Các nhà khoa học giải được bài toán tổng hợp kéo dài 70 năm, mở đường cho năng lượng sạch
Tác giả: Marc Airhart, Đại học Texas tại Austin Ngày 10 tháng 5 năm 2025
Các nhà nghiên cứu đã giải được bài toán tổng hợp kéo dài 70 năm, cho phép thiết kế lò phản ứng nhanh hơn, chính xác hơn, cuối cùng có thể biến năng lượng tổng hợp thành hiện thực. Nguồn: SciTechDaily.com
Các nhà khoa học đã phát triển một kỹ thuật mới mạnh mẽ để vượt qua một trở ngại lớn trong năng lượng tổng hợp hạt nhân: khả năng chứa chính xác các hạt năng lượng cao bên trong lò phản ứng tổng hợp.
Bằng cách sử dụng lý thuyết đối xứng thay vì các phương pháp thông thường chậm hơn và kém tin cậy hơn, các nhà nghiên cứu đã tạo ra một lối tắt cho phép thiết kế các hệ thống từ tính chống rò rỉ nhanh hơn 10 lần.
Đột phá về năng lượng tổng hợp đang tiến gần hơn đến hiện thực
Giấc mơ về năng lượng tổng hợp dồi dào, giá cả phải chăng và sạch vừa nhận được sự thúc đẩy lớn. Một nhóm các nhà khoa học từ Đại học Texas tại Austin, Phòng thí nghiệm quốc gia Los Alamos và Type One Energy Group đã tạo ra một bước đột phá lớn có thể đẩy nhanh con đường đến với năng lượng tổng hợp thực tế.
Một trong những rào cản lớn nhất trong năng lượng nhiệt hạch là tìm ra cách bẫy các hạt năng lượng cao bên trong lò phản ứng nhiệt hạch. Các hạt này, được gọi là hạt alpha, có xu hướng rò rỉ ra ngoài, khiến plasma không thể duy trì đủ nóng và đặc để duy trì phản ứng nhiệt hạch. Các kỹ sư sử dụng từ trường mạnh để chứa plasma, nhưng việc tìm và sửa các khoảng trống trong các từ trường này đòi hỏi rất nhiều thời gian và sức mạnh tính toán.
Giải pháp nhanh hơn gấp 10 lần cho lò phản ứng Stellarator
Giờ đây, như đã công bố trên Physical Review Letters, nhóm nghiên cứu đã phát hiện ra một lối tắt. Phương pháp mới của họ giúp các kỹ sư thiết kế hệ thống giới hạn từ tính, đặc biệt là đối với một loại lò phản ứng được gọi là lò phản ứng Stellarator, nhanh hơn 10 lần so với phương pháp tiêu chuẩn, mà không làm giảm độ chính xác. Đó là một bước tiến lớn trong nghiên cứu nhiệt hạch.
Josh Burby, phó giáo sư vật lý tại UT và là tác giả đầu tiên của bài báo cho biết: "Điều thú vị nhất là chúng tôi đang giải quyết một vấn đề đã tồn tại trong gần 70 năm". "Đây là sự thay đổi mô hình trong cách chúng tôi thiết kế các lò phản ứng này".
Dự đoán chuyển động của hàng trăm hạt trong lò phản ứng nhiệt hạch. Các chuyển động được dự đoán bằng phương pháp mới (cam, đỏ) rất giống với các chuyển động được dự đoán theo định luật của Newton (xanh lam, xanh lục), nhưng có thể tính toán nhanh hơn 10 lần. Tín dụng: Đại học Texas tại Austin
Sự phức tạp của thiết kế chai từ
Một stellarator sử dụng các cuộn dây bên ngoài mang dòng điện tạo ra từ trường để giới hạn plasma và các hạt năng lượng cao. Hệ thống giới hạn này thường được mô tả là "chai từ".
Có một cách để xác định vị trí các lỗ trong chai từ bằng cách sử dụng định luật chuyển động của Newton, rất chính xác nhưng lại mất rất nhiều thời gian tính toán. Tệ hơn nữa, để thiết kế một stellarator, các nhà khoa học có thể cần mô phỏng hàng trăm hoặc hàng nghìn thiết kế hơi khác nhau, điều chỉnh bố cục của các cuộn dây từ và lặp lại để loại bỏ các lỗ — một quá trình đòi hỏi một lượng tính toán khổng lồ.
Lý thuyết đối xứng: Một cách tiếp cận thay đổi cuộc chơi
Vì vậy, để tiết kiệm thời gian và tiền bạc, các nhà khoa học và kỹ sư thường sử dụng một phương pháp đơn giản hơn để ước tính vị trí của các lỗ, sử dụng một phương pháp gọi là lý thuyết nhiễu loạn. Nhưng phương pháp đó kém chính xác hơn nhiều, điều này đã làm chậm quá trình phát triển các lò phản ứng hạt nhân. Phương pháp mới dựa trên lý thuyết đối xứng, một cách hiểu hệ thống khác.
"Hiện tại không có cách thực tế nào để tìm ra câu trả lời lý thuyết cho câu hỏi về sự giới hạn của hạt alpha mà không có kết quả của chúng tôi", Burby cho biết. "Việc áp dụng trực tiếp các định luật của Newton là quá tốn kém. Các phương pháp nhiễu loạn mắc phải những lỗi nghiêm trọng. Lý thuyết của chúng tôi là lý thuyết đầu tiên tránh được những sai lầm này".
Ngoài lò phản ứng hạt nhân: Cũng giúp ích cho các thiết kế Tokamak
Phương pháp mới này cũng có thể giúp giải quyết một vấn đề tương tự nhưng khác trong một thiết kế lò phản ứng tổng hợp từ phổ biến khác được gọi là tokamak. Trong thiết kế đó, có một vấn đề với các electron mất kiểm soát — các electron năng lượng cao có thể đục một lỗ trên các bức tường xung quanh. Phương pháp mới này có thể giúp xác định các lỗ trong từ trường nơi các electron này có thể bị rò rỉ.
Tài liệu tham khảo: “Nonperturbative Guiding Center Model for Magnetized Plasmas” của J. W. Burby, I. A. Maldonado, M. Ruth, D. A. Messenger và L. Carbajal, ngày 30 tháng 4 năm 2025, Physical Review Letters.
DOI: 10.1103/PhysRevLett.134.175101
Các đồng tác giả của Burby từ UT là nhà nghiên cứu sau tiến sĩ Max Ruth và sinh viên tốt nghiệp Ivan Maldonado. Các tác giả khác là Dan Messenger, nghiên cứu sinh sau tiến sĩ tại Los Alamos, và Leopoldo Carbajal, nhà khoa học tính toán và nhà khoa học dữ liệu tại Type One Energy Group, một công ty đang có kế hoạch xây dựng các lò phản ứng sao để phát điện.
Công trình này được Bộ Năng lượng Hoa Kỳ hỗ trợ.
