Nam châm của lò phản ứng nhiệt hạch mạnh nhất thế giới có thể nâng tàu sân bay nặng 102 triệu kg lên cao gần hai mét.
Nam châm lớn và mạnh nhất thế giới có tên cuộn solenoid trung tâm (CS). Khi lắp ráp hoàn chỉnh, nam châm này cao 18m, rộng 4,2m, nặng khoảng 1.000 tấn. CS là phần cốt lõi của lò phản ứng nhiệt hạch lớn nhất thế giới, Lò phản ứng thử nghiệm nhiệt hạt nhân quốc tế (ITER) vào năm 2023.
Module đầu tiên của cuộn solenoid trung tâm. (Ảnh: ITER)
Xây dựng một nam châm lớn như vậy là công việc đồ sộ. Các kỹ sư và kỹ thuật viên ở công ty General Atomics mất hơn nửa thập kỷ để thiết kế, sản xuất và thử nghiệm nhiều bộ phận khác nhau của CS ở cơ sở sản xuất. Việc vận chuyển mỗi bộ phận của nam châm cũng là một thách thức không nhỏ, đòi hỏi những con đường xây riêng và cần trục để kéo. Theo John Smith, giám đốc kỹ thuật và dự án tại General Atomics, CS tạo ra lực từ đủ mạnh để nhấc tàu sân bay nặng khoảng 102 triệu kg lên cao 1,8 mét.
Hồi tháng 8/2021, module đầu tiên của nam châm được chuyển tới Pháp. CS bao gồm tổng cộng 6 module, mỗi module cao 2,1 mét, rộng 4,2 mét và nặng 113 kg. Sau khi hoàn thành, các kỹ sư sẽ xếp chồng module lên nhau ở trung tâm lò phản ứng. Nam châm điện siêu dẫn là "trái tim" của lò tokamak ITER, thiết bị sản xuất năng lượng nhiệt hạch trong điều kiện kiểm soát. CS sẽ dẫn dòng điện 15 triệu ampe vào thân lò tokamak hình vành khăn, giúp định hình và ổn định khí plasma nóng như lõi Mặt Trời ở bên trong.
Dù lò ITER là nguyên mẫu của các lò tokamak cỡ lớn trong tương lai và không sản xuất điện, dự án sẽ chứng minh phản ứng nhiệt hạch là giải pháp năng lượng khả thi không thải khí carbon. Tính đến nay, chưa có lò phản ứng nhiệt hạch này tiến gần tới sản sinh nhiều năng lượng hơn mức tiêu thụ. Đây là một trở ngại lớn bởi lò phản ứng sử dụng lượng điện khổng lồ. Nhưng với CS, ITER có thể mở đường cho năng lượng bền vững.
Chỉ riêng vận chuyển một trong các module của nam châm đã đòi hỏi sự khéo léo ở mỗi khúc cua. Các kỹ sư sử dụng một chiếc cần trục rất lớn. Phần thân của cần trục đặt vừa trên một chiếc xe tải 9 cầu. Đội vận chuyển huy động 40 - 60 xe bán tải chở linh kiện kèm theo tới khu vực xây lò ITER. Họ đưa module nam châm lên xe tải bằng hệ thống thủy lực vận hành nhờ động cơ xăng. Sau đó, module được chuyển lên tàu bằng nhiều cỗ máy và tới biển Caribe. Tại đó, các kỹ sư chuyển nó lên một chiếc tàu được thiết kế để chở container dễ tải.
Quá trình chế tạo nam châm lớn như CS về cơ bản giống cách sản xuất bất kỳ cuộn nam châm điện thông thường nào. Đó là quấn dây dẫn điện quanh cuộn lõi. Do CS quá lớn và làm từ vật liệu niobium và thiếc siêu dẫn, vấn đề phức tạp hơn một chút.
Đầu tiên, General Atomics nhập dây điện từ một nhà máy sản xuất ở Nhật Bản. Sau đó, vật liệu được cuộn lại cẩn thận và xử lý nhiệt ở 650 độ C trong 5 tuần. Khi cho niobium tiếp xúc với hợp chất hóa học Nb3Sn, các nhà khoa học biến đổi chất dẫn điện thành chất siêu dẫn. Nhiệt độ tăng dần đều, duy trì và sau đó lại giảm dần. Cuối cùng, công ty nới lỏng cuộn lò xo để một cỗ máy đặc biệt có thể quấn tổng cộng 5,6 km dây điện. Đội kỹ sư sử dụng số băng dính dài gần 290 m để bao phủ tất cả dây điện siêu dẫn. Trong khi đó, không khí bên trong module nam châm được thay thế bằng 3.785 l nhựa nhân tạo, xử lý ở 127 độ C cho tới khi cứng lại.
General Atomics sẽ tiếp tục sản xuất thêm 5 module nữa, luân phiên giữa các cơ sở chế tạo khác nhau đối với những bước như xử lý nhiệt cuộn dây và phủ băng dính. Theo Smith, thời gian để sản xuất một module là hai năm.