Mike Dunne (Physics World, tháng 5/2010)
Sự nhiệt hạch bằng laser hoạt động như thế nào
Con đường laser dẫn đến sự nhiệt hạch kết hợp chặt chẽ với hai trong số những đóng góp nổi tiếng nhất của Einstein cho khoa học: giải thích của ông về sự phát xạ cảm ứng; và sự định lượng của ông về sự tương đương của khối lượng và năng lượng. Cách tiếp cận cơ bản là một hệ xoay vòng trong đó các viên nhiên liệu deuterium–tritium cỡ bằng bi ổ được đưa vào chính giữa một cái buồng chân không, lớn. Một số chùm laser mạnh được sử dụng để nén nhiên liệu đến mật độ 1000 g cm–3, hay khoảng bằng 100 lần mật độ của chì, trong vài phần triệu của một phần triệu của một giây (10-12 s). Tất nhiên, viên nhiên liệu mật độ cao này sau đó sẽ bị thổi tung ra – nhưng không tức thì. Nó sẽ kiên trì ở mật độ cao trong khoảng thời gian được xác định bởi quán tính của nó và được đặc trưng bởi thời gian cần thiết cho một sóng âm truyền qua đơn vị nổ. Hiện tượng “tự giam cầm” này đưa đến quá trình gọi là “nhiệt hạch giam cầm-quán tính”, và nó cho hệ thời gian vừa đủ để cho phép một phần nhiên liệu (thường khoảng 30%) thật sự biến đổi thành helium và neutron.
Phản ứng nhiệt hạch đầu tiên tạo ra một ion helium để lại năng lượng của nó trong phần nhiên liệu lân cận, nhờ đó cho phép nhiệt độ cao được duy trì và phản ứng nhiệt hạch lan truyền qua khối nhiên liệu. Tuy nhiên, neutron năng lượng cao thì thoát ra, vì nó chỉ tương tác yếu với plasma tích điện. Năng lượng của neutron, do đó, mang vào một “tấm chăn” vật liệu dày bao xung quanh buồng tương tác, làm nóng tấm chăn đó lên khoảng 1000 K. Trong nhà máy điện nhiệt hạch, quá trình trên sẽ được lặp lại khoảng 10 lần mỗi giây, và nhiệt lượng đó sẽ dùng để lái một chu trình tua bin khí tiên tiến, từ đó phát ra điện.
Cơ sở vật lí của sự nhiệt hạch laser thật ra đã được hiểu khá rõ. Ngoài ra, nhờ một loạt thí nghiệm do các nhà khoa học ở Anh và rồi ở Mĩ tiến hành trong thập niên 1980, chúng ta biết rằng sự đánh lửa và sự sản sinh năng lượng có thể thu được ở đây, trên Trái đất này, nếu chúng ta có cỗ máy phát động đủ mạnh. Những thí nghiệm này, sử dụng tia X phát ra của một quả bom nhiệt hạch hạt nhân đang nổ để làm nổ tung các viên nhiên liệu, có thể xem là “những nhát gương chém vào lưỡi cày” minh chứng. Cái còn lại là chứng tỏ rằng có thể dùng laser làm nguồn điều khiển, và chứng minh rằng năng lượng nhiệt hạch sinh ra có thể khai thác ở cấp độ phù hợp với một nhà máy điện đích thực.
Deuterium trong viên nhiên liệu có nguồn gốc từ nước, trong tự nhiên nước chứa khoảng một phân tử D2O trong mỗi 6000 phân tử H2O. Tritium, trái lại, phải sản xuất tại chỗ bằng cách dùng neutron bắn phá các nguyên tử lithium-6, từ đó biến lithium thành tritium và helium. Ở đây, chúng ta có thể sử dụng một thủ thuật dễ hiểu: nếu chúng ta xây dựng tấm chăn bao quanh viên nhiên liệu bằng lithium-6, thì chúng ta có thể sử dụng các neutron sinh ra trong phản ứng nhiệt hạch để tạo ra thêm tritium (đồng thời sản sinh ra nhiệt cho tua bin phát điện). Trong thực tế, chi tiết kĩ thuật phức tạp hơn một chút, vì chúng ta phải đảm bảo rằng có đủ neutron thừa để tạo ra một chu trình khép kín; tuy nhiên, yêu cầu này có thể đạt được bằng cách thêm các chất liệu khác (chủ yếu là lithium-7, beryllium hoặc chì) vào tấm chăn.
