Mang năng lượng sao đến với Trái đất - Phần 1

Sự nhiệt tổng hợp hạt nhân chi phối các ngôi sao, trong đó có mặt trời của chúng ta. Nhưng trên Trái đất, bất chấp những nỗ lực từ thập niên 1940 cho đến nay, sự nhiệt hạch duy trì và có điều khiển dùng cho sản xuất điện vẫn chưa được hiện thực hóa. Sự nghiên cứu vẫn tiếp tục kiên trì, vì một vài nguồn năng lượng có khả năng xanh hơn. Sự nhiệt hạch mang lại nhiều năng lượng hơn bất kì nguồn nào khác tính trên đơn vị khối lượng; nhiên liệu hydrogen nặng của nó có dồi dào trong nước biển; việc đốt cháy nó không tạo ra vết tích của carbon.

Đã có nhiều kế hoạch sản xuất điện nhiệt hạch; hai loại chính là giam cầm từ tính và năng lượng nhiệt hạch quán tính. Một phương pháp có triển vọng đối với năng lượng nhiệt hạch quán tính, gọi là nhiệt hạch ion nặng (HIF), đã được chủ trương từ lâu bởi các nhà khoa học tại Phòng thí nghiệm quốc gia Lawrence Berkeley thuộc Bộ Năng lượng Mĩ (Berkeley Lab).

Trong sự nhiệt hạch quán tính, nhiên liệu là một tấm bia rắn gồm những đồng vị đông lạnh của hydrogen (deuterium, hoặc deuterium và tritium), chúng lập tức nóng lên đến nhiệt độ nhiệt hạch khi bị một chùm sáng laser hoặc dòng hạt năng lượng cao có điều khiển đập lên. Sự nhiệt hạch ion nặng được theo đuổi tại Berkeley Lab sử dụng những chùm ion (các nguyên tử thiếu một hoặc nhiều electron) có điều khiển có khối lượng nguyên tử thường lớn hơn 100 – cesium hoặc xenon. (Để so sánh, sắt có khối lượng nguyên tử 55,85.)

Tuy nhiên, đa số những nỗ lực nghiên cứu sự nhiệt hạch có điều khiển ngày nay liên quan đến sự giam cầm từ tính, với những lò phản ứng phổ biến nhất là những căn buồng hình bánh rán gọi là tokamak. Tokamak cố gắng chứa, nén, và làm nóng một plasma gồm những đồng vị hydrogen nặng bằng từ trường, đủ lâu cho các hạt nhân hợp nhất. Sự nghiên cứu giam cầm từ tính vẫn tiếp tục, nhưng phương pháp năng lượng nhiệt hạch quán tính trong thời gian gần đây đã thu hút sự quan tâm mới.

Hướng đến sự nhiệt hạch ion nặng

Mùa xuân năm 2011, Phân viện Máy gia tốc và Nghiên cứu Nhiệt hạch (AFRD) thuộc Berkeley Lab đã tổ chức một hội thảo về Máy gia tốc cho Sự nhiệt hạch Ion Nặng, thu hút 68 người tham dự đến từ các phòng thí nghiệm quốc gia, trường đại học, và các công ti tư nhân ở Mĩ, Đức, và Nhật Bản. Trong bốn ngày, các thành viên đã tranh luận về những loại nguồn ion tốt nhất, những loại máy gia tốc chùm ion tốt nhất, cái chung giữa các chùm hạt và buồng lò phản ứng, và những loại bia tốt nhất và làm thế nào định vị chúng.

“Có hai thứ đang chi phối sự hứng thú mới khởi phát trở lại trong nghiên cứu sự nhiệt hạch quán tính, và nhất là sự nhiệt hạch ion nặng”, phát biểu của Peter Seidl, chủ tịch ủy ban tổ chức hội thảo trên. “Một là trụ sở của Cơ sở Đánh lửa Quốc gia đã thu được ‘sự cháy và có lợi’, trong đó năng lượng phát ra từ phản ứng nhiệt hạch lớn hơn năng lượng đưa vào để tạo ra nó. Sự đánh lửa là điều kiện thiết yếu của điện nhiệt hạch, một mục tiêu họ hi vọng sẽ sớm đạt tới”.

