Đức hoàn tất lò phản ứng tổng hợp hạt nhân lớn nhất thế giới giá trị 1 tỷ euro

Con người đã tiến một bước dài trên con đường tìm kiếm một nguồn năng lượng mới gần như vô tận và không hề gây ô nhiễm bên cạnh năng lượng mặt trời, đó là phản ứng tổng hợp hạt nhân hay còn gọi là phản ứng nhiệt hạch. Sau 19 năm nghiên cứu cùng 1,1 triệu giờ làm việc không mệt mỏi và tiêu tốn hơn 1 tỷ EURO, cuối cùng thì các nhà khoa học tại Viện Max Planck đã xây dựng hoàn tất một lò phản ứng tổng hợp hạt nhân dạng Stellarator lớn nhất từ trước tới nay.

Ngay từ lúc mới phát minh, phản ứng nhiệt hạch có sức hấp dẫn rất lớn đối với con người. Bởi những ưu việt như nguồn nhiên liệu bao gồm các đồng vị của hydro (Hydro, Deuteri, Triti) gần như vô tận trong tự nhiên và phản ứng này phát nhiệt, năng lượng giải phóng vơi hiệu suất rất cao. Ngoài ra, tính trên đơn vị khối lượng nhiên liệu tiêu hao kilogram, hiệu suất này cao gấp tỷ lần so với nhiên liệu hoá thạch và gấp chục lần so với nhiên liệu phân hạch uranium. Cuối cùng, sản phẩm thải ra là Heli, một loại khí hiếm, hoàn toàn không hề làm nhiễm bẩn môi trường sống.

Mặc dù vậy, phản ứng nhiệt hạch từ trước tới nay luôn được ví như "một con ngựa bất kham" rất khó kiểm soát vì một điều kiện ngặt nghèo của phản ứng tổng hợp nhiêt hạch là chỉ xảy ra ở nhiệt độ rất cao. Cụ thể, phản ứng không thể xảy ra giữa hai nguyên tử trung hoà điện tích nên, trước hết, cần phải loại bỏ hết các electron (gọi là ion hoá) để biến nguyên tử thành ion dương, tức các hạt nhân D và T. Nhưng ở dạng ion, các điện tích cùng dấu lại đẩy nhau bởi lực Coulomb - còn gọi là lực tĩnh điện, đây là lực giữa hai vật mang điện tích đứng yên và hằng số lực Coulomb lớn hơn nhiều lần hằng số hấp dẫn (G) trong SI nên lực Coulomb có độ lớn gấp nhiều lần độ lớn lực hấp dẫn - nên phải đặt hỗn hợp các ion dương ở nhiệt độ rất cao hàng trăm triệu độ, chẳng hạn ở tâm của một vụ nổ bom nguyên tử, để các ion chuyển động nhiệt với vận tốc cực lớn đủ sức thắng cả lực Coulomb.

Hiện nay, nghiên cứu về tính khả thi của phương pháp tổng hợp hạt nhân như một nguồn cung cấp năng lượng thực tiễn đang được thực hiện với hi vọng khống chế được tốc độ cũng như lượng nhiệt của phản ứng. Với các vật liệu được biết đến ngày nay thì không có vật liệu nào chịu được nhiệt độ quá cao của phản ứng - do đó, hiện tại phản ứng nhiệt hạch được thực hiện một cách không khống chế nên gây lãng phí năng lượng. Một số nghiên cứu hướng đến việc sử dụng chùm laser hội tụ để nhắm vào nhiên liệu hạt nhân, ép chúng ở nhiệt độ rất cao để gây ra phản ứng, thay vì sử dụng nhiệt lượng tỏa ra từ khối uranium phân hạch như phương pháp truyền thống. Ngoài ra, người ta cũng có thể dùng từ trường ngoài khống chế các hạt nhân, đảm bảo chúng không va chạm vào thành bình chứa chúng, giữ cho phản ứng được thực hiện trong điều kiện ít tốn kém và hiệu suất cao.

Diễn giải quá trình phản ứng nhiệt hạch.

Với việc hoàn tất Wendelstein 7-X, công cuộc đi tìm nguồn năng lượng gần như vĩnh cửu cho nhân loại lại tiến thêm một bước và liệu "con ngựa bất kham" đã được thuần hóa và phục vụ con người. Một trong những cách tiếp cận được cho là có nhiều triển vọng nhất để thực hiện phản ứng là thiết bị tạo từ trường hình xuyến Tokamak do Liên Xô chế tạo để giam giữ plasma bên trong nhằm duy trì phản ứng nhiệt hạch. Hiện tại, thế giới còn khoảng 100 thiết bị dạng Tokamak đang hoạt động nhưng dù qua nhiều năm, qua các thế hệ X và XX nhưng Tokamak vẫn chưa thể tạo ra mức năng lượng khả dụng để xây dựng nhà máy điện do còn nhiều nhược điểm chưa thể vượt qua.