Trên phương diện laser, các tiên đoán ban đầu của Nuckolls rằng một laser tương đối nhỏ sẽ là đủ để tạo ra các điều kiện cần thiết hóa ra là đúng chỉ khi nào có tự sự tự do điều khiển vụ nổ ở tốc độ cao tùy ý. Điều này là không thể do các quá trình phi tuyến, không ổn định khác nhau trong đó laser có thể gây ra những “con sóng” electron hoặc ion trong plasma, hoặc làm cho nhiên liệu đang nổ bị vỡ trước khi đạt tới độ nén cần thiết. Thí dụ, khi các laser cường độ cao làm nóng vật chất, chúng có thể chi phối cộng hưởng một dao động trong plasma, từ đó làm cho ánh sáng bị tán xạ khỏi sóng plasma và ngăn không cho nhiên liệu hấp thụ nó một cách hiệu quả. Tuy nhiên, nếu cường độ laser quá thấp, thì sự nổ nhiên liệu bị chi phối ở tốc độ thấp đến mức bất kì khiếm khuyết nào phát sinh từ sự gồ ghề bề mặt hoặc sự không đồng đều laser đều có nguy cơ gây ra sự mất cân bằng thủy động, dẫn tới phá vỡ toàn bộ lớp vỏ đang nổ trước khi nén đến mức trọn vẹn.
Đã mất nhiều thập kỉ để người ta tìm hiểu thỏa đáng những quá trình này, và sự tồn tại cảu chúng có nghĩa là một laser chừng 1000 lần cỡ ban đầu mà Nuckolls nghĩ ra có thể dùng được. Các laser tại NIF – chúng đang hoạt động khá tốt trong pha hoạt động ban đầu của chúng – được thiết kế để giảm bớt sự phát triển của plasma và những sự mất cân bằng thủy động này. Phần nhiều người ta quan tâm đảm bảo một chùm laser đủ “nhẵn”, với quyền điều khiển hồ sơ thời gian của nó để cho phép sự nén giả-đẳng entropy của nhiên liệu bằng cách kích hoạt một loạt chấn động được điều khiển chính xác.
Từ sự nhiệt hạch đến điện năng
Các nhà vật lí chắc chắn rằng NIF sẽ có thể “đánh lửa” một phản ứng nhiệt hạch tự duy trì đến mức sự chú ý hiện nay đang chuyển sang kết thúc cuộc chơi. Vấn đề tiếp theo là làm thế nào khai thác tốt nhất các neutron phát ra theo một kiểu phù hợp với một nhà máy điện đồ sộ, có giá trị thương mại. Một nhà máy như thế trên lí thuyết sẽ hoạt động giống như một động cơ xe hơi, với ba giai đoạn chính.
Trong bước thứ nhất, nhiên liệu - ở dạng một viên cỡ bi ổ thuộc các đồng vị hydrogen băng giá, được giữ ở nhiệt độ khoảng 18 K – được đưa vào một buồng chân không đường kính nhiều mét. Tiếp theo, một “piston” laser nén nhiên liệu bằng cách làm nóng bề mặt bên ngoài của viên nhiên liệu để tại ra một chất khí nóng, giãn nở dạng hình cầu. Để bảo toàn động lượng, phần còn lại của viên nhiên liệu buộc phải chuyển động nhanh vào trong giống như là đè bẹp một quả bóng rỗ xuống kích cỡ của một hạt đậu Hà Lan.
Theo những kế hoạch tiên tiến – tương tự như một động cơ xăng – một laser độc lập khác sau đó được dùng làm “lưỡi cày lửa” để đánh lửa nhiên liệu tại thời điểm độ nén cực đại. Việc thêm laser bổ sung này có thể dẫn đến một hệ hiệu quả hơn (độ khuếch đại cao hơn), nhưng nó không phải là một yêu cầu thiết yếu: nếu chúng ta nén nhiên liệu đủ mức, thì chỉ sự nén thôi đã sinh ra đủ nhiệt để tạo ra “tia lửa” nóng bỏng tại chính giữa của nhiên liệu đang nổ. Khi nhiệt độ đủ cao, và đủ khối lượng nổ đến một mật độ cao thích hợp, sự nhiệt hạch được kích hoạt theo một kiểu tự duy trì. Hạt nhân helium sinh ra từ một phản ứng làm nóng phần nhiên liệu lân cận, còn neutron thoát ra làm nóng tấm chăn bên ngoài để phát điện.
