Khám Phá Quy Trình Hình Thành Plasma Trong Lò Phản Ứng Nhiệt Hạch

Công ty Tokamak Energy vừa công bố những hình ảnh ấn tượng từ bên trong lò phản ứng tokamak, nơi nhiệt độ được đẩy lên tới 100 triệu độ C để tạo ra plasma.

Ảnh: Tokamak Energy

Tại Anh, Tokamak Energy đang triển khai một thiết bị gọi là lò tokamak hình cầu, có hình dáng giống như bánh donut. Thiết bị này sử dụng những nam châm cực mạnh nhằm giữ chặt dòng plasma cực kỳ nóng. Plasma, được coi là trạng thái thứ tư của vật chất, bao gồm electron mang điện tích âm và ion mang điện tích dương, được tách ra do nhiệt độ cao trong môi trường.

Khi nguyên tử hydro được nung nóng tới nhiệt độ cực cao, chúng sẽ trở thành plasma và tích điện dương, dẫn đến hiện tượng các nguyên tử đẩy lẫn nhau. Tại Mặt trời, lực hấp dẫn mạnh mẽ tạo ra áp suất cực lớn đủ để vượt qua lực đẩy này. Tuy nhiên, việc tái tạo áp suất như vậy trên Trái đất gần như là không khả thi, vì vậy các nhà nghiên cứu phải làm việc để tăng cường nhiệt độ plasma lên mức cao hơn. Khi nhiệt độ tăng, nguyên tử di chuyển với tốc độ cực nhanh, vượt qua lực đẩy và bắt đầu quá trình sáp nhập, theo chia sẻ của Chris Kelsall, giám đốc điều hành Tokamak Energy.

Quá trình sáp nhập này cần phải tạo ra nhiệt độ vượt quá 100 triệu độ C, gấp sáu lần mức nhiệt tại lõi Mặt trời. “Khi hai nguyên tử hydro sáp nhập, chúng tạo ra nguyên tử heli và một neutron, trong đó neutron mang khoảng 80% năng lượng từ phản ứng. Đó chính là năng lượng mà chúng tôi thu thập được”, Kelsall cho biết. Video mà Tokamak Energy cung cấp cho thấy khoảnh khắc lò phản ứng đạt tới mốc 100 triệu độ C. Tất cả các phản ứng này chỉ diễn ra trong một phần triệu giây và chỉ một lượng nhỏ nguyên tử tham gia sáp nhập trong thời điểm đó. Để thực hiện quy trình trên một quy mô lớn, nhà máy năng lượng nhiệt hạch cần hoạt động liên tục trong nhiều giờ và hiện tại chưa có nhà máy nào như vậy vận hành.

Để giữ cho plasma ở nhiệt độ cực cao, thiết bị cần phải kìm hãm plasma trong một không gian nhỏ. Chính vì vậy, lò tokamak sử dụng các nam châm mạnh. “Bạn cần một hệ thống nam châm lớn”, Tony Langtry, trưởng phòng kỹ thuật tại Tokamak Energy, cho biết. “Từ trường để điều khiển plasma được tạo ra bởi dòng điện lớn chạy qua các vật dẫn. Khi dòng điện chảy qua, nó tạo ra từ trường. Plasma, do cũng có dòng điện, sẽ phản ứng và được điều khiển bởi từ trường này”.

Bên trong lò phản ứng nhiệt hạch tokamak của Tokamak Energy.

Mẫu lò tokamak hiện tại được sử dụng tại cơ sở là ST40, trong đó có sử dụng nam châm đồng để giữ plasma. Kelsall cho biết, đồng là một vật liệu dẫn điện tốt. Tuy nhiên, các vật liệu thông thường như đồng có điện trở, dẫn đến tiêu hao một phần năng lượng dưới dạng nhiệt. Ngược lại, chất siêu dẫn không tạo ra điện trở, vì vậy không làm lãng phí năng lượng ở điều kiện thích hợp.

Mẫu lò tokamak tiếp theo, ST80, sẽ áp dụng vật liệu siêu dẫn để tạo ra từ trường mạnh hơn, giúp kiểm soát plasma hiệu quả hơn. Theo Kelsall, lò này dự kiến sẽ sẵn sàng vào năm 2026 hoặc 2027. Sau khi hoàn thành ST80, các nhà nghiên cứu sẽ chuyển sang ST-E1, dự án thử nghiệm thương mại với mục tiêu chứng minh khả năng cung cấp điện cho lưới điện từ công nghệ này. Họ hy vọng có thể hoàn thành dự án vào đầu thập niên 2030.