Bao giờ thế giới có nhà máy năng lượng nhiệt hạch đầu tiên?
Trần Văn Đạt, Ph. D.
Hình 1: Nhà máy Thử nghiệm Nhiệt hạch Quốc tế đã được hoàn thành phân nửa. Ở đây, lò phản ứng Tokamak sẽ chứa nhiệt hạch nóng 10 lần hơn mặt trời khi được hoàn thành vào năm 2025 (ITER).
1. Mở đầu:
Theo báo cáo Triển vọng Năng lượng Quốc tế 2017 của cơ quan Quản lý Thông tin Năng lượng (Energy Information Administration - EIA), Hoa Kỳ, dân số thế giới sẽ tăng trưởng đến 9 tỷ người trong 2040 và nhu cầu năng lượng toàn cầu cũng tăng thêm 45%. Năm 2015, nguồn năng lượng hóa thạch chỉ thỏa mãn 66,6% nhu cầu, nhưng ngày càng khan hiếm và gây ra nạn ô nhiễm môi trường đáng lo ngại. Nguồn năng lượng nguyên tử còn giới hạn, chỉ cung cấp 10,6% tổng nhu cầu thế giới, chưa kể đến mối nguy hiểm tiềm tàng từ loại năng lượng này. Còn các nguồn năng lượng sạch, tái tạo như khí hydro, sức gió, ánh sáng mặt trời, một số loài thảo mộc có dầu, ngũ cốc, rong rêu… đang được khai thác nhưng chỉ chiếm 22,8%. Do đó, một số nhà khoa học và công nghiệp năng lượng chú ý tới một loại năng lượng khác thật sạch, bền vững và phong phú, nhưng còn tốn kém và nhứt là công nghệ, thiết bị sản xuất chưa sẵn sàng. Đó là năng lượng nhiệt hạch. Dù vậy, nhiều nhà lãnh đạo thế giới và khoa học gia đã quan tâm đến tương lai và đang đầu tư cho ngành năng lượng triển vọng này nhằm hướng về các thế hệ mai sau và đồng thời mở ra kỷ nguyên năng lượng mới.
2. Lợi ích Năng lượng nhiệt hạch:
Năng lượng nhiệt hạch được sản xuất do phản ứng tổng hợp hạt nhân (còn gọi phản ứng nhiệt hạch, phản ứng hợp hạch) từ hai chất đồng vị deuterium và tritium của hydro để tạo ra hạt nhân nặng hơn, đồng thời phóng thích khí hiếm helium, neutron và rất nhiều năng lượng. Nguồn nhiên liệu deuterium và tritium có thể trích lấy dễ dàng từ nước biển hoặc tổng hợp ít tốn kém từ khí hydro; do đó nguồn năng lượng nhiệt hạch sản xuất sẽ vô tận.
Trái ngược với các nhà máy nhiên liệu hóa thạch, năng lượng nhiệt hạch không tạo ra khí nhà kính carbon dioxide, hoặc các chất ô nhiễm khác. Ngoài ra, không giống nhà máy điện hạt nhân áp dụng phản ứng phân hạch để tách rời hạt nhân tạo ra năng lượng nhưng thải ra chất phóng xạ nguy hiểm, nhà máy năng lượng nhiệt hạch chỉ sản xuất neutron và khí nhẹ helium, cả hai chứa rất nhiều năng lượng hữu dụng (Hình 1 và 2). Cho nên, nguồn năng lượng nhiệt hạch khi được sản xuất sẽ là nguồn năng lượng lý tưởng cho thế giới vì nguồn cung cấp phong phú, an toàn, sạch, không nguy hại đến môi trường.
3. Lý thuyết vật lý về phản ứng nhiệt hạch và thử thách (1 và 2)
Hình 2: Mô tả quá trình một phản ứng hợp hạch của hai đồng vị hydro (3)
Cách nay khoảng hơn 50 năm, phản ứng nhiệt hạch đã được các nhà vật lý học biết đến và thử nghiệm trong các phòng thí nghiệm để tạo ra năng lượng; nhưng họ chưa thể áp dụng nguyên lý sản xuất nhiệt hạch để có được năng lượng thương mại trong thực tế. Đến nay, khoa học ngày càng tiến bộ, tích lũy kiến thức và thành quả đã và đang giúp con người tiến gần đến khả năng sản xuất năng lượng nhiệt hạch thực dụng.