Bước cuối cùng xảy ra khi nhiên liệu đã sử dụng được trút tháo ra khỏi buồng. Tại đây, chu trình lặp lại. Trong động cơ xe hơi, chu trình nhiên liệu được lặp lại khoảng 50-100 lần mỗi giây. Tốc độ lặp lại đối với sự nhiệt hạch laser thì thấp hơn: 10 lần trong một giây sẽ là đủ để phát điện ở cỡ gigawatt, có thể sánh với các nhà máy điện lớn nhất chạy than, khí thiên nhiên hoặc nhiên liệu phân hạch. Tuy nhiên, tốc độ đó đơn giản là chẳng thể đạt tới với NIF, chúng chỉ mới chiếu ra một lần trong mỗi vài ba giờ đồng hồ. Công nghệ mới là cần thiết để biến minh chứng khoa học ở NIF thành một hệ chu trình kín liên tục có thể phát ra điện.
Một dự án nhắm tới việc bắt cầu nối giữa việc đạt được sự đánh lửa và việc xây dựng một nhà máy điện nhiệt hạch thực tế là Cơ sở Nghiên cứu Năng lượng Laser Công suất Cao, hay HiPER. Đứng đầu là nước Anh và bao gồm một đoàn đông đảo 10 quốc gia, gồm các nhà nghiên cứu và các cơ quan tài trợ, mục tiêu của HiPER là chứng minh mức thành tích 10 Hz thuộc mọi công nghệ thành phần cho sự hoạt động cỡ quy mô nhà máy điện trong vòng 10 năm tới. Để làm được yêu cầu này, chúng ta hi vọng các ý tưởng cách tân đang xảy ra ở đâu đó trong ngành khoa học laser, bao công nghệ tốc độ lặp lại cao dùng trong công nghiệp hàn và chế tạo máy, và một vài dự án nghiên cứu laser công suất cao đang triển khai. Một thí dụ thuộc loại thứ hai vừa nói là dự án Cơ sở hạ tầng Cực Sáng (ELI), một nỗ lực trị giá 750 triệu bảng Anh, đứng đầu là Cộng hòa Czech, Hungary và Romania, nhằm tìm cách tạo ra các xung laser với công suất đỉnh lên tới vài trăm petawatt (khoảng 1017 W) sử dụng cùng loại công nghệ laser diode bơm mà HiPER đòi hỏi.
Các viên nhiên liệu dùng trong nhiệt hạch laser là những quả cầu rỗng cỡ quả bi cấu tạo gồm beryllium (thể hiện ở đây), plastic hoặc carbon tỉ trọng cao. Các viên phải cực kì tròn, với bề mặt rất nhẵn, vì bất kì sự bất đồng đều nào sẽ làm cho chùm laser chuyển hóa năng lượng sang nhiên liệu không đều. (Ảnh: Cơ sở Đánh lửa Quốc gia Mĩ).
Trong vài thập niên vừa qua, các laser đã được phát triển ở tốc độ nhanh đến mức chóng mặt, cho phép các nhà nghiên cứu sự nhiệt hạch khai thác sự tăng dần nhanh chóng về công suất và hiệu suất. Sử dụng các laser còn cho phép chúng ta tiến tới một phương pháp lắp ghép, có thể duy trì và dễ dàng nâng cấp lên thiết kế nhà máy điện trong pha thứ hai của HiPER, trong đó chúng ta có kế hoạch xây dựng một cơ sở kết hợp minh chứng khoa học của sự đánh lửa tại NIF với công nghệ laser tốc độ lặp cao. Chiến lược lắp ghép này sẽ giảm thời gian xây dựng, tăng hiệu quả nhà máy điện trong cuộc đời hoạt động của nó, và đảm bảo rằng chúng ta tìm được giải pháp mang tính kinh tế cao nhất.
