Nước gần Việt Nam sở hữu ‘mặt trời nhân tạo’, đang trong quá trình xây dựng lò phản ứng nhiệt hạch nguyên mẫu công nghiệp

Những bước tiến nhảy vọt trong nghiên cứu

Bắt đầu đi vào hoạt động năm 2006, lò phản ứng Tokamak siêu dẫn tiên tiến thử nghiệm (EAST), được gọi là “mặt trời nhân tạo’ do Trung Quốc thiết kế và phát triển là nơi thử nghiệm mở để các nhà khoa học tiến hành các thí nghiệm, nghiên cứu liên quan đến nhiệt hạch.

Ngày 4/12/2020, Tập đoàn Hạt nhân Quốc gia Trung Quốc (CNNC) thông báo HL-2M Tokamak, "mặt trời nhân tạo" thế hệ mới của Trung Quốc, đã đi vào hoạt động và đạt được phản ứng sinh năng lượng qua plasma đầu tiên.

Theo CNNC, thiết bị được lắp đặt ở Thành Đô, tỉnh Tứ Xuyên nêu trên được kỳ vọng sẽ cung cấp năng lượng sạch thông qua phản ứng tổng hợp hạt nhân có kiểm soát.

Giới khoa học Trung Quốc cho biết HL-2M Tokamak có thể mang lại nguồn năng lượng gần như vô hạn, nhưng tốn kém ít chi phí. Ngày 22/11/2022, Viện Vật lý Tây Nam thuộc CNNC cho biết nước này vừa ra mắt bộ phận cốt lõi trong dự án "mặt trời nhân tạo."

Theo CNNC, việc sản xuất tấm ốp tường tăng cường truyền tải nhiệt đầu tiên của Lò phản ứng thí nghiệm nhiệt hạch quốc tế (ITER) vừa hoàn tất, với hiệu suất cao hơn so với yêu cầu thiết kế và do vậy phù hợp để sản xuất hàng loạt. Tờ Science Daily của Trung Quốc ngày 22/11/2022 đưa tin tấm ốp tường đầu tiên của ITER, được thiết kế để tiếp xúc trực tiếp với dòng plasma có nhiệt độ tương đương 100 triệu độ C, được coi là một trong những bộ phận chủ chốt nhất trong lõi lò phản ứng này.

Hiện tại Trung Quốc đã hoàn thành thiết kế kỹ thuật của Lò phản ứng thử nghiệm kỹ thuật nhiệt hạch Trung Quốc (CFETR), được coi là “mặt trời nhân tạo” thế hệ mới, nhằm xây dựng lò phản ứng trình diễn nhiệt hạch đầu tiên của thế giới.

Và mới đây nhất, tập đoàn Hạt nhân Quốc gia Trung Quốc (CNNC) cho biết, Trung Quốc đang trong quá trình thành lập một công ty thuộc sở hữu của nhà nước, nhằm huy động nguồn lực, đưa lò phản ứng nhiệt hạch hạt nhân, hay còn gọi là “mặt trời nhân tạo”, đi vào hoạt động.

Việc thành lập công ty China Fusion Energy Inc đã được công bố vào ngày 29/12/2023. Bên cạnh huy động vốn, công ty này còn có vai trò quan trọng trong việc hợp nhất hoạt động nghiên cứu và phát triển năng lượng nhiệt hạch của các viện nghiên cứu và công ty tư nhân ở Trung Quốc.

Mục tiêu chính của công ty mới là đẩy nhanh quá trình thương mại hóa năng lượng nhiệt hạch, thay vì chỉ tập trung vào nghiên cứu và phát triển công nghệ. Các thách thức lớn mà Trung Quốc đang phải đối mặt có thể kể đến như sản xuất nam châm siêu dẫn nhiệt độ cao, vật liệu của lò phản ứng nhiệt hạch và phương pháp lưu trữ năng lượng hiệu suất cao.

Tiềm năng cực lớn của "mặt trời nhân tạo" 

Về cơ bản, các lò phản ứng nhiệt hạch hoạt động dựa trên nguyên lý nhiệt hạch, khi hai hạt nhân nhẹ của hydro là deuterium và tritium được kết hợp để tạo thành một hạt nhân heli nặng hơn và giải phóng năng lượng. 

