Mạnh gấp 280.000 lần từ trường Trái Đất, siêu nam châm nghìn tấn này sẽ “ghìm giữ” dòng plasma 150 triệu °C trong “Mặt trời nhân tạo”

Một trong những dự án khoa học đầy tham vọng nhất của nhân loại – lò phản ứng nhiệt hạch ITER – vừa hoàn thành xong toàn bộ các thành phần cấu trúc để chuẩn bị cho việc lắp đặt nam châm trung tâm, đánh dấu cột mốc quan trọng trong hành trình hiện thực hóa giấc mơ năng lượng sạch từ nhiệt hạch.

Khác với phản ứng phân hạch đang được sử dụng trong các nhà máy điện hạt nhân hiện nay, phản ứng nhiệt hạch là quá trình kết hợp các hạt nhân nhẹ như hydro để tạo thành heli, giải phóng năng lượng – giống như cách Mặt Trời và các ngôi sao vận hành. Tuy nhiên, thay vì sử dụng áp suất trọng lực khổng lồ như trong lõi Mặt Trời, con người phải tái tạo điều kiện tương tự bằng cách đẩy plasma đến nhiệt độ 150 triệu độ C, tức nóng hơn gấp 10 lần lõi Mặt Trời.

Để làm được điều đó, ITER – viết tắt của International Thermonuclear Experimental Reactor – được thiết kế theo dạng tokamak, một cấu trúc hình donut có thể giữ plasma nóng ở trạng thái ổn định nhờ hệ thống nam châm siêu dẫn cực mạnh. Trong đó, bộ phận trung tâm quan trọng nhất là Central Solenoid – một cụm cuộn dây siêu dẫn nặng gần 1.000 tấn, tạo ra từ trường mạnh gấp 280.000 lần Trái Đất.

Thách thức kỹ thuật đặc biệt ở chỗ: trong khi vùng lõi phải đạt nhiệt độ cực cao để duy trì phản ứng, thì Central Solenoid lại phải được giữ lạnh ở mức gần -270°C, sát ngưỡng nhiệt độ của heli lỏng, để duy trì trạng thái siêu dẫn. Dù chỉ là một bộ phận, nhưng Central Solenoid chứa tới 6,4 gigajoule năng lượng từ trường – tương đương sức công phá của hơn 1.500 kg thuốc nổ TNT.

Nếu mọi thứ diễn ra như kế hoạch, ITER sẽ sử dụng 50 megawatt điện năng để đốt nóng plasma, đổi lại có thể thu được 500 megawatt nhiệt lượng sinh ra từ quá trình phản ứng. Tuy nhiên, đó mới chỉ là bước đầu: để sản xuất điện thực tế, lượng nhiệt này phải tiếp tục chuyển hóa qua tua-bin hơi nước – đồng nghĩa với việc tổn hao sẽ xảy ra và hiệu suất cuối cùng có thể thấp hơn kỳ vọng.

Dù vậy, nếu thành công, ITER có thể chứng minh rằng điện năng từ nhiệt hạch là khả thi – không chỉ về mặt lý thuyết mà còn về mặt kỹ thuật và công nghiệp hóa. Đây là lý do khiến hơn 30 quốc gia, trong đó có Mỹ, Trung Quốc, Nga, Nhật Bản, Ấn Độ, Hàn Quốc và toàn bộ Liên minh châu Âu, đã chung tay xây dựng dự án có tổng vốn đầu tư hàng chục tỷ USD này tại miền Nam nước Pháp.

Mỗi quốc gia tham gia phụ trách sản xuất các thành phần khác nhau – Central Solenoid là đóng góp từ phía Mỹ, cùng với phần khung chịu lực bao quanh nó.

Trong tuyên bố mới nhất, Tổng giám đốc ITER – ông Pietro Barabaschi – khẳng định: “Điều khiến ITER trở nên đặc biệt không chỉ là độ phức tạp kỹ thuật, mà còn là khung hợp tác quốc tế đã duy trì dự án qua nhiều biến động chính trị. Đây là minh chứng rằng khi nhân loại đối diện những thách thức tồn vong như biến đổi khí hậu hay an ninh năng lượng, chúng ta có thể vượt qua khác biệt để tiến lên phía trước.”

Dẫu vậy, ITER vẫn phải đối mặt với nhiều hoài nghi. Dự án đã trễ tiến độ gần một thập kỷ, đội vốn nhiều lần, và dự kiến chỉ bắt đầu tạo plasma đầu tiên vào năm 2033. Việc duy trì phản ứng bền vững, cũng như xây dựng nhà máy điện thương mại hóa dựa trên nguyên lý này, sẽ cần thêm nhiều năm sau đó.

Song song, không ít công ty tư nhân cũng đang theo đuổi các lò phản ứng nhiệt hạch quy mô nhỏ, nhanh hơn – nhưng phần lớn đều dựa vào kiến thức chuyển giao từ đội ngũ ITER.