Sản xuất điện vô tận, lấy ý tưởng từ ngoài Trái đất sắp thành hiện thực

Một công nghệ được các nhà nghiên cứu hàng thập kỷ đang đạt 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 ở Cơ sở Đánh lửa Quốc gia, Phòng thí nghiệm Quốc gia Lawrence Livermore tại California (LLNL) đã đạt được điều mà các nhà vật lý đã nỗ lực hướng tới trong nhiều thập kỷ.

Một quá trình được gọi là"sự đánh lửa" liên quan đến việc thu được nhiều năng lượng từ các phản ứng nhiệt hạch.

Lò phản ứng thử nghiệm nhiệt hạch đang được nhiều quốc gia như Mỹ, Pháp hay Nhật Bản xây dựng.

Trong năm nay, họ đã lặp lại thành công quá trình đánh lửa ít nhất 3 lần, theo báo cáo từ LLNL. Điều này đánh dấu bước tiến quan trọng có thể trở thành giải pháp cho cuộc khủng hoảng khí hậu và năng lượng toàn cầu, xuất phát từ việc đốt nhiên liệu hóa thạch của con người.

Mang sức mạnh từ những ngôi sao đến Trái đất

Phản ứng tổng hợp hạt nhân (phản ứng nhiệt hạch) là quá trình xảy ra trong trung tâm các ngôi sao. Nó không giống như phản ứng phân hạch nhằm mục đích phá vỡ một hạt nhân nặng thành hạt nhân nhẹ hơn.

Phản ứng tổng hợp ngược lại, nó 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.

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.

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 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 nó 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?

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.

Song các nhà khoa học hy vọng, những nghiên cứu liên quan đang được thực hiện và thử nghiệm, chúng có thể khơi dậy niềm đam mê mới để đưa ra nguồn năng lượng gần như vô tận và an toàn đến cuộc sống 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 những gì xảy ra trên Mặt trời.

Đây là 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 .

Hình minh họa nguyên lý phản ứng nhiệt hạch.

Tuy nhiên, vẫn còn chặng đường dài để 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 đưa 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.

Để sản xuất một lò phản ứng cho 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 các mục tiêu với tốc độ mười lần mỗi giây.

Kết quả cho ra những hạt nhân neutron khiến tuabin hơi nước quay để sản xuất điện.

Trên thực tế, rất ít nghiên cứu được thực hiện về các lò phản ứng nhiệt hạch, nhưng chúng ta đang có nhiều cơ hội mới.

Hợp quần gây 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 đi ốt để truyền năng lượng sang 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 ở tốc độ 10 lần mỗi giây, tốc độ cần thiết để chúng có ích trong phản ứng tổng hợp hạt nhân.

Các tia laser có vai trò quan trọng trong phản ứng tổng hợp hạt nhân.

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 phản ứng tổng hợp hạt nhân trong việc 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.

"Nếu điều kiện môi trường không lý tưởng thì phản ứng tổng hợp sẽ dừng ngay lập tức. Đặc biệt, phản ứng này còn làm cho 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 ) rất giàu năng lượng", Caterina Riconda, Giáo sư Vật lý tại Đại học Sorbonne (Pháp) giải thích.

Ngay cả khi thành lò phản ứng có nguy cơ trở nên nhiễm phóng xạ nhẹ về lâu dài do bắn phá neutron, thì tính phóng xạ này không ảnh hưởng gì lớn đến môi trường và con người so với phản ứng phân hạch gây ra.

Do đó, từ quan điểm về sự an toàn và sạch sẽ của chất thải, phản ứng tổng hợp có lợi thế hơn đáng kể.

Liên quan đến lộ trình nhiệt hạch, các nhà khoa học đang nghiên cứu đến việc xử lý các hạt alpha bị giam giữ trong lò và làm thế nào để tái tạo nhiên liệu trong tokamaks (thiết bị để giam giữ plasma nóng), thu hồi neutron làm nóng nước và chạy tuabin.

Thậm chí, họ còn hướng đến mục tiêu sản xuất tritium tại chỗ và tái đưa nó vào phản ứng nhiệt hạch.

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.

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 cần hàng trăm triệu đô la đầu tư cho mỗi dự án mà không có gì đảm bảo thành công.

Tuy nhiên, hiện nay đang có một làn gió thay đổi thổi tới chính là các công ty tư nhân.

Nhiều quỹ khác nhau có tầm nhìn dài hạn đã bắt đầu đầu tư vào các công ty mới khởi nghiệp đang chào hàng nhiệt hạch như một nguồn năng lượng khả thi về mặt thương mại.

Chính ngành công nghiệp tư nhân đã cách mạng hóa thị trường ô tô điện và ngành công nghiệp tên lửa, chúng ta hy vọng nó cũng có thể mang lại "cú hích" cho phản ứng tổng hợp, giúp giải quyết vấn đề năng lượng toàn cầu.