Kỷ lục phản ứng tổng hợp hạt nhân bị phá vỡ khi các nhà khoa học Đức thực hiện 'một bước tiến đáng kể' hướng tới năng lượng sạch gần như vô hạn
Máy phát điện hạt nhân Wendelstein 7-X của Đức đã thiết lập một chuẩn mực mới cho lò phản ứng tổng hợp hạt nhân, đưa năng lượng sạch thương mại gần như vô hạn tiến gần hơn đến hiện thực.
(Nguồn ảnh: MARK GARLICK/KHOA HỌC ẢNH THƯ VIỆN/Getty Images)
Một chiến dịch thử nghiệm gần đây đã kết thúc tại máy phát điện hạt nhân Wendelstein 7-X tại Viện Vật lý Plasma Max Planck (IPP) ở Greifswald, Đức đã phá vỡ các kỷ lục phản ứng tổng hợp hạt nhân trước đó và thiết lập một chuẩn mực mới cho hiệu suất của lò phản ứng.
Phản ứng tổng hợp hạt nhân hứa hẹn một nguồn năng lượng sạch vô hạn. Bằng cách đập vỡ các đồng vị (hoặc các phiên bản khác nhau) của hydro ở nhiệt độ cực cao, plasma siêu nóng của các electron và ion kết quả sẽ hợp nhất thành các nguyên tử nặng hơn, giải phóng một lượng năng lượng khổng lồ trong quá trình này.
Tuy nhiên, trong khi phản ứng tổng hợp này tự duy trì dưới nhiệt độ và áp suất cực lớn trong các ngôi sao, thì việc tái tạo những điều kiện này trên Trái đất là một thách thức kỹ thuật lớn — và các khái niệm lò phản ứng hiện tại vẫn tiêu thụ nhiều năng lượng hơn mức chúng có thể tạo ra.
Lò phản ứng tổng hợp hạt nhân EAST (Experimental Advanced Superconducting Tokamak) duy trì nhiệt độ 158 triệu độ F trong 1.056 giây. Thành tựu này đưa các nhà khoa học tiến thêm một bước nhỏ nhưng quan trọng đến gần hơn với việc tạo ra nguồn năng lượng sạch gần như vô hạn.
Stellarator là một trong những thiết kế lò phản ứng đầy hứa hẹn nhất, được đặt tên như vậy vì chúng mô phỏng các phản ứng trong mặt trời. Chúng sử dụng nam châm bên ngoài mạnh để kiểm soát plasma năng lượng cao bên trong buồng chân không hình vòng và duy trì áp suất cao, ổn định. Không giống như các lò phản ứng tokamak đơn giản hơn — truyền dòng điện cao qua plasma để tạo ra từ trường cần thiết — nam châm bên ngoài của stellarator có khả năng ổn định plasma tốt hơn thông qua các phản ứng tổng hợp, một tính năng cuối cùng sẽ cần thiết khi chuyển đổi công nghệ này sang các nhà máy điện thương mại.
Trong các thí nghiệm gần đây, lò phản ứng hạt nhân W7-X đã vượt qua các chuẩn mực trước đây do lò phản ứng tokamak JT60U đã ngừng hoạt động ở Nhật Bản và JET ở Anh thiết lập, đặc biệt là về thời gian duy trì plasma.
Đáng chú ý nhất, nhóm nghiên cứu quốc tế đã tiết lộ rằng lò phản ứng đã đạt được một sản phẩm ba kỷ lục mới — một chỉ số quan trọng cho sự thành công của máy phát điện nhiệt hạch. Sản phẩm ba là sự kết hợp của mật độ các hạt trong plasma, nhiệt độ cần thiết để các hạt này hợp nhất và thời gian giới hạn năng lượng (một thước đo mức độ năng lượng nhiệt được hệ thống giữ lại tốt như thế nào). Một giá trị tối thiểu nhất định được gọi là tiêu chuẩn Lawson đánh dấu điểm mà phản ứng tạo ra nhiều năng lượng hơn mức nó sử dụng và trở nên tự duy trì, do đó, sản phẩm ba cao hơn cho thấy phản ứng hiệu quả hơn.
"Kỷ lục mới là một thành tựu to lớn của nhóm nghiên cứu quốc tế", Thomas Klinger, Trưởng phòng Vận hành tại Wendelstein 7-X và Trưởng phòng Động lực học và Vận chuyển Stellarator tại IPP cho biết trong một tuyên bố. "Việc nâng sản phẩm ba thành phần lên mức tokamak trong các xung plasma dài đánh dấu một cột mốc quan trọng khác trên con đường hướng tới một lò phản ứng sao có khả năng hoạt động ở nhà máy điện."
Chìa khóa thành công của cột mốc mới nhất này là sự phát triển của một bộ phun viên nhiên liệu mới kết hợp việc tiếp nhiên liệu liên tục cho lò phản ứng với quá trình gia nhiệt xung để duy trì nhiệt độ plasma cần thiết. Trong khoảng thời gian 43 giây, 90 viên hydro đông lạnh đã được bắn vào plasma với tốc độ lên tới 2.600 feet (800 mét) mỗi giây, gần bằng tốc độ của một viên đạn. Các xung vi sóng mạnh được lập trình sẵn đã làm nóng plasma, đạt đến nhiệt độ đỉnh điểm là 30 triệu độ C, và sự phối hợp giữa các xung vi sóng và quá trình phun viên này đã kéo dài đáng kể thời gian duy trì ổn định của plasma.
Chiến dịch này cũng đã tăng tốc độ luân chuyển năng lượng của phản ứng lên 1,8 gigajoule trong sáu phút, phá vỡ kỷ lục trước đó của lò phản ứng là 1,3 gigajoule từ tháng 2 năm 2023. Tốc độ luân chuyển năng lượng là sự kết hợp giữa công suất gia nhiệt và thời gian tồn tại của plasma trong lò phản ứng nhiệt hạch và là dấu hiệu cho thấy khả năng duy trì plasma năng lượng cao của lò phản ứng. Do đó, đây là một thông số quan trọng khác đối với hoạt động của nhà máy điện trong tương lai. Giá trị mới thậm chí còn vượt qua kỷ lục đạt được bởi Lò phản ứng siêu dẫn tiên tiến thử nghiệm (EAST) tại Trung Quốc vào đầu năm nay, chứng minh thêm tiềm năng của lò phản ứng sao.
"Các kỷ lục của chiến dịch thử nghiệm này không chỉ là những con số đơn thuần. Chúng đại diện cho một bước tiến đáng kể trong việc xác thực khái niệm lò phản ứng sao - có thể thực hiện được thông qua sự hợp tác quốc tế xuất sắc", Robert Wolf, Trưởng phòng Sưởi ấm và Tối ưu hóa lò phản ứng sao tại IPP tóm tắt trong một tuyên bố.
