Điều khiển phản ứng nhiệt hạch bằng laser

Sau nhiều năm nghiên cứu và chế tạo dường như không có điểm dừng, cuối cùng thì 1 phức hợp laser khổng lồ trị giá 5 tỷ đô la đã được các nhà khoa học cho ra đời và đạt bước thành công đầu tiên là có thể thực hiện được phản ứng nhiệt hạch tương tự như Mặt Trời. Đây là tiền để mở ra kỷ nguyên mới của nguồn năng lượng gần như là vô tận sử dụng trong tương lai.

Tại 1 cơ sở nghiên cứu kích nổ (NIF) thuộc Phòng thí nghiệm quốc gia Lawrence Livermore, bang California, các nhà khoa học đã ghép 192 tia laser khổng lồ thành 1 phức hợp có kích thước cỡ 1 sân bóng đá và đồng loạt bắn vào 1 khối vàng nhỏ hình trụ chứa nguyên liệu nhiệt hạch và làm nó bay hơi hoàn toàn.

Trên mặt lý thuyết, quá trình trên tạo ra làn sóng tia X vô cùng mạnh mẽ hướng vào hạt nhiên liệu có kích thước nhỏ hơn hạt tiêu, nghiền nát những nguyên tử Hydro bên trong thành Heli và giải phóng nguồn năng lượng vô cùng lớn giống như vụ nổ của 1 quả bom khinh khí thu nhỏ.

Dù vậy trong 4 năm qua kể từ khi phòng thí nghiệm bắt đầu hoạt động từ năm 2009, bước cuối cùng là chuyển hóa nguyên tử Hydro thành Heli đã không thành công hoặc số lượng Heli tạo thành rất ít.

Cuối cùng thì, theo báo cáo mới đây trên tờ Nature thì giai đoạn chuyển hóa cuối cùng dự án đã đạt được bước tiến lớn. Trong 2 thí nghiệm thực hiện hồi tháng 9 và tháng 11 năm ngoái, các nhà khoa học đã phát hiện ra rằng bắn phá Hydro nóng chảy có thể sản sinh ra được nhiều năng lượng hơn so với điều kiện thông thường. Tuy nhiên, phản ứng nhiệt hạch điều khiển bằng laser vẫn còn xa thực tế do chỉ mới có 1% năng lượng laser có thể tiếp cận được với hidro.

Nhà khoa học tại Livermore đồng thời là trưởng của dự án, tiến sĩ Omar A. Hurricane đã chia sẻ: "Chúng tôi đã nhảy múa la hét vì quá sức vui mừng. Chúng tôi đã đạt được 1 bước tiến lớn so với trước đây. Điều này có thể được gọi là 1 bước ngoặc lớn trong tiến độ thực hiện dự án. Nói có vẻ hơi khoa trương, nhưng thật sự là vậy. Chúng tôi đã làm cho nhiên liệu bên trong giải phóng lượng năng lượng chưa từng có so với các nghiên cứu trước".

Các nhà khoa học trong dự án đã đạt được thành công bằng cách thay đổi hình dạng của các xung laser để nung nóng Hydro, hỗn hợp của 2 đồng vị nặng hơn là deuterium và tritium. Nhiệm vụ tiếp theo của các nhà khoa học là tìm cách tăng áp lực để vượt qua các tác nhân trở ngại nhằm tạo thành 1 phản ứng nhiệt hạch quy mô lớn và ổn định hơn. Một ý kiến đề xuất là sẽ thay đổi hình dạng của buồng nguyên liệu từ hình trụ sang tương tự như một quả bóng bầu dục.

Đây là 1 kết quả đầy hứa hẹn trong việc có thể hoàn thiện phản ứng nhiệt hạch. Thành công bước đầu là các hạt nhân Heli đã được tạo thành từ năng lượng phát nổ của các nguyên tử Hydro lân cận. Hiện tại, mới chỉ có 1 lượng nhỏ hidro trong khối nhiên liệu được kết hợp và tiếp cận tới năng lượng từ laser để kích nổ. Các nhà khoa học vẫn phải tìm cách kích hoạt phản ứng dây chuyền để toàn bộ lượng nguyên liệu đều tham gia phản ứng để giải phóng tối đa năng lượng.

Nhà vật lý bà thiên văn học, giáo sư Robert J. Goldston cho biết có thể hình dung toàn bộ chu trình giống như quẹt một que diêm sau đó châm lửa đốt cháy toàn bộ 1 đống gỗ lớn vậy. Và thành công bước đầu của dự án có thể hiểu nôm na là đã "sắp sửa đánh lửa được que diêm". Đây chính là 1 bước tiến quan trọng của dự án.

Từ lâu, các nhà khoa học luôn mong muốn thực hiện phản ứng nhiệt hạch để tạo ra nguồn năng lượng sạch dồi dào hơn nhiên liệu hóa thạch hay năng lượng hạt nhân. Phản ứng hạt nhân vẫn còn mắc phải khuyết điểm là tạo ra các sản phẩm khó phân hủy sau quá trình chia cắt nguyên tử uranium.

Kế hoạch thành lập phòng thí nghiệm kích nổ tại Livermore đã có từ hơn 2 thập kỷ trước để thực hiện các nghiên cứu năng lượng lẫn duy trì vũ khí hạt nhân cho Mỹ. Dự án còn hướng tới việc mô phỏng và kiểm chứng các vụ nổ hạt nhân bằng máy tính thay vì thực hiện thực tế. Tuy nhiên, các thí nghiệm liên tục thất bại cho thấy hiểu biết của các nhà khoa học về phản ứng nhiệt hạch vẫn chưa đầy đủ.

Hồi năm 2012, phòng thí nghiệm đã thất bại trong dự án: kích hoạt phản ứng nhiệt hạch có khả năng tự duy trì và sản sinh ra lượng năng lượng lớn hơn để cung cấp cho hệ thống kích hoạt bằng laser. Bước tiến mới của các thử nghiệm gần đây đã giúp các nhà khoa học có thêm niềm tin cho các thành công trong tương lai. Đồng thời đây cũng là nguyên nhân giúp duy trì phòng thí nghiệm tiêu tốn hàng tỷ đô la hàng năm này.

Tuy nhiên, laser không phải là cách tiếp cận duy nhất mà các nhà khoa học nghĩ tới để khai thác nguồn năng lượng vĩnh cửu. Các nhà khoa học cũng đã thử nghiệm 1 lò phản ứng hình bánh doughnut mang tên tokamaks sử dụng từ trường để chứa và nén nhiên liệu Hydro. Vào cuối những năm 1990, phòng thí nghiệm Joint European Torus tại Anh đã có thể tạo ra được 16 triệu watt điện năng trong 1 khoảng khắc từ phản ứng nhiệt hạch. Mức năng lượng sinh ra đạt 70% mức năng lượng cần thiết để tạo ra phản ứng.

Một dự án quốc tế tương tự mang tên ITER cũng vừa mới bắt đầu xây dựng lò phản ứng tại Pháp và dự kiến sẽ vận hành vào năm 2020.