Nhóm chuyên gia của Đại học Milano-Bicocca và Viện Khoa học công nghệ plasma, đều có trụ sở tại Milan, Italia, nghiên cứu phát triển thiết bị đo bức xạ neutron và tia gamma từ plasma nhiệt hạch và ứng dụng của chúng để giải mã bí mật bên trong lõi lò phản ứng nhiệt hạch.

Phản ứng nhiệt hạch là quá trình tạo ra năng lượng, khi một số hạt nhân nhẹ kết hợp thành các hạt nhân nặng liên kết chặt chẽ hơn, giải phóng một lượng lớn năng lượng.

Trung bình, một phản ứng nhiệt hạch giải phóng năng lượng nhiều gấp một triệu lần so với phản ứng đốt cháy nhiên liệu hóa thạch thông thường. Do đó, không có gì ngạc nhiên khi đây là quá trình cơ bản tạo nên năng lượng của vũ trụ.

Trên Trái đất, cách triển vọng nhất đạt được phản ứng nhiệt hạch là tìm cách giữ một loại khí hoàn toàn ion hóa, gọi là plasma, trong một lồng từ đặc biệt có tên là tokamak. Cần phải đáp ứng một số điều kiện đầy thách thức để khai thác phản ứng nhiệt hạch, sản xuất năng lượng.

Một điều kiện là lõi plasma đạt đến nhiệt độ khoảng 150 triệu độ C, cao hơn khoảng 10 lần so với nhiệt độ ở lõi Mặt trời. Điều kiện khác là mật độ plasma đủ cao để đảm bảo có đủ nhiên liệu trải qua phản ứng tổng hợp. Điều kiện nữa là năng lượng giải phóng từ quá trình như vậy phải ở trong hệ thống đủ lâu, nhằm đảm bảo phản ứng tổng hợp tiếp tục được duy trì bởi chính hệ thống với lượng năng lượng đầu vào tối thiểu từ bên ngoài.

Nói chung, đo nhiệt độ và các đặc tính của lõi lò phản ứng nhiệt hạch là nhiệm vụ cơ bản để triển khai phản ứng tổng hợp hạt nhân. Nhưng làm sao có thể đo được một vật thể được dự kiến ​​ở 150 triệu độ C? Bạn chắc chắn không thể sử dụng đầu dò rắn làm nhiệt kế, vì rất có thể nó sẽ bị chính plasma phá hủy!

Phát xạ neutron từ lõi plasma

Thế hệ lò phản ứng nhiệt hạch đầu tiên sẽ sử dụng deuterium và tritium, hai đồng vị của hydro, làm nhiên liệu. Quá trình tổng hợp giữa một hạt nhân deuterium và một hạt nhân tritium, một neutron được giải phóng, chủ yếu từ lõi, neutron này có năng lượng phụ thuộc vào các đặc tính của hạt nhân phản ứng, ví dụ như nhiệt độ và độ phong phú tương đối của chúng.

Nói cách khác, tương tự như quang phổ ánh sáng phát ra từ một ngôi sao xa xôi, quang phổ năng lượng của neutron sinh ra từ phản ứng nhiệt hạch là dấu vân tay các đặc tính của ion nhiên liệu plasma quyết định phản ứng nhiệt hạch. Tuy nhiên, việc đo neutron không phải là nhiệm vụ đơn giản.

Do không tích điện, neutron không dễ bị bắt giữ, vì chúng chỉ thỉnh thoảng tương tác với vật chất. Hơn nữa, khi chúng tương tác, chúng có thể chỉ giải phóng một phần năng lượng của chúng vào máy dò, làm phức tạp quá trình phân tích.

Nhiệm vụ quan trọng hướng tới mục tiêu đo neutron được giải phóng bởi phản ứng nhiệt hạch là đảm bảo rằng các máy quang phổ được thiết kế và chế tạo thích hợp, thường phụ thuộc vào ứng dụng cụ thể. Vì những lý do này, các thiết bị đo neutron có thể khá khác nhau.

