Giấc mơ nhiệt hạch – “con ngựa bất kham” hay “lời nguyền 30 năm” trong khoa học

Phản ứng nhiệt hạch từ lâu được xem như “chén thánh” trong các nghiên cứu về năng lượng bởi nó hứa hẹn như một nguồn năng lượng gần như vĩnh cửu, đồng thời sạch và an toàn. Ấy thế mà kể từ những năm 1920, khi nhà vật lý Arthur Eddington lần đầu tiên đề xuất mô hình phản ứng nhiệt hạch cho tới nay, nó vẫn còn nằm ở đâu đó trong giấc mơ của các nhà khoa học học và những bộ phim viễn tưởng. Người ta cứ hứa hẹn 30 năm sẽ được nhưng từ đó đến nay đã sắp 4 cái “30 năm” như thế rồi. Vậy chúng ta đang đứng đâu trong lời nguyền 30 năm của giới khoa học này?

Nhiệt hạch – “con ngựa bất kham”

Về bản chất thì phản ứng nhiệt hạch khá đơn giản. Bạn chỉ cần lấy 2 đồng vị của hydro và “đập” chúng vào nhau với sức mạnh lớn hơn lực đẩy của chúng. 2 nguyên tử này sẽ vượt qua lực đẩy tự nhiên của chúng và hợp nhất lại, đồng thời giải phóng một lượng năng lượng cực kỳ lớn. Bởi thế nên người ta còn gọi đây là các phản ứng hợp hạch cũng vì lẽ đó. Nhưng để thu được nhiều thì cũng cần phải bỏ ra nhiều và trong những thập kỷ qua, các nhà khoa học luôn vật lộn với vấn đề năng lượng cung cấp và giữ cho nhiên liệu hydro đạt tới nhiệt độ trên 150 triệu độ F (khoảng 83 triệu độ C).

phan_ung_nhiet_hach_Tinhte_1.
Bên trong lò phản ứng JET kiểu tokamak

Cho tới nay, thành công lớn nhất của các thử nghiệm hợp hạch hạt nhân chính là tạo thành plasma tại 900 triệu độ F (gần 500 triệu độ C) và giữ được plasma trong 3,5 phút. Tuy nhiên, đây là 2 thành công riêng biệt về mặt nhiệt độ và thời gian, diễn ra trong 2 thử nghiệm tại 2 lò phản ứng khác nhau. Một trong những tiến bộ gần đây nhất là tại Đức, các nhà khoa học đã cho khởi động lò phản ứng Wendelstein 7-X và trong đợt chạy thử, nó đã tạo ra plasma ở 180 triệu độ F (gần 100 triệu độ C). Trong khi đó, một lò phản ứng khác là EAST ở Trung Quốc được cho là đã duy trì phản ứng hợp hạch trong 102 giây mặc dù mức nhiệt độ ở đây thấp hơn.

Tuy nhiên, mặc dù đã có những bước tiến lớn nhưng các nhà nghiên cứu bây giờ lại tiếp tục ca lên điệp khúc “còn 30 năm nữa” mới hoàn thành một lò phản ứng nhiệt hạch hoàn thiện. Và ngay cả khi các nhà khoa học tin rằng họ đang ngày ngày bước trên con đường chạm tới “chén thánh” của họ thì một cách khách quan mà nói thì chúng ta thậm chí còn chưa biết được còn gì nữa mà chúng ta chưa biết. Đó mới là thứ đáng sợ nhưng mang tính kích thích cao độ trong khoa học!

ITER – hy vọng mới của nhân loại hay “hứa thật nhiều thất hứa thật nhiều”

Người ta gọi các lò phản ứng thử nghiệm Wendelstein 7-X và EAST là những “bước đột phá” trong quá trình kiểm soát phản ứng nhiệt hạch. Và không chỉ riêng các lò phản ứng này mà người ta cứ dùng từ “bước đột phá” khi nói tới những thí nghiệm nhiệt hạch. Nhưng mỉa mai thay, đó chỉ là “bước đi chập chững ” của một đứa trẻ trong quá trình nghiên cứu và có lẽ, phải có hàng chục “đột phá” thì mới tạo nên thành công.

phan_ung_nhiet_hach_Tinhte_9.
Plasma đầu tiên được tạo ra ra từ nhiên liệu hydro tại lò phản ứng Wendelstein 7-X, nhiệt độ trong lò vượt quá mức 94 triệu độ C

Mark Herrmann, giám đốc phòng thí nghiệm National Ignition Facility (NIF), Mỹ cho rằng: “Tôi không nghĩ rằng chúng ta đang đứng trước một cái ngưỡng mà chính chúng ta biết rằng cần phải làm gì đó để vượt qua nó. Chúng ta vẫn còn đang học về cái gì gọi là khoa học. Chúng ta có thể loại bỏ một số nhiễu loạn, nhưng nếu chúng ta loại bỏ hết chúng thì sẽ còn nhiều thứ khác ẩn chứa đằng sau chúng. Và gần như chắc chắn rằng chúng ta chưa biết được con đường đi tìm giải pháp sẽ khó khăn đến mức nào.”

