Các nhà khoa học làm việc với lò phản ứng tokamak siêu dẫn tiên tiến thử nghiệm (EAST) của Trung Quốc đã đạt đến trạng thái được dự đoán lâu nay, gọi là “chế độ không mật độ”, trong đó plasma nhiệt hạch vẫn ổn định ở mật độ cao hơn nhiều so với giới hạn truyền thống.

Thành tựu này đánh dấu bước tiến quan trọng, hướng tới giải quyết một trong những thách thức vật lý dai dẳng nhất của năng lượng nhiệt hạch. Nghiên cứu được đồng chủ trì bởi Giáo sư Ping Zhu thuộc Đại học khoa học và công nghệ Huazhong và Phó Giáo sư Ning Yan thuộc Viện khoa học vật lý Hefei, Viện hàn lâm khoa học Trung Quốc.

Sử dụng phương pháp vận hành mật độ cao mới được phát triển trên EAST, nhóm nghiên cứu chứng minh, mật độ plasma có thể được đẩy lên vượt xa giới hạn thực nghiệm được chấp nhận từ lâu mà không gây ra bất ổn dữ dội, thường làm ngừng các thí nghiệm ở lò tokamak.

Phản ứng nhiệt hạch được xem là nguồn năng lượng sạch tiềm năng, đáng tin cậy. Trong phản ứng tổng hợp deuterium-tritium, nhiên liệu phải được nung nóng đến khoảng 13 keV (150 triệu kelvin) để tạo ra phản ứng tối ưu. Ở nhiệt độ cực cao này, công suất đầu ra của phản ứng tổng hợp tăng theo bình phương mật độ plasma.

Tuy nhiên, trong nhiều thập kỷ, các thí nghiệm tokamak bị hạn chế bởi giới hạn mật độ trên. Vượt qua giới hạn đó thường dẫn đến sự gián đoạn, làm hỏng khả năng giam giữ plasma, đe dọa sự ổn định của thiết bị, khiến việc đạt được hiệu suất nhiệt hạch cao hơn trở nên khó khăn.

Một khuôn khổ lý thuyết mới hơn, gọi là tự tổ chức giữa plasma và thành lò phản ứng (PWSO), đưa ra cách tiếp cận khác để hiểu giới hạn này. Khái niệm này lần đầu tiên được đề xuất bởi D.F. Escande và cộng sự từ Trung tâm nghiên cứu khoa học quốc gia Pháp và Đại học Aix-Marseille.

Theo lý thuyết, chế độ không mật độ trở nên khả thi khi plasma và thành kim loại của lò phản ứng đạt đến trạng thái cân bằng tinh tế, đặc biệt là trong các hệ thống, nơi sự bắn phá vật lý chiếm ưu thế trong tương tác giữa plasma và thành lò phản ứng.

Các thí nghiệm EAST đã cung cấp bằng chứng thực nghiệm đầu tiên xác nhận ý tưởng này. Các nhà nghiên cứu kiểm soát cẩn thận áp suất khí nhiên liệu ban đầu, áp dụng gia nhiệt cộng hưởng cyclotron điện tử trong giai đoạn khởi động của mỗi lần phóng plasma. Việc kiểm soát giai đoạn đầu này giúp tối ưu hóa tương tác giữa plasma và thành lò ngay từ đầu.

Kết quả là sự tích tụ tạp chất và tổn thất năng lượng giảm đáng kể, cho phép mật độ plasma tăng đều đặn vào cuối giai đoạn khởi động. Trong điều kiện này, EAST thành công đi vào chế độ không mật độ được dự đoán bởi PWSO, nơi hoạt động ổn định được duy trì ngay cả ở mật độ cao hơn nhiều so với giới hạn thông thường.

Kết quả này cung cấp cái nhìn mới, sâu sắc về cách vượt qua rào cản mật độ bấy lâu nay trong hoạt động của lò tokamak trên con đường hướng tới kích hoạt phản ứng tổng hợp hạt nhân. Kết quả nghiên cứu được công bố trên tạp chí Science Advances tháng 1/2026.