Định nghĩa các kiểu dáng
Stellarator
Wendelstein 7-X
17 tháng 12 năm 2015
Cuối cùng thì người Đức, sau 19 năm dài đằng đẵng, đã hoàn thành việc lắp ráp một thiết bị công nghệ kỳ quái thực sự như một stellarator. Cuối tháng 12, thiết bị này đã tạo ra plasma đầu tiên, sớm hàng thập kỷ so với ITER. Tất nhiên, những người truy cập trang web của tôi đã chất vấn tôi rất nhiều về thiết bị này.
Đã mất 19 năm để dự án này được hoàn thành, cùng với một triệu giờ công lao động. Thiết bị có 20 cuộn dây phẳng và 50 cuộn dây không phẳng. Tại sao lại phân biệt như vậy? Khi muốn tạo ra từ trường trong các cuộn dây này, dòng điện rất mạnh phải chạy qua, có thể đạt tới 12.000 ampe. Nhưng khi dòng điện mạnh chạy qua cuộn dây, nó chịu lực ly tâm, khiến cuộn dây có xu hướng cong thành hình tròn. Nếu không kiểm soát được, lực này có thể làm đứt cuộn dây. Vì hình dạng của cuộn dây trong stellarator Đức rất phức tạp,
nên phải thiết kế các cuộn dây có hình dạng không chỉ tròn mà còn cong:
Tại sao lại có hình dạng phức tạp như vậy? Nếu bạn xem 5 video mà tôi đã đăng trên YouTube, các nguyên lý cơ bản của tokamak sẽ được trình bày. Ý tưởng bắt nguồn từ sự lạnh lẽo, do Andrei Sakharov và Artsimovitch đề xuất. Nếu đặt các cuộn dây tròn, đều đặn quanh buồng hình xoắn ốc, từ trường sẽ mạnh hơn gần trục máy, nơi các cuộn dây gần nhau nhất. Vì plasma có xu hướng di chuyển về vùng từ trường yếu nhất, nên từ trường sẽ đẩy plasma tạo ra trong buồng ra ngoài. Tokamak là một giải pháp đầu tiên. Bằng cách dùng một cuộn dây solenoid dọc theo trục máy, tạo ra từ trường tăng dần (đạt 13 tesla trên ITER), ngâm cả buồng thí nghiệm, dòng điện cảm ứng sẽ xuất hiện, chạy vòng quanh trong plasma. Dòng điện này tự tạo ra từ trường, gọi là từ trường poloïdal, kết hợp với từ trường do các cuộn dây bao quanh buồng. Kết quả là các đường sức từ có dạng xoắn ốc.
Vì các hạt mang điện có xu hướng xoắn quanh các đường sức từ, nên chúng sẽ đi theo các đường này. Điều này giúp giữ plasma ở trung tâm buồng. Giải pháp thứ hai, được người Mỹ Lyman Spitzer đề xuất vào những năm 1950, là thiết kế một thiết bị mà ông gọi là stellarator. Máy Wendelstein X-7 là một stellarator:
Màu vàng là buồng máy, màu xanh là nhiều cuộn dây. Khi thiết kế stellarator Đức, các tính toán máy tính rất nhiều để tối ưu hóa hình dạng buồng và thiết kế cuộn dây. Tất cả những điều này đòi hỏi công sức khổng lồ và một triệu giờ lao động.
Tại sao chọn stellarator thay vì tokamak? Trong tokamak (và cả ITER), rủi ro lớn nhất là hiện tượng mất ổn định (disruption). Bên trong buồng, dòng điện plasma (15 triệu ampe cho ITER) có thể được hình dung như một con rắn cắn đuôi mình. Một cách rất sơ lược, một disruption có thể so sánh với việc dòng điện bị đứt khi cuộn lại. Khi đó, con rắn buông đuôi và "cắn" vào thành buồng. Trên ITER, "cái cắn" này được đánh giá lên tới 11 triệu ampe.
