Tác giả: Nguyễn Hải Hoành
Theo tin ngày 4/12/2020 của mạng Nhân dân Trung Quốc, hồi 14h02 cùng ngày, thiết bị “Hoàn lưu số 2” (HL-2M) đặt tại Thành Đô tỉnh Tứ Xuyên chính thức hoàn tất lắp đặt và đã thực hiện phóng điện lần đầu. HL-2M, còn gọi là “Mặt Trời nhân tạo” thế hệ mới do Trung Quốc thiết kế, xây dựng, là một Lò Tokamak thử nghiệm khoa học lớn nhất trong nước, có thể đạt nhiệt độ 150 triệu độ C, giam giữ plasma lâu tới 10 giây và phát ra dòng điện 2,5 triệu ampere. Báo Nga ngày 5/12/2020 và Đài BBC ngày 25/3/2021 đã xác nhận thông tin trên và cho biết, Song Yun-shou (Tống Vân Thọ) phụ trách công trình HL-2M nói thiết bị này có thể dùng nước biển làm nhiên liệu, 1 lít nước phát ra năng lượng tương đương đốt 350 lít dầu mỏ.
Sự kiện trên đánh dấu Trung Quốc trở thành quốc gia hàng đầu về nghiên cứu thử nghiệm phản ứng tổng hợp hạt nhân điều khiển được nhằm tạo ra nguồn năng lượng sạch và hầu như vô tận.
Loài người đang đứng trước nguy cơ thiếu năng lượng. Các nguồn năng lượng hiện đã biết như năng lượng hoá thạch truyền thống và nhiều nguồn năng lượng mới đã nghiên cứu đều không thể thoả mãn nhu cầu của loài người trong tương lai, và sau đây không lâu, mọi nguồn ấy đều sẽ cạn kiệt. Dầu mỏ sẽ hết vào năm 2050, than đá chỉ còn đủ dùng trong 200 năm. Vì thế Mặt Trời liên tục phát sáng và toả nhiệt đã trở thành đối tượng trọng điểm được các nhà khoa học quan tâm nghiên cứu. Năng lượng mỗi phút Mặt Trời phát ra bằng tổng số năng lượng cả thế giới hiện nay làm ra trong vài năm. Liệu chúng ta có thể mô phỏng cơ chế phát sáng phát nhiệt của Mặt Trời để làm ra một Mặt Trời nhân tạo điều khiển được, qua đó cung cấp cho nhân loại một nguồn năng lượng sạch và vô tận hay không?
Bí quyết tạo ra năng lượng của Mặt Trời là Phản ứng tổng hợp hạt nhân nóng (nhiệt hạch) liên tục diễn ra trong thiên thể này. Nhiều năm qua, một số nước đã nghiên cứu vấn đề thực hiện phản ứng tổng hợp nhiệt hạch điều khiển được. Phản ứng này được mô tả như sau:
H2 (deuterium) + H3 (tritium) → H4 (Helium4) + n (neutron),
Theo đó, phản ứng hai hạt nhân H2 và H3 hợp lại với nhau thành một nhân H4 nặng hơn, quá trình tổng hợp hạt nhân ấy sẽ phóng ra năng lượng khổng lồ. Muốn thế phải tạo ra nhiệt độ cao hơn 100 triệu độ C (nóng gấp khoảng 10 lần tâm của Mặt Trời), nhằm tạo ra động năng cực lớn giúp cho hai hạt nhân H2 và H3 thắng lực tương tác đẩy Coulomb (lực tĩnh điện) giữa chúng mà đến gần nhau ở khoảng cách ~10-14 m rồi hợp nhất với nhau. Ở nhiệt độ ấy các electron mang điện âm bắt đầu bứt tuột khỏi nguyên tử và chuyển động tự do, nguyên tử trở thành các ion mang điện dương. Nhiệt độ càng cao thì số electron bứt khỏi nguyên tử chất khí càng nhiều, chỉ còn lại các hạt nhân nguyên tử. Hiện tượng này gọi là sự ion hóa của chất khí. Thể khí gồm các nguyên tử ion hóa ấy gọi là plasma, trạng thái thứ tư của vật chất (3 trạng thái kia là rắn, lỏng, khí). Do mang điện tích nên đám khí này chứa từ trường. Nhiệt độ cao làm từ trường đủ mạnh và bắn ra tia hydro giàu neutron, tạo ra phản ứng nhiệt hạch. Trong các lò phản ứng thông thường, thành lò không chịu nổi nhiệt độ cao nên phải dùng từ trường để giam giữ plasma đủ lâu, tránh để đám khí này bị vỡ sớm (tức “vỡ plasma”, plasma rupture). Hiện nay người ta đều dùng Lò Tokamak, là một buồng chân không hình xuyến sử dụng các nam châm điện mạnh để tạo ra từ trường giam giữ và định hình plasma. Ở đây, khó khăn lớn nhất là phải tạo ra được plasma với nhiệt độ cao và mật độ nhất định, phải lưu giữ được plasma đủ lâu (để kịp sinh ra năng lượng), tức phải làm chậm quá trình vỡ đám khí plasma. Tokamak sử dụng dòng điện để xoắn các electron và ions trong plasma, tạo ra một vòng lặp theo chiều dọc và ngang trong thiết bị có dạng chiếc bánh hình xuyến. Nhưng do sử dụng điện nên khi gặp sự cố về điện, từ trường sẽ bị phá vỡ, gây nguy hiểm làm hỏng lò.
