Nam châm mạnh nhất thế giới, hút tàu sân bay lên khỏi mặt nước: ‘Át chủ bài’ của ITER!

Khối nam châm 1.000 tấn này chính là ‘ trái tim’ của Lò phản ứng thí nghiệm nhiệt hạch quốc tế (ITER).

NĂNG LƯỢNG SẠCH CỦA LOÀI NGƯỜI: DÙNG TRONG NGHÌN NĂM?

Bằng cách tạo ra ánh sáng và nhiệt thông qua phản ứng tổng hợp hạt nhân, Mặt Trời đã thúc đẩy sự sống trên Trái Đất trong hàng tỷ năm. Với sức mạnh và t.uổi thọ đáng kinh ngạc đó, có vẻ như khó có cách nào để tạo ra năng lượng tốt hơn bằng cách khai thác các quá trình hạt nhân tương tự xảy ra trong các ngôi sao, bao gồm cả Mặt Trời của chúng ta.

Tuy nhiên, con người đang nuôi tham vọng chế tạo một lò phản ứng nhiệt hạch nhân tạo ngay trên Trái Đất: Một cỗ máy tái tạo sức mạnh nhiệt hạch của Mặt Trời; Một trong những dự án năng lượng tham vọng nhất từng được thử nghiệm của loài người, với mục đích tạo ra nguồn năng lượng sạch trong hàng nghìn, thậm chí hàng triệu năm.

Ở miền nam nước Pháp, 35 quốc gia đang hợp tác chế tạo tokamak lớn nhất thế giới, một thiết bị nhiệt hạch từ tính được thiết kế để chứng minh tính khả thi của phản ứng tổng hợp trên hành tinh chúng ta.

Tọa lạc trên một vùng đất rộng 180 hecta ở Saint-Paul-lès-Durance, miền nam nước Pháp, có một công trình mang tên Khu phức hợp Tokamak đang được xây dựng tuân theo một thí nghiệm cực kỳ tham vọng: Một buồng chân không hình bánh vòng (donut) được bao quanh bởi 1.000 tấn nam châm siêu dẫn – có khả năng tạo ra từ trường để khởi tạo, giới hạn, định hình và điều khiển plasma ITER.

Khu phức hợp Tokamak rộng 180 hecta đang được xây dựng ở Saint-Paul-lès-Durance, miền nam nước Pháp. Ảnh: Nuclear Newswire

1.000 tấn nam châm đó được chế tạo với độ chính xác đến từng milimet bởi một tập đoàn đa quốc gia đang cố gắng khai thác phản ứng tổng hợp hạt nhân – nguồn năng lượng của các vì sao!

Giới chuyên môn gọi nó là Lò phản ứng thí nghiệm nhiệt hạch quốc tế (ITER).

ITER là thí nghiệm tổng hợp hạt nhân lớn nhất trên thế giới. Mục đích chính của nó là chứng tỏ phản ứng tổng hợp hạt nhân là an toàn và khả thi về mặt thương mại. Nếu mọi việc diễn ra theo đúng kế hoạch, nhân loại sẽ khai thác lượng năng lượng khổng lồ một cách bền vững mà không làm tổn hại đến hành tinh.

Nặng 23.000 tấn, ITER được xem là một trong những cỗ máy phức tạp nhất từng được tạo ra, nó được lên kế hoạch bắt đầu tạo ra plasma đầu tiên vào năm 2025 trước khi đi vào hoạt động công suất cao vào khoảng năm 2035.

ITER, đang được xây dựng với tư cách là sự hợp tác giữa 35 quốc gia, bao gồm cả các quốc gia ở EU, nhằm mục đích củng cố hơn nữa khái niệm hợp nhất. Các Thành viên ITER bao gồm Trung Quốc, Liên minh Châu Âu (EU), Ấn Độ, Nhật Bản, Hàn Quốc, Nga và Mỹ đã tổng hợp các nguồn lực cho dự án này.