Nói cách khác, mục tiêu xây dựng một lò phản ứng nhiệt hạch có thể so sánh với việc "tạo ra một Mặt Trời nhân tạo trên Trái Đất và cắm dây điện vào nó để sử dụng". Năng lượng nhiệt hạch có thể coi là nguồn năng lượng lý tưởng nhất cho tương lai, giúp con người loại bò hoàn toàn nhiên liệu hóa thạch, từ đó làm giảm quá trình nóng lên của toàn cầu. Về lý thuyết, deuterium có thể được lấy từ các đại dương trên Trái đất; một lít nước biển được ước tính có đủ vật liệu nhiệt hạch để tạo ra năng lượng tương đương với 300 lít xăng.

Tuy nhiên, việc xây dựng và vận hành lò phản ứng nhiệt hạch không hề đơn giản về mặt kỹ thuật. Phản ứng nhiệt hạch chỉ xảy ra ở mức nhiệt độ rất cao, lên tới 120 triệu độ C trở lên. Ở mức nhiệt độ này, mọi vật chất đều tồn tại trong trạng thái plasma. Đây cũng chính là mục tiêu xây dựng cơ bản của các lò phản ứng nhiệt hạch, nhằm tạo ra hỗn hợp plasma với nhiệt độ lên tới 150 triệu độ C. 

Bên trong lò, các tia laser đốt nóng các nguyên tử hydro nặng, như deuterium và tritium, lên đến hàng trăm triệu độ F, là ngưỡng nhiệt độ mà quá trình nhiệt hạch bắt đầu trong các ngôi sao. Sức nóng cho phép các nhà nghiên cứu tái tạo áp suất hấp dẫn cực lớn bên trong lõi của một ngôi sao. 

Ở ngưỡng nhiệt độ cao này, các hạt nhân nguyên tử bên trong tokamak sẽ bắt đầu đập vào nhau và giải phóng năng lượng có thể được sử dụng cho năng lượng điện. Tuy nhiên, việc giữ plasma ở nhiệt độ cao như vậy mà không bị rò rỉ đã được chứng minh là một thách thức cực kỳ lớn.

Theo Tim Bestwick, giám đốc công nghệ của Cơ quan Năng lượng Nguyên tử Vương quốc Anh, việc kéo dài thời gian cho plasma bền vững và được kiểm soát như thế này liên quan đến ba điều: "Có máy móc có thể chạy trong thời gian dài; có thể cung cấp nhiệt lượng bền vững vào plasma; và có thể giám sát và kiểm soát plasma."

Trong trường hợp của lò EAST, một trong những tính năng cho phép lò phản ứng này đạt được và duy trì nhiệt độ cao một cách hiệu quả là việc sử dụng nam châm siêu dẫn. Chất siêu dẫn là vật liệu tạo ra điện trở bằng không và không thải nhiệt trong điều kiện thích hợp. Sau khi hoàn thành vào khoảng năm 2035, CFETR sẽ tạo ra một lượng nhiệt khổng lồ với công suất cực đại lên tới 2 gigawatt.

Không riêng Trung Quốc, các quốc gia khác trên toàn thế giới cũng liên tục đổ tiền vào nghiên cứu phản ứng nhiệt hạch hạt nhân vì triển vọng năng lượng to lớn của nó.

Mới đây nhất, vào tháng 12/2023, Cơ quan Năng lượng Nguyên tử Vương quốc Anh đã công bố khoản đầu tư trị giá 12,7 triệu USD để phát triển các công nghệ tiên tiến cho năng lượng nhiệt hạch. Trong những năm gần đây, ngày càng có nhiều quỹ đầu tư mạo hiểm và công ty tư nhân tham gia cuộc đua này.

Tuy vậy, Trung Quốc vẫn đang là một trong những “người chơi” hàng đầu. Theo nghiên cứu của công ty nghiên cứu Astamuse có trụ sở tại Tokyo, Trung Quốc đã nộp bằng sáng chế về công nghệ nhiệt hạch hạt nhân nhiều hơn bất kỳ quốc gia hoặc khu vực nào khác trong giai đoạn 2011 - 2022.

Quốc gia châu Á này cũng đang trong quá trình xây dựng một lò phản ứng nhiệt hạch nguyên mẫu công nghiệp vào năm 2035 và tham vọng đưa công nghệ này vào sử dụng thương mại quy mô lớn trong năm 2050.