Đức thử nghiệm thành công máy tổng hợp hạt nhân khổng lồ

Cuối năm 2015, các nhà khoa học Đức đã triển khai dự án một lò phản ứng tổng hợp hạt nhân đầu tiên với quy mô lớn và đã thành công trong việc chịu được sức nóng của khối khí plasma heli.

 

Với một cỗ máy có chức năng kiểm soát phản ứng tổ hợp hạt nhân thì vấn đề an toàn là vô cùng quan trọng.

Sau một thời gian dài kiểm tra, cuối cùng các nhà khoa học đã cho kết quả rất khả quan. Cỗ máy này hoàn toàn đủ độ an toàn và khả năng thực hiện phản ứng tổ hợp hạt nhân.

Nhóm nghiên cứu từ Mỹ và Đức đã nhận rằng thiết bị phản ứng tổ hợp hạt nhân Wendelstein 7-X (W 7-X) có thể tạo ra trường lực từ cực mạnh, xoắn 3 chiều như là thiết kế ban đầu với độ chính xác cực cao. Nhóm đã xác nhận rằng sai số từ thiết kế cho tới sản phẩm nằm trong khoảng 1 phần 100.000.

“Với những gì chúng ta thường thực hiện thì độ chính xác của thiết bị này là cực kỳ cao, cho dù là xét trên phương diện kỹ thuật cơ khí hay là đo đạc to-po từ trường”, nhóm nghiên cứu đã chia sẻ với Nature Communications.

Phản ứng tổ hợp hạt nhân là nguồn năng lượng vô hạn

Đây có thể là vấn đề không hấp dẫn nhưng thật sự rất quan trọng bởi vì vòng từ trường là thứ duy nhất có thể giữ những khối plasma cực nóng trong một thời gian đủ lâu để giúp phản ứng tổ hợp xảy ra.

Phản ứng tổ hợp hạt nhân là nguồn năng lượng sạch tiềm năng trong tương lai, nó có khả năng cung cấp năng lượng không giới hạn tương đương phản ứng sinh năng lượng của Mặt trời.

Khác với phản ứng phân rã, loại phản ứng mà chúng ta đang sử dụng trong các lò phản ứng của các nhà máy hạt nhân hiện tại, phản ứng tổ hợp hạt nhân có khả năng tạo ra nguồn năng lượng lớn hơn rất nhiều từ năng lượng nhiệt tỏa ra khi các nguyên tử kết hợp lại trong điều kiện nhiệt độ cực cao.

Đặc biệt là phản ứng này không thải ra chất thải phóng xạ hay là những rác thải độc hại khác.

Cũng dựa trên nguyên tắc hoạt động của Mặt trời thì phản ứng tổ hợp cũng có tiềm năng cung cấp nguồn năng lượng vô tận cho con người và chỉ còn một vấn đề được đặt ra đó là làm sao để khai thác được nó mà thôi.

Vấn đề nan giải này đã được đưa ra nghiên cứu từ những năm 60 và vẫn còn nhiều bí ẩn cho đến nay.

Thử thách lớn nhất đó là làm thế nào để kiểm soát được phản ứng tổ hợp vì để thực hiện được nó chúng ta phải tạo ra môi trường tương đương điều kiện ở Mặt trời.

Đồng nghĩa với việc xây dựng một cỗ máy có khả năng tạo ra và kiểm soát một khối khí plasma có nhiệt độ lớn tương đương 100 triệu độ C.

Khối khí plasma có sức nóng lên tới hơn 100 triệu độ C

Rất dễ dàng để tưởng tượng, hay miêu tả về cỗ máy này nhưng xây dựng mới là vấn đề chính.

Đã có nhiều lò phản ứng được thiết kế ở khắp nơi trên thế giới nhưng hiện tại chỉ duy nhất W 7-X có nhiều tiềm năng nhất.

Thay thế việc kiểm soát khối plasma bằng từ trường hai chiều bằng từ trường 3 chiều xoắn là điểm nổi bật của cỗ máy này. Từ trường này cho phép kiểm soát khối plasma mà không cần bất kỳ dòng điện nào giúp cho lò phản ứng ổn định và an toàn hơn.

Mặc dù đã thử nghiệm thành công việc kiểm soát khối plasma heli vào tháng 12 năm ngoái.

Các nhà khoa học đã tiến tới thử thách cao hơn cùng khối plasma hydro vào tháng 2 vừa qua tuy nhiên vẫn cần nhiều thử nghiệm hơn để chắc chắn rằng thiết kế này có thể hoạt động hoàn hảo trong thực tế.

Để đo đạt kết quả thì nhóm nghiên cứ từ Bộ Năng lượng Mỹ và Viện nghiên cứu Max Planck của Đức đã bắn một tia electron dọc theo vùng từ trường của lò phản ứng. Bằng các gậy huỳnh quang, nhóm tạo thành một vùng sáng trong khu vực cần đo và ghi nhận lại những hình ảnh của vùng từ trường bằng những máy chụp chuyên dụng. Từ những bức ảnh ghi nhận được chúng ta có thể quan sát rõ ràng hình dạng cơ bản của vùng từ trường xoắn 3 chiều bên trong lò phản ứng.

Điểm nhấn của W 7-X là khối từ trường xoắn 3 chiều cực mạnh

“Chúng tôi xác nhận rằng hệ thống từ trường hoạt động đúng như mong đợi trong thiết kế”, Sam Lazerson, trưởng nhóm nghiên cứu từ phòng thí nghiệm vật lý plasma Pinceton của Bộ Năng Lượng Mỹ cho biết.

W 7-X vẫn chưa thực sự có khả năng tạo ra dòng điện từ phản ứng tổ hợp, chỉ đơn giản cho thấy thiết kế này có thể vận hành tốt.

Vào năm 2019 là phản ứng sẽ bắt đầu sử dụng hyro nặng để thực hiện phản ứng tổ hợp bên trong máy phát điện nhưng vẫn chưa thể sinh ra nhiều năng lượng hơn lượng điện năng tiêu thụ được.

Dựa trên W 7-X thì những thế hệ lò phản ứng sau mới được kỳ vọng có thể bắt đầu sản xuất năng lượng để cung cấp ra thị trường. Trong buổi trả lời báo chí, các nhà khoa học cho biết “Nhiệm vụ mới chỉ vừa được bắt đầu”.

W 7-X là tương lai của các lò phản ứng hạt nhân

Sẽ không phải là vấn đề trong một sớm một chiều nhưng đây là một bước đột phá quan trọng cho phản ứng tổ hợp. Với sự xuất hiện của W 7-X thì lò phản ứng của Pháp – ITER tokamak đang bị cạnh tranh mạnh mẽ về mặt công nghệ để duy trì khối khí plasma.

Câu hỏi thực sự hiện giờ sẽ là cho đến khi nào thì những cỗ máy phát điện chạy bằng năng lượng của phản ứng tổ hợp sẽ thực sự ra đời. Chúng ta không thể đợi lâu hơn được nữa.

Nghiên cứu được công bố trên tạp chí Nature Communications.

Theo Quốc Văn
Khám phá/ Sciencealert

---