Thành tựu đột phá mới trong công nghệ năng lượng nhiệt hạch và sứ mệnh “giải cứu” loài người

Các nhà khoa học đầu ngành của Bộ Năng lượng Hoa Kỳ vừa đạt được một bước đột phá quan trọng trong sứ mệnh nghiên cứu phản ứng tổng hợp hạt nhân.

Lần đầu tiên trong lịch sử, ở điều kiện phòng thí nghiệm, các nhà nghiên cứu đã có thể tạo ra "mức tăng năng lượng ròng" bằng cách sử dụng phản ứng tổng hợp hạt nhân trong phòng thí nghiệm.

Nói theo cách dễ hiểu, các nhà khoa học đã tạo ra được nhiều năng lượng hơn từ các phản ứng nhiệt hạch so với mức họ sử dụng để bắt đầu quá trình. Cụ thể, Tổng công suất tạo ra nhiều hơn khoảng 150% so với công suất được đưa vào bởi 192 chùm tia laze. Bộ trưởng Năng lượng Mỹ Jennifer Granholm gọi đây là “một bước đột phá khoa học to lớn, có thể ảnh hưởng đến tương lai sống còn của nhân loại”.

Năng lượng nhiệt hạch và sứ mệnh “giải cứu” loài người

Thành tựu trên đạt được tại Cơ sở Đánh lửa Quốc gia Hoa Kỳ (NIF), một tổ hợp laser trị giá 3,5 tỷ đô la tại Phòng thí nghiệm Quốc gia Lawrence Livermore ở California. Trong hơn một thập kỷ, tiêu tốn hàng tỷ USD chi phí, các nhà khoa học NIF đã phải “vật lộn” để đạt được mục tiêu là tạo ra phản ứng nhiệt hạch với mức năng lượng thặng dư vượt hơn mức tiêu thụ, và cuối cùng họ đã đạt được điều đó vào ngày 5 tháng 12 vừa qua. Các nhà nghiên cứu đã sử dụng tia laze để đốt cháy một viên nhiên liệu hydro siêu nhỏ. Các tia laser tạo ra 2,05 megajoules năng lượng, trong khi viên hydro giải phóng khoảng 3,15 megajoules.

Sở dĩ nói đây là thành công quan trọng bởi nó là một cột mốc mà lĩnh vực khoa học nhiệt hạch đã phải mất hơn nửa thế kỷ miệt mài nghiên cứu mới đạt được. Về lý thuyết, loại phản ứng này cho năng lượng gấp 4 lần so với phản ứng phân hạch hạt nhân - quy trình hiện đang được sử dụng trong tất cả các nhà máy điện hạt nhân trên thế giới.

Năng lượng nhiệt hạch trong tương lai được cho là có thể đóng vai trò như một nguồn cung cấp năng lượng sạch, an toàn mà không phát thải khí nhà kính. Tuy nhiên, thành công mà NIF có được mới chỉ là bước đầu trong quá trình hiện thực hóa giấc mơ có lẽ phải mất thêm nhiều thập kỷ nữa con người mới có thể chạm tới. Tony Roulstone, kỹ sư hạt nhân tại Đại học Cambridge, người đã thực hiện một phân tích kinh tế về năng lượng nhiệt hạch, cho biết trừ khi có một bước đột phá thậm chí còn lớn hơn, nếu không thì nhiệt hạch khó có thể đóng vai trò chính trong sản xuất điện trước những năm 2060 hoặc 2070.

Với tốc độ đó, năng lượng nhiệt hạch sẽ không đến đủ sớm để đáp ứng mục tiêu đưa lượng khí thải nhà kính ròng của Mỹ về 0 vào năm 2050 - một mục tiêu mà các chuyên gia cho rằng phải đạt được để tránh những tác động xấu nhất của biến đổi khí hậu.

Sức mạnh Laser

Năng lượng nhiệt hạch từ lâu đã được coi là chất kích thích trí tưởng tượng của các nhà khoa học và kỹ sư hạt nhân. Công nghệ này hoạt động bằng cách "kết hợp" các nguyên tố nhẹ của hydro thành heli, từ đó tạo ra một lượng năng lượng khổng lồ. Đây cũng chính là quá trình mà mặt trời sử dụng để tạo ra năng lượng , và dĩ nhiên nó hiệu quả hơn nhiều so với công nghệ "phân hạch" hạt nhân hiện tại. Hơn nữa, các nhà máy điện nhiệt hạch sẽ tạo ra tương đối ít chất thải hạt nhân, và không làm cạn kiệt nguồn hydro tìm thấy trong nước biển.

