Với từ trường mạnh gấp 280.000 lần Trái Đất, cụm nam châm trung tâm nặng gần 1.000 tấn của lò phản ứng nhiệt hạch ITER vừa hoàn tất cấu trúc, sẵn sàng cho bước lắp đặt quan trọng.
Đây được xem là cột mốc lớn trong hành trình hiện thực hóa giấc mơ về một nguồn năng lượng sạch và gần như vô tận - tương tự như cách mặt trời phát sáng.
Đánh thức năng lượng của các vì sao
Trong nhiều thập kỷ qua, nhiệt hạch - quá trình kết hợp các hạt nhân nhẹ như hydro để tạo thành heli, giải phóng năng lượng - luôn được xem là "chén thánh" trong ngành năng lượng.
Hình ảnh thiết kế của ITER (Ảnh: ITER).
Khác với phân hạch (quá trình chia tách hạt nhân nặng như uranium), nhiệt hạch không tạo ra chất thải phóng xạ lâu dài, ít rủi ro và gần như không giới hạn nguồn nhiên liệu.
Tuy nhiên, để xảy ra phản ứng nhiệt hạch tương tự như trong lõi mặt trời, con người phải tạo ra điều kiện cực đoan: nhiệt độ lên đến 150 triệu độ C - gấp 10 lần nhiệt độ ở tâm mặt trời - nhằm buộc các nguyên tử hydro kết hợp với nhau bất chấp lực đẩy tĩnh điện giữa chúng.
Đó chính là lý do ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor) - lò phản ứng nhiệt hạch lớn nhất thế giới - được xây dựng tại miền Nam nước Pháp với sự hợp tác của hơn 30 quốc gia, bao gồm: Mỹ, Nga, Trung Quốc, Nhật Bản, Ấn Độ, Hàn Quốc và toàn bộ EU.
"Ghìm giữ mặt trời" bằng siêu nam châm
Để kiểm soát plasma ở 150 triệu độ C - thứ vật chất nóng đến mức phá hủy mọi vật thể thông thường - ITER sử dụng công nghệ tokamak, một thiết kế hình donut, tạo ra vùng từ trường mạnh để giữ dòng plasma "lơ lửng", không chạm vào thành lò.
ITER sử dụng công nghệ tokamak, một thiết kế hình donut, tạo ra vùng từ trường mạnh để giữ dòng plasma "lơ lửng" (Ảnh: ITER).
Nhân vật chính trong hệ thống này là Central Solenoid - cụm cuộn dây siêu dẫn khổng lồ nặng gần 1.000 tấn, vừa được hoàn thành các bộ phận chính và chuẩn bị lắp đặt.
Central Solenoid có khả năng tạo ra từ trường mạnh 13 tesla, tương đương 280.000 lần từ trường Trái Đất. Dù là một thành phần duy nhất, nó chứa tới 6,4 gigajoule năng lượng từ trường - tương đương sức nổ của 1.500kg thuốc nổ TNT.
Điều đặc biệt là trong khi vùng plasma bên trong tokamak cần đạt đến hàng trăm triệu độ C, thì Central Solenoid lại phải được làm lạnh tới gần -270⁰C, tức gần với nhiệt độ của heli lỏng, để duy trì trạng thái siêu dẫn. Đó là một thách thức kỹ thuật cực lớn, khi hai trạng thái nhiệt độ đối lập phải cùng tồn tại trong không gian chật hẹp và hoạt động đồng bộ.
Một giấc mơ đắt đỏ nhưng đáng kỳ vọng
Nếu đúng tiến độ, ITER sẽ sử dụng khoảng 50 megawatt điện để khởi động plasma, và thu lại 500 megawatt nhiệt lượng từ phản ứng nhiệt hạch - tương đương tỷ lệ sinh năng lượng gấp 10 lần so với đầu vào.
Tuy nhiên, đây mới là nhiệt năng thô. Để sản xuất điện, năng lượng này phải được chuyển đổi thông qua hệ thống tua-bin - và tổn hao là không tránh khỏi.
Dù vậy, nếu ITER thành công trong việc duy trì phản ứng ổn định, nó sẽ là bằng chứng đầu tiên ở quy mô công nghiệp rằng điện từ nhiệt hạch là khả thi, không chỉ trên lý thuyết mà còn có thể nhân rộng trong tương lai.
Không phải ngẫu nhiên mà Mỹ, EU, Trung Quốc hay Nhật Bản đều đồng ý chia sẻ công nghệ, nhân lực và kinh phí (ước tính hàng chục tỷ USD) cho một dự án chung. Central Solenoid - do Mỹ sản xuất và tài trợ - là minh chứng cho điều này.
Niềm tin vào hợp tác khoa học toàn cầu
Ông Pietro Barabaschi, Tổng giám đốc ITER nhấn mạnh: "Sự đặc biệt của ITER không chỉ nằm ở quy mô công nghệ, mà còn ở chính mô hình hợp tác quốc tế, vượt qua khác biệt chính trị và chiến lược để cùng đối mặt một thách thức toàn cầu: khủng hoảng năng lượng và biến đổi khí hậu".
Trong bối cảnh thế giới tìm kiếm nguồn năng lượng thay thế nhiên liệu hóa thạch, ITER mang theo hy vọng về một tương lai "không carbon", nơi các lò phản ứng nhiệt hạch có thể cung cấp năng lượng ổn định, an toàn và không tạo ra chất thải độc hại.
Tuy nhiên, ITER không tránh khỏi những hoài nghi. Dự án đã trễ tiến độ gần một thập kỷ, đội vốn nhiều lần, và phải đến năm 2033 mới có thể tạo ra dòng plasma đầu tiên. Còn việc vận hành thương mại một nhà máy điện nhiệt hạch vẫn là chuyện của những năm 2040-2050.
Trong khi đó, hàng loạt công ty tư nhân như TAE Technologies (Mỹ), Tokamak Energy (Anh) hay Helion Energy đang theo đuổi các mô hình nhỏ gọn hơn, linh hoạt hơn - với lời hứa có thể đưa điện nhiệt hạch lên lưới điện sớm hơn ITER nhiều năm.
Song, cần nhớ rằng phần lớn tiến bộ của họ đều dựa trên nền tảng khoa học và dữ liệu mà ITER đã và đang tạo ra.