Nguyên nhân: sự rối loạn MHD. Tệ hơn nữa: sự biến dạng từ trường đi kèm với các gradient (độ dốc), tạo thành những vùng tăng tốc cho các hạt mang điện: chủ yếu là electron. Những electron này đạt tốc độ gần bằng tốc độ ánh sáng, tích lũy năng lượng rất lớn. Khi đạt đến một tốc độ nhất định, chúng gần như không còn tương tác với các ion. Người ta gọi chúng là electron tách biệt. Nhưng do "hiệu ứng thác đổ", chúng lại làm tăng tốc thêm các electron khác. Hiệu ứng nhân lên này rất lớn trên ITER.
Trong stellarator, những hiện tượng này không tồn tại. Điều đó không có nghĩa là các bất ổn định khác không thể xảy ra. Chỉ có thực nghiệm mới trả lời được câu hỏi này. Trong nửa thế kỷ qua, các máy plasma đã mang lại quá nhiều bất ngờ không mong muốn, nên việc tiến triển từng bước là điều cần thiết.
Máy Đức có hệ thống từ hóa với cường độ từ trường đạt 3 tesla. Hệ thống làm nóng bằng sóng vi ba được thiết kế hoạt động trong khoảng 10 đến 50 giây. Hệ thống tiêm neutron cung cấp năng lượng với công suất 8 MW. Với thiết bị này, các nhà nghiên cứu hy vọng có thể đưa plasma trong buồng lên mật độ 3×10²⁰ hạt nhân mỗi mét khối, nhiệt độ từ 60 đến 120 triệu độ.
Stellarator Đức sẽ không tạo ra plasma fusion "tự duy trì", nơi năng lượng từ phản ứng fusion đủ để duy trì nhiệt độ plasma ở mức cần thiết. Với các thiết bị này, chúng ta đang cố gắng "bật lửa hạt nhân". Bạn có thể so sánh điều này với việc cố gắng đốt một cục gỗ ẩm bằng những mảnh gỗ vụn hoặc một que diêm máy. Trong khi gỗ ẩm đang cháy, nó tham gia vào quá trình tỏa năng lượng. Khi những mảnh gỗ khô hoặc que diêm bị đốt hết, có hai khả năng: hoặc nhiệt độ từ việc đốt gỗ ẩm đủ cao để duy trì ngọn lửa tự phát, hoặc năng lượng tỏa ra không đủ và ngọn lửa sẽ tắt, buộc bạn phải bắt đầu lại với một que diêm mới.
Chưa có máy plasma nào trên thế giới từng tạo ra điều kiện như vậy. Máy hiệu quả nhất hiện nay là JET, đã đạt hệ số Q = năng lượng đầu vào / năng lượng đầu ra lên mức 0,6. Mục tiêu của ITER là đạt hệ số Q lớn hơn 1. Trong quá trình này, chúng ta hoàn toàn không biết plasma fusion tự duy trì sẽ hành xử như thế nào. Như mọi vấn đề liên quan đến lĩnh vực này, việc dự đoán lý thuyết là cực kỳ khó khăn.
Stellarator Đức có chi phí tương xứng với độ phức tạp của nó. Tôi cho rằng chi phí khoảng 1 tỷ euro. Nhưng đây là một dự án đã chín muồi. Máy đã được xây dựng, các thiết bị từ hóa đang hoạt động, và đầu tháng 12, các nhà nghiên cứu đã thu được plasma đầu tiên. Giai đoạn tiếp theo là tăng cường năng lượng đầu vào, tương tự như các tokamak, bằng sóng vi ba và tiêm neutron. Đây là những kỹ thuật đã được kiểm soát. Câu hỏi đầu tiên là: "Thiết bị này có đáp ứng kỳ vọng về khả năng giữ plasma hay không?" Dường như đã có một câu trả lời tích cực ban đầu.