Cơ sở nghiên cứu của NIF chứa đựng hệ thống laser mạnh nhất thế giới. Nó được thiết kế để nhắm 192 chùm tia sáng vào một hình trụ nhỏ bằng vàng và uranium cạn kiệt. Bên trong khối hình trụ này là một viên kim cương nhỏ hơn hạt tiêu, cũng là nơi điều kỳ diệu xảy ra — nó chứa đầy hai đồng vị hydro có thể hợp nhất với nhau để giải phóng một lượng năng lượng đáng kinh ngạc.

Khi chùm tia laze được chiếu vào mục tiêu, chúng tạo ra các tia X làm bốc hơi viên kim cương trong một phần rất nhỏ của giây. Sóng xung kích từ sự phá hủy của viên kim cương nghiền nát các nguyên tử hydro, khiến chúng hợp nhất và giải phóng năng lượng.

Tương lai dài hạn

Trước đó vào tháng 8 năm 2021, sau nhiều năm tiến bộ chậm nhưng chắc chắn, các nhà vật lý đã có thể đốt cháy hydro bên trong viên nang, tạo ra một vết cháy tự duy trì. Riccardo Betti, nhà khoa học trưởng của phòng thí nghiệm năng lượng laser tại Đại học Rochester, cho biết quá trình này tương tự như đốt xăng. "Bạn bắt đầu với một tia lửa nhỏ, sau đó tia lửa ngày càng lớn dần, và sau đó vết cháy lan rộng". Quá trình đánh lửa tự đốt cháy này thực sự giống với một quá trình tương tự của đầu đạn nhiệt hạch hiện đại, mặc dù ở quy mô nhỏ hơn nhiều.

Điều quan trọng là các nhà khoa học tạo ra nhiều năng lượng hơn từ viên nang nhỏ bé so với các tia laser đưa vào. Chùm tia laser cần hơn 300 megajoule điện năng để tạo ra khoảng 2 megajoule ánh sáng laser cực tím. Nói cách khác, ngay cả khi năng lượng tạo ra từ các phản ứng nhiệt hạch vượt quá năng lượng từ các tia laser, nó vẫn chỉ chiếm khoảng một phần trăm tổng năng lượng được sử dụng.

Arati Dasgupta, một nhà khoa học hạt nhân của Phòng thí nghiệm Nghiên cứu Hải quân Hoa Kỳ, cho biết tiềm năng dài hạn là đáng kinh ngạc. Trong khi một đống than thải carbon khổng lồ có thể tạo ra điện trong vài phút, thì cùng một lượng nhiên liệu nhiệt hạch có thể vận hành một nhà máy điện trong nhiều năm mà không phát thải carbon dioxide. "Đây là một minh chứng tuyệt vời về khả năng," Dasgupta nói.

Tuy nhiên, vẫn còn nhiều vấn đề kỹ thuật cần phải giải quyết. Chẳng hạn, sẽ cần nhiều viên nang phản ứng để tạo ra đủ năng lượng cung cấp cho lưới điện. Bạn sẽ phải làm điều này rất nhiều lần trong một giây, trong khi NIF hiện có thể thực hiện khoảng một lần "bắn" tia laser mỗi tuần.

Hầu hết các chuyên gia khí hậu đều đồng quan điểm rằng thế giới sẽ phải cắt giảm mạnh lượng khí thải carbon để tránh những tác động xấu nhất của biến đổi khí hậu. Để hạn chế sự nóng lên ở mức 2,7 độ F vào cuối thế kỷ này, thế giới phải giảm gần một nửa sản lượng carbon vào năm 2030. Đây là mốc thời gian ngắn hơn nhiều so với khoảng thời gian cần thiết để phát triển công nghệ phản ứng tổng hợp nhiệt hạch hiệu quả.

Nói theo cách dễ hiểu, thách thức mà các nhà khoa học đang phải vật lộn hiện nay là làm thế nào để sản xuất loại nhiên liệu này ở quy mô lớn hơn. Việc chuyển từ một thí nghiệm nhiệt hạch sang một lò phản ứng phát điện hiện nay có thể ví như chuyển từ đốt củi sang một nhà máy điện than.

Tóm lại, năng lượng nhiệt hạch chắc chắn không thể giúp chúng ta giải quyết cuộc khủng hoảng năng lượng xanh trong tương lai gần, nhưng có thể được coi là “của để dành” của nhân loại trong tương lai.