Trang chủ » Vật liệu chịu nhiệt và bức xạ trong sản xuất năng lượng nhiệt hạch

Vật liệu chịu nhiệt và bức xạ trong sản xuất năng lượng nhiệt hạch

Năng lượng nhiệt hạch có tiềm năng trở thành nguồn năng lượng sạch và hiệu quả cao, do các phản ứng của nó tạo ra lượng năng lượng rất lớn. Các lò phản ứng nhiệt hạch nhằm mục đích tái tạo lại các sự kiện xảy ra ở lõi Mặt trời, nơi các nguyên tố rất nhẹ hợp nhất và giải phóng năng lượng. Các kỹ sư thiết kế hiện nay đã có thể khai thác năng lượng này để làm nóng nước và tạo ra điện thông qua tua-bin hơi nước.

Phản ứng tổng hợp hạt nhân có kiểm soát có một số ưu điểm so với các nguồn năng lượng khác trong ứng dụng sản xuất điện. Đặc biệt, ưu điểm là phản ứng tổng hợp hạt nhân không tạo ra bất kỳ carbon dioxide nào; Không có nguy cơ tan chảy và phản ứng không tạo ra bất kỳ chất thải phóng xạ tồn tại lâu dài nào. Thách thức lớn nhất đối với việc đưa phản ứng tổng hợp hạt nhân vào ứng dụng thương mại đó là các vật liệu sử dụng trong lò phản ứng hạt nhân do phản ứng tổng hợp diễn ra ở nhiệt độ cực cao. Để biến phản ứng tổng hợp hạt nhân thành nguồn năng lượng khả thi, các lò phản ứng sẽ cần được chế tạo bằng các vật liệu có thể chịu được nhiệt và lượng bức xạ lớn.

Thí nghiệm tổng hợp diễn ra ở nhiệt độ cao đến mức vật liệu che chắn plasma xuất hiện khuyết tật (Nguồn: Christophe Roux/CEA IRFM, CC BY).

Một số loại nguyên tố có thể hợp nhất trong phản ứng tổng hợp hạt nhân. Nguyên tố mà hầu hết các nhà khoa học ưa chuộng là deuterium kết hợp với tritium. Hai nguyên tố này có khả năng hợp nhất cao nhất ở nhiệt độ mà lò phản ứng có thể duy trì. Phản ứng này tạo ra một nguyên tử heli và một neutron, mang theo hầu hết năng lượng từ phản ứng. Con người tạo ra phản ứng tổng hợp hạt nhân thành công trên Trái Đất kể từ năm 1952. Nhưng điều quan trọng bây giờ là làm sao để có thể sử dụng thương mại được phản ứng này và để lấy được nhiều năng lượng hơn.

Phản ứng tổng hợp xảy ra trong trạng thái plasma rất nóng, là trạng thái vật chất tương tự như khí nhưng được tạo thành từ các hạt tích điện. Plasma cần phải cực kỳ nóng trên 100 triệu độ C và ngưng tụ trong suốt thời gian diễn ra phản ứng. Để giữ cho plasma nóng và ngưng tụ và tạo ra phản ứng liên tục, cần các vật liệu đặc biệt trong lò phản ứng. Chúng ta cũng cần một nguồn nhiên liệu rẻ và bền vững. Trong khi deuterium rất phổ biến và có thể thu được từ nước, tritium lại rất hiếm. Một lò phản ứng tổng hợp công suất 1 gigawatt dự kiến ​​sẽ đốt cháy 56 kg tritium mỗi năm. Nhưng thế giới chỉ có khoảng 25 kg tritium trên thị trường. Các nhà nghiên cứu cần tìm ra các nguồn thay thế cho tritium trước khi năng lượng tổng hợp có thể phát triển thương mại. Một lựa chọn là để mỗi lò phản ứng tạo ra tritium thông qua một hệ thống gọi là tự tạo. Hệ này tạo nên lớp đầu tiên của thành buồng plasma và chứa lithium phản ứng với các neutron được tạo ra trong phản ứng tổng hợp để tạo ra tritium. Hệ cũng chuyển đổi năng lượng mà các nơtron này mang theo thành nhiệt.

Các thiết bị tổng hợp cũng cần một bộ chuyển hướng, có chức năng trích xuất nhiệt và tro được tạo ra trong phản ứng. Bộ chuyển hướng giúp duy trì phản ứng trong thời gian dài hơn. Các vật liệu này sẽ tiếp xúc với mức nhiệt và sự bắn phá bức xạ chưa từng có. Và hiện tại không có bất kỳ cơ sở thử nghiệm nào để tái tạo các điều kiện này và thử nghiệm vật liệu thực tế. Hiện nay, các nhà khoa học đang nghiên cứu sản xuất các công cụ có thể dự đoán cách vật liệu trong lò phản ứng nhiệt hạch bị ăn mòn và cách các đặc tính của chúng thay đổi khi tiếp xúc với nhiệt độ và bức xạ hạt cực cao. Khi bị chiếu xạ, các khuyết tật có thể hình thành và phát triển trong vật liệu, ảnh hưởng đến cách chúng phản ứng với nhiệt và ứng suất. Phương pháp tiếp cận hiện nay được gọi là mô hình đa thang, bao gồm việc xem xét vật lý trong các vật liệu theo thang thời gian và chiều dài khác nhau với một loạt các mô hình tính toán. Đầu tiên, nghiên cứu các hiện tượng xảy ra trong các vật liệu ở thang nguyên tử thông qua các mô phỏng chính xác. Ví dụ, mô phỏng kiểm tra cách hydro di chuyển bên trong vật liệu trong quá trình chiếu xạ. Từ những mô phỏng này, xem xét các đặc tính như độ khuếch tán, cho biết lượng hydro có thể lan tỏa trong vật liệu. Chúng ta có thể tích hợp thông tin từ các mô phỏng cấp độ nguyên tử này vào các mô phỏng ít tốn kém hơn, xem xét cách vật liệu phản ứng ở quy mô lớn hơn. Các mô phỏng quy mô lớn hơn này ít tốn kém hơn vì chúng mô hình hóa vật liệu như một thể liên tục thay vì xem xét từng nguyên tử riêng lẻ.

Các mô phỏng quy mô nguyên tử có thể mất nhiều tuần để chạy trên siêu máy tính, trong khi mô phỏng liên tục chỉ mất vài giờ. Sau đó, tất cả công việc mô hình hóa này diễn ra trên máy tính được so sánh với các kết quả thử nghiệm thu được trong phòng thí nghiệm. Ví dụ, nếu một mặt của vật liệu có khí hydro, chúng ta muốn biết có bao nhiêu hydro rò rỉ sang mặt bên kia của vật liệu. Nếu mô hình và kết quả thử nghiệm khớp nhau, chúng ta có thể tin tưởng vào mô hình và sử dụng nó để dự đoán hành vi của cùng một vật liệu trong các điều kiện trong một thiết bị nhiệt hạch. Nếu chúng không khớp nhau, chúng ta quay lại các mô phỏng quy mô nguyên tử để kiểm tra. Ngoài ra, có thể ghép mô hình vật liệu quy mô lớn hơn với các mô hình plasma. Các mô hình này có thể cho chúng ta biết phần nào của lò phản ứng nhiệt hạch sẽ nóng nhất hoặc bị bắn phá nhiều nhất. Từ đó, có thể đánh giá nhiều kịch bản hơn. Ví dụ, nếu quá nhiều hydro rò rỉ qua vật liệu trong quá trình vận hành lò phản ứng nhiệt hạch, có thể đề xuất làm cho vật liệu dày hơn ở một số nơi hoặc thêm thứ gì đó để giữ hydro.

Từ khóa: nhiệt hạch; phóng xạ;

– CMD –

Cùng chủ đề

Viết một bình luận

THÔNG TIN LIÊN HỆ

Công ty TNHH thiết bị và dịch vụ khoa học AE

Trụ sở chính tại Hà Nội: Phòng 1411 tòa nhà OCT2, KĐT Xuân Phương Viglacera, phường Xuân Phương, quận Nam Từ Liêm, Hà Nội.

Chi nhánh miền Nam: 154/174C Âu Dương Lân, Phường 3, Quận 8, Tp. Hồ Chí Minh

Chi nhánh miền Trung: Xã Lộc Ninh, Tp. Đồng Hới, tỉnh Quảng Bình.

Chi nhánh Bắc Giang: Số 18, Thôn Lực, xã Tân Mỹ, Tp. Bắc Giang, tỉnh Bắc Giang.

ĐT: 0983374983, Fax: 024366667461

Email: duongcm@ae-rad.vn

Di động: 0983 374 983 (Chu Minh Dương)

LIÊN HỆ TƯ VẤN





    Total Visitors: 140078

    Today's Visitors:6

    0983 374 983