Và trong nỗ lực vượt qua cái ngưỡng ấy, các nhà khoa học trên toàn cầu đã cùng nhau chung tay tạo nên một lò phản ứng lớn nhất thế giới và họ tin rằng nhờ đó, chúng ta sẽ có nhận thức tốt hơn về những cái sẽ đối mặt trong vài thập kỷ tới mặc dù thật ra, ta chưa biết đó là gì. Với tên gọi, ITER, đây sẽ lò phản ứng kế thừa, kết hợp tất cả những gì nhân loại đã biết về phản ứng nhiệt hạch. ITER đại diện cho hy vọng lớn nhất hiện nay của các nhà khoa học là đạt tới điểm hòa vốn, nôm na là số năng lượng đưa vào để tạo phản ứng bằng với lượng năng lượng sinh ra nhằm tạo thành một phản ứng tự duy trì. Và phải đạt tới điểm hòa vốn này thì mới loài người mới xác tín rằng những nhà máy điện nhiệt hạch là khả thi, là có thể “sinh lời”.

Tuy nhiên, vì những thất bại và tranh chấp về thiết kế mà dự án xây dựng ITER đã bị chậm lại. Thậm chí phía Mỹ đã đe dọa sẽ cắt nguồn viện trợ cho dự án. Và đây cũng chính là những vấn đề về ngân sách có thể dẫn tới tái diễn điệp khúc “30 năm nữa”. Tuy nhiên, còn nhiều yếu tố khách quan từ tình hình toàn cầu đã khiến cho nguồn đầu tư vào khoa học bị ảnh hưởng. Hóa ra một chuỗi dài những “đột phá” trong suốt thập kỷ qua đã dẫn tới những thách thức còn lớn hơn nữa, phức tạp hơn nữa và lời hứa về một lò phản ứng nhiệt hạch có thể vẫn chỉ là lời hứa.

Vậy người ta cần gì ở nhiệt hạch?

Để đạt được cái điểm hòa vốn thì cần giải quyết được 2 vấn đề: tạo điều kiện xảy ra phản ứng và giữ cho nó tiếp tục. Trước tiên, để tạo ra năng lượng từ phản ứng nhiệt hạch, bạn cần phải cung cấp một lượng năng lượng đủ lớn để xúc tác quá trình hợp hạch hạt nhân với tốc độ đủ nhanh. Một khi đã vượt qua ranh giới này thì plasma nóng chảy sau đó phải được “chứa” an toàn để nó giữ ổn định ở trạng thái đó bởi nếu chỉ cần có một sơ suất nhỏ, phản ứng sẽ thất bại.

phan_ung_nhiet_hach_Tinhte_8.
Quá trình lắp đặt thiết bị giam giữ plasma tại lò phản ứng Wendelstein 7-X

Để giải quyết vấn đề “bắt giữ” plasma, hầu hết các thiết bị phản ứng đều sử dụng từ trường cực mạnh để “treo lơ lửng” plasma trên không trung để ngăn nhiệt lượng cực lớn từ plasma làm các bức tường nóng chảy. Hãy tưởng tượng đó là chiếc bánh donut khổng lồ và “các thiết bị chứa bằng từ trường” sẽ được bố trí thành một vòng xung quanh plasma để tạo ra từ trường giữ plasma lại ở chính giữa. Các nhà khoa học Nga đã lần đầu tiên đề xuất thiết kế này vào những năm 1950 mặc dù nhiều thập kỷ sau họ mới thật sự làm ra được một thiết bị như vậy.

