TDM – Dù là một phương thức tạo năng lượng hạt nhân, cơ chế hoạt động của những lò phản ứng nhiệt hạch không tiềm ẩn nhiều rủi ro. Tuy vậy, hệ thống này chưa “có lãi” về mặt năng lượng.

Trong cảnh gần cuối của bộ phim Spider-Man 2, Tiến sĩ Octopus đã chấp nhận rằng thiết bị phản ứng nhiệt hạch, nguồn năng lượng vô tận mà ông nghiên cứu nhiều năm sẽ không thể hoạt động ổn định.

Quả cầu cháy như một Mặt Trời thu nhỏ, bắt đầu hút mọi thứ ở gần khi nó to dần lên. Để cứu lấy thành phố, Octopus buộc phải hi sinh bản thân, nhấn chìm “Mặt Trời nhân tạo” của ông xuống dòng sông.

Đó là hình ảnh trực quan nhất mà Hollywood đã tạo ra để nói về thảm họa nếu như một lò phản ứng nhiệt hạch gặp vấn đề. Tuy nhiên, trong thực tế thì những lò phản ứng nhiệt hạch đang được xây dựng sẽ khó xảy ra sự cố tương tự.

Ước mơ “năng lượng vô tận” của con người
“Năng lượng của Mặt Trời, bên trong nắm tay của ta”, Tiến sĩ Octupus đã cảm thán như vậy khi lần đầu khởi động cỗ máy phản ứng nhiệt hạch của mình trong phim.

Tìm kiếm nguồn năng lượng tương tự như Mặt Trời cũng là ước mơ của giới khoa học nhiều năm nay. Hàng tỷ năm nay, Mặt Trời đã truyền năng lượng qua vũ trụ tới Trái Đất. Năng lượng tích tụ này đã tạo ra ánh sáng, những loại hóa thạch như dầu mỏ, than đá mà tới nay con người vẫn đang khai thác.

Nói cách khác, Mặt Trời là thứ tạo ra mọi sự sống cũng như phần lớn nguồn năng lượng trên Trái Đất. Đó là lý do con người muốn tìm nguồn năng lượng vô hạn như Mặt Trời.

Bên trong lõi Mặt Trời tồn tại một “lò phản ứng hạt nhân” trên nguyên lý nhiệt hạch hay hợp hạch. Nhiệt độ lên tới 15 triệu độ C, cùng áp suất cực lớn từ trọng lực khiến cho các hạt nhân hydro hợp nhất với nhau trở thành heli, đồng thời giải phóng một nguồn năng lượng khổng lồ.

Dựa trên nguyên lý này, các nhà khoa học đã tìm cách tạo ra phản ứng nhiệt hạch bằng cách cung cấp nhiệt độ và áp suất cực lớn, khiến cho các nguyên tử tồn tại ở dạng ion hóa (plasma) có thể kết hợp với nhau.

Để tạo ra được phản ứng nhiệt hạch, phần lớn dự án hiện nay đang dùng thiết kế có tên Tokamak, được đề xuất tại Liên Xô từ thập niên 1950. Với thiết kế như một chiếc bánh vòng, lò phản ứng này sử dụng từ trường cực mạnh để tạo áp suất và điều khiển plasma bên trong.

Thiết kế Tokamak cũng đang được sử dụng ở nhiều dự án năng lượng nhiệt hạch lớn như ITER tại Pháp, hay HL-2M vừa được khởi động ở Trung Quốc.

“Mặt Trời nhân tạo” có an toàn?
Có nhiều lý do tạo ra tâm lý lo lắng về sự an toàn của những lò phản ứng nhiệt hạch. Đầu tiên, đây là một trong hai loại năng lượng nguyên tử. Đã có khá nhiều sự cố liên quan đến năng lượng nguyên tử trong quá khứ khiến con người lo ngại.

Có thể kể đến thảm họa của nhà máy Chernobyl ở Ukraine năm 1986, hay nhà máy Fukushima Daiichi ở Nhật Bản năm 2011. Các sự cố này đều khiến cuộc sống của hàng trăm nghìn người bị ảnh hưởng, và mất rất nhiều năm để khắc phục.

Tuy nhiên, đây đều là những sự cố của nhà máy điện hạt nhân hoạt động theo phương thức phân hạch. Trái với phản ứng hợp hạch do các phân tử hợp nhất với nhau, trong phản ứng phân hạch thì các phân tử sẽ bị bắn phá, tách ra và tạo năng lượng.

Phản ứng hợp hạch cũng tạo ra năng lượng rất lớn, và trong thực tế đã được vận dụng để chế tạo vũ khí. Bom H hay bom hydrogen chính là vũ khí sử dụng phản ứng này.

