Tại trung tâm Provence ở Pháp, một số nhà khoa học hàng đầu thế giới đang tạo tiền đề cho thí nghiệm khoa học lớn nhất và tham vọng nhất trên toàn cầu.
Ý tưởng của các nhà khoa học là tạo ra một thiết bị tổng hợp hạt nhân lớn nhất thế giới thông qua khai thác năng lượng từ phản ứng tương tự cung cấp năng lượng cho Mặt trời.
Laban Coblentz, Giám đốc Truyền thông của Lò phản ứng Thí nghiệm Nhiệt hạch Quốc tế (ITER), cho biết: “Chúng tôi đang chế tạo thiết bị phức tạp nhất từng được thiết kế”.
Nhiệm vụ trước mắt là chứng minh tính khả thi của việc khai thác ở quy mô công nghiệp phản ứng tổng hợp hạt nhân - phản ứng tương tự cung cấp năng lượng cho Mặt trời và các ngôi sao.
Để làm được điều này, khoang chứa từ trường lớn nhất thế giới, hay còn được gọi là tokamak, đang được xây dựng ở miền Nam nước Pháp nhằm tạo ra năng lượng tích lũy.
Thỏa thuận dự án ITER được Mỹ, EU, Nga, Trung Quốc, Ấn Độ và Hàn Quốc chính thức ký kết vào năm 2006 tại Điện Elysée ở Paris.
Hiện có hơn 30 quốc gia đang hợp tác trong nỗ lực chế tạo thiết bị thử nghiệm, dự kiến nặng 23.000 tấn và chịu được nhiệt độ lên tới 150 triệu độ C khi hoàn thiện.
Ông Coblentz cho biết, theo một cách nào đó, đây giống như một phòng thí nghiệm quốc gia, một cơ sở viện nghiên cứu lớn, nhưng thực ra đó là nơi hội tụ của các phòng thí nghiệm quốc gia của 35 nước.
Phản ứng tổng hợp hạt nhân diễn ra như thế nào?
Phản ứng tổng hợp hạt nhân là quá trình trong đó hai hạt nhân nguyên tử nhẹ hợp nhất thành một hạt nhân nặng hơn, giải phóng lượng năng lượng khổng lồ.
Trong trường hợp của Mặt trời, các nguyên tử hydro ở lõi được hợp nhất với nhau nhờ lực hấp dẫn cực lớn.
Trong khi đó, trên Trái đất, hai phương pháp chính đang được khám phá để tạo ra phản ứng tổng hợp.
Ông Coblentz giải thích: “Phương pháp đầu tiên là bắn tia laser vào một lượng rất nhỏ - kích thước bằng hạt tiêu - của hai dạng hydro: deuterium và tritium. Như vậy, một lượng nhỏ vật chất được chuyển thành năng lượng theo công thức E = mc² (E là năng lượng, m là khối lượng vật, c là tốc độ ánh sáng trong chân không)".
Dự án của ITER tập trung vào phương pháp khả thi thứ hai: Phản ứng tổng hợp từ tính (Magnetic Confinement Fusion).
"Trong trường hợp này, chúng tôi có một khoang rất lớn, 800 m³ và chúng tôi đặt một lượng nhiên liệu rất nhỏ -2 đến 3 g nhiên liệu, deuterium và triti - và chúng tôi tăng nhiệt độ lên tới 150 triệu độ C thông qua các hệ thống kích nhiệt khác nhau", ông Coblentz nói.
Ông Coblentz giải thích thêm: Đó là nhiệt độ mà tại đó, vận tốc của các hạt này cao đến mức thay vì đẩy nhau bằng điện tích dương, chúng kết hợp và hợp nhất. Và khi hợp nhất, chúng giải phóng năng lượng".
Trong tokamak, các hạt tích điện được giữ lại bởi từ trường, ngoại trừ các neutron có năng lượng cao được giải phóng và va vào thành khoang, truyền nhiệt và do đó làm nóng nước xung quanh tokamak. Về mặt lý thuyết, năng lượng sẽ được khai thác bằng hơi nước tạo ra làm quay tuabin.
Richard Pitts, trưởng bộ phận khoa học của ITER, giải thích thêm: “Đây là sản phẩm kế thừa của một dòng thiết bị nghiên cứu lâu đời”.
“Lĩnh vực nghiên cứu vật lý tokamak đã được nghiên cứu trong khoảng 70 năm, kể từ khi những thí nghiệm đầu tiên được thiết kế và xây dựng ở Nga vào những năm 1940 và 1950”, ông Pitts nói.
