Nhu cầu năng lượng của con người dường như không bao giờ có giới hạn. Từ các loại năng lượng hóa thạch, chúng ta bắt đầu tìm hiểu về năng lượng hạt nhân, sau đó là các hình thức năng lượng tái tạo.
Tuy nhiên, bất kỳ hình thức năng lượng nào cũng có những nhược điểm. Năng lượng hóa thạch rẻ nhưng gây ô nhiễm, năng lượng tái tạo chi phí cao và hiệu quả không cao, còn năng lượng hạt nhân lại có rủi ro về phóng xạ. Tìm kiếm một nguồn năng lượng vô tận là ước mơ của con người.
 |
| Minh họa quá trình phản ứng nhiệt hạch. Ảnh: BBC. |
Thực tế trong tự nhiên có một nguồn năng lượng gần như vô tận: năng lượng từ Mặt Trời. Năng lượng của ngôi sao này đến từ "lò" phản ứng nhiệt hạch bên trong lõi. Do vậy, sử dụng lý thuyết tương tự để tạo ra những "Mặt Trời nhân tạo" đang là mục tiêu của rất nhiều nhà khoa học.
Nguyên lý hình thành năng lượng của Mặt Trời
Bên trong lõi Mặt Trời tồn tại một "lò phản ứng hạt nhân". Khác với nguyên lý của các lò hạt nhân hiện tại trên Trái Đất là sử dụng phản ứng phân hạch, một chuỗi phản ứng tách nguyên tử uranium ra để giải phóng năng lượng; quá trình diễn ra trong lõi Mặt Trời là phản ứng nhiệt hạch thực hiện quá trình ngược lại là tổng hợp các nguyên tử với nhau.
Khi 2 hạt nhân hydro hợp nhất với nhau để trở thành heli, chúng tạo ra một nguồn năng lượng khổng lồ. Quá trình này được gọi là phản ứng hợp hạch hay nhiệt hạch. Phản ứng này tạo ra toàn bộ năng lượng, bao gồm cả ánh sáng và nhiệt của Mặt Trời.
 |
| Mặt Trời là lò phản ứng nhiệt hạch khổng lồ. Ảnh: Getty. |
Trước đây người ta cho rằng phản ứng nhiệt hạch chỉ có thể xảy ra trong lõi Mặt Trời. Đó là bởi nhiệt độ ở lõi Mặt Trời rất nóng, lên đến hàng triệu độ C, khiến cho các nguyên tử chỉ tồn tại ở dạng ion hóa hay plasma. Áp suất bên trong lõi của những ngôi sao khổng lồ khiến cho các hạt nhân có thể va chạm và kết hợp với nhau thành một hạt nhân nặng hơn.
Dựa trên nguyên lý này, các nhà khoa học đã tìm cách tạo ra phản ứng nhiệt hạch bằng cách cung cấp nhiệt độ và áp suất cực lớn.
Công nghệ này có vẻ tốt đến không thể tin nổi: hiệu suất năng lượng cao, chất thải ít và kiểm soát được. Nhưng nó là sự thật.
Tim Luce, khoa học gia trưởng tại dự án Iter.
Đây cũng chính là phản ứng tạo ra ánh sáng và nhiệt của mặt trời, tạo ra nguồn năng lượng vô tận siêu sạch cho loài người nếu tìm được cách kiểm soát phản ứng nhiệt hạch. Một trong những thiết kế được sử dụng phổ biến nhất là lò phản ứng tomatak. Được các nhà vật lý Liên Xô vẽ ra vào thập niêm 1950, lò phản ứng này sử dụng từ trường cực mạnh để tạo áp suất, ép plasma bên trong lòng của lò.
Khi nhiệt độ và áp suất đủ lớn, các hạt nhân bên trong plasma sẽ bị ép vào với nhau để hình thành hạt nhân mới, đồng thời phóng thích neutron và năng lượng. Năng lượng này làm nóng bề ngoài của phần lòng, nhiệt độ này chính là năng lượng thu được.
Những dự án đầy tham vọng
Đến nay, phản ứng nhiệt hạch vẫn chưa thể trở thành chìa khóa cho cơn khát năng lượng vô tận của con người. Lý do rất đơn giản: để tạo được một lượng năng lượng nhất định từ lò phản ứng nhiệt hạch, con người đang phải tiêu tốn nhiều hơn số đó để tạo môi trường và các chất hóa học phù hợp.
 |
| Những vòng xuyến với chu vi tới 900 m của dự án lò phản ứng nhiệt hạch ITER. Ảnh: Bloomberg. |
Chúng tôi chờ đợi sẽ đạt mức hòa năng lượng vào năm 2022, và bắt đầu cung cấp năng lượng vào 2030.
Jonathan Carling, Giám đốc công ty thiết kế Tokamak Energy.
Để có được tritium, người ta có thể phải thực hiện một phản ứng phụ sau quá trình hợp hạch, hay khai thác từ nước chứa nhiều deuterium. Tuy nhiên các hình thức này đều rất tốn kém.
Phòng thí nghiệm Jet, nơi có máy tomatak mạnh nhất châu Âu chỉ sử dụng nhiên liệu là deuterium và tritium cho những thử nghiệm quan trọng nhất. Năm 1997, Jet sử dụng nhiên liệu có 50% deuterium và 50% tritium, đạt được mức năng lượng đầu ra 16 MW so với năng lượng để đốt nóng 24 MW. Tỷ lệ này, còn gọi là Q, đạt 0,67. Đây là kỷ lục đến giờ vẫn chưa có lò phản ứng nhiệt hạch nào vượt qua, hay nói cách khác chưa có thiết bị nào "lãi" về mặt năng lượng.
Trung Quốc - nước tiêu thụ điện nhiều nhất thế giới - cũng không thể đứng ngoài cuộc chơi này. Họ có nhiều dự án nhiệt hạch đang triển khai cùng lúc, trong đó dự án HL-2M đã gần tới giai đoạn đi vào hoạt động. HL-2M được đặt tại thành phố Lạc Sơn, tỉnh Tứ Xuyên, là kết quả nghiên cứu của Công ty nguyên tử quốc gia Trung Quốc và Viện Vật lý Tây Nam. Nhiệt độ bên trong thiết bị này có thể lên tới 200 triệu độ C, tức là nóng hơn khoảng 13 lần so với nhiệt độ lõi Mặt Trời.
 |
| Lò phản ứng nhiệt hạch HL-2M của Trung Quốc sẽ đi vào hoạt động năm sau. Ảnh: Xinhua. |
Ngoài HL-2M, Trung Quốc còn một dự án nhiệt hạch khác tại thành phố Hợp Phì, tỉnh An Huy. Lò phản ứng siêu dẫn tiên tiến EAST tại đây đã đạt đến nhiệt độ 100 triệu độ C.
Dự án nhiệt hạch lớn nhất đang được triển khai là ITER, lò phản ứng được đặt tại Pháp. Đây là một đại dự án, với sự kết hợp từ 35 quốc gia. Lò phản ứng này có tổng kinh phí 22 tỷ USD, và hiện đã hoàn thành khoảng 65%. ITER sẽ đi vào hoạt động năm 2025.
Chúng ta chưa thể chắc chắn về thời gian, nhưng lý thuyết khoa học cơ bản đã đủ và vấn đề là kỹ thuật vật liệu mà thôi.
Wade Allison, Giáo sư vật lý tại Đại học Oxford.
"Đây là lần đầu tiên trong lịch sử loài người các quốc gia đại diện cho hơn một nửa nhân loại và 80% GDP đã bắt tay với nhau để đạt một mục đích chung rất quan trọng", Bernard Bigot, Tổng giám đốc của ITER chia sẻ.
Trong khoảng 10 năm qua, rất nhiều tiến bộ về vật liệu giúp các nhà khoa học đến gần hơn với mục tiêu đạt được mức năng lượng "hòa vốn" từ các lò phản ứng nhiệt hạch. Giấc mơ thu được nguồn năng lượng bất tận từ phản ứng nhiệt hạch có lẽ cũng không còn là bất khả thi.
"Tôi nghiên cứu về nhiệt hạch bởi tôi tin tưởng rằng đây là điều cần thiết để thay đổi thế giỡi. Tôi tin rằng rồi chúng ta sẽ làm được", Ian Chapman, Giám đốc Cơ quan Năng lượng Nguyên tử Vương quốc Anh nói với Guardian.
