Nam châm mạnh nhất thế giới, có khả năng kéo tàu sân bay lên khỏi mặt nước: 'Trụ cột' của dự án ITER!

Khối nam châm nặng 1.000 tấn này là 'trái tim' của Lò phản ứng thí nghiệm nhiệt hạch quốc tế (ITER).

NĂNG LƯỢNG SẠCH CỦA LOÀI NGƯỜI: DÙNG TRONG NGHÌN NĂM?

Bằng cách tạo ra ánh sáng và nhiệt thông qua phản ứng tổng hợp hạt nhân, Mặt Trời đã thúc đẩy sự sống trên Trái Đất trong hàng tỷ năm. Với sức mạnh và tuổi thọ đáng kinh ngạc đó, có vẻ như khó có cách nào để tạo ra năng lượng tốt hơn bằng cách khai thác các quá trình hạt nhân tương tự xảy ra trong các ngôi sao, bao gồm cả Mặt Trời của chúng ta.

Tuy nhiên, con người đang nuôi tham vọng chế tạo một lò phản ứng nhiệt hạch nhân tạo ngay trên Trái Đất: Một cỗ máy tái tạo sức mạnh nhiệt hạch của Mặt Trời; Một trong những dự án năng lượng tham vọng nhất từng được thử nghiệm của loài người, với mục đích tạo ra nguồn năng lượng sạch trong hàng nghìn, thậm chí hàng triệu năm.

Ở miền nam nước Pháp, 35 quốc gia đang hợp tác chế tạo tokamak lớn nhất thế giới, một thiết bị nhiệt hạch từ tính được thiết kế để chứng minh tính khả thi của phản ứng tổng hợp trên hành tinh chúng ta.

Tọa lạc trên một vùng đất rộng 180 hecta ở Saint-Paul-lès-Durance, miền nam nước Pháp, có một công trình mang tên Khu phức hợp Tokamak đang được xây dựng tuân theo một thí nghiệm cực kỳ tham vọng: Một buồng chân không hình bánh vòng (donut) được bao quanh bởi 1.000 tấn nam châm siêu dẫn - có khả năng tạo ra từ trường để khởi tạo, giới hạn, định hình và điều khiển plasma ITER. 

1.000 tấn nam châm này được chế tạo với độ chính xác đến từng milimet bởi một tập đoàn đa quốc gia đang nỗ lực khai thác phản ứng tổng hợp hạt nhân - nguồn năng lượng của các vì sao!

Người trong ngành gọi nó là Lò phản ứng thí nghiệm nhiệt hạch quốc tế (ITER).

ITER là thí nghiệm tổng hợp hạt nhân lớn nhất thế giới. Mục tiêu chính là chứng minh phản ứng tổng hợp hạt nhân là an toàn và khả thi về mặt thương mại. Nếu mọi thứ diễn ra theo kế hoạch, loài người sẽ có thể khai thác một lượng năng lượng khổng lồ một cách bền vững mà không gây hại cho hành tinh.

Với trọng lượng 23.000 tấn, ITER được coi là một trong những cỗ máy phức tạp nhất từng được tạo ra, dự kiến sẽ bắt đầu tạo ra plasma đầu tiên vào năm 2025 trước khi hoạt động với công suất cao vào khoảng năm 2035.

ITER, được xây dựng như một sự hợp tác giữa 35 quốc gia, là một bước tiến lớn trong việc củng cố khái niệm hợp nhất. Các thành viên ITER bao gồm Trung Quốc, Liên minh Châu Âu (EU), Ấn Độ, Nhật Bản, Hàn Quốc, Nga và Mỹ, đã tổng hợp các nguồn lực cho dự án này.

Liên minh Châu Âu (với Vương quốc Anh và Thụy Sĩ) là thành viên chủ đạo của ITER, đóng góp 45% chi phí của dự án. Các thành viên khác như Mỹ, Trung Quốc, Nhật Bản, Nga, Ấn Độ và Hàn Quốc đều đóng góp 9% mỗi nước.

