Phản ứng tổng hợp hạt nhân, hay nhiệt hạch, là quá trình hai hạt nhân nhẹ hợp lại thành một hạt nhân nặng hơn và giải phóng năng lượng, vì khối lượng sản phẩm nhỏ hơn tổng khối lượng ban đầu. Đây là nguồn năng lượng của Mặt Trời. Phản ứng dễ thực hiện nhất trên Trái Đất là giữa deuteri và triti, tạo ra một hạt nhân heli, một neutron và 17,6 MeV năng lượng.
Khó khăn không nằm ở việc gây ra phản ứng — phòng thí nghiệm đã làm được từ thập niên 1950 — mà ở việc thu được nhiều năng lượng hơn mức tiêu tốn, liên tục, với chi phí cạnh tranh. Tháng 12 năm 2022, Cơ sở Đánh lửa Quốc gia (NIF) của Mỹ lần đầu cho năng lượng nhiệt hạch lớn hơn năng lượng laser chiếu vào nhiên liệu. Đó là cột mốc khoa học thật, nhưng còn rất xa một nhà máy điện.
Vì sao cần 100 triệu độ: rào Coulomb và tiêu chuẩn Lawson
Hai hạt nhân đều mang điện dương nên đẩy nhau. Để lực hạt nhân mạnh, vốn chỉ tác dụng ở khoảng cách cỡ femtomet, kéo được chúng lại, chúng phải va vào nhau với vận tốc rất lớn. Trong lõi Mặt Trời, nhiệt độ khoảng 15 triệu kelvin là đủ nhờ mật độ khổng lồ, thể tích lớn và hiệu ứng xuyên hầm lượng tử, dù tốc độ phản ứng trên mỗi đơn vị thể tích thấp đến bất ngờ. Trên Trái Đất không có trọng lực của một ngôi sao, nên phải bù bằng nhiệt độ cao hơn: hỗn hợp deuteri–triti đạt điều kiện thuận lợi nhất ở khoảng 100 đến 150 triệu kelvin.
Ở nhiệt độ đó vật chất thành plasma, thứ khí ion hoá không bình vật liệu nào chứa nổi. Năm 1955, kỹ sư người Anh John Lawson tính ra điều kiện cần cho một lò tự duy trì (công bố năm 1957), về sau gọi là tiêu chuẩn Lawson: tích của mật độ plasma, nhiệt độ và thời gian giam giữ năng lượng phải vượt một ngưỡng. Có hai cách tiếp cận ngưỡng: giữ plasma loãng trong thời gian dài bằng từ trường, hoặc nén nhiên liệu tới mật độ cực cao trong vài phần tỷ giây nhờ quán tính của chính nó.
Khái niệm “đánh lửa” chỉ trạng thái mà nhiệt từ hạt alpha sinh ra trong phản ứng đủ giữ plasma nóng mà không cần cấp thêm năng lượng từ ngoài. Đây là một ngưỡng vật lý, khác với “hoà vốn” theo tỷ số năng lượng, và cả hai đều khác với hoà vốn kỹ thuật của toàn nhà máy. Phần lớn tranh cãi quanh tin tức nhiệt hạch đến từ việc gộp ba khái niệm này làm một.
Các hệ số Q: đọc đúng tuyên bố “năng lượng ròng”
Bảng dưới phân biệt ba mức hoà vốn thường bị nhầm lẫn trong tin tức.
| Đại lượng | Định nghĩa | Hiện trạng |
|---|---|---|
| Q khoa học | Năng lượng nhiệt hạch chia cho năng lượng cấp trực tiếp vào plasma hoặc viên nhiên liệu | NIF đạt Q lớn hơn 1 từ tháng 12/2022 (khoảng 3,15 MJ ra so với 2,05 MJ laser); tokamak chưa đạt 1, kỷ lục năm 1997 của JET vào khoảng 0,67 |
| Q kỹ thuật | Điện năng nhà máy xuất ra chia cho toàn bộ điện năng nhà máy tiêu thụ | Chưa thiết bị nào đạt; laser của NIF lấy từ lưới khoảng 300 MJ cho mỗi phát bắn |
| Q kinh tế | Doanh thu điện so với toàn bộ chi phí vốn, vận hành, thay linh kiện | Mới là ước tính trên giấy của các thiết kế nhà máy |
Vì thế câu “lần đầu tạo ra năng lượng ròng” năm 2022 đúng ở nghĩa Q khoa học. Hiệu suất chuyển điện thành ánh sáng laser của NIF chỉ cỡ một phần trăm, và cơ sở này được xây chủ yếu cho nghiên cứu vật lý mật độ năng lượng cao phục vụ quản lý kho vũ khí hạt nhân, không phải để phát điện. Một nhà máy điện laser cần laser hiệu suất cao hơn nhiều, bắn nhiều lần mỗi giây thay vì vài phát mỗi ngày, và viên nhiên liệu rẻ hơn hàng nghìn lần so với viên chế tạo thủ công hiện nay.
