Trong một bước đột phá về năng lượng bền vững, dự án quốc tế ITER đã hoàn tất việc chế tạo các bộ phận cho hệ thống nam châm siêu dẫn lớn nhất thế giới, được thiết kế để bắt giữ plasma siêu nóng và tạo ra lượng năng lượng gấp 10 lần so với năng lượng tiêu thụ.

“Trái tim điện từ” này của lò phản ứng Tokamak – được tạo ra thông qua sự hợp tác giữa hơn 30 quốc gia – là một chiến thắng lớn của cả khoa học và ngoại giao.

ITER đạt cột mốc quan trọng

Dự án quốc tế ITER vừa hoàn tất việc xây dựng hệ thống nam châm siêu dẫn dạng xung lớn và mạnh nhất thế giới, đánh dấu một bước tiến lớn hướng tới nguồn năng lượng sạch từ nhiệt hạch – loại năng lượng tương tự như năng lượng của Mặt Trời.

ITER là một nỗ lực hợp tác quy mô lớn giữa hơn 30 quốc gia, cùng hướng đến mục tiêu chứng minh rằng năng lượng nhiệt hạch có thể là một nguồn điện an toàn, không phát thải carbon, và gần như vô hạn cho hành tinh.

Mảnh ghép cuối cùng của hệ thống – một nam châm solenoid trung tâm khổng lồ được chế tạo và thử nghiệm tại Mỹ – có lực đủ mạnh để nâng cả một tàu sân bay. Sau khi được lắp đặt tại cơ sở ITER ở miền Nam nước Pháp, nó sẽ trở thành “bộ phát lực” cho lò phản ứng, hoạt động cùng sáu nam châm hình vòng khổng lồ khác từ Nga, châu Âu và Trung Quốc.

Tổng cộng, hệ thống nam châm này sẽ trở thành “trái tim điện từ” của Tokamak ITER, một lò phản ứng hình bánh donut kiểu tương lai, nhằm tái tạo năng lượng của các vì sao ngay trên Trái Đất.

Hệ thống nam châm siêu dẫn dạng xung hoạt động như thế nào?

Khi bơm vài gram nhiên liệu hydro – hỗn hợp khí deuterium và tritium – vào buồng Tokamak khổng lồ của ITER, hệ thống nam châm xung tạo dòng điện làm ion hóa khí hydro, hình thành plasma – một đám mây các hạt tích điện. Các nam châm tạo ra một “lồng vô hình” để giữ và định hình plasma đã ion hóa.

Sau đó, hệ thống gia nhiệt bên ngoài làm nóng plasma đến 150 triệu độ C – nóng gấp 10 lần lõi Mặt Trời. Ở nhiệt độ này, các hạt nhân nguyên tử trong plasma kết hợp lại (nhiệt hạch), giải phóng năng lượng nhiệt khổng lồ.

Khi hoạt động đầy đủ, ITER dự kiến sẽ sản xuất 500 megawatt điện nhiệt từ chỉ 50 megawatt công suất gia nhiệt đầu vào – tức gấp 10 lần. Ở mức hiệu quả này, phản ứng nhiệt hạch sẽ tự duy trì bằng chính nhiệt tạo ra – gọi là plasma tự cháy.

Bằng cách tích hợp tất cả các hệ thống cần thiết để khai thác năng lượng nhiệt hạch ở quy mô công nghiệp, ITER đang hoạt động như một phòng thí nghiệm nghiên cứu phức tạp và khổng lồ cho hơn 30 quốc gia thành viên, cung cấp dữ liệu và kiến thức cần thiết để tối ưu hóa điện nhiệt hạch thương mại.

Biểu tượng của sự đoàn kết toàn cầu

Thành tựu địa chính trị của ITER cũng đáng chú ý không kém: sự hợp tác bền vững giữa bảy thành viên chính – Trung Quốc, châu Âu, Ấn Độ, Nhật Bản, Hàn Quốc, Nga và Hoa Kỳ. Hàng nghìn nhà khoa học và kỹ sư đã đóng góp các linh kiện từ hàng trăm nhà máy ở ba châu lục để cùng chế tạo một cỗ máy duy nhất.

Pietro Barabaschi, Tổng giám đốc ITER, chia sẻ: “Điều khiến ITER trở nên đặc biệt không chỉ là độ phức tạp kỹ thuật mà còn là khuôn khổ hợp tác quốc tế đã duy trì dự án qua nhiều biến động chính trị. Thành tựu này chứng minh rằng khi nhân loại đối mặt với các thách thức sống còn như biến đổi khí hậu và an ninh năng lượng, chúng ta có thể vượt qua khác biệt quốc gia để cùng thúc đẩy giải pháp.”