Để sản xuất nguồn năng lượng này, các chuyên gia phải sử dụng nhiệt độ và áp suất cực cao để kích hoạt phản ứng tổng hợp các hạt nhân của deuterium và tritium (chất đồng vị của khí hydro) tạo ra các hạt nhân nặng hơn ở thể plasma [trạng thái thứ 4 của vật chất (các trạng thái khác là rắn, lỏng, khí), trong đó các chất bị ion hóa mạnh], phóng thích helium, một loại khí hiếm không làm bẩn môi trường, và giải phóng 1 neutron tự do, đồng thời sản xuất năng lượng gấp bội so với năng lượng nạp vào lúc đầu (Hình 2). Năng lượng tỏa ra có thể dùng để quay một tua bin hơi nước của máy phát điện.
Vấn đề được đặt ra ngày nay là công nghệ năng lượng này có khả thi hay không vì năng lượng nạp vào ít hơn năng lượng phát ra, nhưng các khoa học gia vẫn tin tưởng khai thác nguyên lý vật lý để có thể làm việc này trở nên hiện thực. Muốn tạo ra phản ứng tổng hợp hạt nhân sinh ra năng lượng gấp nhiều lần, cần một nhiệt lượng vĩ đại đến hàng triệu độ C và đồng thời cần có công nghệ thiết bị đặc biệt chế tạo lò phản ứng thích nghi để khống chế hiệu quả các sự cố như mất plasma, rò rỉ nhiệt theo thời gian, cũng như làm hao mòn thành lò phản ứng.
4. Các lò phản ứng nhiệt hạch (1,2 và 3):
Tổng thể, trên thế giới hiện có hai loại lò phản ứng đủ ổn định để tiến hành phản ứng nhiệt hạch: lò phản ứng kín quán tính và lò phản ứng hạn chế từ tính. Các lò phản ứng kín quán tính sử dụng sự kết hợp laser và sự kết hợp chùm tia ion để thực hiện phản ứng nhiệt hạch. Còn lò phản ứng hạn chế từ tính thì dùng từ trường kéo dài thời gian các ion tụ tập gần nhau để chúng hòa trộn nhanh chóng. Các lò phản ứng hạn chế từ trường có thể tránh được vấn đề phải tìm vật liệu chịu được nhiệt độ cực cao cho phản ứng nhiệt hạch. Dòng plasma nóng lên là do các từ trường thay đổi trong cuộn cảm ứng trung tâm (lõi) khi có dòng điện vượt quá một triệu ampe.
Hơn nữa, các thiết bị nhiệt hạch từ tính giữ plasma nóng không tiếp xúc với các thành lò chứa tránh hao mòn, bằng cách giữ plasma di chuyển theo các đường tròn hoặc xoắn bằng lực từ trường trên các hạt tích điện và bởi lực trung tâm (lõi) tác động trên các hạt chuyển động (Hình 3).
|
|
|
Hình 3: Sơ đồ của dòng plasma (đỏ) vận chuyển trong từ trường xoắn (vàng) và hình xuyến (xanh). Ảnh: Wikipedia.
|
Lò phản ứng Tokamak do Nga sáng tạo từ 1955 là lò phản ứng hạn chế từ tính, rất nổi tiếng, đang được cải tiến theo thời gian và sử dụng phổ biến nhứt hiện nay trên thế giới để thực hiện các phản ứng nhiệt hạch. Đó là một thiết bị có dạng hình bánh rán (torus hay donut) sử dụng từ trường mạnh để giam giữ dòng plasma siêu nóng hầu duy trì phản ứng nhiệt hạch tạo ra năng lượng. Tính đến năm 2017, thế giới có khoảng 100 lò phản ứng nhiệt hạch dạng Tokamak kích thước trung bình và nhỏ đang hoạt động; nhưng dù trải qua nhiều năm lò phản ứng Tokamak vẫn chưa hoàn thiện dòng plasma luân chuyển tạo ra mức năng lượng khả dụng để xây dựng một nhà máy điện, do còn nhiều sự cố chưa thể vượt qua (4).
Theo nhà khoa học Đức, Dr. 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 duy trì phản ứng nhiệt hạch trong vài phút. Vì vậy, thời gian đốt cháy không đủ để tạo ra nguồn năng lượng triển vọng cho tương lai (3).
