MỘT BƯỚC TIẾN MỚI TRONG VIỆC PHÁT TRIỂN NGUỒN NĂNG LƯỢNG HẠT NHÂN DỰA VÀO PLASMA

Lò phản ứng tổng hợp plasma đang dần trở thành hiện thực. Các nhà khoa học trên khắp thế giới đang nghiên cứu các lò phản ứng cố định có thể cung cấp năng lượng không phát thải và gần như vô hạn. Nhưng những cải tiến nào sắp được khai thác? Đây là những bước khám phá mới nhất, đang chờ đợi sự nhập cuộc của những công ty hàng đầu để khai thác và xây dựng, nhưng còn cần một thời gian thực tế cho kỷ nguyên năng lượng mới.

Giới thiệu

Ngành kỹ nghệ khai thác năng lượng mới đang đối mặt với một trong những bước phát triển thú vị nhất trong những thập kỷ gần đây: lò phản ứng tổng hợp Plasma có thể thay đổi cơ bản cách chúng ta tạo ra năng lượng. Trong khi các nhà máy điện hạt nhân thông thường dựa vào các vật liệu phân hạch như Uranium, phản ứng nhiệt hạch cung cấp nguồn năng lượng sạch hơn, an toàn hơn và có khả năng vô hạn. Nhưng thách thức về mặt kỹ thuật là rất lớn. 

Trong nhiều thập kỷ, việc triển khai thực tế được coi là một mục tiêu xa vời – một niềm hy vọng hão huyền. Nhưng bây giờ điều đó  đã có thể thay đổi. Hệ thống giới hạn mới, với những trang bị vật liệu cải tiến và từ trường được tối ưu hóa giúp lò phản ứng nhiệt hạch cố định tiến gần hơn đến hiện thực. Nhưng chính xác thì những kỹ nghệ này hoạt động như thế nào? Những nhà nghiên cứu và công ty nào đang thúc đẩy sự đổi mới? Và khi nào chúng ta có thể thực sự mong đợi một giải pháp sẵn sàn xử dụng? Trong bài viết này, chúng ta sẽ co  một số chi tiết và những câu hỏi thông qua nghiên cứu hiện tại và tổng hợp ý kiến ​​của các chuyên gia.

Lò phản ứng tổng hợp Plasma hoạt động như thế nào?

Lò phản ứng tổng hợp Plasma tạo ra năng lượng bằng cách tổng hợp hạt nhân nguyên tử – một quá trình mô phỏng theo mặt trời. Cái gọi là phản ứng tổng hợp hạt nhân này giải phóng một lượng năng lượng khổng lồ mà không có các sản phẩm phụ nguy hiểm như phản ứng phân hạch hạt nhân thông thường. Nghe có vẻ như là nguồn năng lượng rất  hoàn hảo phải không? Có thể là vậy, nhưng rào cản về kỹ thuật đòi hỏi  rất lớn.

Giới hạn từ tính – giữ Plasma trong tầm kiểm soát

Để phản ứng tổng hợp xảy ra, cần phải duy trì trạng thái thật nóng của Plasma  – trạng thái mà các nguyên tử phân rã thành các hạt tích điện. Vấn đề: Không có vật liệu nào có thể chịu được nhiệt độ trên 100 triệu độ C. Giải pháp là gì? Từ trường, nên mới có tên là nhiệt hạch.

Trong điều kiện giới hạn từ trường, Plasma bị giữ lại trong một buồng hình tròn – Tokamak – bằng từ trường rất mạnh. Những thứ này ngăn không cho Plasma chạm vào thành bình và bị  nguội đi. Thách thức ở đây là làm sao giữ cho Plasma ổn định. Nó có đặc tính “vẫy” không kiểm soát được và do đó có thể thoát ra được. Các nhà nghiên cứu đang nghiên cứu về các sắp xếp từ trường tốt hơn để giảm thiểu những nhiễu loạn này

Laser fusion – nén năng lượng thông qua ánh sáng

Một phương pháp thay thế là phản ứng tổng hợp quán tính, sử dụng tia Laser cực mạnh. Ở đây bạn bắn một số tia Laser công suất cao được xử dụng để nhắm vào một viên nang nhiên liệu nhỏ làm từ Deuterium và Tritium. Các xung Laser nén nhiên liệu mạnh đến mức nó bốc cháy và bắt đầu cho phản ứng nhiệt hạch.

