Fusion (hợp hạch) - năng lượng của tương lai ppsx

Fusion (hợp 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.
Từ nhiều thập kỷ nay,năng lượngnhiệt hạchluôn làmơ ước của cácnhà vật
lý nguyên tử. Nhiệt hạch là phản ứng tạora năng lượngcho mặt trời. Một khi sử
dụngđược nó, khủnghoàng năng lượngđe dọa nền kinh tế toàn cầu sẽ bị đẩylùi.
Khác vớinănglượng từ khí đốt, năng lượng nhiệt hạch khônggây tác hại đối với
môitrường. Nó cũng khônglàm tăng nguycơ phát triểnvũ khí hạt nhân như phản
ứng phân hạt trongcác nhà máy năng lượng hạt nhân, không gây rủi ro ròrỉ phóng
xạ từ các phản ứng dây truyền, tạo ra rác thải phóngxạ ở cấp độ thấp. Nhiệt hạch
hứa hẹnmột nguồn cungcấpnăng lượngan toàn, sạch vàvô hạncho các thế hệ
tương lai.
Từ nhiều nămnay, nguồnnăng lượng trongmơ ấy bị nhiều nhà khoa học chorằng
khótrở thành hiện thực. Mọi việc đã thay đổi khicác thí nghiệm ở Nhậtvà châu Âu
cho thấy có thể làm được thiết bị gây ra phản ứng tạo nănglượngcủa mặt trời và
năng lượngđượctạo ra lớnhơn năng lượngtiêu thụ. Vướng mắc làcác cỗ máy, với
tên gọi tokamak(tiếngNga), này sử dụng tới hạnhiện nay củavật lý nguyên tử và
cực kỳ đắt tiền.Sẽ còncần vài thập kỷ cho các thí nghiệm tốn kém khác trước khi
thiết bị phảnứng nhiệt hạch có thể tạo ra điện thươngphẩm.
Bởi khôngmộtchính phủ nào có khả năng gánhchi phí nghiên cứu một mình, liên
hiệp 6 quốc gia đã đi đếnthỏa thuận thànhlập dự ántrị giá 10 tỷ USD xây dựng
thiết bị tokamaklớnnhất từ trước tới nay. Cácnhà thiết kế hy vọng rằng Hệ thống
thí nghiệm phản ứng nhiệt hạch quốc tế, gọi tắt làIter, sẽ chứng minhđượcrằng
nhiệt hạch hoàn toàn có khả năng cung cấp mộtnguồnnăng lượngkhả thi cho
tương lai,mở đầu cho các chương trình xây dựng nhà máy điện nhiệt hạch vào

giữathế kỷ này.
Iter là nỗ lực hợp tác chung ngang tầmvới Trạm không gian quốc tế haycủa Phòng
thí nghiệm hạtvật lý Cernở Thụy Điển. Tuynhiên,không giống với các dự ánnày,
Iter không tậptrung ở châu Âuhay trên trục xuyên ĐạiTây 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 khoahọc và kỹ sư Nhật là hạt nhân của nhóm thiết
kế Iter. Trung Quốc vàHàn Quốc cũngđã thamgia khối liên hiệp, bên cạnh Mỹ,
Liên minhchâu Âu và Ngatại bàn đàm phán tối cao về nghiên cứu khoa học. Mặc
dù châu Á là những nhàtiên phongtrong nghiêncứu nhưng việc xây dựngIter tại
châu Ácòn là điều phải bàn cãi. Đại khoahọc luônđi đôi với chínhtrị và Rokkasho
phải đối mặt vớisự cạnh tranh mạnh mẽ từ một địa điểm khác: Cadarache,Pháp,
mà EU ủnghộ.
Với ngân sáchdự án 10 tỷ USD, ngườichiến thắngsẽ được hưởnglớn trên phương
diện kinhtế và phát triển khoa học. Vì cả Nhật và Pháp đều khôngchịu nhượng bộ,
các cuộc thượnglượng lâm vào bế tắc do các bên còn tranhcãi về địa điểm thực
hiện dự án.Thời gian đang bị lãng phí. Nếu không sớm có mộtgiải phápvẹn toàn,
nhiệt tình quốc tế đốivới dự án có thể bị suy yếumà không thể hồi phục lại.
YoshikazuOkumura, giám đốc văn phòng phát triển dự án Iter thuộc Viện nghiên
cứu năng lượngnguyên tử Nhật Bản (JAERI), phát biểurằng: "Tôi hyvọng chúngta
có thể đạt được một thỏathuậnvào cuối năm nay.Nếu không độnglực sẽ mấtvà
Iter cóthể sẽ chẳngbao giờ xuất hiện. Tôi lolắng về điều đó".
Bên cạnh nhữngtrở ngại chínhtrị, cácnhàkhoa học và kỹ sư củadự án Iter còn
phải đối mặt vớinhữngrào cảncông nghệ. Phảnứng nhiệt hạch dựatrêncơ sở
hợp nhất các hạt nhân nhẹ như các đồng vị hydro (deuterium v à tritium) để giải
phóngnăng lượng,giốngnhư năng lượng của mặt trờivà các vì sao. Khí từ hỗn
hợp các đồng vị hydro được đun nóng đến 100 triệu°C vàđược hãm ít nhất 1 giây.
Hạt nhân của haiđồng vị hydro,deuterium (D)và tritium(T), vachạm và kết hợp
tạo ra hạt nhân Heli (He)và bắn racác hạt neutron(n) tự do vớinănglượng cực
lớn 17.6MeV (2.8pJ). [phươngtrình phảnứng:(D + T >4He(3.5 MeV) +n(14.1
MeV)].Thu và biến đổi năng lượngtừ các hạt neutron này thành nhiệt sẽ tạo ra

nguồnnăng lượngđiện dồi dào trong tương lai.
Khó khăn nằmtrong việc gắn và hợp nhất các nguyên tử hydro.Trên tráiđất, việc
này chỉ xảy ravới nhiệtđộ trên 100 triệu°, hơn6 lần nhiệt độ trung tâmmặt trời.
Đây làmột bài toán phức tạp nhưng không phải là không thể thực hiện. Ở nhiệt độ
cao như vậy,nguyêntử khí bị tuột ra khỏi các electronbênngoài, để lại hạt nhân
mang điện tích dương. Đámkhí này gọi là plasma;Do mangđiện tích nên nó có thể
chứa một từ trường bêntrong,ngay cả ở nhiệt độ rất cao. Nhiệt độ đạt đến mức
cần thiết sẽ tạo ra từ trường đủ mạnh vàbắn ratia hydrogiàuneutron giúp hiện
tượng nhiệt hạch có thể xảy ra.
Trướcđây, vấn đề nảy sinh do cần quá nhiều nănglượng để làm nóng và duy trì
plasmahơn cácnăng lượng mà hiện tượng nhiệthạch tạo ra. Từ đó, thiếtbị
tokamakdướidạng khoang chân không chắc chắn được sử dụng để nghiên cứu
nhiệt hạch plasmabị coi là không có lợi ích gì ngoài một trò chơiđắt tiền của các
nhà vật lý nguyên tử. Để tiết kiệm ngân sách, Mỹ đã cho ngừng chương trình
tokamakở Princeton vào năm 1997.Tuyvậy, từ đó đến nay, cả hai chươngtrình
về tokamak Joint European Torus, gần Oxford, Anh và JT-60 tại Naka,phía bắc
Tokyo nghiên cứu vật lýplasma đều đã đạt đượcthành côngtrong việc tạora
nhiều năng lượng hơnmức tiêu thụ.
Theo Naoyuki Miya,giámđốc JT-60 của Cơ quannghiên cứu nănglượng nhiệt
hạch Naka, thiết bị trị giá 2 tỷ usdcủa họ ở 520 triệu °C đã tạo ra năng lượng nhiều
hơn25% mức tiêu thụ mối phút. Bước tiến vượt bậc nàyđã thuyếtphục được
những người còn hoài nghivề tính khả thi của năng lượngnhiệthạch. Những
người ủng hộ đang đưa sự tăngliêntụccủa giá dầu,môi trườngngàycàngônhiễm,
nguy cơ leo thang hạt nhân làm luận cứ thúc đẩy việc thiết kế mộthệ thống Iter
lớn hơn,mạnh hơn ngaylập 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 vănphòngnghiên
cứu và pháttriển thuộc Bộ giáo dục,văn hóa,thể thao, khoa học vàcông nghệ Nhật
Bản phát biểu,"Khôngthể kéo dài thươnglượngsang một năm nữa".
