Chúng ta có năng lượng vô tận, nhưng vì sao vẫn chưa sử dụng?

Phản ứng tổng hợp hạt nhân chính là thứ cấp năng lượng cho Mặt trời và các vì sao – giải phóng ra một nguồn năng lượng cực lớn thông qua việc gắn các nguyên tố nhẹ lại với nhau, như hydrogen và helium. Nếu năng lượng tổng hợp này được khai thác trực tiếp trên Trái đất, nó có thể cung cấp một nguồn năng lượng sạch vô tận, dùng nước biển như là nguồn dầu chính mà không tạo ra khí nhà kính, không có nguy cơ gia tăng nhanh, và không có nguy phải đối mặt với các tai nạn thảm khốc.

Lượng chất thải phóng xạ sinh ra là rất thấp và gián tiếp, chủ yếu từ sự kích hoạt neutron của hạt nhân. Với các công nghệ hiện tại, một nhà máy năng lượng hạt nhân có thể được tái sử dụng trong vòng 100 năm trước khi bị đóng cửa.

Các nhà máy năng lượng hạt nhân ngày nay khai thác năng lượng từ hiện tượng phân hạt hạt nhân – sự phân chia hạt nhân của các nguyên tử nặng như uranium, thorium và plutonium để trở thành các hạt nhân con nhỏ hơn.

Quá trình này tự phát sinh trong các nguyên tố bất ổn định, và nó có thể được khai thác để tạo ra điện năng, nhưng nó cũng tạo ra nguồn chất thải phóng xạ rất lâu bị tiêu trừ.

Vậy tại sao chúng ta vẫn chưa sử dụng nguồn năng lượng sạch và an toàn từ phản ứng tổng hợp hạt nhân? Dù những nghiên cứu trên mảng này đã đạt được những đột phá lớn, tại sao những nhà vật lý học vẫn đặt nặng những hoài nghi về một công trình được coi là “bước đột phá của nhân loại” này?

Câu trả lời ngắn gọn là, việc đạt được điều kiệu chuẩn để duy trì phản ứng này là cực kỳ khó. Nhưng nếu những thử nghiệm đang tiến hành có thể thành công, chúng ta có thể lạc quan về việc năng lượng tổng hợp hạt nhân sẽ xuất hiện trong tương lai gần.

Không như phân hạt hạt nhân, hạt nhân không tự động trải qua quá trình tổng hợp: các hạt nhân được tích điện dương và phải vượt qua được lực tĩnh điện khổng lồ của mình trước khi chúng đến được đủ gần để lực hạt nhân có vai trò gắn các hạt nhân lại với nhau phát huy tác dụng.

Trong tự nhiên, lực hấp dẫn khổng lồ của các ngôi sao là đủ lớn để nhiệt độ, độ đặc và thể tích của hạt nhân của chúng duy trì được sự tổng hợp thông qua các “kênh lượng tử” của các hàng rào tĩnh điện. Trong phòng thí nghiệm, sự xuất hiện của các kênh lượng tử là quá thấp, và do đó, hàng rào tĩnh điện chỉ có thể được vượt qua bằng cách tăng nhiệt độ các hạt nhân năng lượng – khiến chúng nóng gấp 6-7 lần nhân mặt trời.

Thậm chí cả phản ứng tổng hợp hạt nhân dễ khởi phát nhất – phản ứng kết hợp giữa các đồng phân của hydrogen như deuterium và tritium để hình thành nên helium và một neutron mang năng lượng – cũng cần đến nhiệt độ khoảng 120 triệu độ C. Ở một nhiệt độ cực cao như thế, các nguyên tử năng lượng vỡ vụn để cho ra các thành phần electron và hạt nhân của nó, tạo nên 1 thể plasma siêu nhiệt.

Việc cố định được thể plasma này đủ lâu để các hạt nhân có thể hòa trộn cùng nhau là một chiến tích không tầm thường chút nào. Trong phòng thí nghiệm, thể plasma được giam giữ nhờ vào một từ trường mạnh, được hình thành bởi các cuộc dây siêu dẫn tích điện, từ đó tạo ra một “chai từ trường” hình bánh rán nhốt thể plasma vào đó.