Năm 1952, vụ thử bom nhiệt hạch đầu tiên của Mỹ đã thổi bay hòn đảo Elugelab ở giữa Thái Bình Dương. Quả bom này có sức nổ tương đương 10,4 triệu tấn TNT, tức là gấp hơn 500 lần bom hạt nhân được thả tại thành phố Nagasaki, Nhật năm 1945.

Dù vậy, kể cả khi trục trặc thì những lò phản ứng nhiệt hạch mà con người đang xây dựng cũng sẽ không tạo ra một vụ nổ tàn phá. Để phản ứng nhiệt hạch có thể được kích hoạt, các nhà chế tạo phải tạo ra một vụ nổ phân hạch. Nói cách khác, thiết kế của bom nhiệt hạch là “bom trong bom”, đáp ứng những điều kiện khắt khe nhất về nhiệt độ, áp suất.

Trong khi đó, nếu như có sự cố ở lò phản ứng nhiệt hạch Tokamak, thì áp suất không duy trì đủ sẽ khiến nhiệt độ nhanh chóng sụt giảm.

“Rất khó để đạt đến và duy trì trạng thái cực kỳ chính xác cần thiết cho phản ứng hợp hạch. Nếu có sự cố nào thì plasma sẽ hạ nhiệt chỉ trong vài giây, và phản ứng sẽ ngừng lại”, trang web của ITER, dự án nhiệt hạch quốc tế giải thích.

Lò phản ứng hợp hạch không thể tạo ra tai nạn nguyên tử, vì việc tạo năng lượng hợp hạch không dựa trên phản ứng chuỗi như phân hạch_Tổ chức Năng lượng nguyên tử Quốc tế (IAEA)

“Dù bom H sử dụng phản ứng hợp hạch, chúng cần có thêm bom phân hạch để kích nổ. Trạng thái của một lò phản ứng hợp hạch bên trong từ trường chỉ cho sử dụng một lượng rất nhỏ nhiên liệu. Nhiên liệu liên tục được đưa thêm vào và dùng hết ngay, do đó không bao giờ có đủ lượng để tạo ra năng lượng như vũ khí”, trang web của Tổ chức Năng lượng nguyên tử Quốc tế (IAEA) giải thích.

Với những ý kiến từ các chuyên gia, có thể thấy các lò phản ứng nhiệt hạch không tiềm ẩn nguy cơ lớn như lò phân hạch. Đó cũng là lý do công nghệ này được gọi là “chén thánh cho tương lai năng lượng nguyên tử”.

Điểm yếu lớn nhất
Thách thức lớn nhất của những lò phản ứng nhiệt hạch là sự hiệu quả. Nói cách khác, để tạo được một lượng năng lượng nhất định từ lò phản ứng nhiệt hạch, con người đang phải tiêu tốn nhiều hơn số đó để tạo môi trường và các chất hóa học phù hợp.

Nhiên liệu cho phản ứng nhiệt hạch là đồng vị của hydro như deuterium hay tritium. Để có được tritium, người ta có thể phải thực hiện một phản ứng phụ sau quá trình hợp hạch, hay khai thác từ nước chứa nhiều deuterium. Tuy nhiên các hình thức này đều rất tốn kém.

Phòng thí nghiệm Jet, nơi có máy tomatak mạnh nhất châu Âu chỉ sử dụng nhiên liệu là deuterium và tritium cho những thử nghiệm quan trọng nhất. Năm 1997, Jet sử dụng nhiên liệu có 50% deuterium và 50% tritium, đạt được mức năng lượng đầu ra 16 MW so với năng lượng để đốt nóng 24 MW. Tỷ lệ này, còn gọi là Q, đạt 0,67.

Đây là kỷ lục đến giờ vẫn chưa có lò phản ứng nhiệt hạch nào vượt qua, hay nói cách khác chưa có thiết bị nào “lãi” về mặt năng lượng.

Dự án nhiệt hạch lớn nhất đang được triển khai là ITER, lò phản ứng được đặt tại Pháp. Đây là một đại dự án, với sự kết hợp từ 35 quốc gia. Lò phản ứng này có tổng kinh phí 22 tỷ USD, và hiện đã hoàn thành khoảng 65%. ITER sẽ đi vào hoạt động năm 2025.

Trong khi đó, Trung Quốc cũng chỉ đặt mục tiêu đưa ra bản thử nghiệm của lò phản ứng nhiệt hạch hoàn chỉnh vào năm sau, đưa ra bản thiết kế công nghiệp vào năm 2035 và bắt đầu khai thác thương mại từ năm 2050.

Trong khoảng 10 năm qua, rất nhiều tiến bộ về vật liệu giúp các nhà khoa học đến gần hơn với mục tiêu đạt được mức năng lượng “hòa vốn” từ các lò phản ứng nhiệt hạch. Giấc mơ thu được nguồn năng lượng bất tận từ phản ứng nhiệt hạch có lẽ cũng không còn là bất khả thi.

(Nguồn: Zing)