Khi thấy một tuyên bố mới, hãy tự hỏi mẫu số là gì. Một hệ số Q mà không nói rõ mẫu số thì không mang thông tin.
Tokamak, stellarator và laser: ba cách giam giữ plasma
Tokamak. Các nhà vật lý Liên Xô Igor Tamm và Andrei Sakharov đề xuất cấu hình này đầu thập niên 1950: plasma được giữ trong một vành xuyến bằng tổ hợp từ trường của cuộn dây ngoài và dòng điện chạy trong chính plasma. Năm 1968, thiết bị T-3 cho nhiệt độ cao hơn hẳn các thiết kế đương thời; sau khi một nhóm Anh sang đo kiểm chứng năm 1969, tokamak thành hướng chủ đạo toàn cầu. Điểm yếu là dòng điện plasma có thể sụp đột ngột, dồn nhiệt và lực điện từ lớn lên thành lò.
Stellarator. Lyman Spitzer ở Princeton đề xuất năm 1951: thay vì dùng dòng điện trong plasma, toàn bộ từ trường xoắn do cuộn dây ngoài có hình dạng phức tạp tạo ra. Ưu điểm là vận hành liên tục, không có nguy cơ sụp dòng; nhược điểm là thiết kế và chế tạo cuộn dây cực khó. Wendelstein 7-X ở Đức, thiết kế bằng tối ưu hoá máy tính, cho thấy hình học tối ưu giảm được thất thoát nhiệt so với stellarator thế hệ trước.
Giam giữ quán tính. Laser hoặc chùm hạt nén một viên nhiên liệu cỡ hạt tiêu. NIF dùng cách “gián tiếp”: 192 chùm laser chiếu vào một hộp kim loại nhỏ (hohlraum), hộp phát tia X làm vỏ viên nhiên liệu bốc hơi và nén lõi vào trong như tên lửa ngược. Phương pháp cho mật độ cực cao nhưng mỗi lần chỉ kéo dài vài phần tỷ giây, và đòi hỏi viên nhiên liệu đối xứng gần như hoàn hảo.
Các hướng khác. Nén từ hoá mục tiêu, pinch, cấu hình đảo trường, nhiên liệu ít neutron như proton–bo đều có công ty theo đuổi. Phần lớn còn xa thông số plasma mà tokamak đã đạt, nên tuyên bố thương mại của họ cần đọc với thận trọng gấp đôi.
ITER và những mốc thời gian liên tục bị lùi
ITER, đang xây ở Cadarache, miền nam nước Pháp, là dự án hợp tác giữa Liên minh châu Âu, Trung Quốc, Ấn Độ, Nhật Bản, Hàn Quốc, Nga và Mỹ. Mục tiêu là đạt Q khoa học bằng 10: cấp khoảng 50 MW nhiệt cho plasma và thu 500 MW công suất nhiệt hạch trong vài trăm giây. ITER không phát điện; nó là thí nghiệm chứng minh plasma tự đốt nóng ở quy mô gần với nhà máy.
Lịch trình ITER là bài học về chi phí của công nghệ lớn chưa từng có. Hiệp định thành lập ký năm 2006; mốc plasma đầu tiên nhiều lần dời, có thời điểm được đặt vào năm 2025. Năm 2024, tổ chức ITER công bố kế hoạch cơ sở mới, lùi mốc bắt đầu vận hành nghiên cứu sang khoảng năm 2034 và vận hành với deuteri–triti sang cuối thập niên 2030, một phần vì lỗi chế tạo ở các khoang chân không và đường ống làm mát của tấm chắn nhiệt cần sửa chữa.
