Tại sao đánh lửa nhiệt hạch được ca ngợi là một bước đột phá lớn trong nhiệt hạch – một nhà vật lý hạt nhân giải thích
Các nhà khoa học Mỹ đã công bố cái mà họ gọi là bước đột phá lớn trong mục tiêu tạo ra năng lượng từ phản ứng tổng hợp hạt nhân.
Bộ Năng lượng Hoa Kỳ cho biết vào ngày 13 tháng 12 năm 2022, rằng lần đầu tiên – và sau nhiều thập kỷ cố gắng – các nhà khoa học đã thu được nhiều năng lượng hơn từ quá trình này so với mức họ phải đưa vào.
Nhưng sự phát triển có ý nghĩa như thế nào? Và giấc mơ hợp hạch cung cấp năng lượng sạch, dồi dào còn bao xa nữa? Carolyn Kuranz, phó giáo sư kỹ thuật hạt nhân tại Đại học Michigan, người đã từng làm việc tại cơ sở vừa phá kỷ lục nhiệt hạch, giúp giải thích kết quả mới này.
Fusion là quá trình tương tự cung cấp năng lượng cho Mặt trời. NASA/Wikimedia Commons
Điều gì đã xảy ra trong buồng nhiệt hạch?
Phản ứng tổng hợp là một phản ứng hạt nhân kết hợp hai nguyên tử để tạo ra một hoặc nhiều nguyên tử mới với tổng khối lượng nhỏ hơn một chút. Sự khác biệt về khối lượng được giải phóng dưới dạng năng lượng, như được mô tả trong phương trình nổi tiếng của Einstein, E = mc2 , trong đó năng lượng bằng khối lượng nhân với bình phương tốc độ ánh sáng. Vì tốc độ ánh sáng là rất lớn, nên việc chuyển đổi chỉ một lượng nhỏ khối lượng thành năng lượng – giống như những gì xảy ra trong phản ứng tổng hợp – sẽ tạo ra một lượng năng lượng khổng lồ tương tự.
Các nhà nghiên cứu tại Cơ sở Đánh lửa Quốc gia của Chính phủ Hoa Kỳ ở California lần đầu tiên đã chứng minh được cái được gọi là "sự đánh lửa nhiệt hạch". Đánh lửa là khi một phản ứng nhiệt hạch tạo ra nhiều năng lượng hơn năng lượng được đưa vào phản ứng từ một nguồn bên ngoài và trở nên tự duy trì.
Nhiên liệu được chứa trong một hộp nhỏ được thiết kế để giữ cho phản ứng không có chất gây ô nhiễm nhất có thể. Bộ Năng lượng Hoa Kỳ/Phòng thí nghiệm Quốc gia Lawrence Livermore
Kỹ thuật được sử dụng tại Cơ sở Đánh lửa Quốc gia liên quan đến việc bắn 192 tia laze vào viên nhiên liệu 0,04 inch (1 mm) làm từ deuterium và tritium – hai phiên bản của nguyên tố hydro có thêm neutron – được đặt trong hộp bằng vàng. Khi các tia laze chiếu vào hộp, chúng tạo ra các tia X làm nóng và nén viên nhiên liệu đến mật độ chì gấp khoảng 20 lần và đạt nhiệt độ hơn 5 triệu độ F (3 triệu độ C) – nóng hơn khoảng 100 lần so với bề mặt của hộp. Mặt trời. Nếu bạn có thể duy trì những điều kiện này trong một thời gian đủ dài, nhiên liệu sẽ kết hợp và giải phóng năng lượng.
Nhiên liệu và ống đựng bị bốc hơi trong vòng vài phần tỷ giây trong quá trình thử nghiệm. Sau đó, các nhà nghiên cứu hy vọng thiết bị của họ vẫn tồn tại dưới sức nóng và đo chính xác năng lượng giải phóng bởi phản ứng nhiệt hạch.
Vậy họ đã đạt được những gì?
Để đánh giá mức độ thành công của một thí nghiệm nhiệt hạch, các nhà vật lý xem xét tỷ lệ giữa năng lượng giải phóng từ quá trình nhiệt hạch và lượng năng lượng bên trong các tia laser. Tỷ lệ này được gọi là mức tăng.
Bất cứ giá trị nào lớn hơn mức tăng 1 có nghĩa là quá trình nhiệt hạch giải phóng nhiều năng lượng hơn so với các tia laze được cung cấp.
Vào ngày 5 tháng 12 năm 2022, Cơ quan Đánh lửa Quốc gia đã bắn một viên nhiên liệu có năng lượng laze 2 triệu joules – tương đương với lượng điện năng cần thiết để chạy một máy sấy tóc trong 15 phút – tất cả được chứa trong vòng vài phần tỷ giây. Điều này đã kích hoạt phản ứng nhiệt hạch giải phóng 3 triệu joules. Đó là mức tăng khoảng 1,5, phá vỡ kỷ lục trước đó về mức tăng 0,7 mà cơ sở đạt được vào tháng 8 năm 2021.
