Cỗ máy 14 tỷ USD sẽ trở thành Mặt Trời tương lai của loài người

Với đường kính và chiều cao đều đạt 30m, lò phản ứng nhiệt hạch trị giá 14 tỷ USD mang tên ITER (viết tắt của International Thermonuclear Experimental Reactor - Dự án Lò phản ứng Thí nghiệm Nhiệt hạt nhân Quốc tế) sẽ trở thành lò phản ứng nhiệt hạch lớn nhất thế giới. Các nhà khoa học khẳng định dự án này sẽ mở ra một kỷ nguyên mới cho việc sử dụng năng lượng nhiệt hạch của loài người, một kỷ nguyên mà giới khoa học đã chuẩn bị không biết mệt mỏi trong suốt hơn 40 năm qua.

Bằng phương pháp tổng hợp hạt nhân 2 đồng vị của hydro - deuterium và tritium, ITER sẽ trở thành một nguồn phát điện với công suất 500 MW. Con số này tương đương với 10 lần mức năng lượng nó cần để hoạt động, vì lẽ đó ITER được kỳ vọng sẽ trở thành lò phản ứng nhiệt hạch đầu tiên thu hẹp khoảng cách giữa những công trình mang tính chất nghiên cứu như lò phản ứng tổng hợp hạt nhân dạng Stellarator lớn nhất thế giới có tên Wendelstein 7-X của Đức với trị giá lên tới 1 tỷ Euro và những nhà máy điện nhiệt hạch có thể cung cấp năng lượng cho những thành phố lớn trong tương lai.

Tháng 6/2015, tổng kinh phí xây dựng lò ITER đã vượt quá con số 14 tỷ USD nhưng các chuyên gia khẳng định đây là một sự đầu tư hoàn toàn xứng đáng. Phản ứng tổng hợp hạt nhân chính là quá trình chính tạo nên sức mạnh của những ngôi sao như Mặt Trời của chúng ta nên mục tiêu xây dựng một nhà máy điện nhiệt hạch có thể so sánh với việc "tạo ra một Mặt Trời trên Trái Đất và cắm dây điện vào nó để sử dụng" - trích lời của Jonathan Menard, chủ nhiệm bộ phận nghiên cứu phản ứng nhiệt hạch của Phòng thí nghiệm Vật lý Plasma Princeton. Ngoài ra, năng lượng nhiệt hạch có những lợi thế rõ rệt so với những kiểu năng lượng hiện nay:

Chất thải từ quá trình tổng hợp hạt nhân hoàn toàn có thể tái chế trong vòng 100 năm, chúng không hề mang tính phóng xạ nên hoàn toàn thân thiệt với môi trường và sức khỏe con người.

Tỷ lệ xảy ra tình trạng mất kiểm soát lò phản ứng là con số 0 tròn trĩnh vì chỉ cần một sự cố dù nhỏ nhất cũng khiến lò phản ứng không thể hoạt động. Điều này hạn chế khả năng xảy ra những thảm họa hạt nhân như Chernobyl hay Fukushima xuống mức thấp nhất có thể.

So với những loại nhiên liệu hóa thạch như than đá, khí đốt tự nhiên hay dầu mỏ, nguyên liệu cho lò phản ứng nhiệt hạch chính là nước biển - đây chính là cơ sở để nói về một nguồn năng lượng sạch và hoàn toàn có khả năng tái tạo một cách an toàn.

Năng lượng nhiệt hạch có những lợi thế rõ rệt so với những kiểu năng lượng hiện nay.

Mặc dù có nhiều lợi thế so với các dạng năng lượng hiện nay, năng lượng nhiệt hạch vẫn đang gặp khó trong việc giải quyết vấn đề lớn nhất hiện nay: các dạng lò phản ứng đang được sử dụng đều tiêu tốn nhiều năng lượng hơn so với con số chúng tạo ra, muốn tiến tới những nhà máy điện nhiệt hạch trong tương lai thì các nhà khoa học phải xử lý được khúc mắc này khi xây dựng ITER.

