Trong 'Mặt trời nhân tạo', khi plasma đạt đến 100 triệu độ C, hình dáng bên trong như thế nào?

Tạo ra một lò phản ứng nhiệt hạch có thể được so sánh với việc tạo ra một Mặt Trời nhân tạo trên Trái Đất và kết nối nó với lưới điện để sử dụng.

Cảnh trong lò phản ứng tổng hợp hạt nhân trông như thế nào? Theo Stuart White, người đứng đầu bộ phận truyền thông của Tokamak Energy, 'Đó giống như một chiếc tàu vũ trụ. Nó rất ấn tượng, mạnh mẽ và hấp dẫn. Không thể rời mắt khỏi nó'.

Phản ứng tổng hợp hạt nhân là một công nghệ tạo ra năng lượng tương tự như cách Mặt trời hoạt động. Nó dựa trên nguyên lý nhiệt hạch, khi hai hạt nhân nhẹ của hydro là deuterium và tritium kết hợp để tạo thành một hạt nhân heli nặng hơn và phát ra năng lượng. Vì vậy, việc tạo ra một lò phản ứng nhiệt hạch có thể so sánh với việc 'tạo ra một Mặt Trời nhân tạo trên Trái Đất và cắm dây điện vào nó để sử dụng'.

Khác với phản ứng phân hạch hạt nhân, phản ứng hợp hạch không tạo ra chất thải phóng xạ.

Theo ước tính của Bộ Năng lượng Mỹ, phản ứng nhiệt hạch tạo ra năng lượng gấp ba đến bốn lần so với phản ứng phân hạch, và không giải phóng carbon dioxide vào khí quyển như nhiên liệu hóa thạch.

Tuy nhiên, nguy cơ xảy ra các sự c hạt nhân từ phản ứng này gần như không có. Phản ứng nhiệt hạch là một quá trình rất mong manh, có thể sẽ dừng lại trong vài giây nếu các điều kiện thích hợp không được duy trì.

Trong nhiều thập kỷ, phản ứng nhiệt hạch đã được coi là giải pháp năng lượng sạch của tương lai xa. Nhờ tiến bộ trong lĩnh vực này, công nghệ này có thể mở rộng hoàn toàn trong vòng 10 năm tới. Một công ty tiên phong trong phản ứng nhiệt hạch là Tokamak Energy Ltd, một công ty năng lượng nhiệt hạch thương mại có trụ sở tại Vương quốc Anh.

Công ty sử dụng một loại máy gọi là lò phản ứng nhiệt hạch tokamak hình cầu, với hình dạng giống như một chiếc bánh donut. Cỗ máy này sử dụng nam châm mạnh để kìm hãm một dòng plasma siêu nóng.

Plasma, được gọi là trạng thái thứ tư của vật chất, là một hỗn hợp gồm các electron mang điện âm và các ion mang điện dương, được tách ra bởi nhiệt độ cực nóng của môi trường xung quanh.

Khi các nguyên tử hydro được làm nóng thành plasma, chúng tích điện dương và đẩy lẫn nhau. Tại Mặt trời, lực hấp dẫn mạnh tạo ra áp suất cao vượt qua lực đẩy này. Nhưng áp suất cao như vậy gần như không thể đạt được trên Trái Đất. Vì vậy, chúng ta phải đốt cháy plasma đến nhiệt độ cao hơn.

Chris Kelsall, Giám đốc điều hành của Tokamak Energy Ltd, nói với Newsweek: 'Khi nhiệt độ tăng cao hơn, các nguyên tử hydro di chuyển với tốc độ cao đến mức vượt qua các lực đẩy đó và thực sự sẽ bắt đầu hợp nhất'.

Quá trình này yêu cầu nhiệt độ lên tới 100 triệu độ C, cao hơn sáu lần so với nhiệt độ ở lõi Mặt trời.

'Khi hợp nhất, [các nguyên tử hydro] tạo ra một nguyên tử helium và một neutron dự trữ mang 80% năng lượng từ phản ứng, đó là kết quả cuối cùng chúng ta đạt được', ông Kelsall giải thích.

Đoạn video ghi lại thời điểm lò phản ứng nhiệt hạch đạt đến nhiệt độ 100 triệu độ C.

Toàn bộ quá trình diễn ra trong vài phần nghìn giây và chỉ có một lượng rất nhỏ phản ứng tổng hợp thực sự xảy ra. Để mở rộng hoàn toàn, các nhà máy điện nhiệt hạch sẽ cần phải chạy hàng giờ liền. Tuy nhiên, các loại nhà máy điện nhiệt hạch như vậy vẫn chưa tồn tại.

Để duy trì những điều kiện khắc nghiệt này, plasma siêu nóng phải được chứa trong một khu vực nhỏ. Đây là lý do vì buồng từ trường hình xuyến kiểu Tokamak lắp đặt các cuộn dây nam châm từ tính có khả năng tạo ra từ trường gấp 100.000 lần từ trường của Trái Đất. Cấu trúc từ trường này giữ plasma cực nóng cách xa thành Tokamak, tạo ra hiệu ứng cách nhiệt cho phép lò đạt được nhiệt độ cao trong thời gian đủ để các phản ứng xảy ra.

'Về cơ bản, bạn có một hệ thống nam châm từ chính rất lớn,' Tony Langtry, trưởng bộ phận kỹ thuật của Tokamak Energy chia sẻ.

'Từ trường cần thiết để điều khiển plasma được tạo ra bằng cách cho dòng điện cực lớn chạy qua một số dây dẫn... Khi dòng điện chạy qua những dây dẫn này, chúng tạo ra từ trường. Vì plasma cũng có dòng điện, nó phản ứng lại và chúng ta có thể điều khiển plasma bởi từ trường.'

Lò tokamak hiện đang hoạt động tại Tokamak Energy được gọi là ST40, sử dụng nam châm đồng để điều khiển plasma.

'Đồng là một chất dẫn điện tốt, vì vậy khi bạn đưa dòng điện qua nó, nó sẽ tạo ra một trường điện từ chứa plasma', ông Kelsall giải thích.

Tuy nhiên, vật liệu thông thường như đồng có điện trở, tạo ra sự chống lại dòng điện và chuyển một phần năng lượng thành nhiệt, dẫn đến tiêu hao năng lượng. Trái lại, chất siêu dẫn không tạo ra điện trở và không phát ra nhiệt dưới điều kiện phù hợp. Vì vậy, việc sử dụng nam châm làm bằng chất siêu dẫn sẽ làm tăng hiệu suất của ST80 – thế hệ lò tokamak tiếp theo của Tokamak Energy. Các lò sử dụng vật liệu siêu dẫn này sẽ tạo ra từ trường mạnh mẽ hơn, hiệu quả hơn trong việc điều khiển plasma khi ra mắt vào năm 2026/27.

Sau ST80, nhóm sẽ bắt đầu phát triển ST-E1, một nhà máy phản ứng nhiệt hạch thí điểm thương mại nhằm chứng minh khả năng cung cấp điện vào lưới điện của công nghệ. Tokamak Energy kỳ vọng rằng dự án này sẽ hoàn thành vào đầu những năm 2030.

Tham khảo Newsweek