Bao giờ có nhà máy năng lượng nhiệt hạch đầu tiên thế giới?

Trần Văn Đạt, Ph. D.

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 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.

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).

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 không tốn kém nhiều 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 năng lượng hữu dụng rất lớn (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 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. 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, 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 của 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 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 8)

Công ty General Fusion ở Canada cũng tham gia vào nghiên cứu năng lượng nhiệt hạch từ 2002, do Dr. Michel Laberge sáng lập và được Ông Bezos của Amazone 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 sẽ 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).

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 Genera 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 8) 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, giống như công nghệ phân hạch hiện nay.

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 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 nhất từng được chế tạo. 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. 

Plasma luân chuyển trong 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 phát 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 Bigot, 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 sự 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 đã 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, quà 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 rằng sẽ 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. Lúc đó, con cháu chúng ta sẽ hoan hỷ chứng kiến thành quả tuyệt vời này.

Rất mong thay!

Trần Văn Đạt, Ph. D.

Tài liệu tham khảo:

1.    org:(https://vi.wikipedia.org/wiki/Ph%E1%BA%A3n_%E1%BB%A9ng_t%E1%BB%95ng_h%E1%BB%A3p_
h%E1%BA%A1t_nh%C3%A2n).

2.    org: (https://en.wikipedia.org/wiki/Tokamak#Tokamak_design).

3.    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)

4.    Khoahoc.tv. Năm 2030, nhà máy điện nhiệt hạch ra đời (http://khoahoc.tv/nam-2030-nha-may-dien-nhiet-hach-ra-doi-28994).

5.    Khoahoc.tv. Điều khiển phản ứng nhiệt hạch bằng laser. (http://khoahoc.tv/dieu-khien-phan-ung-nhiet-hach-bang-laser-52175).

6.    Nguyễn Thành Minh. 2016. Tham vọng khai thác năng lượng từ phản ứng nhiệt hạch (https://vnexpress.net/tin-tuc/khoa-hoc/ky-thuat-moi/tham-vong-khai-thac-nang-luong-tu-phan-ung-nhiet-hach-
3408398.html).

7.    Nguyễn Thành Minh. 2016. Khó khan. Vnexpress.net (https://vnexpress.net/tin-tuc/khoa-hoc/ky-thuat-moi/tham-vong-khai-thac-nang-luong-tu-phan-ung-nhiet-hach-
3408398-p2.html).

8.    Charles Q. Choi. 2017. Is the World’s First Nuclear Fusion Plant Finally on Track?

Live Science 07-12-2017 (https://www.livescience.com/61132-first-fusion-plant-plasma-core-half-completed.html?utm_source=notification

9.    Trung Quốc “nghiền nát” kỷ lục năng lượng nhiệt hạch mới thiết lập của Đức (http://genk.vn/kham-pha/trung-quoc-nghien-nat-ky-luc-nang-luong-nhiet-hach-moi-thiet-lap-cua-duc-
20160209023546932.chn) (Tham khảo ScienceAlert, ITER.org).

10.                      Katie Fehrenbacher. Nuclear Fusion Startup Tri Alpha Energy Hits a Big Milestone, 
But it’s just one step in a very long process.

(https://www.greentechmedia.com/articles/read/fusion-startup-tri-alpha-energy-hits-a-big-milestone#gs.ybA_Rtk). 

11. Overcoming engineering challenges today for a fusion-power world tomorrow. (https://www.tokamakenergy.co.uk/company/our-approach/).

Tài liệu:

“Chắc là tiến bộ tốt đẹp!”, Madia, cựu Giám đốc Phòng thí nghiệm quốc gia Oak Ridge và Pacific Northwest, nói với Live Science. “Tôi là một người ủng hộ và cổ vũ lớn cho Bernard Bigot – Tôi nghĩ ông ấy đã làm rất tốt. Trong hai hoặc ba năm nữa, nếu ông tiếp tục tiến bộ hiện nay, chúng ta có thể thấy những thay đổi thực sự về tình trạng của ITER.”

Mặc dù xây dựng nhà máy nhiệt hạch hạt nhân chi phí nhiều hơn xây dựng một nhà máy nhiên liệu hóa thạch, “chi phí nhiên liệu hóa thạch rất cao, và chi phí nhiên liệu cho sự nhiệt hạch là không đáng kể, do đó, trong suốt đời sống của nhà máy, chúng tôi hy vọng nó sẽ trung bình ra,” Bigot cho biết. Đồng thời, khai thác nhiên liệu hóa thạch còn có chi phí khác hơn chi phí tài chính. Bigot cho biết: “Chi phí nhiên liệu hóa thạch rất lớn là do tác động môi trường, dù là do khai thác mỏ, ô nhiễm hay thải khí nhà kính. “Nhiệt hạch thì không có cacbon.”

Ông Bigot cho biết: “Rất nhiều công nghệ liên hệ thực tế đang ở đỉnh cao. “Chúng tôi đang đẩy các ranh giới ở nhiều lĩnh vực – cryogenics, điện từ, thậm chí sử dụng các thiết bị dụng cụ khổng lồ. Ví dụ,

Cần phân biệt ở đây các nhà máy điện nguyên tử (hay nhà máy điện hạt nhân) hiện nay có công nghệ phân tách các nguyên tử lớn thành những hạt nhỏ hơn thông qua các lò phản ứng hạt nhân có kiểm soát nên gây ra chất thải phóng xạ cao, trong khi nhà máy nhiệt hạch sẽ không tạo ra chất thải phóng xạ nguy hại cho môi trường. Và 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.

Các lò phản ứng thực nghiệm sẽ không sử dụng các nguyên tử hydro thông thường, mà mỗi hạt nhân của chúng chỉ có một proton. Thay vào đó, nó sẽ kết hợp deuterium, mà mỗi hạt nhân có một proton và một neutron, với tritium, mỗi hạt nhân có một proton và hai neutron. Deuterium dễ dàng trích ra từ ​​nước biển, trong khi tritium sẽ được tạo ra bên trong lò phản ứng nhiệt hạch. Theo ITER, nguồn cung cấp nhiên liệu này rất phong phú, đủ cho hàng triệu năm sử dụng năng lượng toàn cầu hiện nay.

Cần lưu ý rằng các phản ứng nhiệt hạch của ITER có thể bị gián đoạn trong nhà máy nhiệt hạch, nên các lò phản ứng nhiệt hạch sẽ dễ dàng đóng lại một cách an toàn mà không cần sự hỗ trợ từ bên ngoài. Về lý thuyết, các nhà máy nhiệt hạch cũng chỉ sử dụng một vài gram nhiên liệu một lần, vì vậy không có khả năng xảy ra tai nạn nguy hiểm.

