Năng lượng nhiệt hạch - Ứng viên cho tạo nguồn năng lượng và Net Zero

Nhiệt hạch - Nguồn năng lượng của tương lai Cuối năm 2021, một thành tựu khoa học mới trong lĩnh vực tìm kiếm nguồn năng lượng hầu như vĩnh cửu và tuyệt đối sạch về mặt sinh thái đã được ghi nhận. Những tin vui cho các nhà khoa học được mô tả trong bài báo có nhan đề “Lò phản ứng nhiệt hạch Tokamak: Một dự án khoa học lớn với những đặc điểm độc đáo”.

Năng lượng nhiệt hạch, giấc mơ không còn xa vời nữa:

Theo trang tin Euronews, mạng tin tức truyền hình toàn châu Âu, con người đang đạt “bước tiến lớn” trong việc tìm kiếm nguồn năng lượng sạch nhờ kỳ tích của các nhà khoa học Oxfordshire - Anh vừa công bố.

Triển vọng khai thác các nguồn năng lượng sạch đã tiến thêm một bước sau khi khoa học lập kỷ lục mới về lượng năng lượng giải phóng trong một phản ứng nhiệt hạch bền vững. Ngày 11/2, Trung tâm Culham về Năng lượng Nhiệt hạch ở Oxfordshire, cơ sở thí nghiệm nhiệt hạch của Anh, đã giải phóng 59 Mega jun (MJ) nhiệt lượng trong 5 giây, tương đương 14 kg thuốc nổ TNT bằng một lò phản ứng hạt nhân có tên Joint European Torus (JET). Kỷ lục này xô đổ hay gấp đôi kỷ lục thiết lập vào năm 1997 mới chỉ đạt 21,7 MJ.

Mặc dù chỉ kéo dài 5 giây, phản ứng dừng lại không phải do hết năng lượng, mà là do thiết bị quá nóng. Kết quả mở ra tương lai đầy tươi sáng, rằng với những trang thiết bị tốt hơn, các phản ứng nhiệt hạch sẽ kéo dài, thậm chí tới vài ngày và tính hiệu quả, năng lượng đầu ra của phản ứng trên vẫn ít hơn năng lượng đầu vào nhưng đứng trên góc độ năng lượng cho thấy, con người đang chạm tay vào giấc mơ “ngàn đời” năng lượng nhiệt hạch nay đã và đang trở thành hiện thực.

Kỳ tích được công bố hôm 11/2/2022 sau hơn hai thập kỷ thử nghiệm và cải tiến tại Trung tâm Năng lượng Nhiệt hạch Culham. Nó được ca ngợi là “cột mốc quan trọng” trên con đường biến nhiệt hạch trở thành nguồn năng lượng cacbon thấp bền vững và khả thi. Giáo sư Ian Chapman, Giám đốc điều hành của Cơ quan Năng lượng Nguyên tử Vương quốc Anh (CCFC) tiết lộ: “Những kết quả mang tính bước ngoặt này đã đưa chúng tôi tiến thêm một bước dài hơn tới việc chinh phục một trong những thách thức lớn nhất của khoa học và kỹ thuật. Rõ ràng, phản ứng tổng hợp mang lại rất nhiều tiềm năng, giúp chúng ta giải quyết các vấn đề liên quan đến năng lượng và biến đổi khí hậu trong tương lai”.

Lò phản ứng JET hình chiếc bánh rán được chế tạo để chứa plasmas, hoặc khí có độ ion hóa cao, được nung nóng đến 150 triệu độ C, nóng hơn tâm mặt trời 10 lần. Các bức tường của lò được làm từ berili và titan. Các phản ứng nhiệt hạch tương tự cung cấp năng lượng cho mặt trời, nhưng ở nhiệt độ thấp hơn do các ngôi sao có lực hấp dẫn hỗ trợ.

Các thí nghiệm tại JET đã tập trung vào việc kiểm chứng xem liệu phản ứng tổng hợp có khả thi với một loại nhiên liệu dựa trên hai đồng vị của hydro được gọi là deuterium (đơteri) và tritium kết hợp với nhau tạo thành khí helium. Các kết quả mới nhất cung cấp xác nhận quan trọng cho Iter, một dự án nhiệt hạch lớn hơn đang được xây dựng ở miền Nam nước Pháp. Iter dự kiến ​​bắt đầu đốt nhiên liệu deuterium - tritium vào năm 2035, tạo ra nhiều nhiệt hơn mức cần thiết để giữ cho plasma ở nhiệt độ cao.

