Dự án hạt nhân lớn nhất trong lịch sử

Các nhà vật lý quốc tế sẽ xây dựng một nhà máy trị giá 5 tỉ euro lớn nhất từ trước đến nay để sản xuất năng lượng thông qua phản ứng tổng hợp hạt nhân. Nhờ nó, chỉ với ba chai nước người ta có thể cấp điện cho một gia đình trong cả năm.

Từ nửa thế kỷ nay nhiều nhà vật lý trên toàn thế giới luôn cố gắng tìm cách tạo ra điện và nhiệt từ phản ứng tổng hợp hạt nhân, dù dư luận không còn hy vọng rằng nỗ lực của họ sẽ mang lại một cái gì đó có ích. Nhưng vào lúc gần như không còn ai quan tâm đến công việc của họ thì các nhà vật lý plasma lại đạt được nhiều tiến bộ đáng ngạc nhiên.

Günther Hasinger, Giám đốc của Viện Max Planck về vật lý plasma (IPP) tại Garching (Đức), nói: "Chúng tôi đang tiến đến gần một đột phá. Nếu có một chương trình Apollo cho tổng hợp hạt nhân thì chúng tôi có thể xây một lò phản ứng cung cấp điện và nhiệt ngay từ đầu thiên niên kỷ mới rồi. Hiện giờ chúng tôi chỉ còn thiếu số tiền cần thiết cho một lò phản ứng lớn như thế".

Phản ứng tổng hợp hạt nhân tự xảy ra bên trong các vì sao. Dưới một áp suất khủng khiếp, các hạt nhân hydro (H) nhẹ tổng hợp thành Heli (He). Năng lượng được giải phóng trong quá trình đó lớn đến mức gần như không thể tưởng tượng được. Trong hàng tỷ năm qua, phản ứng tổng hợp hạt nhân cung cấp ánh sáng và nhiệt cho sự sống trên trái đất. Thế nhưng người ta không thể mô phỏng mặt trời một cách đơn giản trong phòng thí nghiệm trên địa cầu. 

Buồng plasma của lò phản ứng nhiệt hạch tại Viện Max Planck ở Garching. Ảnh: Spiegel.

Không một cỗ máy nào trên trái đất có khả năng tạo nên một áp suất cao như trên các ngôi sao. Các nhà khoa học cố gắng bù trừ khiếm khuyết này bằng cách đốt nóng dòng khí hydro tích điện lên đến 100 triệu độ C để tạo ra nhiệt độ lớn hơn cả bề mặt mặt trời. Nhưng điều khiển plasma thành hình là việc khó. Người ta phải dùng nhiều nam châm cực mạnh để giữ nó lơ lửng trong lò phản ứng, vì một khi chạm vách lò nó sẽ bị lẫn tạp chất và nguội đi, khiến quá trình tổng hợp hạt nhân ngừng ngay lập tức.

Cho đến nay, do cách nhiệt plasma chưa đủ tốt nên phản ứng nhiệt hạch trong phòng thí nghiệm giải phóng quá ít năng lượng. Kết quả là các phản ứng không có đủ năng lượng để tự duy trì quá trình tổng hợp. Nếu không được cung cấp nhiệt lượng liên tục từ bên ngoài, quá trình tổng hợp hạt nhật sẽ lụi tàn. Nhưng vẫn còn một giải pháp: Xây một máy tổng hợp hạt nhân thật lớn.

"Nếu chúng tôi tăng thể tích của plasma thì thất thoát nhiệt sẽ tự động giảm xuống", ông Hasinger giải thích.

Để chứng minh rằng phản ứng tổng hợp hạt nhân thật sự có khả năng sản xuất năng lượng, các nhà khoa học dự định xây một cỗ máy khổng lồ. Trong vài tháng tới một nhà máy tổng hợp hạt nhân mang tên "Iter" sẽ được xây tại trung tâm nghiên cứu hạt nhân Cadarache ở miền nam nước Pháp. Theo tính toán, lò thí nghiệm có công suất 500 MW sẽ cung cấp gấp 10 lần số năng lượng phải tiêu tốn để đun nóng plasma của nó. Ông Hasinger nói: "Trong10 đến 12 năm nữa, khi Iter bắt đầu hoạt động, sẽ chẳng còn ai hoài nghi rằng liệu đây có phải là một sự đầu tư tốt hay không".

Noài EU còn có Mỹ, Trung Quốc, Ấn Độ, Nhật Bản và Hàn Quốc tham gia dự án trị giá 5 tỷ Euro này. Ngay hiện giờ người ta đã dự đoán rằng chi phí cho Iter còn tăng thêm 30% nữa.

