Nhiệt hạch là gì và tại sao lại khó đạt được như vậy?
15:03 14/06/2021: Năm trăm năm trước, nền văn minh Aztec ở Mexico ngày nay tin rằng mặt trời và tất cả năng lượng của nó được duy trì bằng máu từ sự hy sinh của con người. Ngày nay, chúng ta biết rằng mặt trời, cùng với tất cả các ngôi sao khác, được cung cấp năng lượng bởi một phản ứng gọi là phản ứng nhiệt hạch hạt nhân. Nếu nhiệt hạch hạt nhân có thể được tái tạo trên trái đất, nó có thể cung cấp nguồn năng lượng lý tưởng: sạch, an toàn, giá rẻ và gần như vô hạn để đáp ứng nhu cầu năng lượng của thế giới.
Từ ngày 10 đến 15 tháng 5, các nhà quản lý của các dự án nhiệt hạch, các nhà vật lý plasma và các chuyên gia trong các lĩnh vực khác nhau về khoa học và công nghệ nhiệt hạch sẽ tham dự “Hội nghị năng lượng nhiệt hạch của IAEA lần thứ 28” (FEC 2020). Thảo luận về các vấn đề về vật lý và công nghệ quan trọng cũng như các quan niệm mới có liên quan trực tiếp đến việc sử dụng nhiệt hạch hạt nhân như một nguồn năng lượng trong tương lai, FEC 2020 được tổ chức bằng hình thức trực tuyến và mở cho bất kỳ ai muốn tham dự.
Vậy chính xác thì phản ứng nhiệt hạch hạt nhân xảy ra như thế nào? Nói một cách đơn giản, phản ứng nhiệt hạch hạt nhân là quá trình hai hạt nhân nguyên tử nhẹ hợp lại với nhau để tạo thành một hạt nhân nặng hơn đồng thời giải phóng một lượng lớn năng lượng. Phản ứng nhiệt hạch xảy ra trong một trạng thái vật chất gọi là plasma - một chất khí nóng, tích điện được tạo thành từ các ion dương và các electron chuyển động tự do có những đặc tính riêng biệt với chất rắn, chất lỏng và chất khí.
Để tổng hợp, các hạt nhân cần phải va vào nhau ở nhiệt độ rất cao, trên 10 triệu độ C, để cho phép vượt qua tương tác đẩy giữa chúng. Một khi các hạt nhân vượt qua tương tác đẩy này và đến một phạm vi rất gần nhau, lực hạt nhân hấp dẫn giữa chúng sẽ lớn hơn tương tác đẩy và cho phép hợp nhất. Để điều này xảy ra, hạt nhân phải được hãm trong một không gian nhỏ để tăng khả năng va chạm. Trên mặt trời, áp suất cực lớn do lực hấp dẫn cực lớn tạo điều kiện cho phản ứng nhiệt hạch xảy ra.
Lượng năng lượng tạo ra từ phản ứng nhiệt hạch rất lớn - gấp 4 lần phản ứng phân hạch hạt nhân - và phản ứng nhiệt hạch có thể là cơ sở của các lò phản ứng nhiệt hạch trong tương lai. Các kế hoạch kêu gọi các lò phản ứng nhiệt hạch thế hệ đầu tiên sử dụng hỗn hợp đơteri và triti - những loại hydro nặng. Về lý thuyết, chỉ với vài gam các chất phản ứng này, có thể tạo ra một 1012 Jun (TJ) năng lượng, xấp xỉ năng lượng mà một người ở một nước phát triển cần trong hơn 60 năm.
Vươn tới các vì sao
Lực hấp dẫn cực lớn của mặt trời tạo ra phản ứng nhiệt hạch một cách tự nhiên, nếu không có lực đó thì cần một nhiệt độ cao hơn để phản ứng xảy ra. Trên trái đất, chúng ta cần nhiệt độ hơn 100 triệu độ C và áp suất rất lớn để làm cho đơteri và triti hợp nhất, đồng thời phải khống chế đủ để giữ plasma và duy trì phản ứng nhiệt hạch đủ lâu để đạt được công suất thực, tức là tỷ lệ giữa công suất nhiệt hạch được tạo ra với năng lượng được sử dụng để làm nóng plasma.
