Năng lượng vô hạn, không ô nhiễm và an toàn nhất thế giới: Giấc mơ viển vông về “mặt trời nhân tạo” đang trở thành sự thật

06-06-2022

Ảnh: Jennifer Hamson LLE / Đại học Rochester.

Nguồn năng lượng vô hạn, không phát thải khí nhà kính hoặc phóng xạ dường như là một giấc mơ không thực của con người. Nhưng nhiều thế kỷ qua, các nhà khoa học đã kiên trì theo đuổi giấc mơ ấy, bất chấp những thách thức chưa từng có về kỹ thuật. Và họ đang biến mọi thứ thành hiện thực.

Nguồn năng lượng mạnh mẽ nhất trên thế giới

Năng lượng hạt nhân thế giới sử dụng ngày nay được tạo ra từ quá trình phân hạch hạt nhân, nghĩa là phân tách thay vì tổng hợp các hạt nhân nguyên tử để giải phóng năng lượng. Quá trình đó có thể tạo ra các chất phóng xạ tồn tại hàng chục nghìn năm.

Năng lượng này cũng nguy hiểm trong trường hợp xảy ra tai nạn. Chẳng hạn như thảm hoạ hạt nhân Fukishima năm 2011 của Nhật Bản do động đất và sóng thần gây ra.

Trong nhiệm vụ tìm kiếm một nguồn năng lượng vô hạn, không phát thải carbon, các nhà khoa học đã tìm ra năng lượng nhiệt hạch. Tuy nhiên, họ đã vật lộn nhiều thế kỷ để nghiên cứu sản sinh ra loại năng lượng này.

Những dấu hiệu về một tương lai tươi sáng đã xuất hiện. Một \”mặt trời nhân tạo\” có thể cung cấp năng lượng cho ấm đun nước, ô tô và bóng đèn của các ngôi nhà.

Giống như tên gọi, phản ứng tổng hợp hạt nhân, hay còn gọi là phản ứng hợp hạch, là sự hợp nhất của hai hoặc nhiều nguyên tử để trở thành một nguyên tử lớn hơn.

Trong quá trình hợp nhất, một lượng lớn năng lượng sẽ được giải phóng dưới dạng nhiệt. Đây là phản ứng tương tự với những gì xảy ra ở lõi của Mặt trời. Một nhà máy điện sẽ sử dụng nhiệt để sản sinh hơi nước, thúc đẩy các tuabin tạo ra điện.

Ảnh: Getty Images

So với phản ứng phân hạch, phản ứng hợp hạch an toàn hơn, có thể tạo ra ít chất thải và chỉ cần một lượng nhỏ nhiên liệu dồi dào có nguồn gốc tự nhiên, bao gồm các nguyên tố chiết xuất từ nước biển.

Điều này khiến năng lượng nhiệt hạch trở thành một lựa chọn hấp dẫn khi thế giới tìm cách rời xa nhiên liệu hoá thạch, thứ gây ra biến đổi khí hậu.

Mặc dù có những thách thức vượt ra ngoài tầm hiểu biết của những bộ óc thiên tài trong ngành vật lý qua nhiều thế kỷ, không bao lâu nữa loại năng lượng này sẽ trở thành hiện thực. Một số thách thức kỹ thuật đã được khắc phục trong những năm qua. Các chính phủ trên thế giới cùng đầu tư hàng tỷ USD trong nghiên cứu điện nhiệt hạch.

Tại Đông nam nước Pháp, dự án Lò phản ứng Thí nghiệm Nhiệt hạt nhân Quốc tế (International Thermonuclear Experimental Reactor – ITER) trị giá gần 22 tỷ USD đang được xây dựng. Đây là một siêu dự án nhiệt hạch với sự tài trợ của Mỹ, Trung Quốc, Liên minh châu Âu, Ấn Độ, Nhật Bản, Hàn Quốc và Nga. Dự án ITER đã được xây dựng 80% và đặt mục tiêu bắt đầu phản ứng tổng hợp hạt nhân vào khoảng năm 2025-2026.

Lõi của cỗ máy Tokamak ở Anh. Ảnh: CNN

Lò phản ứng tổng hợp hạt nhân

ITER sử dụng cỗ máy như một chiếc bánh donut khổng lồ được gọi là Tokamak. Các nhà khoa học tại Anh đang miệt mài nghiên cứu và đã có thể tạo ra năng lượng nhiệt hạch bền vững với con số kỷ lục là 59 megajoules trong vòng 5 giây vào ngày 21/12/2021. 5 giây khi đó là giới hạn mà cỗ máy có thể duy trì tạo ra năng lượng trước khi bị nóng quá mức.

Tiềm năng từ năng lượng nhiệt hạch là rất lớn. Thử nghiệm sử dụng đồng vị deuterium và tritium của hydro để làm nhiên liệu cho phản ứng tổng hợp. Những nguyên tố này có thể được sử dụng trong phản ứng với quy mô thương mại và có thể được tìm thấy trong nước biển.