Nhằm tạo ra plasma thật sự trong một thiết bị cần có 2 từ trường: một cái bao bọc xung quanh plasma và một cái còn lại hướng theo vòng nhẫn xung quanh. Hiện nay có có 2 kiểu lò phản ứng nhiệt hạch theo phương pháp tạo từ trường là tokamak và stellarator. Sự khác nhau giữa 2 lò này là khá nhỏ nhưng chúng đều hứa hẹn sẽ trở thành những thiết bị thành công trong tương lai. Sự khác nhau cơ bản nhất trong thiết kế của 2 kiểu lò này chính là cách mà chúng tạo ra vòng từ trường. Lò Tokamaks tạo ra từ trường bằng cách cho một dòng điện chạy qua plasma, trong khi stellarator sử dụng các nam châm bên ngoài để tạo nên từ trường vòng xuyến để bọc lấy plasma.

phan_ung_nhiet_hach_Tinhte_10.
Một trong 5 thành phần bao quanh lò phản ứng Wendelstein 7-X, ảnh chụp quá trình xây dựng

Theo giáo sư Hutch Neilson tại Phòng thí nghiệm vật lý plasma Princeton, nhìn chung thì lò stellarator ổn định hơn nhưng cũng khó chế tạo hơn và cũng tương đối ít các nghiên cứu tiến hành dựa trên thiết kế lò này. Ngược lại thì Tokamak đơn giản và dễ xây dựng hơn mặc dù nó tồn tại nhiều vẫn đề về độ ổn định khi tạo ra phản ứng. Ở hiện tại, không rõ rằng trong số 2 kiểu lò này ai sẽ là người chiến thắn hoặc nói chính xác hơn là cái nào sẽ giúp các nhà khoa học chạm tay tới chén thánh. Và bởi thế, các nhà khoa học vẫn tiếp tục xây dựng và tiến hành nghiên cứu ở cả 2.

Neilson chia sẻ: “Hiện tại vẫn còn thiếu giải pháp, vì vậy chúng ta vẫn trông cậy vào cả 2 kiểu lò này như một cách thực tế và đầy hứa hẹn để thu hẹp khoảng cách tới thành công. Gần đây, lò phản ứng nhiệt hạch lớn nhất thế giới là Joint European Torus (JET), một lò phản ứng kiểu tokamak được xây dựng tại Anh và hỗ trợ bởi liên minh châu Âu. Dự án JET được bắt đầu vào thập niên 1970 và lần đầu tiên cho chạy vào năm vào năm 1983, sau đó thành công trong việc tạo ra plasma, cái mà khi đó người ta gọi là “bước đột phá”. Với hàng loạt những cập nhật từ những năm 1980 cho tới nay, JET đã trở thành lò phản ứng nhiệt hạch lớn nhất thế giới và hiện nay vẫn đang giữ kỷ lục tạo ra năng lượng nhiều nhất từ phản ứng hợp hạch ở 16 MW.

ITER – niềm hy vọng mới

Và để đạt được những cột mốc quan trọng khác trong tương lai, chúng ta phải đợi ITER. Trong tiếng Latin, ITER là “con đường” và bởi thế, nó là lò phản ứng lớn nhất, mạnh mẽ nhất thế giới và dự kiến sẽ vượt qua được các giới hạn trước đây. Theo kế hoạch, ITER sẽ có khả năng sản sinh ra 500MW năng lượng từ đầu vào chỉ có 50MW và có thể giữ plasma trong vòng 1 giờ hoặc nhiều hơn. Lượng năng lượng này để để cung cấp cho toàn bộ 50.000 hộ gia đình. Dựa trên thiết kế của tokamak, dự án ITER là sự kết hợp nghiên cứu giữu liên minh châu Âu và 6 nước khác, bao gồm cả Mỹ, để cùng nhau đóng góp nguồn lực, năng lực chuyên môn để xây dựng nên một lò phản ứng mà theo họ sẽ biến giấc mơ nhiệt hạch thành hiện thực.

phan_ung_nhiet_hach_Tinhte_7.
Một trong những sợi cáp được dùng nhằm tạo ra từ trường hình xuyến trong ITER

Theo Duarte Borba, nhà nghiên cứu tại EUROfusion, thì trong những vấn đề mà dự án phải đối mặt chính là kích thước của công nghệ lò phản ứng hiện tại và ITER buộc phải vượt qua được điều đó. Cụ thể, khi lò phản ứng lớn hơn, chúng sẽ trở nên ổn định hơn và có thể sẽ đạt được nhiệt độ cao và đây chính là 2 yếu tố quan trọng trong quá trình thực hiện phản ứng hợp hạch. ITER được xem như dự án kế thừa những gì mà JET đã đạt được và đưa những công nghệ sẵn có trước đây lên một tầm cao mới. Điều đó bao gồm hệ thống tưới vonfram và berili để thu giữ năng lượng trong lò phản ứng, đồng thời tăng cường khả năng kiểm soát phản ứng từ xa.