Nếu mọi việc của Iter suôn sẻ, bước tiếp theo là xây dựng một nhà máy điện trình diễn ở châu Âu, sản xuất nhiều điện hơn mức sử dụng và nối với lưới điện. Triển vọng của năng lượng nhiệt hạch rất hấp dẫn vì nó không giải phóng khí nhà kính, mỗi kg nhiên liệu nhiệt hạch chứa năng lượng gấp khoảng 10 triệu lần so với một kg than, dầu hoặc khí đốt. Trong khi Deuterium có rất nhiều trong nước biển, thì tritium (triti) lại cực kỳ hiếm và được sản xuất trong các lò phản ứng hạt nhân. Các nhà máy nhiệt hạch trong tương lai - bao gồm cả Iter - dự kiến sẽ tự sản xuất nhiên liệu triti bằng cách sử dụng neutron năng lượng cao, được giải phóng khi deuterium và tritium hợp nhất, để phân tách kim loại thông thường lithium thành tritium và helium.

Tiến sĩ Mark Wenman, chuyên gia về vật liệu hạt nhân tại Đại học Hoàng gia London - Anh, nói rằng trong khi thí nghiệm giải phóng năng lượng nhiệt hạch chỉ trong 5 giây, nó đã chứng minh rằng nhiên liệu có thể được đốt cháy một cách bền vững. “Đã lâu rồi họ mới tạo ra một kỷ lục lớn đến như vậy, và đó là một cột mốc quan trọng trên con đường chứng minh nhiệt hạch là một nguồn năng lượng bền vững và khả thi cho tương lai. 5 giây nghe có vẻ không nhiều, nhưng có thể giữ nó ổn định và giữ nó cháy trong nhiều phút, nhiều giờ hoặc nhiều ngày, đó là những gì chúng ta cần để xây dựng một nhà máy điện nhiệt hạch. Đây là bằng chứng cho khái niệm con người sắp chạm tay vào giấc mơ “năng lượng sạch và bền vững”, Tiến sĩ Mark Wenman lạc quan.

Pro. Ian Fells, giáo sư danh dự về chuyển đổi năng lượng tại Đại học Newcastle, cho biết việc giải phóng năng lượng nhiệt hạch đạt kỷ lục nói trên là “một bước ngoặt” trong lĩnh vực nghiên cứu và ứng dụng năng lượng. Giờ đây, các kỹ sư phải chuyển nó thành điện phi carbon và giảm thiểu vấn đề biến đổi khí hậu như COP26 đưa ra, đồng thời khắc phục tình trạng thiếu điện như hiện nay”, vị giáo sư này nói trước báo giới.

Đôi nét về năng lượng nhiệt hạch:

Năng lượng nhiệt hạch hay năng lượng hợp hạch hoặc năng lượng sinh ra trong phản ứng tổng hợp hạt nhân. Trong phản ứng này, hai hạt nhân nguyên tử nhẹ hợp nhất thành một hạt nặng và giải phóng năng lượng lớn. Cụm từ năng lượng nhiệt hạch (nuclear fission) được dùng nhiều để chỉ nguồn năng lượng điện phát ra từ một nhà máy điện nhiệt hạch, tương tự như “năng lượng hơi nước”. Hầu hết các nghiên cứu thiết kế nhà máy điện nhiệt hạch tập trung vào việc sử dụng nhiệt lượng tỏa ra từ phản ứng để quay một tua bin hơi nước của máy phát điện. Quy trình này cũng tương tự như trong các nhà máy điện sử dụng nguồn nhiệt là dầu, than đá, khí đốt hay năng lượng phân hạch trong các nhà máy điện hạt nhân.

Theo Cơ quan Năng lượng Nguyên tử Anh (UKAEA), năng lượng hạt nhân nói chung và nhiệt hạch nói riêng được xem như một giải pháp thay thế sạch cho nhiên liệu hóa thạch, điều mà thế giới của chúng ta đang rất cần. Phản ứng nhiệt hạch (hay phản ứng tổng hợp hạt nhân) mô phỏng lại quá trình phản ứng ở lõi của các ngôi sao như Mặt trời. Thực chất đây là quá trình hai hạt nhân nguyên tử nhẹ hợp lại với nhau để tạo thành một hạt nhân nặng hơn, đồng thời giải phóng một lượng lớn năng lượng. Cơ chế hoạt động của lò phản ứng nhiệt hạch gồm 3 bước chính: Một, phản ứng tổng hợp hạt nhân xảy ra khi hai nguyên tử kết hợp để hình thành một nguyên tử mới và một neutron; Hai, các nguyên tử được bắn thành plasma ở nơi có nhiệt độ khắc nghiệt vượt qua lực đẩy của chúng và buộc chúng liên kết lại với nhau; Ba, nhiệt hạch giải phóng năng lượng gấp bốn lần năng lượng sinh ra khi một nguyên tử bị tách ra trong sự phân hạch hạt nhân thông thường.

