Chương trình phát triển năng lượng nhiệt hạch của Mỹ

Tháng 3/2010, trong một thông báo trên tạp chí Science Express, các nhà khoa học tại Viện nghiên cứu quốc gia Lawrence Livermore đã thông báo những kết quả khả quan về hoạt động của hệ thống kích hoạt quốc gia – NIF (National Ignition Facility) cho phản ứng nhiệt hạch.

Các nhà khoa học đã đo được nhiệt độ khoảng 3 triệu độ K tại buồng phản ứng. Sóng điện từ từ chùm laser sẽ đưa áp suất buồng chứa nhiên liệu lên khoảng 100 tỉ lần áp suất trái đất. Áp suất cực lớn này sẽ nâng nhiệt độ bên trong nhiên liệu hydro nặng lên khoảng 100 triệu độ K tạo điều kiện cho phản ứng nhiệt hạch xảy ra dễ dàng.

Theo tính toán, năng lượng tỏa ra khi đốt 1mg nhiên liệu hydro nặng tương đương với năng lượng tỏa ra của một thùng dầu hỏa. Hydro nặng có rất nhiều trong nước biển nên đây là một nguồn nhiên liệu vô tận.

Trong nửa thế kỷ qua, các nhà khoa học đã nghiên cứu để có thể điều khiển được phản ứng nhiệt hạch trong điều kiện phòng thí nghiệm. Phản ứng nhiệt hạch là phản ứng tổng hợp hạt nhận nguyên tử nhẹ thành hạt nhân nguyên tử nặng hơn đồng thời tỏa ra rất nhiều năng lượng. Phản ứng nhiệt hạch được biết đến nhiều trong lõi của các vì sao như mặt trời của chúng ta.

NIF đã bắt đầu hoạt động năm 2010, mơ ước “tạo ra mặt trời nhỏ” trên trái đất của các nhà khoa học và của nhân loại trong nửa thế kỷ qua sẽ trở thành hiện thực trong thời gian sắp tới.

Hệ thống kích hoạt phản ứng nhiệt hạch bao gồm 192 máy phát xung laser khổng lồ, được xây dựng với kinh phí 3,5 tỉ đôla. NIF sẽ cung cấp năng lượng lớn hơn ít nhất 60 lần năng lượng của hệ thống laser lớn nhất từng có.

Khi tất cả các máy laser này được hội tụ (xem hình minh họa), nó sẽ cung cấp khoảng 2 triệu joules năng lượng tử ngoại tại điểm hội tụ trong buồng phản ứng. Năng lượng này sẽ tạo ra môi trường đặc biệt kích hoạt phản ứng nhiệt hạch.

Đây là môi trường chỉ tồn tại trong lõi của các vì sao, hành tinh cực lớn và trong các vụ nổ vũ khí hạt nhân (phản ứng phân rã hạt nhân siêu nặng thành hạt nhân nhẹ hơn, đồng thời tỏa ra lượng nhiệt khổng lồ nhưng it hơn so với phản ứng nhiệt hạch).

Khi phản ứng nhiệt hạch xảy ra, nó sẽ giải phóng một lượng năng lượng khổng lồ, lớn hơn rất nhiều lần năng lượng cần thiết để kích hoạt phản ứng.

Trong tương lai, dựa trên kiến thức vật lý và công nghệ áp dụng cho NIF, các nhà khoa học sẽ chế tạo ra các động cơ nhiệt hạch được kich hoạt bằng laser – LIFE (Laser Inertial Fusion Engine). LIFE có một triển vọng rất khả quan trong việc giải quyết vấn đề năng lượng trên toàn cầu.

Đây là năng lượng an toàn, vô tận và không thải ra các khí thải độc hại cho môi trường như khí CO2. Một trong những ưu điểm nổi trội khác của LIFE là tạo ra rất nhiều hạt neutron. Neutron sau đó được dùng để kích hoạt phản ứng hạt nhân trong các chất thải hạt nhân từ các nhà máy điện nguyên tử. Một lượng năng lượng lớn sẽ tỏa ra trong phản ứng này.

Các nhà máy điện nguyên tử hiện nay chỉ đốt cháy 10% thanh nhiên liệu uranium. Chất thải nhiện liệu này sẽ được sử dụng trong LIFE và sẽ được đốt cháy đến hơn 99%. LIFE thực sự sẽ góp phần to lớn làm giảm lượng rác thải phóng xạ hạt nhân nguy hiểm cho trái đất.

Thử nghiệm về kích hoạt phản ứng nhiệt hạch sử dụng NIF sẽ được tiến hành vào năm 2010 – 2011. Một nhà máy điện LIFE đầu tiên sẽ được thử nghiệm vào năm 2020. Sau cùng, một nhà máy điện thương mại hoàn chỉnh sẽ được thương mại hóa năm 2030.

Nếu 12 nhà máy điện kiểu LIFE được xây dựng liên tục từ năm 2030 với tốc độ 5 năm/nhà máy, LIFE sẽ cung cấp 1 nghìn tỉ watt điện (khoảng 1.000 lần công suất của nhà máy thủy điện Hòa Bình) vào năm 2100. Sản lượng điện này sẽ cung cấp 30% nhu cầu điện của Hoa Kỳ khi đó.

Những thí nghiệm thu được từ NIF sẽ mang lại đóng góp to lớn cho an ninh năng lượng Hoa kỳ và trên thế giới do mang lại nguồn năng lượng nhiệt hạch dồi dào. NIF là kết quả của sự hợp tác giữa chính phủ, các ngành công nghiệp và các viện nghiên cứu trên toàn Hoa kỳ.

Được thành lập năm 1952, Viện nghiên cứu quốc gia Lawrence Livermore có nhiệm vụ phát triển khoa học và công nghệ, cung cấp giải pháp mới mẻ cho các vấn đề quan trọng nhất của Hoa Kỳ và nhân loại.