Lò phản ứng nhiệt hạch: Có thể hoạt động vào năm 2025

Đây là kết quả của 7 nghiên cứu mới, được công bố trên Tạp chí Vật lý Plasma.

Nếu lò phản ứng nhiệt hạch trở thành hiện thực, nó có thể mở đường cho việc tạo ra nguồn năng lượng sạch khổng lồ.

Trong quá trình nhiệt hạch, các hạt nhân nguyên tử bị ép lại với nhau để tạo thành các nguyên tử nặng hơn. Khi khối lượng của các nguyên tử tạo thành nhỏ hơn khối lượng của các nguyên tử đã tạo ra chúng, khối lượng dư thừa được chuyển thành năng lượng, giải phóng một lượng ánh sáng và nhiệt lượng bất thường.

Nhiệt hạch cung cấp năng lượng cho Mặt trời và các vì sao, khi lực hấp dẫn mạnh mẽ ở phần lõi của chúng hợp nhất với hydro để tạo ra heli.

Nhưng cần một lượng năng lượng khổng lồ để buộc các nguyên tử hợp nhất với nhau, điều xảy ra ở nhiệt độ thấp nhất là 180 triệu độ F (100 triệu độ C).

Tuy nhiên, những phản ứng như vậy có thể tạo ra nhiều năng lượng hơn năng lượng chúng sử dụng. Đồng thời, phản ứng tổng hợp không tạo ra các khí nhà kính như carbon dioxide, nguyên nhân gây ra sự nóng lên toàn cầu, cũng như không tạo ra các chất ô nhiễm khác.

Tác giả nghiên cứu Martin Greenwald, nhà vật lý plasma tại MIT và là một trong những nhà khoa học chính đang phát triển lò phản ứng mới cho biết: “Hầu như tất cả chúng tôi tham gia nghiên cứu này vì chúng tôi đang cố gắng giải quyết một vấn đề toàn cầu thực sự nghiêm trọng. Chúng tôi muốn có tác động đến xã hội. Chúng tôi cần một giải pháp cho sự nóng lên toàn cầu - nếu không, nền văn minh của chúng ta đang gặp khó khăn. Điều này có vẻ như có thể giúp khắc phục điều đó”.

Hầu hết các lò phản ứng nhiệt hạch thử nghiệm đều sử dụng thiết kế hình donut của Nga được gọi là tokamak. Những thiết kế này sử dụng từ trường mạnh để giam giữ một đám mây plasma, hoặc khí ion hóa, ở nhiệt độ cực cao, đủ cao để các nguyên tử hợp nhất với nhau.

Thiết bị thử nghiệm mới, được gọi là lò phản ứng SPARC (Soonest/Smallest Private - Funded Robust Compact), đang được phát triển bởi các nhà khoa học tại MIT và một công ty phụ, Commonwealth Fusion Systems. Nếu thành công, SPARC sẽ là thiết bị đầu tiên đạt được “plasma cháy”, trong đó nhiệt từ tất cả các phản ứng nhiệt hạch giữ cho quá trình nhiệt hạch tiếp tục mà không cần phải bơm thêm năng lượng.

Dự án SPARC, khởi động vào năm 2018, dự kiến sẽ bắt đầu công đoạn xây dựng vào tháng 6/2021, với lò phản ứng bắt đầu hoạt động vào năm 2025.

Con số này nhanh vượt bậc so với dự án điện nhiệt hạch lớn nhất thế giới, được gọi là Lò phản ứng thử nghiệm nhiệt hạch quốc tế (ITER), vốn được thai nghén từ năm 1985 nhưng mãi đến năm 2007 mới ra mắt; và mặc dù bắt đầu xây dựng vào năm 2013, dự án dự kiến sẽ không tạo ra phản ứng nhiệt hạch cho đến năm 2035.

Các nghiên cứu mới, các nhà khoa học đã phác thảo các tính toán và mô phỏng siêu máy tính làm nền tảng cho thiết kế của SPARC.

Các nghiên cứu cho thấy, SPARC sẽ tạo ra ít nhất gấp 20 lần năng lượng được bơm vào. Nhiệt từ lò phản ứng nhiệt hạch sẽ tạo ra hơi nước. Hơi nước này sẽ dẫn động một tuabin và máy phát điện, giống như cách mà hầu hết điện được sản xuất ngày nay.

Các nhà nghiên cứu hy vọng các nhà máy điện nhiệt hạch lấy cảm hứng từ SPARC sẽ tạo ra từ 250 đến 1.000 megawatt điện. Greenwald nói: “Trong thị trường điện hiện tại của Hoa Kỳ, các nhà máy điện thường tạo ra từ 100 đến 500 megawatt.