Từ lâu, phản ứng tổng hợp hạt nhân (nhiệt hạch) đã được ca ngợi như tương lai của năng lượng nhân loại. Ý tưởng về việc tái tạo quá trình cung cấp năng lượng cho Mặt Trời ngay trên Trái Đất hứa hẹn một nguồn năng lượng gần như vô tận, sạch và an toàn. Khái niệm này đã chắp cánh cho trí tưởng tượng của các nhà văn khoa học viễn tưởng, nhưng lại luôn lẩn tránh các nhà khoa học trong nhiều thập kỷ.
Tuy nhiên, giờ đây, một loạt các dự án trên khắp thế giới đang bước vào giai đoạn then chốt. Thời điểm không thể tốt hơn, bởi nhiệt hạch có thể chính là con át chủ bài trong hành trình tìm kiếm năng lượng không phát thải của thế giới.
Đưa Mặt Trời Đến Trái Đất
Năng lượng nhiệt hạch không phải là thứ gì đó xa vời. Nó chính là nguồn năng lượng cổ xưa nhất, đã cung cấp năng lượng cho vũ trụ kể từ sau Vụ nổ lớn Big Bang. Trong lõi của Mặt Trời, nhiệt độ 15 triệu độ C và áp suất hấp dẫn khổng lồ tạo ra một môi trường plasma siêu nóng, ép các nguyên tử hydro va chạm và hợp nhất lại với nhau để tạo thành heli. Quá trình này giải phóng một lượng năng lượng khổng lồ dưới dạng ánh sáng và nhiệt.
Việc tái tạo những điều kiện khắc nghiệt đó trên Trái Đất là một thách thức khoa học và kỹ thuật vô cùng lớn. Makoto Sugimoto, Giám đốc dự án nhiệt hạch ITER tại Nhật Bản, giải thích: "Phản ứng nhiệt hạch rất phức tạp. Bạn không chỉ phải nghiên cứu vật lý plasma, mà còn phải đối mặt với những thách thức kỹ thuật để đạt được nhiệt độ, mật độ và thời gian giam giữ cần thiết."
Dù khó khăn, viễn cảnh mà nhiệt hạch mang lại là rất đáng kinh ngạc:
- An toàn tuyệt đối: Một lò phản ứng nhiệt hạch sẽ tự động dừng lại khi có sự cố, không có nguy cơ tan chảy như phản ứng phân hạch.
- Sạch: Nó không tạo ra khí nhà kính và không tạo ra chất thải hạt nhân có tuổi thọ cao.
- Nguồn nhiên liệu vô tận: Nhiên liệu chính, Deuterium và Tritium (các đồng vị của hydro), có thể được chiết xuất từ nước biển. Về cơ bản, nó là một nguồn năng lượng bền vững.
Tokamak: "Chiếc Lồng" Từ Trường Cho Mặt Trời Nhân Tạo
Để tạo ra và giam giữ "mặt trời" trên Trái Đất, các nhà khoa học đã phát triển một thiết bị thiên tài có tên là tokamak. Được phát minh ở Nga vào những năm 1950, tokamak là một buồng chân không hình chiếc bánh rán (hình xuyến), sử dụng một hệ thống từ trường cực mạnh để chứa và kiểm soát plasma siêu nóng.
Bên trong tokamak, nhiên liệu deuterium-tritium được nung nóng đến nhiệt độ từ 150 đến 300 triệu độ C – nóng hơn gấp 10 lần lõi của Mặt Trời – để các phản ứng nhiệt hạch có thể diễn ra.
Dự án tokamak lớn nhất và tham vọng nhất thế giới hiện nay là ITER (Lò phản ứng Thử nghiệm Nhiệt hạch Quốc tế), một siêu công trình đang được xây dựng ở miền nam nước Pháp với sự hợp tác của 35 quốc gia.
- Quy mô khổng lồ: Tổ hợp tokamak tại ITER sẽ là một tòa nhà nặng 400.000 tấn.
- Nam châm siêu dẫn: Để tạo ra từ trường giam giữ plasma, ITER sử dụng 18 cuộn nam châm siêu dẫn, mỗi cuộn cao 17 mét và nặng hơn 300 tấn. Đây là những nam châm mạnh nhất từng được chế tạo.
- Vật liệu chịu nhiệt cực hạn: Các kỹ sư đã phải phát triển một loại thép không gỉ mới và các kỹ thuật hàn tiên tiến để chịu được sự chênh lệch nhiệt độ khủng khiếp, từ 150 triệu độ C ở tâm plasma xuống gần độ không tuyệt đối ở các cuộn nam châm.
Cuộc Đua Toàn Cầu và Tương Lai Phía Trước
ITER dự kiến sẽ tạo ra "plasma đầu tiên" vào tháng 12 năm 2025. Đây sẽ là lò phản ứng nhiệt hạch đầu tiên trong lịch sử tạo ra nhiều năng lượng hơn mức tiêu thụ (mục tiêu là tạo ra 500 MW từ 50 MW đầu vào).
Tuy nhiên, ITER chỉ là một thiết bị thí nghiệm. Bước tiếp theo sẽ là xây dựng một lò phản ứng trình diễn có khả năng phát điện thực sự, gọi là DEMO. Các nhà máy điện nhiệt hạch thương mại được kỳ vọng sẽ đi vào hoạt động vào giữa thế kỷ này.
Bên cạnh ITER, cuộc đua đang diễn ra trên khắp thế giới:
- Trung Quốc đang xây dựng lò phản ứng CFETR, dự kiến hoàn thành vào năm 2030 và được cho là còn lớn hơn cả ITER.
- Mỹ, Anh và nhiều quốc gia khác cũng có các dự án tokamak của riêng mình.
- Các công ty tư nhân như Tokamak Energy và First Light Fusion cũng đang tham gia, đặt mục tiêu thương mại hóa công nghệ vào những năm 2030.
Như nhà bác học người Nga Lev Artsimovich đã nói: "Năng lượng nhiệt hạch sẽ sẵn sàng khi xã hội cần đến nó." Với nhu cầu cấp bách về một nguồn năng lượng sạch và bền vững, thời điểm đó dường như đang đến rất gần.
