Khám Phá Quá Trình Hình Thành Plasma Trong Lò Nhiệt Hạch

Tokamak Energy tiết lộ hình ảnh ấn tượng từ bên trong lò phản ứng tokamak khi đạt nhiệt độ 100 triệu độ C, tạo ra plasma.

Ảnh: Tokamak Energy

Công ty năng lượng nhiệt hạch Tokamak Energy tại Vương Quốc Anh đã phát triển lò phản ứng tokamak hình cầu, một thiết bị có cấu trúc giống như bánh donut, sử dụng các nam châm mạnh để giữ lại dòng plasma ở nhiệt độ cực cao. Plasma được xem như một trạng thái thứ tư của vật chất, bên cạnh rắn, lỏng và khí, gồm các electron tích điện âm và ion tích điện dương tách rời nhau do nhiệt độ cao.

Khi hydrogen được đun nóng tới mức plasma, các nguyên tử này sẽ tích điện dương và đẩy nhau ra. Trong môi trường như Mặt trời, áp suất cực cao do lực hấp dẫn giúp vượt qua lực đẩy này. Tuy nhiên, việc tạo ra áp suất cao như vậy trên Trái đất là vô cùng khó khăn. Do đó, các nhà khoa học buộc phải làm nóng plasma lên mức cao hơn để cho phép sự hợp nhất nguyên tử. Chris Kelsall, giám đốc điều hành của Tokamak Energy, cho biết rằng nhiệt độ cần thiết để tạo ra điều này là trên 100 triệu độ C, gấp sáu lần nhiệt độ tại lõi Mặt trời.

“Quá trình hợp nhất này tạo ra nguyên tử heli và một neutron mang đến 80% năng lượng từ phản ứng,” Kelsall nói. Video từ Tokamak Energy đã ghi lại khoảnh khắc lò phản ứng đạt tới nhiệt độ khổng lồ này. Tuy nhiên, toàn bộ quá trình diễn ra chỉ trong vài mili giây và chỉ một lượng nhỏ nguyên tử thực sự kết hợp lại. Để đạt được quy mô đầy đủ, nhà máy năng lượng nhiệt hạch cần hoạt động liên tục trong nhiều giờ, điều mà hiện nay vẫn chưa được thực hiện.

Để duy trì plasma trong điều kiện cực đoan, nó phải được giữ trong một không gian hạn chế, mà lý do lò tokamak cần đến hệ thống nam châm mạnh. “Bạn cần một hệ thống từ trường lớn,” Tony Langtry, trưởng phòng kỹ thuật của Tokamak Energy, cho biết. “Từ trường được tạo ra bởi dòng điện khổng lồ cũng kèm theo trong vật dẫn. Plasma cũng mang điện nên sẽ tương tác với từ trường.”

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

Mô hình lò tokamak hiện tại đang hoạt động được gọi là ST40, sử dụng nam châm bằng đồng để kiểm soát plasma. Như Kelsall đã chỉ ra, đồng là một vật liệu dẫn điện tốt, nhưng nó có thể tiêu hao năng lượng do điện trở của nó tạo ra nhiệt. Trái lại, vật liệu siêu dẫn không tạo ra điện trở và giúp tiết kiệm năng lượng trong điều kiện nhất định.

Mô hình tokamak tiếp theo mang tên ST80 sẽ sử dụng vật liệu siêu dẫn nhằm tạo ra từ trường mạnh và hiệu quả hơn để quản lý plasma. Kelsall dự đoán rằng mô hình này sẽ được hoàn thiện trong giai đoạn 2026-2027. Sau khi hoàn thành ST80, nhóm nghiên cứu sẽ chuyển sang dự án ST-E1, một thử nghiệm thương mại nhằm chứng minh khả năng cung cấp điện cho mạng lưới điện, với hy vọng hoàn thành vào đầu thập kỷ 2030.