Provence, một vùng ở miền nam nước Pháp được biết đến với những vườn nho trải dài, cánh đồng hoa oải hương, vườn ô liu và những ngôi làng bình dị.

Nhưng gần đây, cảnh quan đã thay đổi ở khu vực quyến rũ này của thế giới.

Những đoàn xe kỳ lạ lúc nửa đêm chặn ngang đường cao tốc giữa Marseille, Avignon và Nice.

Những chiếc sơ mi rơ moóc từ từ len lỏi dọc theo những con đường vắng vẻ, chuyên chở những vật thể khổng lồ và trông có vẻ bí ẩn qua vùng nông thôn Provencal.

Những đoàn xe này chạy tới một trong những phòng thí nghiệm khoa học lớn nhất hành tinh chúng ta: Lò phản ứng thí nghiệm nhiệt hạch quốc tế, hay có tên tiếng anh là International Thermonuclear Experimental Reactor (ITER).

Tại tổ hợp này, ẩn mình sau những hàng rào, cánh rừng và cánh đồng, các nhà khoa học đang lên kế hoạch tạo ra phản ứng mà chúng ta trước giờ biết được chỉ xảy ra ở trung tâm Mặt trời.

Mục tiêu chính của ITER, là sự hợp tác trị giá hàng tỷ đô la giữa hàng chục quốc gia, là để chứng minh phản ứng tổng hợp hạt nhân có thể tạo ra năng lượng ở quy mô công nghiệp.

“Năng lượng nhiệt hạch đôi khi được coi là chén thánh của năng lượng,” Tom Wauters, một người Bỉ điềm tĩnh, mảnh khảnh và ôn hòa, làm việc như một nhà vật lý plasma tại ITER, nói.

“Ưu điểm của kỹ thuật này – mặc dù nó rất phức tạp để đạt được – là bạn có thể có năng lượng gần như vô hạn.”

Không giống như phản ứng phân hạch hạt nhân tạo ra điện bằng cách phân tách các nguyên tử, phản ứng tổng hợp hạt nhân khai thác năng lượng được giải phóng khi hai nguyên tử hợp nhất.

Nó bắt chước phản ứng xì hơi ở trung tâm của các ngôi sao – và không tạo ra chất thải phóng xạ tồn tại lâu dài.

Nhưng cũng như chuyện thường xảy ra với các thiết bị phát điện, loại hình này cũng có một số nhược điểm.

Lò phản ứng nhiệt hạch lớn nhất thế giới

Mọi thứ tại ITER – bao gồm các lớp an ninh và thành phố vệ tinh dành cho nhân viên – đã được xây dựng xung quanh một tòa nhà hình khối, bê tông, đồ sộ.

Nó chứa một hội trường lắp ráp, nơi 10 triệu linh kiện, được sản xuất ở những nơi xa xôi như Hàn Quốc, Trung Quốc và Châu Mỹ, được lắp ráp lại với nhau.

Và ngay bên cạnh sảnh là nơi điều kỳ diệu sẽ (hy vọng) xảy ra: một căn phòng chứa một thiết bị hình bánh rán rỗng, có chiều ngang khoảng 30 mét và chiều cao gần như tương tự, được gọi là tokamak.

Tokamak sẽ làm quá nhiệt các dạng hydro nặng, phá vỡ chúng thành các bộ phận cấu thành của chúng để tạo ra plasma – về cơ bản là một loại khí siêu nóng.

“Bên trong ‘chiếc bánh rán’ của chúng ta, chúng ta sẽ có nhiệt độ hơn 100 triệu độ C – nóng hơn nhiều so với trung tâm Mặt trời,” Tiến sĩ Wauters nói.

“Các electron bị tách ra khỏi các nguyên tử, vì vậy bạn thực sự có một loại súp hoặc một loại khí gồm các hạt mang điện tích dương và các electron mang điện tích âm đang quay xung quanh.”

Để tạo ra món súp xoáy này, các nhà vật lý của ITER sẽ cho nổ các đồng vị hydro bằng sóng điện từ mạnh – hơi giống cách lò vi sóng hâm nóng thức ăn thừa của bạn, nhưng ở quy mô ấn tượng hơn nhiều.

Tokamak cũng sử dụng các nam châm điện cực mạnh để thu hút khí siêu nóng ở trung tâm của chân không hình bánh rán.

Sau đó, để tạo ra năng lượng, một phần nhiệt có thể được hút ra khỏi plasma đang cuộn trào để tạo ra hơi nước và làm quay tua-bin.

Có một số thí nghiệm lò phản ứng nhiệt hạch khác đã được tiến hành trên khắp thế giới bằng cách sử dụng kỹ thuật này và các kỹ thuật khác.

Nhưng cho đến nay, các thí nghiệm sử dụng kỹ thuật này chỉ tạo ra một lượng điện năng nhỏ so với năng lượng dùng để khởi động phản ứng nhiệt hạch.

Mục tiêu của ITER là thu hồi năng lượng gấp 10 lần.

Tiến sĩ Wauter nói: “Đối với phản ứng tổng hợp, kích thước quan trọng và dựa trên các thí nghiệm hiện tại mà chúng tôi đã thấy, nếu chúng tôi mở rộng quy mô, chúng tôi sẽ đạt được các điều kiện cần thiết để tạo ra nhiều năng lượng hơn mức chúng tôi đưa vào.

“Chưa bao giờ nó được thực hiện trước đây với quy mô lớn như vậy, ở quy mô công nghiệp.

