Berkeley Lab, một đối tác tham gia trong Phòng thí nghiệm Ảo Quốc gia Khoa học Nhiệt hạch Ion Nặng (HIFS VNL) cùng với Phòng thí nghiệm Lawrence Livermore và Phòng thí nghiệm Vật lí Plasma Princeton, là một nơi đi đầu trong việc phát triển một loại máy gia tốc đặc biệt dùng cho các thí nghiệm nhắm tới mục tiêu hiện thực hóa điện nhiệt hạch, gọi là máy gia tốc cảm ứng. Nguyên lí cảm ứng tương tự như một máy biến áp có hai cuộn dây, trong đó bản thân chùm hạt máy gia tốc là cuộn thứ cấp. Các máy gia tốc cảm ứng có thể xử lí những ion với động năng thích hợp ở những dòng điện cao hơn (có nhiều hạt tích điện trong chùm hạt hơn) hiệu quả hơn nhiều so với máy gia tốc RF.
“Việc chọn lựa loại máy gia tốc tốt nhất và loại bia tốt nhất chỉ mới là sự khởi đầu của thử thách điện nhiệt hạch”, Seidl nói. “Để đặt lượng năng lượng thích hợp lên trên bia ở kiểu phân bố thích hợp, cần có những chùm hạt thích hợp – và phải có thể tập trung chúng sít sao lên trên tấm bia, chỉ rộng vài mili mét, từ cự li vài mét. Những tấm bia mới phải được đưa vào buồng phản ứng năm đến mười lần mỗi giây, và buồng phản ứng phải được thiết kế sao cho năng lượng từ sự đánh lửa hồi phục lại được. Trong khi đó, các thành phần tập trung chùm hạt cuối cùng phải được bảo vệ trước những mảnh nổ vỡ, các hạt năng lượng cao, và tia X”.
Một số trong những thách thức này dễ đáp ứng hơn nếu tấm bia không phải va chạm từ cả hai phía cùng một lúc. Các nhà nghiên cứu đã được khích lệ bởi những gợi ý rằng sự đốt cháy bia, đủ nóng để tạo ra và duy trì sự đánh lửa, có thể được kích hoạt với số chùm hạt rọi lên bia từ chỉ một phía ít hơn.
Máy gia tốc NDCX-II được thiết kế đặc biệt để nghiên cứu vật chất ấm đặc. Bằng cách sử dụng một máy gia tốc cảm ứng và một hệ thống nén trôi giạt trung hòa, xung ion có thể được định hình để phân phối đa phần năng lượng của nó lên bề mặt tấm bia.
Mặt bên này của sự nhiệt hạch: vật chất ấm đặc
Trong khi nghiên cứu những phương pháp tiếp cận nhiệt hạch ion nặng, Berkeley Lab và các đối tác của họ trong HIFS VNL cũng vướng phải những câu hỏi khoa học liên quan đến sự làm nóng vật chất đến nhiệt độ cao bằng chùm tia ion. Chương trình nghiên cứu hiện nay được thiết kế để tạo ra một trạng thái vật chất trong tiến trình dẫn tới sự nhiệt hạch nhưng không nóng – một trạng thái có lẽ nên gọi là vật chất ấm đặc, nghĩa là chỉ mới “ấm” (10.000 độ Kelvin hay tương đương) so với hàng triệu độ tiêu biểu của các phản ứng nhiệt hạch.
Không phải là một thí nghiệm ion nặng, Thí nghiệm Nén Giạt Trung hòa II (NDCX-II) sử dụng một máy gia tốc thẳng cảm ứng để tăng tốc và nén những chùm ion lithium rất nhẹ để tiết chế năng lượng. NDCX-II gặp phải một vấn đề phổ biến với mọi máy gia tốc, vấn đề không gian-điện tích, trong đó những hạt tích điện cùng dấu - trong trường hợp ion nguyên tử là mang điện dương – thì đẩy lẫn nhau; các chùm hạt luôn cố thổi chúng ra xa. Với một số ion cho trước trên mỗi chùm tia, vấn đề này gây ra một giới hạn dưới đối với chiều dài xung.
Sau khi gia tốc trong NDCX-II, chùm ion đi vào một buồng trôi giạt trong đó một plasma (chứa các ion cùng với vô số electron tự do) được bơm vào để trung hòa điện tích toàn phần của xung. Một từ trường làm tập trung chùm hạt hướng tâm; trong khi đó máy gia tốc cảm ứng xử lí vận tốc ion sao cho đầu sau của xung đuổi kịp đầu trước, nén nó lại theo phương chiều dài. Bằng cách này, xung được định hình để tích góp khoảng ba triệu electron volt động năng trên mỗi ion, trong khoảng thời gian một nano giây, lên trên một đốm đường kính chỉ một mili mét trên một lá bia mỏng.
“Một máy gia tốc năng lượng cao, như RHIC hay LHC, sẽ gửi một chù hạt qua tấm bia giống như một viên đạn đi xuyên qua giấy, chỉ một phần nhỏ năng lượng của nó bị tổn thất”, phát biểu của Joe Kwan thuộc AFRD, nhà nghiên cứu chính của NDCX-II. “Chùm ion của chúng tôi được tối ưu hoa để tích góp phần lớn năng lượng của nó trong bản thân tấm bia mỏng, làm nóng nó lên tức thời đến điều kiện vật chất ấm đặc”.
Máy gia tốc cảm ứng và hệ thống nén trôi giạt trung hòa của NCXX-II định hình xung ion để tích góp chừng ba triệu electron volt động năng trên mỗi ion trong khoảng thời gian một nano giây, lên trên một đốm nhỏ đường kính chỉ một mili mét trên một lá nhôm mỏng.
Việc xây dựng máy gia tốc NDCX-II đã bắt đầu hồi năm 2009 và giai đoạn đầu của nó sẽ hoàn thành vào đầu năm 2012, khi đó các thí nghiệm sẽ bắt đầu triển khai. Lĩnh vực vật chất ấm đặc tự nó là một ngành nghiên cứu quan trọng, cần thiết để tìm hiểu trạng thái của vật chất bên trong những hành tinh khổng lồ như Mộc tinh, và rất nhiều hiện tượng thiên văn vật lí khác. Mặc dù tấm bia của nó là những lá mỏng, chứ không phải những viên nang hydrogen nặng, nhưng NDCX-II sẽ mang đến những tiến bộ về sự gia tốc, sự nén, và làm tập trung một chùm ion mạnh, sẽ làm rõ những khái niệm then chốt đối với sự sản xuất năng lượng nhiệt hạch ion nặng.
Các chùm hạt, các tấm bia, kiến trúc của buồng phản ứng, và phương tiện triển khai thu năng lượng sẵn có từ các phản ứng nhiệt hạch quán tính mang lại cả một tập hợp những vấn đề phức tạp, tương quan nhau, phải được xử lí đồng bộ cùng một lúc.
Mục tiêu rất đáng để theo đuổi, Seidl nói. “Nếu chúng ta có thể tìm ra một phương pháp sản xuất điện với sự nhiệt hạch, thì nó sẽ làm thay đổi những viễn cảnh cho sự thịnh vượng và sung túc của các quốc gia – một nguồn cung nhiên liệu hết sức lớn để lại ít chất thải và không đưa carbon vào khí quyển. Thành công sẽ báo hiệu những chuyển biến tích cực đối với nhu cầu năng lượng và môi trường tương lai của thế giới”.
Nguồn: Phòng thí nghiệm Lawrence Berkeley
