Một lồng từ tính giữ các plasma nóng hơn 100 triệu độ C trong thiết bị tổng hợp hạt nhân ở khoảng cách xa thành bình để chúng không bị tan chảy. Giờ đây, các nhà nghiên cứu tại Viện Vật lý Plasma Max Planck (IPP) đã tìm ra cách để giảm đáng kể khoảng cách này. Điều này có thể giúp xây dựng các lò phản ứng nhiệt hạch nhỏ hơn và rẻ hơn để sản xuất năng lượng. Công trình đã được đăng trên tạp chí Physical Review Letters .
Lò phản ứng thử nghiệm quốc tế ITER, hiện đang được xây dựng ở miền nam nước Pháp, đại diện cho phương pháp tiên tiến nhất để tạo ra năng lượng trong một nhà máy điện nhiệt hạch . Thiết kế tuân theo nguyên tắc tokamak, tức là một plasma nhiệt hạch ở hơn 100 triệu độ bị giam giữ trong một từ trường có hình dạng như một chiếc bánh rán. Khái niệm này ngăn plasma nóng tiếp xúc với bức tường bao quanh và làm hỏng nó. Thử nghiệm tokamak Nâng cấp ASDEX tại IPP ở Garching gần Munich đóng vai trò là kế hoạch chi tiết cho ITER và các nhà máy điện nhiệt hạch sau này. Các yếu tố quan trọng cho ITER đã được phát triển tại đây. Và các điều kiện và thành phần vận hành plasma cho các nhà máy điện sau này đã có thể được thử nghiệm ngay hôm nay.
Plasma nóng di chuyển đến gần bộ chuyển hướng
Yếu tố trung tâm của Nâng cấp ASDEX và tất cả các cơ sở tổng hợp từ tính hiện đại là bộ chuyển hướng. Đây là phần thành bình chịu nhiệt đặc biệt, đòi hỏi thiết kế công phu. "Tại bộ chuyển hướng, nhiệt từ plasma đến bức tường. Trong các nhà máy điện sau này, sản phẩm nhiệt hạch helium-4 cũng sẽ được chiết xuất ở đó", Giáo sư Ulrich Stroth, người đứng đầu Bộ phận Bức tường và Cạnh Plasma tại IPP giải thích. "Ở khu vực này, tải trọng tường đặc biệt cao." Do đó, các ô chuyển hướng của ASDEX Upgrade và cả của ITER được làm bằng vonfram, nguyên tố hóa học có nhiệt độ nóng chảy cao nhất (3422°C).
Nếu không có biện pháp đối phó, 20% năng lượng nhiệt hạch của plasma sẽ chạm tới bề mặt bộ chuyển hướng. Ở mức xấp xỉ. 200 megawatt trên một mét vuông, đó sẽ là những điều kiện gần giống như trên bề mặt của mặt trời. Tuy nhiên, bộ chuyển hướng trong ITER và cả các nhà máy điện nhiệt hạch trong tương lai sẽ chỉ có thể xử lý tối đa 10 megawatt trên một mét vuông. Vì lý do này, một lượng nhỏ tạp chất (thường là nitơ) được thêm vào plasma. Chúng trích xuất hầu hết năng lượng nhiệt của nó bằng cách chuyển đổi nó thành tia cực tím. Tuy nhiên, mép plasma (dải phân cách) phải được giữ cách xa bộ chuyển hướng để bảo vệ nó. Trong Bản nâng cấp ASDEX cho đến nay, chiều dài này ít nhất là 25 cm (được đo từ đầu plasma phía dưới—điểm X—đến các cạnh của bộ chuyển hướng).
Bộ tản nhiệt điểm X mở ra những khả năng mới cho thiết kế lò phản ứng nhiệt hạch
Giờ đây, các nhà nghiên cứu tại IPP đã thành công trong việc giảm khoảng cách này xuống dưới 5 cm mà không làm hỏng tường. Tiến sĩ Matthias Bernert, nhà nghiên cứu của IPP cho biết: “Chúng tôi đặc biệt sử dụng bộ tản nhiệt điểm X cho việc này, một hiện tượng mà chúng tôi đã phát hiện ra cách đây khoảng một thập kỷ trong các thử nghiệm tại ASDEX Upgrade”. "Bộ tản nhiệt điểm X xảy ra trong các lồng từ có hình dạng cụ thể khi lượng nitơ được thêm vào vượt quá một giá trị nhất định."