Trong một phản ứng tổng hợp hạt nhân, khối lượng được biến đổi thành năng lượng. Vì thế nên một lò phản ứng có công suất 1.000 MW cần rất ít chất đốt: 1 kg hydro có thể cung cấp điện tương đương với 11.000 tấn than.

Hydro nặng (tức đơteri) có thể được sản xuất với khối lượng gần như vô tận từ nước biển. Người ta sẽ không còn phụ thuộc vào những nguyên liệu hóa thạch như dầu mỏ hay khí đốt nữa. Khác với một nhà máy nhiệt điện, lò phản ứng tổng hợp hạt nhân không giải phóng bất kỳ loại khí thải độc hại nào vào bầu khí quyển.

Nguy cơ xảy ra rủi ro cũng gần như không có, vì quá trình tổng hợp sẽ tự ngừng ngay khi có một sự cố nhỏ nhất. Chất thải phóng xạ hình thành khi bắn hạt neutron giàu năng lượng vào vách phía trong của lò phản ứng. Chỉ sau khoảng 100 năm, độ phóng xạ của chúng yếu đến mức không thể gây nguy hiểm. 

Lò phản ứng (hình vẽ) tại Trung tâm nghiên cứu hạt nhân Cadarache ở Nam Pháp. Ảnh: Spiegel.

Chất đốt triti cũng có độ an toàn tương tự. Đồng vị này của H có hoạt tính phóng xạ yếu, chu kỳ bán phân rã chỉ vào khoảng 12,3 năm. Trong lò phản ứng Iter, triti sẽ được pha trộn vào plasma của đơteri nhằm nâng cao hiệu suất năng lượng.

Các đây vài tuần, các nhà vật lý học tại Garching vừa khám phá một cách mới để cải tiến quá trình tổng hợp. Qua nhiều thí nghiệm chưa được công bố, họ phát hiện rằng pha trộn nitơ (N) vào hỗn hợp mang lại hiệu quả rất lớn.

Thay vì nguội đi do lẫn tạp chất, nhiệt độ của plasma trong lò phản ứng lại tăng lên – và đồng thời năng lượng được giải phóng cũng tăng gấp đôi. "Chúng tôi chưa thật sự thấu hiểu hết hiện tượng này, nhưng rõ ràng N làm tăng độ cách nhiệt", Hasinger nói.

Thách thức lớn nhất đối với các nhà nghiên cứu là xây dựng một bẫy từ tốt hơn để giữ plasma. Tất cả các lò phản ứng tổng hợp bình thường đều có một điểm yếu về kết cấu: Nhiều xung điện được bắn vào khí H tích điện để tạo nên từ trường giữ plasma, đồng thời cũng làm cho nó trở nên khó kiểm soát hơn.

"Chúng tôi buộc plasma tự xây nhà giam cho nó bằng các xung điện. Nó phản ứng lại bằng cách lồng lên trong bẫy từ này giống như một con thú hoang và tìm cách thoát ra ngoài. Vì thế nên phải liên tục điều chỉnh dòng điện", Hasinger kể.

Trong thời gian tới, các chuyên gia của Viện Max Planck sẽ thử nghiệm một lựa chọn khác ổn định hơn. Tại một chi nhánh của viện ở thành phố Greifswald, lò phản ứng thí nghiệm "Wendelstein 7-X" (trị giá trên 400 triệu Euro) đang được xây dựng. Nó hoạt động dựa trên một nguyên tắc kết cấu hoàn toàn khác.

Điểm đặc biệt của "Wendelstein 7-X" là bẫy từ chỉ do các cuộn dây dẫn điện bên ngoài tạo thành, plasma được giam giữ an toàn ở bên trong. Nhờ siêu máy tính hiện đại nhất thế giới người ta có thể tính toán được hình dáng chính xác của những cuộn nam châm này. Mỗi một cuộn nam châm nặng 6 tấn, trị giá 1 triệu Euro và người ta sử dụng tới 70 cuộn như vậy. Khi được nối lại với nhau, chúng tạo nên một bẫy từ khổng lồ.

5 năm tới thí nghiệm đầu tiên sẽ được bắt đầu. "Nếu chúng tôi thành công thì điều này sẽ thay đổi thế giới. Bạn cứ hãy tưởng tượng là chỉ với 3 chai nước người ta sẽ có khả năng cung cấp điện cho cả gia đình trong một năm", Hasinger tiết lộ.