Lần đầu tiên thử nghiệm phản ứng nhiệt hạch "sạch"

Đây là bước tiến quan trọng giúp nhân loại có thể tìm được nguồn năng lượng sạch thay thế hoàn toàn nhiên liệu hoá thạch hoặc hạt nhân "bẩn".

Phản ứng nhiệt hạch hay hợp hạch (nuclear fusion) vốn không còn xa lạ gì với chúng ta. Nó chính là thứ đã tạo nên vũ khí nguy hiểm nhất từ trước đến nay mà con người từng chế tạo: Tsar Bomba với công suất nổ gấp 2.400 lần trái bom hạt nhân mà Mỹ từng thả xuống Nagasaki (Nhật). Đó cũng là thứ là Triều Tiên từng tuyên bố đã làm chủ được công nghệ sản xuất bom nhiệt hạch để bảo vệ chủ quyền. Tuy vậy, những phản ứng hợp hạch trên đều có chung đặc điểm là "bẩn" và khó có thể kiểm soát được.

Lò hợp hạch Wendelstein 7-X (W7-X) của Đức

Trên thực tế, phản ứng hợp hạch có bản chất là "sạch" và tuổi đời của nó còn lâu hơn cả phản ứng phân hạch (nuclear fission). Nó chính là phản ứng xảy ra trong lòng các ngôi sao như Mặt Trời, giúp chúng chống lại sự sụp đổ vào bên trong nhân dưới tác động của lực hấp dẫn. Nó còn giúp các ngôi sao "bùng cháy" và toả sáng, đem năng lượng tới các hành tinh và giúp vũ trụ này thoát khỏi u tối. Chính phản ứng hợp hạch đã giúp "sưởi ấm" Trái Đất và hầu hết mọi sinh vật trên hành tinh đều sống được nhờ có năng lượng Mặt Trời (đến từ phản ứng hợp hạch). Vì vậy, bản chất của phản ứng hợp hạch là "sạch" và thân thiện với môi trường.

Song con người chúng ta, do các hạn chế về mặt kỹ thuật, chỉ mới tạo được phản ứng hợp hạch bằng "mồi nổ" bom nguyên tử dựa trên phản ứng phân hạch các nguyên tố Uranium hay Plutonium. Nhưng sản phẩm của phản ứng phân hạch lại là các nguyên tố phóng xạ nguy hiểm với môi trường. Do đó, phản ứng phân hạch "bẩn" và năng lượng hạt nhân khai thác được từ phản ứng trên không thân thiện với môi trường, vì chất thải hạt nhân gần như không thể xử lý được mà chỉ có thể chôn lấp hoặc cất giữ ở nơi an toàn.

Hợp hạch là quá trình "cộng" nhiều hạt nhân nhỏ lại thành những hạt nhân lớn hơn và phát sinh năng lượng

Có thể tạo ra được phản ứng hợp hạch mà không cần "mồi nổ" bom nguyên tử cũng như kiểm soát được mức độ phản ứng là khao khát từ hàng thập kỷ qua của nhiều nước. Vì nó sẽ giúp cho nhân loại có được nguồn năng lượng gần như vĩnh cửu (nguyên liệu chính của phản ứng hợp hạch là hydrogen và helium), công suất đủ lớn để thay thế nhiên liệu hoá thạch mà lại không gây ảnh hưởng tới môi trường. Nhưng để làm được điều đó không chỉ đòi hỏi trình độ khoa học kỹ thuật cực cao mà cả kinh phí nghiên cứu, thiết kế và chế tạo cũng cực kỳ lớn.

Mới đây, người Đức cho biết họ đã chế tạo cơ bản thành công lò nhiệt hạch Wendelstein 7-X (W7-X). Những lò nhiệt hạch này còn có tên gọi là "lò mặt trời" hay "lò sao" (stellarator - stellar có nghĩa là ngôi sao, vì sao) vì chúng mô phỏng lại quá trình hợp hạch diễn ra trong lòng các ngôi sao. Cụ thể là vật chất trong các lò được được "đốt nóng" tới mức chúng chuyển hoá thành thể plasma (thể thứ 4 bên cạnh 3 thể rắn, lỏng và khí).

Ở thể plasma, động năng của các nguyên tử lớn tới mức hạt nhân và lớp vỏ electron của chúng bị tách rời hoàn toàn, tạo thành các ion. Các hạt nhân nguyên tử (ion dương) ở vận tốc cực cao có thể va chạm với nhau và hợp nhất thành một hạt nhân nặng hơn, đồng thời giải phóng ra năng lượng theo công thức E = mc^2.

Những dòng plasma cực mạnh có thể tìm thấy trên các ngôi sao như Mặt Trời

Vấn đề mà giới khoa học đang tìm cách giải quyết đó làm sao duy trì được trạng thái plasma tồn tại liên tục để quá trình hợp hạch có thể diễn ra được như mong muốn, từ đó đảm bảo công suất phát điện như lò hạt nhân hay nhiệt điện. Ngoài ra quá trình vận hành cũng phải không quá phức tạp và nguy hiểm, có thể kiểm soát dễ dàng.

