Cơ sở National Ignition Facility (NIF) thuộc Phòng thí nghiệm quốc gia Lawrence Livermore - Ảnh: Phòng thí nghiệm quốc gia Lawrence Livermore
Các nhà khoa học tại cơ sở National Ignition Facility (NIF) của Mỹ vừa công bố đạt được bước tiến đáng kể, đặt nền móng cho các nghiên cứu và phát triển công nghệ nhiệt hạch, mở ra hy vọng về nguồn năng lượng thay thế sạch, an toàn và dồi dào trong tương lai.
Thành tựu do NIF - cơ sở nghiên cứu về quá trình kích hoạt các phản ứng nhiệt hạch thuộc Phòng thí nghiệm quốc gia Lawrence Livermore (Mỹ) - công bố ngày 13-12 gây chấn động không chỉ với ngành vật lý hạt nhân, mà còn thu hút sự quan tâm lớn từ các chính trị gia và dư luận thế giới.
Không cần đến những vì sao
Phản ứng nhiệt hạch tại NIF là phản ứng tổng hợp deuterium 2H và tritium 3H, hai đồng vị nặng của hydrogen. Phần lớn các nguyên tử hydrogen trong tự nhiên là đồng vị protium mang duy nhất một proton trong hạt nhân, trong khi deuterium có thêm một neutron, còn tritium có thêm hai neutron.
Trong phản ứng nhiệt hạch, hai hạt nhân deuterium và tritium kết hợp tạo ra một hạt nhân helium với hai proton và hai neutron, đồng thời giải phóng một neutron mang năng lượng cao, do hạt nhân helium mang năng lượng liên kết hạt nhân thấp hơn của deuterium và tritium cộng lại.
Các phản ứng nhiệt hạch xảy ra trong tự nhiên là từ sự hình thành của các ngôi sao, dưới sức nén khổng lồ của lực hấp dẫn, khiến các lớp khí bị đốt nóng lên đến hàng chục hoặc hàng trăm triệu độ, và áp suất cực kỳ cao.
Phản ứng nhiệt hạch sinh ra một nguồn năng lượng dồi dào, do đó mang tiềm năng là nguồn cung năng lượng thay thế có thể tái tạo, phục vụ đời sống mà lại không phát thải CO2 và các chất phóng xạ gây ô nhiễm môi trường.
Điểm kích hoạt - bước nhảy vọt của NIF
Đột phá trong nghiên cứu của NIF là khả năng chạm mốc điểm kích hoạt trong phản ứng nhiệt hạch - điều kiện cho một phản ứng tổng hợp hạt nhân có thể tự duy trì mà không cần cung cấp thêm năng lượng.
Điểm kích hoạt này đạt được khi quá trình nhiên liệu được đốt từ năng lượng sinh ra trong phản ứng nhiệt hạch xảy ra nhanh hơn quá trình làm nguội từ các cơ chế khác. Do đó, ở điểm kích hoạt, phản ứng nhiệt hạch có thể tự động tiếp tục mà không cần phải tiếp thêm năng lượng để đốt nóng nhiên liệu và năng lượng sinh ra lớn hơn mức năng lượng tiêu thụ.
NIF sử dụng tổ hợp 192 tia laser năng lượng 2,05 triệu Joule chiếu vào mục tiêu từ mọi hướng. Phần bên ngoài của mục tiêu gọi là hohlraum, một thiết bị hình trụ rỗng có kích cỡ khoảng hai đốt tay, dùng để tập trung và kiểm soát bức xạ, ở chính giữa là một quả cầu với kích thước nhỏ hơn hạt tiêu chứa nhiên liệu nhiệt hạch đông lạnh gồm deuterium và tritium (DT).
Các chùm tia cực tím bắn vào hohlraum nhưng không trực tiếp bắn vào các viên nhiên liệu, đốt nóng bức tường bên trong hohlraum đến 3 triệu độ C, khiến nó phát ra các xung tia X.
Các tia X mang năng lượng cao khiến viên nhiên liệu nhiệt hạch DT (được nén chặt với mật độ gấp 100 lần nguyên tố chì) phát nổ, đẩy nhiên liệu vào trong tâm của nó.
Phản ứng tổng hợp helium từ deuterium và tritium xảy ra ở nhiệt độ cả trăm triệu độ - nhiệt độ chỉ tồn tại ở lõi các ngôi sao đỏ khổng lồ, và nó giải phóng ra một nguồn năng lượng lớn để kích hoạt các phản ứng tổng hợp tiếp tục xảy ra.
Phân tích dữ liệu từ Phòng thí nghiệm quốc gia Lawrence Livermore cho thấy năng lượng sinh ra đạt 3,15 triệu Joule, cao hơn 50% so với mức năng lượng cung cấp từ các chùm laser.
Các nghiên cứu về phản ứng nhiệt hạch đã được tiến hành từ hơn bảy thập niên, tuy nhiên đây là cột mốc mang tính lịch sử, do lần đầu tiên các nhà khoa học thu được nhiều năng lượng sinh ra hơn mức tiêu thụ, hay nói cách khác, đạt được điểm kích hoạt trong phản ứng nhiệt hạch.
Kỳ vọng về giải pháp năng lượng
Năng lượng sinh ra từ phản ứng nhiệt hạch tại NIF vào thời điểm hiện tại mới chỉ mang hiệu quả rất nhỏ, vì tuy năng lượng sinh ra lớn hơn năng lượng tiêu thụ từ chùm tia laser, nhưng nguồn năng lượng cung cấp để vận hành hệ thống laser không hề nhỏ và không được tính trong những phân tích này.
Tuy nhiên những kết quả này là một bước tiến lớn, đặt nền móng để phát triển những công nghệ tối tân và thực sự hiệu quả cho tương lai. Việc đạt được điểm kích hoạt mang lại hy vọng lớn về một giải pháp khả thi cho vấn đề khủng hoảng năng lượng toàn cầu, cũng như nhu cầu cấp thiết về nguồn năng lượng sạch, góp phần chống biến đổi khí hậu.
Ngoài ra, những đột phá từ các nghiên cứu và phát triển công nghệ hạt nhân nói chung và từ phản ứng nhiệt hạch của NIF nói riêng tạo ra tiềm năng lớn về một ngành công nghiệp mới cho tương lai.
Các dự án phát triển năng lượng sạch từ hạt nhân hiện được nhiều chính phủ quan tâm và tài trợ. Nhiều doanh nghiệp cũng như các start-up công nghệ đã và đang tính đến những dự án phát triển các lò nhiệt hạch thương mại.
Công ty con của Boeing cung cấp năng lượng cho sứ mệnh khảo sát bề mặt Trái Đất Ngày 13/12, Tập đoàn Boeing thông báo vệ tinh khảo sát SWOT chuẩn bị bắt đầu quá trình khảo sát bề mặt Trái Đất.
Xem thêm: mth.72870203241212202-ym-o-gnoul-gnan-uuc-neihgn-gnort-ahp-tod/nv.ertiout