Khám Phá Thiết Bị FuZe: Tiềm Năng Năng Lượng Nhiệt Hạch 37 Triệu Độ C

Thiết bị FuZe, phát minh mới từ công ty khởi nghiệp Zap Energy, mang đến hy vọng cho nguồn năng lượng sạch trong tương lai.

Zap Energy, một công ty khởi nghiệp chuyên về năng lượng nhiệt hạch nằm tại Mỹ, đã phát triển một thiết bị nhỏ gọn có khả năng đạt nhiệt độ plasma electron lên đến 11 – 37 triệu độ C, tương đương khoảng 1 – 3 keV. Thiết bị này, được gọi là FuZe, đang mở ra hướng đi mới cho việc sản xuất điện năng trong tương lai, như được báo cáo bởi Interesting Engineering vào ngày 23/4.

Chớp sáng từ plasma của thiết bị FuZe. (Ảnh: Zap Energy).

Trong suốt gần một thế kỷ qua, ngành khoa học đã nỗ lực nghiên cứu các phản ứng nhiệt hạch, nhưng chỉ một vài công nghệ có thể đạt được nhiệt độ plasma trên 15 triệu độ C – mức nhiệt tại lõi Mặt Trời. Trong bối cảnh thế giới đang cần tìm kiếm giải pháp năng lượng sạch để đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng, phản ứng nhiệt hạch được xem là một khả năng hứa hẹn để sản xuất năng lượng một cách bền vững. Bước đầu tiên để thực hiện điều này là sản xuất plasma, trạng thái vật chất thứ tư nơi các electron không còn gắn liền với nguyên tử mà tự do di chuyển. Quá trình hợp nhất nguyên tử không những giải phóng năng lượng lớn gấp 10 triệu lần so với quá trình đốt than mà còn có tiềm năng lớn hơn trong việc cung cấp năng lượng.

Tuy nhiên, do plasma nhiệt hạch có hai thành phần chính (hạt nhân và electron) với khối lượng khác nhau, chúng nóng lên và nguội đi với tốc độ không đồng nhất. Điều này dẫn đến việc electron nguội nhanh có thể kìm hãm quá trình nung nóng của plasma, tạo thành thách thức trong việc phát triển các lò phản ứng nhiệt hạch hiệu quả.

Quá trình nghiên cứu về vấn đề này được hỗ trợ tài chính bởi Dự án Cơ sở Nghiên cứu Tiên tiến của Bộ Năng lượng Mỹ tại Đại học Washington, và từ đó, Zap Energy ra đời vào năm 2020 với một giải pháp mang tên Thí nghiệm Z-pinch nhiệt hạch (FuZe). Phương pháp này nhằm giữ cho electron ở trạng thái không bị nguội nhanh chóng. Cụ thể, một dòng electron được truyền qua các sợi plasma mỏng, tạo ra một trường điện từ giúp làm nóng plasma trong khi vẫn đè nén nó. Tuy nhiên, hạn chế của phương pháp này là plasma chỉ tồn tại trong một khoảng thời gian ngắn. Zap Energy đã áp dụng một quy trình gọi là ổn định hóa dòng trượt để khắc phục vấn đề này.

Hiện tại, các nhà nghiên cứu có khả năng đo nhiệt độ riêng biệt của các thành phần hạt nhân và electron trong plasma. Họ hợp tác với Phòng thí nghiệm quốc gia Lawrence Livermore (LLNL) và Đại học California, San Diego (UCSD) để xác định nhiệt độ của electron từ thiết bị FuZe.

Nhóm nghiên cứu sử dụng phương pháp tán xạ Thomson, trong đó bắn những xung ánh sáng xanh lá cây cực nhanh vào plasma để đo sự phân tán của electron và từ đó tính toán nhiệt độ. Kết quả cho thấy rằng electron trong plasma FuZe có nhiệt độ tương đương với hạt nhân, cho thấy plasma có khả năng duy trì cân bằng nhiệt tốt hơn so với các công nghệ nhiệt hạch hiện tại. Điểm đặc biệt là, FuZe không cần đến nam châm siêu dẫn hoặc laser mạnh để tạo plasma, từ đó giảm thiểu đáng kể chi phí.

Nghiên cứu về FuZe đã được công bố trên tạp chí danh tiếng Physical Review Letters. Hiện nhóm nghiên cứu đang tiến hành dự án tiếp theo mang tên Fuze-Q, hứa hẹn sẽ tạo ra công suất năng lượng lớn gấp 10 lần so với FuZe với nhiệt độ cao hơn nhiều.