Khám Phá Thế Giới Plasma: Lò Phản Ứng Nhiệt Hạch Đang Thay Đổi Tương Lai Năng Lượng

Tokamak Energy, một công ty hàng đầu về năng lượng nhiệt hạch, vừa công bố hình ảnh ấn tượng ghi lại khoảnh khắc lò phản ứng tokamak đạt 100 triệu độ C và hình thành plasma.

Ảnh: Tokamak Energy

Cơ sở nghiên cứu Tokamak Energy tại Anh đã phát triển một dạng lò phản ứng mang tên lò tokamak hình cầu. Thiết bị này có hình dáng giống như một vòng tròn lớn, tích hợp các nam châm cực mạnh với nhiệm vụ giữ chặt dòng plasma siêu nóng. Plasma được xem như một trạng thái vật chất đặc biệt, tồn tại sau thể rắn, lỏng và khí, bao gồm các electron tích điện âm và các ion tích điện dương tách rời nhau do sự nóng lên từ môi trường xung quanh.

Khi các nguyên tử hydro được nung nóng đến mức độ trở thành plasma, chúng tích điện dương và tự đẩy xa nhau. Tại Mặt trời, sức hút mạnh mẽ tạo ra áp suất khổng lồ giúp vượt qua lực đẩy này. Tuy nhiên, trên Trái đất, việc tạo ra áp suất như vậy gần như không khả thi. Do đó, các nhà khoa học cần làm nóng plasma đến nhiệt độ rất cao hơn. Nhiệt độ tăng cao khiến nguyên tử di chuyển nhanh đến nỗi có thể vượt qua lực đẩy và bắt đầu quá trình sáp nhập, theo lời Chris Kelsall, giám đốc điều hành của Tokamak Energy.

Quá trình này yêu cầu nhiệt độ hơn 100 triệu độ C, cao hơn khoảng 6 lần so với nhiệt độ trung bình ở lõi Mặt trời. “Khi diễn ra sáp nhập, nguyên tử hydro sẽ chuyển thành nguyên tử heli và một neutron mang theo 80% năng lượng từ phản ứng này. Đó chính là thứ mà chúng tôi thu thập”, Kelsall cho biết thêm. Hình ảnh mà Tokamak Energy cung cấp cho thấy thời điểm lò phản ứng đạt 100 triệu độ C. Tất cả sự kiện này diễn ra chỉ trong một phần triệu giây và chỉ một lượng nhỏ nguyên tử tham gia vào quá trình sáp nhập. Để quy mô hoạt động đầy đủ, nhà máy năng lượng nhiệt hạch cần phải hoạt động liên tục trong nhiều giờ, điều này chưa từng có nhà máy nào tương tự tồn tại.

Để duy trì điều kiện khắc nghiệt, plasma siêu nóng cần được giữ trong một khu vực hạn chế, vì vậy lò tokamak sử dụng các nam châm. “Bạn cần một hệ thống nam châm lớn”, Tony Langtry, trưởng bộ phận kỹ thuật tại Tokamak Energy, chia sẻ. “Từ trường cần thiết để điều khiển plasma đến từ dòng điện lớn chạy qua các vật dẫn. Khi dòng điện chạy qua, nó tạo ra từ trường. Plasma cũng mang trong mình dòng điện và do đó phản ứng và được điều khiển bởi từ trường”.

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

Hiện tại, mẫu lò tokamak đang hoạt động tại cơ sở là ST40, sử dụng nam châm từ đồng để kìm hãm plasma. Theo Kelsall, đồng là một trong những vật liệu dẫn điện rất tốt. Tuy nhiên, vật liệu như đồng có điện trở khiến nó làm hao hụt một phần năng lượng dưới dạng nhiệt. Ngược lại, chất siêu dẫn lại không tạo ra điện trở này và tránh gây lãng phí nhiệt trong điều kiện lý tưởng.

Mẫu lò tokamak tiếp theo, ST80, sẽ ứng dụng vật liệu siêu dẫn để tạo ra từ trường mạnh mẽ và hiệu quả hơn trong việc điều khiển plasma. Kelsall cho biết mẫu lò này dự kiến sẽ hoàn thiện vào năm 2026 hoặc 2027. Sau ST80, nhóm nghiên cứu sẽ tiếp tục thực hiện ST-E1, dự án thử nghiệm nhằm chứng minh khả năng cung cấp điện cho lưới điện thông qua công nghệ này, với hi vọng hoàn thành vào đầu thập niên 2030.