Sản xuất điện từ phản ứng nhiệt hạch

Nhóm nghiên cứu ở Cơ sở đánh lửa quốc gia tại Phòng thí nghiệm quốc gia Lawrence Livermore ở California (LLNL) lần đầu tiên tạo ra phản ứng nhiệt hạch giải phóng nhiều năng lượng hơn mức tiêu hao trong quá trình mang tên “đánh lửa” vào tháng 12-2022. Vừa qua, họ đã lặp lại thành công quá trình đánh lửa ít nhất 3 lần. Điều này đánh dấu bước tiến quan trọng, có thể trở thành giải pháp cho khủng hoảng khí hậu toàn cầu với nguyên nhân chủ yếu từ việc đốt nhiên liệu hóa thạch.

Phản ứng tổng hợp hạt nhân (phản ứng nhiệt hạch) là quá trình tập hợp các hạt nhân nhẹ để tạo thành hạt nhân nặng hơn. Các nguyên tố dễ kết hợp nhất là hai dạng hydro, deuterium và tritium, tạo ra hạt nhân helium và neutron.

Nó không giống như phản ứng phân hạch nhằm mục đích phá vỡ một hạt nhân nặng thành hạt nhân nhẹ hơn. Tuy nhiên, hai dạng phân hạch và nhiệt hạch có điểm chung là chúng giải phóng năng lượng khổng lồ, lớn hơn gần một triệu lần so với năng lượng giải phóng trong quá trình đốt cháy từ động cơ sử dụng nhiên liệu hóa thạch.

Trong các lò phản ứng hạt nhân của nhà máy điện hiện nay sử dụng quá trình phân hạch, ngoài việc nó tạo ra nhiều nguyên tố phóng xạ, một trong những vấn đề khác là việc kiểm soát phản ứng.

Để phá vỡ một hạt nhân, nó phải bị bắn phá bằng neutron: neutron đầu tiên chạm vào hạt nhân, sự phân hạch của hạt nhân này tạo ra một neutron khác. Do đó, chúng ta thu được phản ứng dây chuyền vốn là nguyên lý của bom nguyên tử.

Trong lò phản ứng hạt nhân, chuỗi dây chuyền này được kiểm soát nhưng cần phải được làm mát liên tục. Nếu thiếu hụt, chúng có thể dẫn đến những thảm họa hạt nhân hạt nhân như đã xảy ra tại Nhà máy Điện hạt nhân Chernobyl (Liên Xô) hay Fukushima (Nhật Bản).

Chính vì thế, phản ứng phân hạch luôn tiềm ẩn nhiều nguy cơ rủi ro, rò rỉ các chất phóng xạ, có thể biến một khu vực rộng lớn thành vùng đất chết.

Câu hỏi được các nhà khoa học đặt ra là chúng ta tiến gần đến việc sản xuất năng lượng từ phản ứng tổng hợp có thể cung cấp năng lượng cho thế giới đến mức nào?

Trong nhiều thập niên, các nhà khoa học tìm cách khai thác năng lượng nhiệt hạch, tái tạo sức mạnh của mặt trời trên trái đất. Sau khi đạt được năng lượng thuần vào năm 2022, bước thiết yếu tiếp theo là chứng minh quá trình có thể lặp lại. Brian Appelbe - nghiên cứu sinh ở Trung tâm Nghiên cứu phản ứng nhiệt hạch tại Đại học Hoàng gia London - cho biết, khả năng lặp lại chứng minh tính chắc chắn của quá trình, cho thấy nó có thể xảy ra ngay cả khi các điều kiện như laser và viên nhiên liệu thay đổi.

Khác với phản ứng phân hạch sử dụng ở các nhà máy hạt nhân trên thế giới ngày nay, phản ứng nhiệt hạch không tạo ra chất thải phóng xạ. Phản ứng nhiệt hạch bao gồm 2 nguyên tử va chạm để hình thành nguyên tử đặc hơn và giải phóng năng lượng khổng lồ trong quá trình.

Có nhiều cách khác nhau để tạo ra năng lượng từ phản ứng nhiệt hạch, nhưng tại LLNL, các nhà khoa học bắn một chùm gần 200 tia laser vào viên nhiên liệu hydro bên trong khoang kim cương lớn cỡ hạt tiêu, đặt trong khối trụ bằng vàng. Tia laser làm nóng mặt ngoài khối trụ, tạo ra hàng loạt vụ nổ cực nhanh, sản sinh lượng lớn năng lượng được thu thập dưới dạng nhiệt.

Năng lượng sản xuất vào tháng 12-2022 khá nhỏ, cần khoảng 2 megajoule (MJ) để thực hiện phản ứng. Phản ứng giải phóng tổng cộng 3,15 MJ, đủ để đun sôi 10 ấm nước. Nhưng như vậy là đủ chứng minh phản ứng nhiệt hạch laser có thể tạo ra năng lượng.

Từ sau đó, các nhà khoa học đã lặp lại phản ứng thêm vài lần. Vào ngày 30-7-2023, laser ở LLNL cung cấp hơn 2 MJ năng lượng cho mục tiêu và thu lại 3,88 MJ, mức cao nhất từ trước tới nay. Hai thí nghiệm sau đó hồi tháng 10-2023 cũng cho năng lượng thuần.

Giới nghiên cứu vẫn còn chặng đường dài cần vượt qua trước khi phản ứng nhiệt hạch đạt tới quy mô cần thiết để cung cấp cho lưới điện và hệ thống sưởi. Trọng tâm hiện nay là tích lũy kinh nghiệm và tìm cách mở rộng dự án nhiệt hạch, đồng thời giảm đáng kể chi phí.

Thành công từ sự “đánh lửa” chỉ là một bằng chứng về nguyên lý và bước đi đầu tiên trong một hành trình rất dài để đưa phản ứng tổng hợp hạt nhân vào trong cuộc sống. Những tia laser này hiện chưa đạt kích thước cần thiết cho phản ứng tổng hợp, nhưng nghiên cứu đã chứng minh rằng, trong tương lai các tia laser có thể đạt được yêu cầu này.

Trong tương lai, sự đóng góp không ngừng của các nhà khoa học sẽ giúp việc đưa phản ứng tổng hợp hạt nhân vào sản xuất điện sớm thành hiện thực. Nó được đánh giá là an toàn, hứa hẹn gây ra cuộc đột phá về năng lượng cho thế giới, đặc biệt trong thời điểm trái đất đang bị ảnh hưởng nặng nề bởi biến đổi khí hậu.

Trước khi hiệu suất nhiệt hạch có thể được cải thiện đầy đủ, vẫn còn rất nhiều việc phải làm. Các nhà khoa học tới đây sẽ tăng dần công suất trong các lần thử nghiệm phản ứng nhiệt hạch. Song các nhà khoa học hy vọng, những nghiên cứu liên quan đang được thực hiện và thử nghiệm có thể khơi dậy niềm đam mê mới để đưa ra nguồn năng lượng gần như vô tận và an toàn đến cuộc sống nhân loại.

Trong tương lai, sự đóng góp không ngừng của các nhà khoa học sẽ giúp việc đưa phản ứng tổng hợp hạt nhân vào sản xuất điện sớm thành hiện thực.