Một cách tiếp cận khác là thiết bị dạng Stellarator - được gộp từ Stellar (ngôi sao) và Generator (lò phản ứng), hiểu ngắn gọn là lò phản ứng mô phỏng quá tình hợp hạch bên trong lõi của các ngôi sao, mặc dù vậy ý nghĩa chính của nó là một thiết bị được sử dụng để giam plasma nóng trong từ trường để duy trì khả năng kiểm soát phản ứng tổng hợp hạt nhân. Nó cũng tương tự như Tokamak, giam khí siêu nóng bên trong từ trường để duy trì phản ứng. Tuy nhiên, cả 2 đều có kết cấu tổng thể tạo từ trường hình bánh donut và nó mắc phải nhược điểm là: từ trường ở càng gần tâm thì càng mạnh, và nó sẽ yếu dần khi ra mép bên ngoài. Dù vậy, điểm khác nhau của Stellarator và Tokamak là cách giải quyết vấn đề.

Tokamak sử dụng dòng điện để xoắn các electron và ion trong plasma, tạo ra một vòng lặp theo chiều dọc cũng như chiều ngang như trong chiếc bánh donut. Tuy nhiên do sử dụng điện nên khi gặp sự cố về điện, từ trường cũng sẽ bị phá vỡ và lò phản ứng sẽ bị tổn hại, rất nguy hiểm. Ngược lại, Stellarator tạo ra vòng lặp ngang dọc này bằng chính thiết kế ban đầu của thiết bị, bọc thêm các cuộn dây vào chiếc bánh donut. Tuy nhiên, cách làm này lại khiến Stellarator khó xây dựng hơn Tokamak mặc dù nó có ưu điểm là không cần sử dụng điện. Nhưng nếu xây dựng thành công, phản ứng sẽ được diễn ra an toàn hơn do từ trường được tạo thành từ các cuộn dây bọc vòng quanh, giữ cho plasma luôn ở bên trong.

Wendelstein 7-X chính là lò phản ứng nhiệt hạch dạng Stellarator lớn nhất thế giới đã được xây dựng hoàn chỉnh. Được biết, các nhà nghiên cứu đã sử dụng sự trợ giúp của siêu máy tính để thiết kế ra hình dáng của lò với độ chính xác cực kỳ cao nhằm đẩy hiệu suất phản ứng lên mức mong muốn. Thiết kế của nó không có hình dạng ngay thẳng hoặc đối xứng. Giữa các đối tượng là những vòng tròn kim loại lớn với đường kính 2m. Chúng sẽ được uốn lại và định hình với kích thước milimet. Theo giám sát kỹ thuật xây dựng lò Wendelstein 7-X, Lutz Wegener, những chiếc vòng kinh loại sẽ đóng một vai trò quyết định trong quá trình tổng hợp hạt nhân và mỗi cuộn dây từ sẽ sản sinh ra một từ trường và khi đặt tất cả các cuộn dây từ cùng nhau, chúng sẽ tạo ra một ống từ có kích thước gấp 3 lần để giữ dòng plasma nóng tổng hợp bên trong.

Giờ đây, công việc của các nhà nghiên cứu chỉ còn đợi phê duyệt từ Cơ quan quản lý hạt nhân của Đức là có thể vận hành lò phản ứng. Nếu mọi chuyện suôn sẻ, mọi thủ tục sẽ hoàn tất và lò sẽ chính thức đi vào hoạt động sau sau tháng 10. Đây không chỉ là một nhà máy điện đơn thuần mà việc xây dựng thành công Wendelstein 7-X còn được cho là một sự kiện có thể thay đổi cả thế giới. Thành công này sẽ được nhân rộng, tạo nên những nhà máy điện không khí thải, hiệu suất cực kỳ cao và theo giáo sư Thomas Klinger, giám đốc dự án xây dựng lò phản ứng thì "Hãy tưởng tượng với lò phản ứng này, bạn chỉ cần tốn 3 chai nước là có thể cung cấp điện cho cả một hộ gia đình trong suốt cả năm". Thật quả không ngoa khi nói rằng năng lượng tưởng chừng chỉ có trên những vì sao đã được con người tạo ra thành công.

