Vài chục năm qua con người đã thu được những hiểu biết quan trọng trong nghiên cứu năng lượng hạt nhân cho mục đích hòa bình. Mặc dù vậy cho tới nay chúng ta mới chỉ sử dụng các nhiên liệu phân hạch trong các nhà máy điện. Nhưng kỹ thuật phân hạch có rất nhiều hạn chế của nó như độ an toàn, khó khăn trong việc khai thác quặng chứa các đồng vị hạt nhân nặng, vấn đề xử lý chất thải phóng xạ... Với nhiều ưu điểm vượt trội, nghiên cứu phản ứng nhiệt hạch đang rất được quan tâm. Đáng tiếc, việc khơi mào phản ứng và khống chế nguồn năng lượng khổng lồ giải phóng từ sự kết hợp của các hạt nhân nhẹ vẫn là bài toán gây đau đầu với nhiều nhóm nghiên cứu trên thế giới vì hiệu quả của nó cũng như chi phí quá cao. Tuy nhiên, tình hình sẽ thay đổi với cải tiến mới đây của các nhà khoa học tại Phòng thí nghiệm quốc gia Sandia thuộc bộ năng lượng Hoa Kỳ. Theo công bố trên tạp chí hàng đầu trong lĩnh vực vật lý là Physical Review Letters, nhóm chuyên gia đã đề xuất một phương pháp giúp kích hoạt các phản ứng phân hạch với năng lượng cung cấp ban đầu nhỏ hơn năng lượng mà phản ứng tạo ra, họ gọi nó là "quá trình nhiệt hạch quán tính trong các ống từ hóa"- MagLIF (Magnetized Liner Inertial Fusion).
Tình hình nghiên cứu năng lượng nhiệt hạch trên thế giới và những khó khăn chung
Như chúng ta đã biết, phản ứng nhiệt hạch xảy ra khi các đồng vị hạt nhân nặng của Hydro là Deuterium và Tritium kết hợp với nhau. Quá trình này tỏa nhiệt lượng rất lớn nếu so sánh trên cùng một khối lượng nhiên liệu với phản ứng phân hạch. Trong thực tế, do các hạt nhân mang điện dương cùng dấu nên rất khó đề chúng tiến lại gần nhau và gây ra phản ứng. Để điều đó có thể xảy ra, người ta phải cung cấp một động năng rất lớn cho chúng nhằm thằng lực đẩy Coulomb. Phương pháp cổ điển được được áp dụng là tạo ra một nhiệt độ siêu cao, lớn hơn khoảng 100 triệu độ C từ một nguồn khác nhằm tạo ra khối khí plasma của các hạt ion hóa. Đó là lý do tại sao bom nhiệt hạch (bom H) cần được kích hoạt bởi vụ nổ của một quả bom nguyên tử (bom A).
Để áp dụng năng lượng nhiệt hạch vào mục đích hòa bình, cụ thể là sản xuất điện thì không thể kích nổ một quả bom A để khơi vào phản ứng như vậy. Trước khi công trình tại Phòng thí nghiệm Sandia được công bố thì có hai dự án lớn đang nghiên cứu những phương pháp khác nhằm đạt được mục đích trên. Dự án thứ nhất là lò phản ứng ITER đặt tại Pháp dựa trên việc giam cầm dòng khối hạt nhân bởi một từ trường khổng lồ và nung nóng nó bởi các chùm hạt bắm phá cũng như sóng điện từ. Dự kiến ITER sẽ được hoàn thành trong vòng 7 hoặc 8 năm nữa. Trong khi đó chương trình NIF (đặt tại California, Mỹ) dựa trên việc nén các đồng vị hạt nhân Hydro vào một khu vực cực nhỏ bằng cách sử dụng các chùm tia laser công suất lớn. NIF đã bắt đầu chạy thử trong vài năm qua nhưng điện năng cung cấp cho nó còn lớn hơn năng lượng mà nó tạo ra. Cả hai chương dự án trên đều có thể đi đến kết quả triển vọng nếu như không để ý số tiền lên tới vài tỷ USD mà chúng tiêu tốn.