Sự khác biệt giữa phân hạch hạt nhân và phản ứng tổng hợp hạt nhân?

Nói một cách đơn giản, cả quá trình phân hạch và nhiệt hạch đều tạo ra năng lượng từ các nguyên tử. Phân hạch hạt nhân là phương pháp hiện đang được sử dụng trong các nhà máy điện trong đó các nguyên tử uranium từ một hạt nhân nặng, không bền được tách thành hai hoặc nhiều hạt nhân nhẹ hơn. Quá trình này nhằm mục đích tái tạo những gì xảy ra trong tâm của mặt trời.

Những người ủng hộ phản ứng tổng hợp hạt nhân coi nó là năng lượng của ngày mai. Quy trình này tạo ra rất ít chất thải có hàm lượng phóng xạ thấp hơn nhiều so với quy trình từ nhà máy điện hạt nhân thông thường. Nhiệt hạch cũng không tạo ra khí nhà kính và có thể tạo ra năng lượng gấp bốn triệu lần so với than, dầu hoặc khí đốt mà không giải phóng khí độc hại.

Nghiên cứu vẫn đang ở giai đoạn đầu và thông báo từ nghiên cứu nói trên chỉ ra cho thấy “Nếu chúng ta có thể duy trì nhiệt hạch trong 5 giây, chúng ta có thể làm điều đó trong 5 phút, trong 5 giờ với những cỗ máy hiệu quả hơn trong tương lai. Các nghiên cứu và đổi mới đang được thực hiện ở Vương quốc Anh, cùng với các đối tác trên khắp châu Âu biến năng lượng nhiệt hạch trở thành hiện thực” - George Freeman, thư ký quốc hội phụ trách khoa học của Anh cho hay.

Theo tạp chí Smithsonianmag của Mỹ, tháng 8/2021, một thí nghiệm nhiệt hạch tại Mỹ đã gần chạm tay có “lãi” về mặt năng lượng. Tháng 12/2021, các nhà khoa học Trung Quốc đã thành công trong việc đốt nóng lò phản ứng với nhiệt độ 150 triệu độ C và kiểm soát vật chất trong đó. Đây là dự án có tên Mặt trời nhân tạo, hay Experimental Advanced Superconducting Tokamak (Tokamak siêu dẫn nâng cao thử nghiệm - EAST), đã phá kỷ lục về nhiệt hạch hạt nhân bền vững lâu nhất. Plasma siêu nóng đạt 126 triệu độ F (150 triệu độ C), nóng hơn khoảng 5 lần so với mặt trời trong 17 phút.

Theo Tân Hoa Xã, EAST được thiết kế để có khả năng được sử dụng như một nguồn cung cấp năng lượng sạch gần như vô hạn trên Trái đất. Mặc dù còn rất lâu chúng ta mới có năng lượng nhiệt hạch để thắp sáng nhưng những nhà máy thử nghiệm sẽ xuất hiện vào năm 2025, và tương lai không xa, năng lượng nhiệt hạch sẽ “lên kệ”, con người không còn phải lo thiếu điện và nỗi lo ô nhiêm môi trường như hiện nay sẽ được kiểm soát. Đây thực sự là một bước ngoặt, giống như con người phát minh ra động cơ đốt trong hồi thập niên 60 ở thế kỷ 19.

KHẮC NAM - CHUYÊN GIA TẠP CHÍ NĂNG LƯỢNG VIỆT NAM (THEO: GUARDIAN/EURONEWS/SITHSONIANMAG - 2/2022)

Link tham khảo:

1/ https://www.theguardian.com/environment/2022/feb/09/nuclear-fusion-heat-record-a-huge-step-in-quest-for-new-energy-source

2/ https://www.euronews.com/green/2022/02/09/major-nuclear-fusion-breakthrough-could-bring-us-closer-to-carbon-free-energy

3/ https://www.smithsonianmag.com/smart-news/chinas-artificial-sun-reactor-broke-record-for-nuclear-fusion-180979336/