Phản ứng tổng hợp hạt nhân, hay còn gọi là phản ứng nhiệt hạch, là quá trình hai hạt nhân nguyên tử nhẹ kết hợp với nhau để tạo thành một hạt nặng hơn đồng thời giải phóng một lượng lớn năng lượng. Phản ứng nhiệt hạch diễn 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 với các đặc tính khác biệt với chất rắn, chất lỏng hoặc chất khí.
Phản ứng tổng hợp hạt nhân là một trong hai loại phản ứng hạt nhân. Loại kia là phản ứng phân hạch. Mặt trời cùng với tất cả các ngôi sao khác được tạo ra bởi phản ứng này. Trong mặt trời, các hạt nhân va chạm với nhau ở nhiệt độ cực cao, khoảng 10 triệu oC. Nhiệt độ cao cung cấp cho chúng năng lượng vượt qua lực đẩy điện tích. Một khi các hạt nhân tiến lại gần nhau, lực hấp dẫn hạt nhân giữa chúng sẽ lớn hơn lực đẩy điện tích và cho phép chúng hợp nhất. Để điều này xảy ra, các hạt nhân phải được giới hạn trong một không gian nhỏ, tăng khả năng va chạm.
Để làm cho các hạt nhân hợp lại với nhau, cần một nguồn năng lượng rất lớn, ngay cả với các nguyên tử nhẹ nhất như hydro. Điều đó được giải thích là do quá trình phản ứng khó thực hiện: cần nguyên tử hóa các phân tử, ion hóa hoàn toàn tất cả các nguyên tử, đồng thời tách electron để biến nhiên liệu phản ứng hoàn toàn trở thành hạt nhân không có electron ở thể plasma. Sau đó cần cung cấp động năng cực kỳ lớn cho các hạt nhân vượt qua tương tác đẩy Coulomb giữa chúng mà va vào nhau. Nhiệt độ cần thiết có thể lên đến hàng triệu độ oC. Nhưng sự kết hợp của các nguyên tử nhẹ, để tạo ra các nhân nặng hơn và giải phóng 1 neutron tự do sẽ phóng thích nhiều năng lượng hơn năng lượng nạp vào lúc đầu khi hợp nhất hạt nhân. Điều này dẫn đến quá trình phóng thích năng lượng có thể tạo ra phản ứng tự duy trì. Tuy nhiên, từ hạt nhân sắt trở đi, việc tổng hợp hạt nhân là thu nhiệt nhiều hơn tỏa nhiệt. Việc cần nhiều năng lượng để khởi động thường đòi hỏi phải nâng nhiệt độ của hệ lên cao trước khi phản ứng xảy ra. Chính vì lý do này mà phản ứng hợp hạch còn được gọi là phản ứng nhiệt hạch.
Ý nghĩa của phản ứng nhiệt hạch
Phản ứng nhiệt hạch của các nguyên tử nhẹ tạo ra sự phát sáng của các ngôi sao hay kích hoạt bom hydro nổ. Phản ứng nhiệt hạch của các nhân nặng xảy ra trong điều kiện nổ các ngôi sao (siêu tân tinh), đây cũng là quá trình chủ yếu sinh ra các nguyên tố hóa học tự nhiên. Năng lượng phóng thích từ phản ứng này thường lớn hơn nhiều so với phản ứng hóa học, bởi vì năng lượng liên kết giữ cho các nhân với nhau lớn hơn nhiều so với năng lượng để giữ các electron với nhân. Ví dụ, năng lượng để thêm 1 electron vào nhân thì bằng 13.6 eV, nhỏ hơn một phần triệu của 17 MeV giải phóng từ phản ứng D-T (deuteri-triti, đồng vị của hydro).
Kể từ khi lý thuyết về phản ứng nhiệt hạch được hiểu vào những năm 1930, các nhà khoa học đã thực hiện nhiều thí nghiệm để tái tạo và khai thác nó. Đó là bởi vì nếu phản ứng nhiệt hạch có thể được nhân rộng ở quy mô công nghiệp, thì nó có thể cung cấp năng lượng sạch, an toàn và giá cả phải chăng gần như vô hạn để đáp ứng nhu cầu của thế giới. Nhiệt hạch tạo ra năng lượng gấp bốn lần trên mỗi kg nhiên liệu so với phản ứng phân hạch (được sử dụng trong các nhà máy điện hạt nhân) và năng lượng gấp gần bốn triệu lần so với việc đốt dầu hoặc than. Hầu hết các khái niệm về lò phản ứng nhiệt hạch đang được phát triển sẽ sử dụng hỗn hợp deuteri-triti. Về lý thuyết, chỉ với một vài gram chất phản ứng này, có thể tạo ra một terajoule năng lượng, xấp xỉ năng lượng mà một người ở một quốc gia phát triển cần trong hơn sáu mươi năm.
