Làm sao để tạo ra một Mặt Trời nhỏ trên Trái Đất?

[Bùi Minh Nhật]

Phản ứng tổng hợp hạt nhân (nuclear fusion) được xem là "chén thánh" của ngành năng lượng sạch. Nó mô phỏng quá trình tạo ra năng lượng của Mặt Trời nơi các hạt nhân nhẹ kết hợp với nhau để tạo thành hạt nhân nặng hơn và giải phóng ra một lượng năng lượng khổng lồ. Nếu con người có thể kiểm soát được phản ứng này trên Trái Đất, chúng ta sẽ có một nguồn năng lượng gần như vô tận, sạch và an toàn hơn nhiều so với các nguồn truyền thống.

Nguyên lý của phản ứng tổng hợp hạt nhân​

Phản ứng tổng hợp xảy ra khi hai hạt nhân nguyên tử nhẹ, thường là đơteri (²H) và triti (³H) hai đồng vị của hydro kết hợp với nhau dưới nhiệt độ và áp suất cực cao. Khi các hạt nhân này đủ gần nhau, lực hấp dẫn yếu bị vượt qua bởi lực hạt nhân mạnh, dẫn đến sự hợp nhất thành một hạt nhân helium (⁴He), đồng thời giải phóng ra một neutron tự do và một lượng lớn năng lượng dưới dạng nhiệt.


Công thức đơn giản mô tả phản ứng:


scss
Sao chép Chỉnh sửa
²H + ³H → ⁴He + n + năng lượng (~17.6 MeV)


Để xảy ra phản ứng này, nhiên liệu phải được nung nóng đến hàng trăm triệu độ C nóng hơn cả lõi Mặt Trời để tạo thành trạng thái plasma. Trong plasma, các hạt nhân và electron tách rời nhau và chuyển động tự do, tạo điều kiện cho các va chạm đủ mạnh để xảy ra phản ứng.

Công nghệ Tokamak cách con người tái tạo "Mặt Trời nhỏ"​

Một trong những thiết kế phổ biến nhất để thực hiện phản ứng tổng hợp là Tokamak, được phát triển từ Liên Xô vào thập niên 1950. Tokamak là một thiết bị hình vòng xuyến (giống chiếc bánh donut) sử dụng từ trường cực mạnh để giữ cho plasma không chạm vào thành lò phản ứng nếu không, plasma sẽ nguội nhanh và phản ứng ngừng lại ngay lập tức.


Hệ thống Tokamak hiện đại như ITER (đang xây dựng ở Pháp, với sự tham gia của nhiều quốc gia) sử dụng cuộn từ siêu dẫn để duy trì từ trường mạnh, đồng thời dùng sóng vô tuyến và dòng điện cảm ứng để làm nóng plasma đến nhiệt độ cần thiết.


Ngoài Tokamak, còn có các công nghệ khác như:

Stellarator: tương tự Tokamak nhưng từ trường được tạo ra bằng các cuộn dây xoắn phức tạp.
Phản ứng quán tính (Inertial Confinement Fusion): sử dụng tia laser hoặc chùm ion để nén và làm nóng viên nhiên liệu nhỏ trong thời gian cực ngắn.

Tiềm năng ứng dụng nguồn năng lượng sạch cho tương lai​

Phản ứng tổng hợp hạt nhân có nhiều lợi thế so với phản ứng phân hạch (như trong nhà máy điện hạt nhân hiện nay):


Nhiên liệu dồi dào: Đơteri có thể lấy từ nước biển, triti có thể được tạo ra từ lithium cả hai đều phổ biến trên Trái Đất.
Không phát thải CO₂: Quá trình không tạo khí nhà kính như nhiên liệu hóa thạch.
Không gây tai nạn hạt nhân nguy hiểm: Không có phản ứng dây chuyền như phân hạch, nên không lo "nổ lò".
Chất thải phóng xạ thấp: Các sản phẩm phụ ít phóng xạ hơn nhiều so với nhà máy điện hạt nhân truyền thống.

Tuy nhiên, phản ứng tổng hợp vẫn đang trong giai đoạn thử nghiệm. Những thách thức lớn như kiểm soát plasma ổn định, duy trì nhiệt độ cực cao lâu dài, và tạo ra nhiều năng lượng hơn lượng tiêu thụ, vẫn đang được các nhà khoa học tìm cách giải quyết.

Tóm lại, phản ứng tổng hợp hạt nhân mang đến một viễn cảnh hấp dẫn về một thế giới chạy bằng năng lượng sạch, an toàn và gần như vô tận. Dù con đường phía trước còn dài, nhưng với những tiến bộ gần đây, ngày con người tạo ra một “Mặt Trời nhân tạo” phục vụ cho nhu cầu năng lượng có thể không còn quá xa. (popularmechanics)