Bước đột phá về nhiệt hạch của Mỹ

Một kỹ thuật viên làm việc ở Cơ sở đánh lửa quốc gia thuộc Phòng thí nghiệm quốc gia Lawrence Livermore ở bang California, Mỹ. Ảnh: NY Times

Bộ Năng lượng Mỹ cho biết, các nhà nghiên cứu tại Phòng thí nghiệm quốc gia Lawrence Livermore ở bang California đã đạt được kết quả nói trên vào tuần trước. Mức tăng năng lượng ròng là rất khó đạt được vì phản ứng tổng hợp hạt nhân xảy ra ở nhiệt độ và áp suất cao đến mức cực kỳ khó kiểm soát.

Về cơ bản, phản ứng nhiệt hạch là quá trình ép các nguyên tử hydro vào nhau với lực mạnh đến mức chúng kết hợp thành helium, giải phóng một lượng năng lượng và nhiệt khổng lồ. Không giống như các phản ứng hạt nhân khác, nó không tạo ra chất thải phóng xạ.

Hàng tỉ đô la Mỹ và hàng chục năm nghiên cứu nhiệt hạch đã tạo ra những kết quả đáng kinh ngạc, chỉ diễn ra trong tích tắc. Tại Cơ sở đánh lửa quốc gia, một bộ phận của Phòng thí nghiệm quốc gia Lawrence Livermore, các nhà nghiên cứu đã sử dụng 192 tia laser và nhiệt độ nóng hơn nhiều lần so với tâm mặt trời để tạo ra phản ứng nhiệt hạch trong thời gian cực kỳ ngắn.

Các tia laser này tập trung một lượng nhiệt khổng lồ vào một viên nang hình cầu nhỏ bằng vàng cỡ hạt đậu, chứa hai đồng vị của hydro là deuteri và triti. Sức nóng từ những tia laser làm nổ bề mặt viên nang bên ngoài, khiến deuterium và triti bị ép lại với nhau dưới áp suất và nhiệt độ cao.

Khi đó, phản ứng tổng hợp giữa hai đồng vị hydro dẫn đến sự hình thành hạt nhân heli. Do một hạt nhân heli nhẹ hơn so với một deuterium và một triti kết hợp lại, phần khối lượng chênh lệch sẽ được giải phóng dưới dạng các vụ nổ năng lượng. Kết quả là có một môi trường plasma siêu nóng trong đó, một phản ứng tạo ra năng lượng gấp khoảng 1,5 lần năng lượng chứa trong ánh sáng được sử dụng để kích hoạt nó.

Các nhà nghiên cứu nói rằng đã dùng 2,05 MJ năng lượng để đốt nóng nhiên liệu hydro bằng tia laser, và đã tạo ra 3,15 MJ năng lượng. Đây được xem là những bước tiến ban đầu vì năng lượng thặng dư trong tiến trình trên chỉ là 1,1, tức khoảng 0,3 kWh. Để so sánh, việc đun sôi một ấm nước sẽ cần 0,2 kWh.

Kể từ thập niên 1950, các nhà vật lý trên thế giới đã tìm hiểu và mô phỏng phản ứng nhiệt hạch cung cấp năng lượng cho mặt trời. Tuy nhiên, không nhóm nghiên cứu nào có thể tạo ra nhiều năng lượng từ phản ứng này hơn mức tiêu thụ. Như vậy, các nghiên cứu về phản ứng tổng hợp hạt nhân đã diễn ra hơn 70 năm và đây là lần đầu tiên các nhà khoa học chứng minh được hiện tượng này.

Bên trong buồng chiếu laser tại Phòng thí nghiệm quốc gia Lawrence Livermore, nơi diễn ra phản ứng tổng hợp hạt nhân. Ảnh: BBC.

Bộ trưởng Năng lượng Mỹ Jennifer Granholm và các quan chức khác cho biết, bước đột phá về năng lượng ròng trong phản ứng nhiệt hạch sẽ mở đường cho những tiến bộ về quốc phòng và tương lai của năng lượng sạch.

“Phản ứng nhiệt hạch tạo ra năng lượng ròng này cho phép chúng tôi lần đầu tiên tái tạo một số điều kiện nhất định chỉ có ở các vì sao và mặt trời. Cột mốc đó giúp chúng tôi đạt thêm một bước quan trọng hướng đến việc sản xuất năng lượng nhiệt hạch không carbon, cung cấp năng lượng sạch cho xã hội của chúng ta”, bà Granholm phát biểu tại cuộc họp báo ở Washington và nhấn mạnh, đây là một trong những thành công khoa học ấn tượng nhất của thế kỷ 21.

