- Thiết bị thí nghiệm nhiệt hạch Wendelstein 7-X tại Greifswald, sau khi vận hành trở lại vào mùa thu năm 2022, đã đạt mức chuyển đổi năng lượng 1,3 gigajoule, vượt mục tiêu 1 gigajoule đặt ra cho năm 2023
- Giá trị này, ghi nhận ngày 15/2/2023, cao gấp 17 lần mức cao nhất 75 megajoule trước khi cải tạo, cho thấy hiệu quả của công tác hoàn thiện thiết bị
- Chuyển đổi năng lượng là tích của công suất gia nhiệt được ghép vào plasma và thời gian duy trì phóng điện; trong thí nghiệm này, plasma được duy trì trong 480 giây với công suất trung bình 2,7 megawatt
- Trong 3 năm hoàn thiện, hệ thống làm mát bằng nước đã được bổ sung cho các phần tử vách và hệ thống gia nhiệt được nâng cấp, cho phép ghép vào plasma lượng điện năng nhiều gấp đôi trước đây
- Mục tiêu tiếp theo là nâng lên 18 gigajoule trong vài năm tới và duy trì plasma ổn định trong 30 phút
Kỷ lục 1,3 gigajoule và phóng điện 8 phút
- Wendelstein 7-X đã vượt mục tiêu chuyển đổi năng lượng 1 gigajoule của năm 2023, đạt 1,3 gigajoule
- Trong thí nghiệm ngày 15/2/2023, thiết bị ghi nhận giá trị cao gấp 17 lần kỷ lục trước khi cải tạo là 75 megajoule
- Chuyển đổi năng lượng được tính bằng cách nhân công suất gia nhiệt được ghép vào plasma với thời gian duy trì phóng điện
- Để vận hành nhà máy điện, cần có khả năng ghép một lượng lớn năng lượng vào plasma trong thời gian dài, đồng thời loại bỏ nhiệt phát sinh
Vách làm mát bằng nước và nâng cấp hệ thống gia nhiệt
- Wendelstein 7-X đã trải qua 3 năm hoàn thiện kéo dài đến mùa hè năm 2022
- Thay đổi chính là làm mát bằng nước cho các phần tử vách và nâng cấp hệ thống gia nhiệt
- Hệ thống gia nhiệt được nâng cấp có thể ghép vào plasma lượng điện năng nhiều gấp đôi so với trước đây
- Sau khi hoàn thiện thiết bị, Wendelstein 7-X có thể vận hành trong dải tham số rộng hơn
- Thomas Klinger của IPP cho biết cần tiến tới các mức năng lượng cao hơn, nhưng phải thực hiện từng bước để không làm quá tải hoặc hư hỏng thiết bị
Cấu trúc divertor đảm nhiệm việc loại bỏ nhiệt
- Wendelstein 7-X sử dụng các tấm chắn divertor có khả năng chịu nhiệt đặc biệt cao để loại bỏ các dòng nhiệt lớn nhất
- Các tấm chắn này là một phần của vách bên trong và sau khi thiết bị hoàn thiện, chúng được làm mát bằng hệ thống ống nước dài 6,8 km
- Hiện không có thiết bị nhiệt hạch nào khác trên thế giới có toàn bộ vách bên trong được làm mát toàn diện như Wendelstein 7-X
- Ảnh hồng ngoại không cho thấy bản thân plasma, mà cho thấy phân bố nhiệt độ của tấm chắn divertor làm mát bằng nước
- Đường ở vùng trung tâm nơi plasma chạm vào divertor xuất hiện dưới dạng strike line
- Một số khu vực đạt tới 600 độ C
- Các viên gạch divertor có thể chịu tới 1200 độ C
Điều kiện gia nhiệt tạo ra phóng điện 480 giây
- Gia nhiệt plasma của Wendelstein 7-X gồm ba thành phần
- Gia nhiệt ion mới được lắp đặt
- Gia nhiệt bằng phun hạt trung hòa
- Gia nhiệt vi sóng electron
- Trong kỷ lục lần này, hệ thống gia nhiệt vi sóng electron đặc biệt quan trọng
- Hệ thống này có thể cung cấp công suất lớn trong vài phút
- Mức chuyển đổi năng lượng 1,3 gigajoule đạt được với công suất gia nhiệt trung bình 2,7 megawatt
