Các tia laser tạo ra một plasma xung quanh viên nang và cuối cùng kích hoạt một vụ nổ để cho phép các phản ứng nhiệt hạch diễn ra (Lawrence Livermore National Laboratory/AP)
Các nhà khoa học Mỹ đã đạt được một cột mốc quan trọng trong việc tạo ra nguồn năng lượng dồi dào không carbon (carbon-free power) thông qua phản ứng hợp nhất hạt nhân (nuclear fusion) hay phản ứng nhiệt hạch.
Tin vui cho các dự án năng lượng sạch
Ngày 13 Tháng Mười Hai, tại Phòng thí nghiệm quốc gia Lawrence Livermore (LLNL) ở tiểu bang California, Bộ trưởng Năng lượng Jennifer Granholm và Thứ trưởng An ninh Hạt nhân Jill Hruby sẽ công bố “một bước đột phá khoa học lớn”, trong đó các nhà khoa học Mỹ đã thực hiện thành công lần đầu tiên một phản ứng hợp nhất hạt nhân để tạo ra năng lượng “đầu ra” lớn hơn năng lượng “đầu vào”.
Đây được xem là cột mốc quan trọng của một chương trình kéo dài hàng thập niên và tốn kém hàng tỷ đô la nhằm phát triển một công nghệ cung cấp năng lượng không giới hạn, sạch và rẻ. Mục đích của nghiên cứu nhiệt hạch là tái tạo phản ứng hạt nhân giống như trên Mặt trời để cho ra năng lượng. Nó là “giấc mơ” được các nhà khoa học theo đuổi.
Từ thập niên 1950, các nhà vật lý đã tìm cách tái tạo phản ứng nhiệt hạch trên mặt trời, nhưng không ai có thể tạo ra nhiều năng lượng từ phản ứng hơn mức tiêu thụ để chứng minh đây thực sự là một giải pháp thay thế đáng tin cậy cho nhiên liệu hoá thạch ô nhiễm và năng lượng hạt nhân truyền thống. Thành công mới nhất một “chứng minh lớn” cho khoản đầu tư của chính phủ Biden vào năng lượng sạch trong những năm gần đây.
Thí nghiệm cho thấy gì?
Theo bài viết trên tờ Financial Times (FT), trong một thí nghiệm cách nay hơn hai tuần, các nhà khoa học tại LLNL đã đạt được một đỉnh cao mới đáng chú ý cho các phản ứng nhiệt hạch khi họ tạo ra nhiều năng lượng hơn là năng lượng sử dụng.
Điều quan trọng nữa là họ đã hiểu biết nhiều hơn nhờ thí nghiệm mới; và đang tiếp tục phân tích, thảo luận về kết quả và quá trình thí nghiệm. Cụ thể, cơ sở National Ignition Facility (NIF) đã tiến hành thí nghiệm sử dụng một quy trình gọi là “inertial confinement fusion” (nhiệt hạch giam cầm quán tính) liên quan đến việc bắn phá trực tiếp một viên hydro nhỏ bằng chùm tia laser lớn nhất thế giới gồm 200 tia để cho ra số năng lượng ròng đáng kể.
NIF trị giá $3.5 tỷ được thiết kế để thử nghiệm vũ khí hạt nhân bằng cách mô phỏng các vụ nổ nhưng sau đó cũng được sử dụng để nghiên cứu năng lượng nhiệt hạch. Năm ngoái, một thí nghiệm nhiệt hạch của nó đạt mức tăng năng lượng ròng cao nhất khi tạo ra 1.37 megajoule, nhưng vẫn chỉ bằng 70% năng lượng của các tia laser bắn đi, có nghĩa là, năng lượng đầu ra thấp hơn đầu vào.
Theo Nathan Garland, một nhà vật lý tại Đại học Griffith ở Úc, các tia laser tạo ra một plasma xung quanh viên nang và cuối cùng kích hoạt một vụ nổ để cho phép các phản ứng nhiệt hạch diễn ra. “Fusion là phản ứng cung cấp năng lượng cho Mặt trời và nó hoạt động bằng cách đập hai nguyên tử nặng vào nhau. Muốn làm thế cần một áp suất cực cao và nhiệt độ cực cao nên tái tạo trong phòng thí nghiệm là cực kỳ khó” – Garland giải thích.
Năng lượng được giải phóng khi hợp nhất hai nguyên tử với nhau là rất lớn, và điều quan trọng nữa là không thải ra carbon. Những người biết về cuộc thí nghiệm vừa qua tại NIF cho biết phản ứng nhiệt hạch tạo ra khoảng 2.5 megajoules năng lượng, tức bằng 120% so với 2.1 megajoules năng lượng trong tia laser, có nghĩa, năng lượng đầu ra đã lớn hơn năng lượng đầu vào.
