Sét đánh 12 lần mỗi phút trên nền tảng thử nghiệm kỹ thuật tổng hợp hạt nhân
bởi Zap Energy
Century là nền tảng thử nghiệm kỹ thuật tổng hợp hạt nhân của Zap Energy. Nguồn: Zap Energy
Zap Energy đã cải tiến nền tảng thử nghiệm kỹ thuật tổng hợp hạt nhân Century của mình để có thể vận hành hơn một trăm tia plasma ở tần số 0,2 Hz, tức là một tia cứ sau năm giây, với nhiệt lượng thu được được hấp thụ bởi các bề mặt được phủ kim loại lỏng tuần hoàn.
Được tập trung bên trong một buồng chân không có kích thước bằng một máy nước nóng, mỗi tia plasma mang dòng điện lên đến 500 kA—mạnh hơn khoảng 20 lần so với một tia sét—được phóng vào một bình chứa bismuth lỏng đang chảy. Trong quá trình chạy kỷ lục, tổng công suất đầu vào của Century là 57 kilowatt, với 39 kilowatt được truyền trực tiếp đến các dây cáp dẫn đến buồng plasma.
So với mốc đưa vào vận hành của Century vào năm 2024, thành tựu này thể hiện mức tăng công suất trung bình duy trì gấp 20 lần và là một bước tiến lớn hướng tới việc phát triển các nhà máy điện nhiệt hạch thương mại sử dụng công nghệ xung lặp lại và truyền năng lượng kim loại lỏng.
Hiện nay, Fusion Science and Technology đã công bố một bài báo về thiết kế của Century và quá trình vận hành thử nghiệm từ tháng 6 đến tháng 10 năm 2024.
Zap Energy đang thử nghiệm nguyên mẫu bức tường đầu tiên bằng kim loại lỏng cho phản ứng tổng hợp hạt nhân, sử dụng lực ly tâm để bao phủ các bề mặt kim loại rắn tiếp xúc. Là một phần trong nền tảng Century, các bức tường kim loại lỏng được coi là công nghệ quan trọng cho các bề mặt có khả năng sống sót và truyền năng lượng bên trong các thiết bị nhiệt hạch. Nguồn: Zap Energy
Tích hợp các công nghệ nhà máy nhiệt hạch
Century mô phỏng các điều kiện kỹ thuật thương mại của phương pháp tiếp cận độc đáo của Zap đối với phản ứng tổng hợp hạt nhân, không dựa vào nam châm siêu dẫn hay laser cường độ cao. Thay vào đó, các mô-đun nhiệt hạch Z-pinch ổn định dòng cắt (SFS) của Zap truyền một xung điện qua dòng plasma đang chảy, tạo ra từ trường nén plasma, cũng như các lực ổn định duy trì nó.
"Việc vận hành kéo dài một hệ thống xung lặp lại tích hợp hoàn chỉnh ở công suất 30 kilowatt cho chúng tôi hình dung rõ ràng hơn về hình dáng thực tế của một nhà máy điện nhiệt hạch Z-pinch dòng cắt", Matthew Thompson, Phó Chủ tịch Kỹ thuật Hệ thống tại Zap Energy, cho biết. "Các thử nghiệm thực tế của Century đối với các hệ thống con kỹ thuật của chúng tôi cho thấy chúng tôi đã bắt đầu xác định và giải quyết nhiều thách thức công nghệ thương mại khó khăn nhất."
Một trong những mục tiêu của Century là mô tả việc truyền năng lượng giữa ba hệ thống con chính của nhà máy điện: năng lượng xung lặp lại (các xung năng lượng thường xuyên); các bức tường kim loại lỏng (để hấp thụ và truyền năng lượng nhiệt hạch ra khỏi buồng plasma); và các điện cực bền (các thành phần có khả năng chịu được điều kiện khắc nghiệt). Những công nghệ này rất cần thiết để xây dựng một hệ thống nhiệt hạch thương mại có khả năng tạo ra năng lượng ổn định trong một thời gian dài.
Kể từ lần vận hành đầu tiên vào năm ngoái, mỗi hệ thống con của Century đã được nâng cấp với mục tiêu đạt mốc 30 kW. Các nâng cấp bao gồm:
Một vòng kim loại lỏng lưu thông 2.500 pound (1.100 kg) bismuth đang chảy. Bismuth lỏng hoạt động như một đường dẫn điện, một lớp bảo vệ hướng về plasma và một chất lỏng truyền nhiệt.
