Phản ứng nhiệt hạch là gì? Và điều kiện để xảy ra?

Có lẽ các bạn đã nghe đâu đó về việc các nhà khoa học đang theo đuổi một loại phản ứng đặc biệt để tạo ra một mặt trời nhân tạo rồi đúng không?

Và nếu như nghiên cứu này thành công thì nó sẽ tạo ra những nguồn năng lượng vô tận cho loài người, chúng ta có thể sử dụng thoải mái mà không bao giờ hết.

Nhưng đó là loại phản ứng gì mà lại khiến cho các nhà khoa học phải nghiên cứu và theo đuổi đến cùng như vậy?

Vâng, câu trả lời đó chính là phản ứng nhiệt hạch các bạn ạ !

#1. Phản ứng nhiệt hạch là gì?

Hiểu đơn giản thì phản ứng nhiệt hạch là một phản ứng hạt nhân mà trong đó, nhiều hạt nhân nhỏ sẽ kết hợp lại thành một hạt nhân trung bình.

Ví dụ:

Năng lượng tỏa ra trong mỗi phản ứng trên là: W_tỏa = 17,6 MeV/ 1 hạt nhân.

Có thể nói, phản ứng nhiệt hạch sẽ tạo ra một nguồn năng lượng vô cùng lớn, chỉ 1 gam nguyên liệu là nó đã có thể tạo ra một nguồn năng lượng tương đương với 13,5 tấn than và gấp 6 lần nguồn năng lượng của phản ứng phân hạch trong nhà máy điện hạt nhân tạo ra.

Nguồn năng lượng của mặt trời (hay các ngôi sao khác) cũng được tạo ra từ phản ứng nhiệt hạch, năng lượng do mặt trời tạo ra mỗi giây nếu được chuyển hóa thành điện năng nó có thể giúp con người trên trái đất sử dụng liên tục trong vòng 1 triệu năm.

Vậy nên có thể nói, tiềm năng của phản ứng nhiệt hạch là vô cùng to lớn.

#2. Điều kiện để xảy ra phản ứng nhiệt hạch?

Đọc đến đây thì nhiều bạn sẽ có suy nghĩ là việc tạo ra phản ứng nhiệt hạch và kiểm soát nó là nhiệm vụ bất khả thi.

Vâng, đúng là phản ứng nhiệt hạch vô cùng khó xảy ra, hay nói chính xác là trong môi trường tự nhiên trên trái đất chưa từng xảy ra phản ứng nhiệt hạch. Bởi điều kiện để xảy ra loại phản ứng này là nó phải đạt tới hàng triệu độ C và dưới áp suất cực kỳ lớn.

Mà trên bề mặt trái đất lại không có nơi nào có điều kiện như vậy !

Tuy nhiên, dưới bàn tay của con người thì không có gì là không thể. Bằng chứng là con người đã lần đầu tiên tạo ra được phản ứng nhiệt hạch trên trái đất thông qua việc chế tạo bom H (Hydrogen Bomb).

Cụ thể hơn là các nhà khoa học Liên Xô đã chế tạo thành công quả bom Sa Hoàng (quả bom nhiệt hạch/ bom khinh khí đầu tiên) – trong đó có sử dụng phản ứng nhiệt hạch.

Cách mà Liên Xô chế tạo ra quả bom H là họ đã tạo điều kiện cho phản ứng nhiệt hạch xảy ra.

Cụ thể hơn thì họ đã sử dụng quả bom nguyên tử làm kíp nổ, khi quả bom nguyên tử nổ thì nó sẽ tạo ra một nhiệt độ vô cùng lớn (hàng chục triệu độ) => lúc này nó sẽ làm nóng toàn bộ khối nhiên liệu nhiệt hạch => và tất nhiên, ở điều kiện lý tưởng, phản ứng nhiệt hạch đã xảy ra.

Nhưng việc tạo ra phản ứng nhiệt hạch trong quả bom H nó khác hoàn toàn với việc tạo ra phản ứng nhiệt hạch để khai thác tạo ra năng lượng điện cho con người sử dụng. Việc khai thác nguồn năng lượng đó là rất khó !

#3. Vậy phải làm thế nào?

Tất nhiên là sẽ có cách để tạo ra phản ứng nhiệt hạch (có thể khai thác được nguồn năng lượng).

Hiện nay liên minh Mỹ, Châu Âu và Trung Quốc đều đang cố gắng nghiên cứu về phản ứng nhiệt hạch để tạo ra mặt trời nhân tạo.

Liên minh Châu Âu họ đã cho xây dựng một viện nghiên cứu ITER trị giá 20 tỉ USD.

Họ đi theo phương án là sẽ sử dụng nam châm siêu mạnh để tạo ra phản ứng nhiệt hạch, tuy nhiên thì ở thời điểm hiện tại, phương án này vẫn chưa mang lại nhiều tin vui.

