Bên trong lò phản ứng nhiệt hạch lớn nhất thế giới

Trong 7 năm liền, Bernard Bigot giám sát xây dựng một công trình đầy tham vọng, thách thức và có ý nghĩa lớn với nhân loại đến mức đôi khi ông nghĩ về nó như một nhà thờ. Mọc lên trên mảnh đất rộng 180 hecta ở miền nam nước Pháp, cách Marseille một giờ lái xe về hướng bắc là một công trình kỳ lạ. Không nhiều tòa nhà trên thế giới có buồng chân không to như hang động hoặc đòi hỏi độ chính xác ở cấp nhỏ hơn milimet khi thi công. Càng ít tòa nhà chứa nam châm cao 18 m mạnh tới mức có thể nhấc bổng tàu sân bay, hoặc cuộn dây niobium - thiếc dài đủ để quấn vòng quanh xích đạo hai lần.

Dự án mà Bigot đang giám sát mang tên Lò phản ứng thí nghiệm nhiệt hạt nhân quốc tế (ITER), là thí nghiệm khoa học lớn, phức tạp và đắt giá nhất từng được hoạch định với chi phí hơn 20 tỷ USD. Liên minh 35 nước đóng góp kinh phí cho dự án ITER và chế tạo các bộ phận, bao gồm Mỹ, Nga, Trung Quốc và Liên minh châu Âu.

Một số bộ phận sắp được chuyển tới của ITER lớn đến mức Pháp phải mở rộng hoặc nâng cấp 103 km cầu đường để đưa chúng tới địa điểm thi công tại Saint-Paul-lez-Durance. Khi lò phản ứng hoàn thành, sớm nhất vào năm 2025, thời gian thỏa thuận, thiết kế và xây dựng sẽ lên tới 40 năm. Tất cả nhằm đạt mục tiêu và mơ ước kéo dài nửa thế kỷ, đó là sản xuất năng lượng bằng cách khai thác phản ứng nhiệt hạch, nguồn năng lượng của các ngôi sao. Nếu có thể tận dụng, đây sẽ là nguồn năng lượng dồi dào không khí thải độc hại, không có nguy cơ nóng chảy hoặc sản sinh chất thải phóng xạ, đáp ứng nhu cầu về điện 24/7 với nguồn nhiên liệu là nước biển.

Nhưng biến ước mơ trên thành hiện thực là một thách thức kỹ thuật. Trên Trái Đất, hợp nhất hạt nhân hydro thành heli đòi hỏi tạo ra và kiểm soát plasma, một loại khí gas tích điện, ở nhiệt độ nóng gấp vài lần lõi Mặt Trời. Những lò phản ứng nhiệt hạch hiện nay có thể vận hành trong thời gian ngắn ngủi. Tuy nhiên, chưa lò phản ứng nào sản xuất đủ điện để đưa vào lưới điện. ITER cũng vậy. Dù có quy mô đồ sộ, đây chỉ là thí nghiệm được thiết kế để các nhà khoa học tiến gần hơn tới đích. Mục tiêu của ITER là vượt qua ngưỡng mà tại đó, lò phản ứng giải phóng nhiều điện như lượng điện sử dụng để làm nóng plasma. Theo khung thời gian lạc quan nhất, nguyên mẫu nhà máy nhiệt hạch sẽ chỉ sẵn sàng hoạt động vào đầu thập niên 2030.

Khai thác phản ứng nhiệt hạch nằm trong số những điều khó khăn nhất mà nhân loại từng gắng sức thực hiện. Theo Hiệp hội Công nghiệp Nhiệt hạch, các nhà đầu tư đã rót hơn 1,8 tỷ USD vào những công ty tư nhân để biến năng lượng nhiệt hạch thành hiện thực. Bigot, người trở thành tổng giám đốc ITER vào năm 2015 và qua đời vào tháng 5/2022 ở tuổi 72, luôn cho rằng điều này sẽ xảy ra trong tương lai. Là một nhà hóa học, ông nhìn nhận ITER như cách những kiến trúc sư Trung Cổ nghĩ về nhà thờ. Người đặt nền móng cho công trình có thể không còn sống để trông thấy đỉnh tháp.

Về cơ bản, nhà máy nhiệt hạch khác hẳn các nhà máy điện hạt nhân hiện nay. Chúng hoạt động dựa vào phản ứng phân hạch, giải phóng năng lượng khi những nguyên tử to và nặng như uranium, vỡ ra do phân rã phóng xạ. Ngược lại, trong lò phản ứng nhiệt hạch, những nguyên tử nhỏ và nhẹ như hydro hợp nhất thành nguyên tử nặng hơn, giải phóng năng lượng khổng lồ.

