Duy trì plasma nóng gấp 5 lần lõi Mặt trời trong gần 7 phút, 'Mặt trời nhân tạo' của Trung Quốc lập kỷ lục mới

Theo SCMP, lò tokamak siêu dẫn tiên tiến thử nghiệm (EAST) tại thành phố Hợp Phì ở miền đông Trung Quốc đã tạo ra và duy trì plasma siêu nóng trong vòng 403 giây, phá vỡ kỷ lục trước đó là 101 giây vào năm 2017. Thông thường, nhiệt độ của dòng plasma siêu nóng này thường chạm ngưỡng 126 triệu độ F—tức là nóng hơn nhièu lần so với Mặt trời, vốn tỏa ra nhiệt độ 10.000 độ F ở bề mặt và khoảng 27 triệu độ F ở lõi.

Kỷ lục này đánh dấu một bước quan trọng trong việc xây dựng các lò phản ứng tổng hợp nhiệt hạch hiệu quả cao, chi phí thấp .

"Ý nghĩa chính của bước đột phá mới này nằm ở 'chế độ kiềm hãm cao' của lò, vốn khiến nhiệt độ và mật độ của plasma tăng lên đáng kể", Song Yuntao, giám đốc Viện Vật lý Plasma thuộc Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc, vốn cũng là đơn vị đã đã xây dựng lò EAST cho biết. 

Theo ông Song, kết quả thu được đã đặt nền móng vững chắc để cải thiện tính khả thi về kỹ thuật và kinh tế của các lò phản ứng nhiệt hạch.

Lò EAST, bắt đầu hoạt động vào năm 2006, đại diện cho một trong những con đường hứa hẹn nhất hướng tới phản ứng tổng hợp hạt nhân có kiểm soát. Lò phản ứng tổng hợp hạt nhân này đã tiến hành hơn 120.000 thí nghiệm để đạt được cột mốc mới nhất.

"Kỷ lục này cũng là một bước tiến lớn đối với nhóm của chúng tôi về nghiên cứu vật lý cơ bản, kỹ thuật nhiệt hạch cũng như vận hành và bảo trì dự án," ông Song cho biết.

Tiềm năng cực lớn của "Mặt trời nhân tạo" 

Về cơ bản, các lò phản ứng nhiệt hạch hoạt động dựa trên nguyên lý nhiệt hạch, khi hai hạt nhân nhẹ của hydro là deuterium và tritium được kết hợp để tạo thành một hạt nhân heli nặng hơn và giải phóng năng lượng. 

Nói cách khác, mục tiêu xây dựng một lò phản ứng nhiệt hạch có thể so sánh với việc "tạo ra một Mặt Trời nhân tạo trên Trái Đất và cắm dây điện vào nó để sử dụng". Năng lượng nhiệt hạch có thể coi là nguồn năng lượng lý tưởng nhất cho tương lai, giúp con người loại bò hoàn toàn nhiên liệu hóa thạch, từ đó làm giảm quá trình nóng lên của toàn cầu. Về lý thuyết, deuterium có thể được lấy từ các đại dương trên Trái đất; một lít nước biển được ước tính có đủ vật liệu nhiệt hạch để tạo ra năng lượng tương đương với 300 lít xăng.

Tuy nhiên, việc xây dựng và vận hành lò phản ứng nhiệt hạch không hề đơn giản về mặt kỹ thuật. Phản ứng nhiệt hạch chỉ xảy ra ở mức nhiệt độ rất cao, lên tới 120 triệu độ C trở lên. Ở mức nhiệt độ này, mọi vật chất đều tồn tại trong trạng thái plasma. Đây cũng chính là mục tiêu xây dựng cơ bản của các lò phản ứng nhiệt hạch, nhằm tạo ra hỗn hợp plasma với nhiệt độ lên tới 150 triệu độ C. 

Bên trong lò, các tia laser đốt nóng các nguyên tử hydro nặng, như deuterium và tritium, lên đến hàng trăm triệu độ F, là ngưỡng nhiệt độ mà quá trình nhiệt hạch bắt đầu trong các ngôi sao. Sức nóng cho phép các nhà nghiên cứu tái tạo áp suất hấp dẫn cực lớn bên trong lõi của một ngôi sao. 

Ở ngưỡng nhiệt độ cao này, các hạt nhân nguyên tử bên trong tokamak sẽ bắt đầu đập vào nhau và giải phóng năng lượng có thể được sử dụng cho năng lượng điện. Tuy nhiên, việc giữ plasma ở nhiệt độ cao như vậy mà không bị rò rỉ đã được chứng minh là một thách thức cực kỳ lớn.

Theo Tim Bestwick, giám đốc công nghệ của Cơ quan Năng lượng Nguyên tử Vương quốc Anh, việc kéo dài thời gian cho plasma bền vững và được kiểm soát như thế này liên quan đến ba điều: "Có máy móc có thể chạy trong thời gian dài; có thể cung cấp nhiệt lượng bền vững vào plasma; và có thể giám sát và kiểm soát plasma."

Trong trường hợp của lòEAST, một trong những tính năng cho phép lò phản ứng này đạt được và duy trì nhiệt độ cao một cách hiệu quả là việc sử dụng nam châm siêu dẫn. Chất siêu dẫn là vật liệu tạo ra điện trở bằng không và không thải nhiệt trong điều kiện thích hợp. 

Được coi là lò tokamak siêu dẫn đầu tiên trên thế giới, EAST sử dụng từ trường cực mạnh để 'giam cầm' plasma siêu nóng trong không gian hình xuyến và buộc chúng kết hợp với nhau theo thời gian. Lò sử dụng công nghệ tiên tiến và hàng triệu bộ phận để hoạt động giống như một "mặt trời mini".

Trước đó, lò EAST cũng từng đạt được một số kỷ lục, bao gồm việc giữ plasma ở nhiệt độ khoảng 70 triệu độ C trong gần 18 phút vào năm 2021 ở một chế độ hoạt động khác với chế độ được sử dụng trong thí nghiệm hôm thứ Tư vừa qua.

Trung Quốc cũng là thành viên của Lò phản ứng thí nghiệm nhiệt hạch quốc tế, vốn lò phản ứng nhiệt hạch lớn nhất thế giới hiện đang được xây dựng tại Pháp.

Trung Quốc đã hoàn thành thiết kế mặt trời nhân tạo thế hệ tiếp theo, được gọi là Lò phản ứng thử nghiệm kỹ thuật nhiệt hạch Trung Quốc (CFETR), nhằm mục đích trở thành lò phản ứng nhiệt hạch đầu tiên trên thế giới đi vào hoạt động thực tế, theo Tân Hoa Xã.

Sau khi hoàn thành vào khoảng năm 2035, CFETR sẽ tạo ra một lượng nhiệt khổng lồ với công suất cực đại lên tới 2 gigawatt.

Tổng hợp