Buzz
Trong khi các lò phản ứng điện hạt nhân trước đây thường sử dụng phản ứng phân hạch hạt nhân, việc sản xuất điện bằng phản ứng tổng hợp hạt nhân (còn gọi là nhiệt hạch hoặc hợp hạch) vẫn là một ước mơ. Một thí nghiệm đột phá tại Cơ sở Nhiệt hạch Quốc gia DIII-D ở San Diego gần đây có thể giúp các nhà khoa học hiện thực hóa ước mơ này sau khoảng 29 năm nữa.
Một góc Cơ sở Nhiệt hạch Quốc gia DIII-D.Vấn đề giới hạn mật độ
Nhưng tokamak cũng gặp phải một số thách thức. Vào năm 1988, Martin Greenwald, một nhà vật lý plasma từ Viện Công nghệ Massachusetts, đã đề xuất một phương trình mô tả giới hạn mật độ mà plasma có thể đạt được trong tokamak. Theo đó, mật độ plasma tối đa phụ thuộc vào kích thước của tokamak và dòng điện cảm ứng bên trong plasma để duy trì sự ổn định từ trường. Nếu vượt quá giới hạn này, nam châm sẽ không còn khả năng giữ plasma - một chất được nung chảy ở nhiệt độ cao tới 150 triệu độ C.
Một sơ đồ của tokamak.
Nhiều nhóm nghiên cứu tại các cơ sở tokamak khác nhau như JET ở Anh hoặc ASDEX ở Đức đã đạt được mật độ plasma vượt quá giới hạn Greenwald. Do đó, Greenwald đã chỉnh sửa tuyên bố của mình, cho rằng giới hạn này không áp dụng cho mật độ plasma trong toàn bộ lò mà chỉ áp dụng cho phần plasma chiếm dưới 10% bán kính ở gần thành lò. Mặc dù mật độ thực tế có thể cao hơn một chút, nguyên tắc của giới hạn Greenwald vẫn được duy trì: Khi mật độ plasma vượt quá giới hạn này, khả năng giữ plasma của nam châm giảm đi.
Kịch bản high-poloidal-beta
Để sử dụng phản ứng hợp hạch để sản xuất năng lượng, cần phải có cả mật độ cao và khả năng giữ plasma. Ding nói: “Lần đầu tiên, chúng tôi đã chứng minh cách giải quyết vấn đề này thông qua thực nghiệm.”
Andrea Garofalo, một nhà nghiên cứu tại DIII-D, giải thích: “Khi tạo plasma trong lò phản ứng, các tham số như dòng điện plasma, trường hình xuyến và nhiệt lượng bên ngoài sẽ kết hợp theo thời gian. Các tham số này sẽ kết hợp theo nhiều cách khác nhau tùy theo tokamak, bao gồm cả việc tăng giảm dòng điện plasma và việc nung plasma sớm hoặc muộn. Tất cả đều tạo nên một kịch bản.” Cuối cùng, Garofalo và các nhà nghiên cứu khác đã đạt được một kịch bản hiệu quả được gọi là high-poloidal-beta.
Một chuyên gia tại DIII-D đang thực hiện bảo dưỡng trong buồng chân không của tokamak.
Một lựa chọn an toàn cho lò ITER
Tuy nhiên, có hai vấn đề phổ biến khi tokamak hoạt động. Đầu tiên là sự nhiễu loạn có thể truyền năng lượng ra bên ngoài một cách cực kỳ lớn. Tiếp theo, hiện tượng ELM (mất ổn định từ trường ở rìa tokamak) chỉ mất vài miligiây để truyền một lượng năng lượng lớn đến thành lò. Cả hai vấn đề này đều có thể khiến nhiệt độ của thành lò tăng vọt lên và làm nó tan chảy. Tuy nhiên, trong kịch bản high-poloidal-beta, cả nhiễu loạn và hiện tượng ELM dường như đã bị loại bỏ. Câu hỏi bây giờ là liệu phương pháp này có hiệu quả tương tự tại các cơ sở khác ngoài DIII-D hay không.
Lò ITER đang được xây dựng ở miền nam nước Pháp.
Ding cho biết các khám phá của họ sẽ giúp cho lò ITER ở Pháp. ITER hiện đang tìm kiếm các phương án bổ sung cho mục tiêu hoạt động của mình và kịch bản này chính là điều mà ITER đang cần tìm.
Hiện tại, mục tiêu của dự án ITER là tạo ra một lượng năng lượng gấp 10 lần so với mức cần thiết để vận hành, đồng thời cần đạt được dòng điện plasma trên 15 mega ampe. Tuy nhiên, điều này có thể dẫn đến sự kiện ELM (Edge Localized Modes) rất lớn, gây ra sự tan chảy của thành lò và có thể làm hỏng máy. Kịch bản high-poloidal-beta của dự án DIII-D được thiết kế nhằm giảm dòng điện plasma và giảm thiểu sự kiện ELM, từ đó giảm thiểu nguy cơ gây hỏng máy và làm giảm thiểu hậu quả nghiêm trọng của sự kiện đó. Đây được coi là một hướng đi an toàn nhằm đạt được mục tiêu nói trên.
