Phản ứng nhiệt hạch: Con ngựa bất kham

Phân hạch: năng lượng của tương lai

Ngược với phản ứng phân hạch là phản ứng tổng hợp hạt nhân. Đó là quá trình hai hạt nhân tổng hợp lại với nhau để tạo thành một hạt nhân mới nặng hơn.

Tham gia phản ứng tổng hợp nhiệt hạch thường là hạt nhân hydro nhẹ (H1, ký hiệu H) hoặc các hydro nặng deuterium (H2, ký hiệu D) và tritium (H3, ký hiệu T). Các nhiên liệu này có thể tách dễ dàng từ nước biển, hoặc tổng hợp không mấy tốn kém trong quy mô công nghiệp từ các nguyên tử Hydrogen.

Một dạng phản ứng tổng hợp nhiệt hạch tiêu biểu được mô tả trong sơ đồ sau (hình 1):

Trong sơ đồ này, hai hydro nặng D và T kết hợp với nhau tạo thành một hạt nhân nặng hơn là Helium (He4), một neutron và, đặc biệt, giải phóng một năng lượng đáng kể 17,6 MeV.

Ngay từ lúc mới phát minh, phản ứng nhiệt hạch có sức hấp dẫn rất lớn đối với con người. Bởi những ưu việt sau đây: Một là nguồn nhiên liệu hydro (H, D, T) gần như vô tận trong tự nhiên. Hai là, phản ứng này phát nhiệt, năng lượng giải phóng vơi hiệu suất rất cao. Tính trên đơn vị khối lượng nhiên liệu tiêu hao kilogam, hiệu suất này cao gấp tỷ lần so với nhiên liệu hoá thạch và gấp chục lần so với nhiên liệu phân hạch uranium. Ba là, Sản phẩm thải ra là He, một loại khí hiếm, hoàn toàn không hề làm nhiễm bẩn môi trường sống.

Với những đặc điểm nổi trội như vậy, năng lượng tổng hợp nhiệt hạch quả là nguồn năng lượng lý tưởng của loài người trong tương lai.

Nhiệt hạch: con ngựa bất kham

Một điều kiện ngặt nghèo của phản ứng tổng hợp nhiêt hạch là chỉ xảy ra ở nhiệt độ rất cao.

Vì sao? Vì phản ứng không thể xảy ra giữa hai nguyên tử trung hoà điện tích nên, trước hết, cần phải lột hết các electron (gọi là ion hoá) để biến nguyên tử thành ion dương, tức các hạt nhân D và T. Nhưng ở dạng ion, các điện tích cùng dấu lại đẩy nhau bởi lực Coulomb, nên phải đặt hỗn hợp các ion dương ở nhiệt độ rất cao hàng trăm triệu độ, chẳng hạn ở tâm điểm của vụ nổ bom nguyên tử (bom A), để các ion chuyển động nhiệt với vận tốc cực lớn thắng cả lực đẩy Coulomb!

Vì lẽ đó, phản ứng tổng hợp này còn gọi là phản ứng nhiệt hạch hay, nói một cách đầy đủ, là phản ứng tổng hợp nhiệt hạch .

Ngoài ra, còn những điều kiện khác nữa đối với phản ứng tổng hợp nhiệt hạch là mật độ của khối ion nóng (plasma) phải đạt một giá trị tối thiểu và được duy trì trong một thời gian không quá bé.

Như vậy, tạo ra và duy trì phản ứng tổng hợp nhiệt hạch nhằm biến năng lượng nó phát ra thành sản phẩm hữu ích phụng sự hạnh phúc con người, như điện năng, là điều quá không dễ dàng.

Ngót 50 năm nay, nhiều tập thể khoa học tài ba, nhiều quốc gia giàu có trên thế giới phối hợp nhau, chi hàng chục tỷ USD, nhằm mục đích chế ngự được phản ứng nhiệt hạch, cụ thể là chế tạo ra một lò phản ứng nhiệt hạch tương tự lò phản ứng phân hạch trong các nhà máy điện nguyên tử hiện nay.

Như đã trình bày ở trên, một lò phản ứng nhiệt hạch phải đáp ứng các yêu cầu: Tạo và nén hỗn hợp ion deuterium-tritium đến mật độ plasma rất cao, đốt nóng tới nhiệt độ hàng trăm triệu độ và duy trì trong một khoảng thời gian cần thiết. 

Hình 2 - Cấu tạo phần lõi của lò loại Tokamak (đỏ: nam châm, vàng: plasma). Ảnh: vfinance.vn.

Trong loại lò thứ hai (xem hình 3), nhiên liệu được đốt nóng đến 100 triệu độ bởi các xung laser cực nhanh. Plasma nhiên liệu cũng được giam giữ bởi chính quán tính tạo ra khi các lớp vỏ bên ngoài bị laser đốt nóng trong thời gian cực ngắn.

Hình 3 -192 chùm laser hội tụ tại buồng chứa nhiên liệu tạo điều kiện cho phản ứng nhiệt hạch xảy ra. Ảnh: Lawrence Livermore National Laboratory