Các kỹ sư Mỹ phát triển nam châm mạnh nhất thế giới

Module đầu tiên của nam châm mạnh gấp 280.000 lần từ trường Trái đất sắp được chuyển tới lò phản ứng ITER.

Các kỹ sư ở Mỹ đang chuẩn bị để vận chuyển bộ phận đầu tiên của nam châm mạnh nhất thế giới tới Pháp, giúp cung cấp năng lượng cho lò phản ứng tổng hợp hạt nhân tiên tiến. Nam châm mang tên Central solenoid, sẽ trở thành "trái tim" của lò phản ứng tổng hợp hạt nhân lớn nhất thế giới, ITER.

Thí nghiệm quốc tế này bao gồm 35 quốc gia thành viên với mục tiêu chứng minh tính khả thi của việc sử dụng phản ứng tổng hợp hạt nhân bền vững để tạo ra điện. Trong phản ứng tổng hợp hạt nhân, nguyên tử nhỏ kết hợp để tạo ra nguyên tử lớn hơn trong phản ứng giải phóng năng lượng khổng lồ.

Module đầu tiên của Central solenoid.

Khi lắp ráp hoàn chỉnh, Central solenoid sẽ cao 18 m và rộng 4,3 m, có thể sản sinh từ trường 13 tesla, mạnh gấp 280.000 lần từ trường Trái đất, đủ để nhấc bổng cả tàu sân bay nặng khoảng 90.700 tấn.

Central solenoid sẽ là nam châm điện lớn và mạnh nhất từng được chế tạo, theo John Smith, giám đốc kỹ thuật và dự án tại General Atomics, công ty sản xuất nam châm. Central solenoid bao gồm 6 module riêng lẻ xếp chồng lên nhau ở trung tâm của lò phản ứng ITER. Toàn bộ nam châm cao bằng tòa nhà 4 tầng và nặng 907 tấn.

Về cơ bản, mỗi module riêng lẻ là một cuộn dây lớn chứa khoảng 5,6 km cáp siêu dẫn bằng niobium-tin phủ thép. Module sau đó được xử lý nhiệt trong lò lớn suốt vài tuần để tăng độ dẫn điện. Tiếp theo, dây cáp được cách nhiệt và quấn thành cuộn ở hình dạng cuối cùng.

Theo định luật cảm ứng Faraday, điện truyền qua dây dẫn phát ra từ trường vuông góc với dây. Khi quấn dây thành cuộn, dòng điện sản sinh từ trường hình tròn. Mỗi cuộn dây sẽ tăng cường độ mạnh của từ trường. Solenoid là cuộn dây điện cùng với lõi sắt từ di động lồng trong trung tâm của nó. Phiên bản đơn giản nhất của solenoid là thí nghiệm trong lớp học, trong đó học sinh quấn dây quanh chiếc đinh và gắn với pin. Khi bật pin, cuộn dây có thể nhấc kẹp giấy lên.

Tuy nhiên, kích thước và bản chất siêu dẫn của Central solenoid có nghĩa dòng điện có thể truyền qua nhiều hơn, cho phép tạo ra từ trường mạnh hơn bất cứ vật nào khác. Central solenoid là "trái tim" của lò ITER, bởi nó giúp các nhà khoa học kiểm soát độ kém ổn định của phản ứng tổng hợp hạt nhân.

ITER được thiết kế để giải phóng lượng cực nhỏ deuterium và tritium bay hơi, hai đồng vị hydro, trong buồng chân không hình vành khăn lớn gọi là tokamak. Tokamak làm nóng những đồng vị này tới nhiệt độ cực cao, tách electron khỏi nguyên tử và biến đổi khí thành plasma. Plasma siêu nóng sẽ đạt nhiệt độ 150 triệu độ C, nóng gấp 10 lần lõi Mặt trời. Ở nhiệt độ đó, nguyên tử trải qua quá trình hợp hạch, giải phóng lượng lớn năng lượng, có thể dùng để tạo ra điện bằng cách đun nóng nước, sau đó dùng hơi nước làm quay turbine.

Phản ứng tổng hợp hạt nhân đã xảy ra bên trong một số lò phản ứng từ thập niên 1950, nhưng chỉ kéo dài vài giây mỗi lần. Để phản ứng tổng hợp hạt nhân trở thành phương án sản xuất điện khả thi, phản ứng cần được duy trì đều đặn và năng lượng cần dùng để tạo ra phản ứng phải ít hơn năng lượng sản sinh.

Một trong những trở ngại lớn nhất để đạt phản ứng tổng hợp hạt nhân bền vững là duy trì và điều khiển plasma cực nóng bên trong lò phản ứng.

Về lý thuyết, từ trường mạnh mà Central solenoid tạo ra sẽ cố định plasma bên trong tokamak và duy trì phản ứng. Sau hơn 5 năm chế tạo, module đầu tiên của Central solenoid đã sẵn sàng để vận chuyển tới nơi đặt lò ITER ở Pháp. Các kỹ sư chế tạo và vận chuyển mỗi module riêng do nam châm hoàn chỉnh quá nặng để vận chuyển an toàn. Những module cũng được chế tạo riêng để đề phòng trường hợp cần thay thế.

Hành trình của module sẽ bắt đầu bằng đường bộ. Thiết bị sẽ được chuyển từ cơ sở ở San Diego của General Atomics tới một cảng ở Houston nhờ xe đầu kéo khổng lồ. Từ đó, đầu tháng 7, nam châm sẽ được đưa tới Marseille, Pháp, và tới nơi vào cuối tháng 8. Nó sẽ tiếp tục trải qua hành trình đường bộ tới cơ sở ITER. Năm module còn lại và một module dự phòng sẽ đi theo tuyến đường tương tự khi hoàn thành trong vài năm tới.

Mỗi nước trong tổng số 35 quốc gia tham gia dự án, bao gồm Liên minh châu Âu, Anh, Thụy Sĩ, Trung Quốc, Ấn Độ, Nhật Bản, Hàn Quốc, Nga và Mỹ, đều góp phần vào dự án thông qua thiết kế và sản xuất một phần trong hơn một triệu bộ phận của lò phản ứng.

Central solenoid có giá trị lớn nhất trong phần đóng góp của Mỹ, chiếm khoảng 9% tổng chi phí của lò ITER, theo các kỹ sư. General Atomics đang phát triển thêm công nghệ và bộ phận giúp điều khiển plasma. Những công ty và trường đại học khác ở Mỹ cung cấp hệ thống làm mát và khí thải, chẩn đoán và điều khiển.

Bất chấp ảnh hưởng của Covid-19, việc xây dựng ITER vẫn theo đúng tiến độ hoàn thành năm 2025 và hiện nay đã hoàn thiện khoảng 75%. Phản ứng tổng hợp hạt nhân quy mô lớn sẽ diễn ra sớm nhất vào năm 2035. Phản ứng tổng hợp hạt nhân bền vững có thể mở đường cho năng lượng tái tạo vô hạn, làm giảm lượng khí thải carbon do đốt nhiên liệu hóa thạch.

HT (theo khoahoc.tv)