Lò phản ứng hạt nhân mới có thể nắm giữ bí mật của phản ứng nhiệt hạch bền vững

Một nhóm các nhà nghiên cứu người Đức đã hoàn thành việc chế tạo một lò phản ứng nhiệt hạch thử nghiệm kiểu mới, thiết bị mà họ hi vọng rằng sẽ vượt qua tất cả các mẫu lò phản ứng cũ để có thể duy trì các phản ứng trong thời gian dài nhất, theo như tờ Science.

Mục đích mà các lò phản ứng nhiệt hạch hướng tới là mô phỏng chính xác các quá trình diễn ra trong lòng các ngôi sao để tạo ra điện năng, tổng hợp các nguyên tử nhẹ (như hydro và heli) lại với nhau để tạo ra các nguyên tử nặng hơn. Phản ứng nhiệt hạch vẫn đang trong quá trình thử nghiệm, và có lẽ chúng ta sẽ không xây dựng được các nhà máy điện thương mại hóa trước năm 2050, nhưng mục đích này vẫn đang được theo đuổi (bao gồm cả các dự án như ITER) vì nó cung cấp rất nhiều năng lượng mà chỉ sử dụng một lượng nhiên liệu ban đầu cực nhỏ.

Phản ứng này yêu cầu các nguyên tử phải được đốt nóng tới nhiệt độ xấp xỉ của plasma nóng (hơn 100 triệu Kenvil), nhưng điều này vẫn chưa thể thực hiện ở quy mô lớn ở thời điểm hiện tại, nhưng các nhà khoa học ở viên nghiên cứu Vật lí plasma Max Planck tại Đức, nghĩ rằng họ sẽ tìm ra giải pháp.

Để đạt được nhiệt độ của plasma nóng, các nhà khoa học thường sử dụng tia laze để đốt nóng không khí và plasma sẽ bị giữ lại bởi một từ trường. Giữ được nhiệt độ của plasma nóng và hạn chế phạm vi chuyển động của nó theo ý muốn là những thử thách chính về mặt công nghệ khi thiết kế các lò phản ứng.

Các mô hình lò phản ứng phổ biến được gọi là tokamak, là tên một thiết bị có tác dụng hạn chế plasma trong một khu vực có hình chiếc bánh rán. Để duy trì nhiệt độ plasma trong vùng này cần có nam châm có từ trường đủ mạnh ở xung quanh, và plasma sẽ gây ra một dòng điện. Dòng điện này gây ảnh hưởng nghiêm trọng tới các giới hạn của tokamak, nó có thể khiến các plasma thoát ra khỏi khu vực hạn chế của bẫy từ và gây tổn hại lớn tới lò phản ứng. Để đảm bảo an toàn, dòng điện này chỉ có thể cung cấp trong thời gian rất ngắn, dẫn tới thời gian của phản ứng nhiệt hạch chỉ kéo dài được vài phút.

Một mô hình khác được gọi là stellarator. Nó được phát minh bởi nhà vật lí người Mĩ Lyman Spitzer vào năm 1950, nhưng nó không còn được ưa chuộng từ những năm 1970 khi các mẫu lò tokamak cho ra kết quả tốt hơn nhiều. Mẫu tokamak giam các plasma trong một khu vực có hình chiếc bánh rán, có ưu điểm là không cần tạo ra dòng điện bên trong khu vực này vì nó tự sinh ra trong quá trình. Nhược điểm của nó là cần thêm rất nhiều nam châm và thiết kế phức tạp hơn nhiều để tạo ra bẫy từ, thứ hạn chế chuyển động của các plasma.

Mô hình mới của viện Max Planck được gọi là Wendelstein 7-X (W7X), là một mẫu stellarator. Nó là mẫu lớn nhất trên thế giới với đường kính 16 mét (52 feet) và nhóm thiết kế hi vọng rằng nó có thể vượt qua các cuộc đánh giá, và được hợp thức hóa   thành thiết kế cho các các lò phản ứng nhiệt hạch thương mại.

Tiêu tốn 1 tỷ euro (1.1 đô la Mĩ/ 715 triệu bảng Anh), các nhà khoa học Đức đã mất tới 19 năm để hoàn thành mô hình này;  nó có các nam châm siêu dẫn nặng tới 425 tấn (470 tấn Mĩ), những thứ cần được làm lạnh tới gần không độ tuyệt đối. Giữa những nam châm này là 250 cổng cung cấp và tháo bỏ nhiêu liệu, đặt các thiết bị chẩn đoán và đốt nóng plasma bên trong bằng các vi sóng. Cấu trúc của một cỗ máy phức tạp như vậy chỉ có thể hoàn thành khi tận dụng phần mềm dựng hình 3D. “Nó chỉ có thể hoàn thành trên máy tính,” Thomas Klinger, người đứng đầu dự án, nói với tờ Science. “Bạn không thể mô phỏng bất cứ thứ gì trên các trang web.”

Theo tính toán, W7X có thể vận hành trong 30 phút kẻ từ khi plasma phóng điện. Nếu cỗ máy có thể làm được điều này trong thực tế, nó sẽ trở thành ứng cử viên sáng giá về mặt công nghệ cho các lò phản ứng nhiệt hạch trong tương lai. Kỉ lục hiện tại đang thuộc về mẫu lò tokamak của Pháp, “Tore Supra” với thời gian sáu phút 30 giây.

Lò phản ứng này dự kiến sẽ được khởi động vào cuối tháng 11 này, hiện nó đang chờ để được cơ quan chức năng về hạt nhân của Đức phê duyệt và cấp phép.

Bạn có thể xem một video ngắn về quá trình chế tạo WX7 và cách thức hoạt động của nó ở video trên.

Theo Science