Sunday, February 13, 2005

Fusion (hợp hạch) - năng lượng của tương lai


Fusion (nhiệt hạch): năng lượng của tương lai

Gần Rokkasho, phía bắc đảo Honshu, có một vùng đất gần như chưa khai phá bao phủ được bởi một thảm thực vật khá dầy, là nơi sinh sống của thỏ, cáo, và gấu đen châu Á. Thấp thoáng trong đám thực vật rậm ráp, người ta có thể nhìn thấy tấm biển hiệu trắng chỉ báo khu vực dành riêng một thí nghiệm khoa học đầy tham vọng. Nếu thành công, giá trị của thí nghiệm này đối với loài người có thể vượt qua cả sự kiện tàu Apollo đáp xuống mặt trăng những năm 60-70.


Tom Holland/ROKKASHO
Issue cover-dated November 04, 2004
Trịnh Minh Giang lược dịch

Từ nhiều thập kỷ nay, năng lượng nhiệt hạch luôn là mơ ước của các nhà vật lý nguyên tử. Nhiệt hạch là phản ứng tạo ra năng lượng cho mặt trời. Một khi sử dụng được nó, khủng hoàng năng lượng đe dọa nền kinh tế toàn cầu sẽ bị đẩy lùi.

Khác với năng lượng từ khí đốt, năng lượng nhiệt hạch không gây tác hại đối với môi trường. Nó cũng không làm tăng nguy cơ phát triển vũ khí hạt nhân như phản ứng phân hạt trong các nhà máy năng lượng hạt nhân, không gây rủi ro rò rỉ phóng xạ từ các phản ứng dây truyền, tạo ra rác thải phóng xạ ở cấp độ thấp. Nhiệt hạch hứa hẹn một nguồn cung cấp năng lượng an toàn, sạch và vô hạn cho các thế hệ tương lai.

Từ nhiều năm nay, nguồn năng lượng trong mơ ấy bị nhiều nhà khoa học cho rằng khó trở thành hiện thực. Mọi việc đã thay đổi khi các thí nghiệm ở Nhật và châu Âu cho thấy có thể làm được thiết bị gây ra phản ứng tạo năng lượng của mặt trời và năng lượng được tạo ra lớn hơn năng lượng tiêu thụ. Vướng mắc là các cỗ máy, với tên gọi tokamak (tiếng Nga), này sử dụng tới hạn hiện nay của vật lý nguyên tử và cực kỳ đắt tiền. Sẽ còn cần vài thập kỷ cho các thí nghiệm tốn kém khác trước khi thiết bị phản ứng nhiệt hạch có thể tạo ra điện thương phẩm.

Bởi không một chính phủ nào có khả năng gánh chi phí nghiên cứu một mình, liên hiệp 6 quốc gia đã đi đến thỏa thuận thành lập dự án trị giá 10 tỷ USD xây dựng thiết bị tokamak lớn nhất từ trước tới nay. Các nhà thiết kế hy vọng rằng Hệ thống thí nghiệm phản ứng nhiệt hạch quốc tế, gọi tắt là Iter, sẽ chứng minh được rằng nhiệt hạch hoàn toàn có khả năng cung cấp một nguồn năng lượng khả thi cho tương lai, mở đầu cho các chương trình xây dựng nhà máy điện nhiệt hạch vào giữa thế kỷ này.

Iter là nỗ lực hợp tác chung ngang tầm với Trạm không gian quốc tế hay của Phòng thí nghiệm hạt vật lý Cern ở Thụy Điển. Tuy nhiên, không giống với các dự án này, Iter không tập trung ở châu Âu hay trên trục xuyên Đại Tây Dương. Lần đầu tiên, các nước châu Á đóng vai trò chủ đạo. Nhật Bản đã từ lâu đi đầu trong nghiên cứu phản ứng nhiệt hạch. Các nhà khoa học và kỹ sư Nhật là hạt nhân của nhóm thiết kế Iter. Trung Quốc và Hàn Quốc cũng đã tham gia khối liên hiệp, bên cạnh Mỹ, Liên minh châu Âu và Nga tại bàn đàm phán tối cao về nghiên cứu khoa học. Mặc dù châu Á là những nhà tiên phong trong nghiên cứu nhưng việc xây dựng Iter tại châu Á còn là điều phải bàn cãi. Đại khoa học luôn đi đôi với chính trị và Rokkasho phải đối mặt với sự cạnh tranh mạnh mẽ từ một địa điểm khác: Cadarache, Pháp, mà EU ủng hộ.

