Nguồn năng lượng của các ngôi sao
Nhiệt hạch (hay hợp hạch) là phản ứng hạt nhân trong đó hai hoặc nhiều hạt nhân nguyên tử kết hợp với nhau để tạo thành một hoặc nhiều hạt nhân nguyên tử mới và giải phóng các hạt nơtron với năng lượng rất cao. Khi hai hạt nhân Hydro hợp nhất để trở thành Heli, chúng tạo ra nguồn năng lượng cao hơn gấp 8 lần so với năng lượng trong các phản ứng phân hạch Uranium ở các lò phản ứng hạt nhân hiện tại (17,6 MeV so với 2 MeV). Để phản ứng nhiệt hạch có thể diễn ra cần một lực tác động rất lớn để thắng được lực đẩy tĩnh điện (lực đẩy Coulomb) giữa 2 hạt nhân Hydro cùng mang điện tích dương và đưa chúng đến gần và kết hợp với nhau.
Phản ứng nhiệt hạch cũng là nguồn cung cấp toàn bộ năng lượng cho Mặt trời và các ngôi sao. Lực hấp dẫn của các ngôi sao như Mặt trời là đủ mạnh để vượt qua lực đẩy tĩnh điện giữa các hạt nhân, khiến cho các nguyên tử chỉ tồn tại ở trạng thái plasma (hỗn hợp các nguyên tử bị ion hóa) và tạo ra phản ứng nhiệt hạch. Phản ứng này tiếp tục cung cấp các điều kiện để tạo ra phản ứng nhiệt hạch dây chuyền như nhiệt độ, mật độ và áp suất rất cao.
Hình 1. Một hạt nhân Đơteri (2H) và một hạt nhân Triti (3H) kết hợp với nhau sẽ tạo ra một hạt nhân Heli và giải phóng một nơtron với năng lượng rất lớn, đủ để tạo ra các phản ứng nhiệt hạch tiếp theo (Nguồn: llnl.gov)
Để thực hiện được phản ứng nhiệt hạch trong phòng thí nghiệm, người ta phải làm nóng các hạt nhân đến nhiệt độ cực lớn, gấp sáu đến bảy lần nhiệt độ ở trung tâm Mặt trời. Ở nhiệt độ này, các hạt nhân có thể va chạm với tốc độ đủ lớn để vượt qua lực đẩy tĩnh điện và hợp nhất với nhau. Phản ứng nhiệt hạch của Deuterium-Triti (phản ứng DT), hai đồng vị của Hydro, được đánh giá là phản ứng khả thi nhất vì nó dễ dàng vượt qua lực đẩy Coulomb và giải phóng ra năng lượng cao nhất trong số các phản ứng thực hiện được trong phòng thí nghiệm.
Bước đột phá sau nhiều thập kỷ
Với việc không phát thải khí nhà kính cũng như phóng xạ nguy hiểm, có thể thực hiện bởi nguyên tử hạt nhân Hydro nhẹ và có sẵn rất nhiều trên Trái Đất, phản ứng nhiệt hạch được coi là nguồn năng lượng sạch vô tận đang chờ được khai thác sử dụng. Trở ngại lớn nhất hiện nay là những hạn chế về mặt kỹ thuật để có thể duy trì và thu được nguồn năng lượng có ích từ phản ứng nhiệt hạch. Hiện nay, để tạo được một lượng năng lượng nhất định từ lò phản ứng nhiệt hạch, con người đang phải tiêu tốn nhiều hơn số đó để tạo ra điều kiện phù hợp để cho phản ứng xảy ra. Đồng thời cần phải xây dựng các hệ thống lò phản ứng tokamak với công nghệ cao và chi phí khổng lồ để có thể duy trì phản ứng.
Sau hơn 60 năm nghiên cứu để khai thác tiềm năng của nguồn năng lượng từ phản ứng nhiệt hạch, con người cuối cùng cũng đã có thể thu được năng lượng có ích từ phản ứng này. Vào ngày 5 tháng 12 vừa qua, các nhà khoa học tại Cơ sở đánh lửa Quốc gia (National Ignition Facility) thuộc Phòng thí nghiệm Quốc gia Lawrence Livermore (LLNL) đã tiến hành thành công thí nghiệm phản ứng nhiệt hạch có kiểm soát tạo ra nhiều năng lượng hơn so với năng lượng cung cấp để bắt đầu và duy trì phản ứng. Phản ứng này được gọi là Đánh lửa nhiệt hạch (Fusion Ignition). Cụ thể phản ứng nhiệt hạch đã tạo ra năng lượng 3.15 MJ so với 2.05 MJ được cung cấp để kích hoạt phản ứng.