Đồng thời khi châu Âu đang dành tài nguyên cho HiPER, các nhà khoa học Mĩ đang có kế hoạch cho một lộ trình tương tự với dự án mang tên khéo léo là LIFE (Động cơ Nhiệt Hạch Quán tính Laser). Đứng đầu là các nhà khoa học làm việc ở NIF, dự án này có cùng mục tiêu như HiPER: để chứng minh công nghệ tốc độ lặp cao cần thiết, tích hợp vào một cơ sở cỡ bằng nhà máy điện. Trong khi đó, các nhà khoa học ở Nhật Bản, đã có những kế hoạch rõ ràng cho việc chứng minh phương pháp “động cơ xăng” cho sự phát điện đã mô tả ở trên. Nhờ có những nỗ lực này, có khả năng việc đạt tới sự đánh lửa tại NIF sẽ bác bỏ câu hỏi rằng điện nhiệt hạch laser có thu được hay không, để thay nó bằng một câu hỏi mang tính chính trị hơn là ai là người có khả năng chuyển giao nhà máy điện hoạt động đầu tiên.
Hướng tới một nhà máy điện hoạt động
Thành tựu đánh lửa tại NIF sẽ mang lại sự xác nhận tối hậu cho cơ sở khoa học của năng lượng nhiệt hạch laser, đánh dấu đỉnh cao của sự nỗ lực trong 50 năm qua. Nhưng cột mốc lịch sử thứ hai – một nhà máy điện nhiệt hạch hoạt động – là mục tiêu thật sự, được thúc đẩy bởi nhu cầu kinh tế xác thực, hàm lượng carbon thấp. Như chúng ta đã thấy, các thành phần chủ yếu trong sự nhiệt hạch là deuterium, tìm thấy trong nước, và lithium, có mặt tự nhiên trong đá lửa và một số loại đất sét, cũng như trong nước biển. Trái đất có chứa đủ cả hai thành phần để tồn tại trong hàng thiên niên kỉ. Thật vậy, dựa trên tốc độ tiêu thụ điện năng hiện nay ở nước Anh, chỉ cần một bồn nước và lithium từ hai chiếc pin laptop là đủ để cấp điện cho nhu cầu cả đời của một con người.
Ngoài ra, sự nhiệt hạch không tạo ra sự phát thải khí nhà kính và có tác động thấp đối với môi trường trong suốt chu trình hoạt động của một nhà máy. Sản phẩm thải chính yếu là chất khí trơ helium, và độ phóng xạ còn dư tại bản thân nhà máy sẽ có thể điều khiển bằng các kĩ thuật phân tách thông thường trong khoảng thời gian 100 năm. Các nhà máy nhiệt hạch sẽ có công suất phát cỡ 1-2 GW, khiến chúng thích hợp một cách lí tưởng như các cơ sở lớn, trọng điểm trên hạ tầng cơ sở lưới điện hiện nay. Những lợi ích khác bao gồm môi trường nhiệt độ cao của lớp chăn, cái có thể dùng để sản sinh hydrogen dùng cho pin nhiên liệu hoặc thậm chí để khử muối cho nước. Những ứng dụng rộng rãi này, nhiều như công suất điện của chúng, có thể là yếu tố thiết yếu sẽ xác định giá trị thương mại của các nhà máy điện nhiệt hạch buổi đầu, và do đó cỡ thời gian cho sự chuyển giao thế hệ đầu tiên của các cơ sở nhiệt hạch.
Cơ sở Đánh lửa Quốc gia (NIF) được thiết kế để cung cấp bằng chứng khoa học rằng các laser cỡ lớn có thể đánh lửa và châm ngòi một viên nang nhiên liệu nhiệt hạch, sản sinh “năng lượng nhiệt hạch ra” gấp 10 đến 100 lần so với lượng “năng lượng laser vào” cần thiết để khởi phát phản ứng. Để khai thác năng lượng này làm một nguồn điện, các laser tại NIF sẽ phải hoạt động khoảng 10 lần mỗi giây, với mỗi chùm phân phối một công suất trung bình 10-100 kW và hiệu suất laser (được định nghĩa là “điện năng vào” trên mỗi “năng lượng laser ra”) khoảng 10%. Những mức cao như vậy không thể thực hiện tại NIF, nơi hiệu suất laser chưa tới 1% và công suất trung bình chỉ xấp xỉ 1 W.
