Các nhà nghiên cứu xác nhận sự đánh lửa khoa học là một bước quan trọng hướng tới phản ứng nhiệt hạch

KATIE SPENCE

Hôm 08/08/2021, các nhà khoa học đã lấy một tia laser có kích thước bằng ba sân bóng bầu dục rồi tập trung tất cả 192 chùm tia sáng của nó vào một viên nang hydro có kích thước bằng một viên đạn BB.

Khi 192 chùm tia laser tập trung vào một khu vực có kích thước nhỏ như vậy, tạo ra nhiệt độ hơn 100 triệu độ và áp suất gấp hơn 100 tỷ lần bầu khí quyển của Trái đất – các điều kiện tương tự như của một ngôi sao.

Quả thực, đó chính là điểm mấu chốt: Để tạo ra sự đánh lửa, và một tương lai cho phản ứng nhiệt hạch, về căn bản các nhà khoa học đang cố gắng tạo ra các mặt trời nhỏ và có thể là một dạng năng lượng xanh vô tận.

Ngoài ra, hôm 08/08, ba bài nghiên cứu được bình duyệt đã xác nhận những gì các nhà nghiên cứu đã khám phá ra trong năm vừa qua.

Đánh lửa nhiệt hạch là việc khả thi trong phòng thí nghiệm, điều mà các khoa học gia đã cố gắng để xác nhận nhưng không thành công từ những năm 1950.

Trong thử nghiệm này, các nhà nghiên cứu tại những phòng thí nghiệm nói trên đã ghi nhận công suất hơn 1.3 megajoules (mJ) trong vòng chưa đầy 4 phần tỷ giây.

Đó là 10 triệu tỷ watt điện nhiệt hạch, khoảng gấp 700 lần công suất phát của toàn bộ lưới điện Hoa Kỳ tại một thời điểm nhất định.

Ông Omar Hurricane, nhà khoa học đứng đầu của chương trình phản ứng nhiệt hạch hãm quán tính thuộc Phòng thí nghiệm Quốc gia Lawrence Livermore (LLNL), cho biết về thí nghiệm này: “Vụ bắn chùm tia laser kỷ lục này là một tiến bộ khoa học lớn trong nghiên cứu nhiệt hạch, giúp chứng minh rằng đánh lửa nhiệt hạch trong phòng thí nghiệm là khả thi tại Cơ sở Đánh lửa Quốc gia (NIF).”

“Đạt được các điều kiện cần thiết cho quá trình đánh lửa đã là một mục tiêu lâu dài đối với tất cả các nghiên cứu phản ứng nhiệt hạch hãm quán tính và mở ra khả năng tiếp cận một chế độ thử nghiệm mới, trong đó sự tự đốt nóng của hạt alpha vượt xa tất cả các cơ chế làm mát trong plasma nhiệt hạch.”

Nói cách khác, trong một thời gian ngắn, các nhà nghiên cứu đã đạt đến nhiệt độ cần thiết để duy trì phản ứng nhiệt hạch, khắc phục được nhu cầu đốt nóng bên ngoài, và tất cả các cơ chế mất mát (các quá trình vật lý làm nguội plasma nhiệt hạch).

Mặc dù nhóm này chưa thể tái tạo cùng công suất nhiệt hạch của thí nghiệm năm 2021, nhưng họ đã có thể đạt được công suất ở mức từ 430 đến 700 kilojoule (một kJ bằng 1,000 jun và một mJ tương đương với 1 triệu jun).

Những nỗ lực lặp lại nhiều lần này đã cho phép các nhà nghiên cứu so sánh và đối chiếu dữ liệu thu được từ những thử nghiệm, cung cấp các manh mối về “điều gì đã thành công và những gì cần thay đổi để trong tương lai có thể tái diễn thử nghiệm đó và vượt qua hiệu suất của nó.”

Ông Hurricane nói: “Đạt được một ‘bằng chứng hiện hữu’ về đánh lửa trong phòng thí nghiệm là việc vô cùng hào hứng.”

“Chúng tôi đang hoạt động trong một điều kiện làm việc mà không có nhà nghiên cứu nào được tiếp cận kể từ khi chấm dứt thử nghiệm hạt nhân và đó là một cơ hội phi thường để mở rộng kiến ​​thức khi chúng tôi tiếp tục đạt được tiến bộ.”

Đánh lửa thành công

Để đạt được phản ứng nhiệt hạch hãm quán tính (phản ứng nhiệt hạch liên quan đến chùm tia laser tập trung vào một viên nhiên liệu nhỏ), trước tiên các khoa học gia phải đáp ứng cái gọi là tiêu chí Lawson. Theo thuật ngữ không chuyên môn, điều đó tương tự như những gì xảy ra khi ngọn lửa tạo ra đủ nhiệt để lan từ nguồn nhiên liệu ban đầu sang khu vực xung quanh ngọn lửa đó.

Trong trường hợp này, nhiệt (năng lượng) từ ngọn lửa đủ để chế ngự nhiên liệu lạnh trước đó và gây ra phản ứng dây chuyền.

Mục tiêu của việc đánh lửa nhiệt hạch cũng tương tự, mặc dù ở quy mô lớn hơn và phức tạp hơn nhiều.

Theo APS Physics, một phản ứng nhiệt hạch chỉ có thể xảy ra trong khí nóng, được ion hóa (plasma) ở nhiệt độ trên 100 triệu độ.

Việc đạt được nhiệt độ đó và giữ mức nhiệt độ đó đủ lâu để tạo ra phản ứng dây chuyền là một thách thức. Từ ví dụ về ngọn lửa nói trên, nếu năng lượng từ ngọn lửa tàn đi trước khi nó làm nóng khu vực xung quanh, thì đám cháy sẽ không lan rộng, tức là không gây ra một phản ứng dây chuyền.

Với phản ứng nhiệt hạch, hai hạt nhân hydro va chạm với một lực đủ lớn để hợp nhất, tạo ra một hạt nhân heli nặng hơn – đúng, các nguyên tố biến đổi. Điều đó tạo ra một lượng năng lượng đáng kể (nhiệt).

Sự đánh lửa xảy ra khi quá trình đó trở thành một vòng phản hồi nhiệt động tự duy trì với nhiệt độ tăng nhanh – khi năng lượng/nhiệt từ phản ứng tổng hợp này đủ để vượt qua các yếu tố làm lạnh và tiếp tục ép các hạt nhân hydro lại với nhau mà không cần ngoại lực (chẳng hạn như chùm tia laser).

Điều quan trọng là việc tổng hợp các nguyên tử hydro phóng ra năng lượng gấp gần 4 triệu lần so với một phản ứng hóa học như đốt cháy dầu, khí đốt, hoặc than đá. Ngoài ra, đánh lửa là một phản ứng tự duy trì không cần đến nhiên liệu hóa thạch, và sản phẩm phụ là heli (một khí trơ, không độc, vô hại).

Do đó, theo nghiên cứu nhiệt hạch quốc tế và siêu dự án kỹ thuật ITER, phản ứng nhiệt hạch là một dạng năng lượng xanh có thể là vô tận.