10 điều cơ bản về phản ứng nhiệt hạch

Làm chủ được phản ứng nhiệt hạch chính là chìa khóa mở ra nguồn năng lượng vĩnh cửu và lý tưởng cho tương lai. Nó giải phóng một mật độ năng lượng rất lớn, gấp hàng tỷ lần đốt nhiên liệu hóa thạch, hàng chục lần phản ứng phân hạch mà con người đang khai thác trong các nhà máy điện hạt nhân.

Nhiên liệu thường dùng trong phản ứng tổng hợp hạt nhân là các đồng vị deuterium và tritium của hydrogen. Các đồng vị này có thể trích lấy dễ dàng từ nước biển, hoặc tổng hợp từ nguyên tử hydrogen. Nguồn nguyên liệu Hydro cũng là vô tận trong vũ trụ. Đó là nguyên nhân các nhà khoa học luôn ví phản ứng hợp hạch là một nguồn năng lượng sạch vô tận dành cho con người.

Vào ngày 13 tháng 12 năm 2022, Bộ Năng lượng Hoa Kỳ thông báo rằng các nhà khoa học tại Cơ sở Đánh lửa Quốc gia (NIF) của Phòng thí nghiệm Quốc gia Lawrence Livermore (LLNL) đã đạt được một bước đột phá về năng lượng nhiệt hạch – nguồn năng lượng xanh vô tận.

Dưới đây là 10 điều cơ bản cần biết về phản ứng nhiệt hạch (tổng hợp hạt nhân):

1. Liệu phản ứng tổng hợp hạt nhân có khả thi không?

Các tin tức về tiến bộ trong năng lượng nhiệt hạch còn rất ít, khiến một số người coi nhẹ tính khả thi của nó. Tuy nhiên, các nhà khoa học vẫn đang dần tiến tới nguồn năng lượng được gọi là “chén thánh” này. Vẫn còn một số trở ngại rất thực tế, nhưng năng lượng nhiệt hạch không phải là khoa học viễn tưởng, nó là một công nghệ thực sự và có thể đạt được.

2. Phản ứng nhiệt hạch (tổng hợp hạt nhân) là gì?

Phản ứng tổng hợp hạt nhân là quá trình hai hạt nhân nguyên tử nhỏ hợp nhất để tạo thành hạt nhân lớn hơn, dẫn đến giải phóng năng lượng đáng kể. Quá trình này xảy ra ở trạng thái plasma, đặc trưng bởi nhiệt độ cao giúp khắc phục lực đẩy giữa các hạt nhân. Phản ứng nhiệt hạch tạo ra năng lượng cho mặt trời và các ngôi sao khác, đòi hỏi các điều kiện về nhiệt độ và áp suất cực cao để các hạt nhân có thể va chạm và kết hợp.

3. Ai đã phát hiện ra phản ứng tổng hợp hạt nhân?

Việc phát hiện ra phản ứng tổng hợp hạt nhân diễn ra dần dần theo thời gian chứ không phải xảy ra ngay lập tức. Nó bắt đầu hình thành vào những năm 1920 khi Arthur Eddington giới thiệu rằng các ngôi sao tổng hợp hydro cùng với heli, và điều này sẽ có ảnh hưởng đến vật lý thiên văn trong tương lai. Các nhà khoa học như Atkinson và Houtermans đã khám phá sâu hơn về tốc độ hợp nhất của các ngôi sao, trong khi Ernest Rutherford và sinh viên Mark Oliphant của ông đã chứng minh phản ứng tổng hợp trong phòng thí nghiệm vào năm 1934. Hans Bethe sau đó đã giải thích quá trình này ở các ngôi sao, mở đường cho sự phát triển lò phản ứng nhiệt hạch vào những năm 1950.

4. Phản ứng tổng hợp hạt nhân xảy ra ở đâu trên Mặt trời?

Phản ứng tổng hợp hạt nhân xảy ra trong lõi Mặt trời. Đây là nơi các hạt nhỏ proton kết hợp với nhau để tạo thành helium, một quá trình tạo ra nhiệt và ánh sáng của Mặt trời. Hầu như toàn bộ năng lượng của Mặt trời đến từ phản ứng tổng hợp này, xảy ra trong lõi của nó và năng lượng này sau đó lan tỏa vào hệ mặt trời.