Phương pháp này có ưu điểm là không cần từ trường phức tạp, nhưng lại cần năng lượng Laser rất lớn. Rào cản quyết định: mức tăng năng lượng ròng. Cho đến nay, các thí nghiệm trong phòng thí nghiệm đã tiêu thụ nhiều năng lượng hơn năng lượng được tạo ra từ phản ứng. Những tiến bộ trong công nghệ Laser có thể sớm thay đổi điều đó.

Vật liệu và yêu cầu kỹ thuật

Cho dù là phản ứng tổng hợp từ tính hay Laser – một số vật liệu nhất định là cần thiết. Các siêu dẫn nhiệt độ cao và vật liệu chống Neutron đặc biệt đóng vai trò quan trọng. Chúng giúp tạo ra từ trường mạnh và bảo vệ buồng lò phản ứng khỏi sự bắn phá của Neutron.

Tritium là một nguyên tố quan trọng khác. Đồng vị Hydro hiếm này được dùng làm nhiên liệu, nhưng nguồn tài nguyên thiên nhiên của nó có hạn. Do đó, các nhà phát triển đang dựa vào các phương pháp sản xuất Tritium bên trong lò phản ứng – một vấn đề khác vẫn chưa được giải quyết.

Những thách thức lớn nhất

Ngoài vấn đề về độ ổn định của Plasma và vật liệu, còn có những vấn đề khác cần được giải quyết:

Tính khả thi về mặt kinh tế: Lò phản ứng nhiệt hạch rất tốn kém. Việc xây dựng các nhà máy này thường vượt quá ngân sách – một lò phản ứng nhiệt hạch có khả năng thương mại, nhưng còn phải có khả năng kinh tế.

Công suất về năng lượng: Các nhà nghiên cứu vẫn chưa thể tạo ra được nhiều năng lượng hữu ích hơn mức đã đầu tư. Chỉ khi đạt được điểm “hòa vốn” này thì kỹ nghệ tổng hợp, mới sẵn sàng đưa ra thị trường.

Độ bền: Lực và nhiệt độ cực lớn trong lò phản ứng tạo ra áp lực lớn lên vật liệu. Cần có các thành phần ổn định và bền bỉ.

Kỹ thuật này chắc chắn rất phức tạp, nhưng  khi tiến triển thì rất hứa hẹn. Vài năm tới có thể tiết lộ phương pháp nào thực sự có thể biến nhiệt hạch thành nguồn năng lượng của tương lai.

Các viện nghiên cứu hàng đầu: Ai đứng sau những đổi mới?

Năng lượng nhiệt hạch là một cuộc chạy đua – và có một số viện nghiên cứu trên khắp thế giới đang tiến hành nghiên cứu ở tuyến đầu. Dự án ITER (Lò phản ứng thử nghiệm nhiệt hạch quốc tế) của Âu Châu đang đặc biệt đang phát triển tốt. Dự án nghiên cứu đa quốc gia khổng lồ này ở miền Nam nước Pháp là dự án lớn nhất thuộc loại mô hình này và nhằm mục đích chứng minh khả năng kiểm soát độ bền trong điều kiện thực tế. Mục tiêu: sản xuất năng lượng ổn định, bền vững thông qua phản ứng tổng hợp hạt nhân. Nhưng đường đi đến đó vẩn còn nhiều gập ghềnh.

