Nam châm siêu dẫn 582 tấn đưa Trung Quốc gần hơn tới đích 'Mặt trời nhân tạo'

Phản ứng nhiệt hạch là quá trình tạo ra năng lượng trong Mặt Trời. Nếu vận dụng cơ chế phản ứng nhiệt hạch, chế tạo thành công một lò phản ứng hoạt động ổn định, thế giới sẽ có nguồn điện phát thải carbon gần như bằng 0, không phụ thuộc vào nguồn nhiên liệu hay điều kiện thời tiết, đồng thời không đối mặt với nguy cơ tan chảy lõi lò phản ứng hoặc chất thải phóng xạ tồn tại hàng nghìn năm như các nhà máy điện phân hạch hiện nay.

Lò phản ứng nhiệt hạch được thiết kế để hợp nhất hai nguyên tử nhẹ thành một nguyên tử nặng hơn dưới tác động của nhiệt độ và áp suất cực cao. Quá trình này giải phóng năng lượng theo cơ chế tương tự bên trong Mặt Trời. Tuy nhiên, do áp suất trong các lò phản ứng trên Trái Đất thấp hơn rất nhiều so với lõi Mặt Trời, các nhà khoa học phải nung plasma lên nhiệt độ còn cao hơn cả Mặt Trời và dùng từ trường cực mạnh để giữ plasma ổn định.

Thách thức lớn như vậy nên sau hơn 70 năm nghiên cứu, công nghệ nhiệt hạch vẫn chủ yếu ở giai đoạn thử nghiệm và hầu hết các lò phản ứng hiện vẫn tiêu tốn nhiều năng lượng hơn lượng điện chúng tạo ra.

Nhưng vừa qua, chương trình Mặt Trời nhân tạo của Trung Quốc đã vượt qua một trong những thách thức kỹ thuật lớn nhất khi phát triển thành công hai loại nam châm siêu dẫn. Chúng là những bộ phận cốt lõi của lò phản ứng nhiệt hạch, đã được hội đồng chuyên gia nghiệm thu và được kiểm định toàn diện các thông số tại Viện Vật lý Plasma, Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc (ASIPP) ở thành phố Hợp Phì.

Trong đó, nam châm siêu dẫn hình chữ D dài 21 m, rộng 12 m và nặng 582 tấn là nam châm siêu dẫn dành cho lò phản ứng nhiệt hạch lớn nhất từng được chế tạo trên thế giới. Thể tích của nó lớn hơn 1,3 lần và năng lượng từ trường tích trữ gấp 3 lần các nam châm tương đương của Lò phản ứng Nhiệt hạch Thử nghiệm Quốc tế (ITER) tại Pháp - dự án quy tụ 35 quốc gia, vốn được xem là chuẩn mực của lộ trình phát triển năng lượng nhiệt hạch trong hơn hai thập kỷ qua. Là một thành viên quan trọng của dự án ITER, Trung Quốc đảm nhận hơn 9% việc phát triển các linh kiện cốt lõi của dự án, và tất cả các sản phẩm đã bàn giao đều vượt qua đánh giá quốc tế.

Trong tương lai, 16 cuộn nam châm như vậy sẽ được lắp thành một vòng, tạo ra từ trường hình xuyến 6,5 tesla tại vùng chứa plasma. "Nhiệm vụ của thiết bị này là tạo ra một từ trường cực mạnh để giữ plasma, giúp 'quả cầu lửa' có nhiệt độ khoảng 100 triệu độ C này lơ lửng trong buồng chân không mà không chạm vào thành lò phản ứng. Có thể hình dung nó như một chiếc lồng từ trường vô hình nhưng cực kỳ vững chắc," Wu Yu, nhà nghiên cứu tại ASIPP, giải thích.

Thiết bị thứ hai được nghiệm thu là cuộn dây điện từ trung tâm siêu dẫn nhiệt độ cao. Cuộn dây này có nhiệm vụ tạo từ trường biến thiên để cảm ứng dòng điện trong plasma - yếu tố quyết định liệu lò phản ứng có thể khởi động và vận hành ổn định hay không.

Ông Wu cho biết các nam châm của lò phản ứng nhiệt hạch phải hoạt động ổn định suốt 60 năm ở nhiệt độ -268,95°C, trong điều kiện dòng điện rất lớn, bức xạ mạnh và ứng suất cơ học cao, thách thức những giới hạn của khoa học vật liệu.

