Lắp ráp lò phản ứng nóng hơn lõi Mặt Trời

Lò phản ứng nhiệt hạch Tokamak của dự án ITER có nhiệt độ lên tới 150 triệu độ C, hứa hẹn cung cấp đủ điện cho 200.000 hộ gia đình.

Mô phỏng lò Tokamak tạo ra plasma. Ảnh: CBS.

Tại buổi lễ diễn ra vào sáng 28/7 ở miền nam nước Pháp, liên minh 35 quốc gia chính thức bắt đầu giai đoạn lắp ráp siêu dự án Thí nghiệm Lò phản ứng Nhiệt hạt nhân Quốc tế (ITER). Khi quá trình lắp ráp hoàn tất sau khoảng 4,5 năm, ITER sẽ trở thành thiết bị nhiệt hạch quy mô công nghiệp đầu tiên trên thế giới. Nếu thành công, dự án sẽ mở đường cho nguồn năng lượng vô hạn không tạo ra chất thải.

Phản ứng tổng hợp hạt nhân hay phản ứng nhiệt hạch là quá trình cung cấp năng lượng cho những ngôi sao như Mặt Trời. Lõi Mặt Trời có thể được coi như một lò phản ứng nhiệt hạch khổng lồ. Khi hai hạt nhân nguyên tử hợp nhất để tạo thành hạt nhân nặng hơn, chúng giải phóng năng lượng. Tuy nhiên, trên Trái Đất, sản xuất năng lượng từ phản ứng nhiệt hạch chủ yếu vẫn nằm trên lý thuyết. Dù các nhà khoa học có thể thực hiện phản ứng nhiệt hạch, nó chỉ tồn tại trong thời gian rất ngắn và chưa bao giờ sản sinh nhiều năng lượng hơn mức cần thiết để phản ứng xảy ra.

Mục tiêu của ITER là chứng minh có thể sản xuất năng lượng nhiệt hạch lâu dài dưới sự kiểm soát của con người ở quy mô thương mại. Michael Mauel, giáo sư vật lý ứng dụng ở Đại học Columbia, gọi việc khởi công lắp ráp ITER là một cột mốc quan trọng đối với khoa học quốc tế, thể hiện thành tựu to lớn có thể đạt được qua chia sẻ tài nguyên, trình độ chuyên môn và tầm nhìn về tương lai phát triển nguồn năng lượng sạch dồi dào.

Năng lượng nhiệt hạch có nhiều ưu điểm vượt trội do nhiên liệu sẵn có, không có nguy cơ nóng chảy hạt nhân và không thải carbon dioxide. Nhiên liệu sử dụng cho phản ứng là nguyên tố vô cùng dồi dào hydro có thể tách từ nước biển và lithium. Lượng hydro đủ nhiều để cung cấp năng lượng vô hạn cho nhân loại trong hàng triệu năm. Chỉ một lượng hydro cỡ quả dứa cũng có thể cung cấp điện cho 2.300 hộ gia đình ở Mỹ trong một năm, tương đương 10.000 tấn than đá.

Nhưng cho tới nay, sản sinh năng lượng nhiệt hạch vẫn nằm ngoài khả năng của con người. Để đạt phản ứng nhiệt hạch, plasma, trạng thái khí của vật chất bao gồm các hạt tích điện, phải nóng tới 150 triệu độ C, gấp 10 lần lõi Mặt Trời. Không lò phản ứng nào có thể tạo ra nhiều năng lượng từ phản ứng nhiệt hạch hơn mức nạp vào. "Sản xuất năng lượng nhiệt hạch không dễ chút nào. Việc này đòi hỏi kết hợp tri thức khoa học trong lĩnh vực vật lý thiên văn với kỹ thuật năng lượng hạt nhân", Mauel nói.

Ý tưởng về lò phản ứng nhiệt hạch ra đời vào thập biên 1920. Năm 1960, Liên bang Xô Viết đạt bước tiến lớn khi phát triển Tokamak, buồng hình khuyên sử dụng từ trường cực mạnh để giam giữ plasma nóng giúp sản sinh năng lượng nhiệt hạch. Ngày nay, Tokamak vẫn là ứng cử viên hàng đầu cho lò phản ứng quy mô công nghiệp và là trung tâm của dự án ITER.

Lò Tokamak của dự án ITER có quy mô khổng lồ. Sau khi lắp ráp, buồng hình khuyên bao gồm hơn 1 triệu bộ phận sẽ rộng 30 m và chứa hệ thống nam châm siêu dẫn lớn nhất thế giới. "Xây dựng lần lượt từng phần cỗ máy này giống như lắp bộ xếp hình 3D theo khung thời gian tỉ mỉ", tiến sĩ Bernard Bigot, tổng giám đốc dự án ITER, chia sẻ. "Mỗi khía cạnh của quản lý dự án, kỹ thuật hệ thống, quản lý rủi ro, và hậu cần lắp ráp đều phải thực hiện với độ chính xác của đồng hồ Thụy Sĩ".

Pháp là nước chủ nhà của siêu dự án ITER. Liên minh châu Âu cùng với Anh và Thụy Sĩ đóng góp 45% kinh phí trong khi các thành viên còn lại bao gồm Mỹ, Trung Quốc, Nhật Bản, Nga, Ấn Độ và Hàn Quốc, mỗi nước chi trả 9%.

Quá trình sản sinh năng lượng nhiệt hạch vô cùng phức tạp. Đầu tiên, vài gram khí deuterium và tritium (các dạng của hydro) được bơm vào buồng chứa hình khuyên của lò Tokamak. Sau đó, hydro được làm nóng tới khi trở thành plasma ion hóa. Plasma được định hình và kiểm soát bởi những nam châm siêu dẫn nặng tổng cộng 10.000 tấn. Khi plasma nóng tới 150 triệu độ C, phản ứng nhiệt hạch xảy ra. Trong phản ứng này, một khối lượng cực nhỏ được biến đổi thành năng lượng khổng lồ khi neutron mang năng lượng siêu cao thoát khỏi chiếc lồng từ trường và truyền năng lượng dưới dạng nhiệt. Nhiệt lượng đó bị hấp thụ bởi nước tuần hoàn ở thành lò Tokamak, tạo ra hơi nước. Ở nhà máy hạt nhân, turbine hơi nước sẽ phát điện.

Sau 4,5 năm lắp ráp, vào tháng 12/2025, các nhà khoa học và kỹ sư của dự án ITER hy vọng có thể chứng minh cỗ máy hoạt động. Nếu tất cả theo đúng kế hoạch, lò phản ứng ở ITER sẽ tạo ra khoảng 500 megawatt nhiệt điện. Nếu vận hành liên tục và nối với lưới điện, ITER có thể sản xuất 200 megawatt điện, đủ cung cấp cho 200.000 hộ gia đình.

• NASA: Lò phản ứng hạt nhân cho sao Hỏa được thử nghiệm thành công