Tiến bộ mới về sự đánh lửa nhiệt hạch laser

Các nhà nghiên cứu tại Cơ sở Đánh lửa Quốc gia ở Mĩ vừa tiến thêm một bước nữa hướng đến sự nhiệt hạch với việc thu được các điều kiện nhiệt độ và sức nén cần thiết cho một phản ứng tự duy trì.

Các nhà vật lí tại Cơ sở Đánh lửa Quốc gia (NIF) ở Mĩ cho biết họ vừa tiến thêm một bước quan trọng trong nỗ lực sản sinh năng lượng nhiệt hạch bằng những laser cực mạnh. Bằng cách tập trung 192 chùm tia laser của NIF lên trên một bình chứa vàng nhỏ xíu, các nhà nghiên cứu dã thu được điều kiện nhiệt độ và sức nén cần thiết cho một phản ứng nhiệt hạch tự duy trì – một cột mốc họ hi vọng sẽ vượt qua được trong năm tới.

Tọa lạc tại Phòng thí nghiệm quốc gia Lawrence Livermore ở California và chính thức mở cửa hồi năm ngoái, NIF sẽ cung cấp dữ liệu cho sự thử nghiệm vũ khí hạt nhân đồng thời thực hiện nghiên cứu cơ bản trong lĩnh vực thiên văn vật lí và vật lí plasma. Cơ sở trên còn nhắm tới mục tiêu hợp nhất các đồng vị deuterium và tritium của hydrogen để chứng minh tính khả thi của sự nhiệt hạch laser cho sự sản xuất năng lượng.

Những đồng vị hydrogen này sẽ được chứa trong những quả cầu beryllium nhỏ bằng hạt tiêu, đặt ở chính giữa một bình trụ rỗng bằng vàng dài một inch gọi là hohlraum. Khi làm nóng phần bên trong của hohlraum, các chùm laser của NIF sẽ phát ra tia X làm cho các quả cầu beryllium nổ tung và, do sự bảo toàn động lượng, deuterium và tritium bị nén lại nhanh. Một sóng xung kích từ vụ nổ lan ra khi đó làm tăng nhiệt độ của vật chất bị nén đến mức các hạt nhân vượt qua lực đẩy tương hỗ của chúng và hợp nhất lại.

Một trong những mục tiêu chính của NIF là thu được “sự đánh lửa”, nghĩa là những phản ứng nhiệt hạch sản sinh đủ nhiệt lượng để trở nên tự duy trì. Các nhà nghiên cứu hi vọng rằng bằng cách đốt chát chừng 20-30% nhiên liệu bên trong mỗi quả cầu, thì các phản ứng sẽ mang năng lượng nhiều gấp 10 đến 20 lần năng lượng do các laser cung cấp.

Nóng hơn cả Mặt trời

NIF lần đầu tiên bắt đầu thử nghiệm các chùm laser hồi năm ngoái và hiện nay hai nhóm tại Lawrence Livermore cho biết họ có thể thu được những điều kiện như mong muốn bên trong hohlraum. Họ làm được như vậy bằng cách sử dụng các quả cầu plastic chứa helium, thay cho những viên nhiên liệu thật sự, vì những quả cầu này dễ phân tích hơn, và bằng cách kết hợp các phép đo thực nghiệm của họ với các mô phỏng trên máy tính, các nhà nghiên cứu nhận thấy hohlraum biến đổi gần 90% năng lượng laser thành tia X và nó nóng lên tới chừng 3,6 triệu độ Celsius. Họ còn nhận thấy quả cầu bị nén rất đồng đều, đường kính của nó co lại từ chừng 2 mili mét xuống khoảng một phần mười mili mét.

“Những kết quả này còn tốt hơn cả cái chúng tôi hi vọng”, ông chủ NIF Edward Moses phát biểu. “Mọi người đã lo ngại rằng chúng tôi sẽ không thể thu được nhiệt độ và hình dạng như mong muốn, nhưng những lo ngại đó đã không xảy ra”. Moses cho biết bước tiếp theo sẽ là thay thế các quả cầu plastic bằng những quả cầu beryllium chứa những lượng deuterium và tritium không đều nhau, để nghiên cứu cách chuyển sang sử dụng những viên nhiên liệu thật sự, chúng sẽ chứa những lượng bằng nhau của hai đồng vị hydrogen và người ta hi vọng là sẽ đánh lửa.

Moses cho biết ông hi vọng sự đánh lửa sẽ xảy ra vào năm 2012. Nhưng ông không kì vọng gì thêm, vì người ta đã phải xử lí quá nhiều vấn đề kĩ thuật kể từ khi sự xây dựng NIF bắt đầu hồi năm 1997. Thật vậy, ông và các đồng sự đã dự đoán hồi tháng năm ngoái rằng sự đánh lửa sẽ thu được vào cuối năm 2010. “Chúng tôi sẽ có thể đạt tới sự đánh lửa khoảng chừng mùa xuân hoặc mùa hè năm tới”, ông nói. “Nhưng trong khi chờ đợi, tất nhiên có rất nhiều vấn đề vật lí chúng ta phải giải quyết trước đã”.

David Hammer, một nhà vật lí plasma tại trường Đại học Cornell ở New York, cho biết rằng những kết quả mới trên là đáng khích lệ. Tuy nhiên, ông cảnh báo rằng nghiên cứu trên được thực hiện mà không có sự hiểu trọn vẹn các phản ứng xảy ra giữa những chùm laser và plasma bên trong hohlraum và rằng những tương tác như vậy có thể phá vỡ sự đối xứng rất chính xác của viên nang nhiên liệu dành cho sự đánh lửa.

Nguồn: physicsworld.com