Phòng thí nghiệm Quốc gia Lawrence Livermore thực hiện thành công thí nghiệm nhiệt hạch lập kỷ lục năng lượng nhờ plasma hydro bên trong buồng nhiên liệu.
Năm ngoái, các nhà khoa học ở Phòng thí nghiệm Quốc gia Lawrence Livermore ở Bắc California thông báo kỷ lục giải phóng 1,3 megajoule năng lượng trong 0,0000000001 giây ở cơ sở National Ignition Facility (NIF). Trong hai nghiên cứu mới công bố trên tạp chí Nature Physics và Nature, nhóm nghiên cứu ở NIF cho biết họ đạt được thành tựu này nhờ thiết kế chuẩn xác của khoang cực nhỏ và buồng nhiên liệu ở tâm hệ thống laser mạnh nhất thế giới, nơi phản ứng nhiệt hạch xảy ra.
Phản ứng nhiệt hạch ở NIF diễn ra ở trung tâm của hệ thống laser mạnh nhất thế giới, tiêu tốn khoảng 400 megajoule năng lượng mỗi lần đốt. (Ảnh: Damien Jemison)
Dù buồng nhiên liệu chỉ rộng khoảng một milimet và phản ứng nhiệt hạch chỉ kéo dài trong tích tắc, công suất của hệ thống tương đương 10% tổng năng lượng từ ánh sáng Mặt trời chiếu tới Trái đất. Hệ thống giải phóng nhiều năng lượng như vậy do quá trình phản ứng đun nóng nhiên liệu còn lại thành plasma có nhiệt độ đủ cao để tạo điều kiện cho nhiều phản ứng nhiệt hạch nữa diễn ra, theo Annie Kritcher, nhà vật lý ở Phòng thí nghiệm Quốc gia Lawrence Livermore (LLNL). Kritcher là tác giả chính của nghiên cứu công bố hôm 26/1 trên tạp chí Nature Physics mô tả NIF được tối ưu hóa như thế nào để tạo plasma nóng. Ông cũng là đồng tác giả nghiên cứu khác công bố trên tạp chí Nature cùng ngày, báo cáo chi tiết những thí nghiệm với plasma nóng đầu tiên ở NIF trong năm 2020 và đầu năm 2021.
Phản ứng nhiệt hạch là quá trình cung cấp năng lượng cho các ngôi sao như Mặt trời. Phản ứng này khác với phản ứng phân hạch thường dùng trong nhà máy điện trên Trái đất để sản xuất năng lượng bằng cách phân tách hạt nhân nguyên tử nặng như plutonium thành hạt nhân nguyên tử nhỏ hơn. Phản ứng nhiệt hạch giải phóng năng lượng khổng lồ khi hạt nhân nguyên tử kết hợp với nhau thành hạt nhân lớn hơn. Loại phản ứng nhiệt hạch đơn giản nhất sử dụng nhiên liệu hydro. Các nhà nghiên cứu hy vọng trong tương lai, phản ứng nhiệt hạch có thể phát triển thành nguồn năng lượng tương đối "sạch" nhờ sử dụng hydro dồi dào trong đại dương trên Trái đất.
Do những ngôi sao rất lớn, lực hấp dẫn mạnh có nghĩa phản ứng nhiệt hạch diễn ra ở áp suất rất cao. Nhưng trên Trái đất không thể tạo ra áp suất lớn như vậy. Thay vào đó, phản ứng nhiệt hạch phải xảy ra dưới nhiệt độ cực lớn. Giới nghiên cứu đã thử nhiều phương pháp khác nhau để duy trì phản ứng nhiệt hạch ở nhiệt độ cao, và NIF tập trung vào cách tiếp cận mang tên "giữ bằng quán tính". Cách này tạo nhiệt độ cao bằng cách bắn 192 máy laser công suất cao vào một viên hydro ở trung tâm. Những máy laser này tiêu thụ năng lượng khổng lồ và chỉ có thể bắn một lần mỗi ngày.
Phương pháp giữ bằng quán tính cần trải qua chặng đường phát triển dài trước khi trở thành nguồn năng lượng khả thi do cần làm bay hơi vài viên nhiên liệu mỗi giây để đạt năng lượng đủ lớn giúp sản xuất điện. Nhưng gần đây NIF đã chứng minh thành công khi đạt sản lượng điện siêu cao trong thời gian ngắn. Thí nghiệm hồi tháng 8 năm ngoái tạo ra năng lượng từ viên nhiên liệu nhiều gần bằng mức tiêu hao. Các nhà nghiên cứu hy vọng những thí nghiệm tương lai sẽ còn mạnh hơn.
Hai nghiên cứu mới mô tả các thí nghiệm đốt cháy plasma tiến hành trong nhiều tháng trước phản ứng tạo 10 triệu tỷ watt điện. Những thí nghiệm trước đó sản sinh 170 kilojoule năng lượng từ viên nhiên liệu hydro chỉ nặng 200 microgram. Nhóm nghiên cứu đạt được cột mốc này thông qua định hình cẩn thận buồng nhiên liệu (lớp vỏ bằng kim cương polycarbonate hình cầu bao quanh viên nhiên liệu) và khoang chứa (hình trụ nhỏ bằng urani nghèo phủ vàng, còn gọi là hohlraum).
Thiết kế mới cho phép các máy laser của NIF làm nóng viên nhiên liệu để vận hành hiệu quả hơn bên trong hohlraum. Kết quả là hydro hợp nhất ở nhiệt độ cao đến mức các phần khác của viên nhiên liệAnh chàng từng lập kỷ lục thế giới vì xếp 3 quả trứng lên nhau lại tự phá kỷ lục của mình