Khái niệm về thiết kế

Nhiệt hạch hạt nhân (nuclear fusion), tương tự phản ứng xảy ra trong tâm điểm mặt trời, kết hợp các hạt nhân nguyên tử để hình thành các hạt nhân nặng hơn. Phản ứng nhiệt hạch hạt nhân tạo ra năng lượng nhiều lần hơn việc đốt các nhiên liệu hoá thạch. Ví dụ, một lượng các nguyên tử hydro có kích thước bằng trái dứa cung cấp năng lượng tương đương 10.000 tấn than, theo một tuyên bố từ dự án ITER. 

Năm 2030, nhà máy điện nhiệt hạch ra đời

http://khoahoc.tv/nam-2030-nha-may-dien-nhiet-hach-ra-doi-28994

 Năm 2030, nhà máy điện nhiệt hạch sẽ ra đời. 12 nhà máy điện loại này sẽ cung cấp 1 nghìn tỉ watt điện (khoảng 1.000 lần công suất của nhà máy thủy điện Hòa Bình) vào năm 2100.

Tháng 3/2010, trong một thông báo trên tạp chí Science Express, các nhà khoa học tại Viện nghiên cứu quốc gia Lawrence Livermore đã thông báo những kết quả khả quan về hoạt động của hệ thống kích hoạt quốc gia – NIF (National Ignition Facility) cho phản ứng nhiệt hạch.

Các nhà khoa học đã đo được nhiệt độ khoảng 3 triệu độ K tại buồng phản ứng. Sóng điện từ từ chùm laser sẽ đưa áp suất buồng chứa nhiên liệu lên khoảng 100 tỉ lần áp suất trái đất. Áp suất cực lớn này sẽ nâng  nhiệt độ bên trong nhiên liệu hydro nặng lên khoảng 100 triệu độ K tạo điều kiện cho phản ứng nhiệt hạch xảy ra dễ dàng.

Theo tính toán, năng lượng tỏa ra khi đốt 1mg nhiên liệu hydro nặng tương đương với năng lượng tỏa ra của một thùng dầu hỏa. Hydro nặng có rất nhiều trong nước biển nên đây là một nguồn nhiên liệu vô tận.

Trong nửa thế kỷ qua, các nhà khoa học đã nghiên cứu để có thể điều khiển được phản ứng nhiệt hạch trong điều kiện phòng thí nghiệm. Phản ứng nhiệt hạch là phản ứng tổng hợp hạt nhân nguyên tử nhẹ thành hạt nhân nguyên tử nặng hơn đồng thời tỏa ra rất nhiều năng lượng. Phản ứng nhiệt hạch được biết đến nhiều trong lõi của các vì sao như mặt trời của chúng ta.

NIF đã bắt đầu hoạt động năm 2010, mơ ước “tạo ra mặt trời nhỏ” trên trái đất của các nhà khoa học và của nhân loại trong nửa thế kỷ qua sẽ trở thành hiện thực trong thời gian sắp tới.

Hệ thống kích hoạt phản ứng nhiệt hạch bao gồm 192 máy phát xung laser khổng lồ, được xây dựng  với kinh phí 3,5 tỉ đôla.  NIF sẽ cung cấp năng lượng lớn hơn ít nhất 60 lần năng lượng của hệ thống laser lớn nhất từng có.

Khi tất cả các máy laser này được hội tụ (xem hình minh họa), nó sẽ cung cấp khoảng 2 triệu joules năng lượng tử ngoại tại điểm hội tụ trong buồng phản ứng. Năng lượng này sẽ tạo ra môi trường đặc biệt kích hoạt phản ứng nhiệt hạch.

Đây là môi trường chỉ tồn tại trong lõi của các vì sao, hành tinh cực lớn và trong các vụ nổ vũ khí hạt nhân (phản ứng phân rã hạt nhân siêu nặng thành hạt nhân nhẹ hơn, đồng thời tỏa ra lượng nhiệt khổng lồ nhưng it hơn so với phản ứng nhiệt hạch).

Khi phản ứng nhiệt hạch xảy ra, nó sẽ giải phóng một lượng năng lượng khổng lồ, lớn hơn rất nhiều lần năng lượng cần thiết để kích hoạt phản ứng.

Trong tương lai, dựa trên kiến thức vật lý và công nghệ áp dụng cho NIF, các nhà khoa học sẽ chế tạo ra các động cơ nhiệt hạch được kích hoạt bằng laser – LIFE (Laser Inertial Fusion Engine). LIFE có một triển vọng rất khả quan trong việc giải quyết vấn đề năng lượng trên toàn cầu.

Đây là năng lượng an toàn, vô tận và không thải ra các khí thải độc hại cho môi trường như khí CO2. Một trong những ưu điểm nổi trội khác của LIFE là tạo ra rất nhiều hạt neutron. Neutron sau đó được dùng để kích hoạt phản ứng hạt nhân trong các chất thải hạt nhân từ các nhà máy điện nguyên tử. Một lượng năng lượng lớn sẽ tỏa ra trong phản ứng này.

Các nhà máy điện nguyên tử hiện nay chỉ đốt cháy 10% thanh nhiên liệu uranium. Chất thải nhiện liệu này sẽ được sử dụng trong LIFE và sẽ được đốt cháy đến hơn 99%. LIFE thực sự sẽ góp phần to lớn làm giảm lượng rác thải phóng xạ hạt nhân nguy hiểm cho trái đất.

Thử nghiệm về kích hoạt phản ứng nhiệt hạch sử dụng NIF sẽ được tiến hành vào năm 2010 – 2011. Một nhà máy điện LIFE đầu tiên sẽ được thử nghiệm vào năm 2020. Sau cùng, một nhà máy điện thương mại hoàn chỉnh sẽ được thương mại hóa năm 2030.

Nếu 12 nhà máy điện kiểu LIFE được xây dựng liên tục từ năm 2030 với tốc độ 5 năm/nhà máy, LIFE sẽ cung cấp 1 nghìn tỉ watt điện (khoảng 1.000 lần công suất của nhà máy thủy điện Hòa Bình) vào năm 2100.  Sản lượng điện này sẽ cung cấp 30% nhu cầu điện của Hoa Kỳ khi đó.

Những thí nghiệm thu được từ NIF sẽ mang lại đóng góp to lớn cho an ninh năng lượng Hoa kỳ và trên thế giới do mang lại nguồn năng lượng nhiệt hạch dồi dào. NIF là kết quả của sự hợp tác giữa chính phủ, các ngành công nghiệp và các viện nghiên cứu trên toàn Hoa kỳ.