Về nguyên tắc, lò Tokamak sử dụng dòng điện để xoắn các electron và ions trong plasma, tạo ra một vòng lặp theo chiều dọc, ngang trong chiếc bánh donut (Hình 4). Tuy nhiên, khi gặp sự cố về điện làm dòng plasma bị nhiễu loạn, từ trường sẽ bị phá vỡ và lò phản ứng bị tổn hại, rất nguy hiểm (3).
Hình 4: Dòng plasma xoắn trong các dạng donut đang bị từ trường hạn chế
(trong lò phản ứng Tokamak)
Do đó, Viện nghiên cứu Max Planck, Đức sau 19 năm thử nghiệm đã hoàn tất xây dựng lò phản ứng nhiệt hạch dạng Stellarator lớn nhứt thế giới (với tên Wendelstein 7-X) tổn phí một tỷ Euro. Lò phản ứng Stellarator tạo ra vòng lặp ngang dọc này bằng chính thiết kế ban đầu của lò Tokamak, bọc thêm các cuộn dây điện từ vào chiếc bánh donut để tạo ra từ trường giữ cho dòng plasma luôn ở bên trong, nên tránh được sự cố tổn hại trong trường hợp mất điện (Hình 4) (3). Lò Stellarator đã được cho vận hành thử nghiệm trong 2016, nhưng kết quả thu được không nhiều lắm: Khí hydro chỉ được nung nóng tới nhiệt độ 80 triệu độ C trong vòng 1/4 giây, trong khi mục tiêu để lò Wendelstein 7-X hoạt động hoàn hảo là tạo ra plasma với nhiệt độ lên tới 100 triệu độ C.
Mục tiêu cuối cùng của một lò phản ứng nhiệt hạch hoàn hảo là phải duy trì dòng plasma ở nhiệt độ 100 triệu độ C trong thời gian hơn 1.000 giây (khoảng 17 phút) (5).
5. Vài Dự án năng lượng nhiệt hạch đáng kể hiện nay:
Ngoài sức gió, sóng biển và mặt trời, nguồn năng lượng nhiệt hạch có triển vọng rất cao, nên có nhiều cơ quan chính phủ và tư nhân tham gia vào các dự án thử nghiệm và phát triển công nghệ sản xuất năng lượng này, đáng kể hơn hết là Phòng Thí nghiệm quốc gia Lawrence Livermore, Hoa Kỳ; Công ty General Fusion gần Vancouver tại tỉnh British Columbia, Canada; Công ty Tri Alpha Energy, trụ sở tại Foothill Ranch, California, Mỹ; và đặc biệt Lò Phản ứng khổng lồ Thử nghiệm Nhiệt hạt nhân - ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor) đang được xây dựng tại trung tâm nghiên cứu khoa học Cadarache, miền Nam nước Pháp.
Với tham vọng khai thác năng lượng từ phản ứng nhiệt hạch tổn phí thấp, nhà sáng lập Amazon (Jeff Bezos), Microsoft (Paul Allen) và PayPal (Peter Thiel) đã đầu tư vào vài công ty nghiên cứu cách khai thác năng lượng của phản ứng nhiệt hạch tương tự trên Mặt Trời. Đây là những công ty đầu tư mạo hiểm tin rằng họ có thể tìm ra phương pháp kích hoạt phản ứng nhiệt hạch nhanh hơn, ít tốn kém hơn các dự án chính phủ đang tiến hành.
· Phòng Nghiên cứu Quốc gia Lawrence Livermore, California, Hoa Kỳ (4 và 6):
Năm 2009, các nhà nghiên cứu plasma thuộc Phòng thí nghiệm quốc gia Lawrence Livermore đã hoàn tất xây dựng một phức hợp khổng lồ cở một sân bóng đá trị giá 5 tỷ đô la, bằng cách ghép 192 chùm laser hội tụ tại buồng chứa nhiên liệu để tạo điều kiện cho phản ứng nhiệt hạch xảy ra (Hình 5).
Tháng 3/2010, trong một báo cáo của tạp chí Science Express, các nhà khoa học này đã đo được nhiệt độ khoảng 3 triệu độ K (10.942 độ C) tại buồng phản ứng. Sóng điện từ từ chùm laser hội tụ nâng áp suất buồng chứa nhiên liệu lên khoảng 100 tỉ lần áp suất trái đất. Áp suất khủng này đưa nhiệt độ nhiên liệu hydro nặng lên khoảng 100 triệu độ K (364.764 độ C) (Ảnh 4).
