Nam châm khổng lồ của lò phản ứng lớn nhất thế giới

Tổng năng lượng từ trường của hệ thống nam châm dùng cho lò phản ứng nhiệt hạch ITER lên tới 41 gigajoule, mạnh gấp 250.000 lần từ trường Trái đất.

ITER, thí nghiệm nhiệt hạch lớn nhất thế giới, tiến gần hơn tới ngày hoạt động sau khi toàn bộ số nam châm đặc biệt dùng để xây dựng lõi lò phản ứng được chuyển tới miền nam nước Pháp, Interesting Engineering hôm 1/7 đưa tin. Điều này đánh dấu kết thúc quá trình thiết kế lò phản ứng kéo dài hai thập kỷ, với hoạt động sản xuất linh kiện trải dài trên 3 lục địa.

Lò phản ứng ITER sẽ chứa nam châm lớn nhất thế giới đặt theo phương thẳng đứng ở trung tâm lò. (Ảnh: ITER).

Trong khi cả thế giới tìm kiếm cách tốt hơn để sản xuất năng lượng không thải carbon, phản ứng nhiệt hạch cung cấp một giải pháp khả thi có thể bật tắt theo nhu cầu. Những tiến bộ gần đây trong lĩnh vực chứng minh có thể thu được năng lượng từ phản ứng nhiệt hạch. Hiện nay, hơn 30 nước đang cộng tác xây dựng Lò phản ứng nhiệt hạt nhân thử nghiệm quốc tế (ITER) ở Pháp.

Thiết kế của ITER cũng sử dụng lò tokamak, trong đó hydro được bơm vào buồng chân không hình bánh vòng và nung nóng để tạo ra plasma, mô phỏng điều kiện ở lõi Mặt trời. Ở nhiệt độ cực cao là 150 triệu độ C, phản ứng nhiệt hạch bắt đầu xảy ra. Tuy nhiên, plasma phải được hãm bên trong thành lò phản ứng bằng nam châm siêu dẫn khổng lồ.

Thiết kế dạng lò tokamak của ITER sử dụng niobium - thiếc và niobium - titan như nhiên liệu cho nam châm. Các cuộn được kích hoạt bằng điện, sau đó làm lạnh tới nhiệt độ -269 độ C để biến chúng thành nam châm siêu dẫn. ITER sẽ triển khai nam châm theo 3 cách khác nhau để tạo ra lồng từ trường vô hình giúp kìm hãm plasma. Hình dạng bánh vòng ở lớp ngoài đến từ 18 nam châm hình chữ D. Một bộ 6 nam châm bao quanh lò tokamak theo phương ngang, giúp kiểm soát hình dạng plasma. Trong khi đó, cuộn solenoid ở trung tâm sẽ sử dụng các xung để sinh ra dòng điện trong plasma. Dòng plasma của ITER đạt đỉnh ở 15 triệu ampe, kỷ lục đối với lò tokamak trên khắp thế giới. Về mặt từ trường, tổng năng lượng từ trường của thiết kế là 41 gigajoule, mạnh gấp 250.000 lần từ trường Trái đất.

Mỗi nam châm hình xuyên cao 17 m, rộng gần 9 m và nặng 360 tấn. 10 nam châm được sản xuất ở châu Âu bởi Fusion for Energy, trong khi 8 nam châm còn lại cùng một bản dự phòng được sản xuất bởi Viện khoa học và công nghệ lượng tử (QST) ở Nhật Bản. Quá trình sản xuất bắt đầu với một sợi niobium - thiếc cuộn các sợi đồng thành một cấu trúc giống cuộn dây thừng và đặt vào vỏ thép được thiết kế với mạch trung tâm mà heli có thể truyền qua. Cấu trúc này gọi là bộ dẫn. Các kỹ sư cần hơn 87.000km sợi niobium - thiếc để sản xuất bộ dẫn cho 19 nam châm hình chữ D.

Nhằm tạo ra nam châm hình chữ D, gần 750 m bộ dẫn được uốn theo đường xoắn kép và nung nóng tới 650 độ C. Sau đó, nó được đặt vào một tấm hình chữ D làm từ thép không gỉ. Bộ dẫn được bọc và cách nhiệt thông qua thủy tinh và băng dính Kapton, hàn bằng laser với tấm phủ để tạo thành cấu trúc hai lớp. Cấu trúc kép này được cách nhiệt, loại bỏ túi khí và phun nhựa tổng hợp để tăng độ bền. 7 cấu trúc kép như vậy được dùng để tạo ra lõi của nam châm hình chữ D. Cuối cùng, các kỹ sư đặt tổ hợp vào lồng thép không gỉ 200 tấn đủ bền để chịu lực tác động từ chuyển động của plasma và sản xuất điện nhiệt hạch.

Sau khi lắp ráp, lò phản ứng nhiệt hạch ITER sẽ sản xuất 500 MW ở công suất tối đa. Khi nối với lưới điện, lò sẽ sản xuất 200 MW điện liên tục, đủ để cung cấp cho 200.000 hộ gia đình.

• Chúng ta có năng lượng vô tận, nhưng vì sao vẫn chưa sử dụng?
• Lò nhiệt hạch có từ trường mạnh gấp 100.000 Trái Đất
• Rót 1 tỷ NDT, Trung Quốc "bắn tia laser" vào đế chế nhiệt hạch gần 50 tỷ đô