Được thành lập năm 1952, Viện nghiên cứu quốc gia Lawrence Livermore có nhiệm vụ phát triển khoa học và công nghệ, cung cấp giải pháp mới mẻ cho các vấn đề quan trọng nhất của Hoa Kỳ và nhân loại.

Cập nhật: 28/08/2010Theo Báo Đất Việt 

Lò phản ứng 14 tỷ USD nóng hơn lõi Mặt Trời

https://vnexpress.net/tin-tuc/khoa-hoc/san-pham-cong-nghe/lo-phan-ung-14-ty-usd-nong-hon-loi-mat-troi-
3359177.html

Lò phản ứng khổng lồ ITER đang được xây dựng tại trung tâm nghiên cứu khoa học Cadarache, Pháp, có thể tạo ra dòng plasma nóng tới 150 triệu độ C.

Lò nhiệt hạch có từ trường mạnh gấp 100.000 Trái Đất

Lò phản ứng ITER hoạt động dựa trên nguyên lý nhiệt hạch, kết hợp hai hạt nhân nhẹ của hydro là deuterium và tritium để tạo thành một hạt nhân heli nặng hơn và giải phóng năng lượng. Bằng cách này, lò phản ứng sẽ tạo ra 500 MW điện, nhiều gấp 10 lần năng lượng để nó hoạt động. Đây cũng là nguồn năng lượng sạch, sử dụng nguyên liệu là nước biển, có độ an toàn cao, chất thải phóng xạ ở mức rất thấp và gần như không có rủi ro khi vận hành.

Tính đến tháng 6/2015, chi phí xây dựng ITER đã vượt quá 14 tỷ USD. Theo Business Insider, sau khi hoàn thành, ITER sẽ có đường kính và chiều cao khoảng 30,5 m, trở thành kiểu mẫu mới của kỹ thuật phản ứng nhiệt hạch. Nếu có thể sản xuất năng lượng theo dự kiến, đây sẽ là lò phản ứng đầu tiên của kỷ nguyên năng lượng nhiệt hạch, giúp thu hẹp khoảng cách từ nghiên cứu nhiệt hạch trong phòng thí nghiệm đến tạo ra điện nhiệt hạch cho các thành phố.

Một trong những vấn đề lớn nhất của lò phản ứng nhiệt hạch là năng lượng cần để chúng hoạt động lớn hơn năng lượng do chúng tạo ra, trái với mục tiêu mong muốn từ nhà máy điện.

Nguyên nhân là do phản ứng nhiệt hạch chỉ xảy ra ở nhiệt độ plasma rất cao, khoảng 120 triệu độ C, cao hơn nhiều lần nhiệt độ ở lõi Mặt Trời. Để tạo ra nhiệt độ siêu nóng này, ITER sử dụng một buồng từ trường hình xuyến có tên Tokamak.

Dù đạt nhiệt độ siêu cao, Tokamak không thể duy trì dòng plasma liên tục. Kỷ lục do thiết bị Tokamak của Pháp đạt được trong năm 2003 là 6 phút 30 giây. Để duy trì nhiệt độ cao, Tokamak cần được tắt bật liên tục trong thời gian ngắn. Điều này khiến các nhà khoa học đau đầu trong nhiều thập kỷ qua vì quá trình tiêu tốn nhiều năng lượng.

Nhằm giải quyết vấn đề này, ITER trang bị một thiết bị có thể tự sản xuất và duy trì dòng plasma siêu nóng liên tục. Plasma bên trong ITER sẽ đạt 150 triệu độ C đủ để kết hợp deuterium và tritium.

Một sản phẩm phụ quan trọng của quá trình tổng hợp hạt nhân là hạt nhân của nguyên tử heli. Sau khi sinh ra, các nguyên tử này va chạm với môi trường xung quanh, truyền năng lượng dưới dạng nhiệt, giúp dòng plasma duy trì nhiệt độ cao mà không cần năng lượng bổ sung từ bên ngoài. “Đó là cách để nó gần như tự duy trì hoàn toàn”, Jonathan Menard, Giám đốc chương trình nhiệt hạch tại Phòng thí nghiệm vật lý plasma Princeton, Mỹ, chia sẻ.

ITER được bắt đầu xây dựng từ năm 2007, dự kiến hoàn thành vào năm 2019, và đi vào hoạt động trong năm 2020. Cỗ máy có thể sản sinh phản ứng tổng hợp deuterium – tritium đủ để cung cấp năng lượng vào năm 2027.

Thanh Tùng

Tham vọng khai thác năng lượng từ phản ứng nhiệt hạch

Các nhà sáng lập Microsoft và Amazon đã đầu tư vào vài công ty nghiên cứu cách khai thác năng lượng của phản ứng nhiệt hạch tương tự trên Mặt Trời.

https://vnexpress.net/tin-tuc/khoa-hoc/ky-thuat-moi/tham-vong-khai-thac-nang-luong-tu-phan-ung-nhiet-hach-
3408398.html

Sự khác nhau giữa bom nguyên tử và nhiệt hạch

Bên trong một phòng thí nghiệm gần Vancouver tại tỉnh British Columbia, Canada, chuông báo động rú ầm ĩ. Ở giữa nhà kho là một thứ trông giống khẩu pháo của tàu vũ trụ, dài khoảng 5 mét nối với vô số dây dẫn xung quanh.

Không ai trong số các kỹ thuật viên mặc đồng phục áo đỏ có vẻ hốt hoảng vì tiếng ồn do họ đã quá quen với nó. Đây là tiếng còi báo trước mỗi lần thử nghiệm lò phản ứng nhiệt hạch – tổng hợp hạt nhân. Trong 5 năm qua, họ đã nghe thấy tiếng còi này hơn 50.000 lần.

Tốc độ thí nghiệm đó hiện nay là 50 đến 100 lần mỗi ngày – con số dường như không thể đạt được trong một phòng thí nghiệm công cộng, nơi mà nghiên cứu nổi bật nhất về năng lượng nhiệt hạch đang được tiến hành. Nhưng đó là những gì mà công ty kín tiếng General Fusion, được tài trợ bởi Giám đốc điều hành Amazon, Jeff Bezos đang làm.

Đây là một trong những công ty đầu tư mạo hiểm tin rằng họ có thể tìm ra cách phản ứng nhiệt hạch nhanh hơn, rẻ hơn các dự án chính phủ đang tiến hành.

Nhiều nhân vật rất có ảnh hưởng cũng tin vào điều này: ngoài Bezos còn có đồng sáng lập Microsoft, Paul Allen và đồng sáng lập PayPal, Peter Thiel cũng ủng hộ các công ty tiên phong trong nghiên cứu phản ứng nhiệt hạch.