Trong trường hợp của ITER, lò phản ứng sẽ bắt đầu với nhiên liệu deuterium và tritium, hai đồng vị nặng hơn của hydro. Ở nhiệt độ cao, các cặp hạt nhân nguyên tử sẽ va vào nhau và hợp nhất. Mỗi phản ứng tạo ra một hạt nhân heli-4 cùng với một neutron mang năng lượng cao. Sau đó, neutron va đập vào vách lò phản ứng, sản sinh nhiệt có thể dùng để đun sôi nước, tạo ra hơi nước làm quay turbine sản xuất điện. Để ngăn plasma nóng nguội đi, hàng loạt nam châm điện cực mạnh sẽ hãm plasma lơ lửng ở trung tâm buồng chân không hình bánh vòng. Mỗi cuộn dây của ITER cần được làm mát bằng heli lỏng ở nhiệt độ -269 độ C.

Hạt nhân nguyên tử tích điện dương, vì vậy chúng sẽ đẩy lẫn nhau. Ở lõi của các ngôi sao, áp suất khổng lồ ép chúng lại đủ gần để hợp nhất, nhưng không thể tạo ra áp suất lớn như vậy trên Trái Đất. Thay vào đó, các nhà khoa học buộc phải sử dụng nhiệt độ cực cao. Plasma của lò ITER cần đạt nhiệt độ 132 triệu độ C, nóng hơn gấp 10 lần lõi Mặt Trời. Việc đáp ứng những điều kiện trên trở thành thách thức trong thời gian dài. Trong suốt nhiều năm, các thí nghiệm nhiệt hạch lập kỷ lục về nhiệt độ plasma, mật độ plasma hoặc thời gian hãm, nhưng không phải cả ba cùng lúc.

Tính đến nay, chưa có lò tokamak nào (lò phản ứng hình bánh vòng giống ITER) thỏa mãn được tất cả điều kiện phù hợp nhằm đạt điểm trung hòa, khi năng lượng sinh ra từ phản ứng bằng năng lượng cần dùng để làm nóng plasma, dẫn tới tỷ số giữa hai mức năng lượng (gọi là Q) bằng 1. Giá trị Q tốt nhất mà một lò tokamak từng đạt được là 0,67 vào năm 1997.

Mục tiêu cuối cùng là sản xuất năng lượng đầu ra nhiều hơn năng lượng đầu vào thậm chí còn khó khăn hơn nữa, một phần do lò phản ứng nhiệt hạch cần lượng điện khổng lồ để vận hành liên tục. ITER được thiết kế để đạt giá trị Q ít nhất là 10. Ở mức đó, plasma sẽ bắt đầu bốc cháy, sản sinh phần lớn lượng nhiệt cần thiết để duy trì phản ứng.

Giống như nhiều dự án kỹ thuật lớn, ITER phải đương đầu với nhiều năm trì hoãn, chi phí tăng vọt và yếu kém trong khâu quản lý, theo một đánh giá vào năm 2013. Tuy nhiên, từ khi Bigot nhận chức vào năm 2015, ITER đã quay lại đúng tiến độ. Hồi tháng 4/2022, Hàn Quốc cung cấp bộ phận nặng 485 tấn của buồng chân không. Quá trình lắp đặt nam châm điện solenoid trung tâm cao 18 m do Mỹ chế tạo sẽ bắt đầu sớm nhất vào cuối năm sau.

Những thử nghiệm quan trọng ở nhiều lò phản ứng quy mô nhỏ hơn giúp kiểm định các quyết định thiết kế chủ chốt trong dự án ITER. Vào năm 2021, lò phản ứng Joint European Torus (JET) ở Culham, Anh, lập kỷ lục về tổng năng lượng giải phóng bởi plasma ở lò phản ứng nhiệt hạch trong một lần chạy, 9 megajoule trong thử nghiệm kéo dài 5 giây. Đặc biệt, JET sử dụng cùng nhiên liệu deuterium - tritium và cùng loại vật liệu lát thành trong buồng chân không như ITER. Các nhà nghiên cứu hy vọng ITER có thể sản xuất nhiều năng lượng gấp hàng nghìn lần JET trong mỗi lần chạy.