Theo ông Pitts, các tokamak thời kỳ đầu là những thiết bị nhỏ. Sau đó, chúng ngày càng lớn hơn để tạo ra năng lượng tổng hợp.
Ưu điểm của nhiệt hạch
Các nhà máy điện hạt nhân đã xuất hiện từ những năm 1950, khai thác phản ứng phân hạch, trong đó nguyên tử được tách ra trong lò phản ứng, giải phóng một lượng năng lượng khổng lồ trong quá trình này.
Phân hạch có lợi thế rõ ràng là phương pháp này đã được thử nghiệm và kiểm nghiệm, với hơn 400 lò phản ứng phân hạch hạt nhân đang hoạt động trên toàn thế giới hiện nay.
Tuy nhiên, mặc dù thảm họa hạt nhân hiếm khi xảy ra trong lịch sử, nhưng vụ việc thảm khốc của lò phản ứng số 4 tại Chernobyl vào tháng 4/1986 là một lời nhắc nhở mạnh mẽ rằng chúng không bao giờ hoàn toàn không có rủi ro.
Hơn nữa, các lò phản ứng phân hạch còn phải đối mặt với việc quản lý an toàn một lượng lớn chất thải phóng xạ, thường được chôn sâu dưới lòng đất trong các kho địa chất.
Ngược lại, ITER lưu ý rằng một nhà máy nhiệt hạch có quy mô tương tự sẽ tạo ra năng lượng từ lượng hóa chất đầu vào nhỏ hơn nhiều, chỉ vài gam hydro.
Ông Coblentz lưu ý: “Hiệu quả an toàn thậm chí không thể so sánh được. Chúng ta chỉ cần 2 đến 3 g vật liệu. Hơn nữa, vật liệu trong nhà máy nhiệt hạch, deuterium và tritium, và vật liệu thoát ra, helium không phóng xạ và neutron, đều đã được khai thác. Vì vậy không còn sót lại và lượng chất phóng xạ tồn đọng là cực kỳ nhỏ".
Những trở ngại của dự án ITER
Tuy nhiên, ông Coblentz nhấn mạnh, thách thức của phản ứng nhiệt hạch là những lò phản ứng hạt nhân này vẫn cực kỳ khó xây dựng.
"Chúng ta tìm cách tăng một thứ gì đó lên tới 150 triệu độ C. Đó thực sự là một điều khó thực hiện", ông nói.
Chắc chắn dự án ITER đã phải vật lộn với sự phức tạp của công việc khổng lồ này. Dòng thời gian ban đầu của dự án ITER ấn định năm 2025 là ngày cho ra mắt plasma (khí ion hóa) đầu tiên, với việc vận hành toàn bộ hệ thống được đánh dấu là vào năm 2035.
Tuy nhiên, những trở ngại về thành phần và sự chậm trễ liên quan đến COVID-19 đã dẫn đến lịch trình vận hành hệ thống bị thay đổi và ngân sách tăng vọt. Ước tính chi phí ban đầu cho dự án là 5 tỷ euro nhưng đã tăng lên hơn 20 tỷ euro.
Về mặt hợp tác quốc tế, ITER cũng chịu áp lực trước "những cơn gió ngược" của căng thẳng địa chính trị giữa nhiều quốc gia tham gia vào dự án.
Ông Coblentz lưu ý: Rõ ràng những nước tham gia không phải lúc nào cũng có sự liên kết về mặt ý thức hệ. Dù đã cam kết 40 năm hợp tác cùng nhau, nhưng không có gì chắc chắn. Không bao giờ có sự chắc chắn rằng sẽ không xảy ra một số xung đột.
Tóm lại, với quy mô của thách thức do biến đổi khí hậu gây ra, không có gì ngạc nhiên khi các nhà khoa học đang chạy đua để tìm ra nguồn năng lượng không có carbon để cung cấp năng lượng cho thế giới của chúng ta.
Nhưng việc cung cấp năng lượng nhiệt hạch dồi dào vẫn còn lâu mới đạt được, và ngay cả ITER cũng thừa nhận rằng dự án của họ đại diện cho câu trả lời dài hạn cho những lo ngại về năng lượng.
Để đáp lại quan điểm cho rằng năng lượng nhiệt hạch sẽ đến quá muộn để giúp chống lại khủng hoảng khí hậu một cách có ý nghĩa, ông Coblentz khẳng định rằng năng lượng nhiệt hạch có thể có vai trò xa hơn trong tương lai.
Ông nói: “Nếu mực nước biển dâng cao đến mức chúng ta bắt đầu cần tiêu thụ năng lượng để di chuyển các thành phố, thì đó thực sự là câu trả lời rõ ràng”.