Còn ở Mỹ thì họ cho xây dựng một cơ sở gọi là cơ sở kích nổ quốc gia (NIF) trị giá 3,5 tỉ USD, các nhà khoa học ở đây thì đi theo hướng dùng tia Laze cực mạnh để chiếu vào cục Hydro (H) để tạo ra phản ứng nhiệt hạch chứ không dùng nam châm.

Và phương pháp này có vẻ như đang tiến dần tới thành công.

Giai đoạn đầu nghiên cứu, các nhà khoa học sẽ mô phỏng thí nghiệm trên siêu máy tính (Supercomputer).

Theo đó, hàng triệu dòng lệnh đã gắn các hạt nhân nguyên tử Hydro (mô phỏng) với các phương trình vật lý biểu diễn lực tác dụng mà mỗi hạt nhân sẽ phải chịu với mỗi tia laze chiếu vào.

Sau đó người ta giả lập các tia laze chiếu vào và chờ máy tính xử lý xem điều gì sẽ xảy ra. Kết quả là các siêu máy tính mạnh nhất thế giới cũng phải mất cả tuần để xử lý một thí nghiệm mô phỏng.

Sau rất nhiều thử nghiệm, các nhà khoa học đã nhận được kết quả rằng nếu chiếu 192 chùm laze phân bố đều theo nhiều hướng khác nhau thì cục nguyên liệu sẽ bị nén lại 60.000 lần (tương tự như một quả bóng bị nén nhỏ thành một hạt đậu).

Lúc này, áp suất và nhiệt độ của viên nguyên liệu còn cao hơn cả nhiệt độ mặt trời và phản ứng nhiệt hạch dễ dàng xảy ra.

Nhưng đó là trên máy tính còn thực tế thì sao?

Tiến tới thí nghiệm, các nhà khoa học đã lấy 1 viên Hydro được nén chặt (đường kính chỉ 2mm), sau đó họ cho nó vào một cái ống hình trụ, ở mỗi đầu trụ sẽ được chiếu bởi 192 chùm laze mạnh nhất thế giới.

Ban đầu thì viên nguyên liệu của chúng ta đã bị chùm laze bóp cho méo mó (vì các tia laze chiếu vào không đều) và các nhà khoa học đã phải điều chỉnh lại tia laze, nhưng kết quả vẫn không khá hơn là bao. Nguyên nhân chính là do các tia laze vẫn còn chiếu sai vị trí.

Sau nhiều lần thử nghiệm thì cuối cùng, 384 chùm tia Laze đã phát huy tác dụng. Nó đã nén viên nguyên liệu nhỏ lại tới 40 lần đường kính, nếu nhìn vào mắt thường thì nó dường như là biến mất và phản ứng nhiệt hạch đã xảy ra.

Dù rất vui mừng vì chúng ta đã tạo ra phản ứng nhiệt hạch trong phòng thí nghiệm mà không cần dùng tới bom hạt nhân nhưng thành công lớn này cũng chỉ là một khởi đầu rất nhỏ, bởi năng lượng để kích thích phản ứng nhiệt hạch đã lớn gấp nhiều lần năng lượng do nó tạo ra.

Đến năm 2018, một phản ứng nhiệt hạch khác cũng chỉ tạo ra được 55.000 jun bằng 3% năng lượng đã sử dụng để tạo ra phản ứng.

Đến đầu năm 2021, một phản ứng đã tạo ra 170.000 jun, nhưng cũng chỉ đạt được 10% năng lượng đã sử dụng để tạo ra phản ứng.

Tuy nhiên, điều bất ngờ đã xảy ra gần đây khi một phản ứng nhiệt hạch đã tạo ra 1,3 triệu jun với công suất là 13 triệu tỷ oát năng lượng trong quãng thời gian siêu ngắn 1/10 tỉ giây và phản ứng này đã mang lại hiệu quả 70% so với năng lượng đầu vào.

Mặc dù vẫn chưa đạt được trạng thái cân bằng nhưng điều đó cho thấy các nhà khoa học đang có nhiều tiến bộ lớn trong một khoảng thời gian rất ngắn.

Vậy nên chúng ta có thể kỳ vọng rằng năm 2022 các nhà khoa học sẽ đưa phản ứng nhiệt hạch đến trạng thái cân bằng, rồi sau đó thì sẽ áp dụng vào khai khác.

Lúc đó chúng ta sẽ không còn phải lo về việc bị cạn kiệt nhiên liệu hóa thạch nữa, vì một nguồn năng lượng sạch và vô hạn đã xuất hiện.

Hi vọng những thông tin trong bài viết này sẽ hữu ích với bạn 🙂

Đọc thêm:

• Máy tính lượng tử là gì? Tìm hiểu về máy tính lượng tử
• Tại sao các Electron không bị hút vào hạt nhân nguyên tử?
• Pin năng lượng mặt trời có gây ô nhiễm môi trường không?

CTV: Đinh Tùng – Blogchiasekienthuc.com
Edit by Kiên Nguyễn