Vì sao bước đột phá về năng lượng hạt nhân của Mỹ quan trọng

Các nhà khoa học làm việc tại Cơ sở Đánh lửa Quốc gia (NIF). Ảnh: Phòng thí nghiệm quốc gia Lawrence Livermore.

Các nhà khoa học Mỹ hôm 5/12 công bố đã đạt được bước đột phá khi lần đầu thí nghiệm tổng hợp hạt nhân tạo ra thặng dư năng lượng.

Đây được xem là bước đầu trong quá trình tạo ra năng lượng từ phản ứng tổng hợp hạt nhân, điều mà giới khoa học đã dành 7 thập kỷ nghiên cứu.

Mark Herrmann, Giám đốc chương trình vật lý của cơ sở Đánh lửa Quốc gia (NIF), thuộc phòng thí nghiệm quốc gia Lawrence Livermore (California) cảm thấy "tuyệt vời". "Tôi rất tự hào về đội ngũ nghiên cứu".

Phản ứng tổng hợp hạt nhân là gì?

Về cơ bản, phản ứng tổng hợp hạt nhân là quá trình tạo ra nhiệt và ánh sáng từ Mặt Trời hay các ngôi sao khác. Cụ thể hơn, nó là việc các nguyên tử nhẹ va đập vào nhau để tạo ra những nguyên tử nặng hơn, giải phóng một lượng lớn năng lượng trong quá trình này, theo Guardian.

Con người cần trải qua quá trình kỹ thuật rất khắt khe nếu muốn tự tạo ra phản ứng tổng hợp hạt nhân.

Tại NIF, các nhà nghiên cứu bắn 192 chùm tia laser hướng đến một viên nang bằng vàng cỡ hạt đậu, chứa hai đồng vị của hydro là deuteri và triti.

Sức nóng từ những tia laser làm nổ bề mặt viên nang bên ngoài, khiến deuterium và triti bị ép lại với nhau dưới áp suất và nhiệt độ cao.

Khi đó, phản ứng tổng hợp giữa hai đồng vị hydro dẫn đến sự hình thành hạt nhân heli. Do một hạt nhân heli nhẹ hơn so với một deuterium và một triti kết hợp lại, phần khối lượng chênh lệch sẽ được giải phóng dưới dạng các vụ nổ năng lượng.

Nếu nguồn năng lượng đầu vào ổn định, phản ứng dây chuyền sẽ diễn ra, đốt cháy phần còn lại của nhiên liệu hydro và tự tạo chu kỳ duy trì các phản ứng tổng hợp hạt nhân.

Ảnh minh họa về quá trình bắn 192 chùm tia laser vào viên nén bằng vàng, khiến viên nhiên liệu ở giữa phát nổ. Ảnh: Phòng thí nghiệm quốc gia Lawrence Livermore.

Bước đột phá mới

Quá trình "đánh lửa" (ignition) trên được coi là thành công nếu năng lượng sinh ra nhiều hơn năng lượng tiêu thụ.

Đây cũng là đột phá mà các nhà nghiên cứu tại NIF muốn thông báo. Họ nói rằng đã dùng 2,05 MJ năng lượng để đốt nóng nhiên liệu hydro bằng tia laser, và đã tạo ra 3,15 MJ năng lượng.

Đây được xem là những bước tiến ban đầu vì năng lượng thặng dư trong tiến trình trên chỉ là 1,1, tức khoảng 0,3 kWh. Để so sánh, việc đun sôi một ấm nước sẽ cần 0,2 kWh.

Các nghiên cứu về phản ứng tổng hợp hạt nhân đã diễn ra được 70 năm và đây là lần đầu tiên các nhà khoa học chứng minh được hiện tượng "đánh lửa".

Theo Science, NIF bắt đầu dự án "đánh lửa" trị giá 3,5 tỷ USD từ năm 2010, với kỳ vọng dùng các tia laser để tạo ra thặng dư năng lượng trong phản ứng tổng hợp hạt nhân.

Phải mất hơn một thập kỷ, “nhưng họ có thể được khen ngợi vì đã đạt được mục tiêu", Stephen Bodner, người từng đứng đầu chương trình nhiệt hạch laser tại Phòng thí nghiệm Nghiên cứu Hải quân Mỹ ở Washington D.C, nói.

Tiến sĩ Marvin Adams, Phó giám đốc Chương trình Quốc phòng của Cục Quản lý An ninh Hạt nhân Quốc gia thuộc Bộ Năng lượng Mỹ, công bố đột phá về năng lượng hạt nhân hôm 13/12. Ảnh: Reuters.

Tiến sĩ Robbie Scott, thuộc Cơ sở Laser Trung tâm (CLF) của Hội đồng Cơ sở Khoa học và Công nghệ (STFC) và là người tham gia nghiên cứu, mô tả kết quả là "thành tựu quan trọng".

“Phản ứng tổng hợp hạt nhân có khả năng cung cấp nguồn năng lượng gần như vô tận, an toàn, sạch sẽ và không có carbon”, ông nói.

Vẫn còn chặng đường dài

Đây là thành công bước đầu, nhưng vẫn còn quá sớm để nghĩ về kịch bản phản ứng tổng hợp hạt nhân có thể tạo ra năng lượng đủ để cung cấp cho những hộ gia đình, với các nhà máy nhiệt hạch.

Bản thân NIF cũng không được xây dựng để tạo ra năng lượng cho mục đích thương mại. Cơ sở này ban đầu được chỉ định thí nghiệm các vụ nổ nhiệt hạch thu nhỏ và cung cấp báo cáo để đảm bảo tính an toàn, ổn định cho kho vũ khí hạt nhân của Mỹ.

Ông Bodner nói câu hỏi lớn hiện nay là Bộ Năng lượng Mỹ sẽ làm gì tiếp theo: Tăng tốc nghiên cứu vũ khí tại NIF, hay chuyển hướng sang chương trình laser hướng tới nghiên cứu nhiệt hạch.

Thí nghiệm mới nhất chỉ tạo ra thặng dư năng lượng nhỏ, và vốn dĩ nó đã tiêu tốn khoảng hơn 322 MJ để cung cấp năng lượng khởi động các máy bắn laser vào lúc đầu, theo Nature.

Phản ứng dây chuyền từ hạt nhân heli cũng cần xảy ra với tần suất lớn hơn - khoảng 10 lần/giây - và cần có chi phí thấp hơn hơn trước khi phản ứng tổng hợp hạt nhân thực sự có thể được ứng dụng, ngay cả khi để cung cấp năng lượng cho ấm đun nước.

“Bất cứ ai làm việc trong lĩnh vực nhiệt hạch sẽ nhanh chóng chỉ ra rằng vẫn còn một chặng đường dài để đi từ việc chứng minh mức tăng năng lượng cho tới việc ứng dụng vào đời sống", Jeremy Chittenden, giáo sư vật lý plasma tại Đại học Hoàng gia London, nói.