Về lý thuyết, phản ứng tổng hợp hạt nhân là một ước mơ về năng lượng: Dồi dào; và không gây ra hiện tượng nhiệt chảy, hay thải ra khí thải carbon làm ấm hành tinh, hoặc chất thải phóng xạ tồn tại lâu dài.

Các lò phản ứng tổng hợp hạt nhân nhằm mục đích hợp nhất các nguyên tử hydro để tạo ra heli, giải phóng năng lượng dưới dạng nhiệt. Duy trì điều này ở quy mô lớn có khả năng tạo ra một nguồn cung cấp điện an toàn, sạch, gần như không cạn kiệt.

Tên ITER được chọn vì theo tiếng Latin, nó có nghĩa là 'con đường' - Con đường hướng tới năng lượng tương lai. Nó được thiết kế để biến các nguyên tử hydro thành heli, sẽ làm nóng các bức tường của lò phản ứng. Trong các lò phản ứng trong tương lai, nhiệt lượng này có thể đun sôi nước để chạy các tua bin hơi nước.

'TRÁI TIM CỦA ITER TOKAMAK'

Tuy nhiên, việc lò phản ứng nhiệt hạch hoạt động là cả 'một cơn ác mộng' về kỹ thuật.

Theo lý thuyết, ITER sẽ sử dụng từ trường để bẫy một plasma siêu nóng của deuterium và triti - các đồng vị nặng hơn của hydro - để hạt nhân của chúng có thể hợp nhất để tạo ra heli và giải phóng năng lượng. Mục tiêu cụ thể của ITER là chứng minh rằng một tokamak có thể tạo ra năng lượng gấp 10 lần mức cần thiết để tạo ra plasma.

Điều này có nghĩa là ITER được thiết kế để tăng công suất nhiệt hạch cao. Với 50 MW điện được đưa vào tokamak thông qua hệ thống làm nóng plasma, nó sẽ tạo ra 500 MW điện nhiệt hạch trong khoảng từ 400 đến 600 giây.

Nhiệt hạch sẽ xảy ra khi plasma đạt tới 150 triệu độ C - nóng hơn lõi của Mặt Trời 10 lần - giải phóng một lượng lớn năng lượng dưới dạng nhiệt.

Vấn đề là, chưa có tokamak nào đạt được 'hòa vốn khoa học - scientific breakeven', nghĩa là trong đó plasma của lò phản ứng giải phóng nguồn năng lượng tương đương được sử dụng để đốt nóng plasma đó [hay công suất của lò phản ứng phát ra khớp với những gì được sử dụng để làm nóng plasma, theo giải thích của National Geographic].

Khi ITER đạt đến sức mạnh đầy đủ, dự kiến vào giữa đến cuối những năm 2030, nó sẽ vượt quá mức 'hòa vốn khoa học' ít nhất là hệ số 10. Mục tiêu: Tạo ra dữ liệu giúp các kỹ sư thiết kế các nhà máy điện chạy bằng năng lượng của các ngôi sao.

Lợi tức gấp mười lần này được biểu thị bằng Q ≥ 10 (tỷ số giữa công suất đầu vào sưởi ấm và công suất đầu ra nhiệt). Kỷ lục hiện tại về mức tăng điện nhiệt hạch trong một tokamak là Q = 0,67 do cơ sở JET của Châu Âu đặt tại Culham, Vương quốc Anh nắm giữ, nơi sản xuất 16 MW nhiệt điện nhiệt hạch cho 24 MW điện gia nhiệt vào những năm 1990.

ITER Tokamak sẽ là loại lớn nhất từng được chế tạo, với bán kính plasma (R) là 6,2 m và thể tích plasma là 830 mét khối. Khối lượng plasma khổng lồ của ITER sẽ cho phép nó lần đầu tiên tạo ra một 'plasma cháy' trong đó phần lớn nhiệt lượng cần thiết để duy trì phản ứng nhiệt hạch được tạo ra bởi các hạt alpha tạo ra từ trong chính quá trình nhiệt hạch. Việc sản xuất và kiểm soát một loại plasma tự nóng như vậy đã là mục tiêu của nghiên cứu nhiệt hạch từ trong hơn 50 năm.

