Làm Nóng Plasma: Những Bước Tiến Mới Trong Năng Lượng Nhiệt Hạch

Tokamak Energy vừa công bố hình ảnh ấn tượng từ bên trong lò phản ứng nhiệt hạch khi đạt đến nhiệt độ 100 triệu độ C, tạo ra plasma.

Ảnh: Tokamak Energy

Công ty Tokamak Energy, có trụ sở tại Anh, đang tiên phong trong lĩnh vực năng lượng hạt nhân thương mại với thiết bị lò tokamak hình cầu. Thiết kế này giống như một chiếc bánh vòng và sử dụng các nam châm mạnh mẽ để kìm hãm plasma cực nóng—a trạng thái thứ tư của vật chất, bên cạnh rắn, lỏng và khí. Plasma bao gồm các electron âm và các ion dương được tách ra bởi nhiệt độ cao từ môi trường xung quanh.

Khi nguyên tử hydrogen được nung nóng và trở thành plasma, chúng tích điện dương và đẩy nhau ra xa. Tại Mặt Trời, lực hấp dẫn khổng lồ tạo ra áp suất cực cao, giúp vượt qua lực đẩy này. Tuy nhiên, việc tái tạo áp suất này trên Trái Đất là một thách thức lớn. Do đó, các nhà nghiên cứu phải làm nóng plasma đến một mức độ cao hơn. Nhiệt độ càng cao, vận tốc chuyển động của các nguyên tử càng lớn, cho phép chúng sáp nhập với nhau, như Chris Kelsall, CEO của Tokamak Energy, đã chia sẻ.

Để đạt được sự sáp nhập, nhiệt độ cần lên tới hơn 100 triệu độ C—gấp sáu lần so với nhiệt độ ở lõi Mặt Trời. “Khi diễn ra sự sáp nhập, nguyên tử hydrogen sẽ biến thành helium và giải phóng một neutron mang tới 80% năng lượng từ phản ứng. Đó là lượng năng lượng mà chúng tôi thu nhận,” Kelsall cho hay. Video do Tokamak Energy phát hành minh họa cho khoảnh khắc này, chỉ diễn ra trong một phần mili giây và chỉ với một lượng nhỏ nguyên tử tham gia sáp nhập. Để đạt quy mô công suất sản xuất lớn, lò phản ứng cần hoạt động liên tục trong nhiều giờ.

Để duy trì nhiệt độ cao như vậy, plasma cực nóng cần phải được giữ trong một không gian nhỏ—đó là lý do mà lò tokamak cần đến hệ thống nam châm lớn. “Chúng tôi cần một hệ thống nam châm cực kỳ mạnh mẽ,” Tony Langtry, trưởng phòng kỹ thuật ở Tokamak Energy, nhấn mạnh. “Từ trường để điều khiển plasma được tạo ra từ dòng điện cực lớn chảy qua các vật dẫn. Khi dòng điện chạy, nó sinh ra từ trường, và plasma, cũng có dòng điện, sẽ phản ứng với từ trường đó.”

Bên trong lò phản ứng nhiệt hạch tokamak của Tokamak Energy.

Hiện tại, lò tokamak ST40 đang sử dụng nam châm đồng để giữ plasma ở trạng thái ổn định. Theo Kelsall, đồng là một vật dẫn điện rất tốt, nhưng nó cũng có điện trở, nghĩa là sẽ tiêu hao một phần năng lượng và biến nó thành nhiệt, gây lãng phí. Ngược lại, vật liệu siêu dẫn có khả năng không tạo ra điện trở và không gây mất năng lượng dưới những điều kiện cụ thể.

Mẫu lò tokamak tiếp theo mang tên ST80 sẽ sử dụng vật liệu siêu dẫn để tạo ra từ trường mạnh mẽ và hiệu quả hơn trong việc điều khiển plasma. Kelsall cho biết dự án này dự kiến sẽ hoàn thành vào năm 2026 hoặc 2027. Sau ST80, họ sẽ tiếp tục phát triển mẫu lò ST-E1 để thử nghiệm khả năng cung cấp điện cho lưới điện, với hy vọng hoàn thành vào đầu thập niên 2030.