Ngày 28/7/2020 tại Cadarache gần làng Saint-Paul-les Durance, miền Nam nước Pháp, cách Marseille 60 km đã diễn ra lễ khai trương lắp đặt thiết bị cho lò phản ứng tổng hợp hạt nhân thí điểm quốc tế ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor).
Đây là đại dự án năng lượng trị giá 20 tỷ Ơ rô do 35 nước tài trợ với mục tiêu tạo nên nguồn nhiệt năng thương mại 500 MW.
Đầu xuân năm mới, chúng ta sẽ điểm lại bước tiến kỳ diệu của khoa học năng lượng trong việc bước đầu chế ngự phản ứng nhiệt hạch, nguồn năng lượng sạch và vô tận.
Năng lượng – nhu cầu sống còn của nhân loại
Để sản xuất điện con người cần sử dụng các nguồn năng lượng sơ cấp khác nhau như nhiệt năng do than, dầu, khí đốt tạo ra, thủy năng của các dòng chảy,… Bức tranh tổng quát về các nguồn điện thế giới giai đoạn 2010 đến 2030 được cho trên hình 1, trong đó năm 2018 tỷ trọng điện than chiếm 38%, khí thiên nhiên 23%, thủy điện và sinh khối 19%, hạt nhân 10%, nguồn điện mặt trời và gió chiếm 7%.
Các nguồn năng lượng hóa thạch đang dần cạn kiệt, mặt khác việc khai thác và sử dụng chúng là tác nhân gây phát nóng toàn cầu và hủy hoại môi trường. Các nguồn năng tái tạo như năng lượng gió, mặt trời là năng lượng sạch đang được chú ý phát triển, tuy nhiên chúng phân tán, khó khai thác với hiệu suất cao.
Năng lượng phân rã hạt nhân được sử dụng trong các nhà máy điện hạt nhân được phát triển mạnh mẽ từ cuối thế kỷ trước. Hiện nay điện năng từ các nhà máy điện hạt nhân chiếm 10 % sản lượng điện thế giới, có xu hướng giảm mạnh sau thảm họa nhà máy điện nguyên tử Chernobin, Fukushima,… đa số quốc gia trong đó có Việt Nam đã từ chối nhà máy điện hạt nhân. Vậy nguồn năng lượng nào sẽ là động lực cho xã hội tương lai?
Mô hình cấu tạo nguyên tử
Đầu thế kỷ 20 con người đã có bước tiến vượt bậc trong việc nhận thức thế giới vật chất vi mô. Năm 1913 nhà vật lý Đan Mạch Niels Bor công bố mô hình cấu trúc nguyên tử, giải thưởng Nobel vật lý năm 1922.
Trong mô hình của Bor hình 2 các nguyên tử trung hòa về điện, ở giữa là hạt nhân (nucleus) gồm các proton mang điện tích dương và các neutron không mang điện tích, xung quanh là các electron có điện tích âm chuyển động trên các quỹ đạo khác nhau. Mô hình này có dạng giống mô hình quỹ đạo hành tinh với việc thay lực hấp dẫn bằng lực tĩnh điện. Nhờ có mô hình này nhiều ngành khoa học, trong đó có khoa học năng lượng đã tìm cách khai thác nguồn năng lượng nguyên tử, ban đầu vào mục đích chiến tranh nhưng trên hết vào mục đích hòa bình.
Phản ứng nhân hạch
Trên hình 3 mô tả một phản ứng phân rã hạt nhân. Khi một neutron bắn phá vào nguyên tử của nguyên tố nặng như uranium U235 sẽ làm khối U235 bị phá vỡ thành các sản phẩm phân hạch và phát sinh các neutron mới. Quá trình sẽ tiếp tục, các mảnh U235 lại bị các neutron bắn phá sinh và ra nhiều sản phẩm phân hạch và các neutron mới. Đây là phản ứng dây chuyền, phát sinh năng lượng khổng lồ dưới dạng nhiệt năng. Đây chính là phản ứng xảy ra bên trong quả bom nguyên tử sau đó người ta khống chế được phản ứng này trong lò phản ứng của nhà máy điện nguyên tử. Nhiệt năng do 1kg U235 làm giàu phân rã tương đương với nhiệt năng do 3000 tấn than sinh ra.
Phản ứng phân hạch kèm theo các sản phẩm phóng xạ rất nguy hiểm cho sức khỏe con người, mặt khác việc xử lý chất thải hạt nhân cũng rất phức tạp. Vì vấn đề an toàn hạt nhân nên nhiều quốc gia như Pháp hiện nay các nhà máy điện hạt nhân chiếm 75% điện năng sẽ giảm xuống 50% vào năm 2045. Nước Đức lần lượt đóng cửa các nhà máy điện hạt nhân. Trong quy hoạch điện VIII Việt Nam cũng không tính đến việc xây dựng các nhà máy điện hạt nhân.
Phản ứng tổng hợp hạt nhân
Phản ứng tổng hợp hạt nhân còn gọi là phản ứng nhiệt hạch xảy ra khi 2 nguyên tử đồng vị của hidro là Đơteri 2H vầ Triti 3H còn gọi là nước nặng kết hợp với nhau (hình 4) tạo nên nguyên tử Heli 4H và neutron cùng với việc giải phóng năng lượng khổng lồ.