Với ngân sách dự án 10 tỷ USD, người chiến thắng sẽ được hưởng lớn trên phương diện kinh tế và phát triển khoa học. Vì cả Nhật và Pháp đều không chịu nhượng bộ, các cuộc thượng lượng lâm vào bế tắc do các bên còn tranh cãi về địa điểm thực hiện dự án. Thời gian đang bị lãng phí. Nếu không sớm có một giải pháp vẹn toàn, nhiệt tình quốc tế đối với dự án có thể bị suy yếu mà không thể hồi phục lại. Yoshikazu Okumura, giám đốc văn phòng phát triển dự án Iter thuộc Viện nghiên cứu năng lượng nguyên tử Nhật Bản (JAERI), phát biểu rằng: "Tôi hy vọng chúng ta có thể đạt được một thỏa thuận vào cuối năm nay. Nếu không động lực sẽ mất và Iter có thể sẽ chẳng bao giờ xuất hiện. Tôi lo lắng về điều đó".

Bên cạnh những trở ngại chính trị, các nhà khoa học và kỹ sư của dự án Iter còn phải đối mặt với những rào cản công nghệ. Phản ứng nhiệt hạch dựa trên cơ sở hợp nhất các hạt nhân nhẹ như các đồng vị hydro (deuterium v à tritium) để giải phóng năng lượng, giống như năng lượng của mặt trời và các vì sao. Khí từ hỗn hợp các đồng vị hydro được đun nóng đến 100 triệu °C và được hãm ít nhất 1 giây. Hạt nhân của hai đồng vị hydro, deuterium (D) và tritium (T), va chạm và kết hợp tạo ra hạt nhân Heli (He) và bắn ra các hạt neutron (n) tự do với năng lượng cực lớn 17.6 MeV (2.8 pJ). [phương trình phản ứng: (D + T --> 4He(3.5 MeV) + n(14.1 MeV)]. Thu và biến đổi năng lượng từ các hạt neutron này thành nhiệt sẽ tạo ra nguồn năng lượng điện dồi dào trong tương lai.

Khó khăn nằm trong việc gắn và hợp nhất các nguyên tử hydro. Trên trái đất, việc này chỉ xảy ra với nhiệt độ trên 100 triệu°, hơn 6 lần nhiệt độ trung tâm mặt trời. Đây là một bài toán phức tạp nhưng không phải là không thể thực hiện. Ở nhiệt độ cao như vậy, nguyên tử khí bị tuột ra khỏi các electron bên ngoài, để lại hạt nhân mang điện tích dương. Đám khí này gọi là plasma; Do mang điện tích nên nó có thể chứa một từ trường bên trong, ngay cả ở nhiệt độ rất cao. Nhiệt độ đạt đến mức cần thiết sẽ tạo ra từ trường đủ mạnh và bắn ra tia hydro giàu neutron giúp hiện tượng nhiệt hạch có thể xảy ra.

Trước đây, vấn đề nảy sinh do cần quá nhiều năng lượng để làm nóng và duy trì plasma hơn các năng lượng mà hiện tượng nhiệt hạch tạo ra. Từ đó, thiết bị tokamak dưới dạng khoang chân không chắc chắn được sử dụng để nghiên cứu nhiệt hạch plasma bị coi là không có lợi ích gì ngoài một trò chơi đắt tiền của các nhà vật lý nguyên tử. Để tiết kiệm ngân sách, Mỹ đã cho ngừng chương trình tokamak ở Princeton vào năm 1997. Tuy vậy, từ đó đến nay, cả hai chương trình về tokamak Joint European Torus, gần Oxford, Anh và JT-60 tại Naka, phía bắc Tokyo nghiên cứu vật lý plasma đều đã đạt được thành công trong việc tạo ra nhiều năng lượng hơn mức tiêu thụ.

Theo Naoyuki Miya, giám đốc JT-60 của Cơ quan nghiên cứu năng lượng nhiệt hạch Naka, thiết bị trị giá 2 tỷ usd của họ ở 520 triệu °C đã tạo ra năng lượng nhiều hơn 25% mức tiêu thụ mối phút. Bước tiến vượt bậc này đã thuyết phục được những người còn hoài nghi về tính khả thi của năng lượng nhiệt hạch. Những người ủng hộ đang đưa sự tăng liên tục của giá dầu, môi trường ngày càng ô nhiễm, nguy cơ leo thang hạt nhân làm luận cứ thúc đẩy việc thiết kế một hệ thống Iter lớn hơn, mạnh hơn ngay lập tức để đặt nền móng sự phát triển toàn diện các nhà máy năng lượng nhiệt hạch.

