Một công nghệ mà các nhà nghiên cứu đã nghiên cứu trong nhiều thập kỷ đang đạt được những tiến bộ mới, sản xuất điện từ phản ứng nhiệt hạch hứa hẹn mang lại nguồn năng lượng vô tận cho nhân loại.
Cuối năm ngoái, các nhà nghiên cứu nhiệt hạch tại Cơ sở Đánh lửa Quốc gia, Phòng thí nghiệm Quốc gia Lawrence Livermore ở California (LLNL) đã đạt được điều mà các nhà vật lý đã nỗ lực hướng tới trong nhiều thập kỷ.
Một quá trình gọi là “đánh lửa” liên quan đến việc thu được nhiều năng lượng hơn từ các phản ứng nhiệt hạch.
Các lò phản ứng thử nghiệm nhiệt hạch đang được nhiều nước như Mỹ, Pháp hay Nhật Bản xây dựng.
Năm nay, họ đã lặp lại thành công quá trình đánh lửa ít nhất ba lần, theo báo cáo từ LLNL. Điều này đánh dấu một bước tiến quan trọng có thể trở thành giải pháp cho cuộc khủng hoảng năng lượng và khí hậu toàn cầu, xuất phát từ việc con người đốt nhiên liệu hóa thạch.
Mang sức mạnh của các ngôi sao đến Trái đất
Phản ứng tổng hợp hạt nhân (phản ứng nhiệt hạch) là một quá trình xảy ra ở trung tâm các ngôi sao. Nó không giống như phản ứng phân hạch nhằm mục đích phá vỡ một hạt nhân nặng thành một hạt nhân nhẹ hơn.
Sự nhiệt hạch thì ngược lại, nó tập hợp những hạt nhân nhẹ lại với nhau thành những hạt nhân nặng hơn. Các nguyên tố kết hợp dễ dàng nhất là hai dạng hydro, deuterium và tritium, tạo ra hạt nhân helium và neutron.
Hai dạng phân hạch và nhiệt hạch có điểm chung là chúng giải phóng năng lượng cực lớn, 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.
Một lò phản ứng nhiệt hạch thử nghiệm của Nhật Bản.
Trong các lò phản ứng hạt nhân của nhà máy điện hiện nay sử dụng quá trình phân hạch, ngoài việc tạo ra nhiều nguyên tố phóng xạ, một trong những vấn đề còn lại 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. Như vậy, chúng ta thu được phản ứng dây chuyền là nguyên lý của bom nguyên tử.
Trong lò phản ứng hạt nhân, dây chuyền này được điều khiển nhưng phải được làm lạnh liên tục. Nếu thiếu hụt, chúng có thể dẫn đến thảm họa hạt nhân như đã xảy ra tại nhà máy điện hạt nhân Chernobyl (Liên Xô) hay Fukushima (Nhật Bản).
Vì vậy, phản ứng phân hạch luôn tiềm ẩn nhiều nguy cơ, rò rỉ chất phóng xạ, có thể biến một khu vực rộng lớn thành vùng chết.
Câu hỏi mà các nhà khoa học đang 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?
Thành công từ việc “đánh lửa” chỉ là bằng chứng về nguyên lý và là bước đi đầu tiên trong một hành trình rất dài để đưa phản ứng tổng hợp hạt nhân vào cuộc sống.
Nhưng các nhà khoa học hy vọng rằng nghiên cứu liên quan đang được thực hiện và thử nghiệm, có thể khơi dậy niềm đam mê mới mang lại nguồn năng lượng gần như vô tận và an toàn cho cuộc sống của chúng ta.
Cột mốc đột phá lịch sử
Các nhà nghiên cứu tại Cơ sở Đánh lửa Quốc gia (NIF) ở California đã bắn tia laser lớn nhất thế giới vào một viên nang chứa đầy nhiên liệu hydro, khiến nó phát nổ và bắt đầu các phản ứng nhiệt hạch tương tự như xảy ra trên Mặt trời.
Trong một bước đột phá về mặt lý thuyết, các nhà khoa học đã thành công trong việc tạo ra một cách có kiểm soát các điều kiện về mật độ và nhiệt độ không tồn tại ở bất kỳ đâu trên Trái đất.
Minh họa nguyên lý phản ứng nhiệt hạch.
Tuy nhiên, vẫn còn một chặng đường dài trước khi phản ứng tổng hợp hạt nhân trở thành giải pháp sản xuất năng lượng.
Năng lượng nhiệt hạch giải phóng từ vụ nổ nhiều hơn năng lượng do tia laser truyền vào, một thành tựu to lớn vì chỉ vài năm trước, tia laser NIF chỉ có thể giải phóng khoảng một phần nghìn năng lượng mà nó bắn ra.
