Thursday, February 10, 2005

Bao giờ thế giới sẽ có điện nhiệt hạch?



Châu Âu vẫn tin tưởng về việc sẽ được lựa chọn là nơi xây dựng Iter, lò phản ứng nhiệt hạch, hay tổng hợp hạt nhân lớn nhất thế giới. Đây là tuyên bố của ông Busquin, uỷ viên nghiên cứu của EU, tại lễ kỷ niệm 25 năm ngày thành lập Trung tâm Nhiệt hạch Jet của châu Âu.

Vấn đề chưa ngã ngũ



Jet, ngôi sao của châu Âu, có thể sản xuất plasma.

Jet là một trong những cơ sở nghiên cứu nhiệt hạch hàng đầu thế giới và hiện giữ kỷ lục về sản xuất năng lượng nhiệt hạch. Nằm tại Culham, Oxfordshire (Anh), đây là dự án hợp tác giữa mọi tổ chức nhiệt hạch của châu Âu, tham gia nghiên cứu công nghệ và vật lý. Thủ tướng Anh Tony Blair đã gửi điện chúc mừng những thành tựu của dự án Jet mà có thể giúp giảm sử dụng nhiên liệu hoá thạch trong sản xuất điện năng.

Tại lễ kỷ niệm, ông Busquin tái khẳng định vị trí của Jet là đầu tàu trong tiến trình sản xuất năng lượng sạch, rẻ, an toàn và khả thi về thương mại. Tuy nhiên, quyết định về việc liệu dự án Iter - lò phản ứng thí nghiệm nhiệt hạch quốc tế - được xây dựng ở Rokkasho-mura ở Nhật Bản hoặc Cadarache ở Pháp đã bị trì hoãn nhiều lần. Iter sẽ có kích cỡ lớn gấp hơn hai lần Jet và sản xuất 500 megawatt điện nhiệt hạch trong 500 giây. Ông Blair hy vọng rằng vấn đề sẽ được giải quyết trong vài tháng tới.

Kế hoạch tiếp cận rộng hơn đối với dự án Iter và sự hỗ trợ công nghệ liên quan (vị trí của các địa điểm nghiên cứu mở rộng và trung tâm dữ liệu, trong đó có cả cơ sở phát triển vật liệu nhiệt hạch quốc tế ) có ý nghĩa tối quan trọng đối với quyết định này. Liên minh châu Âu, Nga và Trung Quốc muốn Pháp giành thắng lợi song Hàn Quốc và Mỹ lại muốn Iter đươc xây dựng ở Nhật Bản. Theo một số người sở dĩ Mỹ không ủng hộ Pháp là do lập trường của Pháp trong cuộc chiến tranh tại Iraq.

Ngôi sao trên Trái đất và tương lai của thế giới

Iter là dự án hợp tác phát triển và nghiên cứu quốc tế lớn nhất thế giới sau Trạm Vũ trụ quốc tế (ISS). Về mặt vật lý và mức năng lượng khổng lồ liên quan, Iter sẽ tương tự việc xây dựng một ngôi sao trên Trái đất. Nó sẽ là thiết bị nhiệt hạch đầu tiên sản xuất điện năng ở cấp nhà máy điện thông thường và sẽ mở đường cho việc sản xuất điện thương mại. Có thể nói, Iter là thí nghiệm lớn cuối cùng trước khi một nhà máy điện nhiệt hạch thương mại chính thức được xây dựng trên thế giới. Nó là dự án hợp tác giữa Liên minh châu Âu, Nhật Bản, Nga, Canada, Trung Quốc, Hàn Quốc và Mỹ.

Mục đích của lò phản ứng Iter là tái tạo trên Trái đất tiến trình cung cấp năng lượng cho Mặt trời và những vì sao khác: phản ứng nhiệt hạch. Trong phản ứng nhiệt hạch (nguồn năng lượng của các ngôi sao giống như Mặt trời) năng lượng được tạo ra khi các nguyên tử nhẹ - đồng vị của hydro - kết hợp với nhau để hình thành nguyên tử nặng hơn và giải phóng một lượng nhiệt khổng lồ.

Mặt trời có một lò phản ứng tổng hợp hạt nhân ở lõi. Áp lực lớn và nhiệt độ 16 triệu độ C buộc hạt nhân nguyên tử hoá hợp và giải phóng năng lượng. Ước tính có bốn tỷ tấn vật chất được biến thành ánh sáng mặt trời mỗi giây. Lò phản ứng nhiệt hạch là bước tiến quan trọng trong việc phát triển năng lượng hạt nhân. Nó không có khả năng gây ô nhiễm như lò phản ứng hạt nhân sử dụng plutonium và uranium hiện nay.

