Blog

1. Cuộc đua tìm kiếm năng lượng của các vì sao

Từ thuở sơ khai, con người luôn tìm cách tái tạo sức mạnh của Mặt Trời – nguồn năng lượng gần như vô hạn và sạch sẽ nhất trong vũ trụ. Năng lượng mà Mặt Trời tỏa ra được sinh ra từ phản ứng nhiệt hạch – quá trình các hạt nhân nhẹ (như hydro) hợp nhất lại thành hạt nhân nặng hơn (heli), đồng thời giải phóng lượng năng lượng khổng lồ.
Nếu có thể tái hiện quá trình này trên Trái Đất, nhân loại sẽ sở hữu nguồn năng lượng sạch, an toàn, không phát thải CO₂ và gần như vô tận. Tuy nhiên, để thực hiện điều đó, cần một “ngôi sao nhân tạo” – và đó chính là lò phản ứng nhiệt hạch tokamak.

Giấc mơ này đã được hàng chục quốc gia theo đuổi trong suốt nhiều thập kỷ, với hàng nghìn kỹ sư, nhà vật lý, và nhà nghiên cứu chung tay trong dự án lớn nhất và tham vọng nhất trong lịch sử năng lượng: ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor) – Lò phản ứng nhiệt hạch thử nghiệm quốc tế, hiện đang được xây dựng ở miền Nam nước Pháp.

2. ITER – Biểu tượng hợp tác khoa học toàn cầu

Dự án ITER được khởi động từ cuối thập niên 1980, là sự hợp tác giữa hơn 30 quốc gia, bao gồm Liên minh châu Âu, Mỹ, Nga, Nhật Bản, Trung Quốc, Hàn Quốc và Ấn Độ. ITER không phải là một nhà máy điện thương mại, mà là bước đệm thí nghiệm để chứng minh rằng nhiệt hạch có thể tạo ra năng lượng ròng dương – tức năng lượng đầu ra lớn hơn năng lượng đầu vào.

ITER có nhiệm vụ mô phỏng lại điều kiện cực đoan của Mặt Trời: nhiệt độ hơn 150 triệu độ C, áp suất cực cao, và plasma (trạng thái vật chất thứ tư) được duy trì trong “lồng từ trường vô hình”. Đây là điều mà không vật liệu nào có thể chịu được nếu không có công nghệ siêu dẫn và điều khiển từ trường chính xác đến từng microtesla.

3. Tokamak – “Bánh vòng từ trường” giam giữ plasma

“Tokamak” là từ viết tắt trong tiếng Nga của cụm “тороидальная камера с магнитными катушками”, nghĩa là “buồng hình xuyến với cuộn dây từ”. Đây là thiết kế phổ biến nhất của lò phản ứng nhiệt hạch, nơi plasma được giam giữ bằng từ trường trong một buồng chân không hình bánh vòng.

Trong tokamak, nhiên liệu gồm hai đồng vị của hydro là deuterium và tritium. Khi được đun nóng đến hơn 150 triệu độ C, các nguyên tử hydro mất electron và trở thành ion (plasma). Tại mức năng lượng này, các hạt nhân có thể vượt qua lực đẩy Coulomb để hợp nhất lại, giải phóng năng lượng theo phương trình nổi tiếng của Einstein: E=mc^2E = mc^2E=mc^2

Phản ứng nhiệt hạch điển hình là:

D+T→He^4+n+17.6MeV

Trong đó, năng lượng 17,6 MeV từ mỗi phản ứng sẽ được chuyển hóa thành nhiệt năng – nền tảng cho việc phát điện sạch trong tương lai.

4. ‘Trái tim’ của ITER – Nam châm siêu dẫn trung tâm

Trung tâm của toàn bộ hệ thống ITER là cuộn solenoid trung tâm (central solenoid) – thường được gọi là “trái tim” của lò phản ứng. Đây là nam châm điện siêu dẫn lớn và mạnh nhất từng được chế tạo trên Trái Đất.
Nó bao gồm 6 module với tổng khối lượng gần 3.000 tấn, cao bằng tòa nhà 6 tầng và có khả năng tạo ra từ trường mạnh tới 13 Tesla – gấp hơn 280.000 lần từ trường của Trái Đất.

Khi hoạt động, hệ thống này tạo ra dòng điện cực lớn chạy qua plasma, đồng thời sinh ra lực từ khổng lồ có thể “nâng” tương đương 10 xe tải hạng nặng. Vai trò của cuộn solenoid trung tâm là duy trì sự ổn định và hình dạng của plasma – giúp nó “trôi lơ lửng” trong không gian, không chạm vào thành buồng phản ứng.

Nam châm này hoạt động ở nhiệt độ gần 0 tuyệt đối (-273,15°C), sử dụng vật liệu siêu dẫn Nb₃Sn (niobium-tin). Khi được làm lạnh bằng helium lỏng, điện trở của vật liệu giảm xuống gần như bằng 0, cho phép dòng điện hàng triệu ampere chạy qua mà không hao tổn năng lượng.

Cấu trúc khung thép khổng lồ xung quanh – gồm hơn 9.000 bộ phận cơ khí tinh vi – được thiết kế để chịu được lực điện từ khổng lồ, đảm bảo tính toàn vẹn của lò phản ứng khi vận hành.