Trong khi các điều kiện rất gần với yêu cầu trong một lò phản ứng nhiệt hạch hiện nay thường đạt được trong các thí nghiệm, thì vẫn cần nghiên cứu cải thiện việc khống chế tốc độ cũng như lượng nhiệt của phản ứng và tính ổn định của plasma. Các nhà khoa học và các kỹ sư từ khắp nơi trên thế giới tiếp tục thử nghiệm các vật liệu mới và thiết kế các công nghệ mới để đạt được năng lượng nhiệt hạch.
Nghiên cứu vật lý plasma và nhiệt hạch hạt nhân được thực hiện ở hơn 50 quốc gia, và phản ứng nhiệt hạch đã đạt được thành công trong nhiều thí nghiệm, mặc dù chưa mô phỏng được việc đạt được công suất nhiệt hạch thực. Vậy sẽ mất bao lâu để tái tạo quá trình hoạt động của các vì sao? Điều đó sẽ phụ thuộc vào việc huy động các nguồn lực thông qua quan hệ đối tác và hợp tác toàn cầu. 
Kể từ khi nhiệt hạch hạt nhân được biết đến  vào những năm 1930, các nhà khoa học đã tìm cách tái tạo và khai thác nó. Ban đầu, những nỗ lực này được giữ bí mật. Tuy nhiên, rõ ràng là nghiên cứu phức tạp và tốn kém này chỉ có thể đạt được thông qua sự hợp tác. Tại Hội nghị quốc tế lần thứ hai của Liên hợp quốc về sử dụng năng lượng nguyên tử vì mục đích hòa bình, được tổ chức vào năm 1958 ở Geneva, Thụy Sĩ, các nhà khoa học đã công bố nghiên cứu về nhiệt hạch hạt nhân với thế giới.
IAEA là trung tâm của nghiên cứu nhiệt hạch quốc tế. IAEA ra mắt tạp chí Nhiệt hạch hạt nhân (Nuclear Fusion) vào năm 1960 để trao đổi thông tin về những tiến bộ trong lĩnh vực nhiệt hạch hạt nhân, và hiện được coi là tạp chí hàng đầu trong lĩnh vực này. Hội nghị quốc tế đầu tiên về năng lượng nhiệt hạch của IAEA được tổ chức vào năm 1961 và kể từ năm 1974, IAEA tổ chức hội nghị thường kỳ hai năm một lần để thúc đẩy thảo luận về những phát triển và thành tựu trong lĩnh vực này.
Sau hai thập kỷ đàm phán về thiết kế và vị trí của cơ sở nhiệt hạch quốc tế lớn nhất thế giới, ITER đã được thành lập vào năm 2007 tại Pháp, với mục đích chứng minh tính khả thi về mặt khoa học và công nghệ của việc sản xuất năng lượng nhiệt hạch. Thỏa thuận ITER được ký thác cho Tổng Giám đốc IAEA. Sau ITER, các nhà máy điện nhiệt hạch mô phỏng hoặc thử nghiệm (DEMO) đang được lên kế hoạch để chứng minh rằng phản ứng nhiệt hạch hạt nhân được kiểm soát có thể tạo ra công suất điện thực. IAEA tổ chức các hội thảo về DEMO để tạo điều kiện hợp tác trong việc xác định và điều phối các hoạt động thường xuyên của chương trình DEMO trên toàn thế giới.
Dự kiến, nhiệt hạch hạt nhân có thể đáp ứng nhu cầu năng lượng của nhân loại trong hàng triệu năm. Nhiên liệu nhiệt hạch rất dồi dào và dễ tiếp cận: đơteri có thể được chiết xuất từ ​​nước biển bằng cách không mấy tốn kém, và triti có thể được sản xuất từ ​​liti rất dồi dào trong tự nhiên. Các lò phản ứng nhiệt hạch trong tương lai sẽ không tạo ra chất thải hạt nhân hoạt độ cao , tồn tại lâu và sự cố nóng chảy tại một lò phản ứng nhiệt hạch trên thực tế là không thể.
Điều quan trọng là, nhiệt hạch hạt nhân không thải carbon dioxide hoặc các khí nhà kính khác vào bầu khí quyển, và do đó, cùng với phân hạch hạt nhân có thể đóng vai trò giảm thiểu biến đổi khí hậu trong tương lai như một nguồn năng lượng carbon thấp.
TTĐT, theo IAEA
Tin bài khác
Online: 23
Số lượt truy cập: 6902501
Lên đầu trang
SSL