Những người ủng hộ năng lượng nhiệt hạch hy vọng một ngày nào đó công nghệ này có thể thay thế nhiên liệu hóa thạch và các nguồn năng lượng truyền thống khác. Sản xuất năng lượng không có carbon để cung cấp năng lượng cho các gia đình và doanh nghiệp từ phản ứng tổng hợp hạt nhân dự kiến còn nhiều thập niên nữa mới đạt được. Nhưng các nhà nghiên cứu cho biết đột phá nói trên sẽ thúc đẩy nhanh nỗ lực này.

Giáo sư Dennis Whyte, Giám đốc Trung tâm Nhiệt hạch và khoa học plasma tại Viện Công nghệ Massachusetts và là người đi đầu trong nghiên cứu nhiệt hạch nói nhấn mạnh: “Nó gần giống như tiếng súng khai hỏa. Chúng ta chắc chắn sẽ nhanh chóng hướng tới các hệ thống năng lượng nhiệt hạch để giải quyết vấn đề biến đổi khí hậu và an ninh năng lượng”.

Trong khi đó, Kim Budil, Giám đốc Phòng thí nghiệm Quốc gia Lawrence Livermore, cho biết có “những rào cản rất đáng kể” đối với việc sử dụng công nghệ nhiệt hạch cho mục đích thương mại. Tuy nhiên, những tiến bộ trong những năm gần đây cho thấy công nghệ này có thể sẽ được sử dụng rộng rãi trong vài thập niên tới, thay vì 50 hoặc 60 năm nữa như dự kiến trước đó.

Tổng thống Joe Biden gọi bước đột phá về năng lượng ròng trong phản ứng nhiệt hach là một ví dụ điển hình về sự cần thiết phải tiếp tục đầu tư vào nghiên cứu và phát triển. “Hãy nhìn những gì mà Bộ Năng lượng đang đạt được trên mặt trận hạt nhân, sẽ có rất nhiều tin tốt ở phía trước”, Tổng thống Biden nói.

Nhóm kỹ sư kiểm tra thiết bị quang học trong quá trình bảo dưỡng cơ sở NIF. Ảnh: Phòng thí nghiệm quốc gia Lawrence Livermore.

Tuy nhiên, Riccardo Betti, giáo sư tại Đại học Rochester và là chuyên gia về phản ứng tổng hợp laser, cho biết còn một chặng đường dài phía trước trước khi năng lượng ròng thu được từ phản ứng nhiệt hạch có thể tạo ra các nguồn cung điện bền vững.

Năng lượng ròng từ phản ứng nhiệt hạch có thể được sử dụng trở lại cho chính phản ứng này chứ không cần đến tổng lượng điện cần thiết để vận hành các tia laser trong dự án nghiên cứu năng lượng nhiệt hạch. Để phản ứng nhiệt hạch mang lại tính hiệu quả thương mại, nó sẽ cần tạo ra nhiều năng lượng ròng cao hơn đáng kể và trong thời gian dài hơn. Đây là thành công bước đầu, nhưng vẫn còn quá sớm để nghĩ về kịch bản phản ứng tổng hợp hạt nhân có thể tạo ra năng lượng đủ để cung cấp cho những hộ gia đình, với các nhà máy nhiệt hạch.

Bản thân Phòng thí nghiệm quốc gia Lawrence Livermore cũng không được xây dựng để tạo ra năng lượng cho mục đích thương mại. Cơ sở này ban đầu được chỉ định thí nghiệm các vụ nổ nhiệt hạch thu nhỏ và cung cấp báo cáo để đảm bảo tính an toàn, ổn định cho kho vũ khí hạt nhân của Mỹ.

Jeremy Chittenden, giáo sư chuyên ngành vật lý plasma tại Đại học Hoàng gia ở London, cho biết kết quả từ Phòng thí nghiệm quốc gia Lawrence Livermore là vượt quá mong đợi. “Bất cứ ai làm việc trong lĩnh vực nhiệt hạch sẽ nhanh chóng chỉ ra rằng vẫn còn một chặng đường dài để đi từ việc chứng minh mức tăng năng lượng cho tới việc ứng dụng vào đời sống", Jeremy Chittenden nói.

Tuy còn một chặng đường dài phía trước để biến nhiệt hạch thành một nguồn năng lượng có thể sử dụng được nhưng thành tựu của phòng thí nghiệm này khiến vị giáo sư lạc quan. Chittenden kỳ vọng, một ngày nào đó đây có thể là nguồn năng lượng lý tưởng, không phát thải carbon và có thể khai thác dựa vào một dạng hydro dồi dào có thể được chiết xuất từ ​​nước biển.