Khám phá lò phản ứng đầu tiên trên thế giới có khả năng tạo ra nguồn năng lượng vô tận

Đây chính là lò phản ứng đầu tiên trên thế giới dự kiến sẽ cung cấp nguồn năng lượng cho Trái Đất thông qua phản ứng hạt nhân tương tự như Mặt Trời.

Theo Euronews.com, tại trung tâm Provence ở Pháp, một số nhà khoa học hàng đầu thế giới đang chuẩn bị cho thí nghiệm khoa học lớn nhất và tham vọng nhất trên toàn cầu.

Ý tưởng của các nhà khoa học là tạo ra một thiết bị tổng hợp hạt nhân lớn nhất thế giới thông qua việc sử dụng năng lượng từ phản ứng tương tự cung cấp năng lượng cho Mặt Trời.

Laban Coblentz, Giám đốc Truyền thông của Lò phản ứng Thí nghiệm Nhiệt hạch Quốc tế (ITER), nói: “Chúng tôi đang xây dựng thiết bị phức tạp nhất từng được tạo ra”.

Nhiệm vụ ngay bây giờ là chứng minh tính khả thi của việc sử dụng công nghệ tổng hợp hạt nhân ở quy mô công nghiệp - phản ứng tương tự cung cấp năng lượng cho Mặt Trời và các ngôi sao.

Để thực hiện điều này, tokamak - khoang chứa từ trường lớn nhất thế giới, đang được xây dựng ở miền Nam Pháp nhằm tạo ra nguồn năng lượng tích lũy.

Thỏa thuận dự án ITER đã được Mỹ, EU, Nga, Trung Quốc, Ấn Độ và Hàn Quốc chính thức ký kết vào năm 2006 tại Điện Elysée, Paris.

Hiện có hơn 30 quốc gia đang hợp tác trong việc chế tạo thiết bị thử nghiệm, dự kiến nặng 23.000 tấn và có thể chịu nhiệt độ lên tới 150 triệu độ C khi hoàn thành.

Theo ông Coblentz, đây giống như một phòng thí nghiệm quốc gia lớn, nhưng thực ra đó là nơi hội tụ của các phòng thí nghiệm quốc gia từ 35 quốc gia.

Quá trình phản ứng tổng hợp hạt nhân diễn ra như thế nào?

Phản ứng tổng hợp hạt nhân là quá trình mà hai hạt nhân nguyên tử nhẹ hợp nhất thành một hạt nhân nặng hơn, giải phóng lượng năng lượng khổng lồ.

Trong trường hợp của Mặt Trời, các nguyên tử hydro ở lõi hợp nhất với nhau nhờ lực hấp dẫn cực kỳ lớn.

Tại Trái Đất, hai phương pháp chính đang được nghiên cứu để tạo ra phản ứng tổng hợp.

Ông Coblentz giải thích: “Phương pháp đầu tiên là sử dụng tia laser để bắn vào một lượng rất nhỏ - với kích thước như hạt tiêu - của hai loại hydro: deuterium và tritium. Điều này chuyển đổi một lượng nhỏ vật chất thành năng lượng theo công thức E = mc² (E là năng lượng, m là khối lượng vật, c là tốc độ ánh sáng trong chân không)'.

Dự án ITER tập trung vào phương pháp thứ hai khả thi: Phản ứng tổng hợp từ tính (Magnetic Confinement Fusion).

'Ở đây, chúng ta có một khoang rất lớn, 800 m³ và chúng ta đặt một lượng nhiên liệu rất nhỏ - từ 2 đến 3 gram nhiên liệu, deuterium và triti - và chúng ta tăng nhiệt độ lên tới 150 triệu độ C thông qua các hệ thống kích nhiệt khác nhau', ông Coblentz giải thích.

Ông Coblentz giải thích tiếp: Đây là nhiệt độ mà tại đó, vận tốc của các hạt này rất cao, khiến chúng không đẩy lẫn nhau bằng điện tích dương, thay vào đó chúng hợp nhất. Khi hợp nhất, chúng giải phóng năng lượng'.

Trong tokamak, các hạt được giữ lại bởi từ trường, trừ các neutron năng lượng cao được giải phóng và va vào thành khoang, truyền nhiệt và làm nóng nước xung quanh tokamak. Lý thuyết cho thấy, năng lượng có thể được khai thác thông qua hơi nước tạo ra để quay tuabin.

Richard Pitts, trưởng bộ phận khoa học của ITER, giải thích thêm: “Đây là sản phẩm tiếp theo của một dòng thiết bị nghiên cứu lâu dài”.

