Chương IV VẬT LÝ HẠT NHÂN NGUYÊN TỬ VẬT LÝ HẠT NHÂN NGUYÊN TỬ
2. Phản ứng nhiệt hạch không điều khiển và điều khiển được
a/ Phản ứng nhiệt hạch không điều khiển: Phản ứng nhiệt hạch xảy ra chỉ tồn tại trong một khoảng thời gian rất ngắn (cỡ 10-6 s) rồi tắt hẳn, gọi là phản ứng nhiệt hạch không điều khiển. Để phản ứng nhiệt hạch xảy ra, cần có nhiệt độ cao trong một khối vật liệu (lớn hơn cỡ 108K). Dùng bom hạt nhân có thể tạo được nhiệt độ cao đó. Phản ứng nhiệt hạch không điều khiển, được vận dụng làm bom nhiệt hạch (hay còn gọi là bom khinh khí - bom H) .
b) Phản ứng nhiệt hạch điều khiển được: Muốn tạo được một lò phản ứng nhiệt hạch duy trì và đàêu khiển được là điều cực kỳ khó khăn. Phản ứng theo chu trình prôton - prôton chỉ thành công ở trong Mặt Trời do ở đó mật độ pa tủn là cực lớn.
Phản ứng này không phù hợp đối với một lò phản ứng nhiệt hạch ở Trái Đất, vì mật độ prôton không lớn, làm phản ứng xảy ra rất chậm. Tuy vậy, con người vẫn hy vọng trong tương lai tìm ra một nơtron năng lượng mới thay cho các nhiên liệu hóa thạch được đốt hết, đó là nơtron năng lượng nhiệt hạch. Các phản ứng đáng chú ý nhất để có thể sử dụng được trên Trái Đất là các phản ứng đơteron - đơteron và đơteron - triton:
Hy vọng nêu trên là lớn vì sự tổng hợp các đơteri (hạt nhân của nó được gọi là đơteron) được lấy từ nước biển là vô hạn. Để có một lò phản ứng nhiệt hạch hoạt động thành công, cần có ba điều kiện:
1. Mật độ hạt (n) cao: Mật độ các hạt (chẳng hạn như đơteron) cần phải đủ lớn để cho tần số va chạm tương tác đơteron - đơteron là bảo đảm đủ lớn. Khi ở nhiệt độ cao khí đơteri sẽ bị ion hóa hoàn toàn thành plasma trung hòa gồm các hạt nhân đơteron và các electron (trạng thái gồm các hạt nhân thuần túy và các electron tự do gọi là plasma).
2. Nhiệt độ plasma (T) cao: Khi plasma ở nhiệt độ cao thì các đơteron va chạm sẽ có đủ năng lượng xuyên qua bờ rào thế Culong, nếu không bờ rào thế giữ chúng tách xa nhau. Trong các phòng thí nghiệm, người ta tạo ra được plasma ở nhiệt độ cỡ 23.107K.
3. Thời gian giữ plasma τ dài: Nếu plasma được giữ nóng đủ lâu thế bảo đảm cho mật độ và nhiệt độ của nó đủ cao nhằm tạo đủ số nhiên liệu được tổng hợp.
Một lò phản ứng nhiệt hạch hoạt động được cần phải thỏa mãn điều kiện (gọi là tiêu chuẩn Lawson):
và cần phải có nhiệt độ plasma T cao hơn ~108 K (kT ≈ 9 KeV).
Từ (4-28) gợi cho chúng ta thấy có thể lựa chọn hoặc việc giữ được nhiều hạt trong thời gian ngắn hoặc giữ được ít hạt trong thời gian dài. Thực tế không thể có một bình chứa rắn nào có thể chịu được một nhiệt độ cao của phản úng nhiệt hạch, vì vậy cần phải sử dụng các kỹ thuật trí tuệ để giữ plasma theo yêu cầu đặt ra. Một trong những kỹ thuật đó là: lò phản ứng tổng hợp thử nghiệm buồng từ hình phỏng xuyến (tên viết tắt là tokamak) Trong lò phản ứng kiểu này, từ trường giữ plasma là một vỏ bao các đường sức (trên hình 4 7a đường xoăn xung quanh hình xuyến chỉ bản chất của từ trường giữ ; còn vòng tròn in đậm chỉ plasma được giữ). Từ trường này tổng hợp từ từ trường phỏng xuyến do các dòng điện cuốn quanh hình xuyến tạo ra (h.4-7b) và từ trường hình phỏng poloid do dòng điện được cảm ứng trong plasma tạo ra (h.4-7c). Chính dòng điện được cảm ứng trong plasma cũng được dùng để đốt nóng plasma.
Đến nay con người đã cố gắng đạt nhiều kết quả, song việc xây dựng một nhà máy điện nhiệt hạch vẫn chưa thực hiện được và hy vọng trong một vài chục năm tới điều này sẽ trở thành hiện thực. Một kỹ thuật khác để giữ plasma tạo ra phản ứng nhiệt hạch là tổng hợp nhiệt hạch bằng tia laze được gọi là sự giữ bằng quán tính. Với kỹ thuật này, nhiên liệu đơteri-triti được "bắn" bằng các xung laze cực mạnh từ các phía, làm cho nó nên lại vừa làm tăng nhiệt độ (lên tới 108 K) vừa làm tăng mật độ (lên cỡ 103 lần) tạo ra phản ứng nhiệt hạch đơteron-triton trước khi các hạt tương tác rời nhau.
Sự giữ bằng quản tính sẽ làm cho lò phản ứng hoạt động với mật độ lớn hơn nhiều và trong một thời gian ngắn hơn nhiều so với các thiết bị giữ bằng từ trường như các tokamak. Dù rằng tính khả thi của sự tổng hợp nhiệt hạch công suất vẫn còn chưa được minh chứng, nhưng chúng ta vẫn còn nhiều hy vọng vào việc hình thành nhà máy điện nhiệt hạch trong thời gian gần đây.