Phản ứng nhiệt hạch, nguồn năng lượng sạch chưa thể làm chủ

Phản ứng tổng hợp hạt nhân (còn gọi là phản ứng nhiệt hạch) cung cấp nguồn năng lượng khổng lồ cho Mặt trời và các vì sao qua việc kết hợp những nguyên tố nhẹ như hydro hay heli. Nếu có thể khai thác được phản ứng này ngay trên Trái đất thì chúng ta sẽ có một nguồn năng lượng sạch vô tận với nguyên liệu chính là nước biển. Nguồn năng lượng này không phát ra khí thải nhà kính, không tạo ra chạy đua hạt nhân và không có nguy cơ phát sinh tai nạn thảm khốc.    

Lượng chất thải phóng xạ rất ít và gián tiếp, chủ yếu từ sự kích hoạt neutron tại phần lõi của nhà máy (power plant core). Với công nghệ hiện tại, một nhà máy năng lượng nhiệt hạch có thể được tái chế hoàn toàn trong vòng 100 năm sau khi nhà máy ngừng hoạt động.

Các nhà máy hạt nhân hiện nay dùng phản ứng phân hạch – tức phân rã hạt nhân của các nguyên tố nặng như urani, thori và plutoni thành các hạt nhân con nhẹ hơn, – trong phản ứng này các hạt nhân nặng bị neutron bắn phá, đập vỡ ra thành những hạt nhân nhẹ hơn và giải phóng năng lượng. Quá trình này cũng xảy ra một cách tự phát trong các nguyên tố kém ổn định và có thể được dùng để tạo ra điện, nhưng nó cũng sinh ra chất thải phóng xạ tồn tại lâu dài khó xử lí.

Vậy tại sao chúng ta chưa dùng năng lượng nhiệt hạch an toàn và sạch? Cho dù đã có nhiều tiến bộ trong việc nghiên cứu phản ứng nhiệt hạch, nhưng tại sao các nhà vật lý của chúng ta vẫn có thái độ nghi ngờ đối với các tuyên bố “đột phá” vô căn cứ? Câu trả lời ngắn gọn là rất khó để đạt được những điều kiện để duy trì phản ứng. Nhưng nếu những thí nghiệm hiện tại sẽ thành công thì việc sử dụng năng lượng nhiệt hạch sẽ trở thành hiện thực trong vòng một thế hệ.

Các quá trình nhiệt hạch

Khác với phân hạch, các hạt nhân không tự phát tổng hợp nhiệt hạch vì chúng đều mang điện tích dương và phải khắc phục lực đẩy tĩnh điện rất lớn để đến gần nhau cho đến khi lực tương tác mạnh trở nên mạnh hơn lực đẩy tĩnh điện và giúp các hạt nhân kết hợp với nhau.

Trong thiên nhiên, lực hấp dẫn của các ngôi sao là đủ mạnh để nhiệt độ, mật độ và khối lượng của lõi ngôi sao cũng đủ sức để làm cho các hạt nhân kết hợp lại thông qua hiệu ứng “đường hầm lượng tử” (quantum tunneling), vượt qua rào cản tĩnh điện đó. Trong phòng thí nghiệm, hiệu ứng này xảy ra ít hơn hẳn và người ta chỉ có thể vượt qua rào cản ấy bằng cách làm cho các hạt nhân nóng lên tới cực điểm – gấp sáu đến bảy lần nhiệt độ ở lõi Mặt trời.

Ngay cả phản ứng nhiệt hạch đơn giản nhất – kết hợp hai đồng vị của hydro là deuteri và triti để tạo thành heli (là một hạt nhân nặng hơn) và một neutron năng lượng cao (cỡ 14 MeV) – cũng cần đến nhiệt độ khoảng 120 triệu độ C. Ở nhiệt độ cực cao này, các nguyên tử nhiên liệu bị phá vỡ thành các điện tử và hạt nhân, tạo thành một hỗn hợp plasma cực nóng (hỗn hợp ion hóa deuteri và triti).

Giữ trạng thái của plasma này đủ lâu tại một chỗ để các hạt nhân kết hợp lại là một việc cực kỳ khó. Trong phòng thí nghiệm, plasma bị giam giữ bởi các từ trường mạnh do các cuộn dây siêu dẫn tạo ra. Các cuộn dây này làm thành một cái “chai từ” hình xuyến để nhốt plasma vào trong đó.

