Mặt trời nhân tạo Trung Quốc phá kỷ lục tưởng như không thể

Lần đầu tiên, các nhà khoa học Trung Quốc đã đưa plasma nhiệt hạch vượt qua giới hạn mật độ vốn được coi là “trần” của các lò phản ứng nhiệt hạch tokamak trong suốt nhiều thập kỷ.

Thành tựu này đạt được trên lò tokamak EAST (Experimental Advanced Superconducting Tokamak), thường được gọi là “mặt trời nhân tạo” của Trung Quốc, và được xem là bước tiến quan trọng trên con đường hướng tới mục tiêu đánh lửa nhiệt hạch.

Kết quả nghiên cứu được công bố ngày 1.1 trên tạp chí Science Advances, do nhóm khoa học đồng dẫn dắt bởi Giáo sư Ping Zhu (Đại học Khoa học và Công nghệ Hoa Trung) và Phó Giáo sư Ning Yan (Viện Vật lý Hợp Phì, Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc).

Nhóm đã lần đầu tiên kiểm chứng thực nghiệm một trạng thái plasma đặc biệt, được gọi là “chế độ không giới hạn mật độ”, trong đó plasma vẫn duy trì ổn định ngay cả khi mật độ tăng rất cao.

Trong phản ứng nhiệt hạch - quá trình tạo năng lượng tương tự như trong Mặt trời - nhiên liệu deuteri và triti phải được nung nóng tới khoảng 150 triệu độ C. Ở mức nhiệt này, công suất nhiệt hạch tạo ra tăng rất nhanh khi mật độ plasma tăng. Vì vậy, về lý thuyết, mật độ càng cao thì khả năng phát điện càng lớn.

Tuy nhiên, trong thực tế, các lò tokamak lâu nay luôn bị giới hạn bởi một ngưỡng mật độ nhất định. Khi vượt qua ngưỡng này, plasma thường trở nên mất ổn định, gây gián đoạn quá trình giam giữ và buộc thí nghiệm phải dừng lại. Đây là một trong những rào cản vật lý lớn nhất cản trở việc nâng cao hiệu suất nhiệt hạch.

Nhóm nghiên cứu tại EAST đã chứng minh rằng giới hạn này không phải là bất biến. Bằng cách phát triển một phương pháp vận hành plasma mật độ cao hoàn toàn mới, họ cho thấy có thể đẩy mật độ plasma vượt xa các giới hạn kinh nghiệm trước đây mà không gây ra các bất ổn phá hủy.

Đột phá này dựa trên một khung lý thuyết tương đối mới mang tên “tự tổ chức plasma - thành lò” (plasma-wall self organization, viết tắt là PWSO), do các nhà khoa học Pháp đề xuất. Theo lý thuyết này, giới hạn mật độ không chỉ phụ thuộc vào bản thân plasma, mà còn gắn chặt với cách plasma tương tác với thành kim loại của lò phản ứng.

Khi sự tương tác giữa plasma và thành lò đạt trạng thái cân bằng phù hợp, một chế độ vận hành mới có thể xuất hiện, trong đó các quá trình bắn phá vật lý từ thành lò giúp ổn định plasma thay vì gây mất ổn định như trước đây.

Theo Giáo sư Ping Zhu, phát hiện này mở ra “một con đường thực tế và có khả năng mở rộng” để kéo dài giới hạn mật độ trong các tokamak, bao gồm cả những thiết bị nhiệt hạch thế hệ mới.

Điều này đặc biệt quan trọng với mục tiêu đánh lửa - thời điểm phản ứng nhiệt hạch có thể tự duy trì mà không cần bổ sung năng lượng từ bên ngoài.

Trong bối cảnh cuộc đua toàn cầu về năng lượng sạch ngày càng gay gắt, kết quả mới từ “mặt trời nhân tạo” của Trung Quốc cho thấy một rào cản lớn của nhiệt hạch đang dần được gỡ bỏ, đưa viễn cảnh nguồn năng lượng gần như vô hạn tiến thêm một bước rõ ràng hơn.