Mỹ đạt đột phá trong công nghệ nhiệt hạch, tiến gần hơn tới nguồn năng lượng vô tận

 Năng lượng nhiệt hạch từ lâu đã được coi như một công cụ để chống biến đổi khí hậu. Theo Washington Post, vào hôm 13/12, Bộ Năng lượng Mỹ dự kiến sẽ công bố một cột mốc lịch sử trong quá trình phát triển năng lượng nhiệt hạch: mức năng lượng ròng dương. 

Financial Times cho biết, phòng thí nghiệm quốc gia Lawrence Livermore tại bang California, đã sử dụng tia laser mạnh nhất thế giới để bắn phá những hạt hydro (H) ở trạng thái plasma, và đạt được mức năng lượng ròng dương (năng lượng sinh ra lớn hơn năng lượng tiêu hao) trong hai tuần qua.

Năng lượng nhiệt hạch là gì?

Các nhà máy điện hạt nhân hiện tại hoạt động thông qua quá trình phân hạch: tách các nguyên tử nặng như uranium hay plutonium thành các nguyên tử nhỏ hơn và tạo ra năng lượng.

Phản ứng nhiệt hạch hoạt động theo cách ngược lại. Hai nguyên tử (thường là hydro) kết hợp với nhau để tạo ra nguyên tố mới (thường là Helium - He). Phản ứng nhiệt hạch chính là cách Mặt Trời và các ngôi sao sản sinh năng lượng.

Trong quá trình nhiệt hạch này, hai nguyên tử hydro sẽ mất đi một lượng nhỏ khối lượng. Khối lượng mất đi này sẽ được chuyển hóa thành năng lượng theo phương trình nổi tiếng E = mc² của nhà khoa học lỗi lạc Albert Einstein. Theo phương trình trên, chỉ cần một khối lượng nhỏ cũng có thể tạo ra rất nhiều năng lượng. 

Phản ứng nhiệt hạch cũng được dùng trong bom khinh khí, với sức công phá gấp hàng chục lần vũ khí hạt nhân thông thường. Tất nhiên, công nghệ để kích nổ bom khinh khí không thể được áp dụng trong các lò phản ứng hạt nhân.

“Mức năng lượng ròng dương” là gì?

Cho tới gần đây, các nhà nghiên cứu đã có thể kết hợp thành công hai nguyên tử hydro với nhau. Tuy vậy, phản ứng này luôn tiêu tốn nhiều năng lượng hơn so với năng lượng tỏa ra.

Mức năng lượng ròng dương - tức là năng lượng tạo ra lớn hơn năng lượng tiêu hao - được coi như mục tiêu tối thượng trong lĩnh vực nghiên cứu nhiệt hạch.

Các nhà nghiên cứu tại phòng thí nghiệm quốc gia Lawrence Livermore đã dùng 192 tia laser nén các nguyên tử hydro xuống mật độ gấp khoảng 100 lần so với chì (Pb) và đẩy nhiệt độ lên xấp xỉ 100 triệu độ C. Mật độ lớn và nhiệt độ cao khiến các nguyên tử hydro hợp nhất thành helium.

Các phương pháp nghiên cứu khác liên quan đến việc sử dụng từ trường để nén dòng plasma siêu nóng.  

Liệu năng lượng nhiệt hạch đã chín muồi?

Các nhà khoa học gọi bước đột phá gần đây là “mức năng lượng ròng dương khoa học”, nghĩa là nhiều năng lượng thoát ra từ phản ứng hơn năng lượng của chùm tia laser. Thành tựu này là một cột mốc quan trọng mà con người chưa từng đạt được trước đây.

Tuy vậy, thành công này chỉ là xét đến mức năng lượng ròng ở cấp độ vi mô. Theo ông Troy Carter, nhà vật lý plasma tại Đại học California, các tia laser được sử dụng chỉ có hiệu suất 1%. Hay nói cách khác, trên thực tế, cần khoảng 100 lần năng lượng của chùm tia laser để phản ứng nhiệt hạch trên diễn ra, và “mức năng lượng ròng kỹ thuật” tất nhiên sẽ âm.

Vì vậy, các nhà nghiên cứu cần phải điều chỉnh sao cho phản ứng tiêu tốn ít năng lượng hơn nữa. Họ cũng sẽ phải tìm cách biến năng lượng tỏa ra, hiện đang ở dạng động năng, thành dạng có thể phát điện được. Các nhà nghiên cứu có thể chuyển động năng thành nhiệt năng, rồi làm nóng nồi hơi để quay turbine và chạy máy phát điện. Quá trình này cũng sẽ tạo ra những hao phí.

Tất cả những thách thức trên có nghĩa là, mức năng lượng ròng sẽ cần phải được đẩy lên cao hơn rất nhiều, trước khi lò phản ứng nhiệt hạch thực sự khả thi về mặt thương mại.

Hiện tại, các nhà nghiên cứu cũng chỉ có thể thực hiện phản ứng nhiệt hạch khoảng một lần mỗi ngày, và phải đợi máy phát laser nguội đi cũng như thay thế nhiên liệu. Ông Dennis Whyte, Giám đốc Trung tâm Khoa học Plasma và Nhiệt hạch tại MIT, cho biết một nhà máy khả thi về mặt thương mại cần có khả năng thực hiện phản ứng vài lần mỗi giây. 

Lợi ích của phản ứng nhiệt hạch?

Công nghệ này an toàn hơn nhiều so với phản ứng phân hạch hạt nhân, vì nhiệt hạch không thể tạo ra các phản ứng dây chuyền. 

Phản ứng nhiệt hạch cũng không tạo ra các sản phẩm phụ chứa phóng xạ cũng như không có khí thải carbon, mà chỉ sản sinh ra helium và neutron.

Đồng thời, nhiên liệu cho phản ứng nhiệt hạch cũng không thể cạn kiệt, bởi chúng chỉ là các nguyên tử hydro nặng, có sẵn trong nước biển,

Đến khi nào thì năng lượng nhiệt hạch được thương mại hóa?

Trong nhiều thập kỷ, các nhà khoa học đã nói đùa rằng năng lượng nhiệt hạch sẽ khả thi trong 30 đến 40 năm nữa. Trong những năm qua, các nhà nghiên cứu đã dự đoán rằng nhà máy điện nhiệt hạch sẽ đi vào hoạt động trong những năm 1990, 2000, 2010 và 2020.

Các chuyên gia về nhiệt hạch cho rằng hiện tại vấn đề không phải là thời gian, mà là ý chí. Nếu các chính phủ và tập đoàn tư nhân tài trợ mạnh mẽ cho nhiệt hạch, một nhà máy điện có thể sẽ ra đời vào những năm 2030.