Các thực nghiệm về plasma hiện nay, như thực nghiệm Joint European Torus có thể giữ được plasma ở nhiệt độ dành cho mạng khuếch đại công suất, nhưng độ đậm đặc và thời gian giam giữ năng lượng (thời gian hạ nhiệt thể plasma) là quá thấp để nó có thể tự cấp nhiệt.

Nhưng quá trình này đã có một số bước tiến nhất định – những thực nghiệm hiện nay đã cho ra mắt những phản ứng có hiệu suất tốt hơn gấp 1000 lần, về nhiệt độ, độ đậm đặc của plasma và thời gian giam giữ nó, so với các thực nghiệm 40 năm trước. Và giờ chúng ta đã có những ý tưởng không tồi cho việc đẩy nhanh quy trình.

Những thay đổi hệ thống

Lò phản ứng ITER, hiện đang được xây dựng tại Cadarache miền Nam nước Pháp, sẽ khám phá về “hệ thống đốt plasma”, hệ thống mà tại đó, nhiệt năng plasma sinh ra nhờ các sản phẩm bị giam giữ sinh ra từ phản ứng hạt nhân sẽ vượt quá năng lượng nhiệt ngoại lai. Năng lượng thu được từ ITER sẽ gấp hơn 5 lần nhiệt năng ngoại lai trong các dự án kế cận, và sẽ xuất hiện trong thời gian ngắn hơn gấp 10-30 lần.

Với chi phí vượt quá 20 tỷ đô la Mỹ và được tài trợ bởi một liên minh 7 quốc gia cùng các đồng minh khác, ITER là dự án khoa học lớn nhất hành tinh. Mục đích của nó là nhằm thể hiện tính khả thi về khoa học và công nghệ trong việc sử dụng năng lượng hạt nhân cho các mục đích hòa bình như tạo ra điện năng.

Thách thức cho các kỹ sư và các nhà vật lý học là vô cùng lớn. ITER sẽ sở hữu một cường độ từ trường khoảng 5 Tesla (gấp 100.000 lần từ trường Trái đất”, và bán kính bộ phận khoảng 6m, chứa khoảng 840 thể plasma hình khối cạnh 6m (1/3 chiều dài một bể bơi chuẩn Olympic). Nó nặng ước tính khoản 23 tấn và chứa khoảng 100.000 km sợi siêu dẫn làm từ thiếc niobi. Toàn bộ cỗ máy này sẽ được nhúng chìm vào một thiết bị làm mát nhờ vào helium lỏng để giữ cho các dây siêu dấn ở nhiệt độ chỉ hơn độ 0 tuyệt đối một vài độ.

ITER dự kiến sẽ bắt đầu sản xuất ra những thể plasma đầu tiên vào năm 2020. Nhưng các thực nghiệm đốt plasma vẫn chưa sẵn sàng khởi động cho đến năm 2027. Một trong những thử thách cực lớn cần vượt qua đó là việc quan sát xem những thể plasma tự lực này có thể được tạo ra và giữ ổn định mà không làm tổn thương các tường bề mặt, (hay các mục tiêu “đánh lạc hướng” dòng nhiệt cực lớn) hay không.

Những gì thu được từ việc xây dựng và vận hành ITER sẽ giúp ích cho việc thiết kế các nhà máy tổng hợp hạt nhân tương lai, với mục đích tối cao là sử dụng công nghệ cho việc tạo ra năng lượng. Tại thời điểm này, có vẻ nhưng các nguyên mẫu của nó sẽ bắt đầu được triển khai xây dựng vào những năm 2030, và sẽ có khả năng tạo ra khoảng 1 gigawatt điện.

Thế hệ các nhà máy tổng hợp hạt nhân đầu tiên sẽ có quy mô lớn hơn nhiều so với ITER, người ta trông chờ rằng việc cải tiến trong giam giữ và kiểm soát từ trường sẽ dẫn tới hiệu quả cao hơn. Như thế, chúng sẽ có chi phí thấp hơn ITER, cũng như triển vọng về tuổi thọ lâu hơn và tác động đến môi trường thấp hơn.

Những thách thức vẫn còn đó, và chi phí giờ luôn ở trên trời. Tất cả những gì chúng ta cần làm là bắt tay vào làm việc để nhanh chóng chấm dứt cơn ác mộng khủng hoảng năng lượng và ô nhiễm môi trường.