Nằm sâu 2.400m dưới lòng núi Jinping thuộc châu tự trị dân tộc Di Liangshan, tỉnh Tứ Xuyên, Trung Quốc, China Jinping Underground Laboratory - CJPL hay còn gọi là đại công trình Jinping đang được xem là một trong những cơ sở nghiên cứu khoa học dưới lòng đất tiên tiến nhất thế giới. Với tổng thể tích lên tới 330.000m³, đây là giai đoạn 2 của Phòng thí nghiệm ngầm Jinping (Jinping Underground Laboratory).

Từ phòng thí nghiệm đầu tiên đến trung tâm nghiên cứu liên ngành quy mô toàn cầu

Không chỉ là một dự án khoa học quy mô lớn, đại công trình Jinping còn được Trung Quốc xếp vào nhóm “quốc chi trọng khí” - những cơ sở hạ tầng khoa học chiến lược có vai trò đặc biệt quan trọng đối với năng lực nghiên cứu và đổi mới công nghệ quốc gia.

Tháng 12/2010, giai đoạn 1 của Phòng thí nghiệm ngầm Jinping chính thức được đưa vào vận hành. Công trình được xây dựng theo mô hình hợp tác giữa Đại học Thanh Hoa và Công ty Phát triển Thủy điện lưu vực sông Yalong thuộc Tập đoàn Đầu tư Phát triển Nhà nước Trung Quốc (SDIC).

Sự ra đời của phòng thí nghiệm đã đánh dấu bước tiến quan trọng đối với khoa học cơ bản của Trung Quốc khi lần đầu tiên nước này sở hữu một cơ sở nghiên cứu sâu dưới lòng đất. Hai nhóm nghiên cứu đầu tiên hoạt động tại đây gồm nhóm CDEX của Đại học Thanh Hoa và nhóm PandaX của Đại học Giao thông Thượng Hải, mở ra nền tảng cho các chương trình nghiên cứu vật chất tối trong nước.

Trong hơn một thập kỷ hoạt động, phòng thí nghiệm đã ghi nhận nhiều kết quả nghiên cứu có ảnh hưởng quốc tế trong các lĩnh vực phát hiện vật chất tối và vật lý thiên văn hạt nhân.

Năm 2014, dự án giai đoạn 2 được phê duyệt là công trình hạ tầng khoa học - công nghệ trọng điểm quốc gia. Theo quy hoạch, không gian thí nghiệm ngầm được mở rộng từ 4.000m³ lên tới 330.000m³, tăng hơn 80 lần so với giai đoạn đầu.

Theo định hướng phát triển, đại công trình Jinping sẽ từng bước trở thành trung tâm nghiên cứu khoa học lòng đất hàng đầu thế giới, quy tụ nhiều lĩnh vực liên ngành như vật lý hạt, vật lý thiên văn hạt nhân, vũ trụ học, khoa học sự sống và cơ học đá.

Môi trường nghiên cứu gần như “tinh khiết tuyệt đối”

Một trong những ưu thế nổi bật nhất của đại công trình Jinping là điều kiện môi trường đặc biệt phù hợp cho các thí nghiệm vật lý độ chính xác cao.

Do nằm dưới lớp đá dày khoảng 2.400m, mật độ tia vũ trụ tại đây chỉ bằng một phần một trăm triệu so với trên mặt đất. Nhờ đó, phòng thí nghiệm sở hữu nhiều đặc điểm hiếm có như mức phát tán khí radon cực thấp, bức xạ môi trường cực thấp, lưu lượng tia vũ trụ siêu thấp và không gian siêu sạch.

Để đạt được những tiêu chuẩn khắt khe này, các đơn vị xây dựng đã triển khai hàng loạt giải pháp công nghệ mới. Trong quá trình thi công, dự án lần đầu tiên áp dụng công nghệ chống thấm kết hợp kiểm soát khí radon, đồng thời nghiên cứu và phát triển các vật liệu có mức bức xạ nền thấp nhằm hạn chế tối đa ảnh hưởng tới các thí nghiệm khoa học.

