Mặt Trời trên Trái Đất

“Asdex Upgrade” thuộc Viện Vật lý plasma Max Planck IPP ở Munich là thiết bị nhiệt hạch lớn nhất CHLB Đức. Các nhà vật lý làm việc với nó đang cố gắng hết mình để kéo Mặt Trời trở về Trái Đất. Tuy đã tiến hành hàng ngàn thí nghiệm, họ vẫn chưa thành công bởi lẽ gặp khúc mắc ở ngay bước khởi đầu: quá trình mồi. Từ trên nửa thế kỷ nay, các nhà vật lý toàn thế giới vẫn đang chỉ loay hoay với việc mồi ngọn lửa nhiệt hạch. Thời gian quá lâu như vậy làm cho công luận mất hết hy vọng rằng thí nghiệm của họ sẽ mang một chút lợi ích gì. Nhưng chính vào lúc này, khi tia hy vọng nhỏ nhoi nhất đã biến mất, khi không một ai còn quan tâm tới vấn đề này nữa thì các nhà vật lý plasma lại đạt được tiến bộ đáng nể.

GS. Hasinger, Viện trưởng Viện IPP, vốn là nhà vật lý thiên văn sớm tối luẩn quẩn với việc khám phá các bí mật của những lỗ đen, nay cũng phải hết sức ngạc nhiên về thành tựu mà nhân viên của mình vừa đạt được. Ông khẳng định: “Chúng tôi đang đi đến rất gần bước quyết định, công việc tiến nhanh rất nhiều hơn mọi người vẫn tưởng. Nếu như có một dự án lớn như “Apollo” của Mỹ thì chắc chắn chúng tôi đã cho chạy một lò phản ứng nhiệt hạch cung cấp nhiệt và điện từ đầu thiên niên kỷ - đáng tiếc là không nước nào trên thế giới cấp nổi số tiền lớn như vậy cho các nhà vật lý”.

Buồng plasma của thiết bị nhiệt hạch.

Bên trong các ngôi sao, phản ứng nhiệt hạch tự động xảy ra. Do áp suất khổng lồ, các hạt nhân hydro nhẹ kết hợp thành hêli nặng, giải phóng lượng năng lượng hầu như vô tận. Đó chính là phảnứng nhiệt hạch xảy ra từ hàng tử năm nay, cung cấp ánh sáng và nhiệt năng cho cuộc sống trên Trái Đất nảy nở, tuy nhiên lại không dễ gì mô phỏng Mặt Trời trong phòng thí nghiệm. Không có một cái máynào trên Trái Đất có thể tạo ra được áp suất lớn như trên các ngôi sao. Các nhà vật lý khắc phục nhược điểm này qua nhiệt độ còn cao hơn rất nhiều nếu so với Mặt Trời: khí hydro tích điện được đưalên 100 triệu độ C. Khi đó nó ở thể plasma và hết sức khó điều khiển. Các nam châm siêu mạnh giữ nó bay lơ lửng vì khi nó chạm thành buồng đốt, nó bị nhiễm bẩn vì vậy lạnh đi và phản ứng nhiệt hạchvốn rất nhạy cảm sẽ tắt ngay. Vấn đề vậy không phải là kết hợp các hạt nhân hydro với nhau vì các lò vi sóng khổng lồ có thể trong vòng một giây đưa chúng lên nhiệt độ cao gấp nhiều lần Mặt Trời. Tuynhiên ở phản ứng nhiệt hạch trong phòng thí nghiệm này, còn giải phóng quá ít năng lượng để được duy trì quá trình này. Nếu không có nhiệt từ ngoài đưa vào thì ngọn lửa nhiệt hạch tắt ngấm ngay, cácnhà vật lý so sánh hệt như ta phải nhóm lửa bằng củi ướt vậy.

Thí nghiệm nhiệt hạch trong buồng plasma

Việc ngăn cách plasma chưa đủ vì vẫn có quá nhiều năng lượng bị mất đi. Khắc phục bằng cách xây lò phản ứng nhiệt hạch cực lớn. GS. Hasinger bảo: “Khi gia tăng thể tích plasma, ta tự độnggiảm mất mát nhiệt, đó là công thức gấu Bắc cực: ở vùng lạnh, động vật lo lớn dễ giữ thân nhiệt hơn những con nhỏ”.

Cũng theo mô hình này mà vài tháng tới ở Cadarache, Pháp, sẽ bắt đầu xây dựng nhà máy điện nhiệt hạch Iter (International Thermonuclear Experimental Reactor – Lò phản ứng nhiệt hạch quốc tế). Lò phản ứng thí nghiệm 500MW này sinh năng lượng lớn gấp mười lần lượng nó dùng để nung nóng plasma của nó – đó thực sự là bước đột phá từ lâu vẫn hy vọng cho ngành điện hạt nhân. Nếu sau 10 năm nữa nó hoạt động tốt thì không ai còn nghi ngờ về ngành này nữa, và từ 2050 sẽ có nhà máy điện nhiệt hạch đầu tiên đi vào hoạt động.

Dự án này ngoài EU còn có Mỹ, Nga, Trung Quốc, Ấn Độ, Nhật Bản và Hàn Quốc tham gia. Phí tổn khởi đầu đã là 5 tỷ €, nhưng đến hôm nay đã biết phí tổn phát sinh ít nhất phải là 30%. Tuy nhiên nhân loại vẫn phải đầu tư vào lĩnh vực năng lượng tốn kém này vì nó hy vọng thay thế cho dầu mỏ, than và điện hạt nhân thông thường vốn vẫn gây tranh cãi.

Mặt cắt lò phản ứng nhiệt hạch Iter

Khi các nhà máy điện nhiệt hạch cỡ 1000 MW này đi vào hoạt động, một giờ nó chỉ dùng 1kg hydro nặng (đơteri, dễ lấy từ nước biển), tức là tương đương 11000 tấn than. Tất cả những vấn đề gay cấn nhưhiệu ứng nhà kính ở than, nguy hiểm (ở hỏng hóc nhỏ nhất thì phản ứng tự tắt ngay) biến mất, còn chất thải phóng xạ là thành bình bị nơtron bắn dễ giải quyết vì nó bán rã sau 100 năm.

Một thành công lớn của IPP nữa là mới đây, các nhà vật lý tăng năng lượng ra lên gấp đôi nhờ cho phụ gia nitơ vào plasma làm nó nóng hơn. Có lẽ nitơ ngăn cách thành bình tốt hơn. (Theo Der Spiegel số 1, tháng 1, 2009).