'Mặt trời nhân tạo' của Hàn Quốc hoạt động như thế nào?

Ẩn mình giữa các tòa nhà được đánh dấu là Viện Khoa học và Công nghệ Tiên tiến Hàn Quốc và Viện An toàn Hạt nhân Hàn Quốc ở Daejeon, cách trung tâm Seoul một giờ đi tàu cao tốc, là một nhà máy điện nhiệt hạch siêu dẫn, hoặc “mặt trời nhân tạo”.

Chủ tịch KFE Yoo Suk-jae. Ảnh: CNN

Bài liên quan

Philippines mua hai tàu chiến của Hàn Quốc với giá 556 triệu USD

Hàn Quốc đàm phán với Trung Quốc trong bối cảnh tranh cãi với Đài Loan

Hàn Quốc ân xá cho cựu Tổng thống Park Geun-hye

Hàn Quốc tái khởi động kế hoạch sở hữu tàu sân bay

Chính cơ sở này đã lập kỷ lục thu hút sự chú ý trên các phương tiện truyền thông khoa học toàn cầu vào cuối năm ngoái. Đó là vào ngày 24/11, dự án KSTAR của Viện Năng lượng Nhiệt hạch Hàn Quốc (KFE) thông báo họ đã vận hành plasma liên tục trong 30 giây với nhiệt độ ion cao hơn 100 triệu độ C, cao hơn gấp đôi so với kỷ lục trước đó.

Đối với những người khởi xướng, đây là một cột mốc đáng khích lệ trên con đường dẫn đến phản ứng tổng hợp hạt nhân khả thi, nguồn năng lượng đốt cháy mặt trời và các ngôi sao.

“Chúng tôi đã duy trì thành công trong 30 giây vào năm ngoái,” Yoo Suk-jae, chủ tịch của KFE, nói với các phóng viên đến thăm cơ sở KSTAR trong tuần này.

Ông nói thêm: "Chúng ta thường nói rằng năng lượng nhiệt hạch là một nguồn năng lượng mơ ước vì nó gần như vô hạn, với mức phát thải khí nhà kính thấp và không có chất thải phóng xạ mức độ cao. Và nhiệt hạch không còn là một giấc mơ”.

KSTAR đóng vai trò quan trọng trong một trong những chương trình khoa học đầy tham vọng nhất của nhân loại: ITER. Lò phản ứng thử nghiệm nhiệt hạch quốc tế, đang mọc lên ở miền nam nước Pháp, có thể vượt qua điều mà nhiều người coi là thách thức lớn nhất của nhân loại: cuộc khủng hoảng năng lượng và biến đổi khí hậu.

Không giống như các chương trình lớn khoa học phá vỡ mô hình khác, chẳng hạn như Dự án Manhattan và Chương trình Apollo, nó thực sự có phạm vi quốc tế, vượt qua biên giới chính trị hay ý thức hệ thù địch trên thế giới.

35 quốc gia là thành viên của ITER bao gồm Trung Quốc, EU (bao gồm cả Vương quốc Anh), Ấn Độ, Nhật Bản, Nga, Hàn Quốc và Mỹ.

Lịch sử KSTAR

KFE được thành lập vào năm 1995, sử dụng 437 nhân viên và có ngân sách hàng năm là 200 triệu USD Mỹ. Dự án hàng đầu của nó là KSTAR, hay Nghiên cứu nâng cao Tokamak siêu dẫn Hàn Quốc, ở Daejon.

Cơ sở KSTAR không liên quan gì đến K-pop, mà mọi thứ liên quan đến phản ứng tổng hợp hạt nhân.

Hầu hết các nguồn năng lượng tiêu thụ một nguồn tài nguyên không thể tái tạo: Các nguồn sinh học như gỗ hoặc sinh khối, hay nhiên liệu hóa thạch như than, dầu và khí đốt.

Năng lượng tái tạo, chẳng hạn như năng lượng mặt trời, gió và thủy điện là sạch và không giới hạn, nhưng không liên tục và không thể duy trì mức độ hoạt động cần thiết cho các ngành công nghiệp. Trong khi đó, phân hạch hạt nhân - quá trình được sử dụng trong các nhà máy điện nguyên tử - lại tạo ra chất thải nguy hiểm.

Phản ứng tổng hợp hạt nhân không có nhược điểm nào trong số này. Các hạt nhân hydro va chạm, hợp nhất thành các nguyên tử heli nặng hơn và giải phóng một lượng năng lượng cực lớn.