Ông nói thêm: “Dự án ITER là hiện thân của hy vọng. Với ITER, chúng ta cho thấy một tương lai năng lượng bền vững và con đường hòa bình là hoàn toàn khả thi.”

Năm 2024, ITER đã hoàn thành 100% mục tiêu xây dựng. Với hầu hết các bộ phận chính đã được bàn giao, lò Tokamak của ITER hiện đang bước vào giai đoạn lắp ráp. Tháng 4-2025, mô-đun khoang chân không đầu tiên đã được đưa vào hố Tokamak – sớm hơn ba tuần so với kế hoạch.

Mở rộng hợp tác với khu vực tư nhân

Năm năm qua đã chứng kiến làn sóng đầu tư mạnh mẽ từ khu vực tư nhân vào R&D năng lượng nhiệt hạch. Tháng 11-2023, Hội đồng ITER công nhận tiềm năng và cơ hội từ xu hướng này. Họ khuyến khích Tổ chức ITER và các Cơ quan Thành viên tích cực hợp tác với doanh nghiệp tư nhân để chuyển giao tri thức mà ITER đã tích lũy, nhằm tăng tốc đưa nhiệt hạch vào thực tiễn.

Năm 2024, ITER đã khởi động một dự án tương tác với khu vực tư nhân, bao gồm nhiều kênh chia sẻ kiến thức, tài liệu, dữ liệu và chuyên môn kỹ thuật, cũng như hợp tác nghiên cứu. Sáng kiến chuyển giao công nghệ này cũng chia sẻ thông tin về chuỗi cung ứng nhiệt hạch toàn cầu của ITER – một cách khác để mang lại lợi ích cho các chính phủ và doanh nghiệp thành viên.

Tháng 4-2025, ITER đã tổ chức một hội thảo công – tư để cùng hợp tác phát triển các công nghệ đột phá nhằm giải quyết những thách thức cuối cùng của nhiệt hạch.

Đóng góp từ các quốc gia thành viên

Theo Thỏa thuận ITER, các quốc gia thành viên đóng góp phần lớn chi phí xây dựng ITER dưới hình thức xây dựng và cung cấp các linh kiện. Cách sắp xếp này đồng nghĩa với việc nguồn tài chính từ mỗi quốc gia chủ yếu được phân bổ cho các công ty trong nước để sản xuất các công nghệ tiên tiến của ITER. Thông qua đó, các công ty này thúc đẩy đổi mới và tích lũy chuyên môn, góp phần hình thành chuỗi cung ứng công nghệ nhiệt hạch toàn cầu.

Châu Âu, với vai trò là quốc gia chủ nhà, đóng góp 45% chi phí xây dựng Tokamak ITER và các hệ thống hỗ trợ. Trung Quốc, Ấn Độ, Nhật Bản, Hàn Quốc, Nga và Hoa Kỳ mỗi nước đóng góp 9%, tuy nhiên tất cả các thành viên đều được tiếp cận 100% quyền sở hữu trí tuệ.

Hoa Kỳ đã chế tạo nam châm Solenoid Trung tâm, gồm sáu mô-đun và một mô-đun dự phòng.
Ngoài ra, Mỹ đã chuyển đến ITER cấu trúc hỗ trợ “bộ xương ngoài” cho phép nam châm Solenoid Trung tâm chịu được lực cực lớn mà nó tạo ra. Bộ khung này gồm hơn 9.000 bộ phận riêng lẻ do tám nhà cung cấp Mỹ sản xuất. Hoa Kỳ cũng đã chế tạo khoảng 8% số siêu dẫn niobi-thiếc (Nb₃Sn) dùng trong các nam châm Trường Toroidal của ITER.

Nga đã cung cấp nam châm Trường Polo hình vòng tròn đường kính 9 mét, nằm ở phần đỉnh của Tokamak ITER. Hợp tác chặt chẽ với châu Âu, Nga đã sản xuất khoảng 120 tấn siêu dẫn niobi-titan (NbTi), chiếm khoảng 40% tổng lượng cần thiết cho nam châm Trường Polo.

Ngoài ra, Nga cũng sản xuất khoảng 20% siêu dẫn Nb₃Sn dùng cho nam châm Trường Toroidal, chế tạo các thanh dẫn dòng lớn (busbar) để truyền điện đến các nam châm với điện áp và cường độ dòng điện yêu cầu, cùng với các nút chặn ở phần trên của các phân đoạn buồng chân không ITER.

