Trung Quốc đạt bước tiến quan trọng trong công nghệ nhiệt hạch

Trung Quốc đạt bước tiến quan trọng trong công nghệ nhiệt hạch. (Ảnh: AFP)

Trong tokamak (một loại thiết bị thí nghiệm nhằm khai thác năng lượng nhiệt hạch), plasma chính là môi trường nơi diễn ra các phản ứng hợp hạch. Mật độ plasma càng cao thì các nguyên tử càng dễ va chạm với nhau, từ đó tăng khả năng hợp nhất và giải phóng năng lượng. Trong thí nghiệm mới, các nhà nghiên cứu đã đạt được mức mật độ cao hơn từ 30% đến 65% so với thông thường trên thiết bị này, mà không gây ra các hiện tượng bất ổn - vốn thường xuất hiện khi vượt quá giới hạn mật độ plasma.

Nghiên cứu này do Ping Zhu và Ning Yan đồng chủ trì, và tôi cũng tham gia vào việc phân tích kết quả. Công trình đã được công bố vào đầu tháng 1 trên tạp chí Science Advances, sau đó được tạp chí Nature dẫn lại. Một điểm đặc biệt đáng chú ý là bước tiến này dựa trên nền tảng lý thuyết đã được tôi cùng các đồng nghiệp phát triển và công bố từ bốn năm trước. Việc thí nghiệm xác nhận nhiều dự đoán của lý thuyết đó đã củng cố độ tin cậy của mô hình, đồng thời mở ra khả năng tiếp tục cải tiến trong tương lai.

Vì sao bước tiến này quan trọng?

Trong bối cảnh biến đổi khí hậu, ô nhiễm không khí, các căng thẳng địa chính trị liên quan đến năng lượng và tính không ổn định của năng lượng tái tạo, nhu cầu phát triển các nguồn điện có thể vận hành liên tục trở nên cấp bách hơn bao giờ hết. Nhiệt hạch nổi lên như một giải pháp đầy hứa hẹn nhờ nhiều ưu điểm: Nhiên liệu và sản phẩm phản ứng không mang tính phóng xạ, nguồn nhiên liệu phân bố rộng trên toàn cầu và gần như không có nguy cơ xảy ra tai nạn hạt nhân.

Chính vì vậy, trong nhiều thập kỷ qua, cộng đồng khoa học quốc tế đã hợp tác chặt chẽ để theo đuổi mục tiêu này. Đáng chú ý, ngay cả trong bối cảnh chiến sự tại Ukraine, Nga vẫn tiếp tục tham gia dự án ITER - một biểu tượng của hợp tác khoa học toàn cầu.

Trong những năm gần đây, nghiên cứu về nhiệt hạch có kiểm soát đã tăng tốc rõ rệt, nhờ dự án lò phản ứng thử nghiệm quốc tế ITER, cũng như sự gia tăng mạnh mẽ của nguồn vốn đầu tư tư nhân trên toàn cầu kể từ năm 2023, thậm chí vượt qua đầu tư công.

Tuy nhiên, một trong những rào cản lớn nhất từ trước đến nay là giới hạn mật độ plasma trong các thí nghiệm. Khi mật độ plasma quá thấp, các phản ứng hạt nhân xảy ra không đủ thường xuyên để tạo ra lượng năng lượng đáng kể.

Vấn đề là trong suốt thời gian dài, các nhà khoa học gần như bị “mắc kẹt” vì không thể vượt qua mức mật độ plasma tưởng chừng là giới hạn này trong thực tế.

Chính hạn chế đó khiến các lò tokamak đang được thiết kế phải có kích thước rất lớn, nhằm kéo dài thời gian các ion trong plasma có thể va chạm trước khi thoát ra ngoài. Ví dụ, lò ITER có khối lượng lên tới 23.000 tấn, cao 29 mét và đường kính 28 mét. Vì vậy, một trong những thách thức lớn hiện nay là phát triển các lò phản ứng nhỏ gọn hơn, chi phí thấp hơn và hoạt động ổn định hơn. Nhưng cho đến trước bước tiến này, giới hạn mật độ plasma vẫn là rào cản chưa thể vượt qua.

Năm 2021, tôi cùng hai đồng nghiệp Fabio Sattin và Paolo Zanca đã đề xuất một mô hình lý thuyết dự đoán hai trạng thái tự tổ chức giữa plasma và thành lò. Trạng thái thứ nhất là trạng thái quen thuộc, trong đó mật độ plasma bị giới hạn. Trạng thái thứ hai là một chế độ không có giới hạn mật độ.

Chúng tôi giải thích rằng có thể đạt được trạng thái thứ hai bằng cách giảm lượng tạp chất bị bắn từ thành lò vào plasma - hiện tượng xảy ra do các ion trong plasma va đập vào thành. Để làm được điều này, nhóm nghiên cứu đề xuất khởi động plasma theo phương pháp tương tự như cách được sử dụng trong một loại thiết bị nhiệt hạch khác, gọi là “stellarator”.

Chiến lược này đã được áp dụng thành công tại EAST, nơi đạt được chế độ không còn giới hạn mật độ, qua đó xác nhận các kết quả thực nghiệm trước đó trên tokamak J-TEXT của Trung Quốc, được công bố năm 2023 tại Hội nghị Năng lượng Nhiệt hạch của IAEA ở London (Anh).

Cụ thể, các thí nghiệm trên EAST đã kết hợp kiểm soát áp suất ban đầu của khí nhiên liệu với gia nhiệt bằng cộng hưởng cyclotron điện tử trong giai đoạn khởi động (hai yếu tố này tương ứng với chế độ phóng điện của stellarator), giúp giảm hiệu quả các tương tác giữa plasma và thành lò ngay từ đầu quá trình phóng điện.

Nhờ cách tiếp cận này, sự tích tụ tạp chất và thất thoát năng lượng đã giảm đáng kể, đồng thời plasma đạt mật độ cao vào cuối giai đoạn khởi động. Hơn nữa, qua từng lần phóng điện, lượng tạp chất giảm dần trong khi giới hạn mật độ được nâng lên. Tuy nhiên, do thời gian thí nghiệm tối đa có hạn, các nhà khoa học chưa thể xác định mức cải thiện này có thể tiến xa đến đâu, nhưng có thể kỳ vọng xu hướng này sẽ tiếp tục trong các thí nghiệm sắp tới.

Các bước tiếp theo là gì?

Nhóm nghiên cứu EAST dự kiến sẽ tiếp tục áp dụng phương pháp này trong chiến dịch thí nghiệm tiếp theo, với mục tiêu đạt được chế độ không giới hạn mật độ trong điều kiện plasma hiệu suất cao.

Các nhà vật lý làm việc trên các tokamak khác cũng đã chú ý đến kết quả này và có thể quan tâm áp dụng cùng kịch bản khởi động để đẩy xa hơn giới hạn mật độ. Thậm chí, một đề xuất thí nghiệm đã được đưa ra cho tokamak mới của Nhật Bản là JT60-SA.

Nh.Thạch

AFP