Phản ứng tổng hợp hạt nhân - nguồn năng lượng của tương lai

Song song với sự phát triển của nhân loại, nhu cầu về năng lượng ngày càng cao, con người đã sử dụng năng lượng từ cây cỏ (chất đốt), từ nguồn hóa thạch (than, dầu mỏ, khí đốt tự nhiên), năng lượng gió, mặt trời, dòng chảy của nước, năng lượng phản ứng phân hạch hạt nhân (nuclear fission), năng lượng sinh học (các loại dầu thực vật, rượu chưng cất từ thực vật)…

Theo dự báo, nguồn nhiên liêu hóa thạch ngày càng cạn kiệt (khoảng trăm năm nữa nguồn nhiên liệu này sẽ hết). Năng lượng sinh học, năng lượng gió, mặt trời, dòng chảy của nước là năng lượng thân thiện với môi trường thiên nhiên không thể đáp ứng được nhu cầu của con người.

Năng lượng từ phản ứng phân hạch hạt nhân (nuclear fission) có tiềm năng khổng lồ, đáp ứng được nhu cầu của con người tưởng chừng như vô tận nhưng nguyên liệu Uranium sẽ có ngày cạn kiệt. Điều quan trọng hơn là vấn đề an toàn hạt nhân. Sự sơ suất của con người (thảm họa Chernobyl..) hay yếu tố bất lợi của thiên nhiên (thảm hoạ kép động đất và sóng thần ở Fukushima) là những thảm họa khủng khiếp cho con người. Và phải kể đến việc xử lý chất thải hạt nhân của cả vạn năm sau vẫn còn nguy hại. Năng lượng từ nguồn hóa thạch và năng lượng phản ứng phân hạch hạt nhân (nuclear fission) không thân thiện với môi trường, gây nên hiệu ứng nhà kính, làm biến đổi khí hậu của trái đất.

Để đáp ứng nhu cầu năng lượng cho nhân loại, bắt buộc con người phải nghiên cứu năng lượng tổng hợp hạt nhân (nuclear fusion). Nó ngược lại với năng lượng phản ứng phân hạch hạt nhân (nuclear fission).

Sau chiến tranh thế giới thứ hai, nước Nga - Xô Viết tiên phong nghiên cứu năng lượng tổng hợp hạt nhân (nuclear fusion), rồi lần lượt Mỹ, Anh, Pháp, Đức, Nhật, Trung Quốc, Hàn Quốc, Thụy Sĩ, Ấn Độ, Nam Phi… Đã gần 70 năm trôi qua, nguồn năng lượng này vẫn chưa được sử dụng, mặc dầu tốn 500 tỷ USD. Riêng năm 2012, Thụy Sĩ chỉ có một lò phản ứng nhỏ cũng phải chi hơn 2 tỷ euro.

Năm 2007, các nước nghiên cứu phản ứng tổng hợp hạt nhân đã cùng nhau đầu tư 9 tỷ USD xây dựng một lò thí nghiệm ở miền nam nước Pháp. Các nhà khoa học ước đoán 50 năm nữa mới có thể có điện từ nguồn năng lượng này. Như vậy phải tốn hơn 120 năm nghiên cứu với hàng nghìn tỷ USD.

Trong khi đó từ khi tìm ra phản ứng phân hạch hạt nhân (nuclear fission) đến khi có nhà máy phát điện chỉ 20 năm (nhà máy điện nguyên tử Obnink đầu tiên của Liên Xô phát điện ngày 27-6-1954).

Năng lượng tổng hợp hạt nhân hoàn toàn dựa trên nguyên lý của nhà bác học vĩ đại Albert Einstein, người Đức gốc Do Thái.

Phản ứng tổng hợp hạt nhân hay còn gọi là phản ứng hợp hạch là hai nhân hợp lại với nhau thành một nhân nặng hơn, trong quá trình hợp nhất phóng thích ra năng lượng khổng lồ. Còn phản ứng phân hạch hạt nhân là sự phân rã hạt nhân phóng thích năng lượng, cùng các tia alpha, beta, gama...

Phản ứng tổng hợp hạt nhân phóng thích năng lượng tùy thuộc vào khối lượng của hạt nhân tham gia, ví dụ: Những nguyên tử nhẹ hơn sắt và Nickel tổng hợp hạt nhân thì phóng thích năng lượng, trong khi các nhân nặng hơn thì hấp thu năng lượng.

Hiện nay, nhiên liệu để phản ứng tổng hợp hạt nhân là đồng vị Deuterium và Tritium của Hydrogen. Các nguyên liệu này có thể tách dễ dàng từ nước biển hoặc tổng hợp với quy mô công nghiệp từ các nguyên tử hydrogen không mấy tốn kém. Nguồn nhiên liệu Hydrogen gần như vô tận trong thiên nhiên. Chỉ cần 1kilogram hỗn hợp Detrium và Tritium (tách từ 1.000 lít nước biển), sẽ tạo ra nguồn năng lượng ngang với 1 tỷ tấn dầu mỏ và gấp chục lần so với nhiên liệu phân hạch Uranium, đồng thời sản phẩm khí thải là Helium, một loại khí hiếm, hoàn toàn không làm nhiễm bẩn môi trường thiên nhiên.

