Trung Quốc chế tạo 'Mặt Trời nhân tạo' bằng nam châm nặng 582 tấn

Trung Quốc vừa chế tạo thành công một nam châm khổng lồ có trọng lượng lên tới 582 tấn cùng chiều dài 21 mét. Cuộn dây siêu dẫn này được thiết kế nhằm hỗ trợ tạo ra phản ứng tổng hợp hạt nhân có kiểm soát, duy trì trạng thái plasma được nung nóng tới khoảng 100 triệu °C.

Để dễ hình dung, mức nhiệt độ này cao gấp sáu lần nhiệt độ tại lõi của Mặt Trời.

Nam châm siêu dẫn nặng 582 tấn của Trung Quốc, được thiết kế để giữ plasma nóng hơn lõi Mặt trời trong dự án “Mặt trời nhân tạo”. (Ảnh: Viện Vật lý Plasma thuộc Viện Khoa học Vật lý Hợp Phì, Trung Quốc)

“Mặt Trời nhân tạo” không phải là một Mặt Trời thu nhỏ

“Mặt Trời nhân tạo” là thuật ngữ dùng để chỉ lò phản ứng tổng hợp hạt nhân, mô phỏng lại cơ chế giải phóng năng lượng cơ bản của Mặt Trời tự nhiên. Bên trong lòng Mặt Trời, các hạt nhân hydro liên tục va chạm dưới áp suất và nhiệt độ cực lớn để hợp nhất thành các nguyên tố nặng hơn, đồng thời giải phóng nguồn năng lượng khổng lồ.

Các nhà khoa học đang nỗ lực tái tạo phản ứng này ngay trên Trái Đất. Tuy nhiên, thách thức lớn nhất là plasma phải đạt đến ngưỡng nhiệt độ siêu cao. Do không vật liệu nào có thể tiếp xúc trực tiếp với khối plasma 100 triệu °C mà không bị tan chảy, sự xuất hiện của hệ thống nam châm siêu dẫn khổng lồ đóng vai trò quyết định.

Nam châm 582 tấn hoạt động như một lá chắn từ trường

Linh kiện vừa hoàn thiện là nam châm siêu dẫn trường hình xuyến, được sản xuất riêng cho dự án Lò phản ứng nhiệt hạch siêu dẫn thử nghiệm plasma cháy thế hệ mới (BEST) của Trung Quốc. BEST thuộc dòng lò phản ứng Tokamak, sở hữu buồng chân không hình vành khăn (bánh rán). Nam châm này tạo ra một từ trường cực mạnh để giữ khối plasma siêu nóng lơ lửng bên trong buồng, ngăn không cho nó va chạm vào thành lò phản ứng.

Có thể hình dung đây như một bài toán cách ly nhiệt độ phức tạp: khối plasma đạt mức nhiệt hủy diệt nhưng phần thành lò phản ứng bắt buộc phải giữ ở trạng thái an toàn. Nhiệm vụ của hệ thống từ trường là đảm bảo hai yếu tố này không bao giờ tiếp xúc với nhau.

Lý do nam châm phải có kích thước kỷ lục

Giới khoa học cần duy trì plasma ở nhiệt độ trên 100 triệu °C, đồng thời giữ cho nó đủ ổn định để phản ứng nhiệt hạch xảy ra liên tục. Theo các báo cáo kỹ thuật, nam châm mới này có thể tích lớn hơn 1,3 lần so với nam châm tương đương thuộc dự án nhiệt hạch quốc tế ITER ở Pháp, đồng thời có khả năng lưu trữ năng lượng từ trường cao gấp ba lần.

Dung lượng năng lượng từ trường lớn hơn giúp các nhà nghiên cứu tạo ra từ trường mạnh hơn, gia tăng khả năng kiểm soát và nhốt giữ plasma.

Đặc biệt, nam châm này sử dụng vật liệu siêu dẫn, cho phép dòng điện khổng lồ chạy qua mà gần như không gặp điện trở khi được làm lạnh xuống nhiệt độ cực thấp vào khoảng -269 °C.

Do đó, cỗ máy này đang thực hiện một nhiệm vụ đối lập đầy kinh ngạc: duy trì một môi trường nóng hơn lõi Mặt Trời ngay bên cạnh một hệ thống thiết bị hoạt động ở nhiệt độ cận kề độ tuyệt đối.

Nam châm trường hình xuyến không phải là linh kiện duy nhất

Song song với đó, các nhà nghiên cứu Trung Quốc cũng đã thử nghiệm thành công cuộn dây điện từ trung tâm siêu dẫn nhiệt độ cao. Cuộn dây này thường được coi là “trái tim” của lò phản ứng Tokamak, đóng vai trò tạo dòng điện cần thiết để kích hoạt và duy trì trạng thái plasma.

Nếu nam châm hình xuyến đóng vai trò như bức tường từ trường bảo vệ, thì cuộn dây điện từ trung tâm chính là hệ thống đánh lửa để khởi động toàn bộ quá trình phản ứng.

Cả hai linh kiện quan trọng này đều phải vận hành bền bỉ dưới các điều kiện vận hành cực đoan, bao gồm nhiệt độ cao, cường độ dòng điện khổng lồ, bức xạ cực mạnh và lực cơ học phát sinh rất lớn.

Trung Quốc tuyên bố chủ động hoàn toàn về công nghệ

Chương trình nghiên cứu và phát triển kéo dài sáu năm này đã mang lại 47 bằng sáng chế cùng 25 tiêu chuẩn công nghiệp. Các nhà khoa học Trung Quốc khẳng định cả nam châm trường hình xuyến và cuộn dây điện từ trung tâm đều được chế tạo hoàn toàn bằng vật liệu và năng lực sản xuất nội địa.

Khác với hệ thống thử nghiệm EAST hiện có, nam châm thế hệ mới này được thiết kế dành riêng cho lò phản ứng BEST. Trước đó, EAST đã thiết lập nhiều kỷ lục ấn tượng, bao gồm việc duy trì trạng thái plasma ở 100 triệu °C trong suốt 1.066 giây (hơn 17 phút) - một mốc thời gian khiến nhiệt độ bề mặt Mặt Trời trở nên nhỏ bé khi so sánh.

Mục tiêu hiện tại của dự án là đưa các kết quả thí nghiệm tiến gần hơn đến một hệ thống sản xuất năng lượng nhiệt hạch thương mại.

Theo kế hoạch, quá trình xây dựng lò phản ứng BEST sẽ hoàn tất vào năm 2027, hướng tới mốc phát điện nhiệt hạch đầu tiên vào năm 2030. Mục tiêu dài hạn của Trung Quốc là xây dựng Lò phản ứng trình diễn kỹ thuật nhiệt hạch (CFETR), nhằm chứng minh khả năng thương mại hóa năng lượng nhiệt hạch ở quy mô nhà máy điện.