Theo BBC, đối với nhiều người, phản ứng nhiệt hạch vẫn là cái gì đó quá xa rời thực tế, giống như các giả thuyết ngày tận thế. Tuy nhiên giới doanh nhân lại coi đây là một cơ hội rất tốt.

Phản ứng nhiệt hạch

Phản ứng tổng hợp hạt nhân, hay phản ứng nhiệt hạch là quá trình cho các hạt nhân va chạm với nhau để kết hợp chúng lại. Trong quá trình phản ứng này, một ít khối lượng hạt nhân sẽ được chuyển hóa thành rất nhiều năng lượng. Đây cũng là cơ chế phản ứng trên Mặt Trời và của bom H, loại bom có sức công phá lớn hơn bom nguyên tử nhiều lần.

Nếu có thể khai thác được năng lượng từ phản ứng này, đây sẽ là một nguồn năng lượng tốt đến khó tin. Nó không đòi hỏi nhiên liệu hóa thạch, và chất thải ra môi trường chỉ là khí heli, một loại khí trơ vô hại. Phản ứng hạt nhân truyền thống trong các nhà máy điện hạt nhân hiện nay đều tạo ra rác thải phóng xạ nguy hiểm.

Vấn đề là, phải làm sao để thắng được lực đẩy giữa các hạt nhân để chúng kết hợp lại với nhau. Cho tới nay, các nhà khoa học vẫn không thể tìm ra cách tạo ra năng lượng từ phản ứng này lớn hơn năng lượng mà họ đưa vào. Các nhà vật lý và các kỹ sư đã làm việc về câu hỏi hóc búa này trong nhiều thập kỷ, và trong thời gian đó thì hầu hết mọi người hoặc là đã quên, hoặc là đã bác bỏ nó như một giải pháp cho tương lai.

Hiện các nhà nghiên cứu đã đạt được một số thành tựu nhất định. Iter, lò phản ứng nhiệt hạch khổng lồ hiện đang được xây dựng tại Pháp, sẽ cho công suất lý thuyết sau khi hoàn thành sẽ gấp 10 lần năng lượng cần thiết để vận hành. Tuy nhiên kinh phí dành cho Iter đã vượt qua ngân sách hàng tỷ USD và đang bị chậm tiến độ. Những thí nghiệm với lò phản ứng sớm nhất phải đến 2025 mới có thể tiến hành.

Ngoài Bezos là nhà đầu tư nổi tiếng nhất của General Fusion, còn có 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.

Đây có thể là thứ mà Bezos nhìn thấy khi ông đầu tư vào General Fusion. Giám đốc điều hành của Amazon, nổi tiếng với đầu tư vào những dự án hoành tráng, đã dùng cổ phần của mình ở công ty như một phần của số tiền tài trợ 19,5 tỷ USD.

Tuy nhiên việc đầu tư của Bezos thành công hay không vẫn nằm trong bí mật.

Ngoài Bezos là nhà đầu tư nổi tiếng nhất của General Fusion, còn có 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.

Ý tưởng của General Fusion không mới, nó đã từng được Phòng thí nghiệm Hải quân Mỹ nghiên cứu trong những năm 1970. Vào đầu năm 2001, Michel Laberge, nhà sáng lập và giám đốc khoa học của General Fusion đã từ bỏ công việc nhàm chán tại công ty in laser Creo để đối đầu với các thách thức lớn hơn.

“Tôi biết rằng chúng ta gặp một chút vấn đề về năng lượng trên hành tinh này, và biết rằng nhiệt hạch là giải pháp”, Laberge cho biết. “Do đó vào sinh nhật 40 tuổi, tôi đã quyết định bỏ việc và tập trung vào nhiệt hạch.”

Tại Creo, Laberge đã học được làm thế nào để áp dụng kiến ​​thức vật lý của ông – một tiến sĩ vật lý plasma – để phát triển sản phẩm thực tế.

“Tôi trở nên cụ thể và thực tế hơn”, ông nói. Ông cũng nhìn thấy cách mà các công ty nhỏ sẵn sàng đi theo con đường riêng để tránh bị đánh bại bởi các công ty lớn.

“Nếu bạn làm tương tự như họ, và họ chi hàng tỷ USD vào nó, bạn sẽ không đánh bại được họ. Nhưng nếu bạn làm gì đó hơi khác một chút, bạn sẽ có cơ hội thành công.”

Laberge biết có rất nhiều cách khác nhau để tạo ra phản ứng nhiệt hạch.

“Tất cả những cách tiếp cận khác nhau đó đều được hỗ trợ rất ít”, ông giải thích, bởi vì các phương pháp chính thống “đã nuốt gần hết các nguồn tài nguyên”. Nhiệt hạch từ hóa mục tiêu là một trong những phương án thay thế mà ông theo đuổi.

Với phương pháp này, đầu tiên từ trường được sử dụng 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 lỏng. Tiếp theo, các pit-tông có hướng hội tụ về tâm quả cầu sẽ đồng loạt di chuyển và gõ vào đe ở cuối xy-lanh, gửi một sóng xung kích vào plasma. Sóng này sẽ nén khối plasma và nhiên liệu deuterium-tritium sẽ phản ứng hạt nhân với nhau, theo lý thuyết sẽ tạo ra rất nhiều năng lượng.

Hoạt động được mô tả bằng video dưới đây:

Điều quan trọng với các nhà đầu tư, đó là lò phản ứng General Fusion không yêu cầu các chùm laser siêu mạnh hay các cơ sở có kích thước tương đương sân bóng, giống với các dự án của chính phủ mà Bezos, Laberge đang tìm cách vượt qua.

Xem tiếp: Khó khăn

Nguyễn Thành Minh

Khó khăn

Nếu thiết kế này tuyệt vời như vậy, tại sao nó lại bị bỏ rơi? Laberge khi còn thất nghiệp và tìm được các bằng sáng chế cũ liên quan tới ý tưởng này, ông đã thấy nguyên nhân hợp lý.

https://vnexpress.net/tin-tuc/khoa-hoc/ky-thuat-moi/tham-vong-khai-thac-nang-luong-tu-phan-ung-nhiet-hach-
3408398-p2.html

Sự khác nhau giữa bom nguyên tử và nhiệt hạch

Tưởng tượng có một quả bóng bay, chỉ cần một điểm chịu nhiều lực nén hơn, nó sẽ rất dễ vỡ. Điều tương tự cũng xảy ra với plasma. Nếu không được nén đồng đều, nó sẽ sụp đổ. Để thành công, các pit-tông phải gõ vào đe chính xác cùng một thời điểm. Laberge nhận ra chỉ có thể làm được điều này nhờ sự trợ giúp của máy tính hiện đại.