Đáng chú ý, đội ngũ kỹ thuật đã phát triển hệ thống gồm 10 lớp vật liệu chuyên dụng để bao phủ khoảng 100.000m² bề mặt khoang ngầm. Hệ thống này có nhiệm vụ ngăn chặn nước và khí radon phát sinh từ các khối đá xung quanh. Theo dữ liệu công bố, hiệu quả ức chế khí radon đạt tới 99%, tạo nên công trình chống thấm và kiểm soát radon đầu tiên thuộc loại hình này trên thế giới.

Toàn bộ vật liệu được sản xuất riêng để giảm bức xạ

Để tạo ra môi trường nghiên cứu có độ tinh khiết cao nhất, hầu hết thiết bị và vật liệu sử dụng trong công trình đều được thiết kế và sản xuất riêng. Các nhà khoa học đã phát triển nhiều loại vật liệu chuyên biệt như xi măng bức xạ thấp, cát mài corindon bức xạ thấp, bông khoáng bức xạ thấp cùng hàng loạt thiết bị cơ điện có mức phát xạ tối thiểu.

Theo các kỹ sư tham gia dự án, mục tiêu của quá trình này là kiểm soát tối đa mọi nguồn bức xạ nền có thể ảnh hưởng tới kết quả nghiên cứu, đặc biệt là các thí nghiệm liên quan đến vật chất tối và các hạt cơ bản hiếm gặp.

Bên cạnh đó, công trình còn được trang bị hệ thống cấp gió tươi dài khoảng 10km - được đánh giá là hệ thống cấp khí tươi có khoảng cách dài nhất thế giới hiện nay. Hệ thống này giúp không khí trong phòng thí nghiệm luôn được lưu thông, gần như không tồn tại mùi hay tạp chất có thể ảnh hưởng tới môi trường nghiên cứu.

Đặc biệt, áp suất không khí bên trong được thiết kế cao hơn môi trường bên ngoài, giúp đẩy luồng khí ra ngoài thay vì để các chất ô nhiễm xâm nhập vào khu vực thí nghiệm.

Ngoài ra, cơ sở còn sở hữu bồn chứa nitơ lỏng giữ nhiệt phục vụ thí nghiệm vật lý lớn nhất thế giới cùng khoang chắn bằng polyethylene có quy mô hàng đầu toàn cầu, tiếp tục nâng cao độ sạch của môi trường nghiên cứu.

Hệ thống an toàn đạt tiêu chuẩn quốc tế

Việc xây dựng một cơ sở nghiên cứu ở độ sâu 2.400m dưới lòng đất đặt ra nhiều thách thức về an toàn kỹ thuật. Do địa hình đường hầm có độ dốc lớn, công tác phòng cháy chữa cháy và sơ tán khẩn cấp được đặc biệt chú trọng. Bên trong công trình, hệ thống ống hút khói, thiết bị chữa cháy và các khoang cứu sinh được bố trí dày đặc nhằm bảo đảm khả năng ứng phó với các tình huống khẩn cấp.

Quá trình thi công cũng đòi hỏi khối lượng công việc khổng lồ với khoảng 50.000 thanh neo, 250.000 bu lông nở và tổng chiều dài mối hàn lên tới 50.000m. Riêng ở giai đoạn lựa chọn vật liệu xây dựng, nhóm nghiên cứu đã thực hiện hơn 60 cuộc thử nghiệm khác nhau để tìm ra các phương án tối ưu nhất.

Nhờ điều kiện bức xạ cực thấp và môi trường siêu sạch, đại công trình Jinping được đánh giá là một trong những địa điểm lý tưởng nhất thế giới cho các nghiên cứu về vật chất tối - thành phần được cho là chiếm phần lớn vật chất trong vũ trụ nhưng đến nay vẫn chưa được quan sát trực tiếp.

Giới khoa học kỳ vọng cơ sở này sẽ trở thành trung tâm nghiên cứu sâu dưới lòng đất hàng đầu thế giới, đóng góp những phát hiện quan trọng trong các lĩnh vực vật lý hạt, vật lý thiên văn, khoa học sự sống và nghiên cứu Trái Đất. Đồng thời, công trình cũng được xem là nền tảng chiến lược giúp Trung Quốc tăng cường năng lực đổi mới sáng tạo và thúc đẩy những bước tiến mới trong nghiên cứu khoa học cơ bản ở quy mô toàn cầu.