Trên Trái đất, “nhiên liệu” hứa hẹn nhất để sử dụng cho phản ứng tổng hợp hạt nhân đã được tìm thấy là hai đồng vị hydro: deuterium và litium. Chúng có thể được lấy từ nguồn nước biển hầu như không giới hạn của đại dương.

Nhưng trong khi các loại nhiên liệu có thể dễ dàng tìm kiếm, thì sự tổng hợp của chúng lại là một quá trình phức tạp kỳ lạ. Nó đòi hỏi những thiết bị chuyên dụng khổng lồ có thể hợp nhất lithium và deuterium, biến chúng thành trạng thái hydro, nơi các electron tách khỏi ion và khí trở thành plasma.

Đó là hoạt động duy trì hay còn gọi là “giam giữ” plasma siêu nóng mà KSTAR thực hiện. Tokamak của nó là một thiết bị có kích thước như một dinh thự và có thể trở thành một địa điểm hoàn hảo cho các bộ phim khoa học viễn tưởng.

Tokamak sử dụng từ trường mạnh để giam giữ plasma trong một vòng chân không hình bánh vòng. Plasma bên trong đạt đến mức nhiệt khủng khiếp mà các thiết bị đo nhiệt không thể đo được: Thay vào đó, các nhà khoa học đo nhiệt độ bằng cách phân tích các sóng ánh sáng của nó.

“Chúng ta có thể tạo ra tritium tại chỗ từ nước biển. Chúng ta phải làm nóng plasma lên đến 100 triệu độ C nếu không thì khái niệm nhiệt hạch này sẽ không xảy ra”, giám đốc KSTAR Yoon Si-woo nói với các phóng viên khi ông cho họ xem các máy móc.

Việc hoạt động 30 giây trong tháng 11 ở 100 triệu độ C là một bước tiến vượt bậc so với thử nghiệm đầu tiên của KSTAR vào năm 2008 khi nó chỉ kéo dài một giây. Nhưng khoảng thời gian đó cần phải được kéo dài hơn nữa để quá trình nhiệt hạch trở nên khả thi như một nguồn điện.

Bước tiếp theo

Tuy nhiên, ông Yoon cho biết: “Đây chưa phải là kết thúc của câu chuyện, chúng ta phải chuyển sang mốc 300 giây vì 300 là khung thời gian tối thiểu để chứng minh các hoạt động ở trạng thái ổn định, khi đó plasma này có thể hoạt động mãi mãi. Nếu không thể đạt được điều đó, chúng tôi phải làm điều gì đó khác”.

Bên trong lò phản ứng KSTAR. Ảnh: Andrew Salmon

Mọi thứ sẽ còn nóng lên tại KSTAR trong những năm tới. Thời hạn để đạt mốc 300 giây của KSTAR là năm 2026. Còn rất nhiều trở ngại đang ở phía trước.

“Để tăng tốc độ phản ứng tổng hợp, bạn phải tăng nhiệt độ và mật độ. Bây giờ chúng tôi đang tập trung vào nhiệt độ, nhưng chúng tôi cũng phải tập trung vào mật độ", Yoon nói thêm.

Một vấn đề khác là làm mát, hiện được thực hiện bằng cách làm lạnh các nam châm siêu dẫn bằng helium lỏng. “Chúng tôi phải suy nghĩ về cách loại bỏ khí thải khỏi plasma nhiệt độ cao này”, ông nói.

Ông Yoon giải thích rằng các nam châm siêu dẫn không bị mất nhiệt, trong khi KSTAR cũng tự hào về sự xuất sắc trong hệ thống sưởi ấm bằng ion và khả năng cung cấp các giải pháp để giám sát plasma.

Một lý do tại sao Hàn Quốc rất tiên tiến trong lĩnh vực này là những kỹ thuật trong ngành công nghiệp của họ có thể sản xuất các loại kim loại có ứng suất siêu cao và các máy móc mà một Tokamak đòi hỏi. Ông Yoon nói: “Chúng tôi có một ngành công nghiệp phát triển tốt cho việc này”.

Thật vậy, Hàn Quốc dẫn đầu thế giới về công nghệ đóng tàu, đồng thời cũng là nước đóng vai trò quan trọng trong lĩnh vực thép, xây dựng và cơ khí. Cuối cùng, ông Yoon lưu ý rằng KSTAR là một dự án của chính phủ và là một lò phản ứng thử nghiệm, không tập trung vào thương mại hóa.

Quốc Thiên