Sức hấp dẫn đáng ngạc nhiên của rào cản đối với việc phát triển năng lượng an toàn, sạch và không có carbon
bởi John Greenwald
Ảnh: CC0
Các nhà khoa học đã phát hiện ra tác động đáng chú ý của việc đảo ngược một phương pháp tiêu chuẩn để chống lại trở ngại chính trong việc tạo ra năng lượng nhiệt hạch trên Trái đất. Các nhà lý thuyết tại Phòng thí nghiệm Vật lý Plasma Princeton (PPPL) của Bộ Năng lượng Hoa Kỳ (DOE) đã đề xuất làm ngược lại chính xác với quy trình được quy định để cải thiện đáng kể kết quả trong tương lai.
Xé toạc các hố trong plasma
Vấn đề, được gọi là "các chế độ xé rách bị khóa", xảy ra trong tất cả các tokama ngày nay, các cơ sở từ tính hình bánh rán được thiết kế để tạo ra và kiểm soát sức mạnh nhiệt hạch gần như không giới hạn thúc đẩy mặt trời và các ngôi sao. Các chế độ do mất ổn định gây ra quay theo plasma nóng, tích điện - trạng thái thứ tư của vật chất bao gồm các electron tự do và hạt nhân nguyên tử cung cấp năng lượng cho phản ứng nhiệt hạch - và các lỗ rách được gọi là đảo trong từ trường giam giữ khí, cho phép rò rỉ nhiệt chính .
Những hòn đảo này phát triển lớn hơn khi các chế độ ngừng quay và khóa vào vị trí, tốc độ phát triển làm tăng sự mất nhiệt, làm giảm hiệu suất plasma và có thể gây ra gián đoạn cho phép năng lượng tích trữ trong plasma tấn công và làm hỏng các bức tường bên trong của tokamak. Để tránh những rủi ro như vậy, các nhà nghiên cứu hiện chiếu tia vi sóng vào plasma để ổn định các chế độ trước khi chúng có thể khóa lại.
Tuy nhiên, các phát hiện PPPL gợi ý mạnh mẽ rằng các nhà nghiên cứu nên ổn định các chế độ trong các tokama thế hệ tiếp theo lớn sau khi chúng đã bị khóa. Trong các tokama ngày nay, "các chế độ này khóa nhanh hơn mọi người nghĩ và việc ổn định chúng trở nên khó hơn nhiều trong khi chúng vẫn đang quay", Richard Nies, một nghiên cứu sinh tiến sĩ thuộc Chương trình Princeton về Vật lý Plasma và là tác giả chính của Hạt nhân cho biết. Giấy kết hợp đưa ra những phát hiện đáng ngạc nhiên.
Ông nói thêm, một nhược điểm khác là "những vi sóng này làm tăng chiều rộng của chúng bằng cách khúc xạ khỏi plasma, làm cho sự ổn định của chế độ trong khi nó quay thậm chí còn kém hiệu quả hơn ngày nay và vấn đề này ngày càng trầm trọng hơn trong những năm gần đây."
Đi kèm với những vấn đề này là thực tế là trong các tokama lớn trong tương lai như ITER, cơ sở quốc tế đang được xây dựng ở miền nam nước Pháp, "plasma rất lớn nên vòng quay chậm hơn nhiều và các chế độ này khóa khá nhanh khi chúng vẫn còn khá nhỏ ", Nies nói. "Vì vậy, sẽ hiệu quả hơn nhiều nếu chuyển đổi gói ổn định trong các tokama lớn trong tương lai và để chúng khóa đầu tiên và sau đó ổn định chúng."
Sự đảo ngược đó có thể tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình nhiệt hạch mà các nhà khoa học trên thế giới đang tìm cách tái tạo. Quá trình kết hợp các yếu tố ánh sáng dưới dạng plasma để giải phóng một lượng lớn năng lượng. Allan Reiman, một nhà nghiên cứu nổi tiếng và đồng tác giả của bài báo cho biết: “Điều này cung cấp một cách nhìn khác và có thể là một cách hiệu quả hơn nhiều để giải quyết vấn đề. Reiman nói: “Mọi người nên xem xét nghiêm túc hơn khả năng cho phép các đảo bị khóa.
Gần với sự gián đoạn
Kỹ thuật được khuyến nghị không có khả năng hoạt động trong các tokama ngày nay vì các đảo chế độ xé phát triển quá nhanh và quá lớn khi chúng khóa chặt các cơ sở này đến mức plasma gần như bị gián đoạn khi nó đã bị khóa. Đó là lý do tại sao các nhà nghiên cứu bây giờ phải sử dụng một lượng lớn năng lượng để ổn định các chế độ với chi phí hạn chế sản lượng nhiệt hạch. Ngược lại, sự phát triển chậm lại của các hòn đảo trong tokamaks thế hệ tiếp theo "để lại một chặng đường dài trước khi bạn gặp sự cố, vì vậy có rất nhiều thời gian để ổn định chế độ", Nies nói.
Khi các chế độ trong tokama tương lai được khóa tại chỗ, vi sóng có thể nhắm mục tiêu trực tiếp thay vì chỉ ổn định chúng khi chúng quay ngang qua chùm vi sóng trong các cơ sở hiện tại. "Những tính toán lý thuyết này cho thấy hiệu quả của những gì chúng tôi đang đề xuất", Nies chỉ ra.
Điều cần thiết bây giờ là các thí nghiệm để kiểm tra quá trình hành động được đề xuất, ông nói. "Chúng tôi sẽ không muốn bật ITER và chỉ sau đó tìm ra chiến lược nào hoạt động. Có cơ hội thực sự để khám phá vật lý mà chúng tôi giải quyết trong các thiết bị hiện tại."