- Phóng điện plasma kéo dài 480 giây, tức 8 phút
- Đây là kỷ lục mới về thời gian phóng điện của Wendelstein 7-X
- Đây cũng là một trong những giá trị nổi bật trên thế giới
- Trước khi hoàn thiện, thời gian plasma tối đa của Wendelstein 7-X là 100 giây ở công suất gia nhiệt thấp hơn nhiều
Mục tiêu 18 gigajoule và nghiên cứu stellarator
- Wendelstein 7-X đặt mục tiêu nâng mức chuyển đổi năng lượng lên 18 gigajoule trong vài năm tới
- Với mục tiêu này, cần duy trì plasma ổn định trong 30 phút
- Nghiên cứu nhiệt hạch hướng tới phát triển các nhà máy điện thân thiện với khí hậu và môi trường, theo đuổi phương thức tạo năng lượng bằng sự hợp hạch của các hạt nhân nguyên tử, tương tự Mặt Trời
- Max Planck Institute for Plasma Physics nghiên cứu lộ trình nhiệt hạch giam giữ bằng từ trường
- Phản ứng nhiệt hạch chỉ được kích hoạt ở nhiệt độ từ 100 triệu độ C trở lên
- Nhiên liệu plasma hydro loãng không được tiếp xúc với thành bình chứa lạnh
- Plasma bị giữ bởi từ trường lơ lửng bên trong buồng chân không, gần như không tiếp xúc
- Lồng từ trường của Wendelstein 7-X được tạo thành từ một vòng gồm 50 cuộn nam châm siêu dẫn
- Thiết bị này thuộc loại stellarator; hình dạng đặc biệt của các cuộn dây là kết quả của các tính toán tối ưu hóa tinh vi
- Thông qua các cuộn dây này, mục tiêu là đưa chất lượng giam giữ plasma của stellarator đạt ngang mức với loại thiết bị cạnh tranh là tokamak
1 bình luận
Ý kiến trên Hacker News
À, hóa ra Wendelstein là lò phản ứng nhiệt hạch stellarator đó. Stellarator là một thiết kế thật sự rất hay, và là một phương án thay thế cho tokamak
Tokamak là lò phản ứng hình bánh donut, nhưng có vấn đề là plasma ở phía vòng ngoài bị giam giữ bằng từ trường kém hơn. Stellarator cũng tương tự, nhưng nó giam plasma như một dải ruy-băng và gấp nó lên theo cách sắp xếp giống dải Möbius
Trước đây tôi từng khá quan tâm đến lĩnh vực này, nhưng qua vài năm thì quên mất. Thật vui khi thấy nó thực sự hoạt động
https://en.wikipedia.org/wiki/Stellarator
Tôi vẫn nhớ khoảnh khắc mình hiểu đủ rõ radian để thật sự hiểu đường tròn và dạng sóng. Suốt mấy năm tôi chỉ giải bài mà chẳng biết mình đang làm gì, rồi đến một lúc hiểu ra thì có cảm giác như có thứ gì đó trong đầu đã thay đổi
Tôi muốn tư duy theo kiểu Möbius, nhưng não tôi lúc này gần như đang nói “xin kiếu”
Còn thú vị hơn là fusor, thiết kế có lẽ đơn giản nhất có thể làm lò phản ứng nhiệt hạch, dường như lại được phát minh sau stellarator và tokamak. Nó đơn giản đến mức nếu giỏi kỹ thuật điện và có thể dùng thiết bị dân dụng phù hợp thì có thể chế tạo tương đối dễ
Tuy vậy cá nhân tôi không thích thiết kế stellarator lắm. Bản thân sự phức tạp đó tạo cảm giác mơ hồ như đang đẩy tiếp theo một hướng sai nào đó
Dù vậy, trong trường hợp này tôi thật lòng mong mình được chứng minh là sai. Lĩnh vực này đã cần một bước đột phá lớn từ rất lâu rồi
Stellarator về lý thuyết là thiết kế ưu việt hơn tokamak, được tạo ra để triệt tiêu lực JxB. Ở đây J là dòng điện chạy qua plasma, còn B là từ trường dẫn hướng plasma trong thiết bị
