Một ngày vào tháng 8 năm 2023, một tin tức đã gây chấn động tất cả các lĩnh vực chính: Mặt trời nhân tạo "Gyre 3" của Trung Quốc lần đầu tiên đạt được hoạt động ở chế độ hạn chế cao dưới dòng điện plasma 1 triệu ampe, đây là một tượng đài quan trọng cho sự nghiệp phản ứng tổng hợp hạt nhân có thể kiểm soát được của đất nước tôi. "Gyre 3" áp dụng một loại phản ứng tổng hợp giam giữ từ tính, có nghĩa là nhiên liệu trước tiên được làm nóng để biến nó thành dạng plasma, sau đó từ trường được sử dụng để hạn chế các hạt tích điện trong plasma nhiệt độ cao, khiến nó chuyển động theo hình xoắn ốc, tiếp tục làm nóng plasma cho đến khi phản ứng tổng hợp hạt nhân xảy ra.
Nói một cách thẳng thắn, việc đạt được hoạt động ở chế độ hạn chế cao dưới dòng điện plasma 1 triệu ampe cũng giống như phát triển một chiếc vòng vàng cho Tôn Ngộ Không. Bằng cách tụng kinh chặt chẽ, Tôn Ngộ Không có thể làm việc tốt thay vì cố chấp.
Trên toàn thế giới, có rất nhiều cách để đạt được sự giam cầm phản ứng tổng hợp từ tính. Ví dụ như máy từ vòng hay còn gọi là tokamak. Nó hoạt động nhờ điện trường do máy biến áp tạo ra dẫn dòng điện (mũi tên lớn màu đỏ) qua cột plasma, tạo ra từ trường đa hình uốn cong dòng plasma thành một vòng tròn (vòng tròn thẳng đứng màu xanh lá cây). Việc uốn cột plasma thành một vòng tròn sẽ ngăn chặn sự rò rỉ và làm như vậy bên trong hộp đựng hình bánh rán sẽ tạo ra chân không. Từ trường khác bao quanh chiều dài của vòng tròn được gọi là từ trường hình xuyến (vòng tròn ngang màu xanh lá cây). Hai trường kết hợp tạo thành một đường cong ba chiều giống như một cấu trúc xoắn ốc (hiển thị bằng màu đen) trong đó plasma bị giới hạn cao. Nói một cách thẳng thắn thì nó giống như con lừa đang kéo cối xay. Con lừa sẽ luôn đi vòng quanh cối xay và sau đó tạo ra sản phẩm thông qua chuyển động quay của cối xay.
Plasma nêu trên đề cập đến trạng thái khí ở nhiệt độ cực cao. Trong plasma, các electron bị tách ra khỏi nguyên tử. Các nguyên tử bị mất electron quay quanh hạt nhân được cho là ở trạng thái ion hóa và được gọi là ion. Do đó, plasma bao gồm các ion và electron tự do. Plasma có độ dẫn gần như hoàn hảo và dưới tác động của từ trường, nó sẽ thể hiện nhiều cấu trúc ba chiều khác nhau, chẳng hạn như dây tóc, hình trụ và lớp kép. Từ trường cũng có thể được sử dụng để thu giữ, di chuyển và tăng tốc các plasma khác nhau. Điều tương tự cũng đúng với Tôn Ngộ Không. Anh ta bị đốt cháy trong lò luyện kim của Taishang Laojun với đôi mắt xuyên thấu và đôi mắt vàng. Sau khi đi ra, hắn có thể nhìn thấu linh hồn xương trắng trong nháy mắt.
Nói chung, đơn vị thường được sử dụng trong phản ứng tổng hợp hạt nhân là megawatt, tức là MW. Ví dụ, vào năm 1991, Lò phản ứng nhiệt hạch vòng chung châu Âu lần đầu tiên thực hiện phản ứng nhiệt hạch có kiểm soát, tạo ra khoảng 1,7MW điện. Dù chỉ kéo dài 2 giây nhưng nó là một trong những phần quan trọng nhất trong lịch sử năng lượng sạch của nhân loại. Tuy nhiên, trong bài báo gốc chúng ta chỉ thấy đơn vị của dòng điện (Ampe), còn megawatt là tích của dòng điện và điện áp. Điều này có nghĩa là những gì "Dòng điện Gyre số 3" hiện đang thực hiện chủ yếu là một phương pháp điều khiển, có thể chuyển đổi thành nguồn điện sau khi đưa điện áp vào, tức là đánh lửa lò phản ứng. Đây là lý do tại sao nó được so sánh với chiếc vòng vàng của Tôn Ngộ Không.
