Phản ứng tổng hợp hạt nhân: khai thác sức mạnh của các vì sao
Cơ sở kích hoạt quốc gia Hoa Kỳ, bên trong được nhìn thấy ở đây vào tháng 7 năm 2008, đã đạt được phản ứng nhiệt hạch tạo ra nhiều năng lượng hơn năng lượng được đưa vào.
Các nhà nghiên cứu Hoa Kỳ cuối cùng đã vượt qua một cột mốc quan trọng đối với công nghệ tổng hợp hạt nhân: thu được nhiều năng lượng hơn năng lượng được đưa vào.
Bộ Năng lượng Hoa Kỳ đã công bố hôm thứ Ba rằng họ đã tạo ra một bước đột phá lịch sử với thứ mà một số người coi là năng lượng của tương lai.
Đây là thông tin cập nhật về cách thức hoạt động của phản ứng tổng hợp hạt nhân—không tạo ra khí nhà kính và ít để lại chất thải—, những dự án nào đang được tiến hành và ước tính khi nào chúng có thể hoàn thành:
Năng lượng của các vì sao
Phản ứng tổng hợp khác với phản ứng phân hạch, kỹ thuật hiện đang được sử dụng trong các nhà máy điện hạt nhân, bằng cách hợp nhất hai hạt nhân nguyên tử thay vì tách một hạt nhân.
Trên thực tế, phản ứng tổng hợp là quá trình cung cấp năng lượng cho mặt trời.
Hai nguyên tử hydro nhẹ, khi chúng va chạm ở tốc độ rất cao, sẽ hợp nhất với nhau thành một nguyên tố nặng hơn, helium, giải phóng năng lượng trong quá trình này.
"Kiểm soát nguồn năng lượng của các vì sao là thách thức công nghệ lớn nhất mà loài người từng thực hiện", nhà vật lý Arthur Turrell, tác giả cuốn sách "The Star Builders" viết trên Twitter.
Hai phương pháp riêng biệt
Việc tạo ra phản ứng nhiệt hạch trên Trái đất chỉ có thể thực hiện được bằng cách nung nóng vật chất đến nhiệt độ cực cao—trên 100 triệu độ C (180 triệu độ F).
"Vì vậy, chúng tôi phải tìm cách cô lập vật chất cực nóng này khỏi bất cứ thứ gì có thể hạ nhiệt nó. Đây là vấn đề ngăn chặn", Erik Lefebvre, trưởng dự án tại Ủy ban Năng lượng Nguyên tử Pháp (CEA), nói với AFP.
Một phương pháp là "nhốt" phản ứng nhiệt hạch bằng nam châm.
Trong một lò phản ứng hình chiếc bánh rán khổng lồ, các đồng vị hydro nhẹ (đơteri và tritium) được nung nóng cho đến khi chúng đạt đến trạng thái plasma, một loại khí có mật độ rất thấp.
Các nam châm hạn chế khí plasma xoáy, ngăn không cho nó tiếp xúc với thành buồng, trong khi các nguyên tử va chạm và bắt đầu hợp nhất.
Đây là loại lò phản ứng được sử dụng trong dự án quốc tế lớn có tên là ITER, hiện đang được xây dựng ở Pháp, cũng như Joint European Torus (JET) gần Oxford, Anh.
Phương pháp thứ hai là phản ứng tổng hợp giam cầm quán tính, trong đó các tia laze năng lượng cao được chiếu đồng thời vào một hình trụ có kích thước bằng cái ống nhỏ có chứa hydro.
Đây là kỹ thuật được sử dụng bởi các nhà khoa học tại Cơ sở Đánh lửa Quốc gia (NIF) tại Phòng thí nghiệm Quốc gia Lawrence Livermore (LLNL) ở California, những người đứng sau thông báo hôm thứ Ba.
Giam cầm quán tính được sử dụng để chứng minh các nguyên tắc vật lý của phản ứng tổng hợp, trong khi giam cầm từ trường tìm cách bắt chước các lò phản ứng quy mô công nghiệp trong tương lai.
Tình hình nghiên cứu
Trong nhiều thập kỷ, các nhà khoa học đã cố gắng đạt được cái được gọi là "tăng năng lượng ròng"—trong đó nhiều năng lượng được tạo ra bởi phản ứng nhiệt hạch hơn là năng lượng cần thiết để kích hoạt nó.
Giám đốc LLNL Kim Budil cảnh báo rằng vẫn còn nhiều việc phải làm trước khi nó có thể khả thi về mặt thương mại.
“Có những rào cản rất đáng kể, không chỉ về khoa học mà còn về công nghệ,” Budil nói. "Một vài thập kỷ nghiên cứu về các công nghệ cơ bản có thể giúp chúng ta xây dựng một nhà máy điện."
Để đạt được điều đó, trước tiên các nhà nghiên cứu phải tăng hiệu quả của laser và tái tạo thí nghiệm thường xuyên hơn.
Lợi ích của Fusion
Thành công của NIF đã gây ra sự phấn khích lớn trong cộng đồng khoa học, họ hy vọng công nghệ này có thể thay đổi cuộc chơi để sản xuất năng lượng toàn cầu.
Không giống như phản ứng phân hạch, phản ứng tổng hợp không có nguy cơ xảy ra tai nạn hạt nhân.
Lefebvre nói: “Nếu thiếu một vài tia laser và chúng không phát ra đúng lúc, hoặc nếu sự giam giữ plasma bởi từ trường... không hoàn hảo,” thì phản ứng sẽ đơn giản dừng lại, Lefebvre nói.
Phản ứng tổng hợp hạt nhân cũng tạo ra ít chất thải phóng xạ hơn nhiều so với các nhà máy điện hiện tại và trên hết là không thải ra khí nhà kính.
Lefebvre cho biết: “Đó là một nguồn năng lượng hoàn toàn không có carbon, tạo ra rất ít chất thải và cực kỳ an toàn”.
Tuy nhiên, bất kể thông báo hôm thứ Ba, công nghệ này vẫn còn một chặng đường dài để sản xuất năng lượng ở quy mô công nghiệp và do đó không thể dựa vào đó như một giải pháp tức thời cho cuộc khủng hoảng khí hậu.