Ngoài ra ITER cũng sử dụng một nam châm siêu dẫn để tạo nên từ trường thay vì sử dụng cuộn đồng như trước. Cách sử dụng nam châm mới sẽ giảm lượng năng lượng tiêu thụ của các thiết bị tạo phản ứng và từ đó hứa hẹn tạo nên plasma trong thời gian lâu hơn. Hiện tại JET chỉ có thể tạo nên plasma trong một khoảng khắc ngắn ngủi, đồng thời cũng không thể duy trì năng lượng ở mức cao để đạt tới mức khả dụng.

Sự hợp tác chính là chìa khóa của vấn đề

Giáo sư Borba nhận định rằng sự tiến bộ do JET và cả ITER đạt được có thể không chỉ là trình độ khoa học mà còn có mặt tiêu cực là sự quan liêu tự nhiên của các thành viên. Bởi lẽ dự án được phát triển bởi nhiều quốc gia nên JET, lại diễn ra trên quy mô lớn, kéo dài nhiều năm nên dễ dẫn tới sự quan liêu hình thành. Với cái giá dự kiến của dự án vào khoảng 15 tỷ đô la, cộng với rất nhiều trang thiết bị rất khó mua, phức tạp nên cần phải có sự nỗ lực hợp tác của nhiều nước mới làm được. Mỗi quốc gia thành viên phải cung cấp các nhà nghiên cứu và trang bị với hy vọng rằng rồi đây sẽ cùng nhau thụ hưởng thành quả khi thành công.

So_do_Tinhte.
Hình ảnh phân chia công việc của các quốc gia trong quá trình xây lò ITER

Sự quan liêu tự nhiên của ITER đã khiến quá trình xây dựng trở nên trì trệ lại so với kế hoạch. Mục tiêu được đặt ra là phải có đầy đủ các thành phần của lò cùng một lúc để xây dựng, nhưng mỗi quốc gia lại có điều kiện chính trị, kinh tế đặc thù, thường xuyên biến động dẫn tới chậm trễ cục bộ và toàn cục dự án. Khi ITER lần đầu tiên được chính thức chấp thuận vào năm 2006, người ta dự kiến rằng phản ứng sẽ được thực hiện vào năm 2016 này nhưng có vẻ như mọi thứ lại không như mong đợi. Và cho tới nay, khi mà chưa có thành công nào được thực hiện thì người ta có thể sẽ hẹn 10 năm nữa và lỗi ở đây được đổ cho thiếu thiết bị, thiếu sự đồng thuận về thiết kế nhưng bản chất chính là sự hợp tác.

Cần lắm một sự hợp tác từ quốc tế

Để xây dựng thành công lò phản ứng nhiệt hạch nhằm giải quyết nhu cầu năng lượng vốn đang ngày càng cấp bách thì mỗi ITER cũng chẳng đủ. Mặc dù ITER đại diện cho sự tiến bộ thần kỳ của thiết kế lò phản ứng, nhưng ITER không phải là mục tiêu, là cái đích cuối cùng trong quá trình nghiên cứu phản ứng hợp hạch. Nếu mọi thứ diễn ra đúng kế hoạch, ITER sẽ mở đường cho sự ra đời của một lò phản ứng khác là DEMO – được hứa hẹn là sự mở rộng một cách hoàn hảo những thành tựu mà ITER đạt được trên quy mô công nghiệp, hứa hẹn sẽ đưa năng lượng nhiệt hạch vào sử dụng rộng rãi.

phan_ung_nhiet_hach_Tinhte_2.
Lò phản ứng JET nhìn từ bên trong

Cùng lúc ấy, hàng loạt các lò phản ứng sẽ xuất hiện trên khắp thế giới dựa trên khuôn mẫu mà ITER đã làm nên. Nói cách khác, cả thế giới cần cùng nhau thực hiện mục tiêu phổ cập năng lượng nhiệt hạch, một cuộc chạy đua năng lượng của tương lai. Mặt khác, bằng cách này, mỗi quốc gia có nhà máy nhiệt hạch lại tiếp tục nghiên cứu, hoàn thiện và đóng góp vào sự hoàn thiện chung của công nghệ năng lượng nhiệt hạch toàn cầu.

