Bùi Minh Nhật
Intern Writer
Vật liệu mới có thể là chìa khóa để xây dựng thành công lò phản ứng nhiệt hạch.
Tháng trước, một lò phản ứng nhiệt hạch ở Trung Quốc đã thành công trong việc chứa plasma trạng thái ổn định trong hơn 17 phút, đưa nhân loại tiến thêm một bước nữa đến mục tiêu đạt được nguồn năng lượng vô hạn , theo thông cáo báo chí từ Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc. Lò Tokamak siêu dẫn tiên tiến thử nghiệm ở Hợp Phì là một trong 40 lò phản ứng nhiệt hạch đang được phát triển trên toàn thế giới. Tất cả chúng đều đang cố gắng tái tạo sức mạnh của mặt trời, ngay tại Trái đất này. Theo Cơ quan Năng lượng Nguyên tử Quốc tế (IAEA), một tổ chức của Liên hợp quốc thúc đẩy việc sử dụng công nghệ hạt nhân vì mục đích hòa bình, một lò phản ứng nhiệt hạch có thể tạo ra năng lượng nhiều hơn gần bốn triệu lần so với việc đốt dầu hoặc than.
Plasma, một tập hợp khí của các ion dương và electron chuyển động, là trạng thái thứ tư của vật chất và cung cấp năng lượng cho sự hợp nhất của các ngôi sao. Nhưng trong lò phản ứng tổng hợp , plasma cần đạt tới 180 triệu độ Fahrenheit, nóng hơn mặt trời khoảng 10 lần. Các khí nóng đến mức các electron thoát khỏi sự gắn kết của chúng với hạt nhân nguyên tử, vùng dày đặc chứa các proton và neutron ở trung tâm của các nguyên tử. Sau đó, hai hạt nhân va chạm với nhau và hợp nhất thành một hạt nhân duy nhất, nặng hơn. Mỗi lần sự hợp nhất này xảy ra, nó giải phóng một lượng năng lượng khổng lồ . Chỉ cần một vài gam deuterium và tritium—các nguyên tử hydro chứa thêm neutron và có thể cung cấp năng lượng cho tokamak—sẽ tạo ra một terajoule năng lượng, theo IAEA. Đó là lượng năng lượng mà một người ở một quốc gia phát triển cần trong sáu mươi năm.
Nhưng phản ứng tổng hợp không thể duy trì được trừ khi các nhà khoa học tìm ra cách giữ cho plasma ổn định.
Điện tích vốn có của plasma - bao gồm các ion tích điện dương và các electron tích điện âm - có nghĩa là nếu plasma chạm vào bất cứ thứ gì, nó sẽ nguội đi và vỡ ra, giống như nước từ một quả bóng bay bị nổ. Để cho phép các phản ứng tổng hợp được kiểm soát, các lò phản ứng hình bánh rán rỗng gọi là tokamak chứa các nam châm mạnh có tác dụng giới hạn và nén đường đi của plasma, trước khi xoáy nó xung quanh tokamak để bắt đầu phản ứng tổng hợp. Nếu các nhà khoa học đạt được sự ổn định của plasma đủ lâu, mỗi phản ứng tổng hợp có thể cung cấp đủ nhiệt để cung cấp năng lượng cho phản ứng tiếp theo, tạo ra một chu kỳ tạo năng lượng liên tục - mục tiêu cuối cùng của động cơ tổng hợp không phát thải carbon.
Cho đến nay, chúng ta vẫn chưa có từ trường nào vừa mạnh vừa đủ nhỏ để duy trì phản ứng lâu hơn vài phần tỷ giây.
Gần đây, các nhà nghiên cứu tại Tokamak Energy ở Anh đã thử nghiệm một công nghệ siêu dẫn mới có thể mang tính đột phá đối với các tokamak đang vật lộn để chứa plasma. Siêu dẫn là vật liệu có thể dẫn điện mà không bị mất năng lượng khi được làm lạnh đến một nhiệt độ nhất định. Vì hầu như không có điện trở, siêu dẫn có thể cung cấp ma thuật từ tính giữ plasma tại chỗ. Các nhà nghiên cứu Anh đã liên kết một lớp mỏng oxit đồng bari đất hiếm siêu lạnh, được gọi là REBCO, với băng kim loại đồng mà họ quấn hàng trăm vòng. Sau đó, họ chạy 1.000 ampe dòng điện qua các cuộn dây, tạo ra mô hình cuộn dây trường hình xuyến siêu dẫn. Cuộn dây trường mạnh mẽ, nhỏ gọn này được sử dụng để tạo ra từ trường cực mạnh trong lò phản ứng nhiệt hạch. Tokamak Energy hy vọng sẽ đấu thầu Tokamak hình cầu của Anh để sản xuất điện, nhằm mục đích trở thành một minh chứng thực tế về lò phản ứng nhiệt hạch.
