Lò phản ứng nhiệt hạch thử nghiệm siêu dẫn tiên tiến (EAST) của Trung Quốc, còn được mệnh danh là “mặt trời nhân tạo”.

Theo thông báo từ Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc, lò phản ứng Tokamak EAST đã duy trì ổn định plasma – trạng thái vật chất thứ tư có năng lượng cao – ở mật độ cực cao. Đây là một thách thức lớn mà trước đây được xem là rào cản trong quá trình phát triển phản ứng tổng hợp hạt nhân.

Giáo sư Ping Zhu, đồng tác giả chính của nghiên cứu từ Trường Kỹ thuật Điện và Điện tử tại Đại học Khoa học và Công nghệ Trung Quốc, nhận định: “Những phát hiện này mở ra một con đường thực tiễn và có thể mở rộng để vượt qua giới hạn mật độ trong các lò phản ứng tokamak và các thiết bị tổng hợp plasma đốt cháy thế hệ tiếp theo”.

Tiềm năng năng lượng sạch và những thách thức

Phản ứng tổng hợp hạt nhân hứa hẹn một nguồn năng lượng sạch gần như vô tận, không tạo ra nhiều chất thải hạt nhân hay khí thải nhà kính gây biến đổi khí hậu như nhiên liệu hóa thạch.

Những phát hiện mới, được công bố vào ngày 1/1 trên tạp chí “Những tiến bộ khoa học”, có thể đưa nhân loại tiến thêm một bước đến việc khai thác nguồn năng lượng này, mà một số nhà nghiên cứu dự đoán có thể khả thi trong vài thập kỷ tới.

Tuy nhiên, công nghệ phản ứng tổng hợp hạt nhân đã được phát triển hơn 70 năm và vẫn còn là một lĩnh vực khoa học mang tính thử nghiệm cao. Các lò phản ứng thường tiêu thụ nhiều năng lượng hơn mức chúng có thể sản xuất.

Trong bối cảnh các nhà khoa học khí hậu đang kêu gọi cắt giảm mạnh lượng khí thải nhà kính ngay lập tức do tác động của biến đổi khí hậu đã và đang diễn ra trên toàn cầu, phản ứng tổng hợp hạt nhân khó có thể là một giải pháp tức thời cho cuộc khủng hoảng khí hậu hiện nay, nhưng có thể cung cấp năng lượng cho thế giới trong tương lai.

Cơ chế hoạt động và vượt qua giới hạn Greenwald

Các lò phản ứng nhiệt hạch được thiết kế để hợp nhất hai nguyên tử nhẹ thành một nguyên tử nặng duy nhất thông qua nhiệt và áp suất, tạo ra năng lượng tương tự như mặt trời. Do áp suất trên Trái đất thấp hơn nhiều so với mặt trời, các nhà khoa học phải bù đắp bằng cách giữ plasma nóng ở nhiệt độ cao hơn nhiều. Lò phản ứng EAST của Trung Quốc là một lò phản ứng giam giữ từ trường, hay còn gọi là tokamak, được thiết kế để giữ plasma liên tục cháy trong thời gian dài.

Lò phản ứng làm nóng plasma và giữ nó bên trong một buồng hình bánh rán bằng cách sử dụng các từ trường mạnh. Mặc dù các lò phản ứng tokamak vẫn chưa đạt được sự kích hoạt phản ứng nhiệt hạch (điểm mà quá trình nhiệt hạch trở nên tự duy trì), lò phản ứng EAST đã và đang tăng thời gian duy trì một vòng plasma ổn định, được giam giữ cao.

Một trở ngại lớn đối với các nhà nghiên cứu phản ứng tổng hợp hạt nhân là giới hạn mật độ, được gọi là giới hạn Greenwald. Vượt quá giới hạn này, plasma thường trở nên không ổn định. Mặc dù mật độ plasma cao hơn cho phép nhiều nguyên tử va chạm, giảm chi phí năng lượng để kích hoạt, nhưng sự không ổn định lại làm tắt phản ứng tổng hợp hạt nhân.

Để vượt qua giới hạn Greenwald, các nhà khoa học tại EAST đã kiểm soát cẩn thận sự tương tác của plasma với thành lò phản ứng bằng cách điều chỉnh hai thông số chính khi khởi động: áp suất khí nhiên liệu ban đầu và sự gia nhiệt cộng hưởng cyclotron điện tử (tần số mà các electron trong plasma hấp thụ vi sóng).

Điều này giúp giữ plasma ổn định ở mật độ cực cao, gấp 1,3 đến 1,65 lần giới hạn Greenwald – cao hơn nhiều so với phạm vi hoạt động thông thường của tokamak là 0,8 đến 1.

Những tiến bộ toàn cầu và tương lai của ITER

Đây không phải là lần đầu tiên giới hạn Greenwald bị vượt qua. Lò phản ứng tokamak DIII-D của Bộ Năng lượng Mỹ ở San Diego đã vượt qua giới hạn này vào năm 2022, và vào năm 2024, các nhà nghiên cứu tại Đại học Wisconsin–Madison đã duy trì plasma tokamak ổn định ở mức gấp khoảng 10 lần giới hạn Greenwald bằng một thiết bị thử nghiệm.

Tuy nhiên, một sự cố rò rỉ tại EAST đã cho phép các nhà nghiên cứu lần đầu tiên làm nóng plasma đến trạng thái được lý thuyết hóa trước đó gọi là “chế độ không mật độ”, trong đó plasma vẫn ổn định khi mật độ tăng lên.

Nghiên cứu này dựa trên lý thuyết tự tổ chức plasma-thành (PWSO), cho rằng chế độ không mật độ có thể khả thi khi sự tương tác giữa plasma và thành lò phản ứng ở trạng thái cân bằng cẩn thận.

Những tiến bộ đạt được tại EAST và ở Mỹ sẽ cung cấp thông tin quan trọng cho việc phát triển các lò phản ứng mới. Trung Quốc và Mỹ đều là thành viên của chương trình Lò phản ứng nhiệt hạch thử nghiệm quốc tế (ITER), một sự hợp tác giữa hàng chục quốc gia để xây dựng lò phản ứng tokamak lớn nhất thế giới ở Pháp.

ITER dự kiến sẽ bắt đầu sản xuất các phản ứng tổng hợp quy mô lớn vào năm 2039, mở đường cho các nhà máy điện nhiệt hạch trong tương lai.

Tin liên quan:

Trang trại điện mặt trời ngoài khơi lớn nhất thế giới hoạt động

Tìm thấy “chìa khóa” cho nguồn năng lượng sạch đủ dùng 170.000 năm