Sơ đồ một lò phản ứng nhiệt hạch

Những thí nghiệm plasma ngày nay như Joint European Torus có thể giam giữ plasma nhiệt độ cao để tỏa ra năng lượng nhưng mật độ plasma và thời gian giữ năng lượng (một dạng đo thời gian plasma nguội đi) còn quá thấp, chưa đủ để plasma có thể tự duy trì nhiệt độ. Tuy nhiên, việc này vẫn đang được nghiên cứu và cải thiện – các thí nghiệm phản ứng nhiệt hạch ngày nay tốt hơn 40 năm trước hàng nghìn lần về các chỉ số như nhiệt độ, mật độ plasma và thời gian giữ năng lượng. Và hướng phát triển tiếp cũng đã khá rõ ràng. 

Sự thay đổi chế độ

Lò phản ứng thí nghiệm nhiệt hạch quốc tế ITER (International Thermonuclear Eperimental Reactor), hiện đang được xây dựng ở Cadarach miền nam nước Pháp, sẽ nghiên cứu “chế độ plasma đốt nóng” khi lượng nhiệt tỏa ra từ phản ứng nhiệt hạch sẽ lớn hơn lượng nhiệt cung cấp cho phản ứng nhiệt hạch. Tổng lượng nhiệt nhận được từ ITER sẽ gấp 5 lần lượng nhiệt cung cấp từ bên ngoài trong những phản ứng gần như liên tục, và đạt được từ 10 đến 30 lần trong những phản ứng thời gian ngắn.

Với cái giá hơn 20 tỉ USD và được tài trợ bởi một tập đoàn gồm bảy quốc gia và liên minh, ITER là dự án khoa học lớn nhất thế giới cho đến nay. Mục đích của nó là chứng tỏ tính khả thi về mặt khoa học và công nghệ của việc sử dụng phản ứng nhiệt hạch cho những mục đích hòa bình, như việc sản xuất điện năng.

Các thách thức kĩ thuật và vật lí là không hề nhỏ. ITER sẽ phải có một từ trường với sức mạnh 5 Tesla (gấp 100 nghìn lần từ trường Trái Đất), và một thiết bị có đường kính 6 m chứa 840 m³ plasma (1/3 thể tích một bể bơi tiêu chuẩn Olympic). Thiết bị sẽ có trọng lượng 23 nghìn tấn, bao gồm 100 nghìn km dây siêu dẫn hợp kim niobi-thiếc. Hợp kim này là chất siêu dẫn tại 4,5 độ K (khoảng 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. 

Mặt cắt ngang của lò phản ứng thí nghiệm nhiệt hạch quốc tế ITER

Theo kế hoạch, ITER sẽ tạo ra những plasma đầu tiên vào năm 2020, trong khi các thí nghiệm về plasma cháy (burning plasma) dự kiến sẽ bắt đầu vào năm 2027. Một trong những vấn đề chính là liệu việc plasma tự duy trì (self-sustaining plasmas) có thể thực sự được tạo ra và duy trì mà không làm hỏng bức thành đối diện plasma hoặc “bia chuyển hướng” dòng nhiệt cao (the high heat flux “divertor” target).

Những thông tin và kinh nghiệm chúng ta có được từ việc xây dựng và vận hành ITER sẽ cung cấp cho ta bản thiết kế các nhà máy năng lượng nhiệt hạch trong tương lai, với mục đích cuối cùng là đưa công nghệ này dùng vào việc sản xuất năng lượng thương mại. Hiện tại xem ra nhà máy điện nhiệt hạch mẫu đầu tiên sẽ được xây dựng vào những năm 2030 và sẽ sản xuất khoảng 1 gigawatt điện năng.

Cho dù các nhà máy phát điện thế hệ đầu dự kiến sẽ có kích cỡ tương tự ITER, người ta vẫn hi vọng rằng những tiến bộ về điều khiển và giam giữ từ trường sẽ khiến các thế hệ nhà máy sau này có kích thước nhỏ hơn. Tương tự, giá thành của chúng cũng sẽ thấp hơn ITER: từ mô hình hóa dài hạn có thể suy ra các nhà máy điện nhiệt hạch sẽ có hiệu quả kinh tế với ít ảnh hưởng đến môi trường.

Kết luận là, mặc dù còn những thách thức rất lớn trong việc sản xuất năng lượng từ phản ứng nhiệt hạch, song những gì nhận lại được còn lớn hơn rất nhiều. Tất cả những gì chúng ta cần làm là đưa nhà máy điện nhiệt hạch vào vận hành.

Dương Quang Thành dịch

Cao Chi hiệu đính

Nguồn:https://theconversation.com/nuclear-fusion-the-clean-power-that-will-take-decades-to-master-41356