Vấn đề này bắt nguồn từ plasma siêu nóng do những lò giống nhưng ITER - kiểu lò Tokamak - tạo ra vì mặc dù đạt tới nhiệt độ đủ tiêu chuẩn để tạo ra plasma nhưng quá trình này lại diễn ra không lâu. Kỷ lục về thời gian duy trì plasma thuộc về lò phản ứng Tore Supra vào ngày 16/12/2003 với thời gian 6 phút 30 giây, hiện tại nó đang trong quá trình nâng cấp và theo kế hoạch sẽ tiếp tục hoạt động trong năm nay. Bên cạnh đó, plasma được tạo ra thường ở dạng chớp tắt liên tục thành từng đợt nhỏ trong thời gian ngắn khiến cho mục tiêu tạo ra dòng plasma liên tục để vận hành một máy phát điện vẫn chỉ nằm trên lý thuyết.

Để giải quyết vấn đề này, các nhà khoa học đã tìm tới một phương án có tênplasma tự duy trì và đó cũng chính là mục tiêu xây dựng cơ bản của lò ITER. Sau khi hoàn thành, lò ITER có thể tạo ra hỗn hợp plasma với nhiệt độ lên tới 150 triệu độ C - tức là cao gấp 10 lần nhiệt độ trên bề mặt của Mặt Trời. Nhiệt độ này đủ sức để tổng hợp deuterium và tritium thành heli. Sau khi được tạo thành, các nguyên tử heli sẽ bay trong lòng lò và va chạm với thành lò để sản sinh năng lượng dưới dạng nhiệt để đảm bảo plasma có thể tự duy trì trạng thái như vậy một cách liên tục. Hiện tại, plasma tự duy trì mới chỉ được tại ra bên trong lò.

Sau khi hoàn thành, lò ITER có thể tạo ra hỗn hợp plasma với nhiệt độ lên tới 150 triệu độ C.

Các lò phản ứng thuộc kiểu Tokamak gồm một buồng chân không hình vòng xuyến, nhiên liệu trong đó được nung nóng tới trên 150 triệu độ C, hình thành plasma cực nóng. Sau đó dùng từ trường cực mạnh để đưa plasma ra khỏi vỏ an toàn. Xung quanh vỏ an toàn có một cuộn dây siêu dẫn dùng để tạo ra từ trường cực mạnh. Công nghệ làm cuộn dây siêu dẫn này là công nghệ khó nhất trong phương án thiết kế lò phản ứng nhiệt hạch.

Theo kế hoạch, lò ITER sẽ phải có một từ trường với sức mạnh gấp 100.000 lần từ của trường Trái Đất Bên cạnh đó, các nhà khoa học cũng thiết kế một bồn chứa có đường kính 6m để giam hãm 840 mét khối plasma, tương đương 1/3 thể tích một bể bơi tiêu chuẩn Olympic. Thiết bị sẽ có trọng lượng 23 nghìn tấn, bao gồm 100.000km dây siêu dẫn hợp kim niobi-thiếc. Hợp kim này là chất siêu dẫn tại âm 269 độ C nên cả thiết bị sẽ nằm trong một máy làm lạnh bằng heli lỏng để giữ các sợi dây siêu dẫn ở vào nhiệt độ cao vài độ so với không độ tuyệt đối.

Dự án xây dựng lò ITER có sự tham gia đóng góp vốn của bảy thành viên - EU, Ấn Độ, Nhật Bản, Trung Quốc, Nga, Hàn Quốc và Hoa Kỳ. Liên minh Châu Âu, nơi đặt tổ hợp ITER, đóng góp 45% tổng mức đầu tư của dự án, và 6 bên còn lại mỗi bên đóng góp xấp xỉ 9%. Theo kế hoạch, ITER sẽ tạo ra những dòng chảy plasma đầu tiên vào năm 2020, trong khi các thí nghiệm về plasma cháy dự kiến sẽ bắt đầu vào năm 2027. Nếu ITER đi vào hoạt động, nó sẽ trở thành thí nghiệm vật lý plasma giam hãm bằng từ trường lớn nhất trên thế giới, vượt qua thí nghiệm Joint European Torus. Nhà máy điện từ phản ứng tổng hợp hạt nhân đầu tiên, mang tên DEMO, theo kế hoạch sẽ được xây dựng sau dự án ITER nếu nó thành công.