Thiết bị nghiên cứu phản ứng tổng hợp hạt nhân HL-2M Tokamak do Trung Quốc chế tạo được thử nghiệm vào tuần trước. Truyền thông Trung Quốc mô tả thiết bị này như “Mặt Trời nhân tạo”, dù cách gọi này không thực sự chính xác, theo South China Morning Post.
Mặt Trời tồn tại khoảng 4,6 tỷ năm qua. Còn lò phản ứng HL-2M chỉ hoạt động thử nghiệm trong vài giây, và đặc tính kỹ thuật của nó thoạt nhìn cũng không thực sự ấn tượng.
Dòng điện mạnh nhất mà HL-2M tạo ra chỉ từ 2-3 mega ampere. Trong khi thiết bị phản ứng nhiệt hạch JET của châu Âu tạo ra được 7 mega ampere và hoạt động gần 40 năm.
Tuy vậy, thử nghiệm thể hiện bước tiến quan trọng trong tham vọng của Trung Quốc, nhằm đạt được sản xuất điện nhiệt hạch thương mại vào năm 2050.
Nó cũng cho thấy quyết tâm của Bắc Kinh trong việc phát triển công nghệ mà một số quốc gia dần từ bỏ. Các nhà vật lý hạt nhân nói công nghệ này quá tốn kém, rủi ro và gần như vô vọng.
Về mặt lý thuyết, khi hai nguyên tử hợp nhất để tạo thành một nguyên tử lớn hơn, chúng giải phóng nguồn năng lượng khổng lồ. Phản ứng tổng hợp hạt nhân là nguồn gốc năng lượng của các ngôi sao. Nhưng việc tái tạo quá trình này trên Trái Đất và giữ nó trong tầm kiểm soát để không phát nổ vẫn là thách thức to lớn.
Khí nóng phát sinh trong quá trình hợp nhất nguyên tử sẽ đốt cháy hoặc làm tan chảy mọi thứ nó tiếp xúc. Phản ứng hạt nhân tạo ra lượng lớn các hạt ở tốc độ rất cao, có thể phá hủy các tòa nhà, hoặc tế bào con người nếu không được khống chế đúng cách.
Hai thách thức to lớn
Bất chấp nhiều thách thức, chính phủ Trung Quốc vẫn lên kế hoạch xây dựng lò phản ứng thử nghiệm kỹ thuật nhiệt hạch (CFETR) trong năm tới. CFETR có thể mất khoảng 10 năm để xây dựng. Nó sẽ sử dụng vùng từ trường cực mạnh để chứa khí nóng hoặc plasma.
 |
| Lò phản ứng nhiệt hạch HL-2M của Trung Quốc trong quá trình lắp ráp. Ảnh: Tân Hoa Xã. |
CFETR được cho là sẽ giúp Trung Quốc giải quyết các vấn đề kỹ thuật liên quan đến việc xây dựng lò phản ứng nhiệt hạch thương mại - chẳng hạn như giữ khí nóng trong nhiều tháng, hoặc nhiều năm, và xây dựng các cấu trúc đủ bền để chứa nó.
Tuy vậy, dự án đầy tham vọng này phải đối mặt với 2 bất ổn lớn.
Đầu tiên, các nhà khoa học không biết họ có thể giữ lò phản ứng cháy trong bao lâu. Một lò phản ứng thương mại cần chạy trong nhiều năm, thậm chí nhiều thập kỷ.
Các nhà khoa học Trung Quốc đang cố gắng tìm giải pháp từ lò phản ứng siêu dẫn tiên tiến (EAST) ở Hợp Phì, tỉnh An Huy. Nó được xây dựng để thử nghiệm phản ứng nhiệt hạch kéo dài vài phút hoặc lâu hơn.
Bất ổn thứ 2 là về nhiệt. Một nhà máy nhiệt hạch thương mại cần hoạt động ở nhiệt độ tối thiểu gấp 10 lần nhiệt độ lõi Mặt Trời. Thiết bị HL-2M có thể đạt tới 200 triệu độ C, và là cơ sở duy nhất ở Trung Quốc có khả năng mô phỏng sức nóng đó.
Cùng với EAST, cơ sở này sẽ cho phép các nhà khoa học nhiệt hạch Trung Quốc cố gắng giải quyết những thách thức lớn nhất với CFETR, dự kiến bắt đầu hoạt động vào năm 2035.