"Chúng ta phải đi đến quyết định", ông Satoru Ohtake, giám đốc văn phòng nghiên cứu và phát triển thuộc Bộ giáo dục, văn hóa, thể thao, khoa học và công nghệ Nhật Bản phát biểu, "Không thể kéo dài thương lượng sang một năm nữa".

Nếu được xây dựng, Iter sẽ là một kỳ tích kỹ thuật đầy ấn tượng. Với quy mô lớn hơn rất nhiều các thiết bị tokamak hiện có, Iter sẽ là cỗ máy đầu tiên được thiết kế nhằm tạo ra năng lượng nhiệt hạch. Ở mức tối đa, nó có thể ngốn tới 110MW năng lượng từ lưới điện, tức là khoảng 10% sản lượng của một nhà máy điện cỡ vừa. Ống chân không nằm ở giữa thiết bị có đường kính khoảng 25m, cao 11m và nặng gần 9 ngàn tấn. Để hoạt động, 31 viên nam châm siêu dẫn, nặng 750 tấn mỗi viên, sẽ được làm lạnh tới -269° (dưới 0) chỉ trên 4° so với 0 tuyệt đối. Trong khi đó, cách đó chỉ 2m, plasma sẽ được đốt ở 100triệu°. Việc duy trì nhiệt độ sẽ là một thách thức lớn, theo Ken Tomabechi, trưởng nhóm thiết kế Iter. Tất cả các khâu đều rất tốn kém về tiền bạc và thời gian. Iter sẽ được xây dựng trong 10 năm với chi phí khoảng 5 tỷ usd. Chí phí hoạt động cho dự án 20 năm này cũng sẽ lên tới khoảng chừng ấy.

Lượng đầu tư vào dự án này chẳng khác nào như một món quà trời cho đối với nền kinh tế của quốc gia nơi đặt thiết bị. Theo Takeshi Ebina, phó thống đốc bắc Aomori thuộc Honshu, Iter sẽ đóng góp khoảng 11 tỷ usd vào nền kinh tế và tạo ra tới 100 ngàn việc làm mới nếu Rokkasho được lựa chọn. Với miếng bánh béo bở như vậy, sự cạnh tranh giữa Pháp và Nhật trong việc dành quyền làm nước chủ nhà trở nên ngày càng gay gắt.

Trên thức tế, có rất ít khách biệt về tài chính cũng như về kỹ thuật giữa Rokkasho và Cadarache. Cả châu Âu và Nhật Bản đều gợi ý đóng góp tới 50% chi phí xây dựng nếu họ được chọn. Rokkasho đưa ra một số lợi thế về khâu vận chuyển. Người Nhật cho rằng địa điểm của họ nằm trên bờ biển và có hải cảng riêng, công trình duy nhất được hoàn thiện của chương trình phát triển kinh tế bị đình trệ từ thập kỷ 70. Ưu thế này tạo thuận lợi cho việc vận chuyển các chi tiết máy cồng kềnh và nặng. Ngược lại, Cadarache cách biển khoảng 100km, tức là sẽ làm tăng chi phí và thời gian vì phải cải thiện lại hệ thống giao thông. Tuy nhiên, ngay cả những người ủng hộ cho Rokkasho cũng phải thừa nhận rằng khu vực này hơi hẻo lánh trên bình diện tâm lý và mất đi lợi thế khi phải thu hút hàng ngàn nhà khoa học quốc tế về làm việc cho Iter khi so sánh với sự hấp dẫn của vùng Aix-en-Provence, ngay sát Cadarache. Để dành lại thế cân bằng, chính quyền Aomori đã dành thêm 1 tỷ usd cho công tác chuẩn bị ở Rokkasho nhằm cam kết xây dựng hạ tầng cơ sở và một trường học quốc tế. Dù vậy, đến nay, lựa chọn địa điểm cho Iter vẫn phụ thuộc vào yếu tố chính trị. 6 nước đối tác hiện chia tách theo trục ngoại giao ở đó một bên là Mỹ và Hàn Quốc ủng hộ Nhật Bản và bên kia là Trung Quốc và Nga ủng hộ EU.