5. Công nghệ cốt lõi bên trong lò phản ứng nhiệt hạch

Ngoài cuộn solenoid trung tâm, ITER còn tích hợp nhiều công nghệ đỉnh cao trong các lĩnh vực vật lý plasma, siêu dẫn, vật liệu chịu nhiệt, và kỹ thuật chân không.

5.1. Hệ thống từ trường bao quanh (Toroidal & Poloidal Coils)

Các cuộn nam châm hình bánh vòng (toroidal coils) bao quanh buồng phản ứng, tạo ra từ trường mạnh để “giam giữ” plasma theo hình xuyến.
Song song đó, các cuộn poloidal giúp ổn định vị trí và dạng dao động của plasma, giống như “vỏ bọc” giữ cho ngôi sao nhỏ không bị lệch tâm.

5.2. Hệ thống gia nhiệt plasma

ITER sử dụng ba cơ chế chính để tăng nhiệt độ plasma lên hơn 150 triệu °C:

• Dòng điện cảm ứng (ohmic heating): dòng điện do solenoid trung tâm sinh ra làm plasma nóng lên.
• Sóng điện từ tần số cao (RF heating): truyền năng lượng từ sóng tới ion hoặc electron trong plasma.
• Bơm hạt năng lượng cao (neutral beam injection): bắn các hạt trung hòa có năng lượng cao vào plasma để truyền động năng.

5.3. Hệ thống làm mát và che chắn

Trong khi lõi phản ứng nóng gấp 10 lần lõi Mặt Trời, các bộ phận xung quanh lại phải được giữ gần 0 K.
Điều này đòi hỏi một hệ thống làm mát helium siêu lạnh cực kỳ phức tạp, phối hợp với lá chắn neutron và tường bọc beryllium, nhằm bảo vệ cấu trúc khỏi bức xạ và nhiệt cực đoan.

6. Hiệu suất năng lượng: Gấp 10 lần năng lượng đầu vào

Theo dự kiến, ITER sẽ sản xuất 500 megawatt năng lượng nhiệt chỉ với 50 megawatt công suất đầu vào – nghĩa là hệ số khuếch đại năng lượng Q = 10.
Nếu đạt được, đây sẽ là cột mốc lịch sử: lần đầu tiên con người tạo ra phản ứng nhiệt hạch duy trì với năng lượng ròng dương, đủ để chứng minh tính khả thi của điện năng lượng nhiệt hạch thương mại.

7. Những thách thức kỹ thuật và chậm trễ

Mặc dù là kỳ quan kỹ thuật chưa từng có, ITER vẫn đang đối mặt với nhiều thách thức khổng lồ:

• Hậu cần và tài chính: hơn 1 triệu linh kiện đến từ 35 quốc gia, yêu cầu chính xác ở mức milimét.
• Địa chính trị: căng thẳng quốc tế ảnh hưởng đến chuỗi cung ứng và hợp tác khoa học.
• Vật liệu: thành buồng phản ứng phải chịu neutron năng lượng cao có thể phá hủy cấu trúc tinh thể kim loại.
• Thời gian: theo kế hoạch mới nhất, phản ứng plasma đầu tiên có thể diễn ra vào năm 2033.

Dù vậy, mỗi bước tiến của ITER vẫn mở đường cho các thế hệ lò phản ứng tương lai như DEMO – mẫu thử nghiệm sản xuất điện liên tục, dự kiến sau năm 2050.

8. Nghiên cứu và công nghệ kế cận: SPARC, NIF và Stellarator

Bên cạnh ITER, nhiều hướng tiếp cận khác cũng đang được nghiên cứu để rút ngắn thời gian hiện thực hóa năng lượng nhiệt hạch:

• SPARC (MIT & Commonwealth Fusion Systems, Mỹ): Sử dụng nam châm siêu dẫn công nghệ cao HTS, nhỏ hơn ITER nhưng có mật độ năng lượng lớn, hướng đến thương mại hóa sớm.
• NIF (National Ignition Facility, Mỹ): Dùng tia laser cực mạnh để nén viên nhiên liệu nhỏ (laser fusion), đạt ngưỡng “đốt cháy” trong năm 2022.
• Wendelstein 7-X (Đức): Thiết kế stellarator với hình dạng từ trường phức tạp hơn nhưng ổn định lâu dài hơn tokamak.

Tất cả đều góp phần vào cuộc cách mạng năng lượng sạch, nơi loài người không còn phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch hay năng lượng hạt nhân phân rã.

9. Tương lai của năng lượng sạch: Khi Mặt Trời có thể nằm trong tay con người

Khi ITER hoàn thành và vận hành thành công, nhân loại sẽ bước sang kỷ nguyên năng lượng nhiệt hạch – một kỷ nguyên nơi năng lượng sạch, an toàn và gần như vô tận có thể đáp ứng nhu cầu của cả hành tinh mà không tàn phá môi trường.

Công nghệ nam châm siêu dẫn, vật liệu chịu nhiệt, và điều khiển plasma không chỉ giúp chúng ta hiểu sâu hơn về vũ trụ, mà còn mở đường cho ứng dụng trong y học, hàng không vũ trụ, và vật lý lượng tử.

“Trái tim” của ITER – cuộn solenoid trung tâm – vì thế không chỉ là một thiết bị kỹ thuật, mà còn là biểu tượng cho khát vọng khoa học vươn tới năng lượng của các vì sao, nơi con người học cách làm chủ sức mạnh của tự nhiên bằng trí tuệ và hợp tác toàn cầu.