Khám Phá Thiết Bị FuZe Đạt Nhiệt Độ 37 Triệu Độ C Trong Năng Lượng Nhiệt Hạch

Thiết bị FuZe nhỏ gọn đang mở ra cơ hội cung cấp điện năng từ nhiệt hạch với nhiệt độ lên tới 37 triệu độ C.

Mới đây, một thiết bị được sản xuất bởi công ty khởi nghiệp Zap Energy tại Mỹ đã đạt được nhiệt độ plasma electron trong khoảng từ 1 đến 3 keV, tương đương 11 đến 37 triệu độ C. Thông tin này được báo cáo bởi Interesting Engineering vào ngày 23 tháng 4.

Chớp sáng từ plasma của thiết bị FuZe. (Ảnh: Zap Energy).

Trong suốt gần một thế kỷ qua, nhiều nghiên cứu về phản ứng nhiệt hạch đã được thực hiện nhưng chỉ có một số ít công nghệ có thể đạt nhiệt độ plasma vượt quá 15 triệu độ C – nhiệt độ cần thiết để thực hiện các phản ứng hạt nhân giống như tại lõi Mặt Trời. Khi thế giới đang tìm kiếm các nguồn năng lượng sạch hơn, nhiệt hạch nổi lên như một giải pháp khả thi để tạo ra một lượng năng lượng khổng lồ. Giai đoạn đầu của quá trình này chính là sản xuất plasma. Plasma là trạng thái vật chất thứ tư, nơi mà các electron không còn ở trạng thái nguyên tử mà tự do trôi nổi. Quá trình hợp nhất nguyên tử trong plasma có thể sinh ra một lượng năng lượng cao gấp 10 triệu lần so với năng lượng thu được từ than đá. Tuy nhiên, do plasma nhiệt hạch bao gồm hai thành phần với khối lượng chênh lệch đáng kể (hạt nhân và electron), nên chúng nóng và nguội ở tốc độ khác nhau. Điều này dẫn đến việc electron nguội nhanh có thể ngăn cản sự gia tăng nhiệt độ của plasma, gây khó khăn trong việc phát triển các lò phản ứng nhiệt hạch.

Để giải quyết vấn đề này, dự án Advanced Research Projects Agency-Energy thuộc Bộ Năng lượng Mỹ đã đầu tư vào nghiên cứu tại Đại học Washington. Từ nghiên cứu này, vào năm 2020, Zap Energy đã ra đời với ý tưởng sử dụng Thí nghiệm Z-pinch nhiệt hạch (FuZe). Phương pháp này giúp duy trì sự ổn định cho plasma bằng cách điều chỉnh electron không bị nguội nhanh chóng. Cụ thể, dòng electron di chuyển qua các sợi plasma mỏng tạo ra các trường điện từ, vừa làm nóng plasma vừa đè nén nó. Tuy nhiên, plasma chỉ có thể tồn tại trong thời gian ngắn, và Zap Energy đã phát triển phương pháp ổn định dòng trượt để khắc phục vấn đề này.

Đến nay, các nhà nghiên cứu có thể đo nhiệt độ riêng biệt của hạt nhân và electron trong plasma. Zap Energy hợp tác với Phòng thí nghiệm quốc gia Lawrence Livermore (LLNL) và Đại học California, San Diego (UCSD) để thực hiện các phép đo nhiệt độ electron trong plasma FuZe.

Trong phương pháp tán xạ Thomson, nhóm nghiên cứu đã bắn những xung ánh sáng xanh vào plasma với tốc độ cực nhanh. Họ đo sự phân tán của electron và xác định nhiệt độ của chúng. Kết quả cho thấy rằng electron trong plasma FuZe có nhiệt độ tương đương với hạt nhân, và plasma duy trì sự cân bằng nhiệt tốt. Khác với những công nghệ nhiệt hạch hiện nay, FuZe không cần đến nam châm siêu dẫn hay laser mạnh để tạo ra plasma, nhờ đó giúp giảm chi phí sản xuất.

Nghiên cứu về FuZe được đăng tải trên tạp chí Physical Review Letters. Nhóm nghiên cứu hiện đang hướng tới dự án mới mang tên Fuze-Q, hứa hẹn có năng suất cao gấp 10 lần so với FuZe và có khả năng đạt nhiệt độ cao hơn nữa.