Phản ứng tổng hợp hạt nhân: làm thế nào các nhà khoa học có thể biến bước đột phá mới nhất thành một nguồn năng lượng sạch mới
Năng lượng laser được chuyển đổi thành tia X bên trong hộp, nén viên nang nhiên liệu cho đến khi nó phát nổ. Ảnh: LLNL
Các nhà nghiên cứu ở Hoa Kỳ cuối cùng đã hoàn thành một mục tiêu được đặt ra từ nhiều thập kỷ trước: đạt được mục tiêu "đánh lửa"—tạo ra nhiều năng lượng hơn mức bạn đưa vào—bằng cách sử dụng phản ứng tổng hợp hạt nhân.
Các nhà khoa học tại Cơ sở đánh lửa quốc gia của Phòng thí nghiệm quốc gia Lawrence Livermore (NIF), nơi diễn ra thí nghiệm, chắc chắn vừa vui mừng vừa nhẹ nhõm khi cuối cùng đã thực hiện được lời hứa có trong tên cơ sở của họ. Nhưng phần còn lại của chúng ta nên phấn khích như thế nào? Điều này thực sự có ý nghĩa gì đối với khả năng tạo ra lượng năng lượng sạch không giới hạn một cách hiệu quả và điều gì khác cần xảy ra để đạt được điều này?
Mặc dù các phản ứng nhiệt hạch giải phóng nhiều năng lượng hơn được đưa vào mục tiêu, nhưng điều này không tính đến lượng năng lượng lớn hơn nhiều cần thiết để bắn tia laze được sử dụng để điều khiển thí nghiệm. Ngoài ra, sự bùng nổ năng lượng không ở dạng điện, mà là một xung của các hạt năng lượng. Việc khai thác các hạt đó để sản xuất điện—và giữ cho lò phản ứng nhiệt hạch hoạt động liên tục—sẽ đòi hỏi phải vượt qua nhiều rào cản.
Tuy nhiên, đánh lửa là một thành tựu đáng chú ý và hứa hẹn sẽ kích thích sự quan tâm, và cũng có thể là đòn bẩy tài chính để giải quyết những thách thức tiếp theo này.
Thử nghiệm: nó hoạt động như thế nào và nó đạt được những gì
Chúng ta hãy xem các chi tiết chính xác đã đạt được. Các nhà nghiên cứu đã sử dụng một tia laser công suất cao để bắn năng lượng 2,05 triệu Joule vào một mục tiêu nhỏ chứa nhiên liệu nhiệt hạch. Quá trình này buộc các hạt nhân nguyên tử nhẹ trong nhiên liệu lại với nhau để tạo ra các hạt nhân nặng hơn—giải phóng 3,15 triệu Joule năng lượng trong quá trình này.
Điều này tương ứng với mức tăng khoảng 1,5 (2,05 x 1,5 = 3,1). Đó là một vụ nổ năng lượng mãnh liệt đến mức, trong tích tắc, nhiên liệu nhiệt hạch được đốt cháy đã tạo ra năng lượng gấp mười nghìn lần so với sản lượng tổng hợp của mọi nhà máy điện trên Trái đất.
Đây là khoa học lớn. Tòa nhà NIF bao gồm không chỉ một mà là 192 chùm tia laze riêng lẻ, chúng phản xạ qua lại trong khoảng cách hơn một km trước khi đến được mục tiêu. Tòa nhà chứa tất cả công nghệ này cao mười tầng và có kích thước bằng ba sân bóng đá (Mỹ) đặt cạnh nhau.
Nghiên cứu về phản ứng tổng hợp bao gồm hai hướng chính: phản ứng tổng hợp điều khiển bằng laze và phản ứng tổng hợp giam cầm từ tính. Giam giữ từ trường liên quan đến việc làm bay nhiên liệu nhiệt hạch ở dạng plasma (khí tích điện) sử dụng từ trường lớn.
Thay vào đó, phản ứng tổng hợp được điều khiển bằng tia laser bao gồm việc làm nổ các viên nang nhỏ chứa nhiên liệu nhiệt hạch với mật độ cực cao, tại thời điểm đó, quá trình đốt cháy sẽ diễn ra nhanh đến mức năng lượng đáng kể có thể được giải phóng trước khi nhiên liệu có cơ hội bay ra.
Trong cả hai trường hợp, nhiên liệu phải được nâng lên nhiệt độ hàng chục triệu độ C để bắt đầu đốt cháy. Chính yêu cầu này, hơn bất kỳ yêu cầu nào khác, khiến cho sự hợp nhất trở nên khó đạt được.
Phản ứng tổng hợp điều khiển bằng laser vẫn đặt ra những thách thức lớn
Phản ứng tổng hợp laser là một công nghệ xung, và một trở ngại lớn là cái gọi là tốc độ lặp lại của laser. Năng lượng được giải phóng trong các vụ nổ dữ dội kéo dài chưa đến một phần tỷ giây, phải được lặp lại vài lần mỗi giây để tạo ra công suất trung bình tương đương với các nhà máy điện chạy bằng nhiên liệu hóa thạch hiện đại.
Laser NIF theo các tiêu chuẩn này quá chậm. Nó chỉ có thể được bắn hai lần một ngày. Nhưng mục tiêu của NIF là chứng minh rằng có thể đánh lửa trên cơ sở một lần bắn, chứ không phải bắt chước các yêu cầu của một nhà máy điện thực tế.
Một lý do khác khiến việc đánh lửa mất nhiều thời gian như vậy là vì đây không phải là nhiệm vụ duy nhất của NIF—nó còn hỗ trợ chương trình vũ khí hạt nhân của Hoa Kỳ.