“Lĩnh vực nghiên cứu vật lý tokamak đã trải qua khoảng 70 năm phát triển, từ khi những thí nghiệm đầu tiên được thực hiện và xây dựng tại Nga vào những năm 1940 và 1950”, ông Pitts chia sẻ.

Theo ông Pitts, các tokamak ban đầu chỉ là những thiết bị nhỏ. Tuy nhiên, sau đó chúng đã ngày càng phát triển lớn hơn để tạo ra năng lượng tổng hợp.

Lợi ích của năng lượng hạt nhân

Công nghệ phân hạch đã xuất hiện từ những năm 1950, thực hiện quá trình tách nguyên tử trong lò phản ứng, giải phóng lượng năng lượng lớn.

Phân hạch có ưu điểm là đã được thử nghiệm và chứng minh, với hơn 400 lò phản ứng phân hạch hạt nhân đang hoạt động trên khắp thế giới.

Mặc dù thảm họa hạt nhân hiếm khi xảy ra trong lịch sử, nhưng vụ tai nạn kinh hoàng tại lò phản ứng số 4 tại Chernobyl vào tháng 4/1986 là một cảnh báo mạnh mẽ về sự rủi ro không thể hoàn toàn loại bỏ.

Ngoài ra, các nhà máy phản ứng hạt nhân phân hạch còn phải đối mặt với việc quản lý an toàn một lượng lớn chất thải phóng xạ, thường được chôn sâu dưới lòng đất trong các kho chứa địa chất.

Ngược lại, ITER lưu ý rằng một nhà máy nhiệt hạch có quy mô tương tự sẽ tạo ra năng lượng từ lượng hóa chất đầu vào nhỏ hơn nhiều, chỉ vài gam hydro.

Ông Coblentz chú ý: “Hiệu suất an toàn không thể so sánh. Chúng ta chỉ cần 2 đến 3 gram vật liệu. Hơn nữa, vật liệu trong nhà máy nhiệt hạch, deuterium và tritium, và vật liệu thoát ra, helium không phóng xạ và neutron, đều đã được khai thác. Do đó không còn chất phóng xạ lưu lại và lượng chất phóng xạ còn lại là rất nhỏ'.

Những thách thức của dự án ITER

Tuy nhiên, ông Coblentz nhấn mạnh, thách thức của phản ứng nhiệt hạch là việc xây dựng những nhà máy nhiệt hạch này vẫn rất khó khăn.

'Chúng ta đang cố gắng đưa điều gì đó lên tới 150 triệu độ C. Đó là một nhiệm vụ thực sự khó khăn', ông nói.

Chắc chắn dự án ITER đã phải đối mặt với sự phức tạp của công việc lớn này. Dòng thời gian ban đầu của dự án ITER dự kiến ​​năm 2025 sẽ là thời điểm ra mắt plasma (khí ion hóa) đầu tiên, với việc vận hành toàn bộ hệ thống được đặt ra vào năm 2035.

Tuy nhiên, vấn đề về thành phần và sự chậm trễ do COVID-19 đã làm thay đổi lịch trình vận hành hệ thống và tăng ngân sách đáng kể. Ước tính ban đầu cho chi phí dự án là 5 tỷ euro nhưng đã tăng lên hơn 20 tỷ euro.

Về mặt hợp tác quốc tế, ITER cũng phải đối mặt với áp lực từ “cơn gió ngược” của căng thẳng chính trị giữa các quốc gia tham gia vào dự án.

Ông Coblentz nhấn mạnh: Rõ ràng không phải lúc nào các quốc gia tham gia cũng có sự liên kết về ý thức hệ. Mặc dù đã cam kết hợp tác trong 40 năm, nhưng không có gì chắc chắn. Không bao giờ có sự chắc chắn rằng không sẽ có xung đột.

Tóm lại, với quy mô của thách thức do biến đổi khí hậu gây ra, không có gì ngạc nhiên khi các nhà khoa học đang nỗ lực để tìm ra nguồn năng lượng không carbon để cung cấp cho thế giới.

Tuy nhiên, việc cung cấp năng lượng từ hạt nhân vẫn còn lâu mới đạt được, và ITER cũng thừa nhận rằng dự án của họ là câu trả lời dài hạn cho lo ngại về năng lượng.

Đáp lại quan điểm cho rằng năng lượng hạt nhân sẽ đến quá muộn để giúp đỡ trong khủng hoảng khí hậu một cách có ý nghĩa, ông Coblentz khẳng định rằng năng lượng hạt nhân có thể có vai trò quan trọng hơn trong tương lai.

Ông nói: “Nếu mực nước biển dâng lên đến mức chúng ta cần tiêu thụ năng lượng để di chuyển các thành phố, thì đó sẽ là câu trả lời rõ ràng”.