LIFE - hệ thống tổng hợp năng lượng bằng quán tính tia laser
Ngày đăng: 04/07/2010 18:08:37
Ngày nay, 80% nhu cầu năng lượng thế giới được đáp ứng bởi nhiên liệu hóa thạch và đây cũng là nguồn thải ra một lượng lớn CO2, khí nhà kính vào khí quyển. Nhu cầu về một nguồn năng lượng bền, không cacbon và giá rẻ là điều vô cùng bức thiết. Các chuyên gia về năng lượng cho biết hệ thống năng lượng toàn cầu không thể khử được cacbon và khí hậu cũng không thể được giữ ổn định nếu thiếu những ý tưởng công nghệ mang tính đột phá và cách mạng. Vì vậy, mới đây, các nhà cứu thuộc phòng thí nghiệm khoa học quốc gia Lawrence Livermore (LLNL) tại thành phố Livermore, bang California đang triển khai dự án về một hệ thống tổng hợp được biết đến với tên gọi Hệ thống tổng hợp năng lượng quán tính tia laser (Laser Inertial Fusion Energy - LIFE).
Hệ thống LIFE bên trong NIF, trung tâm của LIFE là buồng tổng hợp
hoặc tổng hợp-phân hạch. Kế tiếp là trạm chuyển đổi nhiệt thành năng
lượng điện.
LIFE được xây dựng dựa trên công nghệ được phát triển dành cho thiết bị
tổng hợp từ laser National Ignition Facility (NIF) với mong muốn mang
lại một nguồn năng lượng bền, an toàn và không cacbon. LIFE mang lại
nhiều lợi thế, không chỉ là một nguồn năng lượng tổng hợp tinh khiết,
LIFE còn là một sự kết hợp tuyệt vời giữa hệ thống tổng hợp và phân hạch
năng lượng.
Theo nhà vật lý kiêm phó giám đốc chính của NIF và phòng khoa học Photon
- Ed Moses, máy năng lượng LIFE là một sự cải tiến của NIF. Các nhà
khoa học phải mất gần 50 năm để nghiên cứu quá trình tổng hợp bảo toàn
quán tính tia laser và khoa học năng lượng mật độ cao để đạt được sự
thành công của NIF và LIFE. Mục tiêu của hệ thống là nhằm tạo ra một
nguồn cung cấp năng lượng gần như vô hạn nhưng an toàn, không cacbon,
kiểm tra những trạng thái của vật lý học thiên thể cũng như khoa học cơ
bản và nghiên cứu về hoạt động lưu trữ hạt nhân, vũ khí hạt nhân của Mỹ
để đảm bảo chúng vẫn an toàn mà không cần thử nghiệm dưới lòng đất.
Như chúng ta đã biết, NIF là hệ thống laser lớn nhất thế giới với 192
tia laser khổng lồ. Vậy LIFE là gì và nó hoạt động như thế nào?
LIFE là một cỗ máy sinh năng lượng với một hệ thống các tia laser dạng
rắn và một buồng tổng hợp tập trung đường kính 5m, được bao bọc bởi một
lớp phủ phân hạch. Cấu trúc của buồng phân hạch gồm một lớp vỏ hợp kim
thép được gia cố bằng oxit phân tán hoạt hóa thấp và một lớp vonfram dày
250 - 500 micromet để chống hư hại do các nơtron và nhiệt độ cao do tia
x giải phóng. Hệ thống cũng bao gồm một xướng tổng hợp, một bộ chuyển
đổi nhiệt và các cấu thành khác.
LIFE sẽ bắt đầu với loạt tia laser công suất 10 - 20MW (mang mức năng
lượng 1,4MJ megajoule) tạo phản ứng tổng hợp 10 đến 15 lần mỗi giây.
Loạt tia laser sẽ hội tụ lên một mục tiêu là một quả cầu đướng kính 2mm
bằng hỗn hợp
đơteri-triti. Các tia laser đốt cháy mục tiêu tổng hợp để đạt mức năng
lượng lên 25 - 35MW (35 - 50MJ). Bằng cách này, hệ thống tạo ra nguồn
năng lượng tổng hợp có công suất 350 - 500MW (80% ở dạng nơtron tổng
hợp, phần còn lại là năng lượng trong tia x và các ion).
Ngoài ra, các nơtron tổng hợp có thể tạo ra phản ứng phân hạch trên lớp
phủ phân hạch của buồng tổng hợp. Khi nơtron tổng hợp vượt qua lớp vỏ
thép, chúng sẽ tiếp xúc với một lớp thứ 2 gồm nhiều viên kim loại và tại
đây, năng lượng của nơtron được giảm bớt. Mỗi nơtron hấp thụ sẽ tạo ra
thêm 1,8 nơtron. Các nơtron trung hòa có mức năng lượng thấp hơn so với
nơtron tổng hợp và đây là nguyên liệu lý tưởng để tạo ra phản ứng phân
hạch. Những nơtron này sẽ bắn phá lớp phân hạch dày 1m gồm các viên
nhiên liệu hạt nhân hoặc uranium nghèo. Các viên này hấp thụ nơtron để
tạo ra vật liệu phân hạch và phản ứng phân hạch. Qua phản ứng phân hạch,
nhiệt được dẫn vào các tua bin. Những viên kim loại được nhúng trong
một dung dịch muối nóng chảy để dẫn truyền nhiệt và tạo ra triti. Triti
sau đó có thể được thu lại để chế tạo mục tiêu tổng hợp mới. Vì vậy, các
nhà khoa học cho rằng LIFE có thể được sạc lại bằng nhiên liệu của quá
trình phân hạch.
Quy trình hoạt động của laser NIF và buồng tổng hợp của LIFE.
Thông qua quá trình tổng hợp hoặc kết hợp giữa tổng hợp và phân hạch, hệ
thống LIFE sẽ sinh nhiệt cung cấp cho các tua bin để tạo ra nguồn điện
từ 1000 đến 2500MW một cách an toàn, thân thiện với môi trường. Một đặc
điểm vượt trội của LIFE là sự đa dạng trong sử dụng nhiên liệu. Lớp phủ
phân hạch có thể bao gồm uranium tự nhiên, nhiên liệu hạt nhân tận thu
(nhiên liệu không còn hữu ích trong các nhà máy điện hạt nhân), uranium
nghèo, uranium được làm giàu, thorium tự nhiên, plutonium, và các nguyên
tố học actini khác. Sử dụng những vật liệu này, LIFE có thể đáp ứng nhu
cầu năng lượng cho Hoa Kì đến hơn 1000 năm.