Bí mật năng lượng của mặt trời và những vì sao

Mặt trời và các ngôi sao được cung cấp năng lượng nhờ vào phản ứng tổng hợp hạt nhân (phản ứng nhiệt hạch) bên trong lõi của chúng. Các “lò” phản ứng này được xem là một nguồn cung cấp năng lượng sạch và gần như vô tận. Mặc dù có những định kiến cho rằng phản ứng nhiệt hạch luôn là một nguồn năng lượng của tương lai rất xa, nhưng với những tiến bộ trong khoa học kỹ thuật, thời điểm năng lượng nhiệt hạch trở thành một lựa chọn trong sản xuất điện năng đang ngày một gần hơn.

Nhiệt hạch (hay hợp hạch) là phản ứng hạt nhân, trong đó hai hoặc nhiều hạt nhân nguyên tử này kết hợp với nhau để tạo thành một hoặc nhiều hạt nhân nguyên tử khác và giải phóng các hạt nơtron với năng lượng rất cao. Khi 2 hạt nhân Hyđrô hợp nhất để trở thành Heli, chúng tạo ra nguồn năng lượng cao hơn 8 lần so với năng lượng trong phản ứng phân hạch Urani ở các lò phản ứng hạt nhân hiện tại (phản ứng nhiệt hạch Hyđrô tạo năng lượng khoảng 17,6 MeV trong khi phản ứng phân hạch Uranium tạo ra năng lượng trung bình là 2 MeV). Để phản ứng nhiệt hạch có thể diễn ra, cần một lực tác động rất lớn, lực này phải thắng được lực đẩy tĩnh điện (lực đẩy Cu-lông) giữa 2 hạt nhân Hyđrô cùng mang điện tích dương để đưa chúng đến gần nhau và kết hợp với nhau.

Đây cũng là quá trình diễn ra trong lõi mặt trời và cung cấp toàn bộ năng lượng, bao gồm cả ánh sáng và nhiệt cho “ngôi sao lớn” này. Lực hấp dẫn của các ngôi sao như Mặt Trời là đủ mạnh để vượt qua lực đẩy tĩnh điện giữa các hạt nhân, khiến cho các nguyên tử chỉ tồn tại ở trạng thái plasma (hỗn hợp các nguyên tử bị ion hóa) và tạo ra phản ứng nhiệt hạch. Trong phòng thí nghiệm điều kiện này rất khó đạt được, do đó người ta phải làm nóng các hạt nhân đến nhiệt độ cực lớn, gấp sáu đến bảy lần nhiệt độ ở trung tâm Mặt trời. Ở nhiệt độ này, các hạt nhân có thể va chạm với tốc độ đủ lớn để vượt qua lực đẩy tĩnh điện và hợp nhất với nhau.

Hình 1. Một hạt nhân Đơteri (2H) và một hạt nhân triti (3H) kết hợp với nhau sẽ tạo ra một hạt nhân Heli và giải phóng một nơtron với năng lượng rất lớn, đủ để tạo ra các phản ứng nhiệt hạch tiếp theo (Nguồn: Creative Commons / Wikipedia)

Phản ứng Đơteri-Triti (phản ứng DT) được đánh giá là phản ứng khả thi nhất để tạo ra năng lượng nhiệt hạch vì nó dễ dàng vượt qua lực đẩy Cu-lông và giải phóng ra năng lượng cao nhất trong số các phản ứng thực hiện được trong phòng thí nghiệm. Để thực hiện được phản ứng này, từ trường được sử dụng để giam giữ khí Hydro, Hydro sau đó được đốt nóng cho đến khi các electron tách ra khỏi hạt nhân của chúng và tạo thành plasma.

Hầu hết các nghiên cứu nhiệt hạch đều sử dụng một thiết bị giam giữ từ tính được gọi là Tokamak. Được phát triển lần đầu tiên từ những năm 1950, Tokamak là một buồng chân không hình xuyến sử dụng các nam châm điện mạnh để giam giữ và định hình plasma (Tokamak là viết tắt của tiếng Nga cho “buồng hình xuyến với các cuộn dây từ tính”).

Hình 2. Mô tả hệ thống các cuộn dây điện từ tạo ra từ trường giam giữ plasma trong lò Tokamak (từ trường và các cuộn dây tương ứng được mô tả cùng màu)

Nguồn: Creative Commons/Wikipedia

Việc tạo và duy trì từ trường trong Tokamak cần ba loại nam châm từ tính (Hình 2). Cấu trúc từ trường này giữ các phần nóng nhất của plasma cách xa thành Tokamak, tạo ra hiệu ứng cách nhiệt cho phép đạt được nhiệt độ rất cao.

Trên thế giới hiện nay có khoảng vài chục lò Tokamak đang hoạt động. Trong đó, Joint European Torus (JET) ở Anh là lò lớn nhất hiện nay, có bán kính khoảng 3 mét với công suất 16 MW. Một thiết bị tương tự ở Nhật Bản đang được nâng cấp để nghiên cứu kỹ thuật duy trì plasma. Các thiết bị nhỏ hơn, như DIII-D, được vận hành tại Phòng năng lượng của công ty General Atomics ở San Diego, Hoa Kỳ, phục vụ cho việc nghiên cứu và phát triển các kỹ thuật nâng cao hiệu suất của phản ứng nhiệt hạch.

