Khát vọng về nguồn năng lượng sạch đã thúc đẩy cuộc đua của nhiều quốc gia trên thế giới như Trung Quốc, Hàn Quốc, Anh…
Nguồn năng lượng sạch vô hạn
“Mặt trời nhân tạo” được dùng cho dự án xây dựng lò phản ứng thực nghiệm tiên tiến siêu dẫn tokamak (EAST), đang thử nghiệm tại Viện Vật lý Plasma thuộc Viện Hàn lâm Khoa học, thành phố Hợp Phì, Trung Quốc. Đây là một cơ sở nghiên cứu phản ứng tổng hợp hạt nhân, có thể đạt nhiệt độ 100 triệu độ C và công suất sinh nhiệt 10 megawatt.
Mục đích của EAST là tái tạo quá trình phản ứng tổng hợp hạt nhân cũng là phản ứng cung cấp năng lượng cho Mặt trời. Tháng 12/2020, EAST đã được đóng điện thành công, là cột mốc quan trọng trong sự phát triển năng lực nghiên cứu điện hạt nhân của Trung Quốc.
Mặt trời tạo ra năng lượng thông qua phản ứng nhiệt hạch hạt nhân. Bên trong Mặt trời, các nguyên tử hydro va chạm với nhau và hợp nhất ở nhiệt độ cực cao, khoảng 15 triệu độ C, dưới áp suất khổng lồ.
Mỗi giây, 600 triệu tấn hydro được hợp nhất tạo thành hạt nhân heli. Trong quá trình này, một phần khối lượng của nguyên tử hydro trở thành năng lượng, gọi là phản ứng nhiệt hạch hạt nhân.
Phản ứng nhiệt hạch xảy ra trong một trạng thái vật chất gọi là plasma, một chất khí nóng, tích điện được tạo thành từ các ion dương và các electron chuyển động tự do có những đặc tính riêng biệt với chất rắn, chất lỏng và chất khí.
Để tổng hợp, các hạt nhân cần phải va vào nhau ở nhiệt độ rất cao, trên 10 triệu độ C, Một khi các hạt nhân vượt qua tương tác đẩy này và đến một phạm vi rất gần nhau, lực hạt nhân hấp dẫn giữa chúng sẽ lớn hơn tương tác đẩy và cho phép hợp nhất. Trên Mặt trời, áp suất cực lớn do lực hấp dẫn cực lớn tạo điều kiện cho phản ứng nhiệt hạch xảy ra.
Sở dĩ EAST được gọi là “Mặt trời nhân tạo” bởi mô phỏng phản ứng nhiệt hạch diễn ra sâu bên trong lõi Mặt trời và các ngôi sao. Phản ứng này tạo ra nguồn năng lượng cao mà không tạo ra lượng lớn chất thải.
Trước đây, năng lượng được tạo ra thông qua quá trình phân hạch hạt nhân, trong đó hạt nhân của nguyên tử nặng bị tách thành hai hoặc nhiều hạt nhân của nguyên tử nhẹ hơn. Quá trình phân hạch dễ thực hiện song tạo ra nhiều chất thải hạt nhân.
Khác với quá trình phân hạch, phản ứng nhiệt hạch không thải ra khí nhà kính nên được coi là quá trình an toàn hơn với nguy cơ tai nạn thấp. Khi kết hợp các nguyên tử để sản xuất một nguồn năng lượng lớn, lò phản ứng EAST tạo ra loại khí nóng bị ion hóa mang tên plasma bằng cách sử dụng deuteri và triti sẵn có trong nước biển.
Nếu thành công, phản ứng nhiệt hạch hạt nhân có thể cung cấp năng lượng sạch không giới hạn với chi phí thấp. Nó cũng thay thế các lò phản ứng phân hạch và nhiên liệu hoá thạch thông thường trong tương lai.
Các kỷ lục trên khắp thế giới
Khát vọng nguồn năng lượng sạch vô hạn không chỉ phổ biến tại Trung Quốc mà đã lan rộng trên thế giới. Nhiều thiết bị thử nghiệm tương tự EAST đang hoạt động tại Hàn Quốc, Anh, Đức… và đạt nhiều bước tiến lớn.
Trở lại năm 1985, các nhà khoa học Trung Quốc dự định tạo ra Mặt trời nhân tạo với sự phối hợp giữa 35 quốc gia và khối bao gồm Trung Quốc, Liên minh châu Âu, Ấn Độ, Nhật Bản và Nga. Các nước đã đạt thoả thuận phát triển thiết bị phản ứng nhiệt hạch đầu tiên trên thế giới.
Trung Quốc bắt đầu tách riêng chế tạo mẫu thử nghiệm lò phản ứng siêu dẫn tiên tiến (EAST) năm 1999. Trong vòng vài năm, các nhà khoa học đã vượt qua hàng loạt khó khăn kỹ thuật và phát triển các vật liệu siêu dẫn chất lượng cao, đáp ứng nhu cầu trong nước và các yêu cầu xuất khẩu.
Theo kế hoạch, quá trình phát triển “Mặt trời nhân tạo” sẽ hoàn thành vào năm 2025 và năng lượng nhiệt hạch sẽ được sử dụng cho mục đích thương mại vào khoảng năm 2050.
Ngày 30/12/2021, EAST đã duy trì plasma nóng tới 70 triệu độ C trong 1.056 giây. Đây là thời gian duy trì liên tục plasma siêu nóng lâu nhất so với tất cả các lò phản ứng Tokamak trên thế giới.
Giờ đây, EAST đã hoàn thành cả ba mục tiêu riêng biệt là đạt dòng điện một triệu ampe, thời lượng duy trì plasma siêu nóng trên 1.000 giây và nhiệt độ trên 100 triệu độ C. Nhiệm vụ cuối cùng là đạt cùng lúc ba mục tiêu đó trong một lần thử nghiệm.
Năm 2007, Hàn Quốc đã cho hoạt động lò phản ứng KSTAR, được ví như “Mặt trời nhân tạo” của Hàn Quốc. KSTAR tạo ra luồng plasma đầu tiên năm 2008
Năm 2016, KSTAR thiết lập kỷ lục thế giới khi duy trì luồng plasma nóng 50 triệu độ C trong 70 giây. Ngày 25/11/2021, lò phản ứng tiếp tục tạo kỷ lục duy trì luồng plasma siêu nóng suốt 30 giây. Nhưng kỷ lục này đã bị “soán ngôi” bởi hoạt động của EAST, Trung Quốc.
Còn tại Đức, năm 2017, các nhà khoa học đã khởi động cỗ máy Synlight, được mệnh danh là “Mặt trời nhân tạo lớn nhất thế giới”, có thể tạo ra năng lượng lớn gấp 10.000 lần bức xạ Mặt trời chiếu đến Trái đất và đạt nhiệt độ 3.000 độ C.
Trong khi đó, tháng 7/2021, công ty Tokamak Energy, Anh, ra mắt thiết bị tổng hợp hạt nhân hay còn gọi là phản ứng nhiệt hạch. Lò phản ứng này giải phóng năng lượng khổng lồ, chỉ lạnh đi khi bị trục trặc.
Nguồn nhiên liệu của lò phản ứng này không tạo ra khí thải và có chi phí rẻ bởi vật liệu thô là hydro có thể khai thác từ nước biển. Phiên bản nhỏ di động của lò phản ứng có thể cung cấp năng lượng cho máy bay và tàu container, giúp giảm đáng kể lượng khí thải CO2.