Phản ứng nói trên có thể đáp ứng nhu cầu năng lượng ngày càng tăng với tương đối ít tác động tới môi trường. Một gam hỗn hợp deuteri–triti trong quá trình tổng hợp sẽ tạo ra năng lượng tương đương đốt 80.000 tấn dầu.
Nghiên cứu tổng hợp nhiệt hạch là một công trình đòi hỏi cực nhiều kinh phí và nhân lực, không một tổ chức hoặc quốc gia nào đủ sức tự làm. Vì thế người ta đã lập dự án Lò phản ứng thử nghiệm hạt nhân nóng quốc tế ITER gồm 7 thành viên chính là Trung Quốc, EU, Ấn Độ, Nhật, Hàn Quốc, Nga và Mỹ. Đây là một trong những siêu dự án hợp tác nghiên cứu khoa học quốc tế lớn nhất hiện nay.
ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor) là một lò Tokamak có từ trường mạnh gấp 100 nghìn lần từ trường Trái Đất, được xây dựng tại Saint-Paul-lès-Durance ở miền nam nước Pháp. Theo Wikipedia, ITER được thiết kế để tạo ra plasma 500 megawatt trong khoảng 20 phút trong khi nhiệt năng đưa vào Tokamak chỉ cần 50 megawatt, tức cho ra lượng nhiệt plasma lớn gấp 10 lần đầu vào. ITER mô phỏng quá trình tổng hợp hạt nhân của Mặt Trời, tạo ra một nguồn năng lượng khổng lồ không ô nhiễm, không carbon, an toàn, không sinh ra phế liệu. Năm 2013 bắt đầu xây dựng tổ hợp Tokamak ITER, tới 6/2015 chi phí xây dựng đã lên đến hơn 14 tỷ USD. Tổng chi phí xây dựng và vận hành dự kiến sẽ vượt qua 20 tỷ Euro. Lò phản ứng ITER sẽ hoạt động vào năm 2025.
Sau 20 năm nghiên cứu, nhóm nhà khoa học của Đại học Khoa học kỹ thuật Hoa Đông do Viện sĩ Pan Tan (潘垣Phan Thản) đứng đầu đã đưa ra “Phương án Trung Quốc” về đề tài tạo ra một “Mặt Trời nhân tạo” nhằm cung cấp nguồn năng lượng vô tận. Tháng 11/2020, Pan Tan gửi Phương án này lên Chính phủ, coi đó là kiến nghị về chiến lược năng lượng mới của nhà nước Trung Quốc. Nhóm Pan Tan hoạt động trong dự án ITER; hiện nhóm này đang dẫn đầu trong nghiên cứu hiện tượng “Vỡ plasma”, công nghệ khống chế tính bất ổn định của plasma và làm chậm quá trình vỡ plasma. Pan Tan cũng là nhóm duy nhất khống chế được các electron thoát ra. Tháng 10/2020 thiết bị thử nghiệm J-TEXT của nhóm được Uỷ ban Cố vấn KHKT quốc tế thừa nhận là một trong 4 thiết bị nghiên cứu công nghệ làm chậm quá trình vỡ plasma.