Châu Âu đã chế tạo bốn nam châm Trường Polo tại chỗ ở Pháp, với đường kính từ 17 đến 24 mét. Châu Âu cũng hợp tác với Nga sản xuất siêu dẫn NbTi dùng cho nam châm PF1 và PF6.
Châu Âu đã bàn giao 10 trong số các nam châm Trường Toroidal của ITER và sản xuất một phần lớn siêu dẫn Nb₃Sn dùng cho các nam châm này. Ngoài ra, châu Âu cũng chế tạo năm trong số chín phân đoạn của buồng chân không Tokamak, buồng hình bánh donut nơi phản ứng nhiệt hạch diễn ra.

Trung Quốc, theo thỏa thuận với châu Âu, đã sản xuất một nam châm Trường Polo đường kính 10 mét, hiện đã được lắp đặt ở đáy của Tokamak ITER. Trung Quốc cũng đã cung cấp siêu dẫn NbTi cho các nam châm PF2, PF3, PF4 và PF5, chiếm khoảng 65% tổng số nam châm Trường Polo—và khoảng 8% siêu dẫn của nam châm Trường Toroidal.

Ngoài ra, Trung Quốc đang cung cấp 18 nam châm Cuộn Hiệu chỉnh siêu dẫn, được bố trí quanh Tokamak để tinh chỉnh các phản ứng plasma. Trung Quốc đã bàn giao 31 bộ cấp nguồn cho nam châm, là các tuyến đa kênh dẫn điện cung cấp cho các nam châm ITER và khí heli lỏng làm lạnh các nam châm xuống -269°C để đạt được siêu dẫn.

Nhật Bản đã sản xuất và gửi sang Hoa Kỳ 43 km dây siêu dẫn Nb₃Sn để chế tạo các mô-đun của Solenoid Trung tâm. Nhật Bản cũng đã sản xuất 8 trong số 18 nam châm Trường Toroidal, cùng với một bộ dự phòng—cũng như toàn bộ vỏ bảo vệ cho các nam châm này. Ngoài ra, Nhật Bản sản xuất 25% lượng siêu dẫn Nb₃Sn dùng trong các nam châm Trường Toroidal.

Hàn Quốc đã chế tạo các thiết bị dùng để lắp ráp các linh kiện lớn nhất của ITER, cho phép kết nối chính xác các cuộn Trường Toroidal và tấm chắn nhiệt với các phân đoạn buồng chân không với độ chính xác đến từng milimet. Hàn Quốc cũng đã sản xuất 20% lượng siêu dẫn Nb₃Sn cho nam châm Trường Toroidal.

Ngoài ra, Hàn Quốc đã sản xuất các tấm chắn nhiệt, tạo lớp ngăn cách vật lý giữa plasma siêu nóng và các nam châm siêu lạnh. Hàn Quốc cũng đã bàn giao bốn trong số chín phân đoạn của buồng chân không Tokamak.

Ấn Độ đã chế tạo lớp vỏ cách nhiệt (Cryostat) cho ITER, có chiều cao và đường kính đều là 30 mét, bao bọc toàn bộ Tokamak ITER. Ấn Độ cũng đã cung cấp hệ thống đường dẫn lạnh (cryoline) để phân phối heli lỏng làm lạnh các nam châm. Ngoài ra, Ấn Độ còn chịu trách nhiệm bàn giao hệ thống làm mát bằng nước cho ITER, lớp chắn bên trong tường Tokamak và nhiều bộ phận của hệ thống gia nhiệt plasma từ bên ngoài.

Tổng cộng, hệ thống nam châm của ITER sẽ bao gồm 10.000 tấn nam châm siêu dẫn, với tổng năng lượng từ trường tích trữ lên tới 51 gigajoule. Nguyên liệu thô để chế tạo các nam châm này là hơn 100.000 kilomet dây siêu dẫn, được sản xuất tại 9 nhà máy thuộc 6 quốc gia.

Sơ đồ Tokamak ITER. Ảnh: ITER

Lắp đặt nam châm siêu dẫn đầu tiên, Cuộn Trường Polo số 6, vào hố Tokamak tại công trường xây dựng ITER. Solenoid Trung tâm sẽ được gắn vào vị trí trung tâm sau khi buồng chân không được lắp ráp xong. Ảnh: ITER

Mô-đun thứ sáu của Solenoid Trung tâm, hoàn tất tại General Atomics vào tháng 4/2025. Khi kết hợp với năm mô-đun khác đã hoàn thành, Solenoid Trung tâm sẽ tạo thành lõi của Tokamak ITER và hệ thống nam châm xung. Ảnh: General Atomics / ITER