Dự án năng lượng vĩ đại của nhân loại

Cửa ngõ dẫn đến năng lượng nhiệt hạch

Theo các nhà khoa học, năng lượng nhiệt hạt nhân có thể được sử dụng nếu plasma tách rời khỏi thành lò phản ứng với từ trường mạnh. Hệ thống giữ từ tính và làm nóng plasma tốt nhất - tokamak - được đưa ra bởi các viện sĩ Liên Xô Sakharov và Tamm vào đầu những năm 1950 và được thiết lập tại Viện Kurchatov.

Mô hình cỡ nhỏ của ITER

Không giống như lò phản ứng nguyên tử, lò phản ứng nhiệt hạch không phân hạch hạt nhân mà tổng hợp chúng ở mật độ plasma thấp hơn mật độ không khí 100.000 lần. Nhờ đó, vụ nổ không thể xảy ra, điều này làm cho lò phản ứng về cơ bản là an toàn. Các sản phẩm của một lò phản ứng như vậy sẽ là helium và tritium không nguy hiểm, sau đó sẽ được sử dụng để duy trì phản ứng.

“ITER là cửa ngõ dẫn đến năng lượng nhiệt hạch mà thế giới phải đi qua”, đó là sự khẳng định của người khởi xướng dự án - viện sĩ Evgeny Velikhov, Chủ tịch danh dự của Viện Kurchatov. ITER là lò phản ứng lớn nhất trong số hơn 100 lò hợp hạch được xây dựng. Dự án được đầu tư và giám sát bởi 7 thành viên: EU, Ấn Độ, Hàn Quốc, Nhật Bản, Nga, Trung Quốc và Mỹ. Việc xây dựng tổ hợp tokamak ITER bắt đầu năm 2013 và chi phí xây dựng đã lên đến hơn 14 tỉ USD vào tháng 6-2015. Tổng chi phí xây dựng và vận hành dự kiến sẽ vượt qua 20 tỉ euro. Nhìn chung, có 35 quốc gia tham gia dự án này, trực tiếp hoặc gián tiếp. Mục tiêu của ITER không chỉ là tạo ra lò phản ứng hợp hạch mà rộng hơn thế, bao gồm việc phát triển công nghệ, kỹ thuật, logistics, hình thành những chuỗi cung ứng và văn hóa quản lý dự án ở các quốc gia, tạo tiền đề phát triển cho ngành công nghiệp hợp hạch của các nước. Trụ sở chính của ITER đặt tại Cadarache, miền Nam nước Pháp.

Thử thách khó khăn

Một hỗn hợp các đồng vị hydro - deuterium và tritium - sẽ được sử dụng làm nhiên liệu trong ITER. Deuterium có thể được sản xuất tương đối dễ dàng từ nước và tritium sẽ sinh sản trong chính lò phản ứng nhiệt hạch.

Phản ứng phân hạch và hợp hạch: ITER sẽ tạo ra năng lượng bằng cách tổng hợp helium từ deuterium và tritium

Một trong những rủi ro liên quan đến hoạt động của lò phản ứng là sự tích tụ tritium phóng xạ trong buồng phóng điện của tokamak, do đó, số lượng của nó bị hạn chế theo tiêu chuẩn an toàn. Các vật liệu ở thành trong của buồng phóng điện - vonfram và berilium - không tích tụ nhiều tritium, nhưng các nhà khoa học giải thích rằng, việc theo dõi thường xuyên từ xa mức tritium là cần thiết để lò phản ứng hoạt động ổn định.

Để giải quyết vấn đề then chốt này, một phòng thí nghiệm đặc biệt đã được thành lập vào năm 2020 tại Viện Công nghệ laser và plasma thuộc Viện Nghiên cứu toán học và vật lý quốc gia Nga, nhằm tìm hiểu cách đo nồng độ ánh sáng và các đồng vị hydro có tính di động cao ở mức tác động thấp nhất có thể lên thành lò phản ứng.

Ý tưởng về sự cô lập từ tính của plasma trong từ trường hình xuyến (hình bánh mì) là cơ sở của tokamak, không loại trừ khả năng các hạt và bức xạ va vào thành lò phản ứng. Dưới ảnh hưởng của chúng, các bức tường lò sẽ ngăn cách các hạt bụi ăn mòn. Tính toán của các nhà vật lý cho thấy, các hạt bụi sẽ được gom lại dưới đáy của buồng phóng tokamak, gây nguy hiểm cho lò phản ứng: Bản thân bụi có khả năng gây ra hỏa hoạn và ngoài ra, nó còn tích tụ phóng xạ tritium.

Để kiểm soát số lượng và thành phần của bụi mà không cần dừng lò phản ứng, một nhóm các nhà khoa học MEPhI do Giáo sư Leon Begrambekov dẫn đầu đã đề xuất sử dụng một đầu dò đặc biệt có gắn điện thế. Trong điện trường giữa đầu dò và bề mặt tường, các hạt bụi sẽ bị nhiễm điện và bị hút vào một thiết bị thu đặc biệt. Khi di chuyển trên bề mặt, đầu dò, giống như một máy hút bụi, sẽ hút bụi và sau đó đẩy nó ra khỏi lò phản ứng.

Tiên phong về khoa học

Dự án ITER sử dụng 1.100 chuyên gia từ tất cả các quốc gia tham gia, hàng chục nghìn nhà khoa học và kỹ sư khác làm việc trong các dự án địa phương. MEPhI là một trong những thành phần tham gia tích cực vào dự án, bao gồm cả về đào tạo nhân viên. Nhóm MEPhI đào tạo các chuyên gia trong lĩnh vực vật lý plasma nóng và tổng hợp nhiệt hạch có điều khiển trong hơn nửa thế kỷ.

Các chuyên gia của MEPhI đã tạo ra các cơ sở cho phép nghiên cứu sự tương tác của plasma và các thành phần của nó (ion, điện tử, nguyên tử trung tính) với các vật liệu khác nhau. Các lý thuyết và mã để mô tả các quá trình này đã được phát triển và một số lượng lớn các nhà khoa học đã được đào tạo. Trong số các công việc đã được các chuyên gia MEPhI thực hiện cho ITER có việc tạo ra một phương pháp quang phổ phát hiện rò rỉ nước trong plasma từ các phần tử được làm lạnh của bức tường đầu tiên của lò phản ứng, phát triển các phương pháp để nghiên cứu ảnh hưởng làm sạch các gương của hệ thống laser chẩn đoán, tạo ra các màn chắn an toàn cho các bộ thu bức xạ điện từ.

ITER là lò phản ứng lớn nhất trong số hơn 100 lò hợp hạch được xây dựng. Dự án được đầu tư và giám sát bởi 7 thành viên: EU, Ấn Độ, Hàn Quốc, Nhật Bản, Nga, Trung Quốc và Mỹ. Tổng chi phí xây dựng và vận hành dự án dự kiến sẽ vượt qua 20 tỉ euro. Có 35 quốc gia tham gia dự án này, trực tiếp hoặc gián tiếp.

S.Phương