Ngoài ITER, còn có nhiều viện khác cũng có những đóng góp quan trọng. Ở Đức, Viện Vật lý Plasma Max Planck (IPP) đóng vai trò chủ chốt. Họ đang nghiên cứu Wendelstein 7-X, một cơ phận được gọi là Stellarator – là một thiết kế thay thế cho lò phản ứng tổng hợp có thể giữ cho Plasma ổn định hơn so với Tokamak thông thường. Tiến triển này rất hứa hẹn, nhưng vẫn còn thiếu những hiểu biết quan trọng về tính ổn định lâu dài của những hệ thống như vậy.

Trung tâm Khoa học Plasma và Hợp nhất MIT tại Hoa Kỳ cũng mang tính khám phá không kém. Các nhà nghiên cứu ở đó dựa vào nam châm siêu dẫn nhiệt độ cao để khuếch đại từ trường nhằm giới hạn Plasma. Gần đây, họ đã đạt được kỷ lục mới về cường độ từ trường – một bước tiến quan trọng hướng tới nhà máy điện nhiệt hạch có khả năng thương mại hóa.

Những công ty nào tham gia? Các công ty khởi nghiệp và nhà đầu tư tư nhân

Ngoài các viện nghiên cứu của chính phủ, ngày càng nhiều công ty tư nhân tham gia vào cuộc chạy đua phát triển kỹ nghệ tổng hợp hạt nhân đầu tiên. Một công ty đặc biệt tham vọng là Commonwealth Fusion Systems (CFS), một công ty tách ra từ MIT. Cách phát triển của họ dựa trên các Tokamak nhỏ gọn với ckỹ thuật giới hạn từ tính mới – với mục tiêu hiện thực hóa các nhà máy điện nhiệt hạch sẵn sàng đưa ra thị trường vào những năm 2030.

Ngoài ra còn có rất nhiều sự chuyển động ở Âu Châu. Công ty Tokamak Energy của Anh sử dụng lò Tokamak hình cầu, một biến thể nhỏ gọn hơn của lò phản ứng tổng hợp từ cổ điển. Những khái niệm như vậy có thể giúp giải quyết vấn đề chi phí xây dựng khổng lồ và vấn đề mở rộng quy mô của các thiết kế hiện tại.

General Fusion đang gây chấn động ở Kanada. Không giống như ITER hay Wendelstein, công ty này dựa vào phương pháp cơ học: từ trường của nó được bổ sung bằng các bức tường kim loại lỏng quay để chứa Plasma và giải quyết các vấn đề làm mát. Về mặt lý thuyết, đây có thể là giải pháp đơn giản hơn, hấp dẫn hơn về mặt kinh tế – nhưng vẫn còn những rào cản kỹ thuật.

Những khám phá gần đây: Chúng ta đã gần hoàn thiện lò phản ứng nhiệt hạch chưa?

Vài năm trở lại đây đã chứng kiến ​​nhiều cột mốc quan trọng trong sản xuất năng lượng dựa trên Plasma. Năm 2022, Joint European Torus (JET) tại Anh đã thành công trong việc tạo ra công suất nhiệt hạch chưa từng có là 59 Megajoule trong năm giây - một thử nghiệm quan trọng đối với ITER, cho thấy quá trình này có thể được kiểm soát ổn định.

Trung Quốc cũng đã đạt được tiến bộ: lò phản ứng thử nghiệm EAST (Tokamak siêu dẫn tối tân thử nghiệm) của nước này đã duy trì được trạng thái Plasma nhiệt độ cao ổn định trong hơn 17 phút vào năm 2023. Đây là một kỷ lục thế giới mới và cho thấy việc sản xuất năng lượng mở rộng là khả thi – một trong những thách thức lớn nhất đối với lò phản ứng cố định.

