Hamish Johnston (Physics World, tháng 12/2011)
Một công ti Canada đang có kế hoạch xây dựng một nguyên mẫu lò nhiệt hạch với chi phí chỉ bằng một phần chi phí của lò phản ứng nhiệt hạch chuẩn.
Lò phản ứng “nhiệt hạch bia từ hóa” của công ti General Fusion hứa hẹn tạo ra những plasma nhiệt hạch đặc hơn 1000 lần cái tìm thấy tại lò phản ứng nhiệt hạch ITER trị giá 16 tỉ bảng Anh hiện đang xây dựng ở Pháp. (Ảnh: General Fusion)
Đối với nhiều nhà vật lí, có hai lộ trình khả dĩ đưa đến năng lượng nhiệt hạch. Thứ nhất là nhiệt hạch giam cầm từ tính, tức là sử dụng từ trường để bắt giữ một plasma sau đó làm nó nóng lên cho đến khi đủ nhiệt cho các ion hydrogen hợp nhất – thường là cần khoảng 150 triệu Kelvin. Thứ hai là giam cầm quán tính, theo đó một tấm bia hydrogen đậm dặc được nén bởi những xung laser mạnh để đánh lửa nhiệt hạch.
Trong khi hai cách tiếp cận này rất khác nhau về mặt kĩ thuật, nhưng chúng có một điểm chung – chúng đã và đang được phát triển trong những dự án khổng lồ và tốn kém. Giam cầm từ tính là phương pháp đi đầu bởi cơ sở ITER hiện đang xây dựng ở Pháp với chi phí ước tính 16 tỉ bảng Anh, trong khi Cơ sở Đánh lửa Quốc gia (NIF) ở California, Mĩ, đang đi tiên phong về sự giam cầm quán tính qua việc sử dụng 192 laser khổng lồ chiếu vào một tấm bia chừng bằng hạt đậu.
Tuy nhiên, có một số nhà vật lí tin rằng có một cơ sở trung gian hướng đến sự nhiệt hạch thực tế - một giải pháp kết hợp sự giam cầm từ tính và giam cầm quán tính nhưng có thể đạt tới với chi phí thấp hơn cả hai phương pháp. Một người trong số đó là nhà vật lí người Canada Michel Laberge, người đồng sáng lập công ti General Fusion để thương mại hóa một kĩ thuật nhiệt hạch gọi là “nhiệt hạch bia từ hóa”, hay MTF. Hồi năm 1990, Laberge đã lấy bằng tiến sĩ ngành vật lí plasma từ trường Đại học British Columbia, nơi ông nghiên cứu các tương tác laser-plasma. Sau đó, ông đã hoàn tất một đề tài hậu tiến sĩ trong cùng lĩnh vực dó tại trường Bách khoa Ecole ở Paris và rồi tại Trung tâm Nghiên cứu Quốc gia Canada, nơi ông đã sử dụng các laser femto giây để nghiên cứu những phản ứng hóa học nhanh. Rồi tiếp sau đó là chín năm phát triển công nghệ in màu tại công ti Creo ở Vancouver.
Vào năm 2002, Laberge và người đồn nghiệp Creo, Doug Richardson, đã rời công ti trên để sáng lập nên General Fusion, trong đó Laberge hiện nay là chủ tịch và là nhân viên kĩ thuật chính, còn Richardson là nhà quản trị chính. Trụ sở đặt tại Burnaby, ngoại ô Vancouver, công ti của họ muốn xây dựng một nguyên mẫu lò phản ứng trị giá 40 triệu đô la dựa trên các nguyên lí MTF. Cho đến nay, công ti trên đã nhận thêm hơn 33 triệu đô la từ nhiều nhà đầu tư, trong đó có nhà sáng lập Amazon Jeff Bezos, công ti dầu khí Cenovus Energy và chính phủ Canada.
Nóng hơn cả Mặt trời
Giống như sự giam cầm từ tính, MTF bắt đầu với một plasma giữ tại chỗ bằng một từ trường. Tuy nhiên, plasma này sẽ đặc hơn 1000 lần so với cái có thể tìm thấy trong một lò phản ứng như ITER – và do đó kém bền hơn nhiều. Nhưng miễn là plasma giữ được đủ lâu để nó có thể bị nén, thì sẽ có thể thu được sự nhiệt hạch. Một số kế hoạch đã được đề xuất để thực hiện sự nén này. Tại một đầu của phổ, có thể sử dụng các laser như những laser đã dùng tại NIF – nhưng không cần thiết mạnh như thế. Thí nghiệm Shiva Star tại Phòng Nghiên cứu Không quân ở Albuquerque, New Mexico, Mĩ, chẳng hạn, sử dụng năng lượng điện dự trữ trong một kho tụ khổng lồ để làm thay đổi từ trường rất nhanh, làm nén một ống kim loại trên plasma. Những kế hoạch khác, trong đó có kế hoạch của General Fusion, sử dụng sự nén cơ học của plasma bằng piston nén.