Các nhà khoa học từ Trung tâm Khoa học Plasma và Hợp nhất của MIT đã hợp tác với Commonwealth Fusion Systems, công ty năng lượng hợp nhất thương mại lớn nhất thế giới, để phát triển công nghệ REBCO. Đây là một chất giống gốm trở thành siêu dẫn ở nhiệt độ -424 độ F, một nhiệt độ dễ đạt được so với nhiệt độ không tuyệt đối, hoặc -460 độ F cần thiết cho các siêu dẫn thông thường. Tất cả những gì nó cần để làm mát là nitơ lỏng. Các nhà khoa học nghiên cứu các đặc tính của REBCO cho rằng nó có thể làm cho phản ứng tổng hợp hạt nhân trở nên thiết thực vì nó tạo ra một từ trường mạnh trong một tokamak nhỏ gọn hơn, nhiệt độ cao hơn.
Nhà nghiên cứu MIT Zach Hartwig, Tiến sĩ, đã làm việc trên chương trình công nghệ siêu dẫn, lò phản ứng SPARC . So với thế hệ siêu dẫn trước đây, "REBCO mở ra khả năng cải thiện khá sâu sắc về hiệu suất và kỹ thuật của tokamak", Hartwig cho biết trong một email.
Để đạt được sự tổng hợp bền vững thì phải đạt được những thành công về tiết kiệm năng lượng, dù lớn hay nhỏ.
Công nghệ SPARC có thể nhỏ hơn khoảng 33 lần so với Lò phản ứng thử nghiệm nhiệt hạt nhân quốc tế (ITER) đã hứa từ lâu, hiện đang bị chậm trễ tốn kém trong 10 năm. Điều đó có nghĩa là SPARC sẽ sử dụng ít vật liệu và năng lượng hơn để vận hành, tạo ra một tokamak nhỏ gọn và hiệu quả. Và mặc dù các yêu cầu về nhiệt độ của REBCO không phải là một bước nhảy vọt lớn so với các vật liệu siêu dẫn thông thường, nhưng sự khác biệt nhỏ này lại rất đáng kể, Hartwig cho biết. Trước hết, làm mát nam châm dễ dàng hơn nhiều, vì độ dẫn nhiệt đạt đỉnh ở nhiệt độ của nitơ lỏng. Đồng thời, nhiệt dung tăng khoảng 80 lần, cho phép nam châm chịu được nhiệt của nhiều bức xạ hơn bên trong tokamak. Khả năng hấp thụ nhiều nhiệt hơn này cũng giúp cân bằng mọi khiếm khuyết hoặc lỗi vận hành, Hartwig giải thích.
Do khả năng chịu đựng cao, về mặt lý thuyết, REBCO sẽ cho phép xây dựng các hệ thống nam châm có thể tháo rời và thay thế nhanh hơn khi cần thiết. Hartwig cho biết: "Những thách thức về kỹ thuật vẫn còn, nhưng cáp và nam châm REBCO ban đầu đã chứng minh được khả năng quan trọng này".
Vẫn còn những trở ngại cần vượt qua khi các nhà khoa học tiếp tục hành trình hướng tới thế hệ năng lượng nhiệt hạch bền vững. Các bước nghiên cứu quan trọng tiếp theo liên quan đến việc đảm bảo rằng plasma có thể tạo ra đủ nhiệt thông qua phản ứng nhiệt hạch để cung cấp năng lượng duy trì nhiệt độ cao cần thiết.
Và vấn đề về khí thải nhiệt vẫn chưa được giải quyết. Nhiệt độ cực cao phải được phân tán và bức xạ ra khỏi các bức tường buồng tokamak để bảo vệ vật liệu lò phản ứng. Cuối cùng, các nhà khoa học cần nghiên cứu các vật liệu cần thiết để xây dựng các nhà máy nhiệt hạch thí điểm và cách một nhà máy có thể tiến hóa theo thời gian. Hartwig cho biết có khả năng các nhà nghiên cứu sẽ cần khám phá và phát triển các vật liệu mới.