Vì Đơteri vầ Triti có điện tích dương cùng dấu nên chịu lực đẩy tĩnh điện và lực này càng lớn khi chúng càng sát gần nhau. Phản ứng nhiệt hạch có tiềm năng tạo nên nguồn năng lượng vô tận nhưng rất ít tác động đến môi trường. Một gam hỗn hợp Đơteri-Triti trong quá trình tổng hợp hạt nhân tạo ra năng lượng tương đương với việc đốt 80.000 tấn dầu mà không phát sinh khí đioxit cacbon và các chất độc hại khác! Nguyên liệu Đơteri có rất sẵn trong nước biển, còn Triti sẽ được tạo ra từ Lithium sử dụng neutron từ chính phản ứng tổng hợp này. Vì vậy có thể coi phản ứng nhiệt hạch tạo nên nguồn năng lượng sạch và vô tận. Khó khăn chính để tạo ra phản ứng tổng hợp hạt nhân là ban đầu cần mồi để tạo ra nhiệt năng tới 150 triệu độ C, gấp 10 lần nhiệt độ ở tâm Mặt trời! Để tạo nên phản ứng nhiệt hạch, plasma là khối vật chất ở trạng thái thứ tư cần được lưu giữ và treo lơ lửng trong không gian có từ tính rất mạnh.
Vấn đề này đã được các nhà khoa học Xô Viết Igor Tamm và Andrei Sakharov giải quyết từ những năm 1950 trong lò phản ứng tổng hợp hạt nhân Tokamak. Tokamak là từ viết tắt của tiếng Nga (тороидальная камера с магнитными катушками) có nghĩa là buồng hình xuyến có các cuộn dây từ hóa. Tuy nhiên cho đến nay phản ứng nhiệt hạch chỉ được hình thành trong bom H, còn trong lò phản ứng nhiệt hạch chỉ có thể duy trì trong khoảng thời gian tối đa là 30 giây.
Cấu tạo của một Tokamak (hình 5) bao gồm các bộ phận:
Lò phản ứng thí nghiệm nhiệt hạch quốc tế ITER
ITER được thiết kế để tạo ra plasma với công suất nhiệt 500 MW trong khoảng thời gian 20 phút trong khi đưa vào một công suất nhiệt 50 MW nhằm chứng minh việc có thể thương mại hóa công nghệ duy trì và điều khiển plasma của phản ứng nhiệt hạch. Đây là bước tiến rất quan trọng trong lĩnh vực năng lượng vì cho đến nay con người mới chỉ khống chế được phản ứng nhiệt hạch trong khoảng 30 giây mà tiêu tốn năng lượng đầu vào tới hàng trăm MW. Vấn đề sản xuất điện chưa được đề cập tới.
Mục tiêu của INTER không chỉ tạo ra phản ứng tổng hợp hạt nhân mà còn hình thành chuỗi cung ứng, phát triển công nghệ và đào tạo cán bộ cho ngành công nghiệp tổng hợp hạt nhân của các nước sau năm 2035.
Dự án được hình thành từ năm 1985 với sự thỏa thuân của tổng thống Mỹ Donald Reagan và chủ tịch Liên Xô M.Gorbachev cùng với 7 thành viên khác là các nước EU, Ấn Độ, Hàn Quốc, Nhật Bản, Trung Quốc. Tuy nhiên do khó khăn từ nhiều phía, đặc biệt Mỹ nhiều lần tuyên bố rời khỏi dự án nên việc xây dựng tổ hợp Tokamak bắt đầu từ năm 2013, tổng chi phí lên tới 20 tỷ ơrô. Chương trình dự kiến kéo dài 30 năm gồm 10 năm thi công và 20 năm vận hành.
Ngày 28/7/2020 với sự chứng kiến của tổng thống Pháp Emannuel Macron và đại diện các nước thành viên đã bắt đầu quá trình lắp đặt thiết bị cho ITER. Đây là một thiết bị khổng lồ, phức tạp nhất trong lịch sử năng lượng, được lắp ráp từ hàng triệu chi tiết với tổng trọng lượng 23.000 tấn. Buồng phản ứng nhiệt hạch có dung tích 840 mét khối, 200km dây siêu dẫn sẽ kết nối gần 3.000 tấn nam châm siêu dẫn siêu mạnh, có thể nâng nổi một tầu sân bay do Mỹ chế tạo, cuộn dây siêu dẫn được giữ ở 4 độ K, tạo nên nhà máy đông lạnh lớn nhất thế giới do Ấn Độ chế tạo.
Khi plasma được đốt nóng tới nhiệt độ 150 triệu độ C phản ứng nhiệt hạch bắt đầu xảy ra. Năng lượng tạo ra được thoát ra khỏi lồng từ và truyền ra ngoài dưới dạng nhiệt, được nước tuần hoàn ở thành lò hấp thụ. Hình 6 là sơ đồ công nghệ của nhà máy điện nhiệt hạch.
Kết luận
Việc chế ngự được phản ứng nhiệt hạch sẽ tạo nên nguồn năng lược sạch và vô tận. Đây là ước mơ ngàn đời của nhân loại, tạo điều kiện cho xã hội tương lai phát triển. Các “Mặt Trời nhỏ” được xây dựng trên Trái Đất sẽ hình thành trong tương lai không xa, giúp nhân loại không còn phụ thuộc vào các nguồn năng lượng sơ cấp. Đây chính là nguồn động lực cho Cách mạng công nghệ 4.0.
Lê Văn Doanh – Phạm Văn Bình
Trường Cao đẳng nghề Bách khoa Hà Nội