Để làm cho hạt nhân hợp lại với nhau cần một nguồn năng lượng rất lớn, phải tạo ra nhiệt độ cao trên 100 triệu độ, các nhà khoa học dùng chùm laser hội tụ bắn vào nhiên liệu hạt nhân, ép chúng để gây ra phản ứng kết hợp hạt nhân. Với những lò phản ứng thông thường, thành của lò không có một chất nào có thể chịu được nhiệt độ như thế. Người ta phải dùng từ trường khống chế các hạt nhân và nhiệt độ, bảo đảm chúng không va chạm vào thành của lò phản ứng được thực hiện trong điều kiện ít tốn kém và hiệu quả cao nhất.

Đầu tiên nguyên tử hóa các phân tử, ion hóa hoàn toàn tất cả các nguyên tử, đồng thời tách loại electron để biến nhiên liệu của phản ứng hoàn toàn trở thành hạt nhân không có electron ở thể plasma. Sau đó cần phải có động năng cực kỳ lớn cho các hạt nhân vượt qua tương tác đẩy Coulomb giữa chúng mà va vào nhau, nhiệt độ cần thiết có thể lên tới hàng trăm triệu độ C. Trong khi đó nhiệt độ của tâm mặt trời chỉ 15 triệu độ C. Khi các nguyên tử nhẹ được kết hợp thành nguyên tử nặng hơn, giải phóng một neutron tự do sẽ phóng thích nhiều năng lượng hơn năng lượng nạp ban đầu. Các lò phản ứng hiện nay mới thu được 9/10 năng lượng nạp vào, có nghĩa là vẫn lỗ 1/10 năng lượng. Muốn sản xuất ra điện thì phải đạt hơn cả trăm lần năng lượng nạp vào.

60 năm trước, các nhà khoa học Nga đã chế tạo ra thiết bị tạo một từ trường hình xuyến để giam giữ plasma và nhiệt độ bên trong (thiết bị này có tên gọi Tokamak, do hai nhà bác học Igor Tamm và Andrei Sakharov sáng chế ra). Ngày nay đã có nhiều thiết bị giữ plasma và nhiệt độ nhưng Tokamak là thiết bị có nhiều triển vọng nhất. Đặc trưng của Tokamak là có trục đối xứng tròn xoay và sử dụng dòng plasma để tạo ra thành phần xoáy của từ trường cần thiết nhằm tạo ra sự cân bằng ổn định.

Hiện nay, các nhà khoa học chỉ thực hiện phản ứng tổng hợp hạt nhân nhiều nhất là 10 phút. Lò phản ứng của trường đại học liên bang Thụy Sĩ ở Lausanne chỉ thực hiện được 4 giây. Mục tiêu nghiên cứu là phản ứng phải liên tục, plasma và nhiệt độ phải được giam bên trong, không cho chúng va vào thành của lò phản ứng. Và mục đích sử dụng nhiệt để tạo ra điện năng.

Plasma là chất khí ở mật độ thấp bị ion hóa hoàn toàn, trung hòa về điện (ion dương và ion âm xấp xỉ bằng nhau) plasma có tính dẫn điện và chịu tác động của từ trường-plasma vẫn giữ vai trò đặc biệt trong việc tạo ra phản ứng tổng hợp hạt nhân có điều khiển. Plasma có đặc tính khác hẳn so với các vật thể thông thường của vật chất (rắn, lỏng, khí) do đó nhiều nhà khoa học xem plasma là trạng thái tồn tại thứ tư của vật chất.

Trên trái đất, plasma chỉ tồn tại trong ngọn lửa, tia sét, tầng ion hóa, bắc cực quang… nhưng trái đất vô cùng nhỏ bé trong vũ trụ, hầu hết vì sao trong vũ trụ ở dạng plasma, 99% vật chất trong vũ trụ mà ta có thể nhìn thấy tồn tại ở dạng plasma. Những vật chất tồn tại trên Mặt trời dưới dạng plasma, những plasma này không thể bay ra khỏi Mặt trời vì trọng lượng và sức hút quá lớn của nó (trọng lượng của Mặt trời lớn hơn Trái đất 332.946 lần).

Trong tương lai không xa, con người xem năng lượng tổng hợp hạt nhân là nguồn năng lượng chính (sử dụng theo năng lượng phản ứng trực tiếp hay dưới dạng năng lượng điện), sử dụng hầu hết phương tiện đi lại, sản xuất, sinh hoạt, nghiên cứu khoảng không vũ trụ... Nếu chúng ta chế tạo tàu vũ trụ có động cơ được cung cấp năng lượng bằng phản ứng tổng hợp hạt nhân, thời gian bay của một con tàu vũ trụ từ quỹ đạo trái đất tới sao Hỏa có thể rút ngắn 6 tháng xuống chưa đầy 6 tuần. Điều đó có nghĩa là các chuyến bay tới những hành tinh trong Thái dương hệ sẽ được tiến hành bất cứ khi nào con người muốn, không còn phải chờ đợi một thời điểm phóng sao cho hành trình của tàu là ngắn nhất. Nguyên tắc là duy trì một lò phản ứng tổng hợp hạt nhân trên boong tàu và phóng một ít năng lượng ra phía sau của tàu để tạo lực đẩy. Các nhà khoa học đã cố gắng chứa plasma siêu nóng của những ion nhiễm điện cần cho phản ứng tổng hợp hạt nhân.

Tất nhiên, việc chế ngự phản ứng tổng hợp không phải là nhiệm vụ dễ dàng nhưng nhất định chúng ta sẽ thành công.

GS.TS Nguyễn Lam Thủy (Nguồn: NDĐT)