Một bức tường đầu tiên bằng kim loại lỏng sử dụng lực ly tâm để bao phủ nhiều bề mặt kim loại rắn tiếp xúc hơn, cải thiện khả năng hấp thụ nhiệt plasma.
Một bộ trao đổi nhiệt làm mát bằng không khí 200 kilowatt được chế tạo riêng giúp duy trì cân bằng nhiệt.
Một chóp nón được thiết kế lại, được phủ kim loại lỏng để ngăn ngừa xói mòn cực âm.
Một hệ thống làm mát đột biến cực âm lưu lượng cao giúp giảm nhanh nhiệt độ hệ thống giữa các lần bắn.
"Century đang hoàn thiện các công nghệ cuối cùng sẽ chuyển đổi năng lượng từ các phản ứng tổng hợp của chúng tôi thành điện hoặc nhiệt công nghiệp—kỹ thuật hệ thống trước đây thường bị bỏ qua trong quá trình phát triển phản ứng tổng hợp", Benj Conway, Giám đốc điều hành kiêm đồng sáng lập của Zap Energy, cho biết. "Phản ứng nhiệt hạch không chỉ là vấn đề plasma. Đó là vấn đề tích hợp hệ thống."
Century tạo ra các plasma Z pinch ổn định dòng cắt bên trong buồng chân không này, mang dòng điện mạnh hơn cả tia sét. Hệ thống được tạo xung lặp lại với tốc độ lên đến một plasma cứ sau năm giây trong hàng trăm lần phóng liên tiếp. Nguồn: Zap Energy
Cách thức hoạt động của Century
Mỗi lần phóng của Century bắt đầu từ bộ nguồn: một bộ tụ điện quy mô lớn lấy năng lượng từ lưới điện, lưu trữ trong thời gian ngắn, sau đó giải phóng một luồng điện ngắn vào đỉnh buồng chân không của Century thông qua hệ thống cáp cỡ lớn. Bên trong buồng plasma thẳng đứng, được mô phỏng theo thiết bị Zap FuZE, xung này ion hóa một luồng khí hydro thành một sợi plasma cực nóng và đặc.
Vì mục tiêu thiết kế là xác nhận kỹ thuật, Century hoạt động bằng khí hydro hoặc heli thông thường, thay vì nhiên liệu deuterium-tritium cấp độ phản ứng nhiệt hạch. Do đó, plasma của nó không trải qua phản ứng nhiệt hạch hoặc phát ra neutron.
Cuối cùng, năng lượng nhiệt từ plasma đến thành kim loại lỏng đang chảy bao phủ bề mặt bên trong của buồng plasma. Vòng tuần hoàn
Kim loại cách điện hấp thụ năng lượng nhiệt của plasma, truyền đến bộ trao đổi nhiệt làm mát bằng không khí, rồi quay trở lại buồng chân không.
Mở rộng quy mô
Kể từ khi đưa vào vận hành vào tháng 6 năm 2024, Century đã tăng công suất từ 10 giây bắn plasma đơn lẻ với công suất trung bình khoảng 1,4 kilowatt lên 5 giây bắn một lần, với công suất trung bình khoảng 30 kilowatt. Vào tháng 2 năm 2025, DOE đã chứng nhận hoàn thành chiến dịch Century kéo dài ba giờ, tạo ra hơn một nghìn lần bắn plasma liên tiếp, mỗi lần bắn có dòng điện ít nhất 100 kiloampe. Trong năm qua, nền tảng này đã bắn hơn mười nghìn lần bắn trên nhiều cấu hình khác nhau, mang lại những bài học quý giá về cách vận hành plasma Z-pinch tốc độ lặp lại cao.
Trong những tháng tới, Zap sẽ tiếp tục nghiên cứu các vấn đề kỹ thuật quan trọng đồng thời dần dần tăng tốc độ lặp lại và mức công suất của Century.
Thông tin thêm: Matthew Thompson và cộng sự, Century: Hệ thống Z-Pinch ổn định dòng chảy cắt lặp lại quy mô 100 kW của Zap Energy với hệ thống làm mát bằng kim loại lỏng, Khoa học và công nghệ Fusion (2025). DOI: 10.1080/15361055.2025.2532331