Stellarator có phải là giải pháp cho sản xuất năng lượng bằng fusion không? Còn quá sớm để nói. Nhưng chi phí của nó thấp hơn 16 lần so với ITER. Máy này có một lợi thế lớn so với dự án khổng lồ này: nó đang hoạt động, và các nhà nghiên cứu không phải lo lắng rằng nó sẽ bị hư hại ngay lập tức do disruption — điều không đúng với ITER.
Rủi ro này làm chậm tiến độ nghiêm trọng cho dự án này. Nếu nhìn cách ITER được thiết kế, việc thay thế bất kỳ bộ phận nào cũng có thể trở thành một vấn đề nan giải. Các bộ phận bị "điểm đến" chính của các disruption là các thành phần của "divertor".
Hình ảnh đầu tiên cho thấy kích thước bộ phận so với quy mô toàn bộ máy. Có một video cho thấy kỹ thuật viên phải thực hiện những động tác kỳ công để lắp đặt các bộ phận. Việc thay thế cũng sẽ rất khó khăn. Xem thêm:
https://www.youtube.com/watch?v=pt70mO2nQac
Trong quá trình này, rủi ro disruption càng tăng khi ta cố gắng khai thác nhiều năng lượng hơn từ plasma.
Stellarator Đức là một công cụ nghiên cứu, không có tham vọng trở thành tiền thân của một nhà máy năng lượng fusion. Về mặt này, đây là một dự án thú vị, hợp lý. Dự án ITER từ đầu đã mang tính "pharaon" (kỳ quái). Chúng ta đã hoàn toàn đánh giá thấp các vấn đề kỹ thuật và khoa học có thể gặp phải.
Tại Pháp, chúng ta không có stellarator, dù chỉ là máy thí nghiệm. Cá nhân tôi đã đề xuất thử nghiệm một cấu hình "nút lá tre", thể hiện sự xoắn ốc của các đường sức từ, đồng thời cho phép tạo ra chúng bằng cuộn dây tròn.
Nhưng buồng này được xây dựng quanh một "lõi" có phương trình:
x = Cos t + 2 Cos 2t
y = sin t - 2 sin 2t
z = 2 sin 3t
Trong một tiết diện thẳng, tròn, điểm từ trường cực đại quay 270° mỗi vòng, điều này có thể đủ để đảm bảo độ đồng đều của plasma. Việc các cuộn dây là tròn giúp tăng từ trường lên tới 10 tesla (từ trường danh định trong buồng ITER là 11,8 tesla).
Tuy nhiên, mọi nỗ lực để thực hiện, dù chỉ là một mô hình nhỏ 50 cm trong phòng thí nghiệm chuyên biệt, đều đã thất bại. Điều đáng chú ý là bộ phận của CNRS phụ trách nghiên cứu plasma nóng đã viết rằng các nghiên cứu này chỉ còn hai hướng khả dĩ:
- ITER
- Mégajoule.
Như một thông tin tham khảo, kết quả từ người anh em lớn của Mégajoule, NIF (Cơ sở Khởi động Quốc gia) của Mỹ, đã thất vọng đến mức độ không thể chấp nhận được, nên hy vọng nghiên cứu fusion bằng laser thông qua thiết bị Mégajoule cũng chỉ là ảo tưởng. Thiết bị Mỹ có 192 laser bằng thủy tinh pha neodymium, trong khi máy Pháp chỉ có 176. Dù NIF thất bại, dự án Pháp vẫn được tiến hành đến cùng.
Trong quá trình này, tại sao lại thất bại đến vậy?
Từ giữa những năm 1970, nhờ một dự án nghiên cứu siêu bí mật mang tên Centurion Halite, người Mỹ đã biết rằng để nén một quả cầu deutérium-tritium đến mức tạo ra fusion bên trong, cần cung cấp năng lượng từ 10 đến 20 megajoule. Nhưng NIF chỉ có thể tập trung lên giọt này 0,18 megajoule, tức là năng lượng chỉ bằng 1/55 so với yêu cầu. Dù các laser phát ra 1,8 megajoule năng lượng, nhưng trong hệ thống hohlraum (lò nhỏ), 80–90% năng lượng này bị dùng để làm nóng lớp vàng làm lò nhỏ.
