ITER, lò phản ứng nhiệt hạch hạt nhân có trị giá lên tới 28 tỷ USD của Pháp, cuối cùng đã lắp đặt xong cuộn nam châm cuối cùng. Lò phản ứng này dự kiến sẽ được đưa vào hoạt động hoàn toàn vào năm 2039.
ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor) là một siêu dự án nghiên cứu và phát triển công nghệ tổng hợp hay nhiệt hạch hạt nhân quốc tế và là thí nghiệm vật lý plasma giam giữ từ tính lớn nhất thế giới. ITER là một lò phản ứng nhiệt hạch hạt nhân Tokamak thử nghiệm được xây dựng gần cơ sở Cadarache tại Saint-Paul-lès-Durance, Provence, miền nam nước Pháp.
Lò phản ứng hợp hạch ITER được thiết kế để tạo plasma khoảng 500 MW duy trì khoảng hai mươi phút trong khi 50 MW nhiệt năng được đưa vào Tokamak, cho ra lượng nhiệt plasma gấp mười lần. Cỗ máy này được tạo ra nhằm chứng minh lượng nhiệt năng có thể lớn hơn lượng nhiệt dùng để đốt plasma, điều chưa từng được thực hiện với những lò phản ứng trước đây. Tổng công suất điện năng tiêu thụ bởi lò phản ứng này dao động từ 110 MW đến 620 MW trong khoảng thời gian 30 giây khi plasma hoạt động. Là một lò phản ứng nghiên cứu, việc chuyển đổi nhiệt thành điện không được thực hiện và ITER cũng sẽ không tạo ra đủ năng lượng để phát điện. Thay vào đó, nhiệt tỏa ra sẽ được giải phóng ra bên ngoài.
Dự án được đầu tư và giám sát bởi bảy thành viên là Liên minh châu Âu, Ấn Độ, Hàn Quốc, Nhật Bản, Nga, Trung Quốc và Hoa Kỳ. Việc xây dựng tổ hợp tokamak ITER bắt đầu năm 2013 và chi phí xây dựng đã lên đến hơn 14 tỷ đô la Mỹ tính tới thời điểm tháng 6 năm 2015. Tổng chi phí xây dựng và vận hành dự kiến sẽ vượt qua 20 tỷ euro. Có 35 quốc gia tham gia vào dự án này, trực tiếp hoặc gián tiếp. Mục tiêu của ITER không chỉ là tạo ra lò phản ứng nhiệt hạch mà hơn thế là phát triển công nghệ, kỹ thuật, logistic và tổ chức cần thiết, hình thành những chuỗi cung ứng và văn hóa quản lý dự án ở các quốc gia, tạo tiền đề cho ngành công nghiệp nhiệt hạch của các nước.
Mục tiêu chính của ITER là để thấy tính khả thi về mặt khoa học và công nghệ của năng lượng nhiệt hạch cho mục đích hòa bình. Nó là lò phản ứng lớn nhất trong số hơn 100 lò nhiệt hạch được xây dựng kể từ những năm 1950. Kế thừa ITER, DEMO, dự kiến sẽ là lò phản ứng nhiệt hạch đầu tiên tạo ra điện trong môi trường được kiểm soát. Giai đoạn DEMO được hy vọng sẽ dẫn đến các trạm năng lượng nhiệt hạch phát điện trên quy mô lớn và các lò phản ứng thương mại.
Các nhà khoa học của dự án tuyên bố lò phản ứng nhiệt hạch lớn nhất thế giới này sẽ đi vào hoạt động sau 15 năm nữa. Lò phản ứng nhiệt hạch ITER bao gồm 19 cuộn dây từ tính lớn được quấn thành nhiều nam châm hình xuyến, dự kiến ban đầu bắt đầu thử nghiệm đầy đủ vào năm 2020. Điều này có nghĩa là năng lượng nhiệt hạch, trong đó tokamak của ITER đi đầu, rất khó có thể xuất hiện kịp thời để trở thành giải pháp cho cuộc khủng hoảng khí hậu hiện nay. Các nhà khoa học đã cố gắng khai thác sức mạnh của phản ứng tổng hợp hạt nhân – quá trình đốt cháy các ngôi sao – trong hơn 70 năm. Bằng cách kết hợp các nguyên tử hydro để tạo ra heli dưới áp suất và nhiệt độ cực cao, các ngôi sao thuộc dãy chính chuyển đổi vật chất thành ánh sáng và nhiệt, tạo ra lượng năng lượng khổng lồ mà không tạo ra khí nhà kính hoặc chất thải phóng xạ lâu dài. Nhưng việc tái tạo các điều kiện được tìm thấy bên trong tâm của các ngôi sao không phải là một nhiệm vụ đơn giản. Thiết kế phổ biến nhất cho các lò phản ứng nhiệt hạch, tokamak, hoạt động bằng cách làm nóng plasma (một trong bốn trạng thái của vật chất, bao gồm các ion dương và các electron tự do mang điện tích âm) trước khi hãm bên trong buồng lò phản ứng có từ trường mạnh.