Điện từ trung tâm (Central Solenoid) đóng vai trò là 'xương sống' của hệ thống ITER. Và Mỹ chịu trách nhiệm về 100% chế tạo nam châm điện từ trung tâm. Và 'trái tim' của ITER chính là khối nam châm siêu dẫn nặng 1.000 tấn này.

Khối nam châm khổng lồ 1.000 tấn được mệnh danh là 'nam châm mạnh nhất thế giới', có lực từ đủ mạnh để hút một tàu sân bay (Aircraft carrier) lên khỏi mặt nước, ITER.org cho biết.

Central Solenoid sẽ bao gồm sáu mô-đun được chế tạo riêng, mỗi mô-đun chứa sợi siêu dẫn niobi-thiếc được cuộn lại.

Khi được lắp ráp hoàn chỉnh, Central Solenoid cao 5 tầng, rộng 4,2 mét và nặng 1.000 tấn. Đây là nam châm điện siêu dẫn xung mạnh nhất từng được chế tạo, trở thành 'Trái tim đang đập của ITER'.

Theo General Atomics, khối nam châm Central Solenoid gây ra phần lớn sự thay đổi từ thông cần thiết để khởi tạo plasma, tạo ra dòng plasma và duy trì dòng điện này trong thời gian đốt cháy.

Khối nam châm 1.000 tấn Central Solenoid, do Tập đoàn quốc phòng và năng lượng Mỹ General Atomics chế tạo và hoàn thành vào năm 2021.

Nhà vật lý Liên Xô Lev Artsimovich (1909 – 1973) được biết đến là 'cha đẻ của Tokamak' từng cho biết, tokamak nói chung là một cỗ máy thí nghiệm được thiết kế để khai thác năng lượng của phản ứng tổng hợp hạt nhân. Bên trong một tokamak, năng lượng được tạo ra thông qua sự hợp nhất của các nguyên tử được hấp thụ dưới dạng nhiệt trong thành bình.

Cũng như một nhà máy điện thông thường, một nhà máy điện nhiệt hạch sẽ sử dụng nhiệt này để tạo ra hơi nước và sau đó là điện năng thông qua tua bin và máy phát điện, thông tin từ trang web của ITER.

Hy vọng rằng, chỉ trong vài năm tới, nhân loại sẽ được chứng kiến cỗ máy ITER Tokamak tạo ra một nguồn năng lượng lớn, sạch và bền vững, đáp ứng nhu cầu năng lượng của con người hiện tại và trong tương lai.

NHỮNG CON SỐ KHỔNG LỒ (Nguồn: ITER.org)

100.000 KM

100.000 km sợi siêu dẫn niobi-thiếc (Nb3Sn) được sử dụng để tạo nên khối nam châm Central Solenoid hình xuyến của ITER.

100.000 km sợi siêu dẫn này được sản xuất bởi các nhà cung cấp tham gia dự án ITER — Trung Quốc, Châu Âu, Nhật Bản, Hàn Quốc, Nga và Mỹ — bắt đầu từ năm 2009 và kết thúc vào năm 2014.

Hơn 400 tấn dây đa sợi này đã được sản xuất cho ITER với tốc độ khoảng 150 tấn / năm, một sự gia tăng đáng chú ý về năng lực sản xuất toàn cầu (ước tính, trước khi mở rộng quy mô cho ITER, tối đa chỉ là 15 tấn / năm).

Vòng sợi Nb3Sn được tạo ra cho ITER có độ dài kéo dài từ đầu đến cuối sẽ quấn quanh Trái Đất ở đường xích đạo hai lần.