Sau khi bán hết cổ phiếu ở công ty cũ, Laberge dành vài năm tiếp theo nghiên cứu và cuối cùng đã xây dựng được một nguyên mẫu nhỏ – một chiếc máy hình dáng kỳ cục, có thể tạo ra vài neutron, hiện vẫn được trưng bày trong khu lễ tân của General Fusion.

Hiện công ty có khoảng 65 nhân viên và chiếm hai tòa nhà trong khu văn phòng gần Burnaby Lake. Nguyên mẫu lò phản ứng là một quả cầu gai, đường kính khoảng 4 mét, trông giống một quả mìn khổng lồ.

Gần đó là những “khẩu pháo tàu vũ trụ”, có nhiệm vụ đưa plasma vào trong quả cầu. Dây điện nhô ra từ tất cả mọi thứ, truyền hàng tệp dữ liệu tới các máy tính đặt trên một gác xép ở trên để phân tích.

Laberge cho biết công ty đã điều chỉnh thiết kế của lò phản ứng vô số lần trong vài năm qua, nhằm mục đích giữ cho plasma ở nhiệt độ đủ cao trong một thời gian đủ dài cho phản ứng nhiệt hạch xảy ra.

“Plasma có rất nhiều cách điên rồ để thoát nhiệt, và chúng tôi cũng đã hiểu về nó nhiều hơn so với trước đây”, Laberge nói. “Tuy nhiên, dù có nhiều tiến bộ, nhiệt độ plasma vẫn là thách thức lớn nhất của General Fusion”.

“Kiểm soát tất cả những quá trình vật lý có thể xảy ra làm nguội plasma, đó là tên của trò chơi nhiệt hạch”.

“Vấn đề quan trọng mà General Fusion phả đối mặt, đó là sự rò rỉ nhiệt”, nhà vật lý Kenneth Fowler, người viết cuốn sách Fusion Quest về phản ứng nhiệt hạch và làm việc trong ban cố vấn của General Fusion, đồng ý với Laberge. Nhưng ông cũng cho rằng đây là rào cản cuối cùng.

“Tôi nghĩ họ đã làm đủ hết mọi công việc trong tất cả các vấn đề liên quan. Nếu họ vượt qua được chính xác nơi họ đang đứng, họ sẽ có cơ hội tốt để bước tiếp trên con đường của họ”.

Tuy nhiên, một số chuyên gia khác có quan điểm thận trọng hơn.

“Siêu nén” – tên gọi quá trình mà General Fusion cố gắng đạt được với plasma – “là rất, rất khó kiểm soát”, Michael Zarnstorff, phó giám đốc nghiên cứu tại Phòng thí nghiệm Vật lý Plasma Princeton được chính phủ Mỹ tài trợ cho biết. “Đó sẽ là một vấn đề dài lâu, khó khăn cho General Fusion”.

Sự thành công của General Fusion không chỉ phụ thuộc vào việc có giữ nhiệt được cho plasma, mà còn ở khả năng thu hút được đầu tư. Có thời gian đủ dài và ngân sách đủ lớn, khả năng thành công lên đến 90%, theo Laberge. Nhưng sự kiên nhẫn của các nhà đầu tư mạo hiểm rất hạn chế.

“Cuối cùng, họ sẽ chán nản”, ông nói.

Tri Alpha

Cách trụ sở General Fusion 2.000 km về phía nam, bạn có thể sẽ tìm thấy một công ty khác nghiên cứu về phản ứng nhiệt hạch. Tri Alpha Energy, trụ sở tại quận Cam, California, Mỹ đã bí mật tồn tại suốt 18 năm, không có địa chỉ công cộng, không thông tin liên lạc, không có cả website. Những tiến bộ đạt được chủ yếu công bố trên các tạp chí khoa học.

Nhưng sự kín tiếng này không đánh mất sự chú ý tới công ty từ các nhà đầu tư. Những người ủng hộ nó bao gồm Paul Allen, đồng sáng lập Micosoft, công ty liên doanh có vốn của gia đình Rockefeller, Venrock và chi nhánh đầu tư công nghệ nano của chính phủ Nga, Rusnano.

Tuy nhiên để giữ bí mật, công ty của Allen, Vulcan Inc không liệt kê Tri Alpha trong danh mục đầu tư của mình, và một phát ngôn viên của Vulcan đã từ chối yêu cầu phỏng vấn về công ty nghiên cứu nhiệt hạch.

Trong những tháng gần đây, Tri Alpha đã cởi mở hơn. Ngoài việc thiết kế một trang web, các nhà nghiên cứu đã bắt đầu công khai nói về công việc của họ, và truyền thông đã được mời đến thăm cơ sở của công ty.

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. Tri Alpha đã đặt cược vào một thiết kế lò phản ứng gọi là “cấu hình trường đảo ngược”, 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 nó tạo ra năng lượng liên tục chứ không gián đoạn theo các vụ nổ.

Lợi thế của phương pháp này là đơn giản hơn, nhưng từ góc độ vật lý thì nó lại ít phát triển hơn. Zarnstorff, người đã đến thăm trụ sở Tri Alpha, cho biết công ty vẫn đang phải giải quyết vấn đề nhiệt độ plasma và thời gian giam giữ đủ lâu cho phản ứng xảy ra.

Để làm cho vấn đề thêm phức tạp, Tri Alpha đang hướng tới sử dụng nhiên liệu tạo thành từ các đồng vị boron-11 và một proton hơn là sự pha trộn deuterium-tritium cơ bản. Nhiên liệu này sẽ tạo ra ít phóng xạ hơn deuterium-tritium, nhưng sẽ đòi hỏi nhiệt độ cao hơn nhiều, và các chuyên gia nghi ngờ về tính khả thi của nó.

“Điều đó thật vô cùng khó khăn, tôi không ai đó sẽ có thể làm được”, Fowler nói.

Giống như các công ty tư nhân về phản ứng tổng hợp khác, Tri Alpha cũng sử dụng các tiếp cận kỹ thuật trước, vật lý sau, theo Zarnstorff.

“Họ gần như nói rằng, nếu đơn giản hóa nó theo những cách này, có thể sẽ thành công?” Fowler nói. “Chúng tôi đánh giá dựa trên những gì chúng tôi nghĩ là dễ và khó làm, nhưng thực tế là, chưa ai thành công”.

“Đặc biệt là không thành công khi không thể tạo ra một cái gì đó hấp dẫn về thương mại. Vì vậy cần phải có một chút nhẫn nại, và đáng khích lệ thực sự cho những người cố gắng vượt qua chỉ để nghiên cứu khoa học cơ bản”.

Mặc dù phải đối mặt với nhiều rào cản, Tri Alpha đã gây tiếng vang lớn trong việc thu hút đầu tư. Maurice Gunderson, một nhà cựu đầu tư năng lượng mạo hiểm đã có một kế hoạch kinh doanh cho công ty từ khi nó còn non trẻ. Mặc dù ông cảm thấy nhiệt hạch sẽ là cả một quá trình dài hơi, nhưng vẫn cho rằng cách làm của Tri Alpha là đáng tin cậy. Ông cũng cảm thấy tương tự với General Fusion trong những ngày đầu.

“Tôi nghĩ họ rất thú vị, những người thông minh nhất mà tôi từng gặp”, Gunderson nói. “Nếu bạn làm việc trong lĩnh vực đầu tư mạo hiểm, bạn sẽ thấy hàng nghìn kế hoạch kinh doanh với vài cái trong đó thực sự quái gở. Nhưng những cái này thì không”.

Tuy nhiên, vấn đề với các công ty như Tri Alpha và General Fusion là thời gian. Nếu một công ty không có đủ khả năng kiếm lại được tiền cho những nhà đầu tư trong một khoảng thời gian xác định, đó không phải là một mô hình đầu tư mạo hiểm thích hợp.

“Nếu chúng ta nhìn thấy hướng chữa ung thư, kết thúc chiến tranh, ngăn chặn nạn đói và kiếm ra nhiều tiền nhưng mất tới 11 năm thì sẽ không ai làm cả”, Gunderson nhận xét.

Nhiệt hạch đang rơi vào trường hợp này. Một vài công ty đầu tư mạo hiểm đặt cược vào các dự án nghiên cứu nhiệt hạch, như Venrock đầu tư vào Tri Alpha, nhưng nói chung, đây không được xem như các thương vụ thông minh.

Gunderson ca ngợi Allen và Bezos là những “nhà đầu tư dũng cảm”.

“Những người đã dũng cảm đặt cược một phần tài sản của họ, và tôi thực sự tôn trọng họ vì điều đó”, ông nói.

Tuy nhiên với nhiệt hạch, tiền tỉ và các dự án kinh doanh thành công có thể vẫn không đủ để vượt qua các chướng ngại vật.

“Đây đều là những người thành công phi thường. Hãy nhìn thành công của Amazon. Nhưng nhiệt hạch khó hơn Amazon 1.000 đến 10.000 lần”, Gunderson nói.

Dù sao thì việc các công ty tư nhân chịu đầu tư vào nhiệt hạch cho thấy lĩnh vực này cũng có hứa hẹn phát triển. Điều này có nghĩa là công nghệ này đã tiến gần tới thành công thực tế.

“Đó là dấu hiệu cho thấy chúng ta đã ở rất gần”, Zarnstorff nói.

Đây đồng thời cũng là dấu hiệu về yêu cầu một loại năng lượng không ô nhiễm, dồi dào đang ngày một lớn khi các mối đe dọa do biến đổi khí hậu ngày càng trở nên rõ rệt.

Trở lại trụ sở General Fusion, Laberge cho biết một trong những nguyên nhân thúc đẩy ông nghiên cứu là do lo ngại về tình trạng ấm lên toàn cầu. “Đã bắt đầu có một chút báo động”, ông nhận xét.

Một thắc mắc là liệu năng lượng nhiệt hạch có thể được nghiên cứu thành công kịp lúc để cứu tuyết trên các đỉnh núi khỏi tan và các hòn đảo khỏi ô nhiễm và nước biển dâng. Trong cuộc đua này, các siêu dự án của chính phủ có thể là những niềm hy vọng lớn nhất, nhưng các ông trùm công nghệ cũng là những con ngựa ô cần thiết.

Xem thêm: Lò nhiệt hạch có từ trường mạnh gấp 100.000 lần Trái Đất

Nguyễn Thành Minh

Lò nhiệt hạch có từ trường mạnh gấp 100.000 Trái Đất

Lò phản ứng nhiệt hạch có từ trường mạnh gấp 100.000 lần từ trường Trái Đất sẽ cung cấp năng lượng sạch cho con người vì mức phóng xạ rất thấp.

https://vnexpress.net/tin-tuc/khoa-hoc/lo-nhiet-hach-co-tu-truong-manh-gap-100-000-trai-dat-3228358.html

Đề xuất 3 địa điểm xây lò hạt nhân mới tại Việt Nam

Con người hiện mới chỉ khai thác được năng lượng từ phản ứng hạt nhân dạng phân hạch. Đây là phản ứng phá vỡ một hạt nhân nặng như uranium, thorium hay plutonium thành các hạt nhân nhẹ hơn và giải phóng năng lượng. Phản ứng này được ứng dụng trong các nhà máy điện hạt nhân đang vận hành. Tuy nhiên, sản phẩm thừa sau phản ứng là các chất phóng xạ rất độc hại.

Ngược lại với nó là phản ứng nhiệt hạch, kết hợp hai hạt nhân nhẹ thành một hạt nhân nặng hơn và giải phóng năng lượng. Đây là năng lượng sạch, an toàn, chất thải phóng xạ ở mức rất thấp và không có nguy cơ tai nạn.

Tuy nhiên, để phản ứng xảy ra cần nhiệt độ rất cao. Với phản ứng nhiệt hạch dễ xảy ra nhất, kết hợp 2 đồng vị của hydro là deuterium và tritium để tạo thành heli cũng cần nhiệt độ lên tới 120 triệu độ C, cao hơn nhiều lần nhiệt độ ở lõi Mặt trời.

Ở nhiệt độ đó, mọi vật chất đều tồn tại trong trạng thái plasma. Giữ nhiên liệu cho lò phản ứng ở trạng thái plasma trong thời gian đủ lâu để phản ứng nhiệt hạch xảy ra là một bài toán khó.

Theo Business Insider, lò phản ứng ITER, đang được xây dựng tại Cadarache, miền nam nước Pháp sẽ giải quyết các vấn đề trên. ITER có từ trường mạnh 5 Tesla, 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 -269°C.

Nhiệt độ này có được nhờ đặt toàn bộ hệ thống trong heli lỏng. Nhờ từ trường này, plasma sẽ được “giam” 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 phải có nhiệt độ đủ cao để đưa nhiên liệu về trạng thái plasma và kích thích phản ứng nhiệt hạch. Việc này được thực hiện bằng một hệ thống cấp nhiệt ngoài có công suất 50MW.

Sau khi phản ứng nhiệt hạch xảy ra, năng lượng của các hạt nhân heli được tạo ra sẽ đủ để duy trì nhiệt độ cao cần thiết cho trạng thái plasma và phát điện. Lúc này có thể ngắt hệ thống cấp nhiệt ngoài, lò phản ứng sẽ tự duy trì với điều kiện cung cấp đủ nhiên liệu hạt nhân.

