Bên trong 'Mặt trời nhân tạo' trông ra sao khi hình thành plasma ở mức 100 triệu độ C?

Khung cảnh bên trong lò phản ứng tổng hợp hạt nhân trông như thế nào? "Có vẻ như đó là tương lai," Stuart White, người đứng đầu bộ phận truyền thông của Tokamak Energy, chia sẻ. "Một con tàu vũ trụ. Nó cực kỳ nổi bật, mạnh mẽ và thú vị. Bạn không thể rời mắt khỏi nó."

Theo đó, phản ứng tổng hợp hạt nhân (hay phản ứng nhiệt hạch) là một công nghệ tạo ra năng lượng theo cách tương tự như cách Mặt trời 'vận hành'. Nó hoạt động dựa trên nguyên lý nhiệt hạch, khi hai hạt nhân nhẹ của hydro là deuterium và tritium được kết hợp để tạo thành một hạt nhân heli nặng hơn và giải phóng năng lượng. Điều này có nghĩa, 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".

Không giống như sự phân hạch hạt nhân—phản ứng hạt nhân hiện đang được sử dụng trong lĩnh vực năng lượng—sự 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.

Song song đó, nguy cơ xảy ra các sự c hạt nhân từ phản ứng này là gần như không có. Phản ứng nhiệt hạch là một quá trình rất mong manh, vốn sẽ ngừng hoạt động 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 những tiến bộ trong lĩnh vực này, công nghệ này có thể được mở rộng hoàn toàn trong vòng 10 năm tới. Một công ty đặt mục tiêu trở thành thực thể 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 cỗ 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 cực mạnh để kìm hãm một dòng plasma siêu nóng.

Ảnh chụp bên trong lò phản ứng hạt nhân tokamak tạo ra plasma siêu nóng, môi trường cần thiết cho phản ứng tổng hợp hạt nhân diễn ra. Ảnh: Tokamak Energy

Plasma - đôi khi được gọi là trạng thái thứ tư của vật chất, sau chất rắn, chất lỏng và chất khí - về cơ bản là một hỗn hợp gồm các electron mang điện tích âm và các ion mang điện tích dương đã bị tách ra bởi nhiệt độ cực nóng của môi trường xung quanh chúng.

Khi các nguyên tử hydro được làm nóng quá mức thành plasma, chúng tích điện dương và đẩy lẫn nhau. Ở Mặt trời, lực hấp dẫn cực mạnh tạo ra áp suất cực cao vượt qua lực đẩy này. Nhưng áp suất cao như vậy gần như không thể tái tạo trên Trái đất. Do đó, chúng ta phải đốt nóng 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, chúng (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 trên đòi hỏi mức nhiệt độ lên tới 100 triệu độ C, cao hơn sáu lần so với nhiệt độ tại lõi Mặt trời.

"Khi chúng 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 những gì cuối cùng chúng ta thu được", ông Kelsall cho biết.

Đoạn phim được Tokamak Energy quay lại cho thấy thời điểm lò phản ứng nhiệt hạch đạt đến cột mốc 100 triệu độ C.

Toàn bộ quá trình diễn ra trong vài phần nghìn giây và chỉ một lượng rất nhỏ phản ứng tổng hợp thực sự diễn ra. Để có thể mở rộng hoàn toàn, các nhà máy điện nhiệt hạch sẽ cần phải chạy hàng giờ liền. Tuy nhiên, các nhà máy điện nhiệt hạch kiểu 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 các phần nóng nhất của plasma cách xa thành Tokamak, tạo ra hiệu ứng cách nhiệt cho phép lò đạt được nhiệt độ rất cao trong thời gian đủ lâu để các phản ứng xảy ra.

Ảnh chụp lò phản ứng tổng hợp hạt nhân tokamak hình cầu ST40 tại Tokamak Energy Ltd, được bọc trong thiết bị làm mát và thiết bị chẩn đoán. Ảnh: Tokamak Energy

"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 đi 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."

Mẫu lò tokamak hiện đang hoạt động tại Tokamak Energy là ST40, sử dụng nam châm đồng để kiểm soát plasma.

"Đồng là một chất dẫn điện rất tốt, vì vậy khi bạn cho dòng điện chạy qua nó, nó sẽ tạo ra một trường điện từ chứa plasma", Kelsall cho biết.

Tuy nhiên, những vật liệu thông thường như đồng có điện trở, vốn có đặc điểm chống lại dòng điện và biến đổi một phần năng lượng của nó thành nhiệt, dẫn tới việc năng lượng bị tiêu hao. Mặt khác, chất siêu dẫn là vật liệu không tạo ra điện trở và không gây lãng phí nhiệt dưới điều kiện phù hợp. Điều này có nghĩa, nam chân làm bằng chất siêu dẫn sẽ là nhân tố chủ chốt để nâng cao hiệu suất của ST80 – thế hệ lò tokamak tiếp theo của Tokamak Energy. Thế hệ lò sử dụng vật liệu siêu dẫn này sẽ tạo ra từ trường mạnh hơn, hiệu quả hơn để điều khiển plasma khi được ra mắt vào thời điểm năm 2026/27.

Sau ST80, nhóm sẽ bắt đầu làm việc trên ST-E1, một nhà máy phản ứng nhiệt hạch thí điểm thương mại nhằm mục đích chứng minh khả năng của công nghệ trong việc cung cấp điện vào lưới điện. Tokamak Energy hy vọng rằng điều này sẽ được hoàn thành vào đầu những năm 2030.

Tham khảo Newsweek