Bên trong lò phản ứng nhiệt hạch tokamak của Tokamak Energy. Ảnh: Tokamak Energy
Công ty năng lượng nhiệt hạch thương mại Tokamak Energy ở Anh sử dụng một cỗ máy mang tên lò tokamak hình cầu, thiết bị có hình dáng giống bánh vòng, dùng những nam châm cực mạnh để kìm hãm dòng plasma siêu nóng. Plasma đôi khi được ví như trạng thái thứ 4 của vật chất, sau thể rắn, lỏng, khí, về cơ bản gồm electron tích điện âm và ion tích điện dương bị tách ra bởi nhiệt độ cực kỳ nóng của môi trường xung quanh.
Khi nguyên tử hydro bị nung nóng tới mức trở thành plasma, chúng tích điện dương và đẩy lẫn nhau. Ở Mặt Trời, lực hấp dẫn cực mạnh tạo ra áp suất siêu cao có thể vượt qua lực đẩy này. Nhưng áp suất cao như vậy gần như không thể mô phỏng trên Trái Đất. Do đó, các nhà nghiên cứu phải làm nóng plasma tới nhiệt độ cao hơn. Nhiệt độ càng cao, nguyên tử sẽ di chuyển ở tốc độ lớn đến mức vượt qua lực đẩy và bắt đầu sáp nhập, Chris Kelsall, giám đốc điều hành công ty Tokamak Energy, cho biết.
Quá trình trên đòi hỏi nhiệt độ hơn 100 triệu độ C, cao gấp hơn 6 lần nhiệt độ ở lõi Mặt Trời. "Khi sáp nhập, nguyên tử hydro tạo ra nguyên tử heli và một neutro mang 80% năng lượng từ phản ứng. Đó là thứ chúng tôi thu thập", Kelsall nói. Thước phim do Tokamak Energy chia sẻ cho thấy khoảnh khắc lò phản ứng đạt tới mốc 100 triệu độ C. Toàn bộ quá trình xảy ra chỉ trong một phần mili giây và chỉ một lượng rất nhỏ nguyên tử sáp nhập. Để đạt quy mô đầy đủ, nhà máy năng lượng nhiệt hạch cần hoạt động hàng giờ mỗi lần và chưa có nhà máy nào như vậy tồn tại.
Để duy trì điều kiện cực hạn, plasma siêu nóng phải được kìm hãm trong một khu vực nhỏ, đó là lý do lò tokamak cần dùng nam châm. "Về cơ bản, bạn cần một hệ thống nam châm rất lớn", Tony Langtry, trưởng phòng kỹ thuật ở Tokamak Energy, cho biết. "Từ trường cần dùng để điều khiển plasma được tạo bởi dòng điện khổng lồ truyền qua vật dẫn. Khi dòng điện chạy qua vật dẫn, chúng sản sinh từ trường. Do plasma cũng có dòng điện, nó phản ứng và bị điều khiển bởi từ trường".
Mẫu lò tokamak đang hoạt động hiện nay ở cơ sở là ST40, sử dụng nam châm đồng để kìm hãm plasma. Theo Kelsall, đồng là vật dẫn rất tốt. Tuy nhiên, vật liệu thông thường như đồng có điện trở, chống lại dòng điện và biến đổi một phần năng lượng của nó thành nhiệt dẫn tới tiêu hao năng lượng. Mặt khác, chất siêu dẫn là vật liệu không tạo ra điện trở và không gây lãng phí nhiệt dưới điều kiện phù hợp.
Mẫu lò tokamak tiếp theo là ST80 sẽ sử dụng vật liệu siêu dẫn để tạo ra từ trường mạnh và hiệu quả hơn nhằm kiểm soát plasma. Kelsall cho biết mẫu lò này sẽ sẵn sàng vào năm 2026 hoặc 2027. Sau ST80, các nhà nghiên cứu sẽ bắt đầu làm việc với ST-E1, dự án thử nghiệm thương mại nhằm chứng minh khả năng cung cấp điện cho lưới điện của công nghệ. Họ hy vọng có thể hoàn thành dự án vào đầu thập niên 2030.
Link gốc