Lò phản ứng nhiệt hạch hoạt động bằng cách nung nóng các nguyên tử hydro đến nhiệt độ cực cao, cho đến khi chúng hợp nhất và giải phóng năng lượng. Một trong những trọng tâm chính là sử dụng lithium, một kim loại nhẹ, để phủ lên thành bên trong các lò phản ứng này.
Một dự án quốc tế mới, với sự tham gia của các nhà nghiên cứu từ chín tổ chức trên toàn cầu, làm sáng tỏ cách lớp phủ lithium tương tác với nhiên liệu nhiệt hạch, đặc biệt là tritium, và điều đó ảnh hưởng đến hiệu suất, độ an toàn và tính bền vững của lò phản ứng như thế nào.
Loại hydro quan trọng thường sử dụng trong phản ứng nhiệt hạch là tritium, loại nhiên liệu hiếm và phóng xạ. Vấn đề là gì? Tritium có thể bị giữ lại trong thành lò phản ứng trong quá trình vận hành, làm giảm khả năng sử dụng và gây khó khăn cho việc kiểm soát an toàn.
Các nhà nghiên cứu, trong đó có Phòng thí nghiệm vật lý plasma Princeton (PPPL) thuộc Bộ Năng lượng Hoa Kỳ, so sánh hai cách chính để dùng lithium trong lò phản ứng tokamak: phủ lithium lên thành lò trước khi phản ứng plasma bắt đầu và bơm bột lithium trong quá trình vận hành.
Nghiên cứu phát hiện, việc bơm lithium trong quá trình vận hành, khiến nhiên liệu bị giữ lại nhiều hơn trong thành lò, quá trình gọi là cùng lắng đọng. Điều này xảy ra khi các hạt nhiên liệu bám vô lithium rơi vào thành lò trong quá trình phun plasma. Còn việc phủ lithium lên thành lò trước khi bắn plasma, không ảnh hưởng đáng kể lượng nhiên liệu bị giữ lại.
Kết quả nghiên cứu cho thấy, việc bơm lithium trong quá trình vận hành plasma có những lợi thế chính. Nó giúp tạo ra nhiệt độ đồng đều từ lõi plasma đến rìa của nó, có thể giúp tạo ra điều kiện plasma ổn định hơn, cần thiết để vận hành năng lượng nhiệt hạch trong nhà máy điện thực sự.
Trong quá trình nghiên cứu, các nhà khoa học sử dụng lò tokamak DIII-D do General Atomics vận hành ở California, để thử nghiệm cả phương pháp lithium phủ sẵn và phương pháp lithium bơm tại chỗ. Đúng như dự đoán, phương pháp bơm tại chỗ dẫn đến việc giữ lại nhiên liệu nhiều hơn nhờ quá trình cùng lắng đọng chủ động.
Lithium là vật liệu sáng giá cho các lò phản ứng nhiệt hạch trong tương lai, không chỉ vì nó có khả năng ổn định plasma. Lithium có thể nóng chảy, tạo ra lớp tự phục hồi trên các bộ phận bên trong lò phản ứng nhiệt hạch. Khi ở dạng lỏng, lithium tạo thành lớp bảo vệ bề mặt bên trong lò phản ứng, che chắn chúng khỏi sức nóng dữ dội của plasma, có thể nóng hơn cả lõi Mặt trời.
Lớp này cũng có thể giúp quản lý nhiên liệu tốt hơn bằng cách dẫn tritium đến những nơi có thể thu hồi và tái sử dụng. Tuy nhiên, chính đặc tính bám dính hữu ích của lithium, cũng dẫn đến việc tritium bị giữ lại ở các khu vực lạnh hơn của lò phản ứng, chẳng hạn như giữa các tấm ốp thành lò hoặc trên các bộ phận của hệ thống xả.
Nếu tritium tích tụ ở những nơi khó tiếp cận này, nó sẽ gây ra những lo ngại về an toàn và vận hành. Các nhà khoa học cho biết, điều quan trọng là phải tránh các khu vực lạnh và thiết kế lò phản ứng sao cho tritium được giữ lại ở những khu vực dễ loại bỏ hơn.
Nhóm nghiên cứu cũng sử dụng deuterium, một dạng hydro dễ tiếp cận hơn, để thay thế cho tritium trong các thí nghiệm. Cả hai loại đều hoạt động tương tự nhau trong bối cảnh này, khiến deuterium trở thành một chất thay thế an toàn cho các nghiên cứu giai đoạn đầu.
Việc hiểu được nhiên liệu nhiệt hạch bị giữ lại ở đâu và như thế nào là rất quan trọng. Nếu quá nhiều nhiên liệu bị hấp thụ vào thành lò, không được đưa trở lại plasma, phản ứng nhiệt hạch có thể chậm lại hoặc dừng lại. Việc đạt được sự cân bằng phù hợp là chìa khóa để xây dựng các lò phản ứng tạo ra năng lượng sạch và ổn định.
Những phát hiện từ nghiên cứu này sẽ giúp các lò phản ứng nhiệt hạch trong tương lai như lò tokamak, kiểm soát tritium hiệu quả và an toàn hơn, đưa chúng ta tiến gần hơn một bước tới việc hiện thực hóa năng lượng nhiệt hạch thực tế. Nghiên cứu được công bố trên tạp chí Nuclear Materials and Energy.