“Lần đầu tiên, tại ITER, chúng tôi đang cố gắng thực hiện điều này.”

Nghe có vẻ nguy hiểm … nó có an toàn không?

Các nhà máy điện phân hạch hạt nhân – những nhà máy tạo ra năng lượng khi các nguyên tử nặng phân rã thành các nguyên tử nhẹ hơn – có nguy cơ xảy ra phản ứng dây chuyền nếu lò phản ứng bị hư hỏng.

Nhưng không có nguy cơ điều đó xảy ra tại tokamak của ITER, Tiến sĩ Wauters nói.

“Nếu bạn khoan một lỗ trong lò phản ứng, điều đó có nghĩa là bạn đã phá vỡ khoảng chân không.

“Lò phản ứng sẽ ngay lập tức được lấp đầy không khí và điều này sẽ dừng phản ứng.”

Một lợi ích khác của phản ứng tổng hợp so với phản ứng phân hạch là bất kỳ vi phạm nào cũng sẽ không làm rò rỉ một lượng lớn chất phóng xạ.

Tuy nhiên, một số nhiên liệu được sử dụng để tạo ra phản ứng nhiệt hạch là chất phóng xạ và Tiến sĩ Wauters nói rằng có thể có những tình huống mà một số hạt hạ nguyên tử trong plasma nhiệt hạch có thể chiếu xạ các bộ phận của chính tokamak.

Ông nói: “Số lượng mà chúng ta đang nói đến là gam – không là gì so với hàng tấn vật chất trong một trường hợp tương tự ở nhà máy phân hạch.

“Cá nhân tôi không nghĩ rằng nó sẽ đến mức này. Và nếu nó đến mức này, số lượng thực sự rất nhỏ.”

Mặc dù vậy, và để đề phòng, vẫn có các lớp ngăn chặn như bê tông cốt thép xung quanh tokamak, giống như ở các nhà máy điện phân hạch.

Vậy rủi ro là gì?

Người ta thường lưu ý một cách hóm hỉnh rằng phản ứng tổng hợp luôn diễn ra trong 10 đến 20 năm nữa.

ITER ban đầu đặt ngày cho “plasma đầu tiên” vào cuối năm 2025, nhưng gần đây đã thông báo rằng sự chậm trễ và đại dịch đã đẩy điều này trở lại một ngày chưa xác định.

Tokamak sẽ bắt đầu bằng cách đốt cháy một lượng rất nhỏ nhiên liệu thành những vụ nổ rất nhỏ, nhưng sẽ không đưa điện vào lưới điện.

Cơ sở này chỉ là một địa điểm thử nghiệm để chứng minh rằng có thể sản xuất điện nhiệt hạch quy mô công nghiệp.

Nếu nó thành công, Tiến sĩ Wauters nói rằng mọi quốc gia thành viên tham gia vào dự án đều có thể sử dụng bản thiết kế, “tài sản trí tuệ, kiến thức, bí quyết” để tạo ra các lò phản ứng của riêng họ.

Tuy nhiên, vẫn còn những chướng ngại vật mà nhóm ITER phải vượt qua trước.

Có lẽ điều quan trọng nhất là tìm ra một cách bền vững để thúc đẩy phản ứng.

Phản ứng nhiệt hạch mà họ dự định tạo ra tại ITER phụ thuộc vào việc có hai dạng hydro bất thường được gọi là deuterium và tritium, cùng với một proton và electron, cũng chứa một và hai neutron tương ứng.

Deuterium không phải là vấn đề: Nó có nhiều trong nước biển, Tiến sĩ Wauters nói.

“Đó là tritium, thành phần thứ hai, phức tạp hơn một chút.”

Nó hiếm khi được tạo ra một cách tự nhiên và ITER ước tính tổng nguồn cung tritium được lưu trữ trên toàn cầu hiện nay là khoảng 20 kg.

Nhưng nhóm nghiên cứu tại ITER hy vọng sẽ sử dụng chính lò phản ứng nhiệt hạch để tạo ra nhiều triti hơn dưới dạng sản phẩm phụ của phản ứng.

Điều này được gọi là “nhân giống tritium” và liên quan đến việc bắn phá lithium vào thành trong của tokamak bằng neutron trong plasma để tạo ra nhiều tritium hơn.

Tiến sĩ Wauters nói: “Ý tưởng là có ít nhất một tritium được sản xuất cho một tritium được tiêu thụ trong plasma để có một chu trình nhiên liệu khép kín.

“Điều đó là có thể, nhưng có một sự khác biệt giữa việc làm những điều này trên giấy và thực sự làm nó.”

Có một chút khó khăn trên này.

Nếu họ không thể tìm ra cách thay thế tritium mà họ sử dụng, thì có khả năng giấc mơ về năng lượng nhiệt hạch sẽ sớm kết thúc.

“Thực sự có rủi ro,” Tiến sĩ Wauters nói.

“Tôi khá tự tin rằng đến một lúc nào đó chúng tôi sẽ quản lý được nó và ITER sẽ làm được điều đó.”

Trong khi chờ đợi, những đoàn xe lúc nửa đêm sẽ tiếp tục chạy qua vùng nông thôn yên tĩnh, chiếc bánh rán sáng bóng sẽ được ghép lại với nhau trong những năm tới và hàng nghìn nhà khoa học sẽ hy vọng thí nghiệm khổng lồ này sẽ thành công.

Nguồn: ABC Science.