Tony Roulstone từ Khoa Kỹ thuật của Đại học Cambridge cho biết deuterium và tritium rất dồi dào. Ví dụ để cung cấp điện cho toàn Vương quốc Anh trong một ngày sẽ cần đến 0,5 tấn deuterium. Nguyên tố này có thể được chiết xuất từ nước biển, nơi chúng có nồng độ thấp nhưng rất dồi dào.

Tony Roulstone cho biết phản ứng tổng hợp được tạo ra bởi Tokamak, được gọi là Joint European Torus (JET), giống như một tuabin gió và có thể cung cấp năng lượng cho một ngôi nhà trong một ngày. Nếu được tạo ra liên tục, nó có thể cung cấp năng lượng cho hàng nghìn ngôi nhà.

Với những lò phản ứng thông thường, không thành lò nào có thể chịu được mức nhiệt cực cao. Nhiệt độ khi đó có thể lên tới 150 triệu độ C, nóng hơn tâm mặt trời gấp 10 lần. Từ trường là yếu tố cần thiết để khống chế sự va chạm của các hạt nhân và mức nhiệt cao đối với thành lò, đảm bảo cho quá trình tổng hợp hạt nhân được diễn ra.

Tokama không phải là lò phản ứng nhiệt hạch duy nhất đang được thử nghiệm. tháng 12/2021, lò phản ứng Tokamak siêu dẫn tiên tiến thử nghiệm (EAST) của Trung Quốc đã duy trì được 70 triệu độ trong 1.056 giây. Trước đó, lò phản ứng này cũng đạt kỷ lục duy trì 160 triệu độ trong 20 giây.

Dự án năng lượng nhiệt hạch ITER, đang được xây dựng ở miền nam nước Pháp, dự kiến ​​bắt đầu hoạt động vào năm 2025. Ảnh: Getty Images.

Năng lượng nhiệt hạch không chỉ là thí nghiệm

Tony Donné, CEO của EUROfusion, cho biết tại một cuộc họp báo: \”Thử nghiệm của chúng tôi lần đầu tiên cho thấy có thể có một quá trình nhiệt hạch bền vững sử dụng cùng một hỗn hợp nhiên liệu được lên kế hoạch cho các nhà máy điện nhiệt hạch trong tương lai\”.

EUROfusion, một tập đoàn bao gồm 4.800 chuyên gia, sinh viên và nhân viên từ khắp châu Âu. Họ thực hiện dự án với sự hợp tác của Cơ quan Năng lượng Nguyên tử Vương quốc Anh. Ủy ban Châu Âu (EC) cũng đóng góp tài trợ.

Các chuyên gia nói rằng kết quả minh chứng rằng phản ứng tổng hợp hạt nhân có thể thực hiện và không còn là giải pháp viển vông cho cuộc khủng hoảng khí hậu.

Ian Chapman, CEO của Cơ quan Năng lượng Nguyên tử Vương quốc Anh cho biết: \”Những kết quả mang tính bước ngoặt này đã đưa chúng tôi tiến thêm một bước gần hơn đến việc chinh phục một trong những thách thức khoa học và kỹ thuật lớn nhất\”.

Mark Wenman, một nhà nghiên cứu vật liệu hạt nhân tại Imperial College London, cho biết rằng kết quả của thí nghiệm là \”đáng mừng\”. Chúng cho thấy \”năng lượng nhiệt hạch thực sự không còn chỉ là một giấc mơ xa vời. Kỹ thuật tạo ra một nguồn năng lượng sạch, hữu ích là có thể đạt được và đang diễn ra ngay lúc này\”.

Tokamak tạo ra năng lượng duy trì kỷ lục từ phản ứng tổng hợp hạt nhân. Nguồn: EUROFusion.

Kết quả của thí nghiệm là một lợi ích to lớn cho ITER. Trong khi mục tiêu của JET là chứng minh rằng phản ứng tổng hợp hạt nhân có thể thực hiện và duy trì, mục tiêu của ITER là tạo ra năng lượng gấp 10 lần, hoặc 500 MW điện nhiệt hạch từ 50 MW năng lượng được đưa vào.

Các kết quả thí nghiệm mang đến đầy hứa hẹn. Nhưng việc làm chủ phản ứng tổng hợp hạt nhân như một nguồn năng lượng cung cấp mỗi ngày vẫn còn là một chặng đường rất dài phía trước.

Báo cáo gần đây nhất của Ủy ban liên chính phủ về biến đổi khí hậu (IPCC) cho thấy thế giới cần phải giảm gần một nửa lượng khí thải gây hiệu ứng nhà kính trong thập kỷ này và đạt mức phát thải ròng bằng 0 vào năm 2050 để giữ cho sự nóng lên toàn cầu trong tầm kiểm soát.

Điều đó có nghĩa là các quốc gia cần thực hiện một quá trình chuyển đổi nhanh chóng khỏi nhiên liệu hoá thạch, giữ cho nhiệt độ Trái đất tăng ở mức 1,5 độ C so với mức tiền công nghiệp.

Tổng hợp