Để sản xuất lò phản ứng cho một nhà máy điện đang hoạt động, các nhà khoa học cần tia laser tạo ra năng lượng ánh sáng với hiệu suất cao hơn nhiều, vài chục phần trăm và bắn thành công mục tiêu ở tốc độ mười lần mỗi giây.
Kết quả là hạt nhân neutron làm quay tua bin hơi nước để tạo ra điện.
Trên thực tế, có rất ít nghiên cứu được thực hiện về lò phản ứng nhiệt hạch, nhưng chúng ta có nhiều cơ hội mới.
Đoàn kết tạo nên sức mạnh
NIF phải mất hơn một thập kỷ nghiên cứu để đạt được sự đánh lửa trong phản ứng tổng hợp hạt nhân, và trong cùng thời gian đó, các nhà khoa học khác đã độc lập phát triển các tia laser mới.
Họ sử dụng các thiết bị điện tử gọi là điốt để truyền năng lượng sang chùm tia laser, mang lại hiệu quả cao. Nó thành công trong việc chuyển đổi một phần lớn điện năng từ lưới điện thành ánh sáng laser.
Các phiên bản nguyên mẫu của những tia laser như vậy đã được chứng minh là hoạt động với tốc độ 10 lần mỗi giây, tốc độ cần thiết để chúng có ích trong phản ứng tổng hợp hạt nhân.
Laser đóng vai trò quan trọng trong phản ứng tổng hợp hạt nhân.
Những tia laser này hiện không có kích thước cần thiết cho phản ứng nhiệt hạch, 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 phản ứng tổng hợp hạt nhân trong sản xuất điện sớm trở thành hiện thực. Nó được đánh giá là an toàn, hứa hẹn tạo nên bước 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.
“Nếu điều kiện môi trường không lý tưởng thì phản ứng nhiệt hạch sẽ dừng ngay lập tức. Đặc biệt, phản ứng này còn khiến một nguyên tố phóng xạ không ổn định như tritium biến mất để thu được neutron và helium (một nguyên tố trơ khá hiếm trên Trái đất) và rất giàu. trong năng lượng” , Caterina Riconda, Giáo sư Vật lý tại Đại học Sorbonne (Pháp) giải thích.
Ngay cả khi các bức tường của lò phản ứng có nguy cơ bị nhiễm phóng xạ nhẹ về lâu dài do bắn phá neutron, thì lượng phóng xạ này cũng không có tác động nào lớn hơn đến môi trường và con người so với phản ứng phân hạch gây ra.
Do đó, từ quan điểm về an toàn và sạch sẽ của chất thải, phản ứng tổng hợp có lợi thế đáng kể.
Về lộ trình nhiệt hạch, các nhà khoa học đang nghiên cứu cách xử lý các hạt alpha bị giam giữ trong lò và cách tái tạo nhiên liệu trong tokamaks (thiết bị giam giữ plasma nóng), thu hồi neutron làm nóng nước và dẫn động tua-bin.
Họ thậm chí còn đặt mục tiêu sản xuất triti tại chỗ và đưa nó trở lại phản ứng nhiệt hạch.
Trước khi hiệu suất nhiệt hạch có thể được cải thiện hoàn toàn, vẫn còn rất nhiều việc phải làm. Các nhà khoa học sẽ tăng dần công suất trong các thử nghiệm phản ứng nhiệt hạch.
Không ai hoàn toàn chắc chắn rằng những ý tưởng này sẽ thành công vì chúng có những vấn đề riêng và chưa bao giờ được thử nghiệm trên quy mô lớn.
Để làm được điều này, các cơ sở nghiên cứu phải đầu tư hàng trăm triệu USD cho mỗi dự án mà không có gì đảm bảo thành công.
Tuy nhiên, hiện nay đang có một làn gió thay đổi thổi vào hình thức các công ty tư nhân.
Nhiều quỹ khác nhau có tầm nhìn dài hạn đã bắt đầu đầu tư vào các công ty khởi nghiệp đang chào hàng nhiệt hạch như một nguồn năng lượng khả thi về mặt thương mại.
Giống như ngành công nghiệp tư nhân đã cách mạng hóa thị trường ô tô điện và ngành công nghiệp tên lửa, chúng tôi hy vọng nó cũng có thể mang lại “cú hích” cho phản ứng tổng hợp, giúp giải quyết vấn đề năng lượng toàn cầu. cầu.
- Lò phản ứng nhiệt hạch nóng gấp 7 lần lõi Mặt trời
- Lò phản ứng nhiệt hạch lớn nhất thế giới đang hoạt động
- Cỗ máy 14 tỷ USD này sẽ trở thành Mặt trời tương lai của nhân loại
