Nghiên cứu mới cho thấy, cách plasma siêu nóng quay bên trong các lò phản ứng nhiệt hạch, có thể đóng vai trò quan trọng trong việc bảo vệ các bộ phận chính và giúp các lò phản ứng duy trì hoạt động trong nhiều thập kỷ.
Các thí nghiệm phản ứng nhiệt hạch thường sử dụng các thiết bị gọi là lò phản ứng tokamak, những cỗ máy hình bánh rán dùng để giam giữ plasma - một loại khí siêu nóng gồm các hạt mang điện - bằng cách sử dụng các từ trường mạnh.
Bên trong lò tokamak, plasma có thể đạt nhiệt độ nóng hơn cả lõi Mặt trời. Việc giữ cho plasma này ổn định và được duy trì là điều cần thiết để sản xuất điện năng. Một phần plasma chắc chắn sẽ thoát ra khỏi từ trường, chảy về phía hệ thống thoát khí đặc biệt, gọi là bộ phận chuyển hướng.
Bộ phận chuyển hướng được thiết kế để xử lý lượng khí này, nơi các hạt va chạm vào các tấm kim loại, nguội đi và bật trở lại vào plasma, giúp duy trì phản ứng. Vì các tấm kim loại phải chịu nhiệt độ cực cao và sự bắn phá của các hạt, các kỹ sư phải biết chính xác vị trí plasma sẽ tác động để thiết kế vật liệu có thể chịu được ứng suất đó.
Nhiều năm qua, các nhà khoa học nhận thấy một mô hình khó hiểu. Lượng plasma va chạm vào phía trong bộ phận chuyển hướng nhiều hơn đáng kể so với phía ngoài. Hiểu được tại sao sự mất cân bằng này xảy ra, rất quan trọng cho việc thiết kế các lò phản ứng trong tương lai. Các mô phỏng máy tính trước đây đã gặp khó khăn trong việc tái tạo lại mô hình được quan sát thấy trong các thí nghiệm.
Một nghiên cứu mới do các nhà khoa học tại Phòng thí nghiệm vật lý plasma Princeton, Hoa Kỳ dẫn đầu đưa ra một giải pháp. Sử dụng các mô phỏng tiên tiến, nhóm nghiên cứu phát hiện, sự quay của plasma xung quanh lò tokamak đóng vai trò quan trọng. Khi plasma lưu thông qua máy với tốc độ cực lớn, chuyển động này ảnh hưởng đến cách các hạt di chuyển về phía bộ phận chuyển hướng.
Các nhà nghiên cứu đã mô phỏng hành vi của plasma trong lò tokamak DIII-D ở California trong các điều kiện khác nhau. Chỉ khi họ đưa vào cả sự trôi ngang từ trường và sự quay nhanh của lõi plasma thì các mô phỏng mới khớp với các quan sát thực nghiệm. Tốc độ quay của lõi mà họ đo được đạt khoảng 88 km/giây, cho thấy môi trường plasma năng động đến mức nào.
Các phát hiện này cho thấy, chuyển động của các hạt dọc theo đường sức từ, được thúc đẩy bởi plasma quay, cũng quan trọng không kém chuyển động ngang qua các đường sức đó. Cả hai hiệu ứng này cùng nhau quyết định vị trí cuối cùng của các hạt thải.
Phát hiện này có thể có ý nghĩa quan trọng đối với các nhà máy điện nhiệt hạch trong tương lai. Nếu các kỹ sư có thể dự đoán chính xác vị trí plasma nóng nhất sẽ tác động, họ có thể thiết kế bộ phận chuyển hướng plasma được bảo vệ tốt hơn, tránh khỏi hư hại. Điều đó, đến lượt nó, sẽ giúp các lò phản ứng hoạt động đáng tin cậy trong thời gian dài mà không cần sửa chữa thường xuyên.
Năng lượng nhiệt hạch vẫn còn đối mặt với nhiều rào cản kỹ thuật, nhưng việc hiểu được hành vi phức tạp của plasma là một bước tiến lớn. Bằng cách khám phá vai trò chuyển động quay của plasma, các nhà khoa học đã cải tiến các công cụ cần thiết để thiết kế các cỗ máy mà một ngày nào đó có thể cung cấp năng lượng an toàn, bền vững cho thế giới.