TEXT (về sau nâng cấp thành TEXT-U) nguyên là thiết bị thử nghiệm dùng lực từ trường để khống chế quá trình tổng hợp hạt nhân của Đại học Texas (Mỹ). Trong thời gian vận hành TEXT, người Mỹ đã triển khai những nghiên cứu rất có kết quả về tổng hợp hạt nhân. Nhưng do sự thay đổi chính sách của Chính phủ nước này, năm 2001 thiết bị TEXT-U đứng trước nguy cơ bị tháo dỡ. Nắm được tin ấy, Viện sĩ Pan Tan đã kịp thời đề nghị đưa thiết bị này về Trung Quốc để sử dụng vào công tác nghiên cứu. TEXT-U có kết cấu nhỏ gọn, chi phí vận hành thấp, thích hợp dùng cho giảng dạy đào tạo lớp cán bộ nghiên cứu cấp cao rất cần cho dự án tổng hợp hạt nhân của Trung Quốc. Cuối năm 2003, thiết bị TEXT-U được đưa về lắp đặt dưới chân núi You Jia (Du Gia) ở Vũ Hán. Viện sĩ Pan Tan và Giáo sư Yu Ke-xun (Vu Khắc Huấn) dẫn đầu tốp cán bộ sử dụng thiết bị này. Năm 2006, TEXT-U khôi phục phóng điện, vận hành trở lại và được đổi tên là J-TEXT (Joint-TEXT) để thể hiện sự hợp tác Trung Quốc-Mỹ. Ngày 24/5/2006, Trung Quốc và 5 nước khác ký tại Brussels “Hiệp định liên kết thực thi Lò thử nghiệm tổng hợp hạt nhân nóng quốc tế”, đánh dấu dự án ITER chính thức vận hành và Trung Quốc trở thành thành viên của Dự án này. Tại Trung Quốc, một số cơ quan khoa học cũng ráo riết triển khai các công tác nghiên cứu liên quan.
Nhóm Pan Tan nhanh chóng lớn mạnh, từ dăm bảy người tăng lên 27 cán bộ nghiên cứu, 14 cán bộ kỹ thuật và hơn 100 nghiên cứu sinh, triển khai mấy chục đề tài nghiên cứu cấp nhà nước, và đã đăng gần 200 bài báo SCI. Điều quan trọng nhất là ngay từ đầu nhóm Pan Tan đã tích cực chuẩn bị triển khai các thử nghiệm trên ITER theo hướng giải quyết vấn đề tính bất ổn định của dòng từ trường và quá trình vỡ plasma. Năm 2016, Hu Qi-ming (Hồ Khải Minh) viết bài trên tạp chí “Tổng hợp hạt nhân”, tạo ảnh hưởng lớn trong lĩnh vực nghiên cứu liên quan, được Đại học Princeton mời tham gia nhóm nghiên cứu của họ. Năm 2014, thiết bị kiểm trắc từ trường plasma trình bày trong luận án tiến sĩ của Chen Jie (Trần Kiệt) ở phân hiệu Los Angeles của Đại học California trở nên nổi tiếng trong ngành, ông được mời làm việc tại Phòng Thí nghiệm tổng hợp hạt nhân lớn nhất Mỹ. Năm 2008, nhóm của Giáo sư Ding Yong-hua (Đinh Vĩnh Hoa) đưa ra phương án mới giải quyết có hiệu quả vấn đề vỡ plasma. Kết quả nghiên cứu của họ được trao giải nhất Tiến bộ KHKT của tỉnh Vũ Hán. Tóm lại, nhờ sử dụng J-TEXT, Trung Quốc đã đào tạo được nhiều nhân tài, nâng cao sức cạnh tranh quốc tế trong lĩnh vực tổng hợp hạt nhân.
Nhưng truyền thông Pháp lại nhận xét: Trung Quốc chẳng biết gì về nguy hại của “Mặt Trời nhân tạo”, thậm chí còn kiêu hãnh về thành tích nghiên cứu của mình. Hiện chưa thấy có bình luận đáng chú ý nào về thông tin này. Hiển nhiên, khi thực hiện phản ứng tổng hợp nhiệt hạch, điều đáng sợ nhất là nếu để phản ứng này mất điều khiển thì năng lượng khổng lồ do nó sinh ra có thể phát nổ, đem lại nguy hại tương tự một vụ nổ bom khinh khí. Trên thực tế, từ thử nghiệm khoa học tiến tới sản xuất với quy mô công nghiệp, việc nghiên cứu thực hiện “Mặt Trời nhân tạo” còn cần nhiều thời gian. Năm 2022 Trung Quốc sẽ xây dựng Lò Tokamak phát điện với quy mô công nghiệp và năm 2035 đưa vào vận hành; dự kiến năm 2050 Trung Quốc có thể chuyển sang khai thác năng lượng nhiệt hạch.
Nguyễn Hải Hoành tổng hợp từ các nguồn tài liệu nước ngoài.
