Phản ứng hợp hạch, hay còn gọi là phản ứng nhiệt hạch, là quá trình kết hợp hai hạt nhân nguyên tử nhẹ thành một hạt nhân nặng hơn. Quá trình này giải phóng một lượng năng lượng khổng lồ nhờ sự va chạm ở tốc độ cực cao của các hạt nhân. Đây chính là cơ chế hoạt động của Mặt Trời và các ngôi sao khác, cung cấp nguồn năng lượng vô tận cho vũ trụ.
Việc làm chủ phản ứng hợp hạch được xem là chìa khóa để giải quyết bài toán năng lượng cho tương lai, mở ra một kỷ nguyên Năng Lượng Vĩnh Cửu. Ưu điểm vượt trội của phản ứng hợp hạch nằm ở mật độ năng lượng cực lớn mà nó tạo ra, gấp hàng tỷ lần so với việc đốt nhiên liệu hóa thạch và hàng chục lần so với phản ứng phân hạch đang được sử dụng trong các nhà máy điện hạt nhân hiện nay.
Sử dụng đồng vị của Hydro trong phản ứng hợp hạch không chỉ tạo ra nguồn năng lượng khổng lồ mà còn thân thiện với môi trường. Hydro là nguyên tố phổ biến nhất trong vũ trụ, đảm bảo nguồn cung cấp nguyên liệu vô tận. Vì những lý do này, các nhà khoa học coi phản ứng hợp hạch là nguồn năng lượng sạch và vô tận cho nhân loại.
Tuy nhiên, việc kích hoạt và kiểm soát phản ứng hợp hạch là một thách thức kỹ thuật vô cùng lớn. Để khởi động phản ứng, cần một nguồn năng lượng cực lớn, ngay cả với các nguyên tử nhẹ nhất như Hydro. Việc duy trì sự ổn định của phản ứng và khai thác năng lượng hiệu quả còn khó khăn hơn gấp bội. Mặc dù vậy, các nhà khoa học trên toàn thế giới vẫn không ngừng nỗ lực nghiên cứu và liên tục đạt được những tiến bộ đáng kể.
Tại Mỹ, một nhóm các nhà khoa học đang tập trung vào phương pháp “đánh lửa nhanh” (fast ignition – FI) để kiểm soát phản ứng nhiệt hạch. Phương pháp này sử dụng laser cường độ cao để kích hoạt phản ứng.
Quá trình đánh lửa nhanh diễn ra qua hai giai đoạn: đầu tiên, hàng trăm tia laser cực mạnh được sử dụng để nén nhiên liệu nhiệt hạch, thường là hỗn hợp đậm đặc của hai đồng vị Hydro: Deuterium và Tritium.
Sau đó, một tia laser cường độ cao duy nhất được bắn vào để cung cấp năng lượng nhiệt, đốt cháy nhiên liệu đã nén một cách nhanh chóng. Hai giai đoạn này phối hợp với nhau sẽ kích hoạt phản ứng nhiệt hạch.
Mặc dù vẫn đang trong giai đoạn thử nghiệm, các nhà vật lý tin rằng đánh lửa nhanh là một hướng đi đầy tiềm năng để đạt được phản ứng hợp hạch thực tế. Phương pháp này đòi hỏi ít năng lượng hơn so với các phương pháp kích hoạt truyền thống.
Lý thuyết về tia laser thứ hai trong quá trình đánh lửa nhanh gặp phải một thách thức lớn: xác định vị trí chính xác của vùng nhiên liệu đậm đặc nhất. Tiến sĩ Christopher McGuffey từ Đại học California, một thành viên của nhóm nghiên cứu, cho biết: “Trước đây, chúng tôi đã tìm kiếm nó trong bóng tối”.
Ông nói thêm: “Nhờ kỹ thuật mới, chúng tôi đã hiểu rõ hơn vị trí của vùng nhiên liệu đậm đặc nhất. Điều này cho phép chúng tôi điều chỉnh quá trình đánh lửa để cung cấp năng lượng laser hiệu quả hơn đến nhiên liệu.”
Farhat Beg, một đồng nghiệp của McGuffey, nhấn mạnh: “Đây là một thách thức nghiên cứu lớn kể từ khi ý tưởng đánh lửa nhanh được đề xuất.” Giải pháp cho vấn đề này lại khá đơn giản.
Các nhà khoa học sử dụng một hợp chất của đồng để đánh dấu các viên nén nhiên liệu. Khi tia laser cường độ cao được bắn vào, họ theo dõi chuyển động của chất đánh dấu bằng màn hình xử lý tín hiệu X-quang. Khu vực đậm đặc nhất của nhiên liệu sẽ được phát hiện nhờ kỹ thuật này.
Nghiên cứu của Tiến sĩ McGuffey và cộng sự, được công bố trên tạp chí Nature, cho thấy kỹ thuật mới này cho phép đạt được hiệu suất kỷ lục trong quá trình đánh lửa, đạt 7%, “một sự cải thiện gấp 4 lần so với các thí nghiệm trước đó”.
Sử dụng mô phỏng máy tính, các nhà nghiên cứu dự đoán rằng hiệu suất của quá trình đánh lửa nhanh có thể tăng lên đến 15% nếu họ tiếp tục phát triển kỹ thuật này. Vậy, điều này có ý nghĩa gì? Liệu Mỹ có thể bắt đầu xây dựng một nhà máy điện nhiệt hạch ngay từ bây giờ không?
Câu trả lời là chưa. Như đã đề cập, đánh lửa nhanh chỉ là một bước trong quá trình kích hoạt phản ứng nhiệt hạch. Việc kiểm soát toàn bộ quá trình phản ứng còn phức tạp hơn nhiều. Một thách thức lớn hiện nay là chưa có vật liệu nào có thể chịu được nhiệt độ cực cao của phản ứng hợp hạch để chế tạo bình phản ứng.
Tuy nhiên, nghiên cứu mới này mang ý nghĩa to lớn và có tính ứng dụng cao. Nó có thể được áp dụng ngay cho lò phản ứng Wendelstein 7-X tại Viện Max Planck, Đức. Cỗ máy khổng lồ trị giá hàng tỷ đô la này sẽ tiếp tục tìm kiếm những khám phá đầy hứa hẹn trong lĩnh vực năng lượng vĩnh cửu. Farhat Beg hy vọng rằng “công việc của chúng tôi sẽ mở ra cánh cửa cho những nỗ lực trong tương lai”.
Tóm lại, ước mơ về một nguồn năng lượng vô hạn đòi hỏi các nhà khoa học phải nỗ lực không ngừng, từng bước tiến nhỏ một. Ngay cả khi đó chỉ là một bước tiến nhỏ về hiệu suất kích hoạt phản ứng nhiệt hạch, nó vẫn truyền cảm hứng cho chúng ta về một cuộc cách mạng năng lượng đang đến gần hơn.