Một điểm nổi bật khác đến từ Hoa Kỳ: Phòng thí nghiệm quốc gia Lawrence Livermore đã đạt được sản lượng năng lượng ròng từ phản ứng tổng hợp Laser lần đầu tiên. Mặc dù năng lượng tạo ra chỉ cao hơn một chút so với năng lượng xử dụng, nhưng bằng chứng cho thấy phản ứng tổng hợp hạt nhân thực sự có thể tạo ra nhiều năng lượng hơn mức cần thiết đã được chứng minh trong lịch sử.

Thách thức lớn nhất: Điều gì vẫn cần phải giải quyết?

Bất chấp mọi tiến bộ, việc kiểm soát bền vững Plasma nóng vẫn là một thách thức rất lớn. Kỹ thuật giới hạn từ tính cần được tối ưu hóa hơn nữa, đặc biệt là để giảm thiểu tổn thất năng lượng.

Một vấn đề lớn là vật liệu phải chịu được nhiệt độ khắc nghiệt và bức xạ Neutron trong lò phản ứng. Các hợp kim có độ bền cao và lớp phủ tương ứng với Hydro mới đang được nghiên cứu để phát triển các bức tường lò phản ứng bền bỉ.

Nguồn cung cấp Tritium – một trong những nhiên liệu cần thiết – cũng vẫn là một vấn đề chưa được giải quyết. Hiện nay, trên thế giới có rất ít Tritium, vì vậy các nhà nghiên cứu đang tìm cách tạo ra nó trong quá trình tổng hợp hạt nhân.

Trong những năm tới, những người ra quyết định trong lĩnh vực nghiên cứu sẽ phải chứng minh liệu họ có thể vượt qua những rào cản kỹ thuật này hay không. Nhưng với sự tiến bộ ngày càng tăng, phản ứng tổng hợp hạt nhân dựa trên Plasma thực sự có thể giúp định hình tương lai của năng lượng.

Các lịch trình đầy tham vọng cho năng lượng nhiệt hạch

Nghiên cứu về lò phản ứng nhiệt hạch đã đạt được những tiến bộ to lớn trong những năm gần đây. Nhưng câu hỏi quan trọng vẫn còn đó: Khi nào các lò phản ứng cố định thực sự có thể cung cấp điện cho mạng lưới điện của chúng ta? Các chuyên gia đồng ý rằng những thập kỷ tiếp theo sẽ là giai đoạn quan trọng đối với năng lượng dựa trên Plasma. Lò phản ứng thử nghiệm quốc tế ITER tại Pháp dự kiến ​​sẽ mang lại những thành công ban đầu vào những năm 2030, nhưng phải mất ít nhất 20 năm nữa mới có thể đưa vào sử dụng trong kỹ nghệ.

Một số công ty khởi nghiệp và viện nghiên cứu, bao gồm Commonwealth Fusion Systems và Fraunhofer IFAM, có dự báo lạc quan hơn. Họ tin rằng các lò phản ứng nhỏ hơn, hiệu quả hơn sử dụng nam châm siêu dẫn có thể tạo ra điện sớm nhất là vào những năm 2040. Đặc biệt hứa hẹn là các hệ thống ghép từ mới có mục đích ổn định Plasma và cho phép sản xuất năng lượng liên tục.

Rào cản kinh tế và pháp lý

Tính khả thi về mặt kỹ thuật chỉ là một mặt của vấn đề. Mặt khác, vẫn còn những thách thức kinh tế rất lớn. Các nhà máy điện nhiệt hạch ban đầu sẽ hết sức tốn kém – riêng việc xây dựng ITER đã tốn hơn 20 tỷ Euro. Ai sẽ sẵn sàng đầu tư số tiền lớn như vậy vào một kỹ nghệ mà có thể không mang lại lợi ích thương mại trong nhiều thập kỷ?