Điều này dẫn đến sự hình thành một thể tích nhỏ, dày đặc bức xạ đặc biệt mạnh trong phạm vi tia cực tím. Tiến sĩ Bernert giải thích: “Những tạp chất như vậy mang lại cho chúng ta các đặc tính plasma kém hơn một chút, nhưng nếu chúng ta đặt bộ tản nhiệt điểm X ở một vị trí cố định bằng cách thay đổi lượng khí nitơ được bơm vào, chúng ta có thể chạy các thí nghiệm ở công suất cao hơn mà không làm hỏng thiết bị/bộ chuyển hướng”.
Trong các hình ảnh camera từ bình chân không, bộ tản nhiệt điểm X (viết tắt là XPR) có thể được coi là một vòng phát sáng màu xanh lam trong plasma, vì nó cũng phát ra một số ánh sáng khả kiến ngoài bức xạ UV. Các nhà nghiên cứu của IPP gần đây đã điều tra chuyên sâu về XPR. Tuy nhiên, cơ hội cũng đóng một vai trò trong khám phá hiện tại: "Chúng tôi đã vô tình di chuyển rìa plasma đến gần bộ chuyển hướng hơn nhiều so với dự kiến," nhà vật lý của IPP, Tiến sĩ Tilmann Lunt cho biết.
"Chúng tôi rất ngạc nhiên khi ASDEX Upgrade giải quyết vấn đề này mà không gặp bất kỳ sự cố nào." Vì hiệu ứng này có thể được xác nhận trong các thí nghiệm tiếp theo, nên giờ đây các nhà nghiên cứu đã biết: khi có bộ bức xạ điểm X, năng lượng nhiệt được chuyển đổi thành bức xạ UV nhiều hơn đáng kể so với giả định trước đây. Khi đó plasma tỏa ra tới 90% năng lượng theo mọi hướng.
Các nhà máy điện nhiệt hạch có thể được xây dựng nhỏ gọn hơn và rẻ hơn
Điều này dẫn đến những kết luận có thể rất thuận lợi cho việc xây dựng các nhà máy điện nhiệt hạch trong tương lai:
- Bộ chuyển hướng có thể được chế tạo nhỏ hơn và đơn giản hơn nhiều về mặt công nghệ so với trước đây (Bộ chuyển hướng bức xạ nhỏ gọn).
- Vì plasma di chuyển gần bộ chuyển hướng hơn nên thể tích bình chân không có thể được sử dụng tốt hơn. Các tính toán ban đầu cho thấy rằng nếu bình có hình dạng tối ưu, thì có thể tăng gần gấp đôi thể tích plasma mà vẫn giữ nguyên kích thước. Điều này cũng sẽ làm tăng sức mạnh nhiệt hạch có thể đạt được. Nhưng trước tiên các nhà nghiên cứu phải xác minh điều này trong các thí nghiệm tiếp theo.
Ngoài ra, việc sử dụng bộ tản nhiệt điểm X cũng giúp chống lại các chế độ cục bộ ở cạnh (ELM): các vụ phun trào năng lượng dữ dội ở rìa plasma tái diễn đều đặn và giải phóng khoảng một phần mười năng lượng plasma về phía tường . ITER và các lò phản ứng nhiệt hạch trong tương lai sẽ bị hư hại do những vụ phun trào như vậy.
"Chúng ta đang đối mặt với một khám phá quan trọng trong nghiên cứu nhiệt hạch", đó cũng là nhận định của Giám đốc Bộ phận IPP Ulrich Stroth. "Bộ tản nhiệt điểm X mở ra những khả năng hoàn toàn mới cho chúng tôi trong việc phát triển nhà máy điện. Chúng tôi sẽ nghiên cứu thêm về lý thuyết đằng sau nó và cố gắng hiểu rõ hơn về nó bằng các thử nghiệm mới tại ASDEX Upgrade." Garching tokamak sẽ sớm được trang bị lý tưởng cho việc này: Vào mùa hè năm 2024, nó sẽ được cung cấp một bộ chuyển hướng phía trên mới. Các cuộn dây đặc biệt của nó sẽ giúp nó có thể tự do biến dạng từ trường gần bộ chuyển hướng và do đó cũng tối ưu hóa các điều kiện cho bộ tản nhiệt điểm X.
