Các nhà nghiên cứu tại Joint European Torus (JET) - lò phản ứng nhiệt hạch tại Trung tâm Năng lượng Nhiệt hạch Culham ở Oxfordshire, Vương quốc Anh, đã bắt đầu tiến hành các thử nghiệm nhiệt hạch liên quan đến tritium, đồng vị phóng xạ của hydro.

Trong mùa hè năm 2021, các nhà nghiên cứu của EUROfusion sẽ khởi động Joint European Torus (JET) – hoạt động thử nghiệm vật lý plasma giới hạn từ tính, một thí nghiệm riêng biệt nhằm mục đích tinh chỉnh những yêu cầu về nhiên liệu và vật liệu của thí nghiệm ITER trước khi bắt đầu.

Joint European Torus là tokamak, một thiết kế lò phản ứng hình bánh rán đã được chuyển đổi thành lò phản ứng quy mô 1/10 của ITER, siêu dự án nghiên cứu tổng hợp hạt nhân lớn nhất thế giới,  được lắp ráp vào tháng 7 năm 2020. ITER sẽ bắt đầu hoạt động sau năm 2025.

Sự chênh lệch về kích thước giữa JET và ITER có ý nghĩa quan trọng nhất. Trên thực tế, dù thử nghiệm JET được thực hiện đầu tiên, nhưng sự phát triển của ý tưởng ITER là một phần không thể tách rời. JET được tắt trong nhiều tháng để các nhà khoa học thiết kế lại, phù hơpk với sứ mệnh ITER.

 

JT-60 được sử dụng như một cấu trúc cơ sở của Lò phản ứng Thử nghiệm nhiệt hạch quốc tế (ITER), bắt đầu hoạt động vào khoảng năm 2017 tại Pháp. JT-60 được nâng cấp cải tạo quy mô lớn từ tháng 9 2008 trong bảy năm liên tiếp.

ITER là một siêu dự án kỹ thuật và nghiên cứu tổng hợp hạt nhân quốc tế, đây sẽ là thí nghiệm vật lý plasma giam giữ từ trường lớn nhất thế giới. Đây là một lò phản ứng tổng hợp hạt nhân tokamak thử nghiệm được xây dựng bên cạnh cơ sở Cadarache ở Saint-Paul-lès-Durance, Provence, miền nam nước Pháp.

Mục đích của ITER là chứng minh tính khả thi về mặt khoa học và công nghệ của năng lượng nhiệt hạch để sử dụng vì mục đích hòa bình, thúc đẩy ngành công nghiệp tổng hợp hạt nhân toàn cầu.

Lò phản ứng tổng hợp nhiệt hạch ITER được thiết kế nhằm tạo ra một plasma 500 megawatt (nhiệt) trong khoảng 20 phút, sử dụng 50 megawatt năng lượng đốt nóng được đưa vào tokamak, tạo ra năng lượng nhiệt plasma tăng gấp mười lần. Tổng điện năng tiêu thụ của lò phản ứng và các cơ sở sẽ nằm trong khoảng từ 110 MW lên đến đỉnh 620 MW trong khoảng thời gian 30 giây khi vận hành plasma. Đây là lò phản ứng nghiên cứu, không có mục đích chuyển đổi nhiệt thành điện, do đó nhiệt lượng tỏa ra sẽ thoát ra ngoài.

Các chuyên gia cho biết, có thể kiểm soát được công nghệ sức mạnh của vũ khí hủy diệt hàng loạt này. ITER sẽ là lò phản ứng nhiệt hạch đầu tiên có khả năng cung cấp nguồn năng lượng điện khổng lồ nếu mọi vẫn đề diễn ra theo đúng kế hoạch.

Theo The Next Web, phải sau năm 2025,  những hoạt động tiêu thụ điện năng thấp trên ITER để tạo ra nguồn năng lượng lớn sẽ bắt đầu. Quá trình chạy thử nghiệm ban đầu sẽ được thực hiện vào tháng 6.

Theo bài viết trên Futurism, nguyên tắc rất đơn giản. Các chuyên gia sẽ sử dụng plasma từ phản ứng hai đồng vị hydro hợp hạch để giải phóng nhiệt.

Trang Nature phân tích, nhiệt lượng trong phản ứng tạo ra khí heli sẽ làm tăng nhiệt độ bên trong lò phản ứng lên 100 triệu độ, gấp vài lần nhiệt độ của lõi Mặt trời. Nhiệt lượng tăng thêm sẽ tiếp tục duy trì các phản ứng nhiệt hạch cao hơn nữa.

