Đột phá trong công nghệ nhiệt hạch
Khác với năng lượng hạt nhân được tạo ra hiện nay bằng phản ứng phân tách hạt nhân, phản ứng nhiệt hạch là phản ứng tổng hợp hạt nhân, không để lại chất thải phóng xạ tồn tại lâu dài.
Các nhà khoa học tại Phòng thí nghiệm quốc gia Lawrence Livermore ở California, Mỹ đã lần đầu tiên thu được năng lượng ròng từ một phản ứng nhiệt hạch. Mức năng lượng thu được gấp khoảng 1,5 lần năng lượng đã sử dụng.
Tia laser 192 chùm được chiếu vào một kết cấu nhỏ chứa nhiên liệu hydro, tạo ra hàng loạt vụ nổ lặp lại cực nhanh với tốc độ 50 lần mỗi giây. Đây là cách các nhà nghiên cứu tái tạo môi trường trên Mặt trời và các vì sao khác, với nhiệt độ cao hàng triệu độ C và áp suất cực lớn.
Trong điều kiện đó, cặp đồng vị hydro là deuterium và tritium sẽ hợp nhất và tạo thành hạt nhân nặng hơn. Vì khối lượng hạt nhân hợp nhất nhỏ hơn tổng khối lượng các hạt nhân ban đầu nên khối lượng dư ra là năng lượng được giải phóng. Trong trường hợp này, năng lượng được giải phóng là khoảng 3 mega-jun, gấp rưỡi so với năng lượng của chùm laser là 2 mega-jun.
Nhiệt hạch - năng lượng sạch của tương lai
Năng lượng nhiệt hạch có tiềm năng cung cấp năng lượng sạch trên quy mô toàn cầu. 1kg nhiên liệu nhiệt hạch chứa năng lượng gấp khoảng 10 triệu lần so với 1kg than, dầu hoặc khí đốt. Phản ứng tạo ra năng lượng nhiệt hạch không phát thải khí nhà kính, nguồn nguyên liệu cho phản ứng nhiệt hạch lại dễ dàng thu được từ nước biển. Các nhà khoa học cho rằng năng lượng nhiệt hạch có thể là lời giải cho thách thức về nguồn cung năng lượng và biến đổi khí hậu.
GS.Steffi Diem - Chuyên ngành Vật lý kỹ thuật, Đại học Wisconsin-Madison phân tích: "Một ví dụ mà tôi thường dùng - nếu bạn muốn biết cần bao nhiêu nhiên liệu từ phản ứng nhiệt hạch để cung cấp năng lượng cho cả cuộc đời mình, dùng cho tất cả mọi thứ từ xe hơi, thiết bị điện tử đến nhà của bạn. Bạn chỉ cần hydro được chiết xuất từ 2 bồn tắm đầy nước, kết hợp với lithium trong 5 chiếc pin máy tính xách tay. Mức năng lượng này tương đương việc đốt cháy 280 tấn than và tạo ra 380 tấn ô nhiễm. Chỉ điều đó thôi cũng cho thấy là chúng ta nên theo đuổi năng lượng nhiệt hạch".
Theo GS.Troy Carter - Giám đốc Viện Khoa học Plasma: "Ưu điểm của nhiệt hạch là bạn có thể đặt nhà máy ở bất cứ đâu bạn cần và vận hành khi nào bạn cần, nó cũng có mật độ năng lượng cao hơn nhiều so với năng lượng mặt trời và gió. Chỉ với một diện tích nhỏ, bạn có thể tạo ra rất nhiều năng lượng, điều này có thể hữu ích cho nhiều dự án trong tương lai như khử muối trong nước biển, hay thậm chí là loại bỏ CO2 khỏi khí quyển. Bạn cần nguồn năng lượng mật độ rất cao để làm việc đó".
