Các nhà khoa học hạt nhân Anh đang thiết kế một mẫu thử lò phản ứng đầy tham vọng, có thể triển khai sản xuất năng lượng ở quy mô thương mại vào năm 2040.
Dự án nghiên cứu nhiệt hạch quốc tế ITER hiện đang được xây dựng tại miền nam nước Pháp. Nguồn: Christophe Simon/AFP/Getty
Anh đã gia nhập cuộc chạy đua xây dựng lò phản ứng nhiệt hạch thương mại thử nghiệm đầu tiên trên thế giới. Chính quyền Anh đã loan báo vào đầu tháng 10/2019 một khoản đầu tư trị giá 200 triệu bảng (tương đương 248 triệu USD).
Dẫu hiện vẫn cho chưa có lò phản ứng nhiệt hạch nào có khả năng phát ra nhiều năng lượng hơn năng lượng nó sử dụng để vận hành nhưng nhiều chính phủ trên khắp thế giới đang sẵn sàng chờ đón cách họ có thể xây dựng một lò phản ứng thương mại theo loại công nghệ này. Cả khâu thiết kế và mốc thời gian cho đề xuất xây lò nghiên cứu mẫu thử của Anh đã đưa nó nào top các dự án lò nhiệt hạch tham vọng nhất.
“Liệu khoản đó có đủ không, tôi không rõ nhưng sự thật đây là một khoản đầu tư thực sự lớn”, Tim Luce, nhà khoa học phụ trách chương trình lò phản ứng nhiệt hạch lớn bậc nhất thế giới ITER, vốn được thực hiện với sự tham gia hợp tác của nhiều quốc gia trên thế giới, nhận xét. Nếu kinh phí rót vào các yếu tố trọng yếu của lò phản ứng thử nghệm quyết định này, nó sẽ đem lại cho anh “một khởi đầu rất tốt”, ông nói.
Khoảng 4 năm tới, các nhà khoa học tại Trung tâm năng lượng nhiệt hạch Culham gần Oxford sẽ đưa ra một bản thiết kế chi tiết về Kế hoạch Sản xuất năng lượng Tokamak hình cầu (Spherical Tokamak for Energy Production STEP), một kế hoạch có khả năng tạo ra mạng lưới có hàng trăm megawatt năng lượng điện có thể vận hành vào đầu những năm 2040. Nếu kế hoạch này luôn được chú trọng đầu tư và lò phản ứng được xây dựng thì kinh phí có thể lên tới hàng tỷ bảng.
“Thật nhiều tham vọng và mạo hiểm nhưng tôi nghĩ chương trình nhiệt hạch phải là như thế”, Howard Wilson, giám đốc chương trình STEP tại Cơ quan năng lượng nguyên tử Anh (UK Atomic Energy Authority UKAEA), nơi quản lý Trung tâm Culham.
Nhiệt hạch hạt nhân của các nguyên tử hydro thành heli – quá trình tạo ra năng lượng đủ cho cả mặt trời – hứa hẹn cung cấp một lượng năng lượng sạch gần như vô hạn. Nhưng vẫn chưa có lò phản ứng nhiệt hạch nào có khả năng đạt tới mức nhiệt này và có khả năng kiểm soát được một phản ứng sinh ra năng lượng nhiều hơn năng lượng nó cần để vận hành. Thí nghiệm ITER quốc tế được thực hiện ở miền nam nước Pháo đặt mục tiêu đó vào năm 2035. Dự án STEP đặt mục tiêu còn xa hơn: tạo ra một nhà máy có thể khai thác điện năng từ nhiệt hạch. Chỉ khi ITER thành công thì các nhà khoa học mới biết là liệu lò phản ứng thương mại thử nghiệm như STEP có thành hiện thực hay không.
Thiết kế đặc khó kiểm soát
Giống như ITER, lò phản ứng đang được lên kế hoạch của Anh có thể sẽ đặt trên nền tảng một thiết kế ‘tokamak’ sử dụng từ trường để kiểm soát plasma của các đồng vị nặng của hydro là triti và deuteri, vốn được kết hợp trong điều kiện áp suất và nhiệt độ cực lớn. Nhưng trong khi tokamak của ITER trong hình dạng bánh doughnut thì STEP có thể sử dụng một phương pháp từng được thử nghiệm của Anh từ những năm 1990 có thể giữ được khí siêu nóng trong hình dạng lõi hình quả táo đặc hơn.