150 TRIỆU ° C

Nhiệt độ tại bề mặt Mặt Trời của chúng ta là 6.000 ° C, và tại lõi của nó là 15 triệu ° C. Nhiệt độ kết hợp với mật độ trong lõi Mặt trời của chúng ta tạo ra điều kiện cần thiết cho phản ứng hạt nhân xảy ra.

Trong ITER Tokamak, nhiệt độ sẽ lên tới 150 triệu ° C — gấp 10 lần nhiệt độ tại lõi của Mặt Trời của chúng ta.

23.000 TẤN

Cân nặng của máy ITER là 23.000 tấn. Thậm chí cả tháp Eiffel (7.300 tấn) cũng không thể sánh bằng ITER.

ITER nặng gấp 3 lần tháp Eiffel. Chỉ riêng tàu chân không, với các cảng, tấm phủ và bộ phân luồng, đã nặng 8.000 tấn. Khoảng một triệu linh kiện sẽ được tích hợp vào cỗ máy phức tạp này.

NAM CHÂM TƯƠI SÁNG GẤP ĐÔI LỰC ĐẨY TÀU VŨ TRỤ

Cấu trúc của điện từ trung tâm ITER, hay Central Solenoid — một nam châm điện khổng lồ nặng 1.000 tấn ở trung tâm của máy — có đủ sức mạnh để tạo ra một lực đẩy gấp đôi so với tàu vũ trụ khi nó cất cánh. Đó là 60 meganewton, tương đương với hơn 6.000 tấn lực.

310 TẤN

Mỗi trong số 18 cuộn dây trường hình xuyến (hình chữ D) của ITER tokamak có trọng lượng khoảng 310 tấn. Các cuộn dây này sẽ được vận chuyển theo Hành trình ITER trên các tàu vận tải được điều khiển bằng sóng vô tuyến sau khi được dỡ khỏi các tàu viễn dương.

310 tấn tương đương với trọng lượng của một chiếc máy bay Boeing 747-300 khi đã được tải đầy. Mỗi cuộn dây trường hình xuyến có chiều cao khoảng 17 mét và chiều rộng khoảng 9 mét.

400.000 TẤN

Khoảng 400.000 tấn vật liệu và thiết bị sẽ nằm ở phía dưới Khu phức hợp Tokamak, bao gồm các tòa nhà, máy móc và thiết bị ITER có trọng lượng lên đến 23.000 tấn.

400.000 tấn - nhiều hơn trọng lượng của Tòa nhà Empire State ở New York, Mỹ.

104 KM

Các phần nặng nhất của cỗ máy ITER đã được chuyển đến cảng Địa Trung Hải gần nhất và sau đó được vận chuyển dọc theo 104 km đường sắt đặc biệt được gọi là Hành trình ITER.

Kích thước của những phần này rất lớn: Phần nặng nhất gần 900 tấn bao gồm cả phương tiện vận chuyển; tòa nhà lớn nhất có cao khoảng bốn tầng. Một số có chiều ngang 9 mét; những chiếc khác dài 33 mét.

5.000 NGƯỜI

Vào thời điểm đỉnh điểm trong việc xây dựng ITER từ năm 2019 đến 2022, có khoảng 5.000 người tại ITER (trên công trường và tại văn phòng), tăng so với 1.400 vào năm 2014. Sự gia tăng này chủ yếu là do số lượng công nhân xây dựng và lắp ráp tăng mạnh trên Khu phức hợp Tokamak.

172.000 DU KHÁCH

Số liệu mới nhất cho biết: Khoảng 172.169 người đã thăm Khu phức hợp Tokamak từ khi công việc bắt đầu vào năm 2007 (bao gồm việc dọn dẹp và san lấp đất để chuẩn bị cho lắp đặt các thiết bị khoa học trong tương lai).

Sau một năm bị ảnh hưởng bởi dịch Covid-19, số lượng du khách thăm quan đã tăng trở lại vào năm 2021 với 11.540 người.

Nguồn: National Geographic, ITER.org, Scitechdaily, Powerengineeringint, Interestingengineering