Điện nhiệt hạch

Cám ơn ông Long Nguyễn.

Tôi đang bí. Không biết phải viết những gì, thì may mắn quá, nhận được email của ông Long Nguyễn, một đề tài về điện nhiệt hạch. Nên mới có bài viết nầy. Xin cám ơn một người mà tôi chưa quen biết.

1*. Mở bài

Điện năng là nhu cầu thiết yếu của con người. Máy móc sản xuất sản phẩm phục vụ đời sống con người, và ngay cả những vật dụng trong nhà cũng chạy bằng điện. Ngày nay, khuynh hướng xây dựng nhà máy điện năng lượng nhiệt hạch để có nguồn điện không có giới hạn, và nhất là an toàn. Các khoa học gia trên thế giới đang nổ lực thử nghiệm để tiến tới việc thu nhận nguồn điện nhiệt hạch nầy.

2*. Vài nét tổng quát về các năng lượng tạo ra điện

Điện năng được tạo ra bởi những nguồn năng lượng khác nhau như sau.

2.1. Năng lượng gió, thác nước, pin mặt trời

Là những năng lượng sạch, nhưng không sản xuất đủ số lượng điện để cung cấp cho tất cả những nhà máy và mọi nhu cầu phục vụ đời sống con người.

2.2. Năng lượng than đá, dầu và khí đốt

Những năng lượng nầy thải ra khí carbonic (CO2) rất độc hại. Nếu tiếp xúc trực tiếp thì chết người, và bị ung thư.

Khí CO2 giữ sức nóng của mặt trời, tạo ra ô nhiễm môi trường.

Các nhà khoa học cho biết, nếu như theo cái đà “hâm nóng bầu khí quyển” như hiện nay, thì 100 năm nữa, băng tuyết ở Bắc cực và Nam cực sẽ tan ra, làm nước biển tăng lên 1m, thì 700 hòn đảo của Indonesia sẽ chìm dưới mặt nước, kể cả bang Florida và Thủ đô Tokyo của Nhật cũng mất dạng.

2.3. Năng lượng hạt nhân uranium

Phóng xạ giết người

Sau những năng lượng như gió, thác nước, than đá, dầu và khí đốt nêu ở 2.1 và 2.2. nêu trên, thì phóng xạ hạt nhân đã làm chết con người.

Điều nguy hiểm của chất Uranium là phóng xạ giết người. Phóng xạ phát sinh từ việc thay đổi các nguyên tử bên trong chất Uranium, do tác động vật lý. Nó giống như tia X-Ray, nhưng mạnh hơn rất nhiều. Phóng xạ xảy ra trong lò phản ứng, được xây dựng rất kiên cố, nếu lò bị rò rỉ hay bị nổ, thì phóng xạ lan ra ngoài. Ngoài việc giết chết người tức thời, nó còn gây tác hại lâu dài. Đó là trường hợp của Chernobyl ở Ukraina, thuộc Liên Xô năm 1986, và vụ nổ tại nhà máy điện hạt nhân Sukushima năm 2011 tại Nhật.

Ngày 26-4-1986, nhà máy điện hạt nhân có 4 lò phản ứng ở thị trấn Chernobyl, Ukraina, đã phát nổ. Vụ nổ do kỹ thuật yếu kém của Liên Xô. Phóng xạ lớn gấp 4 lần so với trái bom nguyên tử thả xuống đảo Hiroshima của Nhật năm 1945.

Tổ chức Hòa Bình Xanh (Greenpeace) đưa ra những con số: 93,000 người chết. 200,000 người bị nhiễm phóng xạ.

Thảm họa của nhà máy điện hạt nhân Fukushima ở Nhật năm 2001. Ngày 11-3-2011, động đất gây ra sóng thần làm nổ nhà máy, gây ra thiệt hại nặng nề. Không có con số tử vong chính xác.

Đã có 12,000 người nạp đơn kiện công ty Tersa là chủ nhà máy, và kiện chính phủ, đòi bồ thường thiệt hại là một tỷ USD.

3*. Năng lượng là gì?

Năng lượng là nguồn lực giúp các loại máy vận hành. Nguồn lực của gió, của thác nước, than đá, khí đốt, là năng lượng giúp máy phát điện vận hành, tạo ra điện. Điện cũng là một năng lượng giúp các loại máy vận hành như: xe hơi, máy bay, máy giặt và đa số dụng cụ trong nhà.

3.1. Năng lượng nhiệt hạch là gì?

Năng lượng nhiệt hạch (Nuklear Fission) là dùng sức nóng “khủng khiếp” do lò phản ứng nhiệt hạch tạo ra để quây turbine của máy phát điện, tạo ra điện thông thường như điện nhà 117V, 220V, điện 3 pha ở các nhà máy, công xưởng.

Quy trình này cũng tương tự như trong các nhà máy điện sử dụng năng lượng là dầu, than đá, khí đốt hay năng lượng phân hạch chất uranium trong các nhà máy điện hạt nhân.

3.2. Năng lượng địa nhiệt là gì?

Năng lượng địa nhiệt là dùng sức nóng trong ruột trái đất để tạo ra điện. Nhiệt độ trong ruột trái đất rất cao, làm tan mọi thứ thành chất lỏng sền sệt. Đá xanh, kim loại cũng bị biến thành chất sền sệt, “sền sệt” là trạng thái giữa chất đặc và chất lỏng. Đó là phúng thạch do núi lửa phun ra.

Theo các nhà địa chất, ở độ sâu 33 mét từ mặt trái đất, nhiệt độ tăng 1 độ C. Ở độ sâu 60Km, sức nóng lên tới 1,800 độ C. Ở độ sâu 30Km sẽ có đủ sức nóng để tạo ra điện cho cả thế giới.

4*. Sức nóng là yếu tố căn bản để tạo ra điện

Phương thức của việc sản xuất ra điện có những trang thiết bị giống nhau. Đó là sức nóng làm cho nước sôi, biến thể lỏng ra thể khí, là hơi nước. Hơi nước bị nén, làm cho những cánh quạt của trục turbine chạy để phát ra điện.

4.1. Sức nóng của than đá, dầu và khí đốt tạo ra điện.

Tuy nhiên những nguyên liệu nầy thải ra khi carbonic (C02) rất nguy hiểm đối với sức khỏe con người và làm ô nhiễm môi trường.

4.2. Sức nóng từ chất uranium.

Dùng chất uranium để tạo ra sức nóng làm turbine chạy, phát ra điện. Tuy nhiên, uranium phát ra phóng xạ giết người. Động đất, sóng thần, kỹ thuật kém, quản lý kém… làm nổ nhà máy điện, phóng xạ lan ra ngoài.

4.3. Sức nóng của lò nhiệt hạch

Cả thế giới đang nổ lực hợp tác để tạo ra sức nóng làm năng lượng xanh, vừa an toàn, ít tốn kém và tạo ra điện không hạn chế.

Đến nay, chưa có nguồn điện nào được tạo ra bằng năng lượng xanh nầy.

Các nhà khoa học trên 35 quốc gia hợp tác xây dựng lò phản ứng ITER. (ITER= International Thermonuclear Experimental Reaction) trị giá 30 tỷ USD, tại Saint-Paul-lez-Durance, Pháp.

5*. Phản ứng nhiệt hạch là gì?

Tờ Newsweek loan tin, phản ứng nhiệt hạch là quá trình kết hợp hai nguyên tử hạt nhân nhẹ để tạo ra một nguyên tử hạt nhân nặng hơn. Đó là ở nhiệt độ cực kỳ nóng, và áp suất cực kỳ cao, khiến cho các nguyên tử hydro hợp lại thành nguyên tử Heli, vì thế phản ứng nhiệt hạch còn được gọi là phản ứng hợp hạch.

Cụ thể là lò phản ứng Norman của công ty TAE Technologiy (TAE=Tri Alpha Energy) làm nóng khí hydro dưới nhiệt độ rất cao đến mức khiến hydro chuyển thành Plasma. Plasma là trạng thái thứ tư của vật chất, bao gồm chất rắn (cứng), chất lỏng (nước), chất khí và plasma. Plasma ở trạng thái nằm giữa chất cứng và chất lỏng, nôm na gọi là trạng thái “sền sệt”. Plasma mang trạng thái kim loại, nên các nhà khoa học dùng nam châm (Magnet) để duy trì plasma trong thời gian lâu dài hơn ở trong lò phản ứng.

6*. Lò phản ứng nhiệt hạch là gì?

Lò phản ứng nhiệt hạch (Fusion Reactor) là dụng cụ tạo ra sức nóng gọi là nhiệt hạch, để làm chạy turbine phát ra điện. Điều kiện cần thiết nhất là sức nóng trong lò phản ứng phải cao từ 50 triệu độ C đến 100 triệu độ C.

Hiện nay, các nhà nghiên cứu đã đạt được một số kết quả đầy hy vọng trong lò phản ứng ITER.

ITER là lò phản ứng nhiệt hạch khổng lồ, đã được xây dựng tại Pháp, sẽ cho công suất lý thuyết, sau khi hoàn thành, là gấp 10 lần năng lượng cần thiết để vận hành lò. Tuy nhiên kinh phí dành cho ITER đã vượt qua ngân sách hàng chục tỷ USD, đang bị chậm tiến độ. Những thí nghiệm với lò phản ứng nầy, sớm nhất phải đến 2025 mới có thể tiến hành.