Làm thế nào một vấn đề lớn là kết quả này?
Năng lượng nhiệt hạch là “chén thánh” của sản xuất năng lượng trong gần nửa thế kỷ. Mặc dù mức tăng 1,5, tôi tin rằng, là một bước đột phá khoa học thực sự mang tính lịch sử, nhưng vẫn còn một chặng đường dài phía trước trước khi nhiệt hạch là một nguồn năng lượng khả thi.
Mặc dù năng lượng laze 2 triệu joules thấp hơn năng suất nhiệt hạch 3 triệu joules, nhưng cơ sở này phải mất gần 300 triệu joules để sản xuất laze dùng trong thí nghiệm này. Kết quả này đã chỉ ra rằng có thể đánh lửa nhiệt hạch, nhưng sẽ mất rất nhiều công sức để cải thiện hiệu quả đến mức mà phản ứng nhiệt hạch có thể mang lại năng lượng hoàn toàn tích cực khi xem xét toàn bộ hệ thống từ đầu đến cuối, không chỉ một tương tác đơn lẻ giữa laser và nhiên liệu.
Máy móc được sử dụng để tạo ra các tia laze mạnh, chẳng hạn như các bộ tiền khuếch đại này, hiện cần nhiều năng lượng hơn so với năng lượng do chính các tia laze tạo ra. Phòng thí nghiệm quốc gia Lawrence Livermore, CC BY-SA
Những gì cần phải được cải thiện?
Có một số mảnh ghép của câu đố nhiệt hạch mà các nhà khoa học đã liên tục cải thiện trong nhiều thập kỷ để tạo ra kết quả này và công việc tiếp theo có thể làm cho quá trình này hiệu quả hơn.
Đầu tiên, tia laze chỉ được phát minh vào năm 1960. Khi chính phủ Hoa Kỳ hoàn thành việc xây dựng Cơ sở đánh lửa quốc gia vào năm 2009, đây là cơ sở laze mạnh nhất trên thế giới, có thể cung cấp năng lượng 1 triệu joules tới mục tiêu. 2 triệu joules mà nó tạo ra ngày nay mạnh hơn 50 lần so với tia laze mạnh nhất tiếp theo trên Trái đất. Các tia laser mạnh hơn và các cách ít tốn năng lượng hơn để tạo ra những tia laser mạnh mẽ đó có thể cải thiện đáng kể tổng thể hiệu quả của hệ thống.
Điều kiện nhiệt hạch rất khó duy trì và bất kỳ khiếm khuyết nhỏ nào trong viên nang hoặc nhiên liệu đều có thể làm tăng yêu cầu năng lượng và giảm hiệu quả. Các nhà khoa học đã đạt được nhiều tiến bộ trong việc truyền năng lượng hiệu quả hơn từ tia laze sang hộp đựng và bức xạ tia X từ hộp đựng sang viên nang nhiên liệu, nhưng hiện tại chỉ có khoảng 10% đến 30% tổng năng lượng laze được truyền đến ống đựng và nhiên liệu.
Cuối cùng, trong khi một phần của nhiên liệu, đơteri, có nhiều tự nhiên trong nước biển, thì triti lại hiếm hơn nhiều. Bản thân nhiệt hạch thực sự tạo ra triti, vì vậy các nhà nghiên cứu đang hy vọng phát triển các cách thu hoạch trực tiếp triti này. Trong thời gian chờ đợi, có các phương pháp khác để sản xuất nhiên liệu cần thiết.
Những rào cản này và các rào cản khoa học, công nghệ và kỹ thuật khác sẽ cần phải được khắc phục trước khi phản ứng tổng hợp sẽ sản xuất điện cho ngôi nhà của bạn. Công việc cũng sẽ cần phải được thực hiện để giảm chi phí của một nhà máy điện nhiệt hạch từ 3,5 tỷ đô la Mỹ của Cơ sở đánh lửa quốc gia. Các bước này sẽ yêu cầu đầu tư đáng kể từ cả chính phủ liên bang và ngành công nghiệp tư nhân.
Điều đáng chú ý là có một cuộc chạy đua toàn cầu về phản ứng tổng hợp, với nhiều phòng thí nghiệm khác trên khắp thế giới đang theo đuổi các kỹ thuật khác nhau. Nhưng với kết quả mới từ Cơ sở Đánh lửa Quốc gia, lần đầu tiên thế giới đã thấy bằng chứng cho thấy giấc mơ về sự hợp nhất là có thể đạt được.