Hình 2. Cơ sở Đánh lửa Quốc gia nơi thực hiện phản ứng Đánh lửa nhiệt hạch (Nguồn: National Ignition Facility)
Để tạo ra được phản ứng này, các nhà khoa học treo một viên nang kim cương chứa nhiên liệu Deuterium và Triti bên trong một buồng hình trụ rỗng làm bằng vàng được gọi là hohlraum.
Hình 3. Hohlraum được chiếu bởi chùm 192 tia laser năng lượng cao kích hoạt phản ứng nhiệt hạch bên trong. (Nguồn: National Ignition Facility)
Thông qua lỗ trống ở hai đầu, 192 tia laser năng lượng cao sẽ được chiếu vào và va chạm với thành bên trong của hohlraum tạo ra các tia X làm phá hủy bề mặt viên nang và gây ra một vụ nổ plasma. Vụ nổ này xảy ra cùng với quá trình đốt nóng alpha vừa cung cấp nhiệt độ cực cao vừa nén chặt hỗn hợp nhiên liệu DT đến mật độ cực lớn cho đến khi các nguyên tử DT hợp nhất, tạo ra phản ứng nhiệt hạch. Trong quá trình đốt nóng alpha, các hạt alpha (hạt nhân heli) được tạo ra trong điểm nóng trung tâm của viên nang mục tiêu sẽ gửi năng lượng của chúng vào nhiên liệu DT lạnh xung quanh điểm nóng, làm nóng nhiên liệu, tăng tốc độ phản ứng nhiệt hạch, tạo ra nhiều hạt alpha và năng lượng hơn.
Hình 4. Mô phòng phản ứng đánh lửa nhiệt hạch với quá trình đốt nóng alpha (Nguồn: National Ignition Facility)
Quá trình này là cơ chế cần thiết để tăng tốc độ đốt cháy nhiệt hạch DT đến ngưỡng phản ứng tự duy trì có thể tạo ra năng lượng bằng hoặc vượt quá năng lượng được cung cấp cho phản ứng được gọi là đốt cháy plasma và Đánh lửa.
Việc phát minh và xây dựng hệ thống chiếu tia laser, hohlraum, viên nang chứa nhiên liệu bằng kim cương ở kích thước siêu nhỏ có thể được coi là thành tựu khoa học trong 11 năm ròng rã nghiên cứu của Cơ sở đánh lửa Quốc gia (NIF) kể từ năm 2011 với hàng nghìn nghiên cứu, mô phỏng và thử nghiệm cho đến khi đạt được mức năng lượng yêu cầu cho phản ứng Đánh lửa.
Con đường hướng tới tương lai vẫn còn rất dài
Đây là lần đầu tiên con người có thể thu được năng lượng có ích từ phản ứng nhiệt hạch. Nguồn năng lượng có ích sinh ra vẫn còn là rất nhỏ, được tạo ra trong điều kiện phòng thí nghiệm với các điều kiện vô cùng ngặt nghèo, trang thiết bị tinh vi và đắt đỏ. Do đó để có thể đưa thành tựu này vào ứng dụng thực tế vẫn còn rất nhiều thách thức.
Thứ nhất là thách thức về các vấn đề vật lý. Để có thể thương mại hóa năng lượng nhiệt hạch cần tạo ra nguồn năng lượng có ích lớn hơn cả lượng năng lượng cần cho hoạt động của các thiết bị và cả cơ sở thí nghiệm hoặc nhà máy. Người ta đưa ra khái niệm độ lợi nhiệt hạch (ký hiệu là Q) để tính toán tỷ lệ này. Khi năng lượng thu được nhiều hơn năng lượng cung cấp cho phản ứng Q sẽ lớn hơn 1. Ví dụ như ở lò phản ứng nhiệt hạch Joint European Torus (JET) ở Anh, để tạo ra 16MW năng lượng đầu ra, cần tiêu tốn 24MW năng lượng để cung cấp cho phản ứng. Tỷ số Q của JET đạt 0,67. Dự án Lò phản ứng thí nghiệm nhiệt hạch quốc tế ITER đang xây dựng tại Pháp là nỗ lực hợp tác quốc tế của nhiều quốc gia trên thế giới nhằm hướng tới mục tiêu xây dựng lò phản ứng nhiệt hạch có thể tạo ra Q lớn hơn 1.