7*. Lò phản ứng ITER

Toàn cảnh nơi đặt thiết bị thử nghiệm phản ứng nhiệt hạch ITER. Ảnh: Princeton Plasma Physics Laboratory

Lò phản ứng ITER (ITER= International Thermonuclear Experimental Reaction) ITER là dự án tên là “Lò phản ứng thí nghiệm nhiệt hạt nhân quốc tế”, trị giá 30 tỷ USD, tại Saint-Paul-lez-Durance, Pháp, có thể biến giấc mơ khai thác phản ứng trong trung tâm mặt trời của con người, biến giấc mơ thành sự thật.

Hố đặt lò Tokamak rộng 30m, cao 30m. Trong suốt 7 năm liền, ông Bernard Bigot, tổng giám đốc ITER, từ năm 2015 đến tháng 5 năm 2022, cho rằng điện nhiệt hạch sẽ có được trong tương lai.

Lò phản ứng nhiệt hạch Tokamak của dự án ITER có nhiệt độ cao tới 150 triệu độc C, hứa hẹn cung cấp điện cho 200,000 gia đình và các công, kỹ nghệ. Nói chung là có điện năng không giới hạn và nhất là rất an toàn, vì không thải ra khí carbonic (CO2) hâm nóng địa cầu và phóng xạ uranium giết người.

Lò phản ứng thử nghiệm nhiệt hạch quốc tế (ITER) ở Saint-Paul-lès-Durance, miền nam Pháp, ngày 15.9.2021. Ảnh: AFP

Lò phản ứng ITER bắt đầu với nhiên liệu hydro, có một cặp hạt nhân là deuterium và tritium. Trong nhiệt độ cực cao, cặp hạt nhân nầy va đập vào vách lò phản ứng, tạo ra sức nóng làm nước sôi, biến chất lỏng của nước, bốc hơi thành thể khí với áp suất cực mạnh làm quay những cánh quạt của turbine của máy phát điện, tạo ra điện.

Sơ đồ của cơ sở ITER Mô hình cỡ nhỏ của ITER

Để tạo ra nhiệt độ cao tới hàng triệu độ C cho phản ứng nhiệt hạch, lò phản ứng ITER sử dụng một bức tường bằng nam châm cực mạnh, đủ sức nén chặt khối plasma hydro đến mức có thể thực hiện được phản ứng nhiệt hạch tới hàng triệu độ C.

Dòng plasma được nén và giữ bằng sức hút của nam châm để kéo dài thời gian làm nóng năng lượng phát ra điện.

Tòa nhà chứa nam châm cao 18m, từ trường mạnh đến mức có thể nhấc bổng một chiếc tàu.

Mô hình hệ thống lò phản ứng nhiệt hạch của TAE. (nguồn: TAE Technologies)

Nguyên lý làm việc của lò phản ứng General Fusion.

ITER là dự án tên là “Lò phản ứng thí nghiệm nhiệt hạt nhân quốc tế”. ITER. Lò thí nghiệm nầy rất phức tạp, với chi phí 30 tỷ USD, do 35 quốc gia đóng góp, bao gồm Mỹ, Nga, Trung Quốc và Liên minh châu Âu. Lò phản ứng nầy được dự đoán sẽ hoàn thành sớm nhất vào năm 2025.

8*. Hoa Kỳ công bố cơ hội mới cho năng lượng nhiệt hạch.

Ngày 23-5-2023, tạp chí Science for America (SfA) đã xuất bản một sách trắng (Bạch thư-Whitepaper) với chủ đề “Khám phá những cơ hội mới cho năng lượng nhiệt hạch”. Sách trắng là một bản báo cáo của cơ quan có thẩm quyền về ý định rõ ràng của một vấn đề hay một lãnh vực nào đó.

Báo cáo nầy trình bày hai cách tiếp xúc đầy hứa hẹn, giúp mang lại sự tiến bộ nhanh chóng, làm giảm chi phí, đơn giản hóa về những khó khăn trong kỹ thuật.

Hai cách tiếp xút là “Bộ đánh lửa từ tính” (Magnetic Igniter) và “Lò nung tối ưu” (Ideal Point Burner). Bộ đánh lửa từ tính sử dụng một xung điện cực nhanh. Xung điện (Electro-Magnetic Pulse) là dòng điện rất mạnh, chỉ xuất hiện trong một thời gian rất ngắn.