Song song, các thiết bị khác vẫn đẩy giới hạn. JET ở Anh, trước khi ngừng hoạt động cuối năm 2023, lập kỷ lục năng lượng nhiệt hạch khoảng 69 MJ trong một xung khoảng 5 giây. Các tokamak siêu dẫn ở Trung Quốc và Hàn Quốc kéo dài thời gian giữ plasma lên hàng trăm tới hơn nghìn giây ở một số chế độ vận hành. Những kết quả này quan trọng cho kỹ thuật vận hành dài, nhưng không phải là sản lượng năng lượng ròng; đọc tin cần phân biệt kỷ lục thời gian, kỷ lục nhiệt độ và kỷ lục năng lượng.
Những vấn đề kỹ thuật ít được nhắc tới
Ngay cả khi plasma đạt Q cao, một nhà máy điện nhiệt hạch còn phải giải những bài toán mà thí nghiệm vật lý chưa chạm tới:
- Neutron năng lượng cao: khoảng 80% năng lượng phản ứng D–T đi theo neutron 14,1 MeV. Neutron xuyên vào thành lò, làm dịch chuyển nguyên tử trong kim loại, gây trương nở, giòn hoá và kích hoạt phóng xạ vật liệu cấu trúc. Chưa có nguồn neutron nào đủ mạnh để thử vật liệu ở liều tương đương nhiều năm vận hành.
- Triti: triti có chu kỳ bán rã khoảng 12,3 năm, gần như không có trong tự nhiên; nguồn cung hiện nay chủ yếu là sản phẩm phụ của lò phản ứng nước nặng kiểu CANDU, tổng dự trữ toàn cầu chỉ cỡ vài chục kilogram. Nhà máy nhiệt hạch phải tự “nhân giống” triti bằng cách cho neutron bắn vào lớp vỏ chứa lithium, với tỷ số sinh lớn hơn 1 — điều chưa được trình diễn ở quy mô thực.
- Xả nhiệt: bộ phận divertor phải chịu dòng nhiệt cỡ hàng chục megawatt trên mét vuông, tương đương bề mặt tàu vũ trụ khi trở lại khí quyển, nhưng liên tục.
- Bảo trì từ xa: các bộ phận bên trong bị kích hoạt phóng xạ nên phải thay bằng robot, kéo dài thời gian dừng máy và giảm hệ số công suất.
- Chi phí vốn: nam châm siêu dẫn, hệ chân không, hệ làm lạnh và toà nhà chiếm phần lớn chi phí. Nam châm siêu dẫn nhiệt độ cao, như nam châm khoảng 20 tesla mà MIT và công ty Commonwealth Fusion Systems thử năm 2021, cho phép thu nhỏ lò, nhưng độ bền dưới bức xạ neutron vẫn đang được nghiên cứu.
Về an toàn, nhiệt hạch có ưu điểm thật: lượng nhiên liệu trong buồng tại mọi thời điểm rất nhỏ nên không có phản ứng dây chuyền mất kiểm soát, và chất thải chủ yếu là vật liệu kích hoạt có thời gian phóng xạ ngắn hơn nhiều so với nhiên liệu đã cháy của lò phân hạch. Nhưng câu “không có chất thải phóng xạ” là sai.
Nhiệt hạch và phân hạch khác nhau ở đâu
Hai công nghệ thường bị gộp chung dưới chữ “hạt nhân” nhưng khác nhau về nguyên lý, mức trưởng thành và loại rủi ro.
| Tiêu chí | Phân hạch | Nhiệt hạch |
|---|---|---|
| Nguyên lý | Hạt nhân nặng (urani-235, plutoni-239) vỡ ra khi hấp thụ neutron | Hạt nhân nhẹ (deuteri, triti) hợp lại ở nhiệt độ cực cao |
| Hiện trạng | Thương mại từ thập niên 1950, cung cấp khoảng một phần mười điện năng thế giới | Thí nghiệm; chưa có nhà máy phát điện |
| Phản ứng dây chuyền | Có, cần điều khiển chặt | Không; sự cố làm plasma nguội và tắt |
| Chất thải | Nhiên liệu đã cháy phóng xạ mạnh, cần cách ly hàng nghìn năm | Vật liệu cấu trúc bị kích hoạt, phần lớn suy giảm trong vài chục đến vài trăm năm |
| Nhiên liệu | Urani khai thác mỏ, làm giàu | Deuteri tách từ nước; triti phải tự sinh từ lithium |
| Nguy cơ phổ biến vũ khí | Gắn với làm giàu urani và tách plutoni | Thấp hơn, nhưng neutron có thể bị dùng để sinh vật liệu phân hạch nếu cố ý |
Bảng này không nhằm xếp hạng hai công nghệ. Phân hạch là công nghệ trưởng thành đang có thế hệ thiết kế mới; nhiệt hạch chưa chứng minh tính khả thi kinh tế. Câu đùa lâu năm trong giới vật lý rằng điện nhiệt hạch “luôn còn ba mươi năm nữa” phản ánh một thực tế: thông số plasma tiến bộ đều đặn qua nửa thế kỷ, nhưng lịch trình kỹ thuật và kinh phí luôn bị đánh giá thấp. Hiện có hàng chục công ty tư nhân, một số tuyên bố cấp điện lên lưới trong thập niên 2030; nhiều đánh giá thận trọng cho rằng một nhà máy trình diễn phát điện ròng khó xuất hiện sớm như vậy. Vì thế, chính sách năng lượng hợp lý không thể dựa vào nhiệt hạch cho mục tiêu giảm phát thải đến giữa thế kỷ.
