Tính khả thi của năng lượng nhiệt hạch

Vào một buổi sáng tháng 12/2022, các nhà khoa học tại Cơ sở Đánh lửa Quốc gia tại Phòng thí nghiệm Quốc gia Lawrence Livermore ở California, Mỹ (LLNL), lần đầu tiên đã tìm cách tạo ra phản ứng tổng hợp hạt nhân giải phóng nhiều năng lượng hơn mức sử dụng, trong một quá trình được gọi là “đánh lửa”.

Ở thời điểm hiện tại, họ đã tái tạo thành công quá trình đánh lửa ít nhất 3 lần trong năm nay, theo một báo cáo tháng 12 từ LLNL. Điều này đánh dấu một bước quan trọng khác trong tương lai, khi nó có thể trở thành một giải pháp quan trọng cho cuộc khủng hoảng khí hậu toàn cầu, chủ yếu do việc đốt nhiên liệu hóa thạch.

Trong nhiều thập kỷ, các nhà khoa học đã cố gắng khai thác năng lượng nhiệt hạch, về cơ bản là tái tạo năng lượng của mặt trời trên Trái đất. Sau khi đạt được mức tăng năng lượng ròng lịch sử vào năm ngoái, bước quan trọng tiếp theo là chứng minh quy trình này có thể được nhân rộng.

Ông Brian Appelbe, một nhà nghiên cứu từ Trung tâm Nghiên cứu hợp nhất quán tính tại Đại học Hoàng gia Luân Đôn, cho biết, khả năng tái tạo chứng tỏ “độ bền” của quy trình, cho thấy nó có thể đạt được ngay cả khi các điều kiện như tia laser hoặc viên nhiên liệu thay đổi.

Ông Appelbe cho rằng, mỗi thí nghiệm cũng mang lại cơ hội nghiên cứu chi tiết về vật lý đánh lửa. Điều này cung cấp thông tin có giá trị cho các nhà khoa học trong việc giải quyết thách thức tiếp theo cần vượt qua: làm thế nào để tối đa hóa năng lượng có thể thu được.

Không giống như phản ứng phân hạch hạt nhân - quá trình được sử dụng trong các nhà máy hạt nhân trên thế giới ngày nay, được tạo ra bởi sự phân chia nguyên tử, phản ứng tổng hợp hạt nhân không để lại chất thải phóng xạ tồn tại lâu dài. Khi cuộc khủng hoảng khí hậu gia tăng và tính cấp bách của việc loại bỏ nhiên liệu hóa thạch làm nóng hành tinh ngày càng tăng, triển vọng về một nguồn năng lượng sạch, an toàn dồi dào đang rất hấp dẫn.

Phản ứng tổng hợp hạt nhân liên quan đến việc ghép hai hoặc nhiều nguyên tử lại với nhau để tạo thành một nguyên tử đậm đặc hơn, trong một quá trình giải phóng lượng năng lượng khổng lồ.

Có nhiều cách khác nhau để tạo ra năng lượng từ phản ứng tổng hợp, nhưng tại NIF, các nhà khoa học bắn một dãy gần 200 tia laser vào một ống trụ bằng vàng chứa một viên nhiên liệu hydro có kích thước bằng hạt tiêu. Các tia laser làm nóng bên ngoài xi lanh và rất nhanh tạo ra một loạt vụ nổ, hình thành một lượng lớn năng lượng được thu thập dưới dạng nhiệt.

Năng lượng tạo ra vào tháng 12/2022 rất nhỏ - cần khoảng 2 megajoule để cung cấp năng lượng cho phản ứng, giải phóng tổng cộng 3,15 megajoule, đủ để đun sôi khoảng 10 ấm nước. Nhưng từng đó là đủ để khiến nó đánh lửa thành công và chứng minh rằng, phản ứng tổng hợp laser có thể tạo ra năng lượng.

Kể từ đó, các nhà khoa học đã thực hiện thêm nhiều lần nữa. Theo báo cáo, vào ngày 30/7, tia laser NIF đã truyền hơn 2 megajoule tới mục tiêu, tạo ra 3,88 megajoule năng lượng - năng suất cao nhất đạt được cho đến nay, theo báo cáo. Hai thí nghiệm tiếp theo vào tháng 10 cũng mang lại lợi nhuận ròng.

Báo cáo cho biết: “Những kết quả này chứng tỏ khả năng của NIF trong việc tạo ra năng lượng nhiệt hạch một cách nhất quán ở mức nhiều megajoule”.

Tuy nhiên, vẫn còn một chặng đường rất dài cho đến khi phản ứng tổng hợp hạt nhân đạt đến quy mô cần thiết để cung cấp năng lượng cho lưới điện và hệ thống sưởi ấm. Trọng tâm hiện nay là dựa trên những tiến bộ đã đạt được và tìm ra cách mở rộng quy mô đáng kể các dự án nhiệt hạch và giảm đáng kể chi phí.

Tại hội nghị thượng đỉnh về khí hậu COP28 ở Dubai, Các Tiểu vương quốc Ả Rập Thống nhất, đặc phái viên về khí hậu của Mỹ John Kerry đã đưa ra một kế hoạch có sự tham gia của hơn 30 quốc gia với mục đích thúc đẩy phản ứng tổng hợp hạt nhân để giúp giải quyết khủng hoảng khí hậu.

Phát biểu tại cuộc họp về khí hậu, ông Kerry nói: “Có tiềm năng về sự kết hợp để cách mạng hóa thế giới của chúng ta và thay đổi tất cả các lựa chọn trước mắt, đồng thời cung cấp cho thế giới nguồn năng lượng sạch và dồi dào mà không thải ra khí thải độc hại như các nguồn năng lượng truyền thống”.

Vào tháng 12, Bộ Năng lượng Mỹ đã công bố khoản đầu tư 42 triệu USD vào một chương trình tập hợp nhiều tổ chức, bao gồm cả LLNL, để thành lập các “trung tâm” tập trung vào thúc đẩy phản ứng tổng hợp.

Bộ trưởng Năng lượng Mỹ Jennifer Granholm cho biết trong một tuyên bố: “Khai thác năng lượng nhiệt hạch là một trong những thách thức khoa học và công nghệ lớn nhất của Thế kỷ 21. Chúng tôi tin tưởng rằng, năng lượng nhiệt hạch không chỉ có thể mà còn có thể trở thành hiện thực”.