Nếu được xây dựng, Iter sẽ là mộtkỳ tích kỹ thuật đầyấn tượng.Với quy mô lớn

hơnrất nhiều các thiết bị tokamak hiện có, Iter sẽ là cỗ máy đầu tiên được thiếtkế
nhằmtạo ra năng lượngnhiệthạch. Ở mức tối đa, nó có thể ngốn tới 110MWnăng
lượng từ lưới điện,tức làkhoảng 10%sản lượngcủa một nhà máy điện cỡ vừa.
Ống chân khôngnằm ở giữa thiết bị có đườngkính khoảng 25m, cao 11m và nặng
gần 9ngàn tấn.Để hoạt động, 31viên namchâmsiêu dẫn, nặng750 tấn mỗi viên,
sẽ đượclàm lạnh tới -269°(dưới 0) chỉ trên 4°so với 0 tuyệt đối.Trong khiđó,
cách đó chỉ 2m,plasmasẽ được đốt ở 100triệu°. Việc duytrì nhiệt độ sẽ là một
thách thức lớn, theo KenTomabechi,trưởng nhóm thiết kế Iter. Tấtcả các khâu
đều rấttốn kémvề tiền bạc và thời gian. Iter sẽ được xây dựng trong 10năm với
chi phí khoảng 5 tỷ usd.Chí phí hoạtđộng cho dự án 20năm này cũng sẽ lêntới
khoảng chừng ấy.
Lượngđầu tư vào dự án này chẳng khác nào như một món quàtrời cho đối với nền
kinh tế của quốc gia nơi đặt thiết bị. TheoTakeshi Ebina,phó thống đốc bắc
AomorithuộcHonshu,Iter sẽ đóng góp khoảng 11 tỷ usdvào nền kinh tế và tạo ra
tới 100 ngàn việc làm mớinếuRokkashođược lựa chọn. Với miếngbánh béo bở
như vậy, sự cạnhtranhgiữaPháp và Nhật trongviệc dành quyền làmnước chủ
nhà trở nên ngày cànggay gắt.
Trênthức tế, córất ít khách biệtvề tài chính cũng như về kỹ thuật giữa Rokkasho
và Cadarache.Cả châu Âu và Nhật Bản đều gợiý đóng góp tới 50% chiphí xây
dựng nếu họ được chọn. Rokkasho đưa ramột số lợi thế về khâu vận chuyển.
NgườiNhật cho rằng địa điểm của họ nằm trên bờ biển vàcó hảicảng riêng,công
trìnhduy nhất được hoàn thiệncủa chương trìnhpháttriển kinhtế bị đình trệ từ
thậpkỷ 70.Ưu thế này tạo thuận lợi cho việcvận chuyển các chi tiết máy cồng
kềnhvà nặng.Ngược lại, Cadarachecách biển khoảng 100km, tức là sẽ làm tăng
chi phí và thời gianvìphải cải thiện lạihệ thống giao thông. Tuynhiên, ngay cả
những người ủng hộ cho Rokkasho cũng phải thừa nhận rằng khuvựcnày hơi hẻo
lánh trên bình diện tâm lý và mất đi lợi thế khiphải 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,ngaysát Cadarache. Để dành lạithế cân bằng, chínhquyền Aomori đã
dành thêm 1 tỷ usd chocông tác chuẩn bị ở Rokkashonhằm camkếtxây dựnghạ

tầng cơ sở và một trường họcquốc tế. Dù vậy, đến nay,lựa chọn địa điểm cho Iter
vẫn phụ thuộc vào yếu tố chính trị. 6 nước đốitác hiện chiatách theotrục ngoại
giao ở đó một bên là Mỹ và Hàn Quốc ủng hộ Nhật Bản và bên kia là TrungQuốc và
Nga ủng hộ EU.
