Sự hợp nhất các nguyên tử deuterium (D) và tritium (T) tạo ra năng lượng thu được cao nhất ở nhiệt độ "thấp nhất". Ảnh: ITER

Năng lượng nhiệt hạch có tiềm năng cung cấp nguồn điện an toàn, sạch và gần như vô hạn. Phản ứng nhiệt hạch có thể xảy ra đối với các hạt nhân nhẹ có trọng lượng nhỏ hơn sắt, nhưng các nguyên tố nhẹ sẽ kết hợp với nhau trong điều kiện nhiệt độ vào áp suất trong lòng môt ngôi sao.

Để tạo ra môi trường plasmas cháy nhiệt độ cao trong các lò phản ứng nhiệt hạch thí nghiệm như  tokamak và  thiết bị stellarator, các nhà khoa học tìm kiếm một loại nhiên liệu tương đối dễ sản xuất, lưu trữ và đạt đến trạng thái nhiệt hạch.

Hiện nay nhiên liệu deuterium-tritium được xác định là tốt nhất cho các lò phản ứng nhiệt hạch. Nhiên liệu này đạt đến điều kiện nhiệt hạch ở nhiệt độ thấp hơn so với các nguyên tố khác và giải phóng nhiều năng lượng hơn trong các phản ứng nhiệt hạch.

Deuterium và tritium là đồng vị của hydro, nguyên tố phong phú nhất trong vũ trụ. Tất cả các đồng vị của hydro đều có một proton, nhưng deuterium có 1 neutron và tritium có 2 neutron.

Khi deuterium và tritium hợp nhất sẽ tạo ra một hạt nhân helium, có hai proton và hai neutron. Phản ứng kết hợp giải phóng một nơtron năng lượng. Các nhà máy điện nhiệt hạch sẽ chuyển đổi năng lượng giải phóng từ các phản ứng nhiệt hạch thành điện năng, cung cấp năng lượng cho nhu cầu sử dụng trên thế giới.

Đồng vị Hydro

Chỉ có một proton trong hạt nhân của tất cả các đồng vị của hydro, nhưng số lượng neutron khác nhau. Ảnh do General Atomics cung cấp

Deuterium rất phổ biến. Khoảng 1 trong số 5.000 nguyên tử hydro trong nước biển là deuterium. Đại dương chứa nhiều tấn deuterium, khi năng lượng nhiệt hạch trở thành hiện thực, một gallon nước biển có thể tạo ra năng lượng tương đương 300 gallon xăng.

Tritium là một  đồng vị phóng xạ phân hủy tương đối nhanh (có chu kỳ bán phân rã 12 năm) và hiếm trong tự nhiên. Nhưng khi nguyên tố lithium làm giàu tiếp xúc với các nơtron năng lượng cao có thể tạo ra tritium.

Một nhà máy điện nhiệt hạch cần lithium làm giàu để tạo ra tritium trong chu trình nhiên liệu deuterium-tritium. Các nỗ lực nghiên cứu và phát triển (R&D) hiện nay tập trung vào hoàn thiện thiết kế tiên tiến Chăn nuôi tritium, sử dụng lithium ban đầu thu được từ những nguồn tự nhiên trên trái đất.

Thực tế nhiên liệu Deuterium-Tritium

Nước làm từ Deuterium nặng hơn nước thường khoảng 10%. Do đó trong ngành năng lượng hạt nhân được gọi là “nước nặng”.. 

Các nguồn tritium trên Trái đất bao gồm nguồn sản xuất tự nhiên từ sự tương tác với các tia vũ trụ, lò phản ứng phân hạch hạt nhân của nhà máy điện hạt nhân như lò phản ứng CANDU nước nặng, các vụ thử nghiệm vũ khí hạt nhân.

Để tránh một số thách thức R&D nhất định như hư hỏng vật liệu cấu trúc do các neutron năng lượng cao bắn phá, các nhà khoa học nhiệt hạch cũng quan tâm đến các phản ứng tổng hợp không điện tử như phản ứng tổng hợp deuterium-helium-3 và proton-bo, nhưng những phản ứng tổng hợp này xảy ra ở nhiệt độ ion cao hơn so với deuterium và tritium.

 Sơ đồ của stellarator nam châm vĩnh cửu. Plasma màu vàng, màu đỏ và màu xanh chỉ ra nam châm vĩnh cửu với các cuộn dây đơn giản xung quanh. Ảnh: Coaxing Zhu

Máy  stellarator là một trong những công nghệ mà các nhà khoa học tin rằng có thể sử dụng để tạo ra nhiệt hạch. Máy stellarator sử dụng từ trường xoắn để  giới hạn plasma nóng cháy trong hình dạng của một chiếc bánh vòng hình xuyến. Từ trường xoáy cho phép các nhà khoa học kiểm soát các hạt plasma, tạo điều kiện thích hợp cho các phản ứng nhiệt hạch. Stellarator sử dụng nam châm điện cực mạnh để tạo ra từ trường xoắn kéo dài quấn quanh hình xuyến.

Stellarators có một số ưu điểm so với Tokamak, một công nghệ khác mà các nhà khoa học đang nghiên cứu để tạo ra năng lượng nhiệt hạch. Thiết bị stellarator yêu cầu năng lượng đầu vào thấp hơn để duy trì plasma, thiết kế linh hoạt hơn và cho phép đơn giản hóa một số khía cạnh điều khiển plasma. Nhưng độ phức tạp thiết bị rất cao, đặc biệt đối với các cuộn dây từ trường.

Hiện nay, để thiết kế stellarator với hiệu quả tối ưu, các nhà khoa học đã chuyển sang thiết kế mô  phỏng trên máy tính hiệu suất cao và lý thuyết plasma hiện đại. Những công cụ tiên tiến này cho phép các nhà nghiên cứu tối ưu hóa thiết bị thử nghiệm stellarator  đối xứng xoắn ốc (HSX) ở Wisconsin và thiết bị stellarator Wendelstein 7-X ở Đức.

Khái niệm stellarator do Lyman Spitzer thuộc Đại học Princeton phát minh vào năm 1951. Sự phát triển ban đầu của stellarator những năm 1950 được thực hiện tại Phòng thí nghiệm Vật lý Plasma Princeton của Cơ quan Năng lượng Mỹ DOE. Thiết kế khó khăn đến mức nhà khoa học phụ trách đặt biệt danh là “Dự án Matterhorn” do chế tạo các cuộn dây có lỗ khoan lớn với độ chính xác đến từng milimet.

Các stellarator thông thường (trái) và tối ưu hóa (phải) sử dụng cuộn dây điện từ phức tạp để giới hạn plasma bằng từ trường xoáy ba chiều theo hình dạng của hình xuyến. Ảnh: D. Anderson, Đại học Wisconsin tại Madison.