạt nhân, trong đó phản ứng hứa hẹn nhất là tổng hợp các đồng vị hydro (deuterium và tritium) thành heli. Trong khi đó, deuterium tồn tại với số lượng lớn trong các đại dương trên Trái Đất và tritium trong tương lai có thể được sản xuất ngay trong lò phản ứng (bằng cách bắn phá lithium bằng neutron). Hơn nữa, phản ứng tổng hợp hạt nhân không phải là chuỗi, vì vậy nó không thể dẫn đến nổ và phát tán lượng lớn vật liệu phóng xạ có hại. Do đó, nguy cơ ô nhiễm môi trường vẫn ở mức tối thiểu và chủ yếu giới hạn ở chính các thành phần cấu trúc của lò phản ứng.
Tuy nhiên, mặc dù có tiềm năng lớn, năng lượng nhiệt hạch vẫn đang trong giai đoạn nghiên cứu và phát triển. Việc triển khai thực tế có thể mất vài năm để hoàn thành – với việc xây dựng lò phản ứng nhiệt hạch DEMO cầu nối giữa các lò phản ứng thử nghiệm và nhà máy điện nhiệt hạch. Hạt nhân của các đồng vị hydro tạo thành plasma, mang điện tích, có thể được giữ tách biệt khỏi thành lò bằng từ trường bên trong buồng chân không hình xuyến của lò phản ứng (loại lò phản ứng này được gọi là tokamak). Hiện tại, plasma này phải được làm nóng thêm để đạt đến nhiệt độ 150 triệu Kelvin, đảm bảo diễn biến chính xác của phản ứng. Các neutron năng lượng cao được tạo ra trong quá trình nhiệt hạch, trung hòa về điện, thoát ra phía thành lò, cho phép thu hồi phần lớn năng lượng được tạo ra (và cuối cùng tạo ra tritium trong các va chạm với lithium).
Sự hình thành hạt nhân heli sẽ có tầm quan trọng cơ bản đối với hiệu suất của các lò phản ứng nhiệt hạch trong tương lai. Được trang bị năng lượng cao và tích điện, chúng sẽ nằm bên trong plasma trong từ trường của lò tokamak, và trong các va chạm tiếp theo với deuterium và tritium, năng lượng riêng của chúng sẽ giảm, cuối cùng làm tăng năng lượng của nhiên liệu nhiệt hạch. Quá trình này sẽ giảm chi phí năng lượng liên quan đến quá trình gia nhiệt bên ngoài.
Lò phản ứng ITER đang được xây dựng tại Cadarache, Pháp, từ năm 2007, với ngân sách hiện tại vượt quá 20 tỷ đô la và dự kiến bắt đầu hoạt động vào giữa thập kỷ tới, sẽ chưa sử dụng hạt nhân heli để làm nóng plasma. Bất chấp hạn chế này, lò phản ứng dự kiến sẽ tạo ra năng lượng gấp mười lần mức tiêu hao, đạt công suất tối đa 500 megawatt. Máy quang phổ HRNS sẽ được lắp đặt phía sau một bức tường bê tông dày bảo vệ bao quanh buồng nhiệt hạch, gần một lỗ mở có đường kính vài cm, để có thể phát hiện các neutron được tạo ra ở chính giữa plasma. Tùy thuộc vào công suất của lò phản ứng, thông lượng của chúng sẽ thay đổi đáng kể, đạt tới hàng trăm triệu hạt trên mỗi cm vuông mỗi giây. Trong quá trình đo lường, HRNS sẽ có thể phân tích phổ neutron từ phản ứng deuterium-deuterium (neutron có năng lượng 2,5 megaelectronvolt) và từ phản ứng deuterium-tritium (neutron có năng lượng 14 megaelectronvolt).
Để đảm bảo máy quang phổ HRNS hoạt động trong toàn bộ dải điều kiện dự kiến trong lò phản ứng ITER, phải được chia thành bốn cụm lắp ráp độc lập. Mỗi cụm lắp ráp này về cơ bản là một máy quang phổ riêng biệt, hoạt động trên các nguyên lý khác nhau và được thiết kế cho một dải cường độ thông lượng neutron khác nhau. Các nhà vật lý từ IFJ PAN đang nghiên cứu phát triển cụm lắp ráp đầu tiên, được gọi là TPR (Độ giật Proton lá mỏng). Tại đây, neutron đánh bật proton ra khỏi một lá polyethylene mỏng và góc tán xạ của chúng phụ thuộc vào năng lượng của neutron. Gần 100 đầu dò silicon chỉ chịu trách nhiệm phát hiện proton. Cụm lắp ráp thứ hai là máy quang phổ NDD (Máy dò Kim cương Neutron), trong đó neutron được ghi lại bởi một dãy hơn một chục đầu dò kim cương.
Hai cụm FTOF (Thời gian bay thuận) và BTOF (Thời gian bay tán xạ ngược) đo thời gian bay của neutron và ước tính động năng của chúng dựa trên vận tốc được xác định theo cách này. FTOF phân tích các neutron duy trì hướng chuyển động tương tự như hướng ban đầu, còn BTOF phân tích các neutron bị tán xạ ở các góc lớn. HRNS được thiết kế để đo neutron và có thể phát hiện được các loại bức xạ khác. Trên thực tế, nhiều hạt khác, từ photon tia gamma đến các hạt sinh ra từ tương tác neutron với các thành phần của lò phản ứng và thậm chí với các bộ phận của máy quang phổ, sẽ tạo ra tín hiệu trong phần hoạt động của máy dò. Tất cả những yếu tố này dẫn đến quang phổ được đo có cấu trúc cực kỳ phức tạp. Để diễn giải chính xác dữ liệu và trích xuất thông tin đáng tin cậy về lượng deuterium và tritium, chúng ta phải hiểu rõ nguồn gốc của nhiễu này.
Do khả năng tiếp cận hệ thống đo lường bị hạn chế trong quá trình vận hành tokamak, các nhà khoa học cần biết cách diễn giải dữ liệu đầu vào. Điều này đặc biệt quan trọng nếu trong quá trình vận hành, một số đầu dò của một trong các cụm lắp ráp phụ, hoặc thậm chí toàn bộ cụm lắp ráp phụ, bị hư hỏng. Việc thiết kế các phần tử che chắn sao cho thông lượng neutron cũng như các bộ phận của thiết bị bị kích thích bởi nó không gây ảnh hưởng đến hoạt động của các hệ thống điện tử phụ hoặc các thiết bị đo lường khác hoạt động trong vùng lân cận của toàn bộ máy quang phổ cũng rất quan trọng. Dự án đòi hỏi khối lượng lớn các phép tính số, không chỉ những phép tính liên quan trực tiếp đến phép đo neutron. Việc tính toán hoạt độ phóng xạ của từng thành phần của máy quang phổ HRNS cũng quan trọng không kém. Kiến thức này đảm bảo cả hoạt động bình thường của thiết bị lẫn sự an toàn của nhân viên vận hành thiết bị. Các nhà khoa học kỳ vọng rằng một nguyên mẫu máy quang phổ neutron độ phân giải cao cho lò phản ứng nhiệt hạch ITER sẽ được phát triển trong vòng hai năm.
Từ khóa: nhiệt hạch;
– CMD –