Nếu vặn plasma thành dạng xoắn sao cho độ xoáy của B, tức giá trị tỷ lệ với J, trở nên song song với B, thì tích có hướng sẽ bằng 0, và do đó sẽ không có lực từ thủy động lực học thuần tác dụng lên plasma
Vì dung sai quá khắt khe, và họ nhiều lần không đưa được mọi thứ vào đúng trong các ràng buộc đó
Tôi đã thắc mắc energy turnover ở đây nghĩa là gì
Tìm thử thì thấy ghi: “Energy turnover is defined as the amount of heat multiplied by the duration of the discharge[1].” Ở đây “amount of heat” có lẽ nghĩa là “công suất gia nhiệt truyền vào plasma”. Vì để nhân với thời gian ra đơn vị joule thì giá trị ban đầu phải là công suất
1: https://gigazine.net/gsc_news/en/20230227-wendelstein-7-x-en...
Con số là “duy trì phóng điện trong 480 giây với công suất gia nhiệt trung bình 2,7 megawatt, đạt energy turnover 1,3 gigajoule”
Ngoài ra còn nói “trong vài năm tới, kế hoạch là nâng energy turnover của Wendelstein 7-X lên 18 gigajoule và duy trì plasma ổn định trong 30 phút”. Tức là duy trì 10 megawatt trong 30 phút
Có thể đây là câu hỏi hiển nhiên, nhưng tôi vẫn muốn hỏi. Điện năng được tạo ra ở đây sẽ được chuyển thành điện sử dụng được như thế nào?
Tôi biết các lò phản ứng phân hạch thông thường dùng nhiệt từ phân hạch để chạy tua-bin hơi nước. Nhưng nếu plasma cực kỳ nóng và phải được nâng bằng từ trường để không chạm vào thành bình chứa, thì làm sao truyền nhiệt đó sang môi chất khác để tạo điện?
Phần lớn năng lượng phản ứng được mang đi bởi neutron năng lượng cao. Vì vậy muốn thu hồi năng lượng thì phải “bắt” các neutron đó. Neutron không mang điện nên không thể trực tiếp tạo ra điện, cuối cùng chỉ có thể sử dụng dưới dạng nhiệt
Vấn đề là vì chúng trung hòa điện nên cũng tương đối khó bắt. Cần một vật liệu đặc, có xác suất va chạm với hạt nhân nguyên tử cao. Thiết kế được đề xuất thường là đặt một lớp blanket kim loại lỏng tuần hoàn quanh lò phản ứng, rồi đưa nó đến nơi đun sôi nước để tạo hơi và quay tua-bin
Kim loại được nhắc đến nhiều nhất là lithium, vì nó còn có ưu điểm là có thể tạo ra tritium khi bị neutron bắn vào. Tritium là một nửa rất hiếm của nhiên liệu phản ứng
Nếu biết tiếng Đức, tôi khuyên nghe các tập podcast Alternativlos, nơi hai người dẫn đã đến hiện trường hai lần và trò chuyện rất lâu với các nhà nghiên cứu. Cảm giác như các nerd nói chuyện với nhau nên nếu hiểu ngôn ngữ thì thật sự rất thú vị
https://alternativlos.org/36/ (2016)
https://alternativlos.org/51/ (gần đây nhất, tháng 5/2023)
Thiết bị này không được cấu hình riêng để làm vậy, và theo tôi biết thì hiện vẫn chưa có thiết bị như thế. Về mặt kỹ thuật, đó là vấn đề tương đối đơn giản, và trước khi có thể duy trì phản ứng nhiệt hạch trong nhiều tháng liền thì cũng chưa có nhiều lý do để phải xây dựng nó
Tuy vậy, phương pháp mà Helion Energy đang phát triển là một trong những khái niệm nhiệt hạch đầy hứa hẹn không cần toàn bộ quá trình này. Họ vẫn chưa tạo được công suất ròng, nhưng ý tưởng có tiềm năng và tránh được các vấn đề thường gặp của các cách phát điện nhiệt hạch khác. Tôi không xem đây là lời giải cuối cùng của lĩnh vực này, nhưng khả năng nó đóng vai trò chuyển tiếp giữa các stellarator cỡ lớn và phân hạch thì có vẻ khá đáng kể