GS.Ahmed Hassanein - Chuyên ngành Kỹ thuật Hạt nhân, Đại học Purdue cho biết: "Ưu điểm khác của phản ứng nhiệt hạch là chúng ta không cần các nguyên tố hiếm như urani. Nhiên liệu cho phản ứng nhiệt hạch về cơ bản là nước biển. Chúng ta có 75% bề mặt Trái đất là nước, vì vậy về cơ bản, chúng ta có nguồn cung cấp nhiên liệu vô hạn. Nếu công nghệ nhiệt hạch hoạt động thành công, thì chúng ta có năng lượng suốt cả vòng đời của Trái đất".
Thách thức trong ứng dụng năng lượng nhiệt hạch
Không thể phủ nhận kết quả từ phòng thí nghiệm Lawrence Livermore là một cột mốc quan trọng trong nghiên cứu khoa học về nhiệt hạch. Nhưng các nhà nghiên cứu cũng thừa nhận năng lượng đầu vào cho phản ứng vẫn cần phải lớn hơn khoảng 100 lần nữa mới có thể cho ra năng lượng ròng đủ để tạo được nguồn điện thương mại.
GS.Steffi Diem - Chuyên ngành Vật lý kỹ thuật, Đại học Wisconsin-Madison: "Giờ đây khi chúng ta đã cho thấy có thể tạo ra năng lượng ròng từ phản ứng nhiệt hạch, có 3 thách thức lớn cần giải quyết, đó là duy trì những điều kiện để phản ứng nhiệt hạch xảy ra. Tiếp đó là cần phát triển các vật liệu có thể chịu được những điều kiện khắc nghiệt bên trong lò phản ứng nhiệt hạch. Và thứ ba là cần chứng minh rằng ta có thể tạo ra điện".
Để tạo ra phản ứng nhiệt hạch, lò phản ứng phải đạt nhiệt độ gấp 10 lần nhiệt độ tại tâm mặt trời - khoảng 150 triệu độ C. Không chỉ vậy, lò phản ứng còn phải tạo ra một mạng lưới từ trường vô hình mạnh hơn của Trái đất 80.000 lần để kiểm soát và hạn chế nhiên liệu.
Điều này mới chỉ giới hạn ở phòng thí nghiệm, và việc thiết lập phản ứng trong một nhà máy sản xuất điện khó khăn hơn nhiều lần.
TS.Kim Budil - Giám đốc Phòng thí nghiệm Quốc gia Lawrence Livermore: "Có những rào cản rất đáng kể, không chỉ trong khoa học mà còn về công nghệ. Đây chỉ là một phản ứng nhiệt hạch, để có thể thương mại hóa năng lượng nhiệt hạch thì cần phải có khả năng tạo ra rất nhiều phản ứng nhiệt hạch mỗi phút. Và phải có một hệ thống điều khiển mạnh mẽ để có thể kích hoạt điều đó. Vì vậy sẽ cần thêm hàng thập kỷ nữa".
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. Điều này đòi hỏi những khoản đầu tư khổng lồ.
Bà Jennifer Granholm - Bộ trưởng Năng lượng Mỹ: "Chúng tôi cần khu vực tư nhân tham gia vào cuộc chơi. Đã có những khoản tiền đáng kinh ngạc dành cho bước đột phá trong nghiên cứu này nhưng để thương mại hóa năng lượng hạt nhân thì vẫn cần rất nhiều nghiên cứu cả trong khu vực công và tư. Chúng tôi biết rằng đã có sự quan tâm rất lớn trong cộng đồng tài trợ tư nhân, các công ty khởi nghiệp, và chúng tôi khuyến khích điều đó. Định hướng của Tổng thống Biden là có được một lò phản ứng nhiệt hạch thương mại trong vòng 10 năm tới. Vì vậy, chúng ta phải bắt tay vào việc".
Trong một thập kỷ tới và có thể lâu hơn nữa, năng lượng nhiệt hạch vẫn sẽ được nghiên cứu và phát triển trong các phòng thí nghiệm. Cùng với năng lượng tái tạo như gió và mặt trời, năng lượng nhiệt hạch hứa hẹn là một giải pháp thay thế khác để giảm sự phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch trong cuộc chiến ứng phó với biến đổi khí hậu.
* Mời quý độc giả theo dõi các chương trình đã phát sóng của Đài Truyền hình Việt Nam trên TV Online và VTVGo!