Theo thông tin dự án, quá trình trên sản xuất làn sóng tia X cực mạnh hội tụ vào hạt nhiên liệu có kích thước rất nhỏ để kích hoạt những nguyên tử hydro bên trong phóng thích khí helium và tạo ra nguồn năng lượng khủng giống như vụ nổ quả bom khinh khí nhỏ. Tuy nhiên, đến nay công cuộc chuyển hóa nguyên tử hydro thành helium (nguồn năng lượng) đã không thành công như mong muốn vì số lượng helium tạo ra còn rất ít, do chỉ một số lượng rất nhỏ hydro trong khối nhiên liệu tiếp cận tới năng lượng laser để kích nổ.
Dù thế, đây là một thành quả ban đầu hết sức khích lệ cho các nhà nghiên cứu vì họ tìm thấy các hạt nhân helium phóng thích sau vụ kích nổ từ chùm laser. Cho nên, nhóm nghiên cứu này vẫn phải tìm cách kích hoạt phản ứng dây chuyền để toàn bộ lượng nguyên liệu đều tham gia phản ứng giải phóng tối đa năng lượng.
Hình 5: 192 chùm laser hội tụ tại buồng chứa nhiên liệu (Ảnh: Lawrence Livermore National Laboratory)
· General Fusion, tỉnh British Columbia, Canada (7 và 
Công ty General Fusion ở Canada cũng tham gia vào nghiên cứu năng lượng nhiệt hạch từ 2002, do Dr. Michel Labergesáng lập và được Ông Bezos của Amazon đầu tư cùng với một số công ty khác tài trợ hơn 81 triệu USD, như công ty liên doanh năng lượng sạch Chrysalix, công ty dầu khổng lồ Cenovus từ Canada và Khazanah Nasional Berhad, một nơi đầu tư của chính phủ Malaysia.
Trước tiên, General Fusion sử dụng từ trường để giữ các đồng vị deuterium và tritium của hydro dưới dạng plasma siêu nóng. Plasma sau đó sẽ được đưa vào trong một quả cầu chứa kim loại chì-lithium lỏng. Xung quanh quả cầu, một loạt các piston đẩy một áp lực vào trung tâm quả cầu, tạo thành một sóng xung kích vào plasma. Sóng này nén khối plasma và nhiên liệu deuterium-tritium phản ứng kết hợp hạt nhân với nhau, theo lý thuyết sẽ tạo ra rất nhiều năng lượng. Quá trình này sau đó được lặp lại, trong khi nhiệt từ phản ứng này được thu giữ trong kim loại lỏng sẽ sử dụng để tạo ra điện qua tua bin hơi nước (Hình 6).
Các nhà đầu tư quan tâm đến dự án này vì lò phản ứng của General Fusion không yêu cầu các chùm laser siêu mạnh hay các cơ sở có kích thước tương đương sân bóng đá như vài dự án khác trên thế giới. Tuy nhiên, vấn đề quan trọng mà General Fusion phải đối mặt hiện nay là sự rò rỉ nhiệt làm nguội nhanh dòng plasma. Khi nào Công ty hoàn tất kiểm soát tất cả những quá trình vật lý liên hệ và khắc phục được sự cố này dự án mới có triển vọng thành công.
|
|
|
Ảnh 6: Các xy lanh-piston được gắn vào quả cầu lò phản ứng tại General Fusion
(General Fusion)
|
|
|
· Tri Alpha Energy, quận Cam, California (7,8 và 9)
Công ty Tri Alpha Energy có trụ sở tại Foothill Ranch, California, làm việc trong âm thầm suốt 18 năm, những tiến bộ đạt được chủ yếu công bố trên các tạp chí khoa học.
Dù thế, cũng có nhiều nhà đầu tư ủng hộ công ty, bao gồm Paul Allen, đồng sáng lập Micosoft, công ty liên doanh có vốn của gia đình Rockefeller, Venrock, Golden Sachs, Wellcome Trust, Silicon Valley’s NEA và chi nhánh đầu tư công nghệ nano của chính phủ Nga, Rusnano. Vốn đầu tư lên đến 500 triệu đô la. Công ty luôn làm việc để chứng minh hai điều: xây dựng một lò phản ứng có thể giữ plasma cho "đủ dài" và ở nhiệt độ "đủ nóng" (9) để ít tốn kém.