Tuy nhiên theo tôi biết, thiết bị Wendelstein không được cấu hình để sản xuất điện, nên hiện việc làm mát đúng nghĩa chỉ là làm mát
Tôi thật sự thích nhóm này. Trong kế hoạch đặc trưng hóa và kiểm soát hoàn toàn dòng nhiệt hạch, họ đang lần lượt phá vỡ từng bài toán kỹ thuật
Trong cuộc đua hướng tới một nhà máy điện nhiệt hạch hoạt động được, đôi khi họ trông như con rùa, nhưng họ đang trả lời các câu hỏi mà phía tokamak vẫn chưa giải được, như quản lý nhiệt độ thành và duy trì phản ứng nhiệt hạch trong dòng chảy[1]. Tuy nhiên thiên kiến của tôi nằm gần phía “D” trong R&D hơn nhiều, nên khi theo dõi ITER, nhiều lúc nó giống “R” thuần túy
[1] https://www.iter.org/of-interest/1188
Nhân nói về nhiệt hạch, có ai biết SPARC của Commonwealth Fusion Systems đang ra sao không?
Tôi từng kỳ vọng lớn vào hệ thống của họ, nhưng cũng hiểu là sau khi nhận khoản đầu tư 2 tỷ USD, họ bước vào một chu kỳ phát triển và xây dựng sâu. Vì vậy trong năm qua, trang tin của họ chỉ đăng các hợp đồng kinh doanh và cập nhật giải thưởng. Tôi muốn nghe xem việc xây dựng lò phản ứng đang tiến triển thế nào
Về cơ bản là rất bận, nhưng tôi nghĩ vẫn còn ít nhất 3–5 năm nữa
Tôi đã theo dõi dự án này suốt 10 năm và xem nó là thành công. Nhưng làm thế nào để những dự án như thế này có thể tiến nhanh hơn?
Wendelstein 7-X sẽ không sản xuất điện sử dụng được, mà là một thiết bị được tạo ra như bước tiền đề cho lò phản ứng phát điện
Cuộn dây có hình dạng rất không đều và dung sai chặt nên khó chế tạo, còn lắp ráp bình chân không thì khó vì cuộn dây bao phủ nhiều vùng bề mặt “na ná hình xuyến” hơn hẳn tokamak
Hiện có rất nhiều công việc thú vị đang diễn ra trong lĩnh vực tối ưu hóa thiết kế stellarator, nhưng có lẽ sẽ mất rất lâu trước khi nghiên cứu đó được hiện thực hóa thành lò phản ứng thực tế
Lĩnh vực này cần nhiều vốn hơn, nhưng đến một thời điểm nào đó thì rốt cuộc vẫn phải xây dựng, và bản thân việc đó mất cực kỳ nhiều thời gian. Quy định và quan liêu có thể được cải thiện, nhưng cuối cùng lượng thời gian có thể rút ngắn một cách an toàn không nhiều
Khi có mô hình hoạt động, việc lặp lại sẽ nhanh hơn nhiều, nhưng có thể nói chúng ta đã đâm đầu vào tường suốt nhiều thập kỷ
Nhưng đáng tiếc là một cỗ máy đáng để xây dựng, tức thiết bị ở quy mô liên quan đến máy phát điện, thì không hề nhỏ. Luyện tập thì có ích
Có một gợi ý liên quan cho những ai biết tiếng Đức
Podcast Alternativlos của Felix Von Leitner và Frank Rieger đã đến Greifswald hai lần để phỏng vấn những người liên quan đến Wendelstein. Tập đầu tiên (http://alternativlos.org/36 , năm 2016) chủ yếu tập trung vào quá trình phát triển, xây dựng và lịch sử; tập thứ hai, phát hành năm nay, nói về các thành quả và tương lai của nhiệt hạch (http://alternativlos.org/51/)
Muốn hỏi những người hiểu rõ lĩnh vực này: startup nhiệt hạch nào trông có triển vọng? Cách tiếp cận giam giữ quán tính thì sao? Blue Laser Fusion vừa được tài trợ thì thế nào? TAE, một người chơi lâu năm, thì sao? Commonwealth, Helion và các công ty khác?