Theo định hướng của Tổng thống Joe Biden là Hoa Kỳ phải có một lò phản ứng nhiệt hạch trong 10 năm tới. Vì vậy chúng ta cần phải bắt tay vào việc ngay từ bây giờ.

9*. Cuộc chạy đua xây dựng lò nhiệt hạch ITER của các quốc gia trên thế giới.

Các quốc gia đang theo dõi lò phản ứng quốc tế ITER ở nước Pháp, đồng thời xây dựng riêng các lò nhiệt hạch cho mình. Hoa Kỳ đưa ra dự án sản xuất điện nhiệt hạch từ năm 2035 đến 2040. Anh Quốc có dự án sản xuất điện thương mại vào năm 2040.

Bên trong lò phản ứng JET, Trung tâm Năng lượng Nhiệt hạch Culham, Oxfordshire, Anh Quốc

Nhà máy điện nhiệt hạch đầu tiên ở Anh có thể đi vào hoạt động năm 2040. Ảnh: Cơ quan năng lượng nguyên tử Anh

Riêng ở Hoa Kỳ, một lò phản ứng nhiệt hạch tên Norman, trụ sở tại Foothill Ranch, bang California. Lò nầy nóng gấp 5 lần nhiệt độ ở trung tâm mặt trời là 15 triệu độ C.

Các nhà khoa học Mỹ đã đạt được nhiệt độ 75 triệu độ C (75,000,000). Nhiệt độ nầy vượt xa độ nóng ở trung tâm mặt trời là 15 triệu (15,000,000) độ C.

Lò Norman được vận hành bởi nhóm khoa học gia của Công ty TAE technologies. (TAE Technologies=Tri Alpha Energy, Inc.)

Trở ngại mà các khoa học gia Mỹ khó vượt qua, đó là duy trì phản ứng nhiệt hạch lâu dài để tạo ra điện cung cấp cho cả thế giới.

TAE Technologies Inc. thành lập năm 1998, với mục đích phát triển điện nhiệt hạch ở quy mô thương mại.

Lò Norman có kích thước khổng lồ, dài 24m, cao 6.7m, nặng 27 tấn (27,000Kg)

10*. Dự án đầy tham vọng của Trung Quốc là sản xuất điện từ “Mặt trời nhân tạo”.

Mặt trời nhân tạo của Trung Quốc

Hiện nay Trung Quốc đang thiếu điện trầm trọng, là do hậu quả của dịch cúm COVID 19, nhiều nhà máy phải đóng cửa.

Theo bản tin của tờ South China Morning Post cho biết, GS Song Yungtao, Giám đốc Viện Vật lý Plasma ở tỉnh Hợp Phì, thì quá trình xây dựng một lò phản ứng nhiệt hạch có thể hoàn thành vào năm 2030. Công nghệ nhiệt hạch mà Trung Quốc còn gọi là “Mặt trời nhân tạo” có thể cung cấp điện không có giới hạn.

Theo tính toán của các nhà khoa học thì trên mặt ngoài của mặt trời có nhiệt độ là 5,537 độ C. Nhiệt độ ở trung tâm mặt trời là khoảng 15 triệu độ C.

Trung Quốc đã có một lò phản ứng tạo ra Plasma với sức nóng 150 triệu độ C, được duy trì ở mức ổn định là 100 giây, xem như là một kỷ lục thế giới.

Theo GS Song Yungtao thì mục tiêu tiếp theo của dự án, là sẽ tăng thời gian tăng lên 400 giây, và tiếp theo là 1,000 giây.

Chính phủ Trung Quốc dự định sẽ xây hàng loạt nhà máy năng lượng nhiệt hạch trước năm 2060.

11*. Máy phát điện

Quấn điện Stator

Máy phát điện có hai phần, là phần vỏ và phần ruột. Phần vỏ cố định là Stator, được gắn chặt vào khung máy. Stator có những cuộn dây đồng quấn xen kẽ với những khung nam châm. Phần ruột gọi là Rotor, quay trong phần vỏ là Stator. Phần ruột, Rotor, được gắn liền với máy Turbin, có cánh quạt để quay khi áp suất của hơi nước từ lò phản ứng tác động vào để quay, kéo Rotor chạy trong Stator để phát ra điện.

12* Kết luận

Điện nhiệt hạch là nguồn điện lý tưởng mà loài người đang nổ lực mong muốn đạt được. Hai đặc tính rất hấp dẫn là an toàn đến sức khỏe con người và là một nguồn điện vô giới hạn. Điện hạt nhân hiện nằm trong hy vọng của tương lai.

Tổng thống Joe Biden nêu hy vọng là Hoa Kỳ sẽ có điện hạt nhân trong 10 năm nữa.

Trúc Giang MN

Minnesota ngày 25-6-2023