Dự án ITER có chi phí khoảng 20 tỷ USD, là dự án khoa học lớn nhất hành tinh. Dự kiến đến năm 2020 sẽ bắt đầu có thể tạo ra nhiên liệu dạng plasma. Nếu các thí nghiệm thành công, tới năm 2030 sẽ có thể xây dựng nhà máy điện nhiệt hạch đầu tiên với công suất khoảng 1GW.

Nguyễn Thành Minh

Xây dựng thành công lò phản ứng nhiệt hạch dạng Stellarator

http://khoahoc.tv/xay-dung-thanh-cong-lo-phan-ung-nhiet-hach-dang-stellarator-66513

Sau 19 năm nghiên cứu, 1,1 triệu tiếng làm việc không mệt mỏi, tiêu tốn hơn 1 tỷ euro, cuối cùng thì các nhà khoa học tại Viện Max Planck đã xây dựng hoàn tất Wendelstein 7-X – một lò phản ứng hợp hạch hạt nhân dạng Stellarator lớn nhất từ trước tới nay. Công cuộc đi tìm nguồn năng lượng gần như vĩnh cửu cho nhân loại lại tiến thêm một bước, “con ngựa bất kham” đã được thuần hóa và phục vụ con người?

Xây dựng thành công lò phản ứng nhiệt hạch dạng Stellarator lớn nhất thế giới

Trước giờ ngoài năng lượng gió, sóng biển hoặc Mặt Trời thì các nhà khoa học luôn nghĩ tới phản ứng hạt nhân như một cách để giúp nhân loại giải tỏa cơn khát năng lượng đang ngày càng cấp bách. Loại phản ứng hứa hẹn nhất là hợp hạch hạt nhân (phản ứng tổng hợp hạt nhân, phản ứng nhiệt hạch). Tuy nhiên, đây vẫn là “con ngựa bất kham” mà cho tới nay, các nhà khoa học vẫn chưa thể kiểm soát được phản ứng và cho ra mức năng lượng khả dụng.

Một trong những cách tiếp cận được cho là có nhiều triển vọng nhất để thực hiện phản ứng là 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 qua nhiều năm, qua các thế hệ X, XX 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.

Một cách tiếp cận khác là thiết bị dạng Stellarator. Nó cũng tương tự như Tokamak, giam khí siêu nóng bên trong từ trường để duy trì phản ứng. Tuy nhiên, cả 2 đều có kết cấu tổng thể tạo từ trường hình bánh donut và nó mắc phải nhược điểm là: từ trường ở càng gần tâm thì càng mạnh, và nó sẽ yếu dần khi ra mép bên ngoài.

Dù vậy, điểm khác nhau của Stellarator và Tokamak là cách giải quyết vấn đề. Tokamak sử dụng dòng điện để xoắn các electron và ions trong plasma, tạo ra một vòng lặp theo chiều dọc cũng như chiều ngang 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.

Ngược lại, Stellarator tạo ra vòng lặp ngang dọc này bằng chính thiết kế ban đầu của thiết bị, bọc thêm các cuộn dây vào chiếc bánh donut. Tuy nhiên, cách làm này lại khiến Stellarator khó xây dựng hơn Tokamak mặc dù nó có ưu điểm là không cần xài điện. Nhưng nếu xây dựng thành công, phản ứng sẽ được diễn ra an toàn hơn do từ trường được tạo thành từ các cuộn dây bọc vòng quanh, giữ cho plasma luôn ở bên trong.

Giờ đây, sau nhiều năm nghiên cứu thì Wendelstein 7-X – lò phản ứng nhiệt hạch dạng Stellarator lớn nhất thế giới đã được các nhà khoa học tại tại Viện Max Planck, Đức, xây dựng hoàn tất. Được biết, các nhà nghiên cứu đã sử dụng sự trợ giúp của siêu máy tính để thiết kế ra hình dáng của lò với độ chính xác cực kỳ cao nhằm đẩy hiệu suất phản ứng lên mức mong muốn.

Giờ đây, công việc của các nhà nghiên cứu chỉ còn đợi phê duyệt từ Cơ quan quản lý hạt nhân của Đức là có thể vận hành lò phản ứng. Nếu mọi chuyện suôn sẻ, tháng 10 mọi thủ tục sẽ hoàn tất và lò sẽ chính thức đi vào hoạt động. Đây không chỉ là một nhà máy điện đơn thuần mà việc xây dựng thành công Wendelstein 7-X còn được cho là một sự kiện có thể thay đổi cả thế giới.

Thành công này sẽ được nhân rộng, tạo nên những nhà máy điện không khí thải, hiệu suất cực kỳ cao và theo giáo sư Thomas Klinger, giám đốc dự án xây dựng lò phản ứng thì “Hãy tưởng tượng với lò phản ứng này, bạn chỉ cần tốn 3 chai nước là có thể cung cấp điện cho cả một hộ gia đình trong suốt cả năm”. Thật quả không ngoa khi nói rằng năng lượng tưởng chừng chỉ có trên những vì sao đã được con người tạo ra thành công.

Video giới thiệu cấu trúc và cách hoạt động của lò​:

Cập nhật: 27/10/2015 Theo Tinh Tế

Xem thêm: lò phản ứng hợp hạch hạt nhân lò phản ứng hợp hạch hạt nhân dạng Stellarator phản ứng hợp hạch hạt nhân lò phản ứng nhiệt hạch dạng Stellarator lò phản ứng Wendelstein 7-X

Điều khiển phản ứng nhiệt hạch bằng laser

http://khoahoc.tv/dieu-khien-phan-ung-nhiet-hach-bang-laser-52175

Sau nhiều năm nghiên cứu và chế tạo dường như không có điểm dừng, cuối cùng thì 1 phức hợp laser khổng lồ trị giá 5 tỷ đô la đã được các nhà khoa học cho ra đời và đạt bước thành công đầu tiên là có thể thực hiện được phản ứng nhiệt hạch tương tự như Mặt Trời. Đây là tiền để mở ra kỷ nguyên mới của nguồn năng lượng gần như là vô tận sử dụng trong tương lai.

Tại 1 cơ sở nghiên cứu kích nổ (NIF) thuộc Phòng thí nghiệm quốc gia Lawrence Livermore, bang California, các nhà khoa học đã ghép 192 tia laser khổng lồ thành 1 phức hợp có kích thước cỡ 1 sân bóng đá và đồng loạt bắn vào 1 khối vàng nhỏ hình trụ chứa nguyên liệu nhiệt hạch và làm nó bay hơi hoàn toàn.