Mặt trời giải phóng năng lượng khi, dưới áp suất hấp dẫn, các nguyên tố nhẹ kết hợp lại thành những nguyên tố nặng hơn. Các nhà khoa học đi tìm sự nhiệt hạch có điều khiển trên Trái đất bằng những phương pháp khác nhau. Trong một loại nhiệt hạch giam cầm quán tính, những viên nang đồng vị hydrogen đặt bên trong một ống trị (“hohlraum”) được đánh lửa bằng tia X cường độ cao phát ra khi phần bên trong của ống trụ bị chùm laser hay chùm hạt đập vào. Ảnh: NASA TRACE, Cơ sở Đánh lửa Quốc gia Mĩ LLNL

Mặc dù dự tính ban đầu chủ yếu dành cho nghiên cứu vũ khí – bằng cách thử phản ứng nhiệt hạch ở quy mô nhỏ - nhưng Cơ sở Đánh lửa Quốc gia Mĩ (NIF) hoạt động dựa trên laser tại Phòng thí nghiệm quốc gia Lawrence Livermore cũng luôn luôn có mục tiêu quan trọng là chứng minh tiềm năng sản xuất điện nhiệt hạch. Sự đánh lửa “cháy và có lợi” là bước cần thiết đầu tiên để xác thực triển vọng cảu năng lượng nhiệt hạch quán tính.

NIF là một cơ sở trị giá nhiều tỉ đô la sử dụng 192 chùm tia laser công suất cao để đánh lửa những tấm bia cỡ hạt đậu bên trong một ống trụ nhỏ bằng vàng gọi là hohlraum (tiếng Đức có nghĩa là “không gian rỗng”). Cái làm đáng lửa tấm bia không phải là bản thân các chùm laser điều khiển mà là áp suất từ những tia X mà những chùm tia này sinh ra khi chúng bật phản xạ lên thành trong hohlraum.

“Cái thứ hai khơi nguồn hứng thú với sự nhiệt hạch ion nặng là các Viện Hàn lâm Quốc gia sẽ sớm đưa ra một báo cáo về những triển vọng của sự giam cầm quán tính”, Seidl nói. “Sứ mệnh của họ là đánh giá những hệ thống khác nhau, nhận ra các thách thức, và cố vấn cho DOE về một chương trình nghiên cứu sẽ mang lại cơ sở khoa học và công nghệ cho một quyết định xây dựng một nhà máy minh chứng IFE”.

Một tấm bia trong buồng phản ứng nhiệt hạch quán tính ngập trong tia X chia cắt bề mặt của nó, gây ra một hiệu ứng tên lửa nén và làm nóng tấm bia lên cho đến khi đánh lửa và cháy. Để sản xuất điện liên tục, những tấm bia mới sẽ được đưa vào trong buồng 5 đến 10 lần mỗi giây.

Seidl trình bày rằng một cơ sở như vậy nhất thiết phải cỡ quy mô của NIF – nói cách khác là phải lớn – nhưng chỉ dành cho nghiên cứu năng lượng và chứng minh sự sản xuất điện.

Những thiết kế ban đầu cho một lò phản ứng nhiệt hạch ion nặng đòi hỏi những chùm ion công suất cao, sinh ra trong máy gia tốc, tập trung lên một hohlraum cỡ hạt đậu và viên nang nhiệt hạch như cái đã thử nghiệm tại NIF. Các chùm ion sẽ làm nóng hohlraum, thành ra làm viên nang ngập trong tia X. Như thế sẽ chia cắt bề mặt của viên nang nhiệt hạch ở bên trong, tạo ra một hiệu ứng tên lửa sẽ phát nổ và đẩy nó ra. Nhiên liệu sẽ cháy nhanh đến mức nó sẽ được giam cầm đủ lâu để đánh lửa và duy trì sự nhiệt hạch.

Một ưu điểm của sự nhiệt hạch ion nặng là công nghệ quen thuộc của những máy gia tốc hạt. Những máy gia tốc ion nặng hiện có dùng cho nghiên cứu cơ bản, như Máy Va chạm Ion Nặng Tương đối tính (RHIC) tại phòng thí nghiệm quốc gia Brookhaven hay Máy Va chạm Hadron Lớn (LHC) tại CERN (khi khai thác cho va chạm những ion nặng như chì thay cho proton), đã chứng minh một vài đặc điểm cần thiết mà HIF đòi hỏi.

Những cỗ máy này sử dụng năng lượng tần số vô tuyến (RF) để tạo ra một loạt từ trường mạnh làm gia tốc những chùm hạt nhân nguyên tử đến những năng lượng rất cao trong hai chùm chạy ngược nhau. Tuy nhiên, để tạo ra công suất cần thiết, HIF sẽ đòi hỏi nhiều chùm tia hơn, gia tốc nhiều ion trên mỗi chùm hơn.

Các nhà nghiên cứu HIF chọn một kết hợp của năng lượng ion và khối lượng ion cho phép một “ngưỡng ion” ngắn – đủ ngắn cho các ion gửi hầu như toàn bộ năng lượng của chúng ở gần bề mặt của tấm bia. Đây là năng lượng thấp hơn nhiều so với năng lượng ngưỡng trên tại RHIC hoặc LHC, cho thấy một loại máy gia tốc khác là cần thiết cho hiệu quả tối ưu.

>> Xem Phần tiếp theo

Nguồn: Phòng thí nghiệm Lawrence Berkeley