20:16 28-05-2022 232 lượt xem

Phòng thí nghiệm quốc gia Idaho nghiên cứu an toàn nhiệt hạch, chuỗi cung ứng tritium

Phòng thí nghiệm quốc gia Idaho nghiên cứu an toàn nhiệt hạch, chuỗi cung ứng tritium

Đây là hình ảnh cận cảnh của hệ thống Quang phổ Quang điện tử tia X đang được sử dụng tại Phòng thí nghiệm Quốc gia Idaho để đo hóa học bề mặt trên một vật liệu ứng viên tiềm năng để sử dụng cho phản ứng tổng hợp.

Masashi Shimada đã nghiên cứu phản ứng tổng hợp hạt nhân từ năm 2000, khi ông tham gia chương trình sau đại học tại Đại học California San Diego. Ông hiện là nhà khoa học chính tại cơ sở Nghiên cứu Ứng dụng An toàn và Tritium (STAR) ở Phòng thí nghiệm Quốc gia Idaho, một trong những phòng thí nghiệm nghiên cứu khoa học hàng đầu của chính phủ liên bang.

Lĩnh vực này đã thay đổi rất nhiều.

Những ngày đầu trong sự nghiệp của anh ấy, sự hợp nhất thường là một trò đùa, nếu nó được đem ra bàn luận. “Nhiệt hạch là năng lượng của tương lai và sẽ luôn là như vậy” là câu nói mà Shimada đã nghe suốt thời gian qua.

Nhưng điều đó đang thay đổi. Theo Hiệp hội Công nghiệp Hợp nhất, một tập đoàn thương mại công nghiệp, hàng chục công ty khởi nghiệp đã huy động được gần 4 tỷ USD vốn tư nhân.

Các nhà đầu tư và Bộ trưởng Bộ Năng lượng Jennifer Granholm đã gọi năng lượng nhiệt hạch là “chén thánh” của năng lượng sạch, với tiềm năng cung cấp năng lượng gần như vô hạn mà không giải phóng bất kỳ khí nhà kính nào và không có loại chất thải phóng xạ lâu dài giống như sự phân hạch hạt nhân. có.

Có một vụ mùa bội thu của các nhà khoa học trẻ mới làm việc trong lĩnh vực nhiệt hạch, và họ được truyền cảm hứng.

Shimada nói: “Nếu bạn nói chuyện với những người trẻ tuổi, họ tin vào sự hợp nhất. Họ sẽ thành công. Họ có một suy nghĩ lạc quan, tích cực”.

Về phần mình, Shimada và nhóm của ông hiện đang nghiên cứu việc quản lý tritium, một loại nhiên liệu phổ biến mà nhiều công ty khởi nghiệp nhiệt hạch đang theo đuổi, với hy vọng thiết lập cho Hoa Kỳ một ngành công nghiệp nhiệt hạch mới táo bạo.

“Là một phần trong ‘tầm nhìn táo bạo’ mới của chính phủ về thương mại hóa nhiệt hạch, xử lý và sản xuất triti sẽ là một phần quan trọng trong nghiên cứu khoa học của họ”, Andrew Holland, Giám đốc điều hành của Hiệp hội Công nghiệp Dung hợp nói với CNBC.

Masashi Shimada

Ảnh lịch sự Idaho National Lab

Nghiên cứu chuỗi cung ứng tritium

Nhiệt hạch là một phản ứng hạt nhân khi hai hạt nhân nguyên tử nhẹ hơn bị đẩy vào nhau để tạo thành một hạt nhân nặng hơn, giải phóng “một lượng lớn năng lượng.” Đó là cách mặt trời được cung cấp năng lượng. Nhưng việc kiểm soát các phản ứng nhiệt hạch trên Trái đất là một quá trình phức tạp và tinh vi.

Trong nhiều trường hợp, nhiên liệu cho phản ứng nhiệt hạch là đơteri và triti, cả hai đều là dạng hydro, nguyên tố phong phú nhất trong vũ trụ.

Deuterium rất phổ biến và có thể được tìm thấy trong nước biển. Theo Bộ Năng lượng, nếu quá trình tổng hợp đạt được ở quy mô trên Trái đất, một gallon nước biển sẽ có đủ deuterium để tạo ra năng lượng tương đương với 300 gallon xăng.

Tritium, tuy nhiên, không phổ biến trên Trái đất và phải được sản xuất. Shimada và nhóm các nhà nghiên cứu của ông tại Phòng thí nghiệm Quốc gia Idaho có một phòng thí nghiệm tritium nhỏ cách Thác Idaho, Idaho 55 dặm về phía tây, nơi họ nghiên cứu cách sản xuất đồng vị này.

Shimada nói với CNBC: “Vì triti không có sẵn trong tự nhiên nên chúng tôi phải tạo ra nó.

Hiện tại, hầu hết triti mà Hoa Kỳ sử dụng đến từ phòng thí nghiệm hạt nhân quốc gia của Canada, Shimada nói. “Nhưng chúng tôi thực sự không thể dựa vào những nguồn cung cấp đó. Bởi vì một khi bạn sử dụng nó, nếu bạn không tái chế, về cơ bản bạn đã sử dụng hết tritium”, Shimada nói. “Vì vậy, chúng tôi phải tạo ra triti trong khi chúng tôi đang vận hành một lò phản ứng nhiệt hạch.”

Shimada nói: Có đủ triti để hỗ trợ các dự án và nghiên cứu nhiệt hạch thí điểm, nhưng việc thương mại hóa nó sẽ cần hàng trăm lò phản ứng.

