Trung Quốc "nghiền nát" kỷ lục năng lượng nhiệt hạch mới thiết lập của Đức

Cách đây ít ngày, giới khoa học đã hoan hỉ khi Viện Max Planck đã lần thứ hai khởi động lò phản ứng tổng hợp hạt nhân dạng Stellarator lớn nhất thế giới có tên Wendelstein 7-X, với trị giá lên tới 1 tỷ Euro. Khí Hydro lên tới đã được nung nóng con số 80 triệu độ C trong vòng 1/4 giây - mục tiêu để lò Wendelstein 7-X hoạt động hoàn hảo là tạo ra plasma với nhiệt độ lên tới 100 triệu độ C nên đây cũng có thể coi là những thành công bước đầu. Mặc dù vậy, kết quả này đã bị một lò phản ứng nhiệt hạch khác của Trung Quốc phá vỡ với việc nó đã tạo ra plasma từ Hydro nung nóng ở 50 triệu độ C trong thời gian ấn tượng: 102 giây!

Cụ thể, dự án thử nghiệm chi tiết siêu dẫn Tokamak (EAST) của Viện Khoa học Vật lý Hợp Phì chính là tác giả của kỷ lục mới này. Dự án này dựa trên kiểu lò phản ứng nhiệt hạch Tokamak, khác biệt hoàn toàn với kiểu lò Stellarator của Đức. Trên thực tế, kiểu lò Tokamak dựa trên 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 sau nhiều năm, trải qua các thế hệ mới nhất 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.

Mặc dù không được đánh giá cao về tính ổn cũng như an toàn như lò dạng Stellarator, lò kiểu Tokamak vẫn có ưu điểm là dễ xây dựng và nhiều chuyên gia về vật lý hạt nhân vẫn đánh giá nó là loại lò có triển vọng nhất trong việc triển khai ở quy mô lớn so với lò dạng Stellarator.

Lò 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.

Lò kiểu 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.

Các nhà khoa học Trung Quốc đã thực hiện một số cải tiến đối với lò phản ứng kiểu Tokamak HT-7 vốn được xây dựng từ năm 1995 và tạo ra một phiên bản ổn định và an toàn hơn vào năm 2006 với cái tên HT-7U hay còn gọi EAST như trên. Hiện tại, một dự án xây dựng lò Tokamak lớn nhất từ trước tới nay sắp sửa hoàn thành.

Đó chính là dự án lò phản ứng tổng hợp ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor - Dự án Lò phản ứng Thí nghiệm Nhiệt hạt nhân Quốc tế), một siêu dự án bao gồm nghiên cứu, kỹ thuật và công nghệ về tổng hợp hạt nhân, hiện tại đang được xây dựng và là dự án thí nghiệm lớn nhất thế giới về phản ứng tổng hợp hạt nhân sử dụng kỹ thuật lò tokamak. Địa điểm dự án nằm ở Cadarache miền nam nước Pháp.

Dự án ITER có mục tiêu đưa những kết quả nghiên cứu và thí nghiệm về vật lý plasma vào sản xuất điện năng trên quy mô lớn từ các nhà máy điện tổng hợp hạt nhân. Dự án 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 sáu bên còn lại mỗi bên đóng góp xấp xỉ 9%.

Theo dự tính, lò phản ứng ITER có công suất 500MW. Dự án này được xây dựng để chứng tỏ rằng có thể tạo ra nhiều năng lượng hơn từ phản ứng tổng hợp hạt nhân so với năng lượng cần thiết để khởi phát nó, một điều chưa đạt được từ những dự án nghiên cứu tổng hợp hạt nhân trước đó. Quá trình xây dựng tổ hợp ITER Tokamak đã bắt đầu vào năm 2013 và tổng chi phí ước định 18 tỷ USD, cao gấp hơn 3 lần dự kiến ban đầu.

Việc xây dựng theo kế hoạch sẽ kết thúc vào năm 2019 và khởi động lò phản ứng sẽ trong cùng năm, thí nghiệm bơm plasma sẽ thực hiện vào năm 2020 và thí nghiệm tổng hợp deuteri-triti 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.

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 với 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 đạt được thành công mang tính bước ngoặt, đội ngũ nghiên cứu cũng thừa nhận rằng sẽ tốn nhiều năm để có thể hoàn thiện công nghệ để biến giấc mơ năng lượng sạch và vĩnh cửu thành hiện thực. Mục tiêu tiếp theo của họ là duy trì plasma ở nhiệt độ 100 triệu độ C trong thời gian hơn 1.000 giây (khoảng 17 phút).

Tham khảo ScienceAlert, ITER.org