Các chương trình tài trợ của chính phủ đóng vai trò quan trọng. Trong khi các quốc gia như Hoa Kỳ, Trung Quốc và Đức đang đầu tư hàng tỷ đô la vào phản ứng tổng hợp hạt nhân, vẫn còn tồn tại những rào cản về mặt quy định. Mọi lò phản ứng nhiệt hạch đều phải đáp ứng các yêu cầu an toàn nghiêm ngặt và vấn đề cung cấp Tritium vẫn chưa được giải quyết. Đồng vị này, được dùng làm nhiên liệu trong nhiều lò phản ứng nhiệt hạch, rất hiếm và đắt tiền.

Đánh giá của các chuyên gia

Mặc dù nhiều nhà khoa học tin rằng năng lượng nhiệt hạch sẽ thống trị nguồn cung cấp năng lượng của chúng ta trong thời gian dài, vẫn có những ý kiến ​​chỉ trích. Một số người lo ngại rằng các nguồn năng lượng tái tạo thông thường như năng lượng mặt trời và năng lượng gió có thể đã quá tối tân đến mức các nhà máy điện nhiệt hạch sẽ trở nên quá đắt đỏ.

Tiến sĩ Sergey Stepanov của Fraunhofer IFAM nhấn mạnh rằng bất chấp mọi khám phá, những thách thức to lớn vẫn còn ở phía trước: "Chúng ta không chỉ phải giữ cho Plasma ổn định mà còn phải tìm cách giảm đáng kể chi phí".

Một vấn đề lớn khác là sự chấp nhận của xã hội. Trong khi phản ứng tổng hợp hạt nhân được coi là an toàn hơn phản ứng phân hạch hạt nhân thông thường, vẫn còn nhiều hoài nghi về năng lượng hạt nhân. Nếu không có sự ủng hộ rộng rãi của xã hội, công nghệ tổng hợp hạt nhân có thể bị ngăn cản trong quá trình ra quyết định chính trị.

Vậy khi nào năng lượng nhiệt hạch sẽ xuất hiện?

Câu trả lời trung thực: Không ai có thể chắc chắn được. Có một khoảng cách lớn giữa các kịch bản lạc quan cho rằng thị trường sẽ sẵn sàng trong 20 năm và các ước tính thận trọng cho rằng thị trường sẽ sẵn sàng trong 50 năm.

Nhưng có một điều chắc chắn là: lò phản ứng tổng hợp Plasma hiện đang gần với thực tế hơn bao giờ hết. Và nếu chúng ta có thể giảm chi phí và ổn định kỹ thuật, điều này có thể thay đổi cơ bản cách chúng ta tạo ra năng lượng trước khi thế kỷ này kết thúc.

Kết luận

Những tiến bộ trong năng lượng nhiệt hạch dựa trên Plasma cho thấy kỹ nghệ này không còn là điều xa vời nữa. Các nhà khoa học và công ty trên toàn thế giới đang đạt được những tiến bộ đáng kể, đặc biệt là trong nghiên cứu vật liệu và giới hạn. Tuy nhiên, vẫn còn nhiều thách thức - có thể là sự ổn định lâu dài của độ bền hoặc tính khả thi về mặt kinh tế ở quy mô công nghiệp. Trong khi một số chuyên gia lạc quan về hai thập kỷ tới, vẫn phải chờ xem các rào cản về quy định có thể được khắc phục nhanh như thế nào. Nhưng có một điều rõ ràng: nghiên cứu đang đi đúng hướng. Nếu phản ứng tổng hợp hạt nhân cố định được triển khai thành công, nó sẽ có khả năng  bảo đảm  tương lai năng lượng của chúng ta bằng nguồn năng lượng sạch và gần như vô hạn. Việc chúng ta có thực sự đạt được mục tiêu này vào năm 2040 hay 2050 không chỉ phụ thuộc vào kỹ thuật cao mà còn phụ thuộc vào chi phí đầu tư, ý thức chính trị và sự chấp nhận của xã hội.

Xem thêm về Plasma: https://de.wikipedia.org/wiki/Plasma_(Physik)

Vũ Thái An, người lính VNCH, ngày 14 März 2025