Các nhà khoa học từ Đại học Texas ở Austin, Phòng thí nghiệm quốc gia Los Alamos và Type One Energy Group, Hoa Kỳ cuối cùng giải quyết được vấn đề gây khó khăn cho nghiên cứu năng lượng nhiệt hạch suốt 70 năm qua. Với phương pháp lý thuyết đối xứng mới, sự hợp tác này giải quyết được rào cản ngăn cản việc duy trì plasma bên trong lò phản ứng nhiệt hạch.
Bằng cách giải quyết nút thắt quan trọng trong giới hạn từ trường, kỹ thuật mới cho phép các kỹ sư thiết kế lò phản ứng nhiệt hạch nhanh hơn, hiệu quả hơn, chính xác hơn, đặc biệt là lò phản ứng stellarator, với tốc độ mà trước đây được cho là không thể. Đột phá này có thể thay đổi cách phát triển và cung cấp năng lượng sạch, vô hạn.
Công nghệ nhiệt hạch hạt nhân hứa hẹn là nguồn năng lượng sạch, dồi dào, không thải khí làm nóng Trái đất hoặc nguy cơ chất thải phóng xạ cao. Nghiên cứu trong lĩnh vực này diễn ra trong nhiều thập kỷ nhưng tăng tốc trong những năm gần đây, với Cơ sở đánh lửa quốc gia (NIF), Hoa Kỳ thậm chí còn chứng minh mức tăng năng lượng ròng từ các phản ứng nhiệt hạch.
Lò phản ứng nhiệt hạch mô phỏng quá trình tạo năng lượng của Mặt trời, hợp nhất các hạt nhân nguyên tử trong plasma siêu nóng để giải phóng một lượng năng lượng khổng lồ. Để phản ứng nhiệt hạch xảy ra, các đồng vị của hydro được nung nóng đến nhiệt độ cao hơn nhiệt độ bề mặt Mặt trời và tồn tại ở trạng thái vật chất gọi là plasma, trước khi hợp nhất để tạo thành phân tử heli và giải phóng năng lượng.
Tuy nhiên, ở nhiệt độ này và trạng thái năng lượng cao, các hạt alpha rò rỉ khỏi lò phản ứng nhiệt hạch, khiến plasma trở nên ít đặc hơn. Khi plasma mất nhiệt, nó không còn có thể duy trì phản ứng nhiệt hạch nữa, dẫn đến mất năng lượng tạo ra. Vấn đề cốt lõi ở đây là luôn giữ cho dòng plasma dễ bay hơi đó ổn định và đủ nóng để phản ứng nhiệt hạch có thể tự duy trì.
Để ngăn plasma mất nhiệt, các nhà khoa học và kỹ sư thiết kế các hệ thống để ngăn các hạt alpha thoát ra. Các lò phản ứng nhiệt hạch, sử dụng từ trường phức tạp để bẫy các hạt năng lượng cao này. Tuy nhiên, ngay cả trong thiết kế lò phản ứng nhiệt hạch tiên tiến nhất, các khiếm khuyết nhỏ trong từ trường cũng khiến các hạt thoát ra ngoài, một lỗi nghiêm trọng khiến plasma nguội nhanh, làm dừng phản ứng.
Cho đến nay, việc xác định những “rò rỉ” từ trường này trong lò phản ứng nhiệt hạch, đòi hỏi sức mạnh tính toán khổng lồ. Đã có một số mô phỏng giúp ước tính vị trí các lỗ hổng này có thể xảy ra. Trong đó, sử dụng định luật chuyển động của Newton, các nhà khoa học có thể dự đoán chính xác vị trí các lỗ hổng, nhưng các phép tính như vậy mất rất nhiều thời gian.
Nếu phương pháp này sử dụng để thiết kế lò stellarator thì quá trình mô phỏng sẽ cần hàng nghìn thiết kế cấu hình lò phản ứng khác nhau và điều chỉnh bố cục cuộn dây từ để loại bỏ các lỗ hổng. Điều này làm tăng thêm yêu cầu tính toán, khiến việc thử nghiệm trở nên không khả thi.
Để giải quyết vấn đề, các kỹ sư dùng cách tiếp cận nhanh hơn, gọi là lý thuyết nhiễu loạn, đơn giản hơn nhưng kém chính xác hơn. Điều này thường dẫn đến các thiết kế lỗi. Đây là một trong những lý do khiến việc phát triển lò stellarator chậm. Vì vậy, các nhà nghiên cứu hợp tác với nhau, tìm cách tiếp cận mới giải quyết vấn đề này. Đó là phương pháp lý thuyết đối xứng.
Phương pháp mới, dựa trên lý thuyết đối xứng, cho phép các kỹ sư tính toán thiết kế hệ thống giới hạn từ tính (ngăn rò rỉ) nhanh hơn 10 lần so với các phương pháp hiện tại và đạt độ chính xác của mô phỏng quy mô đầy đủ. Điều này cho phép các nhà khoa học mô hình hóa và tinh chỉnh lò phản ứng nhiệt hạch nhanh hơn, giảm đáng kể thời gian thiết kế và chi phí.
Điều thú vị, mặc dù phương pháp cải tiến này chủ yếu có lợi cho thiết kế lò stellarator, loại lò phản ứng nhiệt hạch được biết đến với cấu trúc từ tính phức tạp, nhưng nó cũng áp dụng cho lò tokamak, là lựa chọn phổ biến trong số các lò phản ứng nhiệt hạch đang phát triển, giúp tăng độ tin cậy cho các hệ thống lò phản ứng nhiệt hạch.
Giống như các hạt năng lượng alpha thoát ra trong lò stellarator, lò tokamak phải đối mặt với một vấn đề khác nhưng có liên quan: các electron thoát ra, có thể làm hỏng thành lò phản ứng. Phương pháp này có thể giúp xác định các lối thoát tiềm ẩn trong từ trường khiến các electron thoát ra.
Nghiên cứu này trong thiết kế lò phản ứng nhiệt hạch đến vào thời điểm then chốt. Bằng cách đẩy nhanh quá trình thiết kế lò phản ứng nhiệt hạch hiệu quả hơn, nghiên cứu này đánh dấu bước tiến quan trọng của việc phát triển lò phản ứng nhiệt hạch thành nguồn năng lượng khả thi, đưa con người tiến gần hơn đến tiếp cận nguồn cung cấp năng lượng sạch và dồi dào.
Những phát hiện nghiên cứu được công bố trên tạp chí Physical Review Letters.