Gần đây công ty mở rộng việc giao tế xã hội. Vào tháng 8/2015, họ đã tuyên bố có một bước đột phá trong việc duy trì một quả cầu khí siêu nóng cần thiết cho phản ứng xảy ra. Lò phản ứng này giống với thiết kế của ITER hơn là General Fusion. Nó sử dụng phương pháp giam giữ bằng từ trường và nhiệt chứ không phải nén để kích hoạt phản ứng tổng hợp, và tạo ra năng lượng liên tục chứ không gián đoạn theo các vụ nổ của General Fusion. Không giống như lò Tokamak, Tri Alpha Energy sử dụng một thiết kế bắn chùm plasma vào một thùng chứa, nơi nó được giữ tại chỗ và xoay quay bằng từ trường. Thiết kế này gần giống với đặc tính máy gia tốc hạt (9).
|
|
|
Ảnh 7: Lò phản ứng Norman của Tri Alpha
|
Lợi thế của phương pháp này là đơn giản hơn, nhưng về phương diện vật lý thì nó lại ít phát triển hơn. Vấn đề khó khăn của Tri Alpha đang phải giải quyết là sự ổn định nhiệt độ plasma và thời gian giam giữ đủ lâu cho phản ứng xảy ra.
Hiện nay, Công ty bắt đầu xây dựng một lò phản ứng hạt nhân mới, có thể đạt được nhiệt độ cao cần thiết để tiếp tục xác nhận kế hoạch công nghệ của mình. Theo Cố Giáo Sư Norman Rostoker, nhà sáng lập Tri Alpha, lò phản ứng mang tên Norman Rostoker có thể hoạt động ở nhiệt độ từ 50 đến 70 triệu độ C, nằm trong khoảng nhiệt độ của lõi mặt trời (Hình 7).
· Lò Phản ứng Thử nghiệm Nhiệt hạch Quốc tế ITER, Cadarache, Pháp (10)
Với nhu cầu năng lượng ngày càng nhiều và triển vọng lớn của loại năng lượng nhiệt hạch, năm 1985, tại Hội nghị Thượng đỉnh Geneva giữa Tổng Thống Ronald Reagan và Tổng Bí Thư Mikhail Gorbachev, ý tưởng hợp tác khoa học để xây dựng một nhà máy nhiệt hạch nhằm thỏa mãn nhu năng lượng tương lai đã được hình thành lần đầu tiên. Nhờ đó, dự án khủng Lò Thử nghiệm Nhiệt hạch Quốc tế ITER (Hình 1 và có công suất 500 MW bắt đầu xây dựng vào năm 2007 tại Cadarache, miền nam nước Pháp. Theo dự án, lò phản ứng sẽ được hoàn thành trong 10 năm với mức tổn phí 5,6 tỷ đô la. Tuy nhiên, dự án này đã chậm hơn một thập niên so với kế hoạch phần lớn do vấn đề kỹ thuật, và chi phí ước tính đã tăng lên khoảng 22 tỷ USD. Đến 12-2017, nhà máy nhiệt hạch khổng lồ đầu tiên trên thế giới đã hoàn thành 50%.
Khi hoạt động, nhà máy thử nghiệm nhiệt hạch sẽ vận chuyển dòng plasma hạt nhân trong lõi của nó có sức nóng 10 lần hơn mặt trời, được các nam châm bao quanh có độ lạnh tương tự không gian giữa các vì sao trong vũ trụ. Mục tiêu ban đầu của cuộc thử nghiệm là kết hợp những hạt nhân nguyên tử hydro (fusion) để tạo ra năng lượng gấp bội lần so với chính nguyên tử đó vào thập niên 2030 (giống như nguyên tắc chế tạo bom khinh khí hay bom hạch nhân).
|
|
|
Ảnh 8: Lò phản ứng ITER đang được xây dựng ( Ảnh ITER Collaboration)
|
Một hiệp hội khoa học 35 nước, gồm EU, Mỹ, Nhật Bản, Nga, Trung Quốc, Ấn Độ và Hàn Quốc đang cùng nhau xây dựng nhà máy ITER tại trung tâm nghiên cứu miền Nam nước Pháp. Tất cả các thành viên chia sẻ công nghệ của ITER, và họ được tiếp cận bình đẳng với sở hữu trí tuệ và sáng tạo từ nỗ lực này. Nếu ITER thành công, lò phản ứng nhiệt hạch vận hành đúng theo dự án trở thành một nguyên mẫu lò thương mại và công nghệ nhiệt hạch sẽ lan rộng khắp thế giới.
