Các nhà khoa học Mỹ đã công bố cái mà họ gọi là bước đột phá lớn trong mục tiêu tạo ra năng lượng từ phản ứng tổng hợp hạt nhân.
Bộ Năng lượng Hoa Kỳ cho biết vào ngày 13 tháng 2022 năm XNUMX, rằng lần đầu tiên—và sau nhiều thập kỷ cố gắng—các nhà khoa học đã thu được nhiều năng lượng hơn từ quá trình này so với mức họ phải đưa vào.
Nhưng sự phát triển có ý nghĩa như thế nào? Và giấc mơ hợp hạch cung cấp năng lượng sạch, dồi dào còn bao xa nữa? Carolyn Kuranz, phó giáo sư kỹ thuật hạt nhân tại Đại học Michigan, người đã từng làm việc tại cơ sở vừa phá kỷ lục nhiệt hạch, giúp giải thích kết quả mới này.
Chuyện gì đã xảy ra trong Phòng Dung hợp?
Fusion là phản ứng hạt nhân kết hợp hai nguyên tử để tạo ra một hoặc nhiều nguyên tử mới có tổng khối lượng nhỏ hơn một chút. Sự khác biệt về khối lượng được giải phóng dưới dạng năng lượng, như được mô tả bởi phương trình nổi tiếng của Einstein, E = mc2 , trong đó năng lượng bằng khối lượng nhân với bình phương tốc độ ánh sáng. Vì tốc độ ánh sáng là rất lớn, nên việc chuyển đổi chỉ một khối lượng rất nhỏ thành năng lượng—giống như những gì xảy ra trong phản ứng tổng hợp—cũng tạo ra một lượng năng lượng khổng lồ tương tự.
Các nhà nghiên cứu tại chính phủ Hoa Kỳ Cơ sở đánh lửa quốc gia ở California lần đầu tiên đã chứng minh cái được gọi là “đánh lửa nhiệt hạch”. Đánh lửa là khi một phản ứng nhiệt hạch tạo ra nhiều năng lượng hơn năng lượng được đưa vào phản ứng từ một nguồn bên ngoài và trở nên tự duy trì.
Kỹ thuật được sử dụng tại Cơ sở đánh lửa quốc gia liên quan đến việc bắn 192 tia laze vào một Viên nhiên liệu 0.04 inch (1 mm) làm từ đơteri và tritium—hai phiên bản của nguyên tố hydro có thêm neutron—được đặt trong một hộp bằng vàng. Khi các tia laze chiếu vào hộp, chúng tạo ra tia X làm nóng và nén viên nhiên liệu đến mật độ chì gấp khoảng 20 lần và đạt nhiệt độ hơn 5 triệu độ F (3 triệu độ C)—nóng hơn khoảng 100 lần so với bề mặt của hộp. mặt trời. Nếu bạn có thể duy trì những điều kiện này trong một thời gian đủ dài, nhiên liệu sẽ nóng chảy và giải phóng năng lượng.
Nhiên liệu và ống đựng bị bốc hơi trong vòng vài phần tỷ giây trong quá trình thử nghiệm. Sau đó, các nhà nghiên cứu hy vọng thiết bị của họ vẫn tồn tại dưới sức nóng và đo chính xác năng lượng giải phóng bởi phản ứng nhiệt hạch.
Vậy họ đã đạt được điều gì?
Để đánh giá mức độ thành công của một thí nghiệm nhiệt hạch, các nhà vật lý xem xét tỷ lệ giữa năng lượng giải phóng từ quá trình hợp hạch và lượng năng lượng bên trong các tia laser. Tỷ lệ này là được gọi là đạt được.
Bất cứ điều gì vượt quá mức tăng của một có nghĩa là quá trình nhiệt hạch giải phóng nhiều năng lượng hơn so với các tia laze được cung cấp.
Vào ngày 5 tháng 2022 năm 15, Cơ quan Đánh lửa Quốc gia đã bắn một viên nhiên liệu có năng lượng laze hai triệu joules—tương đương với lượng điện năng cần thiết để chạy một máy sấy tóc trong XNUMX phút—tất cả được chứa trong vòng vài phần tỷ giây. Điều này gây ra một phản ứng nhiệt hạch mà phát hành ba triệu joules. Đó là mức tăng khoảng 1.5, phá vỡ kỷ lục trước đó về mức tăng 0.7 mà cơ sở đạt được vào tháng 2021 năm XNUMX.
