Các nhà khoa học Trung Quốc cho biết họ đã thử nghiệm thành công một chế độ vận hành plasma mới có thể đồng thời giải quyết hai thách thức lớn nhất của năng lượng nhiệt hạch: giảm tải nhiệt cực lớn lên lò phản ứng và ngăn chặn các bất ổn plasma có thể gây hư hại thiết bị.
Kết quả nghiên cứu do nhóm của Giáo sư Guosheng Xu tại Viện Vật lý Plasma, thuộc Viện Khoa học Vật lý Hợp Phì của Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc dẫn đầu, vừa được công bố trên tạp chí Physical Review Letters.
Trong lò phản ứng nhiệt hạch, plasma — trạng thái vật chất siêu nóng có nhiệt độ cao hơn cả lõi Mặt Trời — được giữ ổn định bằng từ trường mạnh để các hạt nhân có thể hợp nhất và tạo ra năng lượng. Tuy nhiên, việc duy trì plasma đủ ổn định trong thời gian dài để tạo điện thương mại vẫn là một trong những thách thức lớn nhất của ngành.
Một trong những vấn đề nghiêm trọng nhất nằm ở khu vực rìa plasma, nơi có thể xuất hiện các đợt bùng phát năng lượng đột ngột gọi là ELM (edge-localized modes) — hiện tượng tương tự các vụ bùng phát trên Mặt Trời — có thể làm hỏng thành lò phản ứng.
Song song đó, hệ thống divertor — bộ phận xử lý nhiệt và các hạt thoát ra khỏi plasma — cũng phải chịu mức nhiệt cực lớn, tương đương với nhiệt mà tàu vũ trụ phải đối mặt khi quay trở lại khí quyển Trái Đất.
Để giải quyết vấn đề này, các nhà khoa học thường bơm một lượng nhỏ khí tạp chất vào plasma để làm mát divertor thông qua quá trình gọi là detachment, tức plasma tách một phần khỏi bề mặt thiết bị. Tuy nhiên, nếu làm mát quá mức, hiệu suất phản ứng nhiệt hạch có thể giảm mạnh.
Trong nghiên cứu mới, nhóm khoa học tại thiết bị nhiệt hạch EAST của Trung Quốc đã điều chỉnh chính xác lượng khí tạp chất được bơm vào plasma để tạo ra chế độ vận hành mới mang tên Detached divertor and Turbulence-dominated Pedestal (DTP) (tạm dịch: Divertor tách rời và chân đế chi phối bởi nhiễu loạn).
Theo nhóm nghiên cứu, chế độ này giúp đạt trạng thái “tách rời một phần”, qua đó giảm đáng kể nhiệt truyền tới divertor mà không làm mất ổn định plasma.
Các thử nghiệm cho thấy nhiệt tác động lên các tấm divertor giảm mạnh, hiện tượng bùng phát năng lượng bị loại bỏ hoàn toàn và nhiệt độ electron tại vùng biên plasma tăng lên — giúp cải thiện khả năng giữ năng lượng của hệ thống.
Nhóm nghiên cứu cho biết cấu trúc divertor khép kín kết hợp với quá trình điều tiết khí theo thời gian thực giúp giữ lại các hạt trung hòa và hạn chế làm mát quá mức ở vùng biên plasma.
Điều này tạo ra hiện tượng nhiễu loạn vi mô tự nhiên, giúp đẩy nhiệt và các hạt ra ngoài theo cách ổn định hơn, ngăn áp suất tích tụ quá mức — nguyên nhân dẫn tới bùng phát năng lượng đột ngột.
Trạng thái plasma mới đã được duy trì trong khoảng một phút trong môi trường thành kim loại của lò EAST, được xem là bước tiến quan trọng hướng tới các lò phản ứng nhiệt hạch hoạt động liên tục trong thời gian dài.
Các nhà nghiên cứu cho rằng kết quả này có thể mở ra một hướng đi mới nhằm cân bằng giữa việc kiểm soát nhiệt và duy trì hiệu suất plasma — một bài toán tồn tại nhiều năm trong tham vọng thương mại hóa năng lượng nhiệt hạch.
Các nhà nghiên cứu đã tạo ra một chế độ plasma nhiệt hạch mới có khả năng đồng thời giảm tải nhiệt cực lớn lên bộ phận divertor và dập tắt các bất ổn plasma gây hại, trong khi vẫn duy trì khả năng giam giữ plasma mạnh. Ảnh: Shutterstock