Vật lý của phản ứng tổng hợp điều khiển bằng laser rất phức tạp và nhiều mặt nên các mô phỏng trên máy tính về nó thường mất nhiều thời gian hơn so với các thí nghiệm thực tế. Ban đầu, những người lập mô hình thường học hỏi từ các thí nghiệm hơn là bảo những người làm thí nghiệm phải làm gì tiếp theo. Sự gần gũi ngày càng tăng giữa dự đoán mô hình và kết quả thử nghiệm đã củng cố thành công gần đây tại NIF và báo hiệu tốt cho những cải tiến trong thiết kế mục tiêu trong tương lai.
Trong vài tháng tới, các nhà lập mô hình và thử nghiệm sẽ cần phải chứng minh rằng kết quả có thể được tái tạo—đạt được một lần nữa—điều đã được chứng minh là khó khăn trong quá khứ.
Có một số thách thức khác cũng cần được giải quyết. Công việc đáng kể đã được thực hiện để thiết kế và chế tạo tia laze có thể bắn ra các xung năng lượng cao nhiều lần trong một giây.
Một hạn chế lớn khác là laser NIF yêu cầu 300 triệu Joule đầu vào điện để cung cấp hai triệu Joule đầu ra ánh sáng laser—hiệu suất dưới 1%. Vì vậy, mục tiêu sẽ phải tạo ra một mức tăng lớn không khả thi để tạo ra nhiều năng lượng hơn là cung cấp năng lượng cho tia laser được sử dụng trong trường hợp này.
Tuy nhiên, laser NIF dựa trên các công nghệ có từ những năm 1980. Nó sử dụng đèn flash và bộ khuếch đại được làm từ
tấm kính pha tạp với nguyên tố đất hiếm neodymium.
Các tia laser công suất cao hiện đại sử dụng công nghệ bán dẫn có thể hoạt động tốt hơn nhiều, đạt hiệu suất khoảng 20%. Cho rằng các mục tiêu nhiệt hạch điều khiển bằng laze dự kiến sẽ có thể tạo ra mức tăng vượt quá 100 khi hoạt động tối ưu, sử dụng laze hiện đại sẽ tạo ra sản lượng năng lượng ròng đáng kể.
Xây dựng một lò phản ứng hoạt động vẫn còn một số cách
Một thách thức khác đối với phản ứng tổng hợp điều khiển bằng laser là giảm chi phí của các mục tiêu. Nhân lực tham gia vào việc tạo ra các mục tiêu NIF có nghĩa là mỗi mục tiêu có giá tương đương một chiếc ô tô mới tinh.
Một mục tiêu mới được yêu cầu mỗi khi tia laser bắn ra. Đối với sản xuất điện thực tế, điều này có nghĩa là một cái mới vài lần một giây. Các mục tiêu được sử dụng trên NIF cũng dựa trên một kỹ thuật được gọi là "truyền động gián tiếp" trong đó mục tiêu đầu tiên chuyển đổi năng lượng laze thành tia X, sau đó làm nổ viên nang nhiên liệu nhiệt hạch bên trong mục tiêu. Điều này thêm cả sự phức tạp và chi phí.
Nhiều nhà khoa học cho rằng con đường phía trước của năng lượng nhiệt hạch điều khiển bằng laze sẽ bao gồm sự đánh lửa "truyền động trực tiếp". Ở đây, tia laser trực tiếp chiếu sáng một viên nang nhiên liệu hình cầu, đơn giản. Tuy nhiên, phương pháp đánh lửa này vẫn chưa được chứng minh.
Nhiên liệu của NIF (deuterium và tritium) giải phóng phần lớn năng lượng của nó dưới dạng neutron năng lượng cao (các hạt tạo nên hạt nhân nguyên tử cùng với proton). Các neutron tương tác với các vật liệu trong bình lò phản ứng, làm thay đổi thành phần và cấu trúc vi mô của chúng.
Điều này có thể đặt ra những thách thức nghiêm trọng đối với các thành phần quang học phải truyền hoặc phản xạ ánh sáng laze một cách hiệu quả. Một số nhà khoa học cân nhắc điều khiển vật lý tương tự bằng các phương pháp thay thế, có thể sử dụng năng lượng xung điện trực tiếp hoặc chùm ion hội tụ (nguyên tử tích điện).
Nghiên cứu nhiệt hạch giam cầm từ tính dẫn đầu trong nhiều lĩnh vực liên quan đến xây dựng lò phản ứng điện. Nó đã phải giải quyết nhiều vấn đề tương tự để thiết kế và xây dựng cơ sở ITER, cơ sở này cũng nhằm mục đích tạo ra lợi ích và sắp hoàn thành ở miền nam nước Pháp. Các nhà khoa học và kỹ sư từ hai mảng nghiên cứu hợp tác trên các khía cạnh liên quan đến việc xây dựng lò phản ứng chung cho cả hai lĩnh vực.
Năng lượng nhiệt hạch, trong nhiều thập kỷ, dường như là một giải thưởng mãi mãi nằm ngoài tầm với. Mặc dù vẫn còn những thách thức đáng kể, vì các nhà nghiên cứu hiện đang tích cực làm việc để cải tiến công nghệ laser và thiết kế lò phản ứng, nên những bước đột phá chắc chắn sẽ dẫn đến tiến bộ hơn nữa đối với các nhà máy điện dựa trên nhiệt hạch hạt nhân. Một số nhà nghiên cứu đang nghiên cứu về phản ứng tổng hợp hiện đang cảm thấy rằng họ có thể thấy phản ứng tổng hợp cung cấp năng lượng cho lưới điện trong thời gian tồn tại của chính chúng.