Với tư cách là thành viên chủ trì của ITER, Liên minh Châu Âu (với Vương quốc Anh và Thụy Sĩ) đang tài trợ 45% chi phí của dự án. Mỗi thành viên khác Mỹ, Trung Quốc, Nhật Bản, Nga, Ấn Độ và Hàn Quốc đang đóng góp mỗi nước 9%.

Bên trong Khu phức hợp Tokamak ở Pháp. Ảnh: ITER

Trên lý thuyết, phản ứng tổng hợp hạt nhân là một giấc mơ về năng lượng: Dồi dào; và không có hiện tượng nóng chảy, hay phát ra khí thải carbon nung chảy hành tinh, hoặc chất thải phóng xạ tồn tại lâu dài.

Các lò phản ứng tổng hợp hạt nhân nhằm mục đích hợp nhất các nguyên tử hydro để tạo ra heli, giải phóng năng lượng dưới dạng nhiệt. Duy trì điều này ở quy mô lớn có khả năng tạo ra một nguồn cung cấp điện an toàn, sạch, gần như không cạn kiệt.

Sở dĩ, lò phản ứng đang tiến hành được gọi là ITER vì theo tiếng Latin, nó có nghĩa là “con đường” – Con đường hướng tới năng lượng tương lai. Nó được thiết kế để làm cho các hạt nhân hydro hợp nhất thành heli, sẽ làm nóng các bức tường của lò phản ứng. Trong các lò phản ứng trong tương lai, nhiệt lượng này có thể đun sôi nước để chạy các tua bin hơi nước.

‘TRÁI TIM CỦA ITER TOKAMAK’

Tuy nhiên, để lò phản ứng nhiệt hạch hoạt động là cả ‘một cơn ác mộng’ về kỹ thuật.

Theo lý thuyết, ITER sẽ sử dụng từ trường để bẫy một plasma siêu nóng của deuterium và triti – các đồng vị nặng hơn của hydro – để hạt nhân của chúng có thể hợp nhất để tạo ra heli và giải phóng năng lượng. Mục tiêu cụ thể của ITER là chứng minh rằng một tokamak có thể tạo ra năng lượng gấp 10 lần mức cần thiết để tạo ra plasma.

Điều này có nghĩa là ITER được thiết kế để tăng công suất nhiệt hạch cao. Đối với 50 MW điện được đưa vào tokamak thông qua hệ thống làm nóng plasma, nó sẽ tạo ra 500 MW điện nhiệt hạch trong khoảng thời gian từ 400 đến 600 giây.

Nhiệt hạch sẽ xảy ra khi plasma đạt tới 150 triệu độ C – nóng hơn lõi của Mặt Trời 10 lần – giải phóng một lượng lớn năng lượng được truyền dưới dạng nhiệt.

Vấn đề là, chưa có tokamak nào đạt được “hòa vốn khoa học – scientific breakeven”, nghĩa là trong đó plasma của lò phản ứng giải phóng nguồn năng lượng tương đương được sử dụng để đốt nóng plasma đó [hay công suất của lò phản ứng phát ra khớp với những gì được sử dụng để làm nóng plasma, theo giải thích của National Geographic].

Khi ITER đạt đến sức mạnh đầy đủ, dự kiến vào giữa đến cuối những năm 2030, nó sẽ vượt quá mức “hòa vốn khoa học” ít nhất là hệ số 10. Mục tiêu: Tạo ra dữ liệu giúp các kỹ sư thiết kế các nhà máy điện chạy bằng năng lượng của các ngôi sao.

Lợi tức gấp mười lần này được biểu thị bằng Q 10 (tỷ số giữa công suất đầu vào sưởi ấm và công suất đầu ra nhiệt). Kỷ lục hiện tại về mức tăng điện nhiệt hạch trong một tokamak là Q = 0,67 do cơ sở JET của Châu Âu đặt tại Culham, Vương quốc Anh nắm giữ, nơi sản xuất 16 MW nhiệt điện nhiệt hạch cho 24 MW điện gia nhiệt vào những năm 1990.