Tuy nhiên, việc giữ các cuộn dây plasma hỗn loạn và quá nhiệt ở đúng vị trí đủ lâu để phản ứng tổng hợp hạt nhân xảy ra là một thách thức. Nhà khoa học Liên Xô Natan Yavlinsky đã thiết kế tokamak đầu tiên vào năm 1958, nhưng kể từ đó đến nay chưa có ai chế tạo được lò phản ứng có khả năng sản xuất nhiều năng lượng hơn mức năng lượng thu vào. Một trong những trở ngại chính là xử lý plasma đủ nóng để nung chảy. Lò phản ứng nhiệt hạch yêu cầu nhiệt độ rất cao (nóng hơn nhiều lần so với mặt trời) vì chúng phải hoạt động ở áp suất thấp hơn nhiều so với áp suất bên trong lõi của các ngôi sao. Ví dụ, lõi của mặt trời thực tế đạt nhiệt độ khoảng 27 triệu F (15 triệu độ C) nhưng có áp suất gần bằng 340 tỷ lần áp suất không khí ở mực nước biển trên Trái đất. Nấu plasma ở nhiệt độ này là phần tương đối dễ dàng, nhưng việc tìm ra cách ngăn chặn nó để nó không cháy qua lò phản ứng hoặc làm hỏng phản ứng nhiệt hạch là điều khó khăn về mặt kỹ thuật. Điều này thường được thực hiện bằng tia laser hoặc từ trường.
Thiết kế dạng lò tokamak của ITER sử dụng niobi-thiếc và niobi-titan như nhiên liệu cho nam châm. Các cuộn được kích hoạt bằng điện, sau đó làm lạnh tới nhiệt độ -269 độ C để biến chúng thành nam châm siêu dẫn. ITER triển khai nam châm theo 3 cách khác nhau để tạo ra lồng từ trường vô hình giúp kìm hãm plasma. Hình dạng bánh vòng ở lớp ngoài đến từ 18 nam châm hình chữ D. Một bộ 6 nam châm bao quanh lò tokamak theo phương ngang, giúp kiểm soát hình dạng plasma. Trong khi đó, cuộn solenoid ở trung tâm sẽ sử dụng các xung để sinh ra dòng điện trong plasma. Dòng plasma của ITER đạt đỉnh ở 15 triệu ampe, kỷ lục đối với lò tokamak trên khắp thế giới. Về mặt từ trường, tổng năng lượng từ trường của ITER là 41 gigajoule, mạnh gấp 250.000 lần từ trường Trái Đất.
Nam châm có hình xuyên cao 17 m, rộng gần 9 m và nặng 360 tấn. 10 nam châm được sản xuất bởi Fusion for Energy, châu Âu, trong khi 8 nam châm còn lại cùng một bản dự phòng được sản xuất bởi Viện khoa học và công nghệ lượng tử (QST) ở Nhật Bản. Quá trình sản xuất bắt đầu với một sợi niobi-thiếc cuộn các sợi đồng thành một cấu trúc giống cuộn dây thừng và đặt vào vỏ thép được thiết kế với trung tâm heli có thể truyền qua. Cấu trúc này gọi là bộ dẫn. Thiết kế này cần hơn 87.000 km sợi niobi-thiếc để sản xuất bộ dẫn cho 19 nam châm hình chữ D. Sau khi lắp ráp, lò phản ứng nhiệt hạch ITER sẽ sản xuất 500 MW. Khi nối với lưới điện, lò sẽ sản xuất 200 MW điện liên tục, đủ để cung cấp cho 200.000 hộ gia đình.
Từ khóa: ITER; lò phản ứng; nhiệt hạch; tokamak;
– CMD&DND –