Hình 5. Đồ thị về độ lợi nhiệt hạch Q với các lò phản ứng được đề xuất. Trục tung là áp suất nhân với thời gian và trục hoành là nhiệt độ tính bằng đơn vị kev (1 kev = 10.000.000 độ K).(Nguồn: Fusion 2030: Roadmap for Canada)
Thứ hai là các thách thức về mặt kỹ thuật, đó chính là khả năng chuyển đổi năng lượng nhiệt hạch sang năng lượng điện. Để có thể tạo ra các lò phản ứng nhiệt hạch phát điện cần tạo ra năng lượng gấp 50 đến 100 lần năng lượng mà các tia laser phát ra phục vụ cho điện tự dùng và đưa điện lên lưới điện trong thời gian dài. Ngoài ra, các hohlraum làm bằng vàng và viên nang kim cương chứa nhiên liệu là những vật liệu cực kỳ đắt đỏ để có thể sản xuất phục vụ thương mại hóa. Vấn đề chất thải và mảnh vỡ sau các phản ứng cũng cần được giải quyết và cần xây dựng chuỗi cung ứng nguồn nhiên liệu Deuterium và Tritium để duy trì phản ứng liên tục. Việc đầu tư cho phát triển công nghệ nhiệt hạch cũng có nguy cơ làm chậm lại các bước phát triển của năng lượng tái tạo trong bối cảnh mốc phát thải năng lượng ròng bằng không (net-zero) cần thiết để chống lại biến đổi khí hậu trên toàn cầu vào năm 2050 đang đến rất gần.
Thành tựu mang tính bước ngoặt này là thành quả của 60 năm kiên trì nghiên cứu năng lượng nhiệt hạch. Mặc dù còn rất nhiều việc phải làm ở phía trước để khai thác hết tiềm năng của năng lượng nhiệt hạch, việc nghiên cứu các điều kiện của quá trình đánh lửa sẽ đặt chúng ta trước ngưỡng cửa của một tương lai không còn phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch mà thay vào đó được cung cấp bởi năng lượng nhiệt hạch giúp giải quyết các vấn đề cấp bách và phức tạp nhất của nhân loại như cung cấp năng lượng sạch chống biến đổi khí hậu. Đồng thời phát kiến này cũng cho thấy năng lượng nhiệt hạch xứng đáng được đầu tư nghiên cứu và con người hoàn toàn có khả năng để nghiên cứu và làm chủ công nghệ này trong tương lai.
Thực hiện: Phạm Đức Trung
Tài liệu tham khảo:
1. National Ignition Facility achieves fusion ignition – https://www.llnl.gov/news/national-ignition-facility-achieves-fusion-ignition
2. Building to a Solution: The Elements of a Fusion Breakthrough – https://lasers.llnl.gov/news/building-to-a-solution-elements-of-a-fusion-breakthrough
3. Làm ra điện từ “mặt trời nhân tạo” – giấc mơ vĩ đại sẽ thành hình? – http://pecc2.com/vn/lam-ra-dien-tu-mat-troi-nhan-tao-giac-mo-vi-dai-se-thanh-hinh-ky-1-.html
4. Clean Energy or Weapons? What the ‘Breakthrough’ in Nuclear Fusion Really Means – https://science.thewire.in/the-sciences/clean-energy-weapons-breakthrough-nuclear-fusion-explained/
5. Building to a Solution: The Elements of a Fusion Breakthrough – https://lasers.llnl.gov/news/building-to-a-solution-elements-of-a-fusion-breakthrough
6. ‘Hybrid’ Experiments Drive NIF Toward Ignition – https://lasers.llnl.gov/news/hybrid-experiments-drive-nif-toward-ignition
7. High-Quality Diamond Capsule Enhanced NIF’s Record-Energy Shot – https://lasers.llnl.gov/news/high-quality-diamond-capsule-enhanced-nifs-record-energy-shot
8. Scientists achieve a breakthrough in nuclear fusion. Here’s what it means – https://www.nationalgeographic.com/science/article/scientists-achieve-breakthrough-nuclear-fusion