Đối với một số ứng dụng, có thể triển khai các máy dò nhỏ có thể tích hợp vào môi trường kỹ thuật phức tạp như tokamak. Khi cần ứng dụng băng thông rộng hoặc độ nhạy đặc biệt cao đối với các thay đổi nhỏ trong tính chất nhiên liệu, cần phải thiết kế, chế tạo thiết bị phức tạp hơn, đòi hỏi nhiều công nghệ tích hợp hơn vào lò phản ứng nhiệt hạch.

Tia gamma và hạt năng lượng

Trong khi hầu hết ion của lò phản ứng nhiệt hạch ở trạng thái cân bằng ở khoảng 150 triệu độ C, một phần nhỏ các hạt có năng lượng cao hơn nhiều ở nhiệt độ đó. Đây là các ion nhanh được tạo ra bởi chính phản ứng nhiệt hạch hoặc được đưa vào bởi hệ thống gia nhiệt phụ trợ để kiểm soát quá trình đốt cháy nhiệt hạch.

Trong một số trường hợp bất thường, các electron năng lượng cao - được gọi là electron mất kiểm soát - cũng được tạo ra và nếu không được phát hiện, giảm thiểu, có thể làm hỏng đáng kể bức tường của buồng chân không, nơi chứa plasma trong thiết bị nhiệt hạch.

Tất cả phần tử năng lượng thiểu số này phải được chẩn đoán, nhưng chúng khó phát hiện hơn so với phần lớn ion nhiên liệu. Theo một nghĩa nào đó, điều này giống như việc tìm kim trong đống cỏ khô, với sự phức tạp là đống cỏ khô hiện ở mức 150 triệu độ C!

May mắn thay, các hạt năng lượng trong thiết bị nhiệt hạch cũng phát ra bức xạ, thường là bức xạ điện từ năng lượng cao. Chúng được gọi là tia gamma, do một số phản ứng hạt nhân khác, ngoài phản ứng nhiệt hạch chính xảy ra trong plasma, hoặc cái gọi là bức xạ bremsstrahlung chủ yếu được phát ra bởi các electron mất kiểm soát.

Tia gamma chỉ thỉnh thoảng tương tác với vật chất và thường chỉ giải phóng một phần năng lượng của chúng vào máy dò. Điều này làm phức tạp thêm quá trình phân tích, ngoài sự phức tạp vốn có của quá trình phát xạ. Phát hiện tia gamma không đòi hỏi thiết bị phức tạp so với máy quang phổ neutron, nhưng thiết kế của chúng vẫn phải được tùy chỉnh tùy thuộc vào điều kiện đo lường tại mỗi thiết bị.

Tùy thuộc vào loại hạt và tính chất, năng lượng và cường độ tia gamma do plasma tạo ra là khác nhau. Trong trường hợp này, mục tiêu của phép đo là tách và xác định các nhóm tia gamma khác nhau tạo nên bức xạ tổng thể, thông qua phân tích chi tiết, suy ra tính chất các hạt năng lượng chịu trách nhiệm tạo ra chúng.

Chẩn đoán hạt nhân trong plasma cháy

Bước tiếp theo hướng tới mục tiêu sản xuất năng lượng bằng phản ứng nhiệt hạch hạt nhân trong tokamak là tạo ra plasma cháy. Đây là điều kiện đặc biệt, trong đó quá trình cháy nhiệt hạch chủ yếu được duy trì bằng nhiệt giải phóng từ phản ứng nhiệt hạch.

Một số máy móc hiện đang được chế tạo để đạt đến điều kiện như vậy và nghiên cứu chế độ này. Các dự án quan trọng nhất là ITER ở châu Âu, SPARC ở Hoa Kỳ và BEST ở Trung Quốc.

Trong chế độ cháy, plasma là nguồn bức xạ thậm chí còn mạnh hơn, cho thấy chẩn đoán tia gamma và neutron sẽ có vai trò chính trong việc làm sáng tỏ các hiện tượng phức tạp trong lò phản ứng nhiệt hạch.

Nhóm chẩn đoán tia gamma và neutron từ Milan, hiện đi đầu trong nghiên cứu lĩnh vực mới, hấp dẫn này, thông qua việc thiết kế và phát triển các máy quang phổ tia gamma và neutron cho các thiết bị plasma cháy quan trọng nhất đang được xây dựng.