Lò nhỏ bằng vàng, chứa mục tiêu
Phần năng lượng thực sự được truyền vào mục tiêu
Không thể dùng 50 lần số laser. Các nhà lý thuyết của dự án, đứng đầu là John Nulholls, đã nghĩ ra cách nén không phải trên một giọt mà trên một lớp D-T đông cứng, được phủ lên mặt trong của một bóng nhỏ. Rủi ro là quá trình nén có thể không đều do bất ổn Raleigh-Taylor, xảy ra khi một chất lỏng tác động áp lực lên chất lỏng khác. Điều này có thể dễ hình dung bằng cách xem hiện tượng xảy ra khi một chất lỏng nặng hơn tác động lên chất lỏng nhẹ hơn nằm phía dưới:
Bất ổn Raleigh-Taylor
Nulholls, tin tưởng vào các dự đoán từ mô phỏng số, đã đảm bảo rằng bất ổn này sẽ ảnh hưởng rất ít đến kết quả thí nghiệm. Theo ông, fusion sẽ đạt được ngay từ những lần thử đầu tiên (vào năm 2012), và công việc của các nhà thí nghiệm chỉ còn là điều chỉnh tham số mô phỏng để phù hợp hơn với dữ liệu thực nghiệm. Nhưng chiến dịch thử nghiệm kết thúc bằng một thất bại hoàn toàn. Các phép đo cho thấy bất ổn Raleigh-Taylor hoạt động mạnh mẽ.
Làm sao có thể chứng minh điều này? Chỉ cần đặt các nguyên tử trắc nghiệm vào mục tiêu để đo tốc độ nén bằng hiệu ứng Doppler. Fusion đòi hỏi tốc độ nén phải đạt 370 km/giây. Nhưng thực tế thì xa vời, và tốc độ nén rất phân tán, cho thấy sự hoàn toàn thiếu đều đặn.
Chúng ta đang đối diện với thất bại của một thao tác nặng nề (6 tỷ đô la) hoàn toàn dựa trên mô phỏng trên máy tính siêu mạnh. Một khía cạnh khác là việc Nulholls và nhóm ông đã "đổ đầy đầu" các nhà nghiên cứu khác. Họ cấm các nhà khoa học khác phân tích mã tính toán của họ, với lý do "bí mật quốc phòng".
Còn người Pháp thì sao? Vào giữa những năm 1970 – đầu những năm 1980, khi dự án Mégajoule đang được xây dựng, họ có biết con số 10–20 megajoule cần thiết trên mục tiêu để đạt fusion không? Thật ra họ biết. Về mặt lý luận, điều này nên dừng dự án lại. Người Pháp là những người duy nhất đi theo chân người Mỹ. Ở các nước khác, Nga, Nhật, các nhà nghiên cứu đều có "laser công suất cao" (một terawatt mỗi laser). Nhưng ở nơi khác, họ nói: "Hãy xem kết quả của người Mỹ và người Pháp đã đạt được. Sau đó sẽ tính tiếp". Ngoại trừ, đặc biệt ở Nga, các kỹ sư quân sự có thể đã có dự án riêng mang tên "Centurion-Halite".
Các dự án NIF và Mégajoule không nhằm mục đích sản xuất năng lượng từ fusion bằng laser ngay từ đầu, đơn giản vì hiệu suất của các laser này chỉ khoảng 1,5%. Nói đến việc các nhà máy fusion sẽ xuất hiện dựa trên cơ sở này là chỉ để đùa giỡn với công chúng. Thực tế, các dự án này hoàn toàn mang tính quân sự. Việc nén mục tiêu nhằm tái tạo, ở quy mô rất nhỏ, quá trình nén xảy ra trong vũ khí nhiệt hạch do bức xạ tia X từ vũ khí phân hạch (plutonium 239) gây ra.
Tại sao lại thất bại như vậy