Tuy nhiên, sản xuất năng lượng nhiệt hạch có lợi ích tiềm năng lớn đòi hỏi cung cấp lượng nhiệt và áp suất khổng lồ trong thời gian dài nhứt định để nhiên liệu phản ứng kết hợp với nhau.
Để vượt qua thách thức to lớn này, ITER phải làm nóng hydro đến khoảng 150 triệu độ C, gấp 10 lần sức nóng của lõi mặt trời. Chất lỏng hydro siêu nóng này sẽ được giữ kín và luân chuyển bên trong một lò phản ứng có dạng bánh donut Tokamak, được bao quanh bởi các nam châm siêu dẫn khổng lồ để kiểm soát dòng plasma chứa điện tích. Để các nam châm siêu dẫn hoạt động, chúng phải được làm mát đến - 269 độ C.
Theo thông tin ITER, các cơ sở công nghiệp trên thế giới đang sản xuất 10.000.000 thành phần cho lò phản ứng ITER. Lò phản ứng thường được coi là bộ phận kỹ thuật phức tạp nhứt. Chẳng hạn, nam châm để tạo từ trường cao hơn 17 m phải được gắn cùng nhau với sai số nhỏ hơn 1 mm, cũng như làm mát 10.000 tấn vật liệu nam châm siêu dẫn ở nhiệt độ âm - 269 độ C.
Sản xuất dòng plasma luân chuyển trong lò ITER (10)
Lò phản ứng nhiệt hạch ITER có từ trường mạnh gấp 100.000 lần từ trường Trái Đất, được phát ra từ 100.000 km dây siêu dẫn làm từ hợp kim niobi-thiếc ở nhiệt độ âm - 269°C. Nhiệt độ này có được nhờ đặt toàn bộ hệ thống trong helium lỏng. Nhờ từ trường này, plasma sẽ được “giam giữ” lại trong thời gian đủ lâu để phản ứng nhiệt hạch xảy ra. Lò phản ứng có khả năng chứa 840 m3 plasma.
Để vận hành lò phản ứng, trước tiên cần cung cấp điện công suất 50 MW (megawatts) để đưa nhiên liệu đến trạng thái plasma và kích thích phản ứng nhiệt hạch. Sau khi phản ứng xảy ra, năng lượng của các hạt nhân helium được phóng thích ra sẽ đủ để duy trì nhiệt độ cao cần thiết cho trạng thái plasma và tạo ra điện. Lúc này có thể ngắt hệ thống cấp nhiệt bên ngoài, lò phản ứng sẽ tự duy trì với điều kiện cung cấp đủ nhiên liệu hạt nhân.
Theo Ông Bernard Bigot, Tổng Giám Đốc điều hành ITER từ 2015 cho biết ITER vẫn giữ đúng kế hoạch cho luân chuyển plasma đầu tiên vào năm 2025 và nay dự án đã được hoàn tất 50%. Mục tiêu cuối cùng không chỉ là lưu thông dòng plasma, mà kết hợp hạt nhân deuterium và tritium để tạo ra một plasma "đốt" sản xuất năng lượng đáng kể hơn. Công nghệ thử nghiệm của lò ITER Tokamak sẽ tạo ra 500 MW điện. Khi đi vào thương mại, các lò phản ứng hạt nhân sẽ là các lò phản ứng lớn hơn để tạo ra năng lượng từ 10 đến 15 lần hơn ITER. Theo kế hoạch dự án, một nhà máy điện từ phản ứng tổng hợp hạt nhân đầu tiên, mang tên DEMO, sẽ được xây dựng sau khi dự án ITER thành công, có công suất 2.000 MW để cung cấp điện cho 2 triệu gia đình.
Tóm lại, theo tiên đoán của các nhà nghiên cứu, ITER sẽ có plasma đốt vào những năm 2030. Các nhà máy nhiệt hạch thương mại có thể bắt đầu xuất hiện ngay từ năm 2040, với nhà máy nhiệt hạch 2 gigawatt có thể kéo dài sử dụng từ 60 năm trở lên. Chi phí vốn để xây dựng nhà máy nhiệt hạch hạt nhân cũng tương tự như chi phí của các nhà máy điện hạt nhân hiện tại - khoảng 5 tỷ USD mỗi gigawatt.
