Trong cuộc tìm kiếm một nguồn năng lượng sạch, an toàn và gần như vô tận, nhân loại đang đặt cược vào một giấc mơ táo bạo: tái tạo sức mạnh của Mặt Trời ngay trên Trái Đất. Trái tim của giấc mơ đó là Lò phản ứng Thực nghiệm Nhiệt hạch Quốc tế (ITER), một công trình khoa học vĩ đại. Và giờ đây, các nhà khoa học đang tiến gần hơn một bước tới việc biến giấc mơ thành hiện thực bằng cách thử nghiệm thứ nhiên liệu đặc biệt sẽ cung cấp năng lượng cho cỗ máy khổng lồ này.
ITER: Giấc Mơ Về Năng Lượng Nhiệt Hạch Vô Hạn
ITER không chỉ là một lò phản ứng, nó là một dự án hợp tác quốc tế có quy mô chưa từng có. Sau nhiều thập kỷ lên kế hoạch và tiêu tốn hàng tỷ đô la, cỗ máy tokamak khổng lồ hình bánh rán này đang được lắp ráp tại Pháp. Mục tiêu của nó là chứng minh tính khả thi của năng lượng nhiệt hạch ở quy mô thương mại.
Nguyên lý hoạt động của ITER là nung nóng nhiên liệu đến nhiệt độ hơn 150 triệu độ C – nóng hơn cả lõi Mặt Trời – để biến nó thành một trạng thái vật chất gọi là plasma. Dòng plasma siêu nóng này sẽ được giữ lơ lửng bên trong buồng chân không của tokamak bằng một hệ thống từ trường cực mạnh, ngăn không cho nó chạm vào thành lò và gây ra sự cố. Dự kiến, lần "đốt cháy" plasma năng suất cao đầu tiên của ITER sẽ diễn ra vào năm 2035.
"Trái Tim" Của Lò Phản Ứng: Hỗn Hợp Nhiên Liệu D-T
Nhiên liệu kỳ diệu để tạo ra năng lượng khổng lồ này là sự kết hợp 50/50 của hai đồng vị hydro: Deuterium (D) và Tritium (T).
- Deuterium: Là đồng vị ổn định và khá phổ biến của hydro, có thể được chiết xuất từ nước biển. Nó được ví như người công nhân cần mẫn, đáng tin cậy trong phản ứng.
- Tritium: Là "siêu sao" của hỗn hợp. Đây là một đồng vị cực hiếm, không ổn định và có tính phóng xạ, với chu kỳ bán rã chỉ hơn 12 năm. Mặc dù khó sản xuất và xử lý, Tritium lại có hiệu suất năng lượng vượt trội, là chìa khóa để đạt được phản ứng nhiệt hạch tự duy trì.
Khi các hạt nhân Deuterium và Tritium hợp nhất trong plasma, chúng tạo ra một hạt nhân Heli và một neutron mang năng lượng cực lớn. Chính năng lượng từ hàng tỷ neutron này sẽ được thu giữ để đun sôi nước, chạy tuabin và tạo ra điện.
JET: Buổi "Tổng Duyệt" Sống Còn
Trước khi đưa hỗn hợp D-T quý giá và mạnh mẽ vào lò phản ứng ITER trị giá hàng tỷ đô la, các nhà khoa học cần một buổi "tổng duyệt". Vai trò quan trọng này được giao cho Joint European Torus (JET) ở Vương quốc Anh, lò phản ứng tokamak lớn nhất đang hoạt động hiện nay.
JET là một phiên bản thu nhỏ của ITER về nhiều mặt, khiến nó trở thành nền tảng thử nghiệm hoàn hảo. Trên thực tế, kỷ lục thế giới về hiệu suất phản ứng nhiệt hạch hiện tại được thiết lập tại chính JET vào năm 1997. Khi đó, bằng cách sử dụng Tritium, JET đã đạt được tỷ lệ Q = 0,67, nghĩa là năng lượng tạo ra bằng 67% năng lượng đầu vào.
Để một nhà máy điện nhiệt hạch có lãi về năng lượng, nó phải đạt Q > 1. Các nhà khoa học tin rằng hỗn hợp D-T là cách tốt nhất để vượt qua ngưỡng này. Các thí nghiệm hiện tại tại JET là lần đầu tiên sau hơn hai thập kỷ, một lò phản ứng tokamak được đốt cháy bằng Tritium, nhằm mục đích tìm ra "công thức" hoàn hảo cho ITER.
Những Thách Thức Khổng Lồ Của Tritium
Việc sử dụng Tritium mang lại tiềm năng năng lượng to lớn nhưng cũng đi kèm với những thách thức đáng gờm:
- Cơn Bão Neutron: Các neutron năng lượng cao từ phản ứng D-T sẽ bắn phá không ngừng vào các bức tường bên trong của lò phản ứng. Cơn bão hạt này có thể làm hỏng vật liệu, làm suy yếu cấu trúc và biến các bộ phận của lò phản ứng thành chất thải phóng xạ. Các kỹ sư của ITER phải thiết kế các loại vật liệu và tấm chắn đặc biệt để chịu được sự tấn công này.
- An Toàn Phóng Xạ: Chính những neutron này khiến toàn bộ cơ sở JET trở nên có tính phóng xạ trong và sau các thí nghiệm. Điều này buộc mọi hoạt động phải được điều khiển từ xa. Máy ảnh và các thiết bị chẩn đoán nhạy cảm phải được di chuyển ra sau những bức tường bê tông dày để bảo vệ chúng khỏi bị phá hủy.
- Sự Mong Manh Của Plasma: Việc kiểm soát plasma D-T khó hơn nhiều so với chỉ dùng Deuterium. Tritium nặng hơn và năng lượng cao hơn, làm thay đổi động lực của plasma. Hãy tưởng tượng bạn lắc một lon cà phê chứa đầy những đồng xu nặng (Tritium) so với một lon chỉ chứa những viên sỏi nhẹ (Deuterium) – cảm giác, âm thanh và lực cần để lắc sẽ hoàn toàn khác nhau. Các nhà khoa học tại JET đang nghiên cứu chính xác những khác biệt này để đảm bảo từ trường của ITER có thể giữ cho plasma ổn định.
Các thí nghiệm tại JET là một cột mốc quan trọng trên con đường chinh phục năng lượng nhiệt hạch. Dữ liệu thu thập được sẽ là vô giá, giúp ITER chuẩn bị cho sứ mệnh lịch sử của mình vào năm 2035: chứng minh rằng một Mặt Trời nhân tạo, sạch và bền vững có thể tỏa sáng ngay tại đây, trên Trái Đất.