ITER Tokamak sẽ là loại lớn nhất từng được chế tạo, với với bán kính plasma (R) là 6,2 m và thể tích plasma là 830 mét khối. Khối lượng plasma khổng lồ của ITER sẽ cho phép nó lần đầu tiên tạo ra một “plasma cháy” trong đó phần lớn nhiệt lượng cần thiết để duy trì phản ứng nhiệt hạch được tạo ra bởi các hạt alpha tạo ra từ trong chính quá trình nhiệt hạch. Việc sản xuất và kiểm soát một loại plasma tự nóng như vậy đã là mục tiêu của nghiên cứu nhiệt hạch từ trong hơn 50 năm.

Nặng 23.000 tấn, ITER được xem là một trong những cỗ máy phức tạp nhất từng được tạo ra. Nguồn: National Geographic

Điện từ trung tâm (Central Solenoid) đóng vai trò là ‘xương sống’ của hệ thống ITER. Và Mỹ chịu trách nhiệm về 100% chế tạo nam châm điện từ trung tâm. Và ‘trái tim’ của ITER chính là khối nam châm siêu dẫn nặng 1.000 tấn này.

Khối nam châm khổng lồ 1.000 tấn được mệnh danh là “nam châm mạnh nhất thế giới”, có lực từ đủ mạnh để hút một tàu sân bay (Aircraft carrier) lên khỏi mặt nước, ITER.org cho biết.

Central Solenoid sẽ bao gồm sáu mô-đun được chế tạo riêng, mỗi mô-đun chứa sợi siêu dẫn niobi-thiếc được cuộn lại.

Khi được lắp ráp hoàn chỉnh, Central Solenoid cao 5 tầng, rộng 4,2 mét và nặng 1.000 tấn. Đây là nam châm điện siêu dẫn xung mạnh nhất từng được chế tạo, trở thành ‘Trái tim đang đ.ập của ITER’.

Theo General Atomics, khối nam châm Central Solenoid gây ra phần lớn sự thay đổi từ thông cần thiết để khởi tạo plasma, tạo ra dòng plasma và duy trì dòng điện này trong thời gian đốt cháy.

Khối nam châm 1.000 tấn Central Solenoid, do Tập đoàn quốc phòng và năng lượng Mỹ General Atomics chế tạo và hoàn thành vào năm 2021.

Nhà vật lý Liên Xô Lev Artsimovich (1909 – 1973) được biết đến là “cha đẻ của Tokamak” từng cho biết, tokamak nói chung là một cỗ máy thí nghiệm được thiết kế để khai thác năng lượng của phản ứng tổng hợp hạt nhân. Bên trong một tokamak, năng lượng được tạo ra thông qua sự hợp nhất của các nguyên tử được hấp thụ dưới dạng nhiệt trong thành bình.

Cũng giống như một nhà máy điện thông thường, một nhà máy điện nhiệt hạch sẽ sử dụng nhiệt này để tạo ra hơi nước và sau đó là điện năng bằng con đường tuabin và máy phát điện, website của ITER thông tin.

Hy vọng rằng, chỉ vài năm nữa thôi, nhân loại sẽ chứng kiến cỗ máy ITER Tokamak tạo ra nguồn năng lượng khổng lồ, sạch và bền vững, đáp ứng nhu cầu năng lượng cho con người hiện tại và tương lai.

NHỮNG CON SỐ KHỔNG LỒ (Nguồn: ITER.org)

100.000 KM

100.000 km sợi siêu dẫn niobi-thiếc (Nb3Sn) được dùng để tạo nên khối nam châm Central Solenoid hình xuyến của ITER.

100.000 km sợi siêu dẫn được chế tạo bởi các nhà cung cấp thuộc dự án ITER Trung Quốc, Châu Âu, Nhật Bản, Hàn Quốc, Nga và Mỹ bắt đầu sản xuất vào năm 2009 và kết thúc vào năm 2014.

Hơn 400 tấn dây đa sợi này đã được sản xuất cho ITER với tốc độ khoảng 150 tấn / năm, sự gia tăng ngoạn mục về năng lực sản xuất trên toàn thế giới (ước tính, trước khi mở rộng quy mô cho ITER, tối đa chỉ là 15 tấn / năm).

