Tương lai nguồn năng lượng tổng hợp hạt nhân
Một Viện khoa học Mỹ đang trên đà đạt được một mục tiêu lâu dài trong nghiên cứu tổng hợp hạt nhân. Hệ thống Kích hoạt Quốc gia Mỹ (NIF) sử dụng tia laser cực mạnh để đốt nóng và nén nhiên liệu hydro, bắt đầu phản ứng tổng hợp.
Mục tiêu của NIF là trong vài năm tới khai thác nhiệt hạch để cung cấp một nguồn năng lượng sạch, vô hạn. Đây là dự án kết hợp giữa Phòng thí nghiệm Rutherford Appleton (Anh) và NIF – sử dụng các hạt nhân của Deuterium, Tritium và bắn tia laser để hợp nhất các hạt này còn bằng vài phần trăm kích cỡ ban đầu của chúng. Quá trình này khiến các nguyên tử hydro hợp nhất, biến thành helium - phản ứng tương tự như ở bom H (bom khinh khí).
Phản ứng này được kiểm soát và có thể tạo ra các dòng neutron chuyển động nhanh - có thể được dùng để đun nóng nước và quay tua-bin hơi nước, tạo ra năng lượng. Để đạt đến mục tiêu này, nguồn năng lượng tạo ra phải tăng khoảng 1.000 lần, vì thế thách thức mà công nghệ phải đối mặt thật không nhỏ.
Trong một quá trình được gọi là phản ứng tổng hợp quán tính, 192 chùm tia từ laser của NIF hướng tới một viên nang cỡ hạt tiêu chứa deuterium và triti, là những dạng khác nhau của nguyên tố hydro để nén nhiên liệu có mật độ gấp 100 lần chì và làm nó nóng lên 100 triệu độ C - nóng hơn cả tâm của Mặt trời. Những điều kiện này giúp khởi động phản ứng tổng hợp nhiệt hạch.
Một thí nghiệm được thực hiện vào ngày 8-8-2021 đã sinh ra 1,35 megajoules (MJ) năng lượng - khoảng 70% năng lượng laser được cung cấp cho viên nang nhiên liệu. Debbie Callahan, nhà vật lý Phòng thí nghiệm Quốc gia Lawrence Livermore, trình bày: “Đây là một tiến bộ to lớn cho phản ứng tổng hợp và cho toàn bộ cộng đồng nhiệt hạch”. Như một thước đo cho sự tiến bộ, năng suất từ thí nghiệm hiện nay cao gấp 8 lần kỷ lục trước đó của NIF - được xác lập vào mùa xuân năm 2021 - và gấp 25 lần năng suất từ các thí nghiệm được thực hiện vào năm 2018.
Bước tiếp theo, Tiến sĩ Callahan cho biết các thí nghiệm sẽ được lặp lại: “Đó là điều cơ bản đối với khoa học thực nghiệm. Chúng ta cần hiểu mức độ có thể tái tạo và kết quả nhạy cảm như thế nào đối với những thay đổi nhỏ. Sau đó, chúng tôi có những ý tưởng về cách cải thiện thiết kế và sẽ bắt đầu thực hiện những ý tưởng đó vào năm 2022. Năng lượng khổng lồ giải phóng trong thí nghiệm thực sự ấn tượng về mặt nhiệt hạch, nhưng trên thực tế, điều này tương đương với năng lượng cần để đun sôi một ấm đun nước.
Năng lượng nhiệt hạch cao hơn nhiều có thể đạt được nếu chúng ta có thể tìm ra cách giữ nhiên liệu lại với nhau lâu hơn, để cho phép đốt cháy nhiều hơn. Đây sẽ là chân trời tiếp theo cho phản ứng tổng hợp quán tính”. Chức năng khác của NIF là giúp đảm bảo an toàn và độ tin cậy cho kho dự trữ vũ khí hạt nhân của Mỹ. Năm 2013, trong các thí nghiệm tại NIF, lượng năng lượng giải phóng thông qua phản ứng nhiệt hạch đã vượt quá lượng năng lượng mà nhiên liệu hấp thụ- một bước đột phá và là bước đầu tiên đối với bất kỳ cơ sở nhiệt hạch nào trên thế giới.
NIF là một trong số các dự án trên khắp thế giới hướng tới nỗ lực thúc đẩy nghiên cứu nhiệt hạch. Chúng bao gồm cơ sở Iter trị giá hàng tỷ euro hiện đang được xây dựng ở Cadarache, Pháp. Iter thực hiện một cách tiếp cận khác đối với phản ứng tổng hợp điều khiển bằng laser tại NIF; cơ sở ở miền Nam nước Pháp sẽ sử dụng từ trường để chứa plasma nóng - khí mang điện. Khái niệm này được gọi là phản ứng tổng hợp từ tính (MCF).
Phương hướng tổng hợp hạt nhân hiện nay đang phát triển mạnh mẽ, mở ra nhiều hy vọng về một phương pháp tạo năng lượng vô cùng tận (cung cấp năng lượng cho nhân loại nhiều triệu năm), không gây khí nhà kính, giải quyết vấn đề biến đổi khí hậu. Nhiều vấn đề công nghệ phức tạp cần phải tiếp tục hoàn thành để biến tổng hợp hạt nhân thành công nghiệp thị trường. Với quy mô và tốc độ phát triển hiện nay, khoảng năm 2030-2035, con người có thể chế ngự một năng lượng độc đáo - năng lượng tổng hợp hạt nhân.
Nhưng việc xây dựng các cơ sở nhiệt hạch khả thi về mặt thương mại có thể cung cấp năng lượng cho lưới điện sẽ đòi hỏi một bước nhảy vọt khổng lồ khác. Giáo sư Chittenden kết luận: “Biến khái niệm này thành một nguồn năng lượng điện tái tạo có thể là một quá trình lâu dài và sẽ liên quan đến việc vượt qua những thách thức kỹ thuật đáng kể, chẳng hạn như có thể tái tạo lại thí nghiệm này nhiều lần trong một giây để tạo ra một nguồn điện ổn định”.