Phản ứng tổng hợp hạt nhân (nhiệt hạch) từ lâu đã được báo trước là tương lai của năng lượng nhân loại. Việc nhân rộng quá trình cung cấp năng lượng kiểu mặt trời trên Trái Đất hứa hẹn một nguồn cung cấp năng lượng tái tạo vô tận mà không gây hiệu ứng nhà kính. Khái niệm này từng chỉ làm say mê các nhà văn khoa học viễn tưởng và đã lảng tránh các nhà khoa học trong nhiều thập kỷ.
Tuy nhiên, hiện nay có nhiều dự án đang bước vào giai đoạn quan trọng. Thời điểm này không thể tốt hơn, vì nhiệt hạch có thể là "con át chủ bài" trong hành trình tìm kiếm năng lượng không phát thải của thế giới.
Nguyên Lý Vận Hành: Sao Chép Lõi Mặt Trời
Năng lượng từ phản ứng nhiệt hạch nghe có vẻ mang tính tương lai, nhưng thực chất nó có tuổi đời lớn hơn cả hành tinh của chúng ta. Cuộc sống trên Trái Đất không thể phát triển nếu thiếu nó.
Sau Vụ nổ lớn (Big Bang) hình thành vũ trụ, các đám mây hydro hợp nhất lại để tạo thành những ngôi sao giống như mặt trời của chúng ta, và những ngôi sao này được cung cấp năng lượng bởi phản ứng tổng hợp.
Trong lõi của một ngôi sao, lực hấp dẫn khổng lồ và nhiệt độ lên tới 15 triệu độ C tạo ra một trạng thái khí hoặc plasma siêu nóng. Trạng thái này khiến các nguyên tử hydro va chạm với nhau và hợp nhất để tạo thành một nguyên tố nặng hơn là heli. Trong quá trình này, một lượng năng lượng khổng lồ được giải phóng, chủ yếu ở dạng ánh sáng và nhiệt.
Tái tạo các điều kiện khắc nghiệt ở lõi mặt trời ngay trên Trái Đất là một thách thức cực đại. Điều này giải thích tại sao năng lượng nhiệt hạch luôn được coi là "Chén Thánh" đối với khoa học và kỹ thuật.
Makoto Sugimoto, Giám đốc dự án nhiệt hạch ITER tại Viện Khoa học và Công nghệ Lượng tử và Phóng xạ Quốc gia Nhật Bản (QST), giải thích: "Phản ứng tổng hợp hạt nhân rất phức tạp cả về mặt khoa học và kỹ thuật - đó là một hành trình dài. Hoạt động của plasma rất phức tạp, cộng thêm những thách thức về kỹ thuật để đáp ứng nhiệt độ, mật độ và thời gian giam giữ cần thiết để đạt được sự hợp nhất."
Sự An Toàn Và Lợi Thế Về Nhiên Liệu
Bất chấp sự khó khăn cố hữu, nhiệt hạch là một nguồn năng lượng với triển vọng đáng kinh ngạc:
- An toàn tuyệt đối: Lò phản ứng nhiệt hạch sẽ tự động dừng lại khi có sự cố hoặc lỗi, do đó nó vốn đã an toàn.
- Không có rác thải độc hại: Nó không tạo ra chất thải hạt nhân tồn tại lâu dài như phản ứng phân hạch.
- Nguồn nhiên liệu vô tận: Nhiên liệu nhiệt hạch hầu như không thể cạn kiệt và có thể được chưng cất trực tiếp từ nước biển.
Công Nghệ Tokamak: Cỗ Máy "Bánh Rán" Từ Trường
Lò phản ứng nhiệt hạch hiệu quả nhất hiện nay sử dụng hai đồng vị của hydro là Deuteri và Triti. Deuteri có thể dễ dàng chiết xuất từ nước biển, trong khi Triti có thể được tạo ra khi tiếp xúc với Liti (cũng chiết xuất từ nước biển).
Để kiểm soát phản ứng này, các nhà khoa học sử dụng cấu trúc Tokamak - một thiết kế được phát triển từ những năm 1950. Tên gọi này là từ viết tắt tiếng Nga cho "buồng hình xuyến với các cuộn dây từ tính".
Tokamak là một buồng chân không hình chiếc bánh rán (hình xuyến). Nó sử dụng trường điện từ cực mạnh để duy trì và giam giữ dòng plasma siêu nóng (từ 150 đến 300 triệu độ C) lơ lửng giữa không trung mà không chạm vào thành lò.
ITER: Dự Án Kỹ Thuật Khổng Lồ Nhất Lịch Sử
Tokamak lớn nhất thế giới hiện đang được xây dựng ở miền nam nước Pháp thuộc dự án ITER. Để thiết lập trường ngăn chặn plasma, ITER sử dụng những nam châm siêu dẫn lớn nhất và mạnh nhất từng được tạo ra.
- Nam châm siêu dẫn khổng lồ: Bao gồm 18 cuộn dây trường hình xuyến, mỗi cuộn nặng hơn 300 tấn và cao khoảng 17 mét (do Mitsubishi Heavy Industries thiết kế).
- Biên độ nhiệt cực đoan: Các cấu trúc này phải chịu chênh lệch nhiệt độ khắc nghiệt, từ 150 triệu độ C (gấp 10 lần lõi mặt trời) xuống gần độ không tuyệt đối. Điều này đòi hỏi các loại thép không gỉ siêu cứng và kỹ thuật hàn mới cho cấu trúc dày tới 40 cm.
- Quy mô vĩ mô: Tổ hợp Tokamak tại ITER là một tòa nhà cao 7 tầng, nặng 400.000 tấn, tích hợp hơn 30 hệ thống nhà máy hỗ trợ.
Hiện Tại Và Tương Lai Của Năng Lượng Nhiệt Hạch
ITER dự kiến sẽ tạo ra "plasma đầu tiên" vào tháng 12 năm 2025. Đây là bước tiến lịch sử vì ITER sẽ là lò phản ứng nhiệt hạch đầu tiên tạo ra năng lượng lớn hơn mức nó tiêu thụ (Mục tiêu: dùng 50 MW để tạo ra 500 MW nhiệt hạch).
Tuy nhiên, ITER chỉ là một thiết bị thí nghiệm và không thu năng lượng dưới dạng điện. Sự thành công của ITER sẽ tạo tiền đề cho bước tiếp theo: Lò phản ứng trình diễn DEMO, nhằm chứng minh khả năng phát điện thực tế.
Bên cạnh các chính phủ (Mỹ, Trung Quốc với dự án CFETR), các công ty tư nhân như Tokamak Energy và First Light Fusion ở Anh cũng đang chạy đua để thương mại hóa lò phản ứng vào năm 2030.
Khoa học viễn tưởng đang dần hiện thực hóa. Như Lev Artsimovich, cha đẻ của nghiên cứu nhiệt hạch từng nói: "Năng lượng nhiệt hạch sẽ sẵn sàng khi xã hội cần đến nó."
Không có nhận xét nào: