Bước tiến lớn trong thiết kế lò phản ứng tổng hợp hạt nhân

Các nhà khoa học ở Học viện Công nghệ Massachusetts (MIT) vừa tuyên bố họ đã thiết kế được một loại lò phản ứng tổng hợp hạt nhân (fusion reactor) kiểu mới mang tính cách mạng, trong vòng không đầy một thập niên có thể sử dụng với quy mô thương mại để cung cấp một nguồn năng lượng vô tận.

Bài viết về loại lò phản ứng có tên là ARC này đăng trên tạp chí Fusion Engineering and Design. Đồng tác giả bài viết gồm Dennis Whyte, Brandon Sorbom và 11 người ở MIT.

ARC có một lò phản ứng Tokamak hình dạng giống chiếc bánh mỳ vòng, nó tạo ra từ trường hình xuyến [để giam cầm được plasma cực nóng bên trong từ trường đó]. Lò phản ứng ARC hiện nay sẽ nhỏ hơn nhiều so với các lò phản ứng trong kế hoạch hoặc lò phản ứng thực tế sử dụng hoặc các lò phản ứng hiện có, nhưng nó sẽ sản xuất ra cùng một lượng điện. Nó tương tự như lò phản ứng hạt nhân mà Tony Stark sử dụng trong phim Iron Man.

Lò phản ứng nhiệt hạch ARC sử dụng hai đồng vị của hydrogen là deuterium và tritium. Trước tiên các nhà khoa học cho chúng vào bên trong lớp vỏ an toàn của lò phản ứng, sau đó bóc hết electron ra khỏi các nguyên tử, hình thành plasma. Quá trình đó giải phóng ra một năng lượng lớn. Nếu công nghệ này được hoàn thiện thì sẽ cung cấp một nguồn năng lượng vô tận, giải quyết triệt để cuộc khủng hoảng năng lượng của toàn thế giới.

Lò phản ứng Tokamak là loại lò có triển vọng nhất. Nó gồm một buồng chân không hình vòng xuyến, nhiên liệu trong đó được nung nóng tới trên 150 triệu độ C, hình thành plasma cực nóng. Sau đó dùng từ trường cực mạnh để đưa plasma ra khỏi vỏ an toàn. Xung quanh vỏ an toàn có một cuộn dây siêu dẫn dùng để tạo ra từ trường cực mạnh. Công nghệ làm cuộn dây siêu dẫn này là công nghệ khó nhất trong phương án thiết kế lò phản ứng nhiệt hạch.

Lò ARC không giống với các hệ thống Tokamak ở chỗ nó sử dụng một loại vật liệu siêu dẫn mới có thể dùng trong thương mại, được chế tạo từ oxide đồng-barium đất hiếm (rare-earth barium copper oxide, REBCO). Cuộn dây siêu dẫn dùng vật liệu mới có khả năng sinh ra từ trường mạnh hơn, do đó có thể giam giữ tốt plasma cực nóng, nhờ thế giảm được thể tích lò phản ứng, hạ giá thành chế tạo và dễ xây dựng hơn. Tiến bộ công nghệ này “làm thay đổi tất cả mọi chuyện” - Dennis Whyte, giáo sư KH&CN hạt nhân tại Trung tâm Khoa học Plasma và Lò phản ứng nhiệt hạch của MIT nói.

Lò phản ứng nhiệt hạch ARC có thể dùng cho việc nghiên cứu cơ bản về phản ứng nhiệt hạch, cũng có thể dùng làm nguyên mẫu cho nhà máy điện nhiệt hạch.

Theo giới thiệu, nhờ tăng được cường độ từ trường mà năng lượng do lò phản ứng nhiệt hạch ARC tạo ra sẽ tăng theo số mũ 4. Nghĩa là khi tăng gấp hai cường độ từ trường thì năng lượng do lò phản ứng tạo ra sẽ tăng 16 lần. “Bất cứ sự tăng nào về cường độ từ trường đều sẽ đem lại cho ta một lợi ích lớn,” - Sorbom nói.

Thành viên nhóm nghiên cứu MIT giải thích: tuy vật liệu siêu dẫn mới này chưa thể tăng gấp đôi cường độ từ trường nhưng từ trường ấy đủ để làm cho năng lượng do phản ứng tổng hợp nhiệt hạch sinh ra tăng gấp 10 lần so với công nghệ siêu dẫn tiêu chuẩn. Bước tiến khả quan này sẽ xúc tiến việc cải tiến hoàn thiện phương án thiết kế lò phản ứng.

Hiện nay lò phản ứng nhiệt hạch lớn nhất thế giới là lò ITER (Lò phản ứng nhiệt hạch thí nghiệm quốc tế) đang xây dựng tại Pháp, có chi phí dự tính khoảng 40 tỷ USD.

Nhóm nghiên cứu dự kiến lò phản ứng nhiệt hạch ARC có công suất 500 MW, đường kính bằng một nửa lò ITER (ITER được thiết kế trước khi công nghệ siêu dẫn mới trở thành hiện thực). Đường kính lớn của ARC bằng 3,3 m, đường kính nhỏ bằng 1,1 m. Tuy khác kích thước và cường độ từ trường nhưng ARC có cùng nguyên lý vật lý như ITER.

Theo phương án thiết kế hiện nay, lò phản ứng nhiệt hạch ARC tạo ra được một năng lượng lớn gấp ba lần năng lượng cần dùng để vận hành nó. Nhưng Sorbom cho rằng cùng với việc cải tiến ARC, bội số trên sẽ nâng lên tới năm hoặc sáu. Cho tới nay, chưa có bất kỳ lò phản ứng nhiệt hạch nào tạo ra được một năng lượng cao như vậy. Vì thế nhóm nghiên cứu cho rằng lò phản ứng nhiệt hạch ARC sẽ là một đột phá lớn về công nghệ tổng hợp nhiệt hạch. Một lò ARC có thể sản xuất đủ điện đáp ứng nhu cầu sử dụng của 100 nghìn người. Nhóm nghiên cứu tin rằng trong vòng năm năm tới sẽ xuất hiện những loại thiết bị tương tự ARC.

David Kingham, Giám đốc Công ty Năng lượng Tokamak (Anh Quốc), nói: “Năng lượng nhiệt hạch sẽ trở thành một trong những nguồn điện quan trọng nhất trên trái đất trong thế kỷ XXII.”

Dự án nghiên cứu nói trên được Bộ Năng lượng Mỹ và Quỹ Khoa học Quốc gia tài trợ.