Có nhiều lý do khiến công nghệ fusion hạt nhân khả kiểm soát chưa chính thức ra mắt, nhưng gần đây có thể gần hơn một bước để trở thành hiện thực. Các nhà nghiên cứu từ Đại học Texas tại Austin, Phòng thí nghiệm Quốc gia Los Alamos và công ty Type One Energy đã công bố việc giải quyết vấn đề thiết kế thiết bị kiểu sao trong 70 năm qua, phát triển một phương pháp mới mạnh mẽ có thể mang lại thiết kế lò phản ứng hạt nhân nhanh hơn và chính xác hơn.
Một trong những trở ngại kỹ thuật lớn nhất mà nhân loại phải vượt qua để đạt được nguồn năng lượng hạt nhân khả kiểm soát là làm thế nào để giữ các hạt năng lượng cao ổn định bên trong lò phản ứng hạt nhân. Lấy ví dụ về thiết bị kiểu sao (Stellarator) sử dụng cuộn dây bên ngoài tạo ra từ trường phức tạp, thiết bị này nhằm mục đích sử dụng từ trường hình vòng để kìm hãm plasma bên trong lò phản ứng, tạo ra cái gọi là “bình từ”. Tuy nhiên, quỹ đạo của các hạt α sinh ra từ phản ứng hạt nhân không luôn tuân theo giả thuyết của mô hình từ trường chuẩn, khiến plasma không đủ nhiệt độ và mật độ để duy trì phản ứng hạt nhân khi các hạt năng lượng cao cố gắng trốn thoát.
Hệ thống kìm hãm từ trường được thiết kế tỉ mỉ thường chứa những “lỗ” khó xác định, cần đầu tư nhiều thời gian tính toán để dự đoán vị trí của các lỗ này và loại bỏ chúng nhằm ngăn chặn sự rò rỉ của các hạt α năng lượng cao.
Tệ hơn nữa, mô hình truyền thống phụ thuộc vào động lực học Newton, vốn rất chính xác nhưng có thể cần mô phỏng hàng trăm hoặc hàng nghìn thiết kế khác nhau, điều chỉnh bố trí cuộn từ và cải tiến liên tục để loại bỏ các lỗ từ trường, dẫn đến chi phí tính toán rất cao. Để tiết kiệm thời gian và tiền bạc, các nhà khoa học thường dựa vào lý thuyết nhiễu loạn (perturbation theory) để ước lượng vị trí gần đúng của các lỗ, tính toán nhanh chóng nhưng độ chính xác giảm nhiều và hiệu suất thiết kế lò phản ứng cũng không tốt.
Cho đến gần đây, các nhà nghiên cứu từ Đại học Texas tại Austin, Phòng thí nghiệm Quốc gia Los Alamos và công ty Type One Energy đã đưa ra một phương pháp mới dựa vào lý thuyết đối xứng, cho phép dự đoán chính xác khoảng trống từ trường mà không cần tính toán chi tiết, rút ngắn quy trình thiết kế hệ thống kìm hãm từ của thiết bị kiểu sao gấp 10 lần mà không ảnh hưởng đến độ chính xác của thiết kế, một lần nữa giải quyết thách thức lớn nhất mà thiết bị kiểu sao đã phải đối mặt trong hơn 70 năm qua.
Ngoài việc giải quyết rào cản thiết kế thiết bị kiểu sao, phương pháp mới cũng có thể giúp cải thiện thiết kế của thiết bị Tokamak – một loại thiết bị kìm hãm hạt nhân khác. Trong thiết bị Tokamak, vấn đề thường gặp là các điện tử không kiểm soát có thể làm hỏng bức tường của lò phản ứng. Phương pháp mới có thể xác định chính xác các lộ trình tẩu thoát tiềm năng của những điện tử này, mở ra con đường mới cho công nghệ hạt nhân.
(Hình ảnh đầu tiên nguồn: shutterstock)