Năng lượng vĩnh cửu: Nín thở chờ một cuộc cách mạng

Khi nói đến ước mơ về một nguồn năng lượng vô hạn, các nhà khoa học đang phải nỗ lực nhiều năm chỉ để tiến từng bước nhỏ một.

Phản ứng hợp hạch, còn gọi là phản ứng tổng hợp hạt nhân hay phản ứng nhiệt hạch là quá trình hai hạt nhân hợp lại với nhau để tạo thành một hạt nhân mới nặng hơn. Phản ứng này có thể giải phóng năng lượng cực lớn thông qua những va chạm tốc độ cao của hạt nhân nguyên tử. Nó chính là nguồn cung cấp năng lượng để đốt cháy Mặt Trời cũng như các ngôi sao khác.

Hiểu được điều này, con người biết rằng phản ứng hợp hạch chính là chìa khóa mở ra nguồn năng lượng vĩnh cửu và lý tưởng cho tương lai. Không một nguồn năng lượng nào có thể so sánh với phản ứng hợp hạch vì nó giải phóng một mật độ năng lượng rất lớn, gấp hàng tỷ lần đốt nhiên liệu hóa thạch, hàng chục lần phản ứng phân hạch mà con người đang khai thác trong các nhà máy điện hạt nhân.

Hơn nữa, nếu sử dụng các đồng vị Hydro cho phản ứng hợp hạch, việc sản xuất năng lượng sẽ hoàn toàn thân thiện với môi trường. Nguồn nguyên liệu Hydro cũng là vô tận trong vũ trụ. Đó là nguyên nhân các nhà khoa học luôn ví phản ứng hợp hạch là một nguồn năng lượng sạch vô tận dành cho con người.

Mặc dù vậy, kích hoạt và kiểm soát một phản ứng hợp hạch là vô cùng khó khăn. Việc kích hoạt cần một nguồn năng lượng rất lớn, ngay cả với các nguyên tử nhẹ nhất như Hydro. Giữ cho phản ứng ổn định và khai thác năng lượng còn là một vấn đề khó hơn thế. Dẫu vậy, các nhà khoa học vẫn miệt mài tìm kiếm và họ liên tục đạt được những kết quả mới.

Tại Mỹ, một nhóm các nhà khoa học đang làm việc độc lập để tìm cách kiểm soát phản ứng nhiệt hạch. Họ sử dụng một cơ chế gọi là đánh lửa nhanh (fast ignition-FI) để khởi động phản ứng hợp hạch bằng laser cường độ cao.

Quá trình này gồm hai giai đoạn. Trước hết, các nhà khoa học cần bắn ra hàng trăm tia laser cực mạnh để nén nhiên liệu nhiệt hạch. Thông thường nó sẽ là hỗn hợp mật độ cao hai đồng vị của Hydro là Deuterium và Tritium.

Tiếp sau đó, một tia laser cường độ cao duy nhất được sử dụng để cung cấp năng lượng nhiệt, nhằm đốt cháy nhiên liệu nén một cách cực nhanh. Trải qua cả hai giai đoạn này một phản ứng nhiệt hạch sẽ được kích hoạt.

Mặc dù mới chỉ trong giai đoạn thử nghiệm, các nhà vật lý đều đồng ý rằng đánh lửa nhanh là một quy trình đầy hứa hẹn để đi đến một phản ứng hợp hạch. Nó đòi hỏi ít hơn nhiều năng lượng so với phương pháp kích hoạt truyền thống.

 

Mô tả quá trình một phản ứng hợp hạch của hai đồng vị Hydro

Chỉ có điều, lý thuyết về tia laser trong đợt bắn thứ 2 gặp phải một vấn đề lớn trong thực tế. Nó cần phải đạt đến khu vực nhiên liệu dày đặc nhất mà trước đó các nhà khoa học không hề biết khu vực này ở đâu.“Chúng tôi đã tìm kiếm nó trong bóng tối”, tiến sĩ Christopher McGuffey một thành viên của nhóm nghiên cứu đến từ Đại học California cho biết.

“Bây giờ, với kỹ thuật mới phát triển, chúng tôi đã có thể hiểu rõ hơn nơi mà nó tồn tại. Vì vậy, ta có thể điều chỉnh cách đánh lửa để cung cấp hiệu quả hơn năng lượng laser tới nhiên liệu”.

Farhat Beg, một đồng nghiệp của McGuffey cũng nhấn mạnh: “Đây là một thách thức nghiên cứu lớn kể từ khi ý tưởng đánh lửa nhanh được đề xuất”. Tuy nhiên, nó lại được giải quyết theo một cách khá đơn giản.

Các nhà khoa học sử dụng một hợp chất của đồng để đánh dấu các viên nén nhiên liệu. Khi một tia laser cường độ cao được bắn vào đó, họ theo dõi chuyển động của chất đánh dấu bằng một màn hình xử lí tín hiện X-quang. Khu vực dày đặc nhất của nhiên liệu sẽ được phát hiện.

Công trình nghiên cứu mới của tiến sĩ McGuffey và cộng sự đã được đăng tải trên tạp chí Nature. Họ ghi nhận rằng kỹ thuật mới cho phép đạt kỷ lục hiệu suất của quá trình đánh lửa. Con số chỉ là 7% nhưng là “một sự cải thiện gấp 4 lần các thí nghiệm trước đó”.

Tái tạo lại hình ảnh từ X-quang cho các nhà khoa học hình dung ra nơi tập trung nhiều nhiên liệu

Chưa dừng lại, sử dụng mô phỏng máy tính, các nhà nghiên cứu dự đoán hiệu suất của quá trình đánh lửa nhanh sẽ tăng lên đến 15%, nếu họ tiếp tục phát triển kỹ thuật này. Điều đó có nghĩa là gì? Liệu nước Mỹ có thể bắt đầu xây dựng một nhà máy điện nhiệt hạch ngay từ bây giờ?

Không hẳn. Như đã nói, đánh lửa nhanh chỉ là một con đường trong giai đoạn kích hoạt phản ứng nhiệt hạch. Những gì chúng ta cần phải làm để kiểm soát quá trình xảy ra phản ứng còn khó khăn hơn nhiều. Điển hình như hiện nay, chưa vật liệu nào có thể chịu được nhiệt độ của phản ứng hợp hạch để khả thi cho chế tạo bình phản ứng.

Dẫu vậy, nghiên cứu mới là cực kỳ có ý nghĩa và thực tiễn. Nó có thể được ứng dụng ngay cho lò phản ứng Wendelstein 7-X mới khánh thành tại Viện Max Planck, Đức cuối năm trước. Cỗ máy khổng lồ trị giá 1,1 tỷ USD và được xây dựng trong 1,1 triệu giờ đồng hồ sẽ tiến hành tìm kiếm những khám phá đầy hứa hẹn trong năm mới 2016. "Hy vọng công việc của chúng tôi sẽ mở ra cánh cửa cho những nỗ lực trong tương lai”, Farhat Beg nói.

Có thể kết lại rằng, khi nói đến ước mơ về một nguồn năng lượng vô hạn, các nhà khoa học đang phải nỗ lực nhiều năm chỉ để tiến từng bước nhỏ một. Nhưng ngay cả khi đó là một bước tiến nhỏ của vài phần trăm trong hiệu suất kích hoạt phản ứng nhiệt hạch, chúng ta cũng đã được truyền cảm hứng về một cuộc cách mạng đang đến gần hơn.