Với các lợi ích to lớn, nhiệt hạch luôn được xem là một nguồn năng lượng lý tưởng. Một nhà máy điện nhiệt hạch có thể hoạt động suốt ngày đêm mà không tạo ra khí thải độc hại hay đồng vị phóng xạ lâu dài, do sản phẩm phụ duy nhất của phản ứng là Heli. Ngoài ra, nguy cơ xảy ra sự cố với một nhà máy nhiệt hạch rất hạn chế, nếu khoang chứa bị rò rỉ, phản ứng nhiệt hạch sẽ tự động dừng lại và khả năng xảy ra cháy nổ hoặc phát tán phóng xạ trên diện rộng là rất thấp.

Tham vọng làm chủ nguồn năng lượng nhiệt hạch còn vấp phải nhiều rào cản kỹ thuật

Sau hơn 60 năm nghiên cứu về phản ứng nhiệt hạch để khai thác các tiềm năng của nguồn năng lượng này, các câu hỏi về mặt khoa học đã gần như được giải đáp, nhưng trở ngại lớn nhất lại là hạn chế về mặt kỹ thuật. Hiện nay, để tạo được một lượng năng lượng nhất định từ lò phản ứng nhiệt hạch, con người đang phải tiêu tốn nhiều hơn số đó để tạo môi trường và các chất hóa học phù hợp. Ví dụ như ở lò phản ứng nhiệt hạch JET ở Anh, để tạo ra 16MW năng lượng đầu ra, cần tiêu tốn 24MW năng lượng để đốt nóng. Tỷ số này đạt 0,67 và được gọi là độ lợi nhiệt hạch (ký hiệu Q). Các nhà máy điện nhiệt hạch trong tương lai sẽ cần phải đạt được giá trị Q lớn hơn 10 để đạt được hiệu quả về kinh tế.

Tham vọng chinh phục nguồn năng lượng nhiệt hạch còn gặp phải các thách thức khác như:

Khả năng giam giữ plasma: Việc giam giữ plasma bằng từ trường có thể gây ra các hiện tượng rò rỉ, ngoài ra, thời gian giam giữ plasma cũng cần phải đủ dài để cho phép các ion nhận đủ nhiệt lượng cho phản ứng nhiệt hạch. Các thiết bị hiện tại chỉ mới giam giữ được plasma trong khoảng 0,3 giây. Để có thể giam giữ plasma với thời gian lâu hơn, các lò Tokamak cần có kích thước lớn hơn và từ trường mạnh hơn.

Vật liệu lò Tokamak: Hiện tại chưa có vật liệu nào đủ tin cậy để chịu được nhiệt độ cực cao và sự bắn phá liên tục của các hạt nơtron trong suốt vòng đời của một nhà máy điện. Các vật liệu siêu dẫn ở nhiệt độ cao đang là niềm hy vọng mới trong việc cải thiện khả năng giam giữ plasma của các lò Tokamak.

Sản xuất Triti: Khác với Đơtêri (là nguyên tử có trữ lượng tương đối dồi dào và có thể được chiết xuất từ nước biển), Triti là một đồng vị phóng xạ với chu kỳ bán rã chỉ 12,3 năm và rất hiếm để có thể khai thác từ các nguồn tự nhiên. Các phương pháp sản xuất Triti hiện tại hầu hết dựa vào chiết xuất từ chất làm mát trong các lò phản ứng nước nặng hoặc dùng phản ứng của nơtron và Liti trong lò phản ứng nước nhẹ. Một nhà máy điện nhiệt hạch công suất 500 MW dự kiến sẽ cần khoảng 50kg nhiên liệu Triti mỗi năm. Số lượng này không chỉ vượt xa khả năng sản xuất hiện tại trên toàn thế giới (khoảng 2-3 kg/năm từ các lò phản ứng CANDU* đã cũ ở Canada và Hàn Quốc), mà chi phí để sản xuất đủ Triti còn có thể lên tới hàng tỷ đô la.

May mắn thay, có thể sử dụng chính phản ứng nhiệt hạch để sản xuất ra Triti tại chỗ: Đặt một tấm “chăn” Liti xung quanh lò Tokamak, các nơtron bay ra từ phản ứng nhiệt hạch sẽ bắn phá hạt nhân Liti để tạo ra Triti. Các giải pháp công nghệ sử dụng tấm “chăn” Liti hiện đang được phát triển.

Hình 3. Ý tưởng một nhà máy điện nhiệt hạch sử dụng tấm “chăn” Liti và chu trình phát điện bằng tuabin hơi

(Nguồn: Internet)

Sản xuất điện: Để tạo ra điện từ lò phản ứng nhiệt hạch, các thiết bị sẽ phải hoạt động ở nhiệt độ rất cao. Do đó, quá trình trao đổi nhiệt sẽ hoạt động như thế nào vẫn còn là một dấu hỏi. Hầu hết các thiết kế hiện tại đều dựa trên ý tưởng một vòng tuần hoàn Heli sẽ lấy nhiệt từ tấm chăn Liti và truyền động trực tiếp cho tuabin hoặc tạo ra hơi nước trong vòng lặp thứ cấp để làm quay tuabin hơi.