REBCO nên mở ra cánh cửa cho những bước tiếp theo. Thật khó để dự đoán chính xác khi nào một nguồn năng lượng nhiệt hạch hoạt động sẽ cung cấp năng lượng cho Trái Đất. Nhưng chúng ta có thể bắt đầu thấy kết quả thực tế với một lò phản ứng nguyên mẫu hoạt động sớm nhất là vào năm 2040, theo IAEA. (popularmechanics)
Tháng trước, một lò phản ứng nhiệt hạch ở Trung Quốc đã thành công trong việc chứa plasma trạng thái ổn định trong hơn 17 phút, đưa nhân loại tiến thêm một bước nữa đến mục tiêu đạt được nguồn năng lượng vô hạn , theo thông cáo báo chí từ Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc. Lò Tokamak siêu dẫn tiên tiến thử nghiệm ở Hợp Phì là một trong 40 lò phản ứng nhiệt hạch đang được phát triển trên toàn thế giới. Tất cả chúng đều đang cố gắng tái tạo sức mạnh của mặt trời, ngay tại Trái đất này. Theo Cơ quan Năng lượng Nguyên tử Quốc tế (IAEA), một tổ chức của Liên hợp quốc thúc đẩy việc sử dụng công nghệ hạt nhân vì mục đích hòa bình, một lò phản ứng nhiệt hạch có thể tạo ra năng lượng nhiều hơn gần bốn triệu lần so với việc đốt dầu hoặc than.
Plasma, một tập hợp khí của các ion dương và electron chuyển động, là trạng thái thứ tư của vật chất và cung cấp năng lượng cho sự hợp nhất của các ngôi sao. Nhưng trong lò phản ứng tổng hợp , plasma cần đạt tới 180 triệu độ Fahrenheit, nóng hơn mặt trời khoảng 10 lần. Các khí nóng đến mức các electron thoát khỏi sự gắn kết của chúng với hạt nhân nguyên tử, vùng dày đặc chứa các proton và neutron ở trung tâm của các nguyên tử. Sau đó, hai hạt nhân va chạm với nhau và hợp nhất thành một hạt nhân duy nhất, nặng hơn. Mỗi lần sự hợp nhất này xảy ra, nó giải phóng một lượng năng lượng khổng lồ . Chỉ cần một vài gam deuterium và tritium—các nguyên tử hydro chứa thêm neutron và có thể cung cấp năng lượng cho tokamak—sẽ tạo ra một terajoule năng lượng, theo IAEA. Đó là lượng năng lượng mà một người ở một quốc gia phát triển cần trong sáu mươi năm.
Nhưng phản ứng tổng hợp không thể duy trì được trừ khi các nhà khoa học tìm ra cách giữ cho plasma ổn định.
Điện tích vốn có của plasma - bao gồm các ion tích điện dương và các electron tích điện âm - có nghĩa là nếu plasma chạm vào bất cứ thứ gì, nó sẽ nguội đi và vỡ ra, giống như nước từ một quả bóng bay bị nổ. Để cho phép các phản ứng tổng hợp được kiểm soát, các lò phản ứng hình bánh rán rỗng gọi là tokamak chứa các nam châm mạnh có tác dụng giới hạn và nén đường đi của plasma, trước khi xoáy nó xung quanh tokamak để bắt đầu phản ứng tổng hợp. Nếu các nhà khoa học đạt được sự ổn định của plasma đủ lâu, mỗi phản ứng tổng hợp có thể cung cấp đủ nhiệt để cung cấp năng lượng cho phản ứng tiếp theo, tạo ra một chu kỳ tạo năng lượng liên tục - mục tiêu cuối cùng của động cơ tổng hợp không phát thải carbon.
Cho đến nay, chúng ta vẫn chưa có từ trường nào vừa mạnh vừa đủ nhỏ để duy trì phản ứng lâu hơn vài phần tỷ giây.
Gần đây, các nhà nghiên cứu tại Tokamak Energy ở Anh đã thử nghiệm một công nghệ siêu dẫn mới có thể mang tính đột phá đối với các tokamak đang vật lộn để chứa plasma. Siêu dẫn là vật liệu có thể dẫn điện mà không bị mất năng lượng khi được làm lạnh đến một nhiệt độ nhất định. Vì hầu như không có điện trở, siêu dẫn có thể cung cấp ma thuật từ tính giữ plasma tại chỗ. Các nhà nghiên cứu Anh đã liên kết một lớp mỏng oxit đồng bari đất hiếm siêu lạnh, được gọi là REBCO, với băng kim loại đồng mà họ quấn hàng trăm vòng. Sau đó, họ chạy 1.000 ampe dòng điện qua các cuộn dây, tạo ra mô hình cuộn dây trường hình xuyến siêu dẫn. Cuộn dây trường mạnh mẽ, nhỏ gọn này được sử dụng để tạo ra từ trường cực mạnh trong lò phản ứng nhiệt hạch. Tokamak Energy hy vọng sẽ đấu thầu Tokamak hình cầu của Anh để sản xuất điện, nhằm mục đích trở thành một minh chứng thực tế về lò phản ứng nhiệt hạch.