Không giống như phản ứng phân hạch tách nguyên tử được sử dụng trong các nhà máy điện hạt nhân, phản ứng hợp nhất hạt nhân không để lại chất thải phóng xạ và cũng không có nguy cơ tan chảy như thảm hoạ từng xảy ra với một nhà máy điện hạt nhân ở Nhật Bản. Các phản ứng nhiệt hạch không thải carbon, không tạo ra chất thải phóng xạ tồn tại lâu dài và một cốc nhỏ nhiên liệu hydro về mặt lý thuyết có thể cung cấp năng lượng cho một ngôi nhà trong hàng trăm năm!
Nói tóm lại, nếu chúng ta có thể khai thác năng lượng nhiệt hạch, đây sẽ cách mạng hóa năng lượng cho phép tạo ra năng lượng sạch vô tận mà không phải phát thải CO2 vào khí quyển. Nếu bài viết trên FT và những phân tích trên mạng xã hội là chính xác, các nhà khoa học tại LLNL có thể đã đạt được mức tăng năng lượng nhiệt hạch được ký hiệu bằng chữ Q. Trong một thí nghiệm nhiệt hạch, Q > 1 là điều mà các nhà khoa học mơ ước từ lâu. “Đó chắc chắn là bước đột phá lớn, rất lớn!” – Garland nói. “Nếu thí nghiệm được xác nhận, chúng ta đang chứng kiến một khoảnh khắc lịch sử” – Tiến sĩ Arthur Turrell, nhà vật lý plasma, tác giả cuốn sách “The Star Builders” nói.
Thận trọng với đột phá
Một điều cần lưu ý nữa là giống như tất cả ngành khoa học khác, thận trọng là không thừa và không nên thổi phồng quá mức một kết quả chưa được phân tích và kiểm chứng đầy đủ. Phản ứng nhiệt hạch cũng thế.
Còn nhớ vào năm 2013, từng có báo cáo NIF đã đạt được “kỳ tích” này nhưng hoá ra là sai. Tuy nhiên, thời gian gần đây, NIF đã có những bước tiến lớn tiến đến mục tiêu. Vào Tháng Tám, 2021, các nhà nghiên cứu của NIF báo cáo họ đã tái tạo lại năng lượng của Mặt trời trong một thời gian ngắn bằng một phản ứng tự duy trì.
Người phát ngôn của LLNL cho biết vì chưa phân tích xong kết quả thí nghiệm nên chưa thể cung cấp thông tin chi tiết và chứng thực kết quả vào lúc này. Nhưng ngay cả khi thí nghiệm đã được chứng thực cũng không có nghĩa loài người sẽ sớm có được một nguồn năng lượng vô tận.
Có khả năng phản ứng diễn ra tại NIF chỉ kéo dài trong một phần giây (thậm chí ít hơn) và chỉ nên xem là “bước đầu tiên trong hành trình hướng tới năng lượng nhiệt hạch như một công nghệ nghiêm túc, khả thi để cung cấp năng lượng cho thế giới”.
Quan trọng hơn là thí nghiệm cho thấy ý tưởng phản ứng nhiệt hạch có thể đạt tới Q > 1 là hoàn toàn có cơ sở. Dù nhiều nhà khoa học tin rằng các nhà máy điện nhiệt hạch vẫn còn nhiều thập niên nữa mới phổ biến thương mại, nhưng tiềm năng của công nghệ này là rất lớn.
Bước đột phá của Mỹ diễn ra khi thế giới đang phải vật lộn với giá năng lượng cao và yêu cầu phải nhanh chóng ngừng đốt nhiên liệu hóa thạch để ngăn nhiệt độ trung bình toàn cầu vượt quá mức nguy hiểm. Thông qua Đạo luật Giảm lạm phát, chính quyền Biden đang rót gần $370 tỷ vào các khoản trợ cấp mới cho năng lượng ít carbon nhằm cắt giảm khí thải và giành chiến thắng trong cuộc đua toàn cầu về công nghệ sạch thế hệ tiếp theo.
Tại buổi ra mắt chiến lược năng lượng nhiệt hạch mới của Toà Bạch Ốc năm nay, Dân biểu Don Beyer đã mô tả công nghệ nhiệt hạch là “holy grail” của năng lượng sạch, đồng thời nói thêm: “Nhiệt hạch có thể giúp nhiều công dân của thế giới thoát nghèo đói hơn bất cứ điều gì kể từ khi con người phát minh ra lửa”.
Theo Hiệp hội Công nghiệp Nhiệt hạch (Fusion Industry Association), trong 12 tháng tính đến cuối Tháng Sáu, các công ty nhiệt hạch đã huy động được $2.83 tỷ vốn đầu tư, nâng tổng vốn đầu tư của khu vực tư nhân lên gần $4.9 tỷ. Nicholas Hawker (giám đốc điều hành công ty khởi nghiệp First Light Fusion có trụ sở tại Oxford đang phát triển thí nghiệm tương tự như tại NIF) mô tả bước đột phá của NIF là “cột mốc thay đổi cuộc chơi”.
Lê Tây Sơn
Theo SGN News ngày 12 tháng 12, 2022
Be the first to comment