Trong thế kỷ XXI, nhân loại đang đứng trước thách thức chưa từng có về nhu cầu năng lượng. Dân số toàn cầu dự kiến đạt gần 10 tỷ người vào năm 2050, kéo theo nhu cầu năng lượng khổng lồ, trong khi các nguồn nhiên liệu hóa thạch ngày càng cạn kiệt và biến đổi khí hậu trở thành mối đe dọa hiện hữu. Trong bối cảnh đó, cộng đồng khoa học quốc tế đang đặt cược vào một dự án khổng lồ – ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor) – lò phản ứng thử nghiệm nhiệt hạch quốc tế. Đây không chỉ là một công trình kỹ thuật vĩ đại mà còn là minh chứng sống động cho sức mạnh của hợp tác khoa học toàn cầu.
Đến năm 2025, ITER đã đạt một cột mốc lịch sử, khi US ITER cùng General Atomics công bố hoàn tất thử nghiệm module thứ sáu và cũng là module cuối cùng của cụm dây solenoid trung tâm (Central Solenoid – CS) tại Trung tâm Công nghệ Nam châm General Atomics ở Poway, California, Mỹ. Thành công này không chỉ là một bước tiến kỹ thuật, mà còn là biểu tượng cho sự tiến gần hơn tới giấc mơ lâu dài của nhân loại: làm chủ năng lượng nhiệt hạch – nguồn năng lượng sạch, bền vững và gần như vô tận.
1. ITER – Dự án năng lượng lớn nhất trong lịch sử khoa học hiện đại
1.1. Lịch sử hình thành
Ý tưởng về một lò phản ứng nhiệt hạch quốc tế đã được đề xuất từ những năm 1980, trong bối cảnh Chiến tranh Lạnh còn đang diễn ra. Nhưng chính vào năm 1985, tại hội nghị thượng đỉnh Geneva giữa Tổng bí thư Liên Xô Mikhail Gorbachev và Tổng thống Mỹ Ronald Reagan, khái niệm về một dự án hợp tác toàn cầu trong lĩnh vực nhiệt hạch mới được đưa ra. Đây là thời khắc lịch sử đánh dấu sự khởi đầu của ITER.
Đến nay, 33 quốc gia đã chính thức tham gia dự án này. Trong đó, Liên minh châu Âu (EU) đóng góp gần một nửa chi phí xây dựng, còn lại chia đều cho 6 thành viên chủ chốt: Trung Quốc, Ấn Độ, Nhật Bản, Hàn Quốc, Nga và Mỹ. Với quy mô, ngân sách và độ phức tạp, ITER trở thành dự án khoa học quốc tế lớn nhất từng được tiến hành trong lịch sử loài người.
1.2. Vị trí xây dựng
Lò phản ứng ITER đang được xây dựng tại Cadarache, miền nam nước Pháp – một trong những trung tâm nghiên cứu hạt nhân lớn nhất châu Âu. Việc lựa chọn địa điểm này mang tính chiến lược vì Pháp có nền tảng nghiên cứu hạt nhân lâu đời, hạ tầng khoa học tiên tiến và vị trí thuận lợi trong việc kết nối các thành viên châu Âu với phần còn lại của thế giới.
2. Cột mốc năm 2025 – Hoàn tất cụm solenoid trung tâm
2.1. Solenoid trung tâm – “trái tim từ tính” của ITER
Trong cấu trúc Tokamak, hệ thống nam châm siêu dẫn giữ vai trò then chốt để giam giữ plasma ở nhiệt độ siêu cao. Trong đó, cụm dây solenoid trung tâm (Central Solenoid – CS) được ví như “trái tim từ tính” của lò phản ứng ITER. Đây là nam châm siêu dẫn mạnh nhất trong toàn bộ hệ thống.
Solenoid trung tâm cao 18 mét, nặng hơn 1000 tấn, được lắp ráp từ 6 module chính. Việc hoàn tất thử nghiệm module thứ sáu vào năm 2025 đánh dấu sự hoàn chỉnh của toàn bộ cụm solenoid trung tâm – một cột mốc quan trọng trong lịch sử dự án.
2.2. Quy mô khổng lồ và điều kiện khắc nghiệt
Hệ thống từ tính của ITER, bao gồm các cuộn dây từ trường hình xuyến và hình cầu, các cuộn dây hiệu chỉnh và cụm solenoid trung tâm, được xem là hệ thống siêu dẫn lớn nhất từng được tạo ra trên thế giới.
