Khám Phá Quá Trình Hình Thành Plasma Từ Lò Phản Ứng Nhiệt Hạch

Tokamak Energy đã công bố hình ảnh ấn tượng bên trong lò phản ứng tokamak khi đạt tới mức nhiệt độ 100 triệu độ C, tạo ra plasma.

Ảnh: Tokamak Energy

Tokamak Energy, công ty tiên phong trong lĩnh vực năng lượng nhiệt hạch tại Anh, đang sử dụng thiết bị có tên gọi lò tokamak hình cầu. Thiết bị này có cấu trúc giống một chiếc bánh vòng, sử dụng những nam châm mạnh để giữ lại dòng plasma siêu nóng. Plasma, được xem như trạng thái thứ tư của vật chất, bao gồm electron mang điện tích âm và ion mang điện tích dương, chúng bị tách ra do nhiệt độ cao từ môi trường.

Khi nguyên tử hydro được làm nóng đủ cao để chuyển hóa thành plasma, chúng sẽ tích điện dương và đẩy nhau. Ở Mặt trời, áp suất cực lớn do lực hấp dẫn tạo ra có thể vượt qua lực đẩy này. Tuy nhiên, áp suất như vậy khó có thể đạt được trên Trái đất, do đó, các nhà khoa học phải nâng nhiệt độ plasma lên mức cao nhất có thể. Theo Chris Kelsall, giám đốc điều hành của Tokamak Energy, “Nhiệt độ càng cao, tốc độ di chuyển của nguyên tử càng lớn cho phép chúng vượt qua lực đẩy và bắt đầu sáp nhập”.

Quá trình này yêu cầu nhiệt độ hơn 100 triệu độ C, gấp sáu lần nhiệt độ ở lõi Mặt trời. “Khi quá trình sáp nhập xảy ra, nguyên tử hydro sẽ tạo ra nguyên tử heli và một neutron, mang lại khoảng 80% năng lượng từ phản ứng, và đó chính là năng lượng mà chúng tôi thu thập”, Kelsall cho biết. Video mà Tokamak Energy chia sẻ ghi lại khoảnh khắc lò phản ứng đạt mốc 100 triệu độ C. Tất cả quá trình này diễn ra chỉ trong vài phần triệu giây, và chỉ một lượng rất nhỏ nguyên tử sáp nhập. Để đạt được quy mô đủ lớn, nhà máy năng lượng nhiệt hạch cần phải hoạt động liên tục, tuy nhiên hiện nay, chưa có nhà máy nào thành công trong điều này.

Plasma siêu nóng cần được giữ trong một không gian nhỏ để duy trì điều kiện này, đó là lý do vì sao lò tokamak sử dụng nam châm. “Chúng tôi cần một hệ thống nam châm rất lớn”, Tony Langtry, trưởng phòng kỹ thuật tại Tokamak Energy cho biết. “Từ trường được tạo ra từ dòng điện khổng lồ chạy qua vật dẫn. Khi dòng điện này hoạt động, nó sẽ tạo ra một từ trường. Plasma cũng mang dòng điện, vì thế nó phản ứng và bị điều khiển bởi từ trường đó”.

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

Hiện tại, hệ thống đang được vận hành tại Tokamak Energy là ST40, sử dụng nam châm bằng đồng để giữ plasma trong khu vực. Kelsall cho biết, đồng là vật dẫn điện rất tốt. Tuy nhiên, đồng là vật liệu thông thường có điện trở, điều này dẫn đến việc nó chống lại dòng điện và làm tiêu hao một phần năng lượng dưới dạng nhiệt. Ngược lại, chất siêu dẫn không có điện trở, do đó không gây lãng phí năng lượng dưới điều kiện thích hợp.

Các nhà khoa học đang chuẩn bị cho mẫu lò tokamak tiếp theo, ST80, sẽ sử dụng vật liệu siêu dẫn để tạo ra từ trường mạnh hơn nhằm kiểm soát plasma hiệu quả hơn. Kelsall hy vọng lò mới này sẽ sẵn sàng vào năm 2026 hoặc 2027. Sau mô hình ST80, họ sẽ tiến hành thử nghiệm với ST-E1, một dự án nhằm chứng minh khả năng cung cấp điện cho lưới điện từ công nghệ này, với hy vọng hoàn thành vào đầu những năm 2030.