Khi nào chúng ta có Mặt Trời nhân tạo?

Con người luôn đi tìm những nguồn năng lượng rẻ và sạch hơn, nhưng hai khái niệm đó thường không đi cùng với nhau. Năng lượng hóa thạch rẻ nhưng gây ô nhiễm, năng lượng tái tạo chi phí cao và hiệu quả không cao, còn năng lượng hạt nhân lại có rủi ro về phóng xạ.

Do đó, tìm kiếm một nguồn năng lượng vô tận với chi phí thấp luôn là giấc mơ của con người. Chúng ta đã có thể hình dung về giấc mơ đó với công nghệ phản ứng hợp hạch hay nhiệt hạch, cách tạo ra năng lượng của Mặt Trời, nhưng công nghệ này lại chưa sẵn sàng.

Phản ứng nhiệt hạch chính là phản ứng xảy ra ở trong lõi Mặt Trời, đem lại nguồn năng lượng cho Trái Đất hàng tỷ năm nay. Ảnh: Getty.

Cách tạo ra năng lượng như Mặt Trời

Bên trong lõi Mặt Trời tồn tại một "lò phản ứng hạt nhân". Khác với nguyên lý của các lò hạt nhân hiện tại trên Trái Đất là sử dụng phản ứng phân hạch, một chuỗi phản ứng tách nguyên tử uranium ra để giải phóng năng lượng; quá trình diễn ra trong lõi Mặt Trời là phản ứng nhiệt hạch thực hiện quá trình ngược lại là tổng hợp các nguyên tử với nhau.

Khi 2 hạt nhân hydro hợp nhất với nhau để trở thành heli, chúng tạo ra một nguồn năng lượng khổng lồ. Quá trình này được gọi là phản ứng hợp hạch hay nhiệt hạch. Phản ứng này tạo ra toàn bộ năng lượng, bao gồm cả ánh sáng và nhiệt của Mặt Trời.

Các nhà khoa học sẽ phải tạo ra môi trường với nhiệt độ và áp suất cực lớn, đồng thời phải kiểm soát được đầu ra của năng lượng tạo ra từ phản ứng. Ảnh: Xinhua.

Nếu phản ứng có khả năng được thực hiện trong phòng thí nghiệm, nó có thể cung cấp điện năng tải cơ bản gần như vô hạn với lượng khí thải carbon gần như bằng không. Cách dễ nhất có thể thực hiện trong phòng thí nghiệm là phản ứng tổng hợp của hai đồng vị hydro khác nhau: deuterium và tritium. Sản phẩm của phản ứng là ion helium và neutron. Hầu hết nghiên cứu về phản ứng nhiệt hạch trước đây đều theo đuổi phản ứng này.

Phản ứng tổng hợp deuterium – tritium hoạt động hiệu quả nhất ở nhiệt độ 100.000.000 độ C. Các cuộn dây siêu dẫn được sử dụng để tạo ra một từ trường mạnh hơn khoảng 1 triệu lần so với từ trường của Trái Đất nhằm tạo ra các plasma. Vấn đề của các thí nghiệm phản ứng hợp hạch hiện tại là năng lượng để tạo ra và duy trì phản ứng còn lớn hơn năng lượng thu được.

Giai đoạn tiếp theo của nghiên cứu sẽ liên quan đến một thí nghiệm có tên gọi là ITER đang được xây dựng tại miền nam nước Pháp. Tại lò phản ứng ITER, nguồn nhiệt tạo ra từ phản ứng tương đương nhiệt độ cung cấp để kích hoạt. Về lý thuyết, điều này có thể tạo ra nguồn dư năng lượng. Trước đây, lò phản ứng hợp hạch hiệu quả nhất chỉ tạo ra năng lượng tương đương 67% năng lượng cung cấp.

Hướng đi mới của giới khoa học

Một số nghiên cứu được công bố gần đây cho thấy các nhà nghiên cứu đang tìm một hướng đi khác cho phản ứng nhiệt hạch. Nhà vật lý lý thuyết Heinrich Hora và các đồng nghiệp tại đại học New South Wales đã đăng ký bản quyền cho một công nghệ mới, thay vì sử dụng các đồng vị hydro lại kết hợp nguyên tử hydro và boron. Cụ thể, họ sẽ dùng tia laser cực mạnh để tạo từ trường và tia laser thứ hai để đốt nóng nhiên liệu hydro - boron nhằm mục đích đạt đến điểm đánh lửa nhiệt hạch.

Khi một hạt nhân hydro (một proton đơn) kết hợp với hạt nhân boron-11, nó sẽ tạo ra ba hạt nhân helium chứa nhiều năng lượng. So với phản ứng deuterium – tritium, cách này có ưu điểm khi không tạo ra bất kỳ hạt neutron nào. Lưu trữ neutron tạo ra từ phản ứng nhiệt hạch vốn vẫn là thách thức.

Thách thức của phản ứng kích hoạt bằng laser là độ chính xác và ổn định của tia laser. Ảnh: Lawrence Livermore National Laboratory.

Tuy nhiên, phản ứng hydro – boron rất khó kích hoạt. Giải pháp mà Hora đưa ra là sử dụng tia laser để đốt nóng một viên nhiên liệu nhỏ đến nhiệt độ đánh lửa và một tia laser khác để làm nóng cuộn dây kim loại nhằm tạo ra từ trường chứa plasma. Họ phải sử dụng các xung laser rất ngắn, chỉ vài nano giây. Từ trường của buồng phản ứng hydro - boson phải gấp khoảng 1.000 lần phản ứng deuterium – tritium.

Hora và các đồng nghiệp tuyên bố rằng quá trình của họ sẽ tạo ra một hiệu ứng “tuyết lở” trong viên nhiên liệu, điều đó có nghĩa là sẽ xảy ra nhiều phản ứng tổng hợp khác nhau hơn dự kiến. Nhóm nghiên cứu này nhận định họ có thể tạo ra lò phản ứng nhiệt hạch bền vững trong vòng 5 năm tới. Tuy nhiên, theo Science Alert thì dự báo này là hơi lạc quan.

Đã có nhiều cơ quan tổ chức trên thế giới cố gắng hoàn thành quá trình này. Chẳng hạn, Cơ quan Năng lượng Hoa Kỳ đã từng thử nghiệm bằng cách dùng 192 chùm tia laser chiếu vào một mục tiêu nhỏ và gần đạt đến điều kiện kích hoạt phản ứng. Tuy nhiên, họ chưa thể kiểm soát chính xác góc chiếu tia laser, độ ổn định của tia. Đây là những biến số khiến cho phản ứng chưa thể hoàn thành.

Nếu được đưa vào sử dụng, một nhà máy điện sẽ phải thực hiện chiếu tia laser 10 lần/giây. Trong khi đó, các thử nghiệm mới đạt tần suất nhiều nhất 2 lần/ngày.

Hiện nay, hy vọng lớn nhất để đạt tới năng lượng nhiệt hạch vẫn là dự án ITER, một nỗ lực hợp tác đa quốc gia. Lò phản ứng này có tổng kinh phí 22 tỷ USD, và hiện đã hoàn thành khoảng 65%. ITER sẽ đi vào hoạt động năm 2025.

Bên trong một lò phản ứng nhiệt hạch Hình ảnh được ghi lại bên trong lò phản ứng Wendelstein 7-X đặt tại Đức, cho thấy phản ứng nhiệt hạch diễn ra chỉ trong 1/10 giây, được ghi lại bằng máy quay tốc độ siêu cao.

Quốc Anh