ITER sẽ là lò phản ứng nhiệt hạch đầu tiên tạo nhiệt. Nhiệt này có thể sánh với nhiệt được tạo ra từ các nhà máy nhiệt điện thông thường. Iter sẽ nung nóng hỗn hợp gồm deuterium và tritium - hai đồng vị của hydro - tới 200 triệu độ C. Các nam châm siêu dẫn sẽ giữ plasma trên ở giữa không trung trong lò phản ứng tokamak hình bánh rán.

Deuterium và tritium là nhiên liệu rẻ tiền và dồi dào. Deuterium được tách từ nước biển trong khi tritium được sản xuất từ nguyên tố phổ biến - lithium. Khi được nung nóng, hai nhiên liệu này sẽ hợp nhất với nhau để tạo helium và các neutron tốc độ cao. Nhiệt do neutron tạo ra sẽ được sử dụng để vận hành tua-bin. Một kilogan nhiên liệu nhiệt hạch sẽ tạo ra mức năng lượng tương đương mười triệu kg nhiên liệu hoá thạch.

Chinh phục nguồn năng lượng nhiệt hạch Trên trái đất có thể là một trong những lựa chọn tốt nhất bởi. Trong Mặt trời và các ngôi sao, lực hấp dẫn lớn tạo ra các điều kiện để quá trình hợp nhất nguyên tử xảy ra tự nhiên. Tuy nhiên, trên Trái đất, đạt được những điều kiện này là khó khăn hơn và phải sử dụng các phương pháp thay thế. Để sử dụng phản ứng nhiệt hạch như một nguồn năng lượng, cần nung nóng một loại khí tới nhiệt độ vượt quá 100 triệu độ C, nóng hơn nhiều lần nhiệt độ ở trung tâm Mặt trời.

Jet đã nghiên cứu các yêu cầu kỹ thuật này trong 25 năm và phần thưởng sẽ rất hấp dẫn nếu có thể sản xuất điện nhiệt hạch thương mại. Khi vắng mặt lực hấp dẫn lớn mà tồn tại trong Mặt trời và các ngôi sao, có thể tạo ra điều kiện tổng hợp hạt nhân (kiểm soát được) trên Trái đất bằng cách sử dụng lực từ (nam châm) để nhốt nhiên liệu nhiệt hạch trong khi nung nóng nó bằng nhiều phương pháp.

Lịch sử năng lượng nhiệt hạch và Iter

Từ những năm 1950, các nhà khoa học trên khắp thế giới đã nỗ lực nghiên cứu nhằm chinh phục năng lượng nhiệt hạch để sử dụng cho các mục đích hoà bình. Họ đã đạt được nhiều tiến bộ trong việc hoá hợp, thiết kế và xây dựng nhiều thiết bị tổng hợp hạt nhân thí nghiệm nhằm kiểm tra lý thuyết và hiểu biết của mình. Các thế hệ lò phản ứng nhiệt hạch thí nghiệm hiện nay đã có thể tạo ra một lượng năng lượng nhỏ từ phản ứng tổng hợp hạt nhân. Iter được mong đợi sản xuất năng lượng hạt nhân ở cấp nhà máy điện nhiệt hạch nhỏ và giải quyết các vấn đề kỹ thuật liên quan tới việc làm cho nhiệt hạch trở thành nguồn năng lượng thực tiễn.

Iter được thiết kế như một ''tokamak'' - một lò phản ứng hình bánh rán nhằm tạo ra và duy trì các điều kiện cần cho phản ứng nhiệt hạch có kiểm soát. Khối lượng của plasma (hỗn hợp ion hoá nóng của hai đồng vị hydro - deuterium and tritium) trong Iter phải đủ lớn để đảm bảo đạt được các điều kiện nhân năng lượng cao. Các nam châm siêu dẫn nhốt và kiểm soát plasma và tạo ra một dòng điện chạy qua nó. Năng lượng sinh ra trong các phản ứng được hấp thụ bởi các thành phần lót ở mặt trong của bình. Những thành phần này còn duy trì sự tinh khiết của plasma. Một tấm chắn sinh học bao quanh nam châm và bình. Cấu trúc bê tông này cho phép nâng liều lượng phóng xạ tới mức cao song tránh kích hoạt thiết bị xung quanh, đồng thời cho phép nhân viên tiếp cận lò sau khi tokamak ngừng hoạt động

Một mục đích của Iter là thể hiện những đặc trưng hấp dẫn của năng nhiệt hạch từ quan điểm an toàn, do đó đặt ra một tiền lệ tốt đối với tính an toàn của lò phản ứng nhiệt hạch tương lai. Thiết kế Iter chịu được mọi nguy hiểm và giảm thiểu tác động môi trường tới mức có thể chấp nhận được, bao gồm các chất thải còn lại sau khi vận hành.

Minh Sơn (Tổng hợp)