Kỷ lục 100 triệu độ C

Ông Song Yuntao, Giám đốc ASIPP, cho biết giá trị cốt lõi của hai bước đột phá mới nằm ở việc Trung Quốc làm chủ toàn bộ chuỗi công nghệ. "Từ các vật liệu thô cốt lõi như băng siêu dẫn, thép không gỉ cường độ cao dùng ở nhiệt độ siêu thấp, vật liệu cách điện chuyên dụng, cho đến toàn bộ quy trình gồm thiết kế kết cấu, quấn cuộn chính xác, chế tạo mối nối có điện trở siêu thấp và hệ thống bảo vệ khi mất trạng thái siêu dẫn, chúng tôi đều đã tự chủ hoàn toàn. Điều này giúp phá vỡ thế độc quyền công nghệ của nước ngoài và đạt 100% nội địa hóa, loại bỏ nguy cơ bị nước khác hạn chế nguồn cung các linh kiện cốt lõi", ông nói.

Sau 6 năm phát triển, dự án đã mang lại 47 bằng sáng chế và 25 tiêu chuẩn ngành.

Trước đó, lò tokamak EAST phục vụ thử nghiệm và nghiên cứu nhiệt hạch của Trung Quốc đã lập kỷ lục thế giới khi duy trì plasma ở 100 triệu độ C trong 1.066 giây ở chế độ ổn định - "trái ngọt" của 22 vòng thí nghiệm vật lý và khoảng 160.000 lần thử nghiệm.

Chiến lược lâu dài

Con đường phát triển thiết bị tokamak siêu dẫn của Trung Quốc bắt đầu từ cuối những năm 1970 khi Liên Xô chế tạo thiết bị tokamak siêu dẫn đầu tiên trên thế giới, mang tên T-7.

Sau đó, Nga đã chuyển giao T-7 cho Trung Quốc và đến năm 1994, thiết bị này được cải tạo thành HT-7, đưa Trung Quốc trở thành quốc gia thứ tư trên thế giới - sau Nga, Pháp và Nhật Bản - sở hữu công nghệ tokamak siêu dẫn. Tiếp đó, năm 2006, Trung Quốc hoàn thành EAST - lò phản ứng nhiệt hạch siêu dẫn hoàn toàn đầu tiên trên thế giới.

Những bước đột phá mới sẽ đánh dấu bước chuyển của Trung Quốc từ vai trò cung cấp linh kiện cho các dự án quốc tế sang tự phát triển các thiết bị cốt lõi một cách hoàn chỉnh, thúc đẩy sự hình thành chuỗi công nghiệp nhiệt hạch hoàn chỉnh trong nước.

Theo lộ trình phát triển nhiệt hạch ba giai đoạn của Trung Quốc, lò tokamak siêu dẫn plasma cháy (BEST) dự kiến sẽ hoàn thành vào cuối năm 2027 với mục tiêu trình diễn phát điện từ năng lượng nhiệt hạch vào khoảng năm 2030.

Những thành tựu mà Trung Quốc vừa đạt được không phải là ngẫu nhiên bởi quốc gia này coi năng lượng và sản xuất công nghệ cao là những ưu tiên chiến lược quốc gia, đồng thời sẵn sàng đầu tư vào các dự án có thời gian hoàn vốn rất dài - những dự án mà nhiều quốc gia khác thường cho là quá xa vời hoặc quá rủi ro. Việc đầu tư vào những nam châm được thiết kế để hoạt động suốt 60 năm là một dự án như vậy.

Cách đầu tư dài hạn này đã được Trung Quốc triển khai thành công ở quy mô lớn ít nhất hai lần. Trong lĩnh vực điện mặt trời, Trung Quốc rót vốn vào toàn bộ chuỗi sản xuất từ polysilicon, tấm wafer đến mô-đun pin mặt trời, trong khi nhiều nhà sản xuất phương Tây thu hẹp hoạt động. Kết quả là Trung Quốc hiện kiểm soát phần lớn chuỗi cung ứng toàn cầu.

Đối với xe điện, các khoản hỗ trợ và lợi thế sản xuất quy mô lớn đã giúp Trung Quốc vươn lên dẫn đầu về pin và ô tô điện hoàn chỉnh, trong khi các hãng xe phương Tây vẫn đang tìm cách "đuổi theo".

Tuy vậy, ông Qin Jinggang, nhà nghiên cứu ở ASIPP, lưu ý rằng việc thử nghiệm thành công các nam châm mới chỉ hoàn thành khoảng 80% chặng đường. Phía trước vẫn còn các bước lắp ráp toàn bộ hệ thống và thử nghiệm vận hành lâu dài trong điều kiện khắc nghiệt.

"Con đường thương mại hóa năng lượng nhiệt hạch vẫn còn rất dài. Nhưng mỗi bước đột phá ở các công nghệ cốt lõi đều rút ngắn khoảng cách giữa nhân loại và nguồn năng lượng sạch tối ưu", ông nói.

Kim Dung tổng hợp

---