Trung Quốc vừa ghi nhận một bước tiến lớn trong nghiên cứu năng lượng nhiệt hạch khi lò phản ứng EAST (Experimental Advanced Superconducting Tokamak) đạt nhiệt độ plasma lên tới 100 triệu độ C, cao gấp khoảng 6 lần so với lõi Mặt Trời. Thành tựu này được thực hiện tại thành phố Hợp Phì, đưa Trung Quốc vào nhóm dẫn đầu thế giới về công nghệ "mặt trời nhân tạo".
Nhiệt độ 100 triệu độ C: Yêu cầu vật lý bắt buộc
Mặc dù con số 100 triệu độ C gây ấn tượng mạnh, nhưng theo các nhà khoa học, đây là yêu cầu bắt buộc về mặt vật lý. Lõi Mặt Trời chỉ đạt khoảng 15 triệu độ C, nhưng tại đó tồn tại áp suất khổng lồ giúp các hạt nhân hydro dễ dàng kết hợp với nhau. Trên Trái Đất, không có môi trường áp suất tương tự, nên các nhà khoa học phải bù đắp bằng nhiệt độ cao hơn nhiều để kích hoạt phản ứng nhiệt hạch. Nói cách khác, để “thắp sáng một ngôi sao” trong phòng thí nghiệm, con người buộc phải tạo ra môi trường còn khắc nghiệt hơn cả tự nhiên.
Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của EAST
EAST là một tokamak, thiết bị có dạng hình xuyến giống chiếc bánh donut, nơi plasma siêu nóng được giữ lơ lửng bằng từ trường mạnh. Plasma là trạng thái vật chất đặc biệt, trong đó các electron tách khỏi hạt nhân, tạo thành “biển hạt tích điện” cực kỳ nóng và không ổn định. Các cuộn dây siêu dẫn trong lò phản ứng được làm lạnh tới gần độ không tuyệt đối để dẫn điện không tổn hao, từ đó tạo ra từ trường đủ mạnh giữ plasma không chạm vào thành lò. Đây là nghịch lý kỹ thuật của nhiệt hạch: trong cùng một thiết bị tồn tại đồng thời một trong những môi trường nóng nhất và lạnh nhất do con người tạo ra.
Ưu điểm của nhiệt hạch so với phân hạch
Khác với điện hạt nhân hiện nay dựa trên phản ứng phân hạch (tách nguyên tử), nhiệt hạch hoạt động bằng cách hợp nhất các hạt nhân hydro để giải phóng năng lượng. Đây chính là cơ chế vận hành của các ngôi sao. Ưu điểm lớn nhất của nhiệt hạch là không phát thải carbon, không tạo ra chất thải phóng xạ nguy hiểm tồn tại hàng nghìn năm như phân hạch, đồng thời nguồn nhiên liệu - hydro - gần như vô hạn và có thể khai thác từ nước biển. Nếu công nghệ được hoàn thiện, các lò nhiệt hạch có thể vận hành liên tục trong thời gian rất dài mà không lo cạn kiệt nhiên liệu, tạo ra nguồn điện sạch gần như “vĩnh cửu” trên quy mô nhân loại.
Thách thức kỹ thuật và bài toán năng lượng
Dù đạt được nhiệt độ cực cao, bài toán lớn nhất của nhiệt hạch vẫn chưa được giải quyết hoàn toàn: duy trì plasma ổn định đủ lâu để khai thác năng lượng. Plasma có xu hướng mất ổn định và nếu chạm vào thành lò, toàn bộ hệ thống sẽ nguội đi ngay lập tức. Do đó, việc điều khiển từ trường chính xác để giữ plasma “lơ lửng” là một trong những thách thức kỹ thuật phức tạp nhất hiện nay. Ngoài ra, một lò phản ứng thương mại cần tạo ra nhiều năng lượng hơn lượng điện tiêu thụ để vận hành. Đây là “bài toán lãi năng lượng” mà đến nay chưa có dự án nào đạt được ở quy mô thương mại. Tuy nhiên, mỗi kỷ lục mới về nhiệt độ và thời gian duy trì plasma đang từng bước thu hẹp khoảng cách này.
Đầu tư mạnh mẽ và cạnh tranh chiến lược
Sự tiến bộ nhanh chóng của Trung Quốc không chỉ đến từ công nghệ mà còn từ nguồn lực tài chính. Theo các báo cáo, nước này đầu tư hơn 1,5 tỷ USD mỗi năm cho nghiên cứu nhiệt hạch và hiện nắm giữ số lượng bằng sáng chế lớn nhất trong lĩnh vực này. So với các dự án quốc tế như ITER, lò phản ứng tokamak lớn nhất thế giới đang được xây dựng tại Pháp với sự tham gia của nhiều quốc gia, cách tiếp cận tập trung và đầu tư liên tục giúp Trung Quốc rút ngắn thời gian phát triển. Cuộc cạnh tranh này không chỉ mang ý nghĩa khoa học mà còn có tác động chiến lược. Quốc gia nào làm chủ công nghệ nhiệt hạch trước có thể kiểm soát nguồn năng lượng sạch gần như vô hạn, qua đó định hình lại cán cân quyền lực toàn cầu.
Dù đạt nhiều bước tiến, nhiệt hạch vẫn chưa rời khỏi phòng thí nghiệm để trở thành nguồn điện thương mại. Khoảng cách giữa thí nghiệm và nhà máy điện vẫn còn đáng kể, đòi hỏi những đột phá tiếp theo về vật liệu, điều khiển plasma và hiệu suất năng lượng. Theo Global Times, các nhà khoa học Trung Quốc tin rằng với tốc độ phát triển hiện tại, nước này có thể đạt được mục tiêu khai thác năng lượng nhiệt hạch thương mại trong vài thập kỷ tới.
