Sử dụng các tia laze mạnh để tập trung năng lượng khổng lồ vào một kết cấu siêu nhỏ, các nhà khoa học tại Phòng thí nghiệm quốc gia Lawrence Livermore ở California đã tạo ra năng lượng gấp khoảng 1,5 lần so với năng lượng được sử dụng.

Vẫn còn cần nhiều thập kỷ nghiên cứu trước khi năng lượng nhiệt hạch có thể được sử dụng để sản xuất điện trong thế giới thực. Song nếu được khai thác, nó có thể tạo ra năng lượng gần như vô hạn, không có carbon để cung cấp cho nhu cầu điện của nhân loại mà không làm tăng nhiệt độ toàn cầu và làm trầm trọng thêm tình trạng biến đổi khí hậu.

Tại cuộc họp báo ở Washington, các nhà khoa học đã ăn mừng. Ông Marvin Adams, phó quản lý chương trình quốc phòng của Cơ quan An ninh Hạt nhân quốc gia cho biết điều này là khá tuyệt.

Dưới đây là cái nhìn chính xác về phản ứng tổng hợp hạt nhân là gì và một số khó khăn trong việc biến nó thành nguồn năng lượng rẻ và không có carbon.

Phản ứng tổng hợp hạt nhân là gì?

Phản ứng tổng hợp hạt nhân chính là phản ứng cung cấp năng lượng cho Mặt Trời và các ngôi sao khác.

Phản ứng xảy ra khi hai hạt nhân nhẹ hợp nhất để tạo thành một hạt nhân nặng hơn. Theo Bộ Năng lượng Mỹ, vì tổng khối lượng của hạt nhân đơn lẻ đó nhỏ hơn khối lượng của hai hạt nhân ban đầu nên khối lượng còn lại là năng lượng được giải phóng trong quá trình này.

Trong trường hợp của Mặt Trời, sức nóng dữ dội và áp suất do lực hấp dẫn cho phép các nguyên tử vốn không tương thích vẫn có thể hợp nhất với nhau. Các nhà khoa học từ lâu đã hiểu cách thức hoạt động của phản ứng tổng hợp hạt nhân này và đã cố gắng tái tạo quá trình này trên Trái Đất từ những năm 1930.

Những nỗ lực hiện tại tập trung vào việc hợp nhất một cặp đồng vị hydro là deuterium và tritium. Bộ Năng lượng cho biết sự kết hợp cụ thể đó giải phóng “nhiều năng lượng hơn hầu hết các phản ứng nhiệt hạch khác” và cần ít nguồn nhiệt hơn để thực hiện.

Giá trị tiềm năng thế nào?

Ông Daniel Kammen, giáo sư về năng lượng và xã hội tại Đại học California ở Berkeley, cho biết phản ứng tổng hợp hạt nhân mang lại khả năng cung cấp nhiên liệu “không giới hạn” trên lý thuyết, nếu công nghệ này có thể khả thi về mặt thương mại. Các yếu tố cần thiết đều có sẵn trong nước biển.

Đó cũng là một quá trình không tạo ra chất thải phóng xạ của quá trình phân hạch hạt nhân. Bà Carolyn Kuranz, giáo sư Đại học Michigan và là nhà vật lý plasma thực nghiệm, cho biết việc năng lượng tạo ra lớn hơn năng lượng sử dụng là một bước tiến lớn.

Các nhà khoa học trước đây từng cố gắng tái tạo phản ứng tổng hợp hạt nhân thông qua tokamak, một buồng chân không sử dụng nam châm cực mạnh để biến nhiên liệu thành plasma siêu nóng (từ 150 triệu đến 300 triệu độ C), nơi có thể xảy ra phản ứng tổng hợp hạt nhân.

Phòng thí nghiệm Livermore sử dụng một kỹ thuật khác, trong đó các nhà nghiên cứu chiếu tia laser 192 chùm vào một kết cấu nhỏ chứa đầy nhiên liệu deuterium-tritium. Phòng thí nghiệm báo cáo rằng một cuộc thử nghiệm vào tháng 8/2021 đã tạo ra 1,35 megajoules năng lượng nhiệt hạch, bằng khoảng 70% năng lượng được sử dụng.

Phòng thí nghiệm này cho biết, một số thí nghiệm sau đó cho thấy kết quả giảm sút, nhưng các nhà nghiên cứu tin rằng họ đã xác định được các cách để cải thiện chất lượng của kết cấu nhiên liệu và tính đối xứng của laser.

Năng lượng nhiệt hạch có thể giúp chống biến đổi khí hậu?

Phản ứng tổng hợp hạt nhân cần nhiều hơn là nhiệt độ cực cao và áp suất. Nó cũng cần độ chính xác. Theo bà Stephanie Diem, giáo sư vật lý kỹ thuật tại Đại học Wisconsin-Madison, năng lượng từ các tia laser phải được sử dụng một cách chính xác để chống lại lực hướng ngoại của nhiên liệu nhiệt hạch.

Điều này mới chỉ giới hạn ở phòng thí nghiệm, và việc thiết lập phản ứng trong một nhà máy sản xuất điện còn khó khăn gấp bội.

Một trong những khó khăn nữa là tia laser của phòng thí nghiệm chỉ có thể bắn vài lần một ngày. Bà Kuranz cho biết để tạo ra năng lượng một cách hiệu quả, các thao tác cần phải diễn ra cực nhanh, các tia laser phải bắn chính xác và các hạt nhiên liệu phải được đưa vào nhiều lần trong 1 phút.

Một vấn đề khác là tính hiệu quả. Ông Jeremy Chittenden, giáo sư tại Đại học Hoàng gia ở London chuyên về vật lý plasma cho biết. Các tia laser được sử dụng tại Livermore cần rất nhiều năng lượng điện và các nhà nghiên cứu cần tìm ra cách để tiết kiệm chi phí hơn.

Ngoài ra, việc mở rộng quy trình đó thành một nhà máy điện và xây dựng các nhà máy đủ lớn để đáp ứng một phần đáng kể nhu cầu điện ngày càng tăng của thế giới sẽ đòi hỏi phải có đủ vật liệu, đất đai và các quy định rõ ràng cho lĩnh vực này.

Vì vậy, khi nhu cầu về năng lượng nhiệt hạch phát triển trong một thập kỷ hoặc có thể lâu hơn nữa, các quốc gia nên tiếp tục tích cực chuyển sang năng lượng gió và mặt trời, lưu trữ năng lượng, bao gồm pin, năng lượng phân hạch thế hệ tiếp theo và các giải pháp thay thế khác để giảm sự phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch trong cuộc chiến chống biến đổi khí hậu.

Trung Kiên