Nâng cấp giúp Mặt trời nhân tạo Hàn Quốc hoạt động lâu hơn

Với bộ chuyển hướng tungsten mới, các nhà nghiên cứu hy vọng có thể vận hành lò phản ứng nhiệt hạch trong 300 giây ở 100 triệu độ C vào năm 2026.

KSTAR, Mặt trời nhân tạo của Viện Năng lượng nhiệt hạch Hàn Quốc (KFE) hoàn thành một sửa đổi quan trọng giúp thiết bị hoạt động lâu hơn ở nhiệt độ cao hơn, Interesting Engineering hôm 29/12 đưa tin. KSTAR là chữ viết tắt của Nghiên cứu cao cấp lò tokamak siêu dẫn Hàn Quốc, một lò phản ứng nhiệt hạch tiên tiến xây dựng vào năm 2007. Sửa đổi bao gồm lắp đặt bộ chuyển hướng bằng tungsten mới phát triển, cho phép KSTAR vận hành trong thời gian kéo dài và duy trì plasma ở nhiệt độ cao hơn 100 triệu độ C, theo thông báo của KFE.

Lõi của lò phản ứng KSTAR ở Hàn Quốc. (Ảnh: KFE).

Nhóm nghiên cứu cho biết họ hoàn thành một thí nghiệm plasma với lò phản ứng trang bị bộ chuyển hướng mới vào ngày 21/12. Năm 2021, KSTAR từng lập kỷ lục mới khi chạy ở một triệu độ C và duy trì plasma siêu nóng trong 30 giây.

Phản ứng nhiệt hạch giống như quá trình xảy ra ở lõi Mặt trời, tạo ra năng lượng dồi dào. Các nhà nghiên cứu sử dụng tokamak, lò phản ứng đặc biệt trên Trái Đất với nam châm cực mạnh, để điều khiển plasma siêu nóng. Plasma nóng hàng triệu độ C này khiến nguyên tử va chạm và tạo ra hạt nhân nặng hơn, giải phóng nhiều năng lượng bền vững, có thể giúp con người sử dụng ít nhiên liệu hóa thạch hơn và đối phó biến đổi khí hậu.

Bộ chuyển hướng là một bộ phận quan trọng nằm ở đáy buồng chân không trong thiết bị nhiệt hạch từ. Nó đóng vai trò thiết yếu giúp xử lý khí thải phun ra và tạp chất từ lò phản ứng, đồng thời chịu áp lực nhiệt bề mặt lớn nhất. Theo nhóm nghiên cứu, phát triển và triển khai bộ chuyển hướng chịu nhiệt rất cần thiết do chức năng chủ chốt của nó.

Ban đầu, KSTAR sử dụng bộ chuyển hướng carbon. Tuy nhiên, hiệu suất tăng và thời gian hoạt động kéo dài ở nhiệt độ 100 triệu độ C vượt quá giới hạn thông lượng nhiệt của bộ chuyển hướng carbon. Điều đó thúc đẩy nhóm nghiên cứu phát triển bộ chuyển hướng tungsten. Kết quả là họ hoàn thành nguyên mẫu bộ chuyển hướng tungsten đầu tiên vào năm 2021. Sau đó, lò phản ứng trải qua quá trình lắp đặt kỹ lưỡng kéo dài hơn một năm, bắt đầu vào tháng 9/2022.

Bộ chuyển hướng mới lắp đặt là một hệ thống phức tinh vi bao gồm 64 hộp làm từ tungsten đơn khối. Những hộp này bao bọc toàn bộ phần đáy buồng chân không, hình thành một rào cản chắc chắn chịu áp lực nhiệt trong môi trường nhiệt hạch. Thiết kế tiên tiến mới giải quyết thách thức về nhiệt mà bộ chuyển hướng carbon trước đây gặp phải. Theo nhóm nghiên cứu, nó phản ánh một bước tiến quan trọng giúp tăng cường hiệu suất và tuổi thọ của lò KSTAR ở nhiệt độ cực hạn.

Nhờ các đặc điểm nổi trội bao gồm điểm nóng chảy cao, tungsten trở thành vật liệu phù hợp nhất cho bộ chuyển hướng. Nhóm nghiên cứu cho biết lựa chọn vật liệu đem lại nhiều cải tiến đáng kể, với giới hạn thông lượng nhiệt tăng gấp đôi so với bộ chuyển hướng carbon, đạt mức 10 MW/m2.

Thí nghiệm plasma bên trong bộ chuyển hướng tungsten mới lắp đặt ở KSTAR dự kiến kéo dài tới tháng 2/2024. Mục tiêu cơ bản bao gồm kiểm nghiệm điều kiện hoạt động ổn định bên trong bộ chuyển hướng tungsten và tái tạo thành công plasma ở nhiệt độ 100 triệu độ C. Với nâng cấp mới, nhóm nghiên cứu hy vọng có thể tăng thời gian hoạt động của lò phản ứng lên 300 giây ở nhiệt độ ion trên 100 triệu độ C vào cuối năm 2026.