- Khối lượng tổng cộng: khoảng 3000 tấn
- Kích thước: cao 12,7 mét, rộng 4,1 mét
- Nhiệt độ vận hành: -269°C (chỉ trên không độ tuyệt đối 4 Kelvin)
- Nhiệt độ plasma: 50 triệu °C, nóng gấp 10 lần lõi Mặt Trời
Nhờ sự phối hợp của các nam châm siêu dẫn, plasma siêu nóng sẽ được bẫy và định hình bên trong buồng phản ứng Tokamak.
2.3. Sức mạnh phi thường
Theo các nhà khoa học, “quái vật từ tính” này có thể chịu được lực tương đương 6,7 triệu tấn, tương đương sức mạnh nâng bổng cả một tàu sân bay. Đây là con số khiến ngay cả những kỹ sư giàu kinh nghiệm nhất cũng phải kinh ngạc.
3. Nguyên lý hoạt động của ITER và Tokamak
3.1. Nhiệt hạch – Bài học từ Mặt Trời
Nhiệt hạch (fusion) là quá trình hai hạt nhân nhẹ (như deuterium và tritium – đồng vị của hydro) kết hợp để tạo thành một hạt nhân nặng hơn, đồng thời giải phóng năng lượng khổng lồ. Đây chính là quá trình đang diễn ra trong lõi Mặt Trời và các ngôi sao.
Khác với phản ứng phân hạch hạt nhân (nuclear fission) – vốn sử dụng uranium hay plutonium để tách hạt nhân nặng thành nhẹ – nhiệt hạch an toàn hơn nhiều:
- Không tạo ra chất thải phóng xạ lâu dài.
- Không có nguy cơ phản ứng dây chuyền mất kiểm soát như trong các tai nạn hạt nhân.
- Nhiên liệu (hydro từ nước biển, lithium từ vỏ Trái Đất) gần như vô tận.
3.2. Tokamak – “chiếc bình giữ lửa”
ITER sử dụng thiết kế Tokamak – một buồng phản ứng hình xuyến (hình bánh donut) phát minh tại Liên Xô vào những năm 1950.
Trong Tokamak:
- Plasma được tạo ra từ hỗn hợp deuterium và tritium.
- Các cuộn nam châm siêu dẫn (trong đó có solenoid trung tâm) tạo từ trường cực mạnh để giam giữ plasma.
- Nhiệt độ plasma đạt 50–150 triệu °C, đủ để các hạt nhân hydro hợp nhất thành helium, giải phóng năng lượng.
3.3. Mục tiêu năng lượng của ITER
ITER không được thiết kế để sản xuất điện thương mại, mà là lò phản ứng thử nghiệm nhằm chứng minh tính khả thi của công nghệ. Tuy nhiên, mục tiêu rất tham vọng:
- Đầu vào: 50 MW điện
- Đầu ra: 500 MW năng lượng nhiệt
- Hệ số khuếch đại năng lượng Q = 10
Nếu thành công, đây sẽ là lần đầu tiên nhân loại chứng minh được khả năng thu nhiều năng lượng hơn từ phản ứng nhiệt hạch so với năng lượng đầu tư để duy trì phản ứng – cột mốc then chốt để tiến tới các nhà máy điện nhiệt hạch thương mại.
4. Hợp tác quốc tế – Chìa khóa của ITER
4.1. Đóng góp của các thành viên
Trong 33 quốc gia tham gia, EU đảm nhận gần một nửa chi phí, còn Mỹ, Nga, Nhật Bản, Hàn Quốc, Trung Quốc, Ấn Độ chia đều phần còn lại.
- Mỹ: phát triển và thử nghiệm các module của solenoid trung tâm.
- Nga: cung cấp 120 tấn siêu dẫn niobi-titan và 17 km siêu dẫn niobi-thiếc, đồng thời chế tạo cuộn dây PF1.
- Nhật Bản: phụ trách chế tạo nhiều cuộn dây từ trường hình xuyến.
- Trung Quốc và Ấn Độ: tham gia chế tạo các bộ phận cơ khí lớn, hỗ trợ hạ tầng và linh kiện.
- Hàn Quốc: cung cấp các module thành phần của cấu trúc Tokamak.