JET đóng vai trò như một minh chứng về tư duy lý luận cho ITER theo hướng này. Nếu tất cả diễn ra theo đúng kế hoạch, JET sẽ giúp các nhà khoa học giải quyết những vấn đề quan trọng như sử dụng nhiên liệu và tối ưu hóa phản ứng.

Mục tiêu ban đầu của JET không quá tham vọng mà chỉ để tìm ra hỗn hợp nhiên liệu phù hợp cho ITER. Các nhà nghiên cứu hy vọng sẽ duy trì phản ứng trong ít nhất 5 giây để thu thập tất cả dữ liệu cần thiết về cách tritium hoạt động.

Có nhiều vấn đề lớn phải giải quyết phản ứng tổng hợp hạt nhân hơn là đơn thuần tìm ra sự kết hợp nhiên liệu phù hợp - nhưng trọng tâm chính vẫn là nhiên liêu. Những yêu cầu đặt ra với phản ứng tổng hợp hạt nhân có kiểm soát khó đạt được hơn nhiều so với tạo ra một vụ nổ nhiệt hạch. Nhưng đây là vấn đề khoa học và cơ sở hạ tầng để kiểm soát phản ứng hợp hạch, có ý nghĩa quan trọng hơn cả vấn đề an toàn.

Theo lý thuyết, các nhà máy điện nhiệt hạch hạt nhân hoàn toàn ổn định. Trong nhiệt hạch, những bức xạ có hại hoặc các điều kiện làm nóng chảy hạt nhân của lò phản ứng, có thể phát sinh với sự phân hạch là hầu như không thể tránh khỏi.

Vấn đề chính là nhà máy điện nhiệt hạnh phải được thực hiện hoàn hảo để cung cấp đủ điện năng hữu ích. Đồng thời cũng phải được điều chỉnh để không sản xuất quá nhiều.

Khi nghĩ về phản ứng tổng hợp theo tỷ lệ hạt nhận một-một, điều đó có thể dễ dàng đạt được. Nhưng các siêu máy tính ngày nay cũng gặp khó khăn trong việc mô phỏng phản ứng tổng hợp trên quy mô đủ rộng để có được hiệu quả kinh tế.

Ý tưởng rằng sự bắn phá của các neutron, hình thành trong quá trình kết hợp tritium và deuterium sẽ khiến bên trong lò phản ứng có mật độ phóng xạ rất cao, tăng thêm sự phức tạp trong khai thác sử dụng. Con người sẽ không thể vào bên trong ít nhất 18 tháng vì cường độ phóng xạ gây chết người. Điều đó có nghĩa là lò phản ứng phải hoạt động chính xác và hoàn hảo ngay lần đầu tiên.

Đến thời điểm này, công nghệ nhiệt hạch vẫn là nguồn năng lượng rất bí ẩn. Mặc dù trong mười năm qua, những nỗ lực nghiên cứu khoa học đã khiến tính khả thi trong khai thác tăng lên rất nhiều, nhưng kiểm soát và điều khiển nguồn năng lượng hợp hạch này vẫn chưa thành hiện thực ở quy mô doanh nghiệp và quy mô đa quốc gia.

Nhưng nếu hiện thức hóa được khả năng kiểm soát nhiệt hạch sẽ tạo thành nguồn điện hoàn toàn mới gần như không giới hạn.

Khi JET bắt đầu được khởi động vào mùa hè 2021, các nhà khoa học có thể giải quyết trực tiếp một số vấn đề then chốt để cho phép ITER chạy thử nghiệm bằng phản ứng hydro công suất thấp trong thời hạn 10 năm, bắt đầu từ năm 2025.

Trong thời gian này, các nhà khoa học sẽ theo dõi và giám sát thiết bị đồng thời tìm kiếm một cách tiếp cận đa phương, đa lĩnh vực nhằm giải quyết nhiều vấn đề kỹ thuật. Trang Phys.org cho biết, phát triển các hệ thống Máy học và Mô hình trí tuệ nhân tạo để mở rộng quy mô hệ thống nhiệt hạch là trọng tâm của những nỗ lực này.

Đến năm 2035, khi nhóm nghiên cứ ITER đã thu thập đủ dữ liệu và kiến thức, các nhà khoa học sẽ thay thế nhiên liệu hydro của lò phản ứng bằng deuterium và tritium, hai nguyên tử đồng vị mạnh hơn nhiều.

Trong trường hợp có được những thành công trong việc kiểm soát nguồn năng lượng nhiệt hạch, sự suy thoái năng lượng thế giới trong giai đoạn hiện nay có thể được thay thế bằng sự thặng dư năng lượng nhiệt hạch trong vòng vài thập kỷ tới.