Trong khi ITER đang tiếp cận vấn đề phản ứng nhiệt hạch dựa trên giải pháp quy mô lò thì các dự án nhiệt hạch đến từ châu Á đang cố gắng giữ plasma với thời gian ngày càng lâu hơn nhờ vào những ích lợi từ việc sử dụng nam châm siêu dẫn. Còn ở Đức thì lò phản ứng Wendelstein 7-X lại đang tiếp tục đẩy giới hạn của kiểu lò stellarator lên một tầm cao mới nhằm đạt tới việc duy trì phản ứng một cách ổn định hoàn toàn. Các nghiên cứu nhiệt hạch trên toàn sẽ có những bước thành công lớn hơn nếu có một sự hợp tác từ cộng đồng quốc tế và nếu như càng nhiều quốc gia tham dự vào thì bài toán sẽ nhanh chóng có đáp án hơn.

Ngày nay, có những thử nghiệm nhiệt hạch đang được tiến hành ở Mỹ, Đức, Anh, Ấn Độ, Pháp, Nhật và vài nước khác. Nhưng sắp tới sẽ còn nhiều lò phản ứng hơn đang được lên kế hoạch hoặc đang trong quá trình xây dựng. Dù vậy, theo các nhà nghiên cứu thì điều đó vẫn chưa đủ. Nhà nghiên cứu Neilson cho biết: “Đối với vấn đề phức tạp và đầy tính thử thách như nhiệt hạch, bạn cần có thêm nhiều thử nghiệm nhằm thử nhiều khía cạnh khác nhau của vấn đề hơn là trông cậy vào những cái đã có.”

Giấc mơ nhiệt hạch – không chỉ là vấn đề khoa học

Câu hỏi cuối cùng được đặt ra chính là nguồn tài trợ cho các nghiên cứu. Nhiều nguồn tin cho rằng chỉ cần có thêm tài trợ thì tiến trình nghiên cứu sẽ được đẩy nhanh hơn. Trớ trêu thay là việc xin tài trợ khoa học đã khó thì đối với nhiệt hạch nó càng khó hơn do quy mô thử nghiệm kéo dài tới nhiều năm. Mặc dù những lợi ích mà nó hứa hẹn là không hề nhỏ, đồng thời các giải pháp năng lượng mới vẫn còn khan hiếm, biến đổi khí hậu lại diễn biến thất thường nhưng cần lắm những thành quả bước đầu để người ta có thể tin cậy đầu tư tiếp vào quá trình “thuần hóa con ngựa bất kham này”.

phan_ung_nhiet_hach_Tinhte_6.

Được biết tính riêng ở Mỹ, các nghiên cứu về phản ứng nhiệt hạch đã nhận được số tiền 600 triệu đô mỗi năm và con số này bao gồm cho dự án ITER. Tuy nhiên đây vẫn là con số rất nhỏ so với số tiền 3 tỷ đô la mà Bộ năng lượng Mỹ yêu cầu cho các nghiên cứu năng lượng hồi năm 2013. Và nêu tỷ lệ cho dễ hình dung, lượng tiền đồ vào các nghiên cứu nhiệt hạch tại Mỹ chỉ chiếm 8% trong tổng số đầu tư khoa học. Tiền đôi khi chính là rào cản cho những bước đột phá trên quy mô lớn trong khoa học.

Theo giáo sư Thomas Pedersen, trưởng bộ phận tại viện Max Planck cho biết: “Nếu bạn quan sát dưới góc ngân sách chi cho năng lượng thì con số đầu tư cho nhiệt hạch không quá lớn. Nếu bạn so sánh nó với các dự án nghiên cứu khác, nó có vẻ khá mắc nhưng nếu bạn so nó với việc sản xuất dầu hoặc các cánh đồng gió,… thì nó ít hơn rất nhiều.”

Vậy liệu tiền có thật sự giúp con người chạm tới giấc mơ nhiệt hạch, hóa giải lời nguyền 30 năm vẫn luôn đeo bám công nghệ năng lượng của tương lai này? Câu trả lời còn phụ thuộc vào kinh tế, chính trị, xã hội chứ không chỉ riêng về khoa học kỹ thuật. Và để khép lại bài viết dài hơi này, xin được nhắc lại lời của nhà vật lý Liên Xô Lev Artsimovich, cha đẻ có lò phản ứng Tokamak: “Nhiệt hạch sẽ sẵn sàng khi nào xã hội cần nó.” Quả vậy!

Theo Tinh Tế

Advertisements

Posted on May 1, 2016, in Khoa học. Bookmark the permalink. Leave a comment.

Leave a Reply

Fill in your details below or click an icon to log in:

WordPress.com Logo

You are commenting using your WordPress.com account. Log Out / Change )

Twitter picture

You are commenting using your Twitter account. Log Out / Change )

Facebook photo

You are commenting using your Facebook account. Log Out / Change )

Google+ photo

You are commenting using your Google+ account. Log Out / Change )

Connecting to %s

%d bloggers like this: