Nguồn năng lượng tương lai - vấn đề sống còn của nhân loại

Các nguồn năng lượng tái tạo như năng lượng mặt trời, năng lượng gió, địa nhiệt, sinh khối… mới chỉ chiếm 1% trong sản xuất điện năng và sẽ tăng lên 5% trong vòng 20 năm tới. Để tạo nên tua bin gió có công suất 4,5 MW phải có sải cánh tua bin đến 112 m và yêu cầu tốc độc gió 30 km/giờ. Để tạo công suất 120 W cần diện tích dàn pin mặt trời tới 1­m ². Bức tranh năng lượng của thế giới đang phát triển vượt bậc trong kỷ nguyên kinh tế tri thức thì những thách thức to lớn về năng lượng đang đòi hỏi cộng đồng khoa học quốc tế phải giải quyết những vấn đề cực kỳ to lớn.

Đi tìm lời giải cho nguồn năng lượng tương lai

Chúng ta biết rằng phản ứng dây chuyền phân tách hạt nhân Uranium trong các lò phản ứng hạt nhân tạo nên nguồn năng lượng vô cùng to lớn, tuy nhiên phản ứng kết hợp hạt nhân (phản ứng nhiệt hạch) còn tạo ra nguồn năng lượng to lớn hơn nhiều.

Deuterum ( ²₁H) và Tritinium ( ³₁H) còn gọi là nước nặng là hai đồng vị của hidro khi kết hợp với nhau sẽ tạo nên hạt Hêli ( ⁴₂He còn gọi là hạt alpha), nơtron năng lượng cao và giải phóng năng lượng vô cùng to lớn 17,6 MeV theo phương trình:

Vì các hạt nhân này đều có điện ích dương, để kết hợp lại với nhau cần giảm khoảng cách giữa chúng xuống khoảng 1 femto mét (10 ^-15m), khi đó lực đẩy tính điện giữa chúng tỷ lệ nghịch với khoảng cách sẽ rất lớn nên đòi hỏi phải tạo nên nhiệt độ rất cao vào khoảng vài chục triệu độ C. Mặt trời là quả cầu lửa khổng lồ trong đó phản ứng nhiệt hạch trong lòng nó vào khoảng một trăm triệu độ C duy trì ổn định và bức xạ năng lượng trong không gian và xuống trái đất. Chính mặt trời là nguồn gốc mọi sự sống trên trái đất. Tiếc thay mật độ năng lượng của mặt trời trong không gian không lớn và bị phân tán cho nên việc thu và sử dụng năng lượng mặt trời trên trái đất còn bị hạn chế. Một câu hỏi đặt ra là có thể tạo nên những mặt trời nhân tạo nhỏ trên trái đất để sinh ra năng lượng vô tận cho các nhà máy điện được không? Nếu được thì bài toán về năng lượng của nhân loại sẽ được giải quyết. Liệu khoa học và công nghệ thế kỷ 21 có giải quyết được vấn đề này không?

Tokamak

Là tên viết tắt của cụm từ tiếng Nga (buồng hình xuyến trong các cuộn dây từ) do nhà vật lý Xô viết Igor Yebgenyevich Tamm và Andrei Sakharov thiết kế theo ý tưởng ban đầu của Oleg Lavrentyeb sử dụng dòng plasma duy trì dưới dạng hình xoắn trong từ trường để tạo nên trạng thái cân bằng.

Từ sau chiến tranh thế giới lần thứ hai trong cuộc chạy đua hạt nhân giữa Mỹ và Liên Xô việc nghiên cứu về phản ứng nhiệt hạch được đẩy mạnh. Năm 1956 tại Viện Kurchatov Moskva đã xây dựng Tokamak đầu tiên, kết quả là các mẫu T - 3, T - 4 được thử nghiệm vào năm 1968 ở Novosimbirsk, lần đầu tiên đạt được phản ứng nhiệt hạch gần ổn định. Năm 1968 tại hội nghị của IAEA phía Liên Xô thông báo họ đã chế tạo được thiết bị Tokamak 1000 eV.

Các ion, điện tử tại tâm nhiệt hạch của plasma có nhiệt độ rất cao và tốc độ lớn. Để duy trì quá trình kết hợp hạt nhân các hạt mang điện trong từ trường sẽ chịu lực Lorentz theo đường xoắn ốc dọc theo đường sức từ trường. Các hạt có thể tạo nên các lớp song song trong từ trường. Để duy trì nhiệt độ cao cho phản ứng nhiệt hạch cần phải bổ sung năng lượng và gia nhiệt cho plasma bằng cách:

Đốt nóng bằng điện: Vì plasma là chất dẫn điện nên có thể sử dụng phương pháp đốt nóng cảm ứng. Dòng điện cảm ứng qua cuộn thứ cấp của máy biến áp. Vì Tokamak hoạt động trong chu kỳ ngắn, sự đốt nóng điện trở phụ thuộc vào tích Rl ². Tuy nhiên ở nhiệt độ cao điện trở của plasma suy giảm đáng kể nên đốt nóng điện trở cũng không thể tăng nhiệt đáng kể và cần sử dụng phương pháp gia nhiệt khác

Đốt nóng bằng chùm nơtron: Các nguyên tử bị ion hoá và bị bẫy trong từ trường các ion năng lượng cao chuyển phần năng lượng tới các hạt plasma trong các va chạm lặp lại.

Đốt nóng bằng nén từ:Plasma thể khí có thể bị đốt nóng do nén đột ngột. Trong Tokamak việc nén được thực hiện đơn giản bằng cách di chuyển plasma trong vùng có từ trường cao.

Đốt nóng cao tầntrong ống cao tần 84 GHz và 118 GHz do bộ dao động tần số cao Gyrotron và Klystron đặt bên ngoài hình xuyến. Nhiều kỹ thuật đốt nóng cộng hưởng cylotron được thực hiện.

Dù đã có nhiều cải tiến nhưng cho đến nay các Tokamak của Nga, Mỹ, EU, Nhật… mới tạo nên phản ứng nhiệt hạch ổn định dưới 1 giây bằng cách tiêu thụ năng lượng của nguồn mà chưa phát ra nguồn năng lượng do đó bài toán nguồn năng lượng vẫn còn bị bỏ ngỏ.

Iter

Mặt cắt của ITER.

Đây là dự án tốn kém nhất cho một thiết bị khoa học với vốn đầu tư 10 tỷ euro (14,6 tỷ USD). Trong vòng 30 năm gồm 10 năm xây dựng, 20 năm vận hành tạo nên thiết bị Tokamak quốc tế đặt tại Cadarache thuộc hạ lưu sông Rhône thuộc Provence, Alper – Côte d’Azur nước Pháp. Mục tiêu dự án là tạo nên phản ứng nhiệt hạch ổn định trong vòng 8 phút phát công suất nhiệt 500 MW. Việc sử dụng công suất nhiệt này cho sản xuất điện chưa được đặt ra.

Các mục tiêu chính của dự án là:

- Tạo nên năng lượng nhiệt gấp 10 lần năng lượng cung cấp.

- Duy trì dòng plasma trong vòng 8 phút trong buồng phản ứng nhiệt hạch 840 m ³.

- Phát triển công nghệ và quá trình cần thiết cho nhà máy điện nhiệt hạch có mạch từ nam châm siêu dẫn và điều khiển xa bằng robot.

Quá trình kết hợp Deuterium và Tritium với 0,5 gam nhiên liệu giải phóng năng lượng gấp 5 lần Uranium 235 và gấp 1 triệu lần năng lượng giải phóng khi đốt than.

Các luồng dư luận khác nhau về ITER.

Đối với các nhà môi trường dù chưa hiểu rõ mục tiêu của dự án ITER nhưng họ rất e ngại phản ứng nhiệt hạch có thể thúc đẩy chạy đua hạt nhân. Hội gồm 700 nhóm các nhà môi trường Pháp cho rằng thà để tiền cho phát triển nguồn năng lượng mới còn hơn tốn kém cho mục đích xa vời của phản ứng nhiệt hạch. Nhà vật lý Pháp Sebastien Balibar thuốc CRNS cho rằng “ý tưởng xây dựng mặt trời trong hộp là rất hay nhưng bây giờ còn chưa biết chế tạo hộp này như thế nào”. Ở Mỹ tiền điện mỗi năm lên tới 210 tỷ USD, chi phí cho ITER một tỷ USD trong một năm còn ít hơn nhiều so với việc nghiên cứu các giải pháp điện khác.

Tuy nhiên đa số các nhà nghiên cứu năng lượng đều ủng hộ dự án này. Đây sẽ là bước tiến rất quan trọng trong việc xây dựng những mặt trời nhỏ trên trái đất. Công nghệ này không gây hiệu ứng nhà kính, hoàn toàn không có khí thải độc hại cũng như chất thải phóng xạ. Nguồn nước nặng Deuterium và Trititum vô tận trên trái đất. Thành công trong dự án này nhân loại sẽ có bước tiến vững chắc trong việc tạo nên nguồn năng lượng sạch và vô cùng to lớn cho những năm giữa thế kỷ 21. Hình dưới đây là mặt cắt của ITER.

Nguồn: Nguồn Điện & Đời sống, 4 - 2008, tr 10