Trong suốt hàng tỷ năm, Mặt trời là lò phản ứng nhiệt hạch duy nhất trong hệ Mặt Trời, nơi áp suất hấp dẫn khổng lồ và nhiệt độ cực cao buộc các hạt nhân nguyên tử vượt qua lực đẩy tự nhiên để hợp nhất với nhau, giải phóng năng lượng khổng lồ.

 

Ngày nay, con người đang cố gắng tái tạo quá trình đó trên Trái đất thông qua một thiết bị hình xuyến gọi là tokamak, và những tiến bộ gần đây cho thấy mục tiêu tạo ra một “ngôi sao nhân tạo” có thể không còn quá xa vời như trước. Nếu thành công, nhiệt hạch được kỳ vọng sẽ mang lại nguồn năng lượng gần như vô hạn cho xã hội hiện đại.

Kể từ khi khái niệm tokamak xuất hiện vào những năm 1950, năng lượng nhiệt hạch luôn đi kèm với sự hoài nghi. Không ít chuyên gia từng gọi đây là “nguồn năng lượng của tương lai và mãi mãi vẫn là tương lai”, bởi những thách thức kỹ thuật cực lớn liên quan đến nhiệt độ hàng trăm triệu độ, vật liệu chịu nhiệt đặc biệt và khả năng kiểm soát plasma hay trạng thái vật chất trong đó nguyên tử bị tách electron. Tuy nhiên, trong vài năm trở lại đây, cảm giác bất khả thi đó đang dần thay đổi khi các nhà vật lý và kỹ sư đạt được những bước tiến đáng kể trong việc hợp nhất các đồng vị hydro thành heli, tương tự phản ứng diễn ra trong lòng Mặt Trời suốt 4,6 tỷ năm qua.

Một trong những yếu tố quan trọng là sự cải thiện liên tục của các lò phản ứng tokamak trên thế giới. Nhiều thiết bị hiện nay đã có thể duy trì plasma ổn định trong hàng trăm giây, thậm chí hàng chục phút, ở nhiệt độ cực cao. Các lò phản ứng như WEST tại Pháp, EAST tại Trung Quốc hay KSTAR tại Hàn Quốc đã liên tiếp lập kỷ lục về thời gian duy trì plasma trong những năm gần đây. Đây là điều kiện then chốt, bởi phản ứng nhiệt hạch chỉ xảy ra khi vật chất tồn tại ở trạng thái plasma.

Gần đây, lò EAST của Trung Quốc còn vượt qua một ngưỡng lý thuyết quan trọng về mật độ plasma, được gọi là giới hạn Greenwald, mức mật độ mà vượt quá đó plasma sẽ trở nên mất ổn định. Những lò phản ứng này hiện đóng vai trò như các nền tảng thử nghiệm, cung cấp dữ liệu khoa học cho dự án nhiệt hạch tham vọng nhất của nhân loại.

Dự án Lò phản ứng nhiệt hạch thử nghiệm quốc tế (ITER) tại miền nam nước Pháp là nỗ lực hợp tác của 35 quốc gia nhằm tập hợp những thành tựu tiên tiến nhất về vật lý plasma và khoa học vật liệu vào một cỗ máy nặng hơn 23.000 tấn. Mục tiêu của ITER là chứng minh khả năng tạo ra phản ứng nhiệt hạch sinh ra nhiều năng lượng hơn mức tiêu thụ - điều kiện tiên quyết để năng lượng nhiệt hạch trở nên khả thi về mặt thương mại. Dù dự án đã trải qua nhiều chậm trễ, tiến độ vẫn đang được thúc đẩy, trong đó đáng chú ý là việc hoàn tất và chuyển giao mô-đun cuối cùng của cuộn solenoid trung tâm, nam châm mạnh nhất từng được chế tạo và là bộ phận cốt lõi của hệ thống.

Bên cạnh tiến bộ kỹ thuật, sự phát triển của trí tuệ nhân tạo cũng đang góp phần thay đổi triển vọng của nhiệt hạch. Các mô hình AI hiện được sử dụng để tối ưu hóa trường từ bên trong plasma theo thời gian thực, bổ sung dữ liệu còn thiếu trong nghiên cứu và xác định những vùng vận hành an toàn trong lò phản ứng, nơi có thể giảm tác động của nhiệt và bức xạ cực mạnh.

Tuy nhiên, thách thức lớn nhất vẫn nằm ở vật liệu. Việc duy trì plasma trong vài phút đã khó, nhưng vận hành ổn định trong thời gian dài, ở quy mô công nghiệp và với chi phí chấp nhận được lại là vấn đề hoàn toàn khác. Các lò phản ứng nhiệt hạch đòi hỏi vật liệu có thể chịu được nhiệt độ cực cao và dòng neutron năng lượng lớn phát sinh trong quá trình phản ứng vốn là những điều kiện mà vật liệu thông thường không thể đáp ứng.

Nhằm giải quyết vấn đề này, Viện Công nghệ Massachusetts (MIT) đã thành lập Phòng thí nghiệm Vật liệu cho Công nghệ Hạt nhân (LMNT) vào năm 2025, với mục tiêu phát triển các vật liệu vừa đáp ứng yêu cầu kỹ thuật vừa phù hợp với sản xuất thương mại trong tương lai. Theo nhóm nghiên cứu, việc tăng tốc thử nghiệm và lựa chọn vật liệu là yếu tố quyết định để đưa nhiệt hạch ra khỏi phòng thí nghiệm.

Một thay đổi đáng chú ý khác trong những năm gần đây là sự chuyển biến về nhận thức. Nếu trước đây nhiệt hạch thường bị xem là mục tiêu xa vời, thì hiện nay niềm tin vào khả năng hiện thực hóa công nghệ này đang gia tăng rõ rệt. Theo Trung tâm Chính sách Năng lượng Kleinman thuộc Đại học Pennsylvania, đầu tư tư nhân vào lĩnh vực nhiệt hạch đã tăng mạnh từ khoảng 1,5 tỷ USD trong giai đoạn 2016 - 2020 lên gần 9 tỷ USD trong giai đoạn 2021 - 2025. Nhu cầu năng lượng khổng lồ của các trung tâm dữ liệu AI, cùng áp lực giảm phát thải carbon và ứng phó biến đổi khí hậu, đang thúc đẩy cả doanh nghiệp và chính phủ quan tâm nhiều hơn đến nguồn năng lượng này.

Dù vậy, năng lượng nhiệt hạch vẫn còn đối mặt với nhiều rào cản khoa học, kỹ thuật và kinh tế trước khi có thể thay thế các nguồn năng lượng hiện tại. Nhưng so với chặng đường nghiên cứu kéo dài nhiều thập kỷ trước đây, những tiến bộ gần đây cho thấy thời điểm con người có thể khai thác năng lượng từ một “ngôi sao nhân tạo” trên Trái đất đang đến gần hơn bao giờ hết.

N.P.A (NASTIS), theo Popular science