Theo thông báo của Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc, lò phản ứng Tokamak Thử nghiệm Siêu dẫn Tiên tiến (EAST) đã duy trì trạng thái ổn định của plasma ở mật độ cực cao. Từ lâu, đây vốn được xem là rào cản lớn trong nghiên cứu nhiệt hạch.
Giáo sư Ping Zhu của Trường Kỹ thuật Điện và Điện tử thuộc Đại học Khoa học và Công nghệ Trung Quốc, đồng tác giả nghiên cứu, cho biết kết quả này vạch ra một con đường khả thi và có thể mở rộng để vượt qua giới hạn mật độ trong các lò tokamak và các thiết bị nhiệt hạch plasma thế hệ tiếp theo.
Phản ứng nhiệt hạch được xem là nguồn năng lượng sạch gần như vô hạn vì tạo ra rất ít chất thải phóng xạ và không phát thải khí nhà kính gây nóng lên toàn cầu như nhiên liệu hóa thạch.
Nghiên cứu mới được công bố ngày 1/1 trên tạp chí Science Advances, có thể giúp nhân loại tiến gần hơn tới việc khai thác nguồn năng lượng này. Tuy nhiên, nhiều nhà khoa học cho rằng phải mất hàng chục năm nữa công nghệ mới có thể thương mại hóa.
Công nghệ phản ứng tổng hợp hạt nhân đã được nghiên cứu hơn 70 năm nhưng đến nay vẫn chủ yếu ở giai đoạn thử nghiệm. Các lò phản ứng thường tiêu thụ nhiều năng lượng hơn lượng điện tạo ra.
Trong bối cảnh biến đổi khí hậu đang gây tác động rõ rệt, các nhà khoa học khí hậu kêu gọi cắt giảm mạnh phát thải nhanh chóng. Điều đó khiến nhiệt hạch khó trở thành giải pháp cho khủng hoảng khí hậu hiện nay, dù có thể đóng vai trò quan trọng trong tương lai.
Lò phản ứng nhiệt hạch hoạt động bằng cách hợp nhất hai nguyên tử nhẹ thành một nguyên tử nặng thông qua nhiệt và áp suất cao, tương tự cơ chế tạo năng lượng của mặt trời.
Do áp suất trong mặt trời lớn hơn rất nhiều so với trái đất, các nhà khoa học phải bù đắp bằng cách duy trì plasma ở nhiệt độ cao hơn nhiều lần so với bề mặt mặt trời.
EAST là lò phản ứng giam giữ từ tính, được thiết kế để duy trì trạng thái plasma cháy liên tục trong thời gian dài. Lò phản ứng này làm nóng plasma và giữ plasma trong một buồng hình bánh donut bằng các từ trường mạnh.
Các lò tokamak hiện nay vẫn chưa đạt tới trạng thái kích hoạt phản ứng nhiệt hạch, tức thời điểm phản ứng trở nên tự duy trì, nhưng EAST đã liên tục kéo dài thời gian duy trì một vòng plasma ổn định.
Một rào cản lớn trong nghiên cứu nhiệt hạch là giới hạn Greenwald, tức mật độ mà vượt quá mức đó plasma thường trở nên mất ổn định.
Giới hạn này gây khó khăn vì mật độ plasma cao giúp các nguyên tử va chạm nhiều hơn và giảm năng lượng cần thiết để kích hoạt phản ứng, nhưng sự mất ổn định lại khiến phản ứng nhiệt hạch bị dập tắt.
Để vượt qua giới hạn Greenwald, các nhà khoa học tại EAST đã kiểm soát chặt chẽ tương tác giữa plasma và thành lò phản ứng bằng cách điều chỉnh hai thông số quan trọng khi khởi động lò.
Hai thông số này gồm áp suất khí nhiên liệu ban đầu và gia nhiệt cộng hưởng cyclotron điện tử. Đây không phải lần đầu giới hạn Greenwald bị vượt qua.
Năm 2022, lò tokamak DIII-D của Bộ Năng lượng Mỹ tại San Diego đã phá vỡ giới hạn này.
Năm 2024, các nhà nghiên cứu tại Đại học Wisconsin–Madison thông báo đã duy trì plasma tokamak ổn định ở mức mật độ cao gấp khoảng 10 lần giới hạn Greenwald bằng một thiết bị thử nghiệm.
Tuy nhiên, điểm đột phá tại EAST cho phép các nhà khoa học lần đầu tiên làm nóng plasma tới trạng thái được dự đoán về mặt lý thuyết, gọi là “vùng không phụ thuộc mật độ”. Trong trạng thái này, plasma vẫn ổn định ngay cả khi mật độ tiếp tục tăng.
Những tiến bộ tại EAST và tại Mỹ sẽ đóng vai trò quan trọng trong việc phát triển các lò phản ứng mới.
Trung Quốc và Mỹ đều tham gia chương trình Lò phản ứng Nhiệt hạch Thử nghiệm Quốc tế (ITER) dự án hợp tác của hàng chục quốc gia nhằm xây dựng lò tokamak lớn nhất thế giới tại Pháp.
ITER là lò phản ứng thử nghiệm phục vụ nghiên cứu nhiệt hạch bền vững và được kỳ vọng sẽ mở đường cho các nhà máy điện nhiệt hạch trong tương lai. Theo kế hoạch, ITER dự kiến bắt đầu tạo ra các phản ứng nhiệt hạch quy mô đầy đủ vào năm 2039.
Khánh Linh
Theo LiveScience