4.2. Ý nghĩa của sự hợp tác
Theo Anatoly Krasilnikov, Giám đốc Trung tâm Dự án ITER tại Nga:
“Hệ thống từ tính – hệ thống phức tạp và mạnh mẽ nhất từng được tạo ra trên thế giới – là cơ sở, là nền tảng của toàn bộ cơ sở lắp đặt trong tương lai. Nếu không có nó, hoạt động của ITER về cơ bản là không thể.”
Điều này nhấn mạnh rằng ITER không chỉ là một công trình khoa học, mà còn là biểu tượng của hợp tác quốc tế, vượt qua rào cản chính trị, kinh tế và văn hóa để cùng hướng tới mục tiêu chung.
5. ITER và con đường hướng tới 2035
5.1. Tiến độ dự án
Mặc dù trải qua nhiều lần trì hoãn và thách thức kỹ thuật, ITER vẫn duy trì lộ trình hướng tới mục tiêu:
- 2025: Hoàn tất solenoid trung tâm.
- 2030: Hoàn thiện lắp đặt toàn bộ hệ thống.
- 2035: ITER chính thức vận hành, sau 28 năm xây dựng.
5.2. Thách thức phía trước
Để đạt trạng thái plasma siêu nóng và duy trì phản ứng nhiệt hạch ổn định, ITER phải vượt qua nhiều rào cản:
- Đảm bảo hệ thống siêu dẫn vận hành liên tục ở -269°C.
- Kiểm soát plasma ở nhiệt độ 50 triệu °C trong thời gian đủ dài.
- Quản lý vật liệu cấu trúc, chịu bức xạ neutron cường độ cao.
- Tích hợp hàng ngàn linh kiện từ nhiều quốc gia khác nhau với độ chính xác tuyệt đối.
5.3. Tầm nhìn tương lai
Nếu ITER thành công, bước tiếp theo sẽ là DEMO – lò phản ứng nhiệt hạch trình diễn thương mại, dự kiến có thể cung cấp điện cho lưới quốc gia vào khoảng giữa thế kỷ XXI. Đây sẽ là cột mốc khai sinh kỷ nguyên năng lượng nhiệt hạch, thay đổi toàn bộ nền kinh tế và công nghiệp toàn cầu.
6. Năng lượng nhiệt hạch – Hy vọng cho nhân loại
6.1. Ưu điểm vượt trội
So với các nguồn năng lượng truyền thống, nhiệt hạch sở hữu nhiều ưu thế:
- Không phát thải CO₂ → góp phần chống biến đổi khí hậu.
- Nhiên liệu dồi dào: Deuterium có trong nước biển, lithium trong vỏ Trái Đất.
- An toàn: không có nguy cơ tan chảy lõi hay nổ lò phản ứng.
- Hiệu suất cao: chỉ cần vài gam nhiên liệu có thể cung cấp năng lượng tương đương hàng tấn than đá.
6.2. Tác động xã hội và công nghiệp
Nếu ITER và các thế hệ kế tiếp thành công, thế giới sẽ chứng kiến:
- Một kỷ nguyên năng lượng sạch, thay thế dần nhiên liệu hóa thạch.
- Cách mạng công nghiệp năng lượng, thúc đẩy các lĩnh vực từ hàng không vũ trụ, vận tải, đến trí tuệ nhân tạo.
- An ninh năng lượng toàn cầu, giảm thiểu xung đột địa chính trị xoay quanh dầu mỏ và khí đốt.
7. ITER và hành trình chạm tới ngôi sao
Từ việc hoàn tất module thứ sáu của solenoid trung tâm vào năm 2025 cho đến mục tiêu vận hành ITER vào năm 2035, nhân loại đang tiến gần hơn tới giấc mơ khai thác năng lượng của các vì sao. Đây là hành trình không hề dễ dàng, đòi hỏi hàng thập kỷ nghiên cứu, hàng chục tỷ USD đầu tư và sự chung tay của 33 quốc gia.
Nhưng đổi lại, phần thưởng là vô giá: một tương lai nơi năng lượng sạch, an toàn và bền vững không còn là viễn tưởng. ITER không chỉ là một lò phản ứng Tokamak, mà là ngọn hải đăng cho hy vọng của nhân loại trong thế kỷ XXI – thời đại mà con người có thể tạo ra Mặt Trời nhỏ ngay trên Trái Đất.