Liên minh chính trị tuy vậy vẫn có khả năng chuyển đổi. Quan chức của Mỹ ủng hộ cho Rokkasho xuất phát từ sự hậu thuận của Nhật đói với chính sách của tổng thống Bush ở Iraq. Các nhà khoa học Nhật Bản từng e ngại rằng nếu thượng nghị sỹ Kerry thắng trong cuộc bầu cửu tổng thống Mỹ vừa rồi thì sự ủng hộ của Mỹ sẽ chuuyển sang Cadarache bởi chính quyền mới sẽ cố gắng xây dựng lại quan hệ giữa Washington và Paris bởi Pháp không ủng hộ chính sách của Mỹ về vấn đề Trung Đông. Họ chắc hẳn đã thở phào sau kết quả bầu cử vừa rồi.

Nhằm thoát khỏi thế bế tắc, tháng 9 vừa rồi, Nhật Bản đưa ra lời cam kết về một giải pháp thu hẹp khoảng cách giữa bên thắng và bên thua. Takanori Uehara, giám đốc bộ phận hợp tác khoa học quốc tế thuộc Bộ ngoại giao Nhật Bản, nói rằng: "Nhật Bản đã đưa ra một đề xuất hào phóng. Chúng tôi tìm kiếm một kết quả không có bên thua". Cho đến thời điểm này, đề xuất của Nhật Bản vẫn chưa được tiết lộ. Tuy nhiên, đã có phần thưởng an ủi thông qua cam kết giữa các bên đối tác về khoản đầu tư 1 tỷ usd cho việc xây dựng một trung tâm nghiên cứu vật liệu nhiệt hạch đặt tại nước không xây dựng Iter.

Các nhà khoa học tiết lộ rằng thỏa hiệp này nhờ một phần từ bản báo cáo năm 2001của David King, trưởng cố vấn khoa học của thủ tướng Anh Tony Blair, chủ trương một bước phát triển nhanh cho năng lượng nhiệt hạch. Dưới kế hoạch đó, bất kỳ quốc gia nào nhượng bộ sẽ được xây dựng một nhà máy điện nhiệt hạch thử nghiệm với nguồn vốn đầu tư quốc tế. Công việc xây dựng sẽ được tiến hành ngay khi các thí nghiệm ở Iter cung cấp đủ dữ liệu để đưa ra các thông số thiết kế cần thiết, ước tính sau khi Iter hoạt động khoảng 6, 7 năm.

"Cho dù chúng tôi có dành được quyền làm nước chủ nhà hay không, Rokkasho cũng sẽ là trung tâm năng lượng nhiệt hạch của Nhật Bản", nhà vật lý Hiroshi Matsumoto thuộc JAERI khẳng định. Đây có lẽ là một suy nghĩ lạc quan nhưng thực tế các nhà vật lý nguyên tử làm việc trong dự án Iter đều như vậy. Các nhà vật lý theo đuổi nghiên cứu này bởi họ tin rằng năng lượng nhiệt hạch là giải pháp thiết thực trước những thảm họa môi trường tiềm ẩn hay nguy cơ chiến tranh xảy ra khi các nguồn năng lượng đều cạn kiệt. Họ chỉ trích gay gắt gánh nặng chính trị đang đè lên tương lai của dự án Iter. "Iter trước hết nhằm phát triển năng lượng nhiệt hạch cho toàn nhân loại", Tomabechi, trưởng nhóm thiết kế phiên bản gốc của thiết bị phản ứng, người từng có 50 hoạt động nghiên cứu nguyên tử phát biểu. "Không được coi nó như một trò chơi chính trị thiển cận".

Mặc dù vậy, Tomabechi vẫn tin rằng năng lượng nhiệt hạch sẽ phát triển vào giữa thế kỷ này. Ông thừa nhận nó sẽ rất đắt. Tuy nhiên, nếu tính cả chi phí cho Iter và nhà máy điện thử nghiệm cũng sẽ tới mức 30 tỷ usd, vẫn nhỏ hơn ngân sách quốc phòng 45 tỷ usd hàng năm của Nhật Bản. Tomabechi nói thêm: "Nếu mọi việc diễn ra trôi chảy, điện nhiệt hạch sẽ được hòa vào lưới điện trong vòng 35 năm nữa".

Trao đổi thêm:
http://vietmanagement.com/forum/index.php?showtopic=455

Trịnh Minh Giang (lược dịch)
Viet Management Group