Mỹ vừa đạt cột mốc kinh ngạc về năng lượng nhiệt hạch sau 50 năm nghiên cứu

Hôm thứ ba 13.12, Bộ Năng lượng Mỹ thông báo rằng các nhà nghiên cứu tại NIF (National Ignition Facility - cơ sở động cơ nổ quốc gia) ở Livermore, bang California đã đạt được mức tăng năng lượng ròng trong một thí nghiệm nhiệt hạch. Kết quả này được ca ngợi là một trong những bước đột phá khoa học quan trọng nhất của thế kỷ 21 và là bước đầu tiên hướng tới chén thánh của một nguồn năng lượng sạch dồi dào, rẻ tiền.

Nhưng tất cả có nghĩa gì? Kết quả có thực sự đáng chú ý như Bộ Năng lượng Mỹ quảng bá không? Và bao lâu nữa trước khi tất cả chúng ta có năng lượng nhiệt hạch trong nhà bếp của mình?

Khái niệm năng lượng nhiệt hạch

Mặt trời được cung cấp bởi các phản ứng tổng hợp nhiệt hạch trong lõi của nó. Bốn hạt nhân hydro, mỗi hạt nhân có một proton, được nén lại với nhau để tạo thành một hạt nhân helium, với hai proton và hai neutron. Trong quá trình này, chúng giải phóng một đơn vị năng lượng, được tính theo công thức E = mc2. Mặt trời thực hiện biến đổi này bằng cách sử dụng lực hấp dẫn từ khối lượng khổng lồ của nó - gấp 330.000 lần khối lượng Trái đất. Tất cả lực hấp dẫn đó đẩy nhiệt độ ở lõi của Mặt trời vượt quá 10 triệu độ Kelvin. Điều này tạo ra áp suất khiến các hạt nhân hydro va vào nhau đủ mạnh để xảy ra sự biến đổi hạt nhân cần thiết.

Ngay khi các nhà vật lý nhận ra đây là cách Mặt trời tạo ra năng lượng, họ bắt đầu mơ ước có được quá trình tương tự để hoạt động trên Trái đất. Nhưng các nhà khoa học không thể tạo khối lượng bằng 330.000 Trái đất để khiến mọi thứ diễn ra, và có một trò đùa lâu đời trong giới khoa học nhiệt hạch rằng bất kể bạn đòi hỏi khi nào, phản ứng tổng hợp sẽ luôn xảy ra cách đó 20 năm. Đầu tiên, các nhà khoa học thử sử dụng từ trường để tạo ra áp suất cần thiết. Sau đó, họ thấy rằng họ có thể sử dụng chùm tia laser hội tụ để tạo ra lực ép. Bất kể phương pháp nào, điều quan trọng là kể từ những năm 1950, dù đã có ai đó, ở đâu đó, làm việc để tìm kiếm kết quả trong phòng thí nghiệm thì quá trình diễn ra chậm chạp và vô vọng.

Phải mất nhiều thập niên, nhưng cuối cùng chúng ta đã có được năng lượng. Trong khi phản ứng tổng hợp từ tính và phản ứng tổng hợp bằng laser (còn gọi là sự giam cầm quán tính) đã cạnh tranh nhau để giành ưu thế, cả hai phương pháp đều không đạt đến điểm mà bất kỳ năng lượng nào thu được từ các phản ứng nhiệt hạch lớn hơn năng lượng tiêu thụ để khởi động các phản ứng đó. Nói một cách đơn giản, không có năng lượng ròng dương ở các quá trình này.

Khi Bộ Năng lượng Mỹ quyết định xây dựng NIF vào đầu thế kỷ này, nó ngay lập tức trở thành ông trùm của tất cả các máy nhiệt hạch laser. Nó lớn đến mức mọi người đều mong đợi năng lượng ròng từ năng lượng nhiệt hạch sẽ xuất hiện chỉ trong vài năm nữa. Nhưng ban đầu, NIF đã không thực hiện được những cam kết đó. Năng lượng laser được cho là để tiếp cận mục tiêu - một viên nang nhỏ chứa deuterium và triti, đã bị đẩy ra xa bởi plasma được tạo ra trong vụ nổ của viên nang. Những thất bại ban đầu này khiến một số người tự hỏi liệu đạt được phản ứng tổng hợp trong phòng thí nghiệm đơn giản là không thể. Có lẽ quá trình này quá phức tạp, với quá nhiều bất ổn có thể cản trở quá trình tạo năng lượng nhiệt hạch.