Để đưa ra một ví dụ không phù hợp, ngay cả khi pin AA thông thường được kết nối với "Hybrid 3", công suất phát của nó có thể đạt tới 1,2MW. Một lời giải thích trá hình về hàm lượng vàng khi bị giam giữ ở mức cao trong huyết tương 1 triệu ampe.
Nghiên cứu và phát triển trên con đường học tập
Vào tháng 11 năm 2006, Trung Quốc, Liên minh Châu Âu và bảy bên khác đã ký thỏa thuận khởi động Chương trình Lò phản ứng Thử nghiệm Phản ứng Tổng hợp Nhiệt hạch Quốc tế. Kế hoạch này được thúc đẩy bởi ITER (Lò phản ứng thí nghiệm nhiệt hạch quốc tế), tích hợp các thành tựu khoa học và công nghệ chính của phản ứng tổng hợp hạt nhân giam giữ từ tính có kiểm soát trên thế giới hiện nay và giải quyết một số lượng lớn các vấn đề kỹ thuật. Đến năm 2007, Pháp bắt đầu xây dựng tokamak công suất 500MW.
Trong máy, plasma sẽ được làm nóng tới 150 triệu độ C, nóng gấp 10 lần lõi mặt trời, để thực hiện các phản ứng tổng hợp hạt nhân. Ngược lại, nhiệt độ của nam châm siêu dẫn trong máy lại xuống dưới âm 269 độ C. Tokamak này cần tổng cộng khoảng 10 triệu bộ phận, được đưa đến công trường xây dựng ITER từ khắp nơi trên thế giới. Khái niệm 150 triệu độ C là gì? Theo cách giải thích của thế hệ sau về "Tây Du Ký", Samadhi Chân Hỏa của Red Boy chỉ có bốn hoặc năm nghìn độ C. Nhiệt độ của lò phản ứng tương đương với 300.000 Red Boy gắn liền với nhau.
Theo báo cáo mới nhất từ ITER, cỗ máy đã hoàn thành 50% lắp ráp và sẽ trải qua giai đoạn vận hành đầu tiên vào tháng 12 năm 2025. Một khi cỗ máy này hoạt động hoàn hảo, tất cả nhiên liệu hóa thạch trên thế giới sẽ được thay thế bằng năng lượng sạch.
Nhưng giống như những gì được mô tả trong Tây Du Ký, Tôn Ngộ Không có sức mạnh siêu nhiên to lớn và sức mạnh ma thuật vô biên. Nghĩ đến việc trói anh ta chỉ bằng một chiếc vòng vàng nhỏ cũng là giấc mơ của một kẻ ngốc. Lấy quá trình đánh lửa cơ bản nhất làm ví dụ, nếu nhiệt độ lò phản ứng không thể nóng lên hơn 100 triệu độ C thì lò phản ứng sẽ không phản ứng. Hiện nay, phương pháp gia nhiệt chính là gia nhiệt ohmic, sử dụng phóng điện tần số cao để ion hóa hydro trung tính để tạo thành plasma lạnh được làm nóng bằng dòng điện của từ trường đa hình lớn tạo ra dọc theo cuộn dây hình xuyến. Mặc dù ở trên đã đề cập rằng plasma có độ dẫn điện gần như hoàn hảo nhưng nó cũng có một điện trở nhất định và nhiệt vẫn sẽ được tạo ra khi dòng điện đi qua nó. Tuy nhiên, điện trở suất của plasma giảm mạnh khi nhiệt độ electron tăng lên, khiến mật độ năng lượng của hệ thống sưởi ohmic cũng giảm mạnh, điều này hạn chế việc sử dụng hệ thống sưởi ohmic.
Một phương pháp khác là phương pháp gia nhiệt bằng chùm hạt trung tính năng lượng cao, là phương pháp gia nhiệt chủ yếu được sử dụng trong tokamak. Chùm hạt trung tính được sử dụng để làm nóng plasma nói chung là chùm nguyên tử neon trung tính năng lượng cao. Các hạt trung tính năng lượng cao không bị ảnh hưởng bởi từ trường trong thiết bị nhiệt hạch và có thể được bơm trực tiếp vào khu vực trung tâm của plasma. Khi các nguyên tử trung tính đi vào plasma, chúng ngay lập tức bị ion hóa thành các ion thông qua quá trình trao đổi điện tích và va chạm. Những ion năng lượng cao này bị từ trường bắt giữ và sau đó đi qua va chạm Coulomb với plasma ban đầu. Năng lượng được cung cấp cho plasma để đạt được mục đích sưởi ấm.
Tuy nhiên, hiệu suất của chùm ion năng lượng cao trong nguồn ion để bắt các electron và biến chúng thành chùm hạt trung tính trong buồng khí trung hòa giảm mạnh khi năng lượng hạt tăng lên. Nếu chùm ion âm được rút ra từ nguồn ion, hiệu suất chuyển đổi ion âm thành hạt trung hòa không giảm đáng kể khi năng lượng tăng lên. Điều này là do việc tách các electron thừa khỏi các ion âm dễ dàng hơn nhiều, do đó cần có nguồn ion âm công suất cao.
Ngoài ra, một hạn chế quan trọng đối với hiệu suất gia nhiệt của chùm tia trung tính là sự hiện diện của tạp chất cacbon và oxy. Bẫy cacbon và oxy được tạo ra do sự hấp thụ khí của thành cuộn dây. Nồng độ có thể đạt tới 1%. Sự trao đổi điện tích giữa chùm tia trung tính và các tạp chất này tạo ra các ion cacbon và ion oxy bị kích thích mạnh, làm mất năng lượng do bức xạ tuyến tính của chúng, dẫn đến hiệu suất gia nhiệt giảm đột ngột.
Cũng giống như việc học từ quá khứ đòi hỏi phải trải qua Thế tiến thoái lưỡng nan 81, bất chấp rất nhiều khó khăn trên con đường hướng tới phản ứng tổng hợp có thể kiểm soát, hạt nhân của đất nước tôi Ngành công nghiệp này đã đạt được những kết quả nghiên cứu quan trọng trong nhiều lĩnh vực kể từ năm 1980. Do những ưu điểm nêu trên của tokamak, cộng đồng nghiên cứu nhiệt hạch Trung Quốc đã chú ý đến plasma tokamak trong nhiều thập kỷ. Từ năm 1980 đến giữa những năm 1990, các thiết bị tokamak cỡ vừa và nhỏ như HT-6B, HT-6M, HL- và HL-1M đã được phát triển.
Năm 1994 và 2002, dựa trên thiết bị do Nga (T-7 Tokamak) và Đức (ASDEX Tokamak) cung cấp, nước tôi lần lượt chế tạo HT-7 và HL-2A tại Viện Vật lý Khoa học Châu Á và SWIP, đưa Trung Quốc trở thành quốc gia thứ tư có khả năng phát triển tokamak siêu dẫn. Chính vì điều này mà Trung Quốc đã chế tạo ra Tokamak-EAST đầu tiên trên thế giới (Thử nghiệm siêu dẫn tiên tiến Tokamak, viết tắt là EAST). EAST là tokamak siêu dẫn hoàn toàn đầu tiên trên thế giới có bộ chuyển hướng trên và dưới. Nó được thiết kế để hoạt động ở chế độ xung dài, trạng thái ổn định và chế độ hạn chế cao và đã đạt được 101 giây phóng điện ở chế độ hạn chế cao. EAST đang trở thành một trong những thiết bị tokamak quan trọng trên thế giới và nó có thể cung cấp các kịch bản hoạt động xung dài, hiệu suất cao cho các thiết bị trong tương lai (bao gồm ITER và CFETR).
Đối với sự nghiệp nhiệt hạch giam giữ từ tính của Trung Quốc, EAST chỉ là bước đầu tiên. Tiếp theo, đất nước chúng ta sẽ hiện thực hóa chế độ ràng buộc cao xung dài và hoạt động ở trạng thái ổn định của hệ thống sưởi và điều khiển dòng điện hiện đại và chẩn đoán; thông qua HL-2M, chúng tôi sẽ nghiên cứu vật lý plasma hiệu suất cao dưới công suất gia nhiệt phụ trợ cao. Bước tiếp theo là phát triển các công nghệ chủ chốt liên quan đến ITER và CFETR (Lò phản ứng thử nghiệm kỹ thuật nhiệt hạch Trung Quốc). "Không phải tất cả những kẻ lang thang đều lạc đường." Bốn vị sư phụ và đệ tử của Đường Tăng có chỉ dẫn rõ ràng, cuối cùng đã đến chùa Lôi Âm để lấy được chân kinh. Việc xây dựng
CFETR dự kiến sẽ hoàn thành vào những năm 2030. Kế hoạch hoạt động của CFETR được chia thành hai giai đoạn. Mục tiêu của giai đoạn đầu tiên là đạt được công suất nhiệt hạch 100-200MW. Giai đoạn này sẽ khám phá các hoạt động ở trạng thái ổn định và khả năng tự cung cấp tritium như một sự bổ sung cho các hoạt động ITERQ=10. Q=10 là một trong những mục tiêu của ITER, có nghĩa là tạo ra năng lượng hoàn lại gấp mười lần trong plasma.
Giai đoạn thứ hai dự kiến sẽ hoàn thành vào những năm 2040. Tokamak CFETR với công suất nhiệt hạch 1GW cũng sẽ được trình diễn vào thời điểm đó. Nhà máy điện nhiệt hạch nguyên mẫu (PFPP) dự kiến được xây dựng vào khoảng năm 2060, đây là bước cuối cùng trong lộ trình nhiệt hạch giam cầm từ trường của Trung Quốc nhằm xây dựng một nhà máy điện nhiệt hạch thương mại. Nhìn từ góc độ ngày nay, năm 2060 chỉ còn chưa đầy 40 năm nữa và vẫn còn phải chờ đợi lâu dài. Nhưng đối với lĩnh vực nhiệt hạch có thể điều khiển được, ngành công nghiệp nhiệt hạch giam giữ từ tính của Trung Quốc đang phát triển nhanh chóng.
Trụ sở phát triển điện hạt nhân châu Á
Từ góc độ sản xuất điện phân hạch hạt nhân, hiện có 9.242 công ty lớn trong ngành điện hạt nhân của Trung Quốc. Số lượng công ty đăng ký vào năm 2021 là 2.327, và 1.675 công ty điện hạt nhân được đăng ký vào năm 2022. Điều đó cũng chứng tỏ ngành điện hạt nhân nước ta đã phát triển rất nhanh trong hai năm qua. Cần lưu ý rằng sản lượng điện hạt nhân của nước tôi chỉ chiếm 5% tổng sản lượng điện, trong khi ở các nước phát triển khác như Nga và Anh, sản lượng điện hạt nhân của họ lần lượt chiếm 19,6% và 14,2% tổng sản lượng điện. Đúng là nước ta quả thực đã đạt được nhiều đột phá lớn trong lĩnh vực nhiệt hạch có thể kiểm soát, nhưng nếu muốn đạt được một xã hội năng lượng sạch thực sự ít carbon, ít phát thải thì việc thương mại hóa kết nối lưới điện hạt nhân cũng là một mắt xích không thể bỏ qua.
Sử dụng nhà máy điện nhiệt hạch có thể làm giảm đáng kể tác động môi trường do nhu cầu điện ngày càng tăng trên thế giới vì giống như sản xuất điện phân hạch hạt nhân, chúng không gây ra mưa axit hoặc hiệu ứng nhà kính. Với sự sẵn có của nhiên liệu, năng lượng nhiệt hạch có thể dễ dàng đáp ứng nhu cầu năng lượng liên quan đến tăng trưởng kinh tế liên tục. Không có nguy cơ phản ứng nhiệt hạch vượt khỏi tầm kiểm soát. Suy cho cùng, một khi phản ứng vượt khỏi tầm kiểm soát thì sẽ không có chuyện gì xảy ra. Mặc dù phản ứng tổng hợp không tạo ra các sản phẩm phóng xạ tồn tại lâu dài và khí chưa cháy hết có thể được xử lý tại chỗ nhưng vẫn sẽ có những vấn đề về chất thải phóng xạ trong ngắn hạn và trung hạn do hoạt hóa các vật liệu kết cấu. Do bị bắn phá bởi neutron năng lượng cao, một số vật liệu cấu thành trở nên có tính phóng xạ trong suốt thời gian hoạt động của lò phản ứng và cuối cùng trở thành chất thải phóng xạ. Rõ ràng, đây cũng là một khía cạnh quan trọng cần được xem xét trong quá trình thương mại hóa sản xuất điện nhiệt hạch hạt nhân.
PFPP sẽ là bước đầu tiên trong quá trình thương mại hóa phản ứng tổng hợp hạt nhân ở Trung Quốc. Tiếp theo "Gyres 3" sẽ là "Gyres 4" và "Gyres 5". Mỗi thiết bị sẽ mang lại một số đột phá và cuối cùng hiện thực hóa tình hình năng lượng sạch tổng hợp hạt nhân của nước tôi có thể thay thế năng lượng carbon không tái tạo truyền thống.