Trên thực tế hồi những năm 1950, các nhà khoa học Nga cũng đã nghiên cứu về những lò này với tên gọi tokamak. Về bản chất thì tokamak và stellarator có cơ chế hoạt động tương tự nhau, đều dựa trên từ trường để "giam giữ" các dòng plasma cố định ở một chỗ. Nhưng tokamak có thiết kế đơn giản hơn ở dạng một vòng bánh xe, còn stellarator là các vòng xoắn phức tạp. Tuy vậy, thiết kế đơn giản và ít tốn kém của tokamak lại khiến việc vận hành nó trở nên khó khăn, đặc biệt khi tăng cường công suất và vận hành trong thời gian dài. Do đó mà về sau này, ý tưởng stellarator (phức tạp và tốn kém hơn) lại được tái sinh mà W7-X là điển hình.

Cấu tạo bên trong W7-X với màu vàng là dòng plasma khép kín và màu xanh là các lõi nam châm siêu dẫn

Thomas Klinger, trưởng nhóm dự án W7-X do Học viện Max Planck tiến hành, cho biết: "Các stellarator "êm" hơn nhiều so với tokamak. Chúng khó chế tạo hơn nhưng vận hành thì dễ dàng hơn". Người Đức đã bỏ ra 1 tỷ Euro (khoảng 1,1 tỷ USD) và 19 năm để xây dựng nên W7-X. Và để "giam giữ" triệt để dòng plasma bên trong lòng cỗ máy này, W7-X được trang bị số nam châm siêu dẫn có khối lượng lên tới 425 tấn. Điều đáng nói là toàn bộ số nam châm này phải được làm lạnh gần không độ tuyệt đối (absolute zero) trong khi chỉ cách đó vài cm là dòng plasma nóng tới hàng triệu độ C (điều kiện cho phản ứng hợp hạch xảy ra).

Trước đấy, hồi tháng 12, các nhà khoa học Đức đã thực nghiệm tổng hợp thành công hạt nhân helium, vốn cần điều kiện gia nhiệt thấp hơn. Về nguyên tắc, phản ứng hợp hạch helium cũng phát sinh năng lượng và có thể khai thác để sản xuất điện được. Song helium hiện là một khí hiếm và có hàm lượng thấp trên Trái Đất, nên trong tương lai gần chưa thể dùng trong quy mô rộng. Mục tiêu sau cùng mà các quốc gia hướng đến là tổng hợp được hạt nhân hydrogen, vốn rất phổ biến. Ngoài ra sản phẩm của phản ứng hợp hạch hydrogen chính là helium. Do đó ở góc độ kinh tế thì hợp hạch hydrogen thành công cũng đồng nghĩa với mở ra cơ hội để phát triển lò hợp hạch helium.

Clip về quá trình xây dựng nên W7-X

David Anderson, một giáo sư vật lý ở ĐH Wisconsin (Mỹ) nhận xét về thành tựu của các đồng nghiệp châu Âu: "Những kết quả ấn tượng từ quá trình khởi động của cỗ máy rất đáng kinh ngạc. Đây vẫn thường là tiến trình đầy khó khăn và gian khổ. Do vậy mà tốc độ W7-X có thể đi vào hoạt động được là một lời khẳng định về sự quan tâm cũng như chất lượng cho quá trình sản xuất ra các thiết bị, cũng như là lời khẳng định lạc quan của chính ý tưởng stellarator. W7-X là một thành tựu xuất sắc và cộng đồng hợp hạch trên toàn cầu đang cùng trông ngóng những kết quả đáng khích lệ khác".

Được biết, thử nghiệm hợp hạch hydrogen sẽ được trân trọng trao cho thủ tướng Đức Angela Merkel. Bà vốn có học vị tiến sỹ về vật lý các năng lực về chính trị. Trong thông cáo gửi đến báo giới, thủ tướng Đức cho biết: "Là một quốc gia công nghiệp, chúng tôi muốn chứng tỏ rằng một nguồn năng lượng giá rẻ, an toàn, đáng tin cậy và thân thiện với môi trường là có thể thực hiện được. Các lợi thế của năng lượng hợp hạch là rất rõ ràng".

Hình ảnh về dòng plasma bằng hydrogen bên trong W7-X

Đức là quốc gia vẫn thường phản đối việc sử dụng năng lượng hạt nhân (phân hạch) vì các rủi ro về môi trường. Đây cũng là một trong số ít nước đầu tư mạnh cho năng lượng xanh, năng lượng tái tạo. Nếu thử nghiệm lần này của viện Max Planck thành công, đây có thể là tiền đề để quốc gia đứng đầu châu Âu này "cắt đứt" hoàn toàn sự lệ thuộc vào nhiệt điện cũng như điện hạt nhân và đi trước toàn bộ nhân loại trong công cuộc cách mạng xanh.

Huyền Thế