Bình minh mới cho sự nhiệt hạch hạt nhân

Mike Dunne (Physics World, tháng 5/2010)

Khi chúng ta kỉ niệm 50 năm ra đời laser thì một cột mốc thoáng hiện lờ mờ trong thế giới nhiệt hạch laser. Trong bài, Mike Dunne mô tả việc thu được sự đánh lửa – điểm khởi phát của sự nhiệt hạch – với laser lớn nhất thế giới sẽ làm chuyển biến như thế nào cuộc săn tìm nguồn điện năng dồi dào, phi carbon.

Ảnh nhìn bên trong buồng bia tại Cơ sở Đánh lửa Quốc gia Hoa Kì. (Ảnh: Cơ sở Đánh lửa Quốc gia Hoa Kì)

Ba ngày sau khi Theodore Maiman chứng minh được laser ruby đầu tiên của tại phòng thí nghiệm của ông ở Malibu, California, vào tháng 5/1960, một nhà khoa học làm việc cách đấy vài dặm đường tại Phòng thí nghiệm quốc gia Lawrence Livermore đã đi đến ý tưởng sử dụng laser kể khai thác nguồn năng lượng của các sao. Mặc dù các chi tiết cụ thể của dụng cụ của Maiman sẽ không xuất hiện trong vài tuần, nhưng các nhà khoa học đã biết rằng khả năng tập trung năng lượng của laser trong thời gian và không gian sẽ là không có tiền lệ. Một nhà khoa học Livermore tự hỏi, không biết có thể sử dụng laser để hợp nhất các nguyên tử nhỏ lại với nhau để tạo ra một nguyên tử nặng hơn, bền hơn – đồng thời giải phóng những lượng lớn năng lượng trong quá trình đó?

Do mức độ giữ kín bí mật thịnh hành khi ấy về vật chất nguyên tử, nên mất thêm 12 năm nữa thì nhà khoa học trong câu hỏi, John Nuckolls, mới công bố rõ ràng các ý tưởng của ông về sự nhiệt hạch bằng laser trước cộng đồng khoa học rộng rãi hơn. Viết trên tạp chí Nature, Nuckolls và các đồng sự của ông giải thích rằng để cho cơ cấu của họ hoạt động, thì phải xây dựng một laser cỡ lớn – loại có thể nén và làm nóng nhiên liệu nhiệt hạch đến nhiệt độ 10⁸ K và mật độ gấp 1000 lần mật độ chất lỏng, các điều kiện vượt cả những cái tìm thấy tại tâm của Mặt trời.

Đội của Nuckolls tiên đoán rằng một laser với năng lượng 1 kJ và độ dài xung vài ba nano giây sẽ là đủ để kích hoạt quá trình trên, mặc dù một laser lớn hơn nhiều (một vài mega jun, như ước tính) sẽ là cần thiết để tạo ra công suất thực. Thật không may, những thí nghiệm này chứng tỏ rằng hành trình đó sẽ khó khăn hơn nhiều so với tiên đoán: bản thân giá trị ngưỡng có khả năng ở mức mega jun, do yêu cầu phải vượt qua một khoảng không ổn định gây khó khăn cho các nỗ lực hợp nhất năng lượng laser với nhiên liệu và rồi nén nó đến mật độ cần thiết.

Nhưng sau những năm tháng thành công liên tiếp, cuối cùng chúng ta đang bước vào một giai đoạn thật sự hào hứng trong thế giới nhiệt hạch bằng laser. Thập niên qua đã chứng kiến những lượng tiền đầu tư chưa có tiền lệ cho lĩnh vực trên, với mục tiêu chính là chứng minh, một lần và mãi mãi, rằng cơ sở khoa học của sự nhiệt hạch bằng laser thật sự hoạt động. Cơ sở Đánh lửa Quốc gia Hoa Kì (NIF) mới hoàn thành gần đây, đặt tại phòng thí nghiệm nơi Nuckolls đã có ý tưởng lớn của ông cách nay 50 năm, nằm trong số những kết quả xác thực nhất của nỗ lực này. Và hơn một năm sau khi NIF chính thức mở cửa, các nhà khoa học ở đó hiện nay đang ở trên bờ vực đột phá: vượt qua ngưỡng cần thiết cho sự khởi hoạt một phản ứng nhiệt hạch tự duy trì, đưa đến sự giải phóng năng lượng tổng thể lần đầu tiên.

Cơ sở Đánh lửa Quốc gia Hoa Kì (NIF) là laser lớn nhất thế giới. Đặt tại Phòng thí nghiệm quốc gia Lawrence Livermore ở California, nó chiếm 70,000 m² (xấp xỉ hai sân bóng đá) và chứa 8000 đơn vị quang cỡ lớn (mỗi đơn vị đường kính 1m) và 30.000 đơn vị quang nhỏ hơn. Những bộ phận này và bộ phận khác được chứa trong chừng 6000 đơn vị dạng mô đun có thể thay thế nhanh chóng khi cần thiết để đảm bảo sự hoạt động liên tục của cơ sở.

Phối hợp với nhau, 192 chùm laser của cơ sở có thể phân phát 1,8 MJ năng lượng với công suất kết hợp 500 TW (500 × 10¹² W). Giá trị này bằng khoảng 40 lần công suất tiêu thụ trung bình của toàn thế giới, và lớn hơn vài lần so với công suất của toàn bộ ánh sáng mặt trời rơi lên Trái đất. Tất nhiên, công suất này chỉ tồn tại trong một vài nano giây, nên nó chỉ chứa một lượng năng lượng không đáng kể. Nhưng khi năng lượng này được phân phát qua nhiều đường truyền của gian sảnh dài 100 m và tập trung xuống cỡ mili mét tại chính giữa của “buồng bia” đường kính 10 m, thì nó đủ để tạo ra các sóng xung kích với áp suất hàng chục triệu atmosphere.