Ngoài các dự án đã đề cập trên, còn có nhiều dự án chánh phủ và tư nhân đang tham gia thử nghiệm phản ứng nhiệt hạch, với vốn đầu tư to lớn và mạo hiểm, như:
Anh Quốc: Công ty tư nhân Tokamak Energy mạo hiểm đầu tư xây dựng lò phản ứng nhiệt hạch Tokamak ST40, phiên bản cuối để tiến đến sản xuất điện nhiệt hạch thương mại vào năm 2030. Công ty đang tiên phong về lò phản ứng Tokamak hình cầu nhỏ gọn để có đủ sức mạnh tổng hợp – Đó là thiết bị có khả năng kiểm soát nhiệt hạch bằng sử dụng các chất siêu dẫn nhiệt độ cao để tạo ra từ trường mạnh chứa plasma nóng (Hình 9) (11).
Công ty chủ trương vào cách kết hợp hiệu quả tăng cao của lò Tokamak hình cầu với từ tính trong lò được cải thiện nhờ các chất siêu dẫn nhiệt độ cao để đạt mức khả thi hiệu quả và thương mại nhiệt hạch trong các nhà máy nhỏ hơn.
Hình 9: Tokamak ST-40- Cấu trúc hình cầu được làm từ thép không rỉ dày 30mm và chứa buồng chân không bên trong, nam châm và các bộ phận chính khác với dòng plasma (tím)
Trung Quốc: Các nhà khoa học Trung Quốc cũng thực hiện một số cải tiến vượt bực 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 tên HT-7U hay còn gọi EAST (Hình 10). Kết quả thử nghiệm lò phản ứng EAST của Trung Quốc đã tạo ra plasma từ hydro nung nóng ở 50 triệu độ C trong thời gian ấn tượng: 102 giây (5). Nếu đây là sự thật, quả là một bước nhảy vọt trong công nghệ nhiệt hạch!
Hình 10: Lò phản ứng EAST tại Hợp Phì, Trung Quốc. Ảnh: Xinhua.
6. Kết luận:
Mặc dù các cuộc thử nghiệm không ngừng nghỉ và tốn kém về năng lượng nhiệt hạch đã đạt được một số tiến bộ ngoạn mục, các nhà nghiên cứu thế giới cũng thừa nhận cần nhiều năm nữa để có thể hoàn thiện công nghệ biến giấc mơ năng lượng sạch và vĩnh cửu thành hiện thực. Mục tiêu mà họ đang nhắm tới hiện nay là duy trì dòng plasma ở nhiệt độ 100 triệu độ C trong thời gian hơn 1.000 giây (khoảng 17 phút) để tạo điều kiện kích hoạt phản ứng nhiệt hạch và sản xuất nguồn năng lượng sạch vô tận. Theo ITER, năm 2025 họ sẽ có dòng plasma luân chuyển đầu tiên trong lò nhiệt hạch, 2030 sẽ có plasma “đốt” hạt nhân deuterium-tritium tạo ra điện 500 MW, nếu thành công 2040 sẽ có các nhà máy nhiệt hạch thương mại bắt đầu hoạt động. Đến khi đó, con cháu chúng ta sẽ hoan hỷ chứng kiến thành quả tuyệt vời này. Nếu dự án ITER không thành công giấc mơ nhiệt hạch sẽ không bao giờ có!
Rất mong thay!
Trần Văn Đạt, Ph. D.
Tài liệu tham khảo:
3. Genk.vn. Đức hoàn tất lò phản ứng tổng hợp hạt nhân lớn nhất thế giới giá trị 1 tỷ euro (http://genk.vn/kham-pha/duc-hoan-tat-lo-phan-ung-tong-hop-hat-nhan-lon-nhat-the-gioi-gia-tri-1-ty-euro-20151031134145056.chn)
8. Charles Q. Choi. 2017. Is the World's First Nuclear Fusion Plant Finally on Track?
10. Katie Fehrenbacher. 2017. Nuclear Fusion Startup Tri Alpha Energy Hits a Big Milestone, But it’s just one step in a very long process.
.
