100 TRIỆU ĐỘ CHO CÁC ELECTRON CỦA MỘT CỖ MÁY NHIỆT HẠCH NHỎ GỌN

Trong một lò phản ứng nhiệt hạch tương lai tự “cháy”, các hạt alpha sinh ra từ phản ứng nhiệt hạch sẽ trao phần lớn năng lượng của chúng cho các electron của plasma, thông qua va chạm. Các electron đó nóng đến đâu, và nhiệt của chúng thất thoát nhanh đến mức nào, sẽ quyết định phần lớn hiệu quả hoạt động của lò.

Một cách làm nóng trực tiếp các electron là dùng vi sóng: gia nhiệt cộng hưởng cyclotron electron, hay ECRH. Phương pháp này được kỳ vọng ngày càng quan trọng trong các thiết bị nhiệt hạch nhỏ gọn tương lai. Thế nhưng các thí nghiệm trên tokamak cầu (spherical torus) — những thiết bị rất nhỏ gọn giam giữ plasma trong từ trường — phần lớn được làm nóng bằng các chùm hạt trung hòa nhanh, và được nghiên cứu với ion nóng. Theo các tác giả, những plasma trong đó electron nóng được làm nóng gần như chỉ bằng vi sóng vẫn còn phần lớn chưa được khám phá.

Phát bắn 18325

Guang Yang, Yuejiang Shi và nhóm vận hành EXL-50U, một tokamak cầu do công ty ENN Fusion ở Bắc Kinh điều hành, báo cáo về một lần phóng điện như vậy. Trong phát bắn 18325, plasma mang dòng điện khoảng 500 kiloampe và chỉ được làm nóng bằng vi sóng 50 gigahertz, từ hai hệ thống được dùng lần lượt: bộ phát thứ nhất khoảng 230 kilowatt cho đến giây thứ 0,5, rồi bộ thứ hai khoảng 200 kilowatt.

• Khi bộ phát thứ nhất hoạt động, các electron ở lõi duy trì gần 2 keV.
• Sau khi chuyển đổi, nhiệt độ của chúng tăng nhanh. Ở giây thứ 0,60, một phương pháp chẩn đoán bằng laser (tán xạ Thomson) đo được khoảng 10 keV ở tâm. Vì sai số lớn, nhóm giữ 8,6 keV — 100 triệu kelvin — làm giới hạn dưới thận trọng.
• Giai đoạn nóng kéo dài khoảng 150 mili giây, ở mật độ lõi rất thấp, khoảng 0,4 × 10¹⁹ hạt mỗi mét khối, trước khi sụp đổ khi dòng điện giảm dần và mật độ tăng lên.

Phát bắn 18325 trên EXL-50U: nhiệt độ electron ở lõi (khung a6) đạt đỉnh gần 0,6 s sau khi chuyển sang hệ thống vi sóng thứ hai; khung B cho thấy phân bố nhiệt độ có đỉnh nhọn. — Hình 1, Yang và cộng sự (2026), arXiv:2610.14684.

Vì công suất đưa vào hầu như không đổi khi chuyển đổi, các tác giả cho rằng bước nhảy là do thay đổi về vị trí mà bộ phát thứ hai truyền năng lượng vào — lệch khỏi trục, theo mô hình dò tia (ray-tracing) của họ. Cơ chế chính xác, và liệu sự phân cực khác nhau của hai sóng có phải là nguyên nhân quyết định hay không, vẫn còn bỏ ngỏ.

Electron nóng, ion lạnh

Phân bố nhiệt độ có đỉnh rất nhọn: nó giảm xuống khoảng 1 keV ở nửa đường ra mép, trong khi mật độ gần như phẳng. Nhiệt tập trung sát trục.

Các ion không được đo trong khoảng thời gian nóng. Cùng ngày hôm đó, một máy quang phổ tia X cho thấy các ion ở lõi tập trung quanh 0,5 keV, và ở các phát bắn lân cận, tỉ số nhiệt độ electron trên ion tăng lên khi mật độ giảm. Nói cách khác, ở mật độ thấp, electron và ion của plasma này tách rời nhau rõ rệt: 100 triệu độ chỉ thuộc về các electron.

Nhóm cũng mô hình hóa cách nhiệt thoát ra. Nhiệt của electron rò rỉ nhanh hơn từ 100 đến 10.000 lần so với dự đoán của lý thuyết va chạm đơn giản nhất — điều mà các nhà vật lý gọi là vận chuyển dị thường (anomalous transport) — nhưng ít hơn ở rất gần trục. Các mô phỏng chỉ ra hai loại bất ổn định quy mô nhỏ, một ở lõi và một ở bán kính trung gian; các tác giả nhấn mạnh rằng đây không phải là dự đoán định lượng về tổn thất nhiệt.

Những điều cần ghi nhớ

Nhiệt độ ở tâm đi kèm những lưu ý mà các tác giả nêu rõ. Phép đo bị nhiễu ở mật độ thấp như vậy; nó giả định rằng các electron tuân theo phân bố nhiệt thông thường, và các electron nhanh “phi nhiệt” có thể do vi sóng tạo ra chưa được phân giải. Mức tạp chất của plasma được giả định chứ không được đo.

Cũng cần lưu ý một xung đột lợi ích. Các tác giả có liên kết với ENN Fusion, công ty tư nhân vận hành EXL-50U, và công trình được tài trợ bởi một công ty thuộc ENN. Họ khai báo không có xung đột và cho biết nhà tài trợ không có vai trò gì trong nghiên cứu. Dù vậy, đây vẫn là một công ty báo cáo một cột mốc hiệu suất của chính cỗ máy của mình, trong một bản tiền ấn phẩm ngắn chưa qua bình duyệt.