5. Phản ứng tổng hợp hạt nhân có an toàn không?

Không giống như phản ứng phân hạch hạt nhân, quá trình cung cấp năng lượng cho các nhà máy điện hạt nhân ngày nay, năng lượng nhiệt hạch không gây ra nguy cơ xảy ra các phản ứng dây chuyền và tan chảy ngoài tầm kiểm soát, như thảm họa ở Chernobyl năm 1986. Phản ứng tổng hợp hạt nhân hầu như không tạo ra phóng xạ và chất thải nguy hại và không tạo ra khí nhà kính. Sản phẩm phụ chính của phản ứng tổng hợp hạt nhân là helium – một loại khí trơ, không độc hại.

6. Phản ứng tổng hợp hạt nhân hoạt động như thế nào?

Khoa học về năng lượng nhiệt hạch không hề đơn giản nhưng rất dễ hiểu. Điều làm cho năng lượng nhiệt hạch trở nên khó nắm bắt là những khó khăn trong việc chế tạo một thiết bị có thể tạo ra nó. Chế tạo một lò phản ứng nhiệt hạch cũng giống như việc tạo ra và bảo quản một ngôi sao nhỏ trên Trái đất.

Để đạt được điều kiện tạo ra năng lượng nhiệt hạch, các nhà khoa học tạo ra các plasma cực nóng – khí bị ion hóa. Ở nhiệt độ này, các ion thường bị đẩy ra khỏi nhau sẽ va vào nhau và hợp nhất. Khi điều này xảy ra, năng lượng được giải phóng. Các nhà khoa học điều khiển plasma nóng khủng khiếp bằng tia laser hoặc từ trường. Đó là một kỳ công kỹ thuật phức tạp và lớn.

7. Lợi ích của năng lượng hạt nhân là gì?

Năng lượng từ phản ứng tổng hợp hạt nhân sẽ an toàn, sạch, không có carbon và gần như vô hạn. Thật khó để có thể mô tả được lợi ích của nó đến mọi khía cạnh của sự sống trên Trái đất, khi tất cả mọi người đều được sử dụng năng lượng vô tận và miễn phí.

8. Sự khác biệt giữa phản ứng phân hạch hạt nhân và phản ứng tổng hợp hạt nhân là gì?

Sự khác biệt giữa phản ứng phân hạch hạt nhân và phản ứng tổng hợp hạt nhân là phản ứng phân hạch hạt nhân tách các nguyên tử nặng thành các nguyên tử nhỏ hơn; trong khi phản ứng tổng hợp hạt nhân kết hợp các nguyên tử nhẹ để tạo thành các nguyên tử nặng hơn. Cả hai quá trình đều giải phóng năng lượng vì hạt nhân mới được tạo ra nhẹ hơn tổng số nguyên tử ban đầu.

9. Phản ứng tổng hợp hạt nhân có tạo ra chất thải phóng xạ không?

Phản ứng tổng hợp hạt nhân, không giống như phản ứng phân hạch hạt nhân, không tạo ra chất thải phóng xạ nguy hiểm, tồn tại lâu dài. Những gì nó tạo ra là helium, một chất vô hại và một ít tritium, hơi phóng xạ nhưng an toàn với số lượng nhỏ và không tồn tại lâu. Mối lo ngại duy nhất là các bộ phận của lò phản ứng nhiệt hạch có thể trở nên hơi phóng xạ theo thời gian do tất cả các neutron bay xung quanh, nhưng các nhà khoa học đang tìm cách làm cho vấn đề này ít xảy ra hơn.

10. Khi nào phản ứng tổng hợp hạt nhân sẽ khả thi?

Để có thể tồn tại về mặt thương mại, một nhà máy nhiệt hạch trong một phần mười giây sẽ phải sản xuất ra lượng năng lượng được sản xuất trong một ngày tại NIF. Steven Cowley, giám đốc Phòng thí nghiệm Vật lý Plasma Princeton, cho biết: “Học viện Quốc gia Hoa Kỳ năm ngoái cho biết chúng ta nên nhắm đến điện nhiệt hạch đầu tiên vào khoảng năm 2035 đến năm 2040. Tôi nghĩ đó là mục tiêu khó nhưng có thể đạt được”.

Theo Discover Magazine