Áp suất này làm cho viên nhiên liệu nổ tung, buộc các nguyên tử deuterium và tritium bên trong hợp nhất lại với nhau. Để xảy ra như vậy đòi hỏi rất nhiều nỗ lực; chẳng hạn, buồng bia phải giữ chân không để cho phép laser tập trung vào những đốm đường kính chỉ 1 mm, và bản thân viên nhiên liệu phải cực kì tròn và nhẵn, vì bất kì khiếm khuyết nào cũng sẽ khuếch đại theo hàm mũ sau khi nổ.

Ảnh: Cơ sở Đánh lửa Quốc gia Hoa Kì

Thành tựu của mục tiêu 50 năm vàng son này – thuật ngữ kĩ thuật gọi là “sự đánh lửa” – sẽ là một sự kiện thách thức sẽ thúc đẩy sự nhiệt hạch laser từ một hiện tượng vật lí khó nắm bắt đến một quá trình công nghệ có thể tiên đoán, có thể điều khiển sẵn sàng để xử lí một trong những thách thức nổi cộm nhất của xã hội: đó là tìm một nguồn năng lượng đảm bảo, an toàn, và thân thiện với môi trường. Kế hoạch NIF là đảm bảo cột mốc này được đạt tới trong vòng hai năm tới.

Sản xuất sao trong phòng thí nghiệm

Lịch sử của sự nhiệt hạch có thể truy nguyên từ năm 1920, khi Francis William Aston phát hiện thấy bốn hạt nhân hydrogen tách rời thì nặng hơn một hạt nhân helium. Điều này xảy ra vì tính ổn định của helium dẫn đến một tổng khối lượng nghỉ thấp hơn. Trên cơ sở nghiên cứu này, một nhà khoa học người Anh khác, Arthur Eddington, đề xuất rằng Mặt trời có thể thu năng lượng của nó từ sự biến đổi các hạt nhân hydrogen thành hạt nhân helium, giải phóng chưa tới 1% khối lượng ở dạng năng lượng, theo phương trình nổi tiếng của Einstein E = mc². Sau đó, năm 1939, Hans Bethe đã sàng lọc những thực tế này thành một lí thuyết định lượng của sự sản sinh năng lượng trong các sao, cái cuối cùng đã mang về cho ông giải thưởng Nobel vật lí 1968.

Mặc dù Mặt trời và các ngôi sao khác tạo ra sự nhiệt hạch bằng cách sử dụng năng lượng hấp dẫn của chúng để nén hydrogen (và các nguyên tố nặng hơn sau đó), nhưng với mọi nỗ lực trên địa cầu, điều thiết thực hơn là sử dụng một nguồn nhiên liệu gồm deuterium và tritium. Những đồng vị này của hydrogen tương ứng có chứa một và hai neutron. Chúng có tiết diện cao nhất cho sự nhiệt hạch vì chúng có điện tích thấp (mỗi hạt chỉ có một proton) và proton và (các) neutron đó không liên kết chặt chẽ lắm. Trong phản ứng nhiệt hạch cơ bản, deuterium (D) và tritium (T) kết hợp lại tạo thành helium và một proton năng lượng rất cao: ²D + ³T → ⁴He (3.5 MeV) + n (14.1 MeV)

Để cho phản ứng này xảy ra, các hạt cần phải chuyển động ở tốc độ rất cao để vượt qua rào cản Coulomb, vì các ion dương chịu một lực đẩy mạnh dần khi chúng tiến càng đến gần nhau. Điều này có nghĩa là nhiên liệu cần phải được làm nóng đến nhiệt độ khó tin nổi 10⁸ K. Dưới những điều kiện này, các electron bị tước khỏi hạt nhân bố mẹ của chúng, biến nhiên liệu thành một plasma.

Trong một phản ứng nhiệt hạch hạt nhân, các phân tử deuterium và tritium – các đồng vị của hydrogen tương ứng có một và hai neutron – kết hợp lại tạo ra helium và một neutron năng lượng cao.

Yêu cầu phải tạo ra các plasma nhiệt độ cao cho sự nhiệt hạch xảy ra giải thích tại sao sự nhiệt hạch không phải là quá trình chúng ta bắt gặp trong cuộc sống thường nhật trên Trái đất, và tại sao việc khai thác làm nguồn năng lượng lại khó đến mức kinh khủng. Nhưng đây thật sự mang lại một lợi ích lớn: không giống như sự phân hạch hạt nhân, cái có thể dẫn đến một “phản ứng dây chuyền” không điều khiển được, quá trình nhiệt hạch vốn dĩ an toàn vì nhiên liệu “muốn” ì lại, và do đó mất năng lượng ở bất kì cơ hội nào. Và nhờ các ngôi sao, chúng ta biết rõ rằng sự nhiệt hạch hoạt động – chúng ta chỉ cần tìm một cái thay thế cho việc sử dụng lực hấp dẫn của Mặt trời để làm nóng và giam cầm nhiên liệu của chúng ta.

Có hai lộ trình chính để thu được sự giam cầm: hoặc chúng ta có thể giữ plasma trong một từ trường đồng thời làm nóng nó, sử dụng sóng vô tuyến hay các chùm hạt; hoặc chúng ta có thể nén nó đến những mật độ chưa có tiền lệ, sử dụng laser. Cách tiếp cận thứ nhất đã được theo đuổi qua thí nghiệm nhiệt hạch giam cầm từ ITER hiện đang được xây dựng ở Cadarache, Pháp, còn cách thứ hai đã và đang được nghiên cứu tại một vài phòng thí nghiệm – trong đó có NIF – sử dụng một số laser lớn nhất.

>> Xem tiếp phần 2...