Nhiên liệu nhiệt hạch dồi dào và dễ dàng thu được: deuteri có thể được chiết xuất từ nước biển với giá rẻ và triti được tạo từ phản ứng của neutron phản ứng tổng hợp với lithi, dồi dào tự nhiên. Những nguồn cung cấp nhiên liệu này có thể kéo dài tới hàng triệu năm. Các lò phản ứng nhiệt hạch trong tương lai về bản chất cũng an toàn và dự kiến sẽ không tạo ra chất thải hạt nhân có hoạt tính cao hoặc tồn tại lâu dài. Hơn nữa, vì quá trình nhiệt hạch khó bắt đầu và khó duy trì nên không có nguy cơ xảy ra phản ứng quá mức và tan chảy; phản ứng tổng hợp chỉ có thể xảy ra trong các điều kiện vận hành nghiêm ngặt.
Ngoài những điều kiện đó (như trong trường hợp tai nạn hoặc lỗi hệ thống), plasma sẽ tự nhiên ngừng hoạt động, mất năng lượng rất nhanh và tắt trước khi bất kỳ thiệt hại kéo dài nào xảy ra đối với lò phản ứng. Điều quan trọng là phản ứng nhiệt hạch giống như phản ứng phân hạch không thải ra khí carbon dioxide hoặc các loại khí nhà kính khác vào bầu khí quyển, vì vậy nó có thể là nguồn điện carbon thấp lâu dài từ nửa sau của thế kỷ này trở đi.
Mặc dù lực hấp dẫn khổng lồ của mặt trời gây ra phản ứng tổng hợp một cách tự nhiên, nhưng nếu không có lực đó thì để phản ứng diễn ra cần nhiệt độ thậm chí còn cao hơn ở mặt trời. Trên Trái đất, chúng ta cần nhiệt độ trên 100 triệu độ oC để tạo ra “cầu chì” cho phản ứng deuteri và triti, đồng thời điều chỉnh áp suất và lực từ cùng lúc để plasma được giữ ổn định và duy trì phản ứng nhiệt hạch đủ lâu để tạo ra nhiều năng lượng hơn. Mặc dù các điều kiện rất gần với những điều kiện cần thiết trong lò phản ứng nhiệt hạch hiện nay, nhưng các đặc tính giam cầm được cải thiện và tính ổn định của plasma vẫn cần để duy trì phản ứng và tạo ra năng lượng một cách bền vững. Các nhà khoa học từ khắp nơi trên thế giới tiếp tục phát triển và thử nghiệm các vật liệu mới cũng như thiết kế các công nghệ mới để đạt được năng lượng tổng hợp.
Hiện trạng phát triển công nghệ nhiệt hạch
Nghiên cứu vật lý plasma và nhiệt hạch đang được thực hiện ở hơn 50 quốc gia và các phản ứng nhiệt hạch đã được thực hiện thành công trong nhiều thí nghiệm, mặc dù cho đến nay vẫn chưa tạo ra nhiều năng lượng hơn mức cần thiết để bắt đầu quá trình phản ứng. Các chuyên gia đã đưa ra các thiết kế và công nghệ dựa trên nam châm trong đó quá trình nhiệt hạch diễn ra, như máy tạo sao và tokamaks, nhưng cũng có các phương pháp dựa vào tia laze, thiết bị tuyến tính và nhiên liệu tiên tiến. Mất bao lâu để năng lượng nhiệt hạch được triển khai thành công sẽ phụ thuộc vào việc huy động các nguồn lực thông qua quan hệ đối tác và hợp tác toàn cầu, cũng như tốc độ mà ngành có thể phát triển, xác nhận và đánh giá các công nghệ nhiệt hạch mới nổi. Một vấn đề quan trọng khác là phát triển song song cơ sở hạ tầng hạt nhân cần thiết, chẳng hạn như các yêu cầu, tiêu chuẩn và thông lệ, liên quan đến việc hiện thực hóa nguồn năng lượng tương lai này.
Sau 10 năm thiết kế thành phần, chuẩn bị địa điểm và sản xuất trên khắp thế giới, việc lắp ráp ITER tại Pháp, cơ sở nhiệt hạch quốc tế lớn nhất thế giới, đã bắt đầu vào năm 2020. ITER là một dự án quốc tế nhằm chứng minh tính khả thi về khoa học và công nghệ của phản ứng tổng hợp sản xuất năng lượng và chứng minh công nghệ cũng như khái niệm cho các nhà máy điện nhiệt hạch sản xuất điện trong tương lai, được gọi là DEMO. ITER sẽ bắt đầu tiến hành các thử nghiệm đầu tiên trong nửa sau của thập kỷ này và các thử nghiệm toàn năng được lên kế hoạch bắt đầu vào năm 2036.
Các mốc thời gian của DEMO khác nhau ở các quốc gia khác nhau, nhưng các chuyên gia đều nhất trí rằng một nhà máy nhiệt hạch sản xuất điện có thể được xây dựng và vận hành vào năm 2050. Song song đó, nhiều doanh nghiệp thương mại do tư nhân tài trợ cũng đang có những bước tiến trong việc phát triển các ý tưởng cho các nhà máy điện nhiệt hạch, bí quyết được tạo ra trong nhiều năm nghiên cứu và phát triển.
Từ khóa: Phản ứng nhiệt hạch; neutron; deutori; triti; plasma
– CMD&DND –