Kết quả này lớn như thế nào?
Năng lượng nhiệt hạch đã trở thành “chén thánh” sản xuất năng lượng cho gần nửa thế kỷ. Mặc dù mức tăng 1.5, tôi tin rằng, là một bước đột phá khoa học thực sự mang tính lịch sử, nhưng vẫn còn một chặng đường dài phía trước trước khi nhiệt hạch là một nguồn năng lượng khả thi.
Trong khi năng lượng laze 2 triệu joules thấp hơn năng suất nhiệt hạch 3 triệu joules, cơ sở đã tiêu tốn gần 300 triệu joules để sản xuất tia laser được sử dụng trong thí nghiệm này. Kết quả này đã chỉ ra rằng có thể đánh lửa nhiệt hạch, nhưng sẽ mất rất nhiều công sức để cải thiện hiệu quả đến mức mà phản ứng nhiệt hạch có thể mang lại năng lượng hoàn toàn tích cực khi xem xét toàn bộ hệ thống từ đầu đến cuối, không chỉ một tương tác đơn lẻ giữa laser và nhiên liệu.
Những gì cần phải được cải thiện?
Có một số mảnh ghép của câu đố nhiệt hạch mà các nhà khoa học đã liên tục cải thiện trong nhiều thập kỷ để tạo ra kết quả này và công việc tiếp theo có thể làm cho quá trình này hiệu quả hơn.
Đầu tiên, laser chỉ được phát minh trong 1960. Khi chính phủ Mỹ hoàn thành xây dựng Cơ sở đánh lửa quốc gia năm 2009, đó là cơ sở laser mạnh nhất trên thế giới, có thể cung cấp một triệu joules năng lượng cho một mục tiêu. Hai triệu joules mà nó tạo ra ngày nay có năng lượng gấp 50 lần so với tia laser mạnh nhất tiếp theo trên Trái đất. Các tia laze mạnh hơn và các cách ít tốn năng lượng hơn để tạo ra các tia laze mạnh đó có thể cải thiện đáng kể hiệu quả tổng thể của hệ thống.
Điều kiện nhiệt hạch là rất khó khăn để duy trì, và bất kỳ khiếm khuyết nhỏ trong viên nang hoặc nhiên liệu có thể làm tăng nhu cầu năng lượng và giảm hiệu suất. Các nhà khoa học đã đạt được nhiều tiến bộ trong việc truyền năng lượng hiệu quả hơn từ tia laser sang ống đựng và Bức xạ tia X từ hộp đến viên nang nhiên liệu, nhưng hiện tại chỉ khoảng 10% 30 của tổng năng lượng laser được chuyển đến ống đựng và nhiên liệu.
Cuối cùng, trong khi một phần của nhiên liệu, đơteri, tự nhiên dồi dào trong nước biển, tritium hiếm hơn nhiều. Bản thân Fusion thực sự tạo ra tritium, vì vậy các nhà nghiên cứu đang hy vọng phát triển các cách thu hoạch tritium này một cách trực tiếp. Trong khi đó, có các phương pháp khác có sẵn để sản xuất nhiên liệu cần thiết.
Những rào cản này và các rào cản khoa học, công nghệ và kỹ thuật khác sẽ cần phải được khắc phục trước khi phản ứng tổng hợp sẽ sản xuất điện cho ngôi nhà của bạn. Công việc cũng sẽ cần phải được thực hiện để giảm chi phí của một nhà máy điện nhiệt hạch xuống từ 3.5 tỷ USD của Cơ sở Đánh lửa Quốc gia. Các bước này sẽ yêu cầu đầu tư đáng kể từ cả chính phủ liên bang và ngành công nghiệp tư nhân.
Điều đáng chú ý là có một cuộc chạy đua toàn cầu về phản ứng tổng hợp, với nhiều phòng thí nghiệm khác trên khắp thế giới theo đuổi các kỹ thuật khác nhau. Nhưng với kết quả mới từ Cơ sở đánh lửa quốc gia, lần đầu tiên thế giới đã thấy bằng chứng rằng giấc mơ về sự hợp nhất là có thể đạt được.
Bài viết này được tái bản từ Conversation theo giấy phép Creative Commons. Đọc ban đầu bài viết.
Ảnh: Bộ Năng lượng Hoa Kỳ/Phòng thí nghiệm Quốc gia Lawrence Livermore