Zhong Luwu, nhà khoa học chính trong dự án HL-2M, thuộc Viện Vật lý Tây Nam, nói với Đài phát thanh quốc gia Trung Quốc rằng thiết bị này sử dụng một số công nghệ tiên tiến nhất ở Trung Quốc, nếu không muốn nói là duy nhất trên thế giới.
Ông cho biết thiết bị HL-2M có thể chịu được sự bắn phá lặp đi lặp lại của các hạt vật chất mang năng lượng khổng lồ.
Tuy vậy, Wang Yugang, giáo sư vật lý hạt nhân tại Đại học Bắc Kinh, cho biết một số hạt phóng xạ sinh ra từ phản ứng nhiệt hạch có thể không bị từ trường của HL-2M ngăn chặn.
“Nếu trong thời gian rất ngắn thì còn được. Hiện chưa có vật liệu nhân tạo nào có thể chịu được thiệt hại tích lũy từ các hạt hạ nguyên tử trong thời gian nhiều năm, hoặc nhiều thập kỷ. Con người sẽ mất rất nhiều thời gian để tìm ra loại vật liệu như thế”, giáo sư Wang nói.
Năng lượng đầu vào gấp đôi đầu ra
Từ lâu, người ta hy vọng kiểm soát được phản ứng nhiệt hạch để giải quyết những vấn đề thiếu hụt năng lượng. Về lý thuyết, hydrogen từ nước biển có thể được sử dụng làm nhiên liệu.
Từ những năm 1960 đến 1990, nhiều cơ sở nghiên cứu năng lượng nhiệt hạch được xây dựng trên toàn cầu. Sự tiến bộ về vật liệu và công nghệ mới mở ra khả năng kiểm soát năng lượng nhiệt hạch và ứng dụng vào mục đích thương mại.
 |
| JET của châu Âu là thiết bị thử nghiệm phản ứng nhiệt hạch duy nhất giữ kỷ lục về chỉ số Q. Ảnh: Twitter/CSkidmore. |
Nhưng các vấn đề kỹ thuật bắt đầu phát sinh làm hạn chế hiệu suất của chúng. Để giải quyết việc này đòi hỏi một cỗ máy lớn và đắt tiền hơn, vượt quá khả năng của bất kỳ quốc gia nào. Sau thỏa thuận ban đầu giữa Mỹ và Liên Xô (cũ) năm 1985, lò phản ứng thí nghiệm nhiệt hạch quốc tế (ITER) được đặt ở miền Nam nước Pháp.
Đây là dự án hợp tác quốc tế lớn nhất trong công nghệ nhiệt hạch. Nó chỉ mới được khởi công xây dựng vào năm 2013 và chưa biết khi nào hoàn thành.
Dự án hợp tác quốc tế thành công nhất tính đến hiện tại là thiết bị thử nghiệm phản ứng nhiệt hạch JET của châu Âu.
Bên cạnh vấn đề đắt đỏ trong chế tạo, cũng như những khó khăn để kiểm soát phản ứng nhiệt hạch, nhiều nước trên thế giới dần từ bỏ công nghệ này vì năng lượng cần thiết để tạo ra phản ứng nhiệt hạch lớn gấp nhiều lần so với năng lượng mà nó tạo ra, còn gọi là “chỉ số hòa vốn về mặt khoa học”, hay Q = 1.
JET vẫn đang nắm giữ kỷ lục về chỉ số Q, khi tạo ra được 16 MW điện nhiệt hạch từ 24 MW điện để đốt nóng nhiên liệu, tương đương với Q = 0,67.
Xét về mặt kinh tế, năng lượng nhiệt hạch không phải là một công nghệ khả thi. Chính phủ Mỹ, một đơn vị góp vốn lớn cho dự án ITER, từng nhiều lần cân nhắc giảm hỗ trợ tài chính hoặc rút khỏi hẳn.
“Tất cả chúng ta đều phải đối mặt với những thách thức kỹ thuật tương tự nhau. Nếu có sự khác biệt nào ở đây là chính phủ Trung Quốc sẵn sàng đầu tư rất lớn và bền bỉ vào lĩnh vực có ít hy vọng để tạo ra lợi nhuận kinh tế trong nhiều thập kỷ tới”, một nhà khoa học hạt nhân giấu tên từ Đại học Thanh Hoa, nói về sự quyết tâm của Bắc Kinh để chinh phục công nghệ này.