Các nhà khoa học từ Trung tâm Khoa học Plasma và Hợp nhất của MIT đã hợp tác với Commonwealth Fusion Systems, công ty năng lượng hợp nhất thương mại lớn nhất thế giới, để phát triển công nghệ REBCO. Đây là một chất giống gốm trở thành siêu dẫn ở nhiệt độ -424 độ F, một nhiệt độ dễ đạt được so với nhiệt độ không tuyệt đối, hoặc -460 độ F cần thiết cho các siêu dẫn thông thường. Tất cả những gì nó cần để làm mát là nitơ lỏng. Các nhà khoa học nghiên cứu các đặc tính của REBCO cho rằng nó có thể làm cho phản ứng tổng hợp hạt nhân trở nên thiết thực vì nó tạo ra một từ trường mạnh trong một tokamak nhỏ gọn hơn, nhiệt độ cao hơn.
Nhà nghiên cứu MIT Zach Hartwig, Tiến sĩ, đã làm việc trên chương trình công nghệ siêu dẫn, lò phản ứng SPARC . So với thế hệ siêu dẫn trước đây, "REBCO mở ra khả năng cải thiện khá sâu sắc về hiệu suất và kỹ thuật của tokamak", Hartwig cho biết trong một email.
Để đạt được sự tổng hợp bền vững thì phải đạt được những thành công về tiết kiệm năng lượng, dù lớn hay nhỏ.
Công nghệ SPARC có thể nhỏ hơn khoảng 33 lần so với Lò phản ứng thử nghiệm nhiệt hạt nhân quốc tế (ITER) đã hứa từ lâu, hiện đang bị chậm trễ tốn kém trong 10 năm. Điều đó có nghĩa là SPARC sẽ sử dụng ít vật liệu và năng lượng hơn để vận hành, tạo ra một tokamak nhỏ gọn và hiệu quả. Và mặc dù các yêu cầu về nhiệt độ của REBCO không phải là một bước nhảy vọt lớn so với các vật liệu siêu dẫn thông thường, nhưng sự khác biệt nhỏ này lại rất đáng kể, Hartwig cho biết. Trước hết, làm mát nam châm dễ dàng hơn nhiều, vì độ dẫn nhiệt đạt đỉnh ở nhiệt độ của nitơ lỏng. Đồng thời, nhiệt dung tăng khoảng 80 lần, cho phép nam châm chịu được nhiệt của nhiều bức xạ hơn bên trong tokamak. Khả năng hấp thụ nhiều nhiệt hơn này cũng giúp cân bằng mọi khiếm khuyết hoặc lỗi vận hành, Hartwig giải thích.
Do khả năng chịu đựng cao, về mặt lý thuyết, REBCO sẽ cho phép xây dựng các hệ thống nam châm có thể tháo rời và thay thế nhanh hơn khi cần thiết. Hartwig cho biết: "Những thách thức về kỹ thuật vẫn còn, nhưng cáp và nam châm REBCO ban đầu đã chứng minh được khả năng quan trọng này".
Vẫn còn những trở ngại cần vượt qua khi các nhà khoa học tiếp tục hành trình hướng tới thế hệ năng lượng nhiệt hạch bền vững. Các bước nghiên cứu quan trọng tiếp theo liên quan đến việc đảm bảo rằng plasma có thể tạo ra đủ nhiệt thông qua phản ứng nhiệt hạch để cung cấp năng lượng duy trì nhiệt độ cao cần thiết.
Và vấn đề về khí thải nhiệt vẫn chưa được giải quyết. Nhiệt độ cực cao phải được phân tán và bức xạ ra khỏi các bức tường buồng tokamak để bảo vệ vật liệu lò phản ứng. Cuối cùng, các nhà khoa học cần nghiên cứu các vật liệu cần thiết để xây dựng các nhà máy nhiệt hạch thí điểm và cách một nhà máy có thể tiến hóa theo thời gian. Hartwig cho biết có khả năng các nhà nghiên cứu sẽ cần khám phá và phát triển các vật liệu mới.
REBCO nên mở ra cánh cửa cho những bước tiếp theo. Thật khó để dự đoán chính xác khi nào một nguồn năng lượng nhiệt hạch hoạt động sẽ cung cấp năng lượng cho Trái Đất. Nhưng chúng ta có thể bắt đầu thấy kết quả thực tế với một lò phản ứng nguyên mẫu hoạt động sớm nhất là vào năm 2040, theo IAEA. (popularmechanics)
