Hợp nhân nóng (Phần 1)

Bất chấp hơn 50 năm nỗ lực không ngừng, các lò phản ứng nhiệt hạt nhân ngày nay vẫn đòi hỏi năng lượng để làm cho chúng hoạt động nhiều hơn là năng lượng mà chúng có thể sản sinh ra.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Hợp nhân nóng (Phần 1) Hợp nhân nóng – Phần 1 Bất chấp hơn 50 năm nỗ lực không ngừng, các lò phản ứng nhiệt hạt nhân ngày nay vẫn đòi hỏi năng lượng để làm cho chúng hoạt động nhiều hơn là năng lượng mà chúng có thể sản sinh ra.Steve Cowley cho biết bước tiếp theo là làm cho plasma nhiệt hạch tạo ra nhiệt của riêng nó – để làm cho nó nóng hơn cả lõi của Mặt trời. Ảnh: CCFE Đó phải là một trong những bài thuyết trình trước công chúng đáng nể nhất trong lịch sử khoa học. Thật vậy, bài phát biểu của Arthur Stanley Eddington trước cuộc họp năm 1920 của Khối Liên hiệp Anh ở Cardiff vẫn đáng để đọc vì tính đơn giản và rõ ràng, đó là chỉ mới nói riêng các lập luận thôi. Nhưng chính tầm nhìn xa trông rộng của ông mới là cái vẫn trụ vững gần một thế kỉ sau đó. Cho đến khi có bài phát biểu của Eddingtion, đông đảo người ta vẫn chấp nhận rằng Mặt trời sản sinh năng lượng bởi sự co lại do hấp dẫn, biến đổi thế năng hấp dẫn thành bức xạ. Chừng 60 năm trước đó, ngài huân tước Kelvin đã biện luận rằng cơ chế này có nghĩa là Mặt trời có thể không hơn 20 – 30 triệu năm tuổi. Nhưng sử dụng các lập luận đơn giản dựa trên một phạm vi rộng của các quan sát, Eddington đã chỉ rõ rằng Mặt trời phải già hơn ước tính của Kelvin và các ngôi sao phải khai thác một số nguồn năng lượng khác nào đó. May thay, ngay trước bài phát biểu của Eddingtion, người đồng nghiệp Đại học Cambridge của ông, Francis Aston, đã đo được khối lượng của hydrogen và helium tương ứng là 1,008 và 4. Eddington cho rằng Mặt trời sản sinh năng lượng bằng cách biến đổi hydrogen thành helium – bằng cách kết hợp bốn hạt nhân hydrogen (proton) với hai electron và giải phóng năng lượng trong quá trình đó. Các chi tiết cụ thể tất nhiên là không chính xác – quá trình trên phức tạp hơn và có liên quan đến deuterium, positron và neutrino, chẳng hạn – nhưng quan điểm cơ bản thì đúng: Mặt trời thật sự đang biến đổi hydrogen thành helium. Năng lượng giải phóng trong sự biến đổi này có thể tính bằng công thức E = mc2 và khối lượng đo được của hydrogen và helium. Từ đây, Eddington ước tính rằng Mặt trời có đủ năng lượng để tỏa sáng trong 15 tỉ năm - gần một cách xuất sắc với các ước tính hiện đại là xấp xỉ 10 tỉ năm từ lúc hình thành cho đến khi Mặt trời đi vào pha kềnh đỏ của nó, khi nó tiêu thụ cạn hydrogen trong lõi của nó. Ông đã suy luận ra sự tồn tại của cái ngày nay chúng ta gọi là sự nhiệt hạch. Mặc dù Eddington rất thận trọng về tính chắc chắn của những kết luận của ông, nhưng ông đã nhận ra tiềm năng đáng kinh ngạc và lập tức nhìn thấy vô số lợi ích mà sự nhiệt hạt nhân có thể mang đến cho xã hội. Như ông phát biểu trước các thính giả ở Cardiff, “có đôi khi, chúng ta mơ rằng một ngày nào đó con người sẽ học được cách giải phóng năng lượng đó và sử dụng nó cho cuộc sống của mình”. Tầm nhìn của Eddington ngày nay nằm trong tầm với của chúng ta, mặc dù chẳng dễ gì đạt tới mục tiêu xa xôi ấy. Trên hành trình khám phá, chúng ta cần phải phát triển lĩnh vực vật lí plasma, ngành học nghiên cứu các chất khí bị làm nóng đến mức các electron tách ra khỏi các nguyên tử của chúng. Bất chấp nhiều cam go thử thách, thật hợp lí nếu nói rằng các nhà khoa học ngày nay đã ‘chộp’ được sức mạnh của Mặt trời. Từ ước mơ đến thực tại Thật ra thì chương trình nhiệt hạch hiện đại đã bắt đầu vào những thời khắc cuối của Thế chiến thứ hai tại Los Alamos ở nước Mĩ, khi Enrico Fermi cùng các thành viên khác của đội khoa học chế tạo quả bom nguyên tử đầu tiên cho rằng một phản ứng nhiệt hạt nhân có thể được kích hoạt trong một plasma giam cầm bằng một từ trường. Tháng 5 năm 1946, George Thomson và Moses Blackman thuộc trường Imperial College London đã đăng kí bằng sáng chế cho một dụng cụ nhiệt hạch giam cầm bằng từ trường trong đó các nam châm mạnh có thể được sử dụng để giam giữ một plasma tại chỗ trong khi nó được làm nóng đến những nhiệt độ cao. Vào đầu thập niên 1950, người ta biết rõ rằng phản ứng nhiệt hạch dễ kích hoạt nhất là phản ứng của hai đồng vị hydrogen – deuterium và tritium. Để kích thích sự hợp nhân đáng kể, plasma của deuterium và tritium phải được làm nóng lên đến nhiệt độ chừng 150 triệu kelvin. Nóng hơn tâm của Mặt trời chừng 10 lần, đây là một mục tiêu làm người ta thoái chí. Tuy nhiên, vào năm 1997, các nhà khoa học đã thu được nó trong một plasma giam cầm bằng từ tại Joint European Torus (JET) tại Trung tâm Năng lượng Nhiệt hạch Culham ở nước Anh. JET sản sinh ra 16 MW năng lượng hợp nhân trong khi được điều khiển bởi công suất vào 25 MW. Có lẽ Eddingtion sẽ hài lòng với sự tiến bộ khoa học theo tầm nhìn của ông. Nhưng bất chấp những thành công đó, cho đến nay chúng ta vẫn chưa đạt tới mức có thể sản xuất điện năng thương mại và tầm vươn của sự nhiệt hạch đến với từng hộ gia đình vẫn còn rất nhiều thách thức. Chính xác thì cần phải làm những gì để chế tạo một nguồn điện nhiệt hạt nhân thương mại? Đâu là những vấn đề ...