Từ Tokamak đến ITER – Siêu dự án hàng chục tỷ đô la của 35 quốc gia

Các nhà khoa học từ lâu đã nhận ra rằng các Tokamak hiện có là không đủ mạnh để đạt được điều kiện cho plasma cháy (burning plasma). Do đó, dự án Lò phản ứng thí nghiệm nhiệt hạch quốc tế ITER đã được ra đời.

Dự án ITER được đề xuất vào tháng 11 năm 1985, khi Tổng Bí thư Liên Xô Mikhail Gorbachev đề nghị hợp tác quốc tế về năng lượng nhiệt hạch với Tổng thống Hoa Kỳ Ronald Reagan. Sự tham gia của 35 quốc gia sau đó khiến ITER trở thành dự án khoa học đa quốc gia lớn nhất trong lịch sử, với chi phí ước tính sơ bộ vào năm 2016 là khoảng 20 tỷ đô la Mỹ**. Theo đó, tất cả các thành viên sẽ tài trợ một phần chi phí của dự án và có quyền tiếp cận bình đẳng với công nghệ nhiệt hạch được phát triển từ ITER.

Video về dự án Iter. Khi hoàn thành, lò Tokamak bên trong ITER sẽ có chiều ngang gần 13 mét. (nguồn: ITER)

ITER sẽ là lò Tokamak có từ trường lớn nhất thế giới với sức mạnh 5 Tesla (gấp 100 nghìn lần từ trường Trái đất) và có trọng lượng 23 nghìn tấn, bao gồm 100 nghìn km dây siêu dẫn hợp kim niobi-thiếc. Hợp kim này là chất siêu dẫn tại 4,5 độ K (khoảng âm 269 độ C) nên cả thiết bị sẽ nằm trong một máy làm lạnh bằng heli lỏng để giữ các sợi dây siêu dẫn ở nhiệt độ cao vài độ so với không độ tuyệt đối. Sử dụng phản ứng DT, ITER sẽ tạo ra 500 MW năng lượng nhiệt hạch ở giá trị Q = 10, phá vỡ kỷ lục thế giới hiện tại là 16 MW đạt được trên lò Tokamak JET vào năm 1997.

Ngoài ra, ITER sẽ đóng vai trò là nơi thử nghiệm một số công nghệ khác bao gồm sản xuất Triti, kiểm soát plasma, duy trì quá trình cháy và các nghiên cứu nâng cao khác. Mặc dù không phải là một nhà máy điện, ITER sẽ kiểm tra các tính năng an toàn cần có ở các nhà máy điện nhiệt hạch trong tương lai.

Hình 4. Sơ đồ của cơ sở ITER cho thấy Tokamak ở trung tâm với sự mô phỏng plasma nhiệt hạch bên trong Tokamak. Toàn bộ thiết bị cao khoảng năm tầng. Nguồn: ITER

ITER được xây dựng ở miền nam nước Pháp và giai đoạn lắp đặt các thiết bị lò phản ứng Tokamak cho ITER đã được bắt đầu vào ngày 28/07 vừa qua. Đây được coi là sự kiện hoành tráng đối với cộng đồng khoa học toàn cầu. Tính tới thời điểm hiện tại, công tác xây dựng đã hoàn thành được hai phần ba, những hoạt động đầu tiên của lò ITER được lên kế hoạch vào năm 2025 và hướng đến mục tiêu vận hành phản ứng DT vào năm 2035.

Thực hiện: Phạm Đức Trung

*CANDU: Canada Deuterium Uranium – Là loại lò phản ứng hạt nhân nước nặng được Canada thiết kế theo dạng kênh sử dụng nước nặng (D₂0) làm chất làm chậm trong lò phản ứng.

**Chi phí sơ bộ cho ITER: Do sự đóng góp của các nước thành viên, tổng chi phí sơ bộ này chỉ là ước lượng với điều kiện phải bắt đầu quá trình phản ứng DT vào năm 2035.

Tài liệu tham khảo:

1. Thomas Overton. May 31, 2020. “Fusion Energy Is Coming, and Maybe Sooner Than You Think”. POWER magazine. https://www.powermag.com/fusion-energy-is-coming-and-maybe-sooner-than-you-think/
2. Darrell Proctor. July 28, 2020. “Assembly Phase Underway for ITER Nuclear Project”. POWER magazine. https://www.powermag.com/assembly-phase-underway-for-iter-nuclear-project/
3. Project Underway. ITER. https://www.iter.org/construction/construction
4. Matthew Hole, Igor Bray. May 18, 2015. “Nuclear fusion, the clean power that will take decades to master”. https://theconversation.com/nuclear-fusion-the-clean-power-that-will-take-decades-to-master-41356