Tuy nhiên, các công nghệ laser hiện nay cho thấy có khả năng cải thiện những con số này. NIF sử dụng công nghệ đèn flash để bơm các bộ khuếch đại của nó – các dụng cụ biến đổi ánh sáng “bình thường” không kết hợp thành chùm laser năng lượng cao qua quá trình phát xạ cảm ứng. Các bộ khuếch đại bán dẫn bơm bằng diode laser, trái lại, đã được chứng tỏ hoạt động được tới 100 kW với hiệu suất lớn hơn 10%, mặc dù hiện nay chúng được tối ưu hóa cho chế độ hoạt động sóng liên tục, chứ không phải dạng xung. Các hệ laser xung tiên tiến hiện nay hoạt động ở mức kilowatt. Ảnh trên cho thấy một hệ laser xung tại cơ sở Laboratoire pour l'Utilisation des Lasers Intenses của Pháp, nhìn qua hệ thống quang hội tụ và dẫn hướng đến bộ khuếch đại được bơm phía trước.
Nhiều thiết kế hiện tồn tại cho mức độ hoạt động cần thiết cho một hệ nhiệt hạch laser. Nhìn vào tốc độ phát triển của các hệ laser xung, và sự tài trợ đang được thu hút cho lĩnh vực này cho những ứng dụng rộng rãi hơn, 5 năm tới có khả năng sẽ thấy việc xây dựng và hoạt động của một nguyên mẫu đường dẫn chùm tia. Như với NIF, số lượng nhiều chùm như vậy sẽ được tập trung lên trên một viên nhiên liệu cỡ mili mét.
Trong khi đó, các cơ sở laser dùng trong cuộc theo đuổi sự nhiệt hạch còn có thể khai thác cho nghiên cứu thuần túy. Các chủ đề đa dạng bao gồm từ các nghiên cứu về các quá trình thiên văn vật lí như sự tổng hợp hạt nhân, sự sản sinh tia vũ trụ, các vòi vật chất tiền sao và sự hình thành tinh vân hành tinh, cho đến sự nghiên cứu về lõi của các các hành tinh khí khổng lồ và nguồn gốc của từ trường Trái đất. Các laser còn có thể hỗ trợ cho csc nghiên cứu cơ bản trong các lĩnh vực đa dạng như vật lí nguyên tử, khoa học hạt nhân, sự hỗn độn và sự sản sinh những lượng vĩ mô của vật chất tương đối tính.
Có lẽ quan trọng không kém, các công nghệ thành phần dùng trong nghiên cứu nhiệt hạch – chí ít là bản thân các laser hiệu suất cao, công suất cao – mở ra một ngưỡng rộng các cơ hội spin-off. Ngưỡng này bao gồm từ sự che chắn an toàn trước các chất liệu hạt nhân tại các cảng và sự sản xuất các đồng vị phóng xạ y khoa để điều trị các mô nằm sâu trong cơ thể qua thuật xạ trị, việc xử lí vật liệu cho ngành hàng không và thậm chí sự phát triển của các nguồn sáng thế hệ tiếp theo.
Việc theo đuổi một nguồn năng lượng tương lai dựa trên laser vẫn sẽ đối mặt trước những thử thách công nghệ to lớn về các vật liệu tiên tiến, kĩ thuật cỡ micro, công nghệ laser và các hệ thống nhà máy điện hợp nhất. Nhưng thị trường rộng rãi hơn cho các hệ laser công suất đỉnh cao, công suất trung bình cao cho phép lĩnh vực nhiệt hạch xây dựng từ một cơ sở công nghệ được phát triển tốt, và đến việc vay mượn sự tiến bộ từ những dự án khác để tăng tốc chuyển giao công nghệ. Chúng ta đã chờ 50 năm cho bằng chứng khoa học rằng sự nhiệt hạch có điều khiển là hoạt động. Giờ thì bằng chứng này hầu như đã vượt mặt chúng ta, chúng ta cần phải đảm bảo rằng chúng ta làm chủ được nó để chắc chắn rằng chúng ta không phải đợi thêm 50 năm nữa để thấy nó được sử dụng.
Mike Dunne là giám đốc Cơ sở Laser Trọng điểm tại Phòng thí nghiệm STFC Rutherford Appleton ở Didcot, Oxfordshire, Vương quốc Anh.
Trần Nghiêm dịch