Những thay đổi ở phòng thí nghiệm Sandia
Kỹ thuật MagLIF mà nhóm nghiên cứu tại Sandia áp dụng tương tự như cách thức ở NIF, tuy nhiên nó sẽ nén nhiên liệu hạt nhân với tốc độ nhanh hơn. Quá trình này được gọi là phản ứng phân hạch giam cầm quán tính (inertial confinement fusion). Để đạt được điều đó, thay vì sử dụng các chùm laser, các chuyên gia đã nén khối nhiên liệu bằng một xung từ trường khổng lồ. Mục tiêu mà kỹ thuật MagLIF nhắm tới là tạo ra các ống hình trụ có đường kích khoảng 7 milimet làm từ vật liệu Beryllium (các ống này được gọi là liner). Sau đó họp bơm đầy Deuterium và Tritium vào các ống. Các liner sẽ được kết nối với một nguồn phát xung điện từ cực lớn (máy Z, Tinhte.vn đã có dịp giới thiệu với các bạn loại máy này khi đề cập tới dự án Zplasma, xem thêm ở đây để tham khảo) có thể tạo ra dòng điện có cường độ 26 triệu Ampe trong thời gian vài mili giây hay thậm chí ngắn hơn. Nhờ vậy, dòng điện sẽ chạy quanh vỏ liner và tạo ra một từ trường hướng vào trong lòng nó. Do đó, các hạt nhân mang điện dương sẽ bị nén lại và kết hợp với nhau gây ra phản ứng phân hạch.
Đây không phải là lần đầu tiên ý tưởng về việc nén khối nhiên liệu để tạo ra va chạm giữa các hạt nhân nhẹ được đề xuất, tuy nhiên các thí nghiệm sử dụng những thiết bị kiểu MagLIF-Z như trên đều ngốn một lượng điện lớn hơn năng lượng mà các phản ứng phân hạch tạo ra. Để khắc phục những khó khăn như vậy, nhóm nghiến cứu tại Sandia đã thử nghiệm nhiều mô hình mô phỏng trên máy tính nhằm cải tiến kỹ thuật. Cuối cùng họ kết hợp được 3 giải pháp tối ưu nhằm đạt được điểm break-even trong thực tế.
Đầu tiên họ sử dụng các xung điện cực ngắn với độ dài dưới 100 nano giây để gia tốc cho các hạt nhân trong ống. Việc truyền nhiệt độ cho khối nhiên liệu bên trong liner sẽ được thực hiện nhờ xung laser, tất nhiên người ta sẽ điều khiển để nó xảy ra trước khi dòng điện chạy trên thành vỏ liner được máy Z truyền tới. Để tăng độ giam cầm của khối nhiên liệu trong thể tích nhỏ hẹp như vậy, hai đồng xu dẫn điện sẽ được đặt ở hai đầu của mỗi liner. Dựa vào việc điều khiển dòng điện chạy qua hai đồng xu, người ta có thể áp đặt một từ trường ở hai mặt hình trụ, đồng thời nó kết hợp với từ trường ở thành liner để bao kín khối nhiên liệu. Nhờ vậy, ngay cả khi phản ứng phân hạch diễn ra và tạo ra nhiệt độ cực lớn, các hạt mang điện cũng không thể thoát khỏi bức tường từ trường.
Từ các mô phỏng, nhóm chuyên gia đã đi đến triển khai các thiết bị thử nghiệm trong thực tế để kiểm tra thêm. Một trong những tiêu chuẩn quan trọng để đánh giá độ thành công của nghiên cứu này là tốc độ nén nhiên liệu trong lòng ống liner. Tham số quan trọng ảnh hướng tới tốc độ nén là độ dày của thành ống. Khi thành liner càng mỏng, các hạt nhân được gia tốc càng nhanh bởi xung từ trường. Tuy nhiên, nếu mỏng quá thì vật liệu tạo nên thành sẽ bị bay hơi do nhiệt tỏa ra tương đối lớn và quá trình nén không thể tiếp tục thực hiện. Dĩ nhiên, nếu thành liner quá dày thì không thể truyền đủ vận tốc cho các đồng vị Hydro nặng va chạm với nhau. Qua xem xét kỹ lưỡng các nhà khoa học đã đề xuất một kích thước mặt cắt thích hợp cho thành ống liner.
Để kiểm tra kích thước đề xuất là đúng, nhóm nghiên cứu đã thiết lập một hệ phức tạp từ các mẫu vật liệu mangan, sau đó họ chiếu một chụp laser công suất lớn (thực ra mẫu này được chuyển tới từ dự án NIF) vào nó để tạo ra các chùm tia X. Tiếp theo họ sử dụng chùm tia X đó để kiểm tra mức độ ảnh hưởng của phản ứng đối với thành liner. Kết quả cho thấy độ dày đưa ra trước đó cho hiệu quả hoạt động tốt nhất.
Các nhà khoa học dự kiến sẽ thực hiện thêm các thí nghiệm kiểm tra khác nhằm cải tiến hơn nữa thành tựu mà họ đã đạt được: thứ nhất là nâng cao hiệu suất của chùm laser khơi mào phản ứng và thứ hai tạo ra một bức tường từ trường tốt hơn. Được biết, những công việc này sẽ được thực hiện trong năm tới và họ sẽ kết hợp chúng với nhau để cho ra đời sản phẩm đạt các tiêu chuẩn cơ bản vào cuối năm 2013
Nguồn: Sandia National Laboratory, Wired