Trên mặt lý thuyết, quá trình trên tạo ra làn sóng tia X vô cùng mạnh mẽ hướng vào hạt nhiên liệu có kích thước nhỏ hơn hạt tiêu, nghiền nát những nguyên tử Hydro bên trong thành Heli và giải phóng nguồn năng lượng vô cùng lớn giống như vụ nổ của 1 quả bom khinh khí thu nhỏ.

Dù vậy trong 4 năm qua kể từ khi phòng thí nghiệm bắt đầu hoạt động từ năm 2009, bước cuối cùng là chuyển hóa nguyên tử Hydro thành Heli đã không thành công hoặc số lượng Heli tạo thành rất ít.

Cuối cùng thì, theo báo cáo mới đây trên tờ Nature thì giai đoạn chuyển hóa cuối cùng dự án đã đạt được bước tiến lớn. Trong 2 thí nghiệm thực hiện hồi tháng 9 và tháng 11 năm ngoái, các nhà khoa học đã phát hiện ra rằng bắn phá Hydro nóng chảy có thể sản sinh ra được nhiều năng lượng hơn so với điều kiện thông thường. Tuy nhiên, phản ứng nhiệt hạch điều khiển bằng laser vẫn còn xa thực tế do chỉ mới có 1% năng lượng laser có thể tiếp cận được với hidro.

Nhà khoa học tại Livermore đồng thời là trưởng của dự án, tiến sĩ Omar A. Hurricane đã chia sẻ: “Chúng tôi đã nhảy múa la hét vì quá sức vui mừng. Chúng tôi đã đạt được 1 bước tiến lớn so với trước đây. Điều này có thể được gọi là 1 bước ngoặc lớn trong tiến độ thực hiện dự án. Nói có vẻ hơi khoa trương, nhưng thật sự là vậy. Chúng tôi đã làm cho nhiên liệu bên trong giải phóng lượng năng lượng chưa từng có so với các nghiên cứu trước”.

Các nhà khoa học trong dự án đã đạt được thành công bằng cách thay đổi hình dạng của các xung laser để nung nóng Hydro, hỗn hợp của 2 đồng vị nặng hơn là deuterium và tritium. Nhiệm vụ tiếp theo của các nhà khoa học là tìm cách tăng áp lực để vượt qua các tác nhân trở ngại nhằm tạo thành 1 phản ứng nhiệt hạch quy mô lớn và ổn định hơn. Một ý kiến đề xuất là sẽ thay đổi hình dạng của buồng nguyên liệu từ hình trụ sang tương tự như một quả bóng bầu dục.

Đây là 1 kết quả đầy hứa hẹn trong việc có thể hoàn thiện phản ứng nhiệt hạch. Thành công bước đầu là các hạt nhân Heli đã được tạo thành từ năng lượng phát nổ của các nguyên tử Hydro lân cận. Hiện tại, mới chỉ có 1 lượng nhỏ hidro trong khối nhiên liệu được kết hợp và tiếp cận tới năng lượng từ laser để kích nổ. Các nhà khoa học vẫn phải tìm cách kích hoạt phản ứng dây chuyền để toàn bộ lượng nguyên liệu đều tham gia phản ứng để giải phóng tối đa năng lượng.

Nhà vật lý bà thiên văn học, giáo sư Robert J. Goldston cho biết có thể hình dung toàn bộ chu trình giống như quẹt một que diêm sau đó châm lửa đốt cháy toàn bộ 1 đống gỗ lớn vậy. Và thành công bước đầu của dự án có thể hiểu nôm na là đã “sắp sửa đánh lửa được que diêm”. Đây chính là 1 bước tiến quan trọng của dự án.

Từ lâu, các nhà khoa học luôn mong muốn thực hiện phản ứng nhiệt hạch để tạo ra nguồn năng lượng sạch dồi dào hơn nhiên liệu hóa thạch hay năng lượng hạt nhân. Phản ứng hạt nhân vẫn còn mắc phải khuyết điểm là tạo ra các sản phẩm khó phân hủy sau quá trình chia cắt nguyên tử uranium.

Kế hoạch thành lập phòng thí nghiệm kích nổ tại Livermore đã có từ hơn 2 thập kỷ trước để thực hiện các nghiên cứu năng lượng lẫn duy trì vũ khí hạt nhân cho Mỹ. Dự án còn hướng tới việc mô phỏng và kiểm chứng các vụ nổ hạt nhân bằng máy tính thay vì thực hiện thực tế. Tuy nhiên, các thí nghiệm liên tục thất bại cho thấy hiểu biết của các nhà khoa học về phản ứng nhiệt hạch vẫn chưa đầy đủ.

Hồi năm 2012, phòng thí nghiệm đã thất bại trong dự án: kích hoạt phản ứng nhiệt hạch có khả năng tự duy trì và sản sinh ra lượng năng lượng lớn hơn để cung cấp cho hệ thống kích hoạt bằng laser. Bước tiến mới của các thử nghiệm gần đây đã giúp các nhà khoa học có thêm niềm tin cho các thành công trong tương lai. Đồng thời đây cũng là nguyên nhân giúp duy trì phòng thí nghiệm tiêu tốn hàng tỷ đô la hàng năm này.

Tuy nhiên, laser không phải là cách tiếp cận duy nhất mà các nhà khoa học nghĩ tới để khai thác nguồn năng lượng vĩnh cửu. Các nhà khoa học cũng đã thử nghiệm 1 lò phản ứng hình bánh doughnut mang tên tokamaks sử dụng từ trường để chứa và nén nhiên liệu Hydro. Vào cuối những năm 1990, phòng thí nghiệm Joint European Torus tại Anh đã có thể tạo ra được 16 triệu watt điện năng trong 1 khoảng khắc từ phản ứng nhiệt hạch. Mức năng lượng sinh ra đạt 70% mức năng lượng cần thiết để tạo ra phản ứng.

Một dự án quốc tế tương tự mang tên ITER cũng vừa mới bắt đầu xây dựng lò phản ứng tại Pháp và dự kiến sẽ vận hành vào năm 2020.

Cập nhật: 24/02/2014Theo Tinh Tế

Xem thêm: phản ứng nhiệt hạch laser điều khiển phản ứng nhiệt hạch phức hợp laser năng lượng laser

Tham khảo thêm

• Điều khiển máy bay bằng ý nghĩ 636 người xem
• Điều khiển máy bay quadcopter bằng suy nghĩ 171 người xem
• Điều khiển loài vật bằng ý nghĩ 031 người xem
• Điều khiển tablet, smartphone bằng ý nghĩ 677 người xem
• Video: Điều khiển máy tính bằng mắt 412 người xem 

Trở lại