Khám phá mới có thể trở thành cách mạng ngành năng lượng hạt nhân

Theo tính toán, phản ứng hydro-boron có thể sản xuất ra năng lượng ròng tích cực lớn hơn bất kỳ lò phản ứng nào hiện nay. Thậm chí, lò phản ứng này không tạo ra sản phẩm phụ là chất thải phóng xạ.

Như đã biết, phản ứng nhiệt hạch hạt nhân loại phản ứng tạo nên sức mạnh cho Mặt Trời của chúng ta có thể là chìa khóa để mở ra nguồn năng lượng sạch và không giới hạn trên Trái Đất này.

Nhưng một trong những thách thức lớn nhất của khoa học hiện đại là làm thế nào để khai thác các phản ứng nhiệt hạch để nó tạo ra năng lượng nhiều hơn năng lượng tiêu thụ để tạo ra phản ứng. Nghiên cứu mới đây đã tìm ra giải pháp để thực hiện điều đó.

Thay vì xem xét làm thế nào để tối ưu hóa các thiết kế lò phản ứng tổng hợp thông thường, chẳng hạn như tokamaks hoặc stellerators, một nhóm các nhà vật lý đã thử nghiệm một số loại phản ứng mới. Họ nhận thấy rằng thiết kế 1 phản ứng độc đáo có thể là chìa khóa để đạt được sự hợp nhất hạt nhân tích cực bởi vì nó có tiềm năng tạo ra nhiều năng lượng hơn nó sử dụng.

Điểm khác biệt chính ngoài hình dạng của phân tử hợp thành, đó là lò hạt nhân này sẽ được thực hiện bằng phân tử hydro và bo, thay vì các đồng vị hydrogen như deuterium và tritium. Và nó sử dụng laser để làm nóng lõi lên đến 200 lần so với trung tâm của Mặt Trời. Nếu các tính toán của nhóm là chính xác, phản ứng hydro-boron có thể sản xuất ra năng lượng ròng tích cực lớn hơn bất kỳ lò phản ứng nào hiện nay. Thậm chí, một ưu điểm nữa là lò phản ứng hydro-boron không tạo ra nơtron và do đó không tạo ra sản phẩm phụ là chất thải phóng xạ.

Nhà nghiên cứu Heinrich Hora, thuộc Đại học New South Wales, Australia, nói: "Thật thú vị nhất khi được nhìn thấy những phản ứng này diễn ra trong các thí nghiệm và mô phỏng gần đây. Tôi nghĩ rằng điều này đã chứng minh cách tiếp cận của chúng tôi là đúng đắn và đi trước tất cả các công nghệ năng lượng nhiệt hạch khác".

Phản ứng tổng hợp hạt nhân mang lại cách tiếp cận ngược lại đối với các phản ứng phân hạch hạt nhân dựa vào cho năng lượng hạt nhân hiện nay: thay vì các nguyên tử bị phân chia, chúng được kết hợp hoặc hợp nhất với nhau. Nó tương tự như các phản ứng tạo năng lượng cho Mặt Trời, vì các hạt nhân nhẹ hơn hợp nhất để tạo ra những hạt nặng hơn nhờ nhiệt độ và áp suất cực cao.

Thực tế khi áp dụng nguyên lý trên đã gặp rất nhiều khó khăn. Hai năm trước thì lò phản ứng Wendelstein 7-X stellerator của Đức chính thức được đưa vào sử dụng và vượt qua ranh giới của lý thuyết và thực tiễn.

Mô hình phản ứng tổng hợp hạt nhân đang phổ biến hiện nay giữa hai đồng vị của hydro.

Nhưng bất chấp tất cả những tiến bộ của khoa học hạt nhân, rào cản về năng lượng tạo ra phản ứng và năng lượng sản sinh sau phản ứng vẫn còn rất lớn. Nói một cách đơn giản, đó là bởi vì những máy này phải mất rất nhiều năng lượng để tạo plasma.

Trong thực tế, Wendelstein 7-X thậm chí không lý tưởng để tạo ra một lượng năng lượng sử dụng được. Nó chỉ là một minh chứng của khái niệm lý thuyết.

Nhưng trong nhiều năm qua, Hora và nhóm của bà đã làm việc để tạo ra các thiết kế khác. Và trong dự án này, nhóm đã thử nghiệm theo cách tiến hành thí nghiệm cũng như thông qua mô phỏng. Máy phản ứng hydro-boron hoạt động bằng cách kích hoạt phản ứng nhiệt hạch từ chùm tia laser tập trung một triệu tỷ watt điện chỉ trong một phần nghìn tỷ giây.

Sơ đồ phản ứng hydro-boron. (UNSW)

Các thử nghiệm gần đây nhất đã đưa ra cách tiếp cận hydro-boron trước các công nghệ tương tự khác, bao gồm cả sự hợp nhất deuterium-tritium, đang được nghiên cứu (và cũng có nhược điểm là sản xuất chất thải phóng xạ).

Nhóm nghiên cứu cũng đưa ra một lộ trình cho sự phát triển phản ứng liên kết hydro-boron. Tin tốt là nếu các nghiên cứu trong tương lai không chỉ ra bất cứ trở ngại kỹ thuật nào đối với phương pháp tiếp cận này, một lò phản ứng nguyên mẫu có thể được chế tạo trong vòng một thập kỷ tới đây.

Mặc dù vẫn còn rất nhiều thách thức trong việc tối ưu hóa các phản ứng cần thiết và giữ chúng đủ ổn định để tạo ra điện nhưng nếu kỹ thuật nhiệt hạch mới này có thể được ứng dụng thì sẽ đem lại lợi ích rất lớn.

Warren McKenzie, giám đốc điều hành của HB 11, đơn vị sở hữu bằng sáng chế, cho biết: "Với phản ứng này, các nhiên liệu và chất thải đều được an toàn, lò phản ứng sẽ không cần một bộ trao đổi nhiệt và máy phát điện tua bin hơi và các tia laser chúng ta cần đều có thể mua được".