Các nhà vật lý khám phá ra đột phá về phản ứng tổng hợp bị lãng quên năm 1938 có thể cung cấp năng lượng cho tương lai
Bởi Phòng thí nghiệm quốc gia Los Alamos
Ngày 7 tháng 7 năm 2025
Bằng cách tái tạo một thí nghiệm gần như bị lãng quên năm 1938, các nhà khoa học đã khám phá ra ý nghĩa mới trong một quan sát ban đầu về phản ứng tổng hợp deuterium-tritium vẫn định hình khoa học hạt nhân ngày nay. (Ý tưởng của nghệ sĩ). Tín dụng: SciTechDaily.com
Các nhà vật lý xác nhận những hiểu biết sâu sắc về phản ứng tổng hợp DT từ một thí nghiệm năm 1938. Những phát hiện này kết nối lý thuyết trong quá khứ với các nỗ lực tổng hợp hiện tại.
Một nhóm tại Phòng thí nghiệm quốc gia Los Alamos đã tái tạo thành công một thí nghiệm vật lý quan trọng nhưng phần lớn bị bỏ qua: quan sát đầu tiên được ghi lại về phản ứng tổng hợp deuterium-tritium (DT). Phiên bản cập nhật của họ về thí nghiệm năm 1938, gần đây được trình bày chi tiết trong Tạp chí Vật lý C, khẳng định lại vai trò quan trọng của nhà vật lý Arthur Ruhlig thuộc Đại học Michigan. Công trình gốc của Ruhlig có khả năng đã đặt nền móng cho một quá trình tổng hợp tiếp tục ảnh hưởng đến cả sự phát triển năng lượng hạt nhân và các chương trình an ninh quốc gia.
“Ý tưởng chính của Ruhlig là đề xuất rằng phản ứng tổng hợp DT xảy ra với xác suất rất cao khi deuterium và tritium được đưa đến gần nhau”, Mark Chadwick, phó giám đốc Phòng thí nghiệm Khoa học, Tính toán và Lý thuyết tại Los Alamos giải thích. “Bằng cách sao chép thí nghiệm của ông, chúng tôi có thể xem xét lại các kết luận ban đầu của ông và đánh giá cao mức độ chính xác của chúng. Trực giác của ông đã có tác động lâu dài đến hướng nghiên cứu nhiên liệu hạt nhân”.
Richard Crane, cố vấn luận án của Arthur Ruhlig, với máy gia tốc của Đại học Michigan được sử dụng cho các thí nghiệm. Tín dụng: Đại học Michigan / Phòng thí nghiệm Quốc gia Los Alamos
Phản ứng tổng hợp DT vẫn là nền tảng cơ bản để thúc đẩy các công nghệ dựa trên phản ứng tổng hợp, bao gồm vai trò quan trọng của nó trong cả ứng dụng quốc phòng và các giải pháp năng lượng sạch trong tương lai. Phản ứng này tạo thành cơ sở cho các dự án như dự án tại Cơ sở Đánh lửa Quốc gia, nơi các nhà nghiên cứu đang nỗ lực đạt được phản ứng tổng hợp có kiểm soát. Được thúc đẩy bởi giả thuyết rằng Ruhlig có thể là người khởi xướng khái niệm này, các nhà khoa học Los Alamos đã thiết kế một thí nghiệm để kiểm tra và xác nhận nghiêm ngặt tầm quan trọng của công trình ban đầu của ông.
Truy tìm nguồn gốc của phản ứng tổng hợp DT
Vào năm 2023, Mark Chadwick và các đồng nghiệp của ông, bao gồm cả nhà vật lý lý thuyết Mark Paris, đã biên soạn một lịch sử chi tiết về nghiên cứu phản ứng tổng hợp ban đầu. Một điểm đáng chú ý trong dòng thời gian đó liên quan đến một đề xuất được đưa ra bởi nhà vật lý Emil Konopinski trong một hội nghị vật lý vào tháng 7 năm 1942 tại Berkeley, do J. Robert Oppenheimer dẫn đầu, người sau này sẽ chỉ đạo Dự án Manhattan. Tại cuộc họp đó, Konopinski đề xuất rằng trong số một số phản ứng tổng hợp có thể xảy ra, phản ứng tổng hợp deuterium-tritium (DT) có triển vọng đặc biệt để sử dụng kết hợp với vũ khí phân hạch.
Tò mò về cách Konopinski đi đến kết luận đó ngay từ đầu dự án—chỉ vài tháng sau khi Dự án Manhattan chính thức bắt đầu—Chadwick và nhóm Los Alamos của ông đã bắt đầu điều tra. Việc chọn phản ứng tổng hợp DT là lựa chọn khả thi nhất trong số nhiều phản ứng tiềm năng đã chứng tỏ là một quyết định quan trọng và sáng suốt.
Một buổi tối, khi đang tìm kiếm trong kho lưu trữ tại Trung tâm Nghiên cứu An ninh Quốc gia, Chadwick đã phát hiện ra một bản ghi âm năm 1986 của Konopinski thảo luận về lý do theo đuổi phản ứng tổng hợp DT. (Bản ghi âm này sau đó đã được chia sẻ trên YouTube.) Trong bản ghi âm, Konopinski suy ngẫm về những ngày đầu của nghiên cứu hạt nhân và liên tục ghi nhận sự quan tâm của ông đối với phản ứng tổng hợp DT là nhờ những nghiên cứu mà ông gọi là "trước chiến tranh".
Một nhóm tại Hội thảo Hạt nhân tại Michigan, năm 1936, bao gồm Ruhlig. Bộ sưu tập kỹ thuật số, truy cập ngày 30 tháng 9 năm 2023, https://digitalcollections.eku.edu/items/show/3347. Nguồn: Đại học Eastern Kentucky
Tritium, một thành phần chính trong phản ứng tổng hợp DT, lần đầu tiên được phát hiện vào năm 1934 bởi một nhóm nghiên cứu do nhà vật lý thực nghiệm Ernest Rutherford đứng đầu. Rutherford là một nhân vật trung tâm trong lý thuyết nguyên tử ban đầu, hợp tác với Niels Bohr và giám sát James Chadwick trong quá trình khám phá ra neutron. Bắt đầu từ năm phát hiện ra tritium, Paris đã rà soát các ấn phẩm vật lý và cuối cùng tìm thấy một lá thư năm 1938 gửi cho biên tập viên của Physical Review do Arthur Ruhlig viết. Bức thư mô tả một thí nghiệm tia gamma và ám chỉ đến một điều gì đó hơn thế nữa.
Trong thí nghiệm, Ruhlig đã nghiên cứu phản ứng deuterium-on-deuterium bằng cách bắn một chùm deuteron vào deuterium và phân tích các phát xạ tia gamma thu được. (Deuteron là hạt nhân của một nguyên tử deuterium, bao gồm một proton và một neutron.) Trong một bình luận ngắn gọn nhưng hấp dẫn ở đoạn cuối của bức thư, Ruhlig đã báo cáo việc phát hiện ra các proton năng lượng cao, mà ông tin rằng có nguồn gốc từ các tương tác thứ cấp. Ông kết luận rằng những tương tác này là do các neutron từ phản ứng tổng hợp tritium-deuterium phân tán các proton từ một lớp màng cellophane mỏng đặt bên trong một buồng mây. Ruhlig đã tham khảo một cuộc thảo luận riêng với nhà vật lý Hans Bethe như một phần trong lý luận của mình. Ông kết luận rằng sự hợp nhất DT “phải là một điều cực kỳ có thể xảy ra” và ước tính rằng khoảng một trong e