Nhưng các nhà khoa học tại NIF cuối cùng đã thắng. Với sự kiên nhẫn và khéo léo, họ đã làm việc và làm lại thiết kế thí nghiệm của mình - xung laser, viên nang nhiên liệu và bất kỳ thứ gì khác mà họ có thể nghĩ ra - và dần dần họ tiến gần hơn đến mục tiêu của mình. Cuối cùng, họ đã kích hoạt một vụ phản ứng nhiệt hạch đầy kịch tính. Giống như một que diêm, một khi nhiên liệu deuterium-tritium bắt đầu cháy, nó sẽ tỏa ra nhiều năng lượng hơn mức được sử dụng để bắt đầu các phản ứng nhiệt hạch. Các nhà khoa học hợp hạch đã chờ đợi 50 năm cho cột mốc quan trọng này và giờ sự kiện đã được ghi vào sử sách.

Vì vậy, khi nào các nhà máy điện nhiệt hạch sẽ bắt đầu tạo ra tất cả nhu cầu năng lượng của thế giới, sạch sẽ và với chi phí cực kỳ thấp? Liệu có kịp trong khoảng 20 năm nữa. Nhưng mục tiêu là có thể đạt được ngay bây giờ. Trước đây, chúng ta thậm chí còn không biết liệu có thể hợp hạch trong phòng thí nghiệm hay không. Bây giờ chúng ta biết là điều có thể. Từ xuất phát điểm này, chúng ta giải quyết rất nhiều thách thức kỹ thuật và công nghệ. Điều đó chắc chắn sẽ mất hơn 10 năm, nhưng 20 hoặc 30 năm hiện là thời gian biểu thực tế cho sự phát triển của một lò phản ứng thương mại đang hoạt động chứ không còn là câu châm biếm của giới khoa học đã đề cập phần đầu bài viết. Bây giờ chúng ta biết điều đó là có thể, thực sự không có gì có thể ngăn cản chúng ta.

Kết quả của một bước đột phá như vậy là khó vẽ ra hết. Hãy tưởng tượng những gì thế giới có thể làm với nguồn cung cấp năng lượng sạch, giá rẻ gần như vô tận. Chúng ta có thể đạt được những gì? Làm thế nào chúng ta có thể tiến bộ? Các hàm ý vượt ra ngoài Trái đất. Tên lửa tổng hợp hạt nhân sẽ làm cho quá trình tăng/giảm tốc liên tục đến sao Hỏa và phần còn lại của hệ mặt trời trở thành hiện thực. Thay vì mất 6 đến 9 tháng để đến sao Hỏa, người ta có thể tiếp tục duy trì động cơ của mình, tăng tốc và giảm tốc để đến nơi chỉ sau vài tuần. Vì vậy, thực sự, có nhiều cách để năng lượng nhiệt hạch là một yếu tố thay đổi cuộc chơi.

Tin trên báo Financial Times, một nhóm nhà khoa học Mỹ từ NIF, đã giải phóng được 2,5 MJ năng lượng khi chỉ sử dụng 2,1 MJ đốt nóng nhiên liệu bằng tia laser.

Để thực hiện phản ứng tổng hợp hạt nhân, các nhà khoa học bắn những nguyên tố nhẹ như hydro vào một dãy tia laser, nhằm giải phóng nguồn năng lượng khổng lồ.

Theo báo Guardian, nếu được xác thực, kết quả mới nhất cho thấy bước đột phá lớn khi so với tỷ lệ giải phóng năng lượng 70% mà nhóm nghiên cứu đạt được vào năm 2021, và là minh chứng về phản ứng tăng năng lượng đầu tiên kể từ khi nghiên cứu về phản ứng tổng hợp hạt nhân bắt đầu vào những năm 1950.

Trước đó, Bộ Năng lượng Mỹ ngày 11.12 cho biết sẽ công bố "bước đột phá khoa học lớn" trong tuần này liên quan đến phản ứng tổng hợp hạt nhân, theo CBS.

Tuy nhiên, các chuyên gia nhấn mạnh mặc dù kết quả thu được là một bằng chứng quan trọng, công nghệ này sẽ mất nhiều thời gian để trở thành trụ cột trong lĩnh vực năng lượng.