Mặt Trời đã cháy sáng trong suốt 4,5 tỷ năm mà không cần oxy, và có thể còn kéo dài khoảng 5 tỷ năm nữa. Cơ chế cháy của Mặt Trời là dạng phản ứng tổng hợp hạt nhân; còn gọi là phản ứng hợp hạch hay phản ứng nhiệt hạch. Hiện nay nhân loại đang tiệm cận đến việc sản xuất năng lượng nhiệt hạch. Liệu nhân loại có sắp được sử dụng năng lượng vô tận và miễn phí?
Cháy là một phản ứng hóa học được diễn ra khi có sự tồn tại của oxy, trong đó năng lượng được giải phóng ra dưới dạng nhiệt, đồng thời nguyên tử carbon kết hợp với oxy và sinh ra các loại khí carbon dioxide (CO2) và carbon monoxite (CO), ngoài ra nguyên tử hydro cũng kết hợp với oxy để tạo thành nước.
Những phản ứng cháy mà con người thấy hàng ngày trên Trái Đất là sự đốt cháy carbon, và nó cần có oxy để duy trì, khi hết oxy thì quá trình đốt cháy carbon cũng dừng lại.
Tuy nhiên, sự cháy sáng của Mặt Trời không phải là một phản ứng cháy trong hóa học như chúng ta biết, mà thực chất đó là dạng phản ứng tổng hợp hạt nhân. Đây là loại phản ứng không cần đến oxy, do đó Mặt Trời không cháy bằng cách sử dụng khí oxy như thông thường mà nó giống như một quả bom khinh khí khổng lồ cháy sáng suốt hàng tỷ năm qua.
Phản ứng nhiệt hạch là gì?
Phản ứng nhiệt hạch, còn gọi là phản ứng hợp hạch hay phản ứng tổng hợp hạt nhân là quá trình hai hạt nhân hợp lại với nhau để tạo thành một hạt nhân mới nặng hơn. Qua cơ chế của phản ứng này, một lượng năng lượng cực lớn sẽ được giải phóng thông qua những va chạm tốc độ cao của hạt nhân nguyên tử.
Hiểu được điều này, con người biết rằng phản ứng hợp hạch chính là chìa khóa mở ra nguồn năng lượng vĩnh cửu và lý tưởng cho tương lai. Không một nguồn năng lượng nào có thể so sánh với phản ứng hợp hạch vì nó giải phóng một mật độ năng lượng rất lớn, gấp hàng tỷ lần đốt nhiên liệu hóa thạch, hàng chục lần phản ứng phân hạch mà con người đang khai thác trong các nhà máy điện hạt nhân.
Lợi ích và khó khăn trong việc tạo ra phản ứng nhiệt hạch
Nhiên liệu thường dùng trong phản ứng tổng hợp hạt nhân là các đồng vị deuterium và tritium của hydrogen. Các đồng vị này có thể trích lấy dễ dàng từ thành phần nước biển, hoặc tổng hợp không mấy tốn kém từ nguyên tử hydrogen.
Hơn nữa, nếu sử dụng các đồng vị Hydro cho phản ứng hợp hạch, việc sản xuất năng lượng sẽ hoàn toàn thân thiện với môi trường. Nguồn nguyên liệu Hydro cũng là vô tận trong vũ trụ. Đó là nguyên nhân các nhà khoa học luôn ví phản ứng hợp hạch là một nguồn năng lượng sạch vô tận dành cho con người.
-
- Hình ảnh mô tả phản ứng tổng hợp hạt nhân giữa hai hạt nhân Hydro thành Heli. (Ảnh: Wikipedia - Phạm vi công cộng)
Mặc dù vậy, kích hoạt và kiểm soát một phản ứng hợp hạch là vô cùng khó khăn. Việc kích hoạt cần một nguồn năng lượng rất lớn, ngay cả với các nguyên tử nhẹ nhất như Hydro. Giữ cho phản ứng ổn định và khai thác năng lượng còn là một vấn đề khó hơn thế. Dẫu vậy, các nhà khoa học vẫn miệt mài tìm kiếm và họ liên tục đạt được những kết quả mới.
Nguyên lý tiếp cận để tạo ra năng lượng vô tận
Tại Mỹ, một nhóm các nhà khoa học đang làm việc độc lập để tìm cách kiểm soát phản ứng nhiệt hạch. Họ sử dụng một cơ chế gọi là đánh lửa nhanh (fast ignition-FI) để khởi động phản ứng hợp hạch bằng laser cường độ cao.
Quá trình này gồm hai giai đoạn. Trước hết, các nhà khoa học cần bắn ra hàng trăm tia laser cực mạnh để nén nhiên liệu nhiệt hạch. Đó là hỗn hợp mật độ cao hai đồng vị của Hydro là Deuterium và Tritium.
Tiếp sau đó, một tia laser cường độ cao duy nhất được sử dụng để cung cấp năng lượng nhiệt, nhằm đốt cháy nhiên liệu nén một cách cực nhanh. Trải qua cả hai giai đoạn này một phản ứng nhiệt hạch sẽ được kích hoạt.
Trong giai đoạn thử nghiệm, các nhà vật lý đều đồng ý rằng đánh lửa nhanh là một quy trình đầy hứa hẹn để đi đến một phản ứng hợp hạch. Nó đòi hỏi ít hơn nhiều năng lượng so với phương pháp kích hoạt truyền thống.
Một số kết quả đến nay
Cho đến nay, các nhà khoa học đã đạt được ngưỡng đánh lửa khoa học, đây quả thực là một bước tiến quan trọng đến nguồn năng lượng vô tận.
Sử dụng mô phỏng máy tính, các nhà nghiên cứu dự đoán hiệu suất của quá trình đánh lửa nhanh sẽ tăng lên đến 15%, nếu họ tiếp tục phát triển kỹ thuật này. Tuy nhiên, đánh lửa nhanh chỉ là một con đường trong giai đoạn kích hoạt phản ứng nhiệt hạch.
Những gì chúng ta cần phải làm để kiểm soát quá trình xảy ra phản ứng còn khó khăn hơn nhiều. Điển hình như hiện nay, chưa vật liệu nào có thể chịu được nhiệt độ của phản ứng hợp hạch để khả thi cho chế tạo bình phản ứng.
Dẫu vậy, nghiên cứu mới là cực kỳ có ý nghĩa và thực tiễn. Hiện nay, ‘Mặt trời nhân tạo đầu tiên’ trên thế giới đã bắt đầu được lắp ráp.
Chúng ta hiện nay hoàn toàn có thể nghĩ đến ước mơ về một nguồn năng lượng vô tận, miễn phí. Các nhà khoa học đang phải nỗ lực nhiều năm chỉ để tiến từng bước một. Nhưng chúng ta cũng đang được truyền cảm hứng về một cuộc cách mạng năng lượng đang đến gần hơn.
(T/h)