https://www.neimagazine.com/news/newszap-energy-considers-re...
Và bản thân ý tưởng của họ kỳ lạ đến mức tôi thích. Trong trường hợp tệ nhất, có lẽ nó vẫn có thể hoạt động như động cơ đẩy nhiệt hạch trong không gian :)
Theo tôi đoán, nếu không có tiền chính phủ thì phần lớn sẽ rất có khả năng thất bại. Trừ khi họ thực sự tìm ra được một cách vận hành chi phí thấp đặc biệt nào đó, đủ thần kỳ để ngay lần đầu đã đánh bại các giải pháp phát điện hiện nay vốn đã được tối ưu hóa rất cao
Nhìn chung, Tokamak Energy cũng có vẻ triển vọng nên tôi dự định đầu tư
Thứ nhất, ngay cả khi các nhà máy điện nhiệt hạch truyền thống hơn có thể tạo plasma trong một thiết bị không quá đắt — bản thân điều đó đã là một giả định lớn — thì chính cơ chế trao đổi nhiệt có vẻ sẽ cực kỳ phức tạp và tốn kém. Và vì là nhà máy điện dùng động cơ nhiệt, nó cũng bị giới hạn về vị trí có thể lắp đặt và quy mô kinh tế
Thứ hai, khi phát thải CO2 giảm, có lẽ người ta sẽ chú ý hơn đến phần đóng góp của các nhà máy điện dùng động cơ nhiệt vào hiện tượng nóng lên toàn cầu. Helion cũng sẽ bổ sung thêm nhiệt vốn không có sẵn vào Trái Đất, nhưng lượng nhiệt phát sinh trên cùng một đơn vị điện năng có lẽ sẽ ít hơn. Họ cũng không phụ thuộc vào cách xả toàn bộ lượng nhiệt đó ra sông
Tôi không biết Helion có khả thi hay không, nhưng nó có cảm giác như công nghệ duy nhất có thể khả thi
Chi phí xây nhà máy điện nhiệt hạch có lẽ sẽ đắt hơn rất nhiều so với một nhà máy điện phân hạch có công suất tương tự, trong khi ngay cả phân hạch hiện đã không còn cạnh tranh và ngày càng tụt lại phía sau. Cần nghiêm túc nghĩ đến các ứng dụng của plasma được giam giữ ổn định nhưng không xảy ra nhiệt hạch. Ưu điểm là nó không nhất thiết phải đặc biệt nóng. Chỉ với những gì hiện có, nó đã đủ nóng cho một số ứng dụng nghe có vẻ hợp lý
“Kỷ lục mới về thời gian phóng điện của Wendelstein 7-X: có thể duy trì plasma nóng trong 8 phút” rõ ràng là một cột mốc
Tuy nhiên, cần lưu ý rằng thứ đang được thử nghiệm hiện nay là hệ thống gia nhiệt. Điều đó không có nghĩa là đã xảy ra phản ứng nhiệt hạch thực sự