Liên minhchính trị tuy vậyvẫn có khả năng chuyển đổi. Quanchức củaMỹ ủng hộ
cho Rokkashoxuất phát từ sự hậu thuậncủa Nhậtđói với chính sách của tổng
thống Bushở Iraq. Cácnhà khoahọc Nhật Bản từnge ngại rằngnếu thượng nghị sỹ
Kerrythắng trongcuộcbầu cửu tổng thốngMỹ vừa rồi thì sự ủng hộ của Mỹ sẽ
chuuyển sang Cadarache bởi chínhquyền mới sẽ cố gắngxây dựng lại quanhệ
giữaWashingtonvàParis bởi Pháp không ủng hộ chínhsách của Mỹ về vấn đề
Trung Đông. Họ chắc hẳnđã thở phào sau kết quả bầu cử vừa rồi.
Nhằmthoát khỏi thế bế tắc, tháng 9 vừarồi, NhậtBản đưa ralời camkếtvề một
giảipháp thu hẹp khoảng cách giữa bênthắng và bên thua. TakanoriUehara,giám
đốc bộ phận hợptác khoahọc quốc tế thuộc Bộ ngoại giao Nhật Bản,nói rằng:
"NhậtBản đã đưa ramột đề xuất hào phóng. Chúngtôi tìm kiếm một kếtquả
khôngcó bên thua".Cho đến thời điểm này, đề xuất củaNhật Bản vẫn chưa được
tiết lộ. Tuy nhiên, đã có phần thưởngan ủi thôngqua camkết giữa các bênđối tác
về khoản đầu tư 1 tỷ usdcho việc xây dựng mộttrung tâm nghiên cứuvật liệu
nhiệt hạch đặttại nướckhông xây dựng Iter.
Các nhà khoa họctiếtlộ rằng thỏa hiệp này nhờ một phần từ bản báo cáo năm
2001của David King, trưởngcố vấn khoahọc củathủ tướng AnhTony Blair, chủ
trương mộtbước pháttriển 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 nhiệthạch thử
nghiệmvới nguồn vốnđầu tư quốc tế. Công việcxây dựngsẽ được tiến hành ngay
khi các thí nghiệm ở Iter cung cấpđủ dữ liệu để đưa ra các thôngsố thiết kế cần
thiết, ước tính saukhi Iter hoạt động khoảng 6, 7 năm.
"Cho dùchúng tôi có dành được quyền làm nước chủ nhà hay không, Rokkasho
cũng sẽ là trungtâm năng lượngnhiệt hạch của Nhật Bản",nhà vật lý Hiroshi
Matsumoto thuộcJAERI khẳng định. Đâycó lẽ là một suy nghĩ lạc quannhưng thực
tế các nhà vật lý nguyên tử làm việc trong dự án Iter đềunhư vậy. Các nhà vật lý

theo đuổi nghiên cứu nàybởi họ tin rằngnăng lượngnhiệt hạch là giải pháp thiết
thực trước những thảmhọa môi trường tiềm ẩnhay nguy cơ chiến tranh xảy ra khi
các nguồnnănglượng đều cạnkiệt. Họ chỉ trích gay gắt gánh nặngchính trị đang
đè lên tươnglai của dự án Iter. "Iter trước hết nhằm phát triểnnăng lượngnhiệt
hạch cho toànnhân loại", Tomabechi,trưởng nhóm thiết kế phiên bản gốc của
thiết bị phảnứng, người từng có 50 hoạt động nghiên cứu nguyên tử phát biểu.
"Khôngđược coi nó như một tròchơi chính trị thiển cận".
Mặcdù vậy, Tomabechivẫn tinrằngnăng lượngnhiệt hạch sẽ phát triển vào giữa
thế kỷ này. Ôngthừa nhận nó sẽ rất đắt. Tuy nhiên, nếu tính cả chi phí cho Iter và
nhà máy điện thử nghiệm cũngsẽ tới mức 30tỷ usd, vẫn nhỏ hơn ngânsách quốc
phòng45 tỷ usd hàngnăm của Nhật Bản.Tomabechinói thêm: "Nếu mọi việc diễn
ra trôi chảy, điện nhiệt hạch sẽ được hòavào lưới điện trongvòng35 nămnữa".