Kéo dài từ đầu đến cuối, tổng sợi Nb3Sn được tạo ra cho ITER sẽ quấn quanh Trái Đất ở đường xích đạo hai lần.150 TRIỆU C

NAM CHÂM GẤP 2 LẦN LỰC ĐẨY TÀU CON THOI

Nhiệt độ tại bề mặt Mặt Trời của chúng ta là 6.000 C, và tại lõi của nó là 15 triệu C. Nhiệt độ kết hợp với mật độ trong lõi Mặt trời của chúng ta để tạo ra các điều kiện cần thiết cho phản ứng nhiệt hạch xảy ra.

Trong ITER Tokamak, nhiệt độ sẽ lên tới 150 triệu C tức là gấp 10 lần nhiệt độ tại lõi của Mặt Trời của chúng ta.

23.000 TẤN

Máy ITER sẽ nặng 23.000 tấn. Kim loại chứa trong tháp Eiffel (7.300 tấn) cũng chưa là gì so với ITER.

ITER nặng gấp 3 lần tháp Eiffel. Chỉ riêng tàu chân không, với các cảng, tấm phủ và bộ phân luồng, đã nặng 8.000 tấn. Khoảng một triệu linh kiện sẽ được tích hợp vào cỗ máy phức tạp này.

104 KM

Cấu trúc của điện từ trung tâm ITER, tức Central Solenoid nam châm điện lớn, nặng 1.000 tấn ở trung tâm của máy đủ mạnh để chứa một lực gấp 2 lần lực đẩy của tàu con thoi khi cất cánh. Đó là 60 meganewtons, hay hơn 6.000 tấn lực.

310 TẤN

Mỗi một trong số 18 cuộn dây trường hình xuyến (hình chữ D) của ITER tokamak sẽ nặng 310 tấn. Các cuộn dây sẽ được dỡ khỏi các tàu viễn dương trước khi được vận chuyển theo Hành trình ITER trên các tàu vận tải được điều khiển bằng sóng vô tuyến.

310 tấn là trọng lượng xấp xỉ của một chiếc máy bay Boeing 747-300 đã được tải đầy. Mỗi cuộn dây trường hình xuyến cao 17 mét và rộng 9 mét.

400.000 TẤN

Khoảng 400.000 tấn sẽ nằm trên nền dưới của Khu phức hợp Tokamak, bao gồm các tòa nhà, máy móc và thiết bị ITER nặng 23.000 tấn.

400.000 tấn – nhiều hơn trọng lượng của Tòa nhà Empire State ở New York, Mỹ.

5.000 NGƯỜI

Các thành phần nặng nhất của cỗ máy ITER được chuyển đến cảng Địa Trung Hải gần nhất và sau đó được vận chuyển dọc theo 104 km đường sửa đổi đặc biệt được gọi là Hành trình ITER.

Kích thước của các thành phần này rất ấn tượng: Nặng nhất sẽ nặng gần 900 tấn bao gồm cả phương tiện vận chuyển; tòa nhà lớn nhất sẽ cao khoảng bốn tầng. Một số sẽ có chiều ngang 9 mét; những chiếc khác dài 33 mét.

National Geographic, ITER.org, Scitechdaily, Powerengineeringint, Interestingengineering

Vào thời điểm cao điểm xây dựng ITER năm 2019-2022, có khoảng 5.000 người tại ITER (trên công trường và tại văn phòng), tăng so với 1.400 trong năm 2014. Dự kiến, sự gia tăng này là do số lượng công nhân xây dựng và lắp ráp tăng mạnh trên Khu phức hợp Tokamak.

172.000 DU KHÁCH

Các số liệu mới nhất là: 172.169 người đã ghé thăm Khu phức hợp Tokamak kể từ khi công việc bắt đầu vào năm 2007 (dọn dẹp và san lấp đất cho việc lắp đặt khoa học trong tương lai).

Sau một năm bị chững lại do Covid-19, lượt du khách ghé thăm đã tăng trở lại vào năm 2021 với 11.540 người.