Một chu trình trong lò phản ứng đã đề xuất sẽ bắt đầu với việc tạo ra một plasma tritium và deuterium. Plasma đó hình thành trong một vòi phun, bọc nó trong một từ trường tạo ra cái tương tự như một vòng khói thuốc xoáy tít. Sau đó, plasma đó được dẫn theo một xoáy từ đến tâm của một quả cầu đang quay gồm chì và lithium nóng chảy.
Ảnh minh họa lò phản ứng hoàn chỉnh. Hai vòi phun plasma ở phía trên và phía dưới lò và quả cầu kim loại nóng chảy được thể hiện bằng màu đỏ tại chính giữa ảnh. Xung quanh quả cầu kim loại là các piston. Plasma bị nén tại đốm sáng ở chính giữa của phần kim loại nóng chảy. (Ảnh: General Fusion)
Quả cầu được bao quanh bởi khoảng 200 piston khí, chúng sẽ đột ngột tác dụng lực đẩy lên quả cầu chính xác đồng thời. Theo General Fusion, như vậy sẽ tạo ra một sóng âm sẽ truyền qua kim loại nóng chảy và nén plasma đến mức nó sẽ trở nên đủ nóng và đủ đặc cho deuterium và tritium hợp nhân với nhau. Mục tiêu cho plasma ban đầu là nhiệt độ 106 K, ở mật độ 1017 hạt/cm3. Trong khi đó, người ta hi vọng plasma ITER có nhiệt độ khoảng 150 triệu kelvin và có mật độ khoảng 1014 hạt/cm3.
Lượng nhiệt lớn tạo ra bởi quá trình nhiệt hạch sẽ được hấp thụ bởi kim loại nóng chảy và sau đó hồi phục lại bằng cách cho kim loại đi qua một bộ trao đổi nhiệt để sinh hơi nước, thành ra có thể dùng để phát điện. Một số neutron tạo ra trong sự nhiệt hạch sẽ bị hấp thụ bởi lithium trong kim loại nóng chảy, làm sinh ra nhiều tritium hơn. Tritium này sau đó sẽ được lấy khỏi kim loại nóng chảy và dùng trong những chu trình nén sau đó. Toàn bộ quá trình sẽ được lặp lại với sự phun vào của plasma tiếp theo.
Những thách thức ở phía trước
Thiết kế lò hiện nay của General Fusion dự đoán có thể tạo ra khoảng 100 MJ điện năng/chu trình/ Cho hệ thống chạy một chu trình/giây sẽ phát ra công suất 100 MW – bằng khoảng 1/5 sản lượng của một nhà máy điện hạt nhân thương mại cỡ nhỏ. Công ti General Fusion khẳng định rằng một lò phản ứng có thể hoạt động ở mức công suất này trong một năm chỉ tiêu tốn 18 kg deuterium và 60 kg lithium.
Theo Laberge, công ti trên phải vượt qua hai thử thách chính trước khi lò phản ứng đó có thể trở thành hiện thực. Trước tiên là việc có thể tạo ra một plasma sẽ tồn tại đủ lâu trong lò để nó có thể bị nén. Hiện nay, công ti trên có thể tạo ra một plasma treo trong khoảng 50 µs, nhưng Laberge cho biết con số này phải được nâng lên ít nhất là 100 µs. Plasma sẽ được bơm từ hai nguồn giống hệt nhau ở hai phía đối diện nhau của quả cầu. Mỗi nguồn sẽ tạo ra một toroid plasma hình bánh rán ở nhiệt độ 106 K sẽ “thổi” đến tâm của quả cầu giống hệt như một vòng khói. Hai vành bánh rán sẽ va chạm và kết hợp tại chính giữa quả quả cầu trước khi chịu nén. Cho đến nay, công ti trên đã chế tạo xong một vòi bơm plasma như thế.
Thách thức lớn còn lại, theo Laberge, là việc tạo ra một hệ thống piston, tất cả phải chạm trúng quả cầu đồng thời trong vòng khoảng 10 µs để đảm bảo rằng plasma bị nén đều. Nếu nó bị nén không đều, một phần plasma có thể rõ rĩ, ngăn cản tấm bia đạt tới mật độ và nhiệt độ chính xác cho sự nhiệt hạch xảy ra. Công ti trên hiện đang điều khiển các piston của họ bằng một cơ chế hồi tiếp đo vị trí của các piston và sử dụng các phanh áp điện để giữ chúng chuyển động đồng nhịp với nhau. Kết quả là General Fusion có thể điều khiển chuyển động của mỗi piston đến khoảng 10 µs, và Laberge cam chắc rằng con số này còn có thể giảm xuống nữa.
Một lò phản ứng nhiệt hạch hoạt động sẽ phải được xây dựng tại một địa điểm mới vì mái trần tại cơ ngơi Burnaby của công ti quá thấp. Laberge cho biết công ti đã để mắt tái một cơ sở kiểm tra biến thế bị bỏ hoang do BC Hydro sở hữu. Ông không nghĩ công ti sẽ gặp khó khăn gì trong việc xin giấy phép xây dựng một cơ sở nguyên mẫu, nó sẽ mất khoảng 3 năm xây dựng.
Trong khi lò phản ứng trên có thể chạy trong một mode chứng-minh-nguyên-lí mà không có tritium, Laberge cho biết cơ sở sẽ đòi hỏi một lượng tritium rất nhỏ - chưa tới lượng sử dụng trong một bệnh viện – để đạt tới sự nhiệt hạch. Nếu công ti có thể giải quyết những vấn đề này, Laberge và các đồng nghiệp của ông đã có kế hoạch lao vào một chiến dịch vận động tài trợ thêm 40 triệu đô la để xây dựng nguyên mẫu.
Chỉ là một sự cố gắng?
Vậy các chuyên gia nhiệt hạch plasma nghĩ gì trước kế hoạch MTF của hãng General Fusion? “Tôi tin rằng MTF có tiềm năng là một lộ trình có thể làm được đưa đến năng lượng nhiệt hạch,” phát biểu của Uri Shumlak thuộc trường Đại học Washington, người đã quen thuộc với kế hoạch của công ti trên. Tuy nhiên, ông cho biết cơ sở khoa học chưa được phát triển đầy đủ cho sự nhiệt hạch giam cầm từ tính hoặc giam cầm quán tính. “Theo quan điểm của tôi, MTF tiêu biểu cho một lộ trình rủi ro cao nhưng chi phí thấp,” ông nói.
Nhà vật lí plasma Michael Brown thuộc trường Swarthmore College ở Pennsylvania đồng ý rằng MTF là một lộ trình thực tiễn. Nhưng ông bổ sung thêm rằng trong khi kế hoạch của công ti trên dùng piston nén plasma có phần đơn giản hơn phương pháp sử dụng laser của NIF, nhưng nó cũng có một thách thức công nghệ lớn vì một sự nổ vào trong canh thời gian cẩn thận như thế của kim loại lỏng trước đây chưa từng thu được. Ông cũng cảnh báo rằng viẹc tạo ra một plasma bia mục tiêu trong một xoáy kim loại lỏng là công việc chẳng dễ dàng gì. “Có rất nhiều vấn đề vật lí plasma và công nghệ piston để cho chúng hoạt động,” ông nói.
Brown cũng thừa nhận rằng MTF được đa phần cộng đồng nhiệt hạch “xem là một sự cố gắng”. Ông cho biết thêm rằng một sự nổ vào trong cùng một lúc có thể tạo ra vụ nổ neutron từ sự nhiệt hạch nhưng lò phản ứng lại là một câu chuyện khác. “Nhiều nhà khoa học nhiệt hạch xem phương pháp giam cầm từ tính, tiêu biểu là ITER, là một bước tiến lớn tiếp theo hướng đến một lò phản ứng nhiệt hạch ổn định,” ông nói.
David Ward, người nghiên cứu sự nhiệt hạch giam cầm từ tính tại Trung tâm Năng lượng Nhiệt hạch Culham ở Anh, cho biết trong khi cách tiếp cận của General Fusion có vẻ như hợp lí và ông sẽ hào hứng theo dõi các kết quả của công ti trên, nhưng ông sẽ không từ bỏ sự giam cầm từ tính. “Trước đây, khi người ta đề xuất những phương pháp mới đi tắt tới sự nhiệt hạch, những phương pháp này đã luôn luôn thất bại và bài học mà chúng tôi rút ra là chúng tôi phải làm việc thật sự thích đáng.”
Hamish Johnston (Physics World, tháng 12/2011)