Đó là lý do tại sao chúng ta phải đầu tư ngay vào công nghệ chu trình nhiên liệu triti “để tạo ra và tái chế triti.

Một nhà khoa học tại Phòng thí nghiệm Quốc gia Idaho, Chase Taylor, đo tính chất hóa học bề mặt của một vật liệu tiềm năng để sử dụng trong phản ứng tổng hợp bằng Quang phổ quang điện tử tia X.

Ảnh lịch sự Idaho National Lab

Các giao thức an toàn

Triti là chất phóng xạ, nhưng không giống với cách làm nhiên liệu cho các lò phản ứng phân hạch hạt nhân.

Jonathan Cobb, người phát ngôn của Hiệp hội Hạt nhân Thế giới, nói với CNBC: “Sự phân rã phóng xạ của Tritium có dạng một chất phát beta yếu. Loại bức xạ này có thể bị chặn lại bởi một vài cm nước”.

Cobb giải thích rằng chu kỳ bán rã, hay thời gian để một nửa chất phóng xạ phân rã là khoảng 12 năm đối với tritum, và khi nó phân hủy, sản phẩm được giải phóng là helium, không phải là chất phóng xạ.

Để so sánh, phản ứng phân hạch hạt nhân chia uranium thành các sản phẩm như iốt, xêzi, stronti, xenon và bari, bản thân chúng là chất phóng xạ và có chu kỳ bán rã từ hàng ngày đến hàng chục nghìn năm.

Điều đó nói rằng, vẫn cần phải nghiên cứu hành vi của tritium vì nó là chất phóng xạ. Đặc biệt, Phòng thí nghiệm Quốc gia Idaho nghiên cứu cách tritium tương tác với vật liệu được sử dụng để chế tạo một cỗ máy chứa nhiệt hạch. Trong nhiều trường hợp, đây là một chiếc máy hình chiếc bánh rán được gọi là tokamak.

Để phản ứng nhiệt hạch xảy ra, các nguồn nhiên liệu phải được đốt nóng thành plasma, trạng thái thứ tư của vật chất. Những phản ứng này xảy ra ở nhiệt độ đặc biệt cao, lên tới 100 triệu độ, có thể ảnh hưởng đến mức độ và tốc độ tritium có thể đi vào vật liệu giữ plasma, Shimada nói.

Hầu hết các thùng chứa phản ứng nhiệt hạch được làm bằng thép không gỉ đặc biệt với một lớp vonfram mỏng ở bên trong. Shimada nói: “Vonfram được chọn vì nó có độ hòa tan triti thấp nhất trong tất cả các nguyên tố trong bảng tuần hoàn.

Nhưng các neutron năng lượng cao được tạo ra từ phản ứng nhiệt hạch có thể gây ra thiệt hại bức xạ ngay cả trong vonfram.

Ở đây, tại Phòng thí nghiệm Quốc gia Idaho, một cộng tác viên từ Phòng thí nghiệm Quốc gia Sandia, Rob Kolasinski, đang làm việc với một hộp đựng găng tay cho Thí nghiệm Tritium Plasma.

Ảnh lịch sự Idaho National Lab

Nghiên cứu của nhóm nhằm cung cấp cho các công ty nhiệt hạch một bộ dữ liệu để tìm ra thời điểm điều đó có thể xảy ra, vì vậy họ có thể thiết lập và đo lường mức độ an toàn của các chương trình của họ.

Shimada nói với CNBC: “Chúng tôi có thể tạo ra phản ứng nhiệt hạch trong 5, 10 giây mà không cần quá lo lắng”. Nhưng để sản xuất năng lượng quy mô thương mại, phản ứng nhiệt hạch cần được duy trì ở nhiệt độ cao trong nhiều năm.

Shimada nói với CNBC: “Mục tiêu nghiên cứu của chúng tôi là giúp nhà thiết kế lò phản ứng nhiệt hạch dự đoán khi nào sự tích tụ triti trong vật liệu và sự thẩm thấu của triti qua tàu đạt đến mức không thể chấp nhận được. “Bằng cách này, chúng tôi có thể thiết lập các quy trình để làm nóng vật liệu (tức là nướng) và loại bỏ tritium khỏi bình để giảm nguy cơ giải phóng triti trong trường hợp xảy ra tai nạn.”

Trong khi Phòng thí nghiệm Quốc gia Idaho đang điều tra hành vi của triti để thiết lập các tiêu chuẩn an toàn cho ngành công nghiệp đang phát triển, chất thải của nó ít có vấn đề hơn nhiều so với các cơ sở hạt nhân chạy bằng năng lượng phân hạch ngày nay. Chính phủ liên bang đã nghiên cứu cách tạo ra một kho lưu trữ lâu dài cho chất thải dựa trên phân hạch trong hơn 40 năm và vẫn chưa đưa ra giải pháp.

Shimada nói với CNBC: “Nhiệt hạch không tạo ra bất kỳ chất thải hạt nhân phóng xạ tồn tại lâu dài nào. Đây là một trong những lợi thế của lò phản ứng nhiệt hạch so với lò phản ứng phân hạch”.

Nguồn: CNBC
Dịch bởi: tapchiso.com

THEO DÕI CHÚNG TÔI TRÊN: FACEBOOK | TELEGRAM | TWITTER | YOUTUBE | Tin Tức Bitcoin
Bài viết liên quan