Câu hỏi thường gặp
Nhiệt hạch lạnh có thật không?
Năm 1989, Martin Fleischmann và Stanley Pons tuyên bố quan sát thấy nhiệt dư khi điện phân nước nặng với điện cực palladi ở nhiệt độ phòng. Nhiều phòng thí nghiệm không tái lập được kết quả, và không đo được lượng neutron tương ứng với phản ứng hạt nhân. Giới khoa học chính thống coi tuyên bố đó không được chứng minh; một số nhóm vẫn nghiên cứu dưới tên phản ứng hạt nhân năng lượng thấp nhưng chưa có kết quả tái lập độc lập thuyết phục.
Heli-3 trên Mặt Trăng có phải nhiên liệu nhiệt hạch tương lai?
Phản ứng deuteri–heli-3 sinh ít neutron hơn, nhưng cần nhiệt độ cao hơn nhiều lần so với D–T và tốc độ phản ứng thấp hơn. Khi chưa vận hành nổi D–T trong nhà máy, khai thác heli-3 từ đất Mặt Trăng là bài toán xa hơn cả về vật lý lẫn kinh tế. Các đề xuất này chủ yếu ở mức nghiên cứu khái niệm.
Nhà máy nhiệt hạch có thể phát nổ như bom nhiệt hạch không?
Không. Bom nhiệt hạch dùng một vụ nổ phân hạch để nén và đốt khối nhiên liệu lớn trong tích tắc. Trong lò nhiệt hạch, lượng nhiên liệu tại một thời điểm chỉ cỡ gam hoặc ít hơn, và mọi trục trặc làm plasma nguội ngay. Rủi ro thực tế gồm rò rỉ triti, lực điện từ khi plasma sụp và phóng xạ kích hoạt khi bảo trì.
Vì sao tokamak có hình chiếc bánh vòng?
Một cuộn dây thẳng tạo từ trường giữ hạt mang điện chạy dọc đường sức, nhưng hạt sẽ thoát ra ở hai đầu. Uốn thành vành xuyến thì đường sức khép kín. Tuy nhiên từ trường trong vành xuyến mạnh ở mép trong, yếu ở mép ngoài, khiến hạt trôi dạt ra thành; vì thế phải thêm thành phần từ trường xoắn, do dòng điện plasma trong tokamak hoặc cuộn dây xoắn trong stellarator tạo ra.
Plasma 100 triệu độ có làm chảy thành lò không?
Plasma trong tokamak rất loãng, mật độ thấp hơn không khí hàng trăm nghìn lần, nên tổng nhiệt năng không lớn như con số nhiệt độ gợi ra. Từ trường giữ phần lớn hạt cách xa thành. Vấn đề nằm ở những vùng hạt thoát ra như divertor, và ở các sự cố sụp plasma dồn năng lượng vào thành trong vài mili giây; vonfram được chọn làm mặt tiếp xúc vì chịu nhiệt tốt.
Năng lượng nhiệt hạch có giúp chống biến đổi khí hậu không?
Nếu thành công, nhiệt hạch cho điện ổn định gần như không phát thải carbon khi vận hành. Nhưng xét lịch trình thực tế, các nhà máy đầu tiên khó đóng góp đáng kể trước giữa thế kỷ. Các kịch bản giảm phát thải của những cơ quan năng lượng quốc tế dựa chủ yếu vào điện tái tạo, lưu trữ, hiệu quả năng lượng và phân hạch; nhiệt hạch là khoản đầu tư dài hạn, không thay được hành động hiện tại.