Các nhà khoa học hi vọng, lò phản ứng nhỏ hơn – khoảng 10m chiều ngang – sẽ được chứng minh là rẻ hơn. Nhưng việc giảm kích thước có thể mang đến nhiều vấn đề như cách kiểm soát nhiệt plasma ở trạng thái nhiệt độ cực cao có thể khó thực hiện trên khu vực tiết diện nhỏ.
Việc xây dựng một lò phản ứng tokamak đặc hơn là một lựa chọn nguy hiểm, Anne White, một nhà vật lý plasma tại Viện nghiên cứu Massachusetts tại Cambridge nói. Các nhà vật lý tin tưởng tokamak của ITER sẽ hoạt động như kế hoạch bởi thiết kế của nó đã được nghiên cứu một cách cẩn thận. Nhưng với các tokamak hình cầu còn nhiều điểm chưa rõ, chị nói. “Có nghĩa là nó không chỉ nhiều rủi ro hơn mà còn ngược lại, nó có thể đem lại nhiều khám phá và có kẽ nhiều cơ hội tối ưu về lò phản ứng nhiệt hạch hơn.”
Anh chỉ là một trong số nhiều quốc gia đang lập kế hoạch để xây lò phản ứng nhiệt hạch thương mại. Ở Trung Quốc, Lò phản ứng thử nghiệm kỹ thuật nhiệt hạch Trung Quốc (Chinese Fusion Engineering Testing Reactor) có thể vận hành ngay đầu năm 2035, và DEMO, một lò phản ứng thế hệ sau ITER, đã được lập kế hoạch hoạt động vào những năm 2050. Rất nhiều công ty trên thế giới đang hi vọng có được nhiều hơn các bản thiết kế lò dạng đặc.
Giữ vị trí dẫn đầu trong nghiên cứu
Kinh phí đầu tư cho STEP với khoảng 20 triệu bảng dành cho phần thiết kế năm đầu tiên do chính phủ của thủ tướng Theresa May loan báo tháng 10/2018. Các pha tiếp theo để phát triển lò phản ứng sẽ diễn ra sau năm 2024, có thể gồm cả đầu tư của công và tư, theo thông tin của Ian Chapman, giám đốc điều hành Trung tâm Culham và giám đốc UKAEA.
Vai trò trong tương lai của Anh tại dự án ITER vẫn còn chưa rõ ràng bỏi vì các thành viên của nó đều thuộc về Cơ quan Năng lượng nguyên tử châu Âu (Euratom), trong khi chính phủ Anh đang có kế hoạch rời tổ chức này sau Brexit. Hơn 30 năm, Culham đã là nơi đảm trách dự án do EU tài trợ Joint European Torus (JET) với mục tiêu nghiên cứu các công nghệ nhiên liệu cho ITER. Dẫu chính phủ hi vọng sẽ tìm ra cách để duy trì được sự tham gia của Anh vào ITER, thì việc đầu tư cho dự án STEP sẽ giúp kiểm chứng tương lai giữ vị trí dẫn đầu dài hạn về nhiệt hạch của Anh, ông Luce nói. “Để nhận sự đầu tư từ ITER, các quốc gia cần có được trình độ chuyên môn cao và một định hướng phát triển trong nghiên cứu về nhiệt hạch”, ông cho biết thêm.
Chapman dẫu sao vẫn tin tưởng, Anh không phải là người đơn độc trong thực hiện dự án STEP. Mỗi thành viên trong 7 đối tác tham gia dự án ITER - Trung Quốc, EU, Ấn Độ, Nhật Bản, Hàn Quốc, Nga và Mỹ - đều đang cùng nhau nghiên cứu về thiết kế các lò nhiệt hạch thương mại, xây dựng các chuỗi cung ứng, phát triển năng lực quốc gia trong nghiên cứu về nhiệt hạch trong giai đoạn phát triển tới. Ông nói, “chúng tôi không thể coi STEP như một tín hiệu về việc quay lựng lại với hợp tác quốc tế”.
Tô Vân dịch