Nhiên liệu của quá trình tổng hợp hạt nhân là plasma, được tạo nên khi một lớp khí hydro hỗn hợp siêu mỏng được tác động bởi áp suất cao và nhiệt năng lớn. Các neutron Hydro sẽ biến hình và trở thành các hạt tích điện. Đây là một quá trình tương tự khiến mặt trời sản sinh ra năng lượng. Theo giáo sư Robert Wolf, giám sát tối ưu lò phản ứng Wendelstein 7-X, thì nguyên tắc tạo ra plasma khá đơn giản: khi vật chất được đốt nóng, nó sẽ chuyển từ trạng thái rắn sang lỏng, nếu cung cấp thêm nhiều nhiệt, nó sẽ chuyển tiếp từ lỏng sang khí và thêm nhiệt nữa thì chuyển thành vật chất plasma.

Quá trình trên bao gồm 2 đồng vị Hydro - Deuteri và Triti - và chúng dẫn đến sự hình thành của khí Heli và các nơtron tự do. Không giống các nơtron bình thường, nơtron tự do mang theo điện tích và năng lượng này có thể chuyển thành điện. Một ưu điểm trong phản ứng trên là vật liệu thô luôn có sẵn và dường như không giới hạn. Đơteri có thể dễ dàng thu được từ nước và Triti có thể được sản xuất từ Lithi. Với mỗi gram tổng hợp hạt nhân thì năng lượng sinh ra sẽ tương đương với 11 tấn than. Ngoài ra, quá trình tổng hợp cũng không thải ra độc chất CO2, không phóng xạ nguy hiểm và không có nguy cơ gây nổ. Trông có vẻ đơn giản nhưng thực sự, quá trình này ẩn chứa rất nhiều cạm bẫy song song với việc tái tạo một mặt trời bên trong lò phản ứng hạt nhận. Nhiệt độ yêu cầu tối thiểu cho phản ứng xảy ra là 100 triệu độ C, một con số thật không tưởng.

Một hình ảnh về quá trình lắp ghép Wendelstein 7-X vào năm 2012.

Điều đáng lo ngại tiếp theo khi vận hành là plasma sẽ có xu hướng tiếp xúc với bức tường bao ngoài của lò trong suốt quá trình tổng hợp, do đó, áp lực buộc quá trình phải tạm ngừng. Để ngăn ngừa điều này xảy ra, 70 cuộn dây từ khổng lồ sẽ được thiết lập để tạo ra một chiếc lồng từ tính ổn định. Vì vậy, chúng cũng đòi hỏi những nam châm siêu mạnh. Khi hoạt động hết công suất, 100 tấn từ lực sẽ được đặt trọng tâm bên trong một khung thép có kích thước chỉ bằng cánh tay người. Các nam châm sẽ được làm lạnh tới nhiệt độ âm 269 độ C bằng Heli lỏng khiến chúng có khả năng siêu dẫn và cho phép điện lượng cần thiết truyền qua mà không gặp trở ngại nào. Đây là cách duy nhất để sản xuất đủ điện lượng trong một thời gian đủ ngắn để thu được plasma cháy tại nhiệt độ 100 triệu độ C.

Lò phản ứng dạng Stellarator do nhà vật lý Lyman Spitzer sáng chế và những thiết bị đầu tiên đã được thiết lập tại phòng thí nghiệm vật lý plasma Princeton vào năm 1951. Kiểu tổng hợp hạt nhân trên đã giải quyết vấn đề mà các lò tổng hợp Tokamak phải đối mặt. Các lò Tokamak thường được các nhà vật lý sử dụng cho đến tận ngày nay kể từ khi ra đời vào những năm 1950 do hình dạng đơn giản của chúng rất dễ chế tạo. Nhưng theo Lutz Wegener, lò Tokamak chỉ có thể đốt cháy plasma trong vòng từ 10 đến 30 giây trong 1 lần. Kể cả các lò Tokamak tiên tiến trên thế giới cũng chỉ đạt đến thời gian vài phút. Vì vậy, thời gian đốt cháy không đủ để tạo ra nguồn năng lượng triển vọng trong tương lai.

Ngay từ khi bắt đầu dự án, giáo sư Robert Wolf đã nhận định trở ngại lớn nhất hiện giờ đối với công tác nghiên cứu là chúng ta vẫn chưa phát triển một nhà máy điện tổng hợp hạt nhân nào. Thứ 2, nếu dự án được đầu tư tới 1 tỷ euro này không thể cung cấp năng lượng thì mục đích còn lại là nó có thể chứng minh rằng sự tổng hợp hạt nhân có thực sự khả thi hay không.

Dĩ nhiên câu trả lời đến bây giờ là có.

Tham khảo Sciencemag, ScienceAlert, ArsTechnica, Gizmag, PopularScience