Tìm ra phương pháp tổng hợp hạt nhân mới nhờ lấy cảm hứng từ một loài tôm

Quá trình phân hạch hạt nhân đã được làm chủ trong nhiều năm để sản xuất điện, song phản ứng tổng hợp hạt nhân vẫn gặp nhiều "lỗ hổng" để có thể tạo ra năng lượng có thể sử dụng được. 

Chẳng hạn như duy trì plasma ở nhiệt độ vài triệu độ C trong một thời gian nhất định. Song một kỹ thuật bằng cách sử dụng một khẩu pháo siêu thanh để bắn vào mục tiêu chứa nguyên liệu hạt nhân có thể tạo ra một cuộc cách mạng trong lĩnh vực nhiệt hạch hạt nhân.

Phản ứng tổng hợp hạt nhân cho ra một năng lượng sạch và gần như vô hạn. Cụ thể, một hạt nhân đơteri hợp nhất với một hạt nhân triti sẽ tạo thành một hạt nhân heli nặng hơn, một nơtron và rất nhiều năng lượng. 

Trước đó, trong nỗ lực tạo ra năng lượng bằng phản ứng tổng hợp hạt nhân, các nhà nghiên cứu trên khắp thế giới đang nghiên cứu phát triển các lò phản ứng gọi là "tokama", thiết bị giam giữ từ trường hỗ trợ nhiệt độ với vài triệu độ C cần thiết để kích hoạt các phản ứng nhiệt hạch này.

Nhiên liệu cần thiết cho phản ứng trên phải được đưa đến nhiệt độ 150 triệu độ C để chuyển hóa thành plasma. Điều này, cũng phải được hạn chế bởi một từ trường mạnh cùng với nhiệt độ siêu cao, các hạt nhân của đơteri và triti mới có thể hợp nhất để tạo ra hạt nhân heli, nơtron và quan trọng là năng lượng.

Trước hết, đây là một năng lượng có thể được sản xuất với số lượng rất lớn, bởi vì đối với một khối lượng nhiên liệu bằng nhau, phản ứng tổng hợp hạt nhân có thể giải phóng năng lượng gấp bốn lần so với sự phân hạch hạt nhân hiện đang được sử dụng.

Nhiên liệu cần thiết cho phản ứng nhiệt hạch hầu như không cạn kiệt vì nó là đơteri có thể được sản xuất từ nước và triti. Sau đó được tạo ra trong quá trình phản ứng.

Đặc biệt, phản ứng tổng hợp hạt nhân là một nguồn năng lượng sạch không tạo ra bất kỳ khí thải carbon dioxide hoặc các chất ô nhiễm khác và không thể gây ra các tai nạn lớn như nóng chảy lõi vì plasma có thể nguội đi trong vài giây khiến phản ứng dừng lại trong trường hợp có vấn đề.

Song các nhà khoa học vẫn gặp nhiều khó khăn để có thể tạo ra năng lượng có thể sử dụng được, vì tokama vẫn là thiết bị thử nghiệm. Cho đến nay, thời gian giữ lâu nhất cho một phản ứng nhiệt hạch là 5 giây để tạo ra 59 megajoules năng lượng, ít hơn những gì cần thiết để bắt đầu quá trình. 

Một phương pháp mới đến từ các nhà nghiên cứu của công ty khởi nghiệp First Light Fusion, thuộc Đại học Oxford (Anh) đã đạt được tiến bộ đáng kể trong lĩnh vực phản ứng tổng hợp hạt nhân bằng cách tạo ra một khẩu pháo siêu thanh để tạo ra năng lượng.

Phương pháp mới tương tự như móng vuốt của "tôm súng lục"

"Tôm súng lục" là một loài giáp xác dài từ 3cm đến 5cm có một vũ khí đáng gờm là một chiếc móng vuốt là "một vũ khí đáng sợ" với kích thước lớn và có sức mạnh khủng khiếp.

Khi loài tôm này gặp nguy hiểm, chiếc móng vuốt này tạo ra một vụ nổ 220 decibel và nhiệt lượng có thể lên tới hơn 4.700 độ C (hơn cả nhiệt độ dung nham núi lửa), kèm theo một tia nước mạnh để tấn công hoặc giết chết kẻ thù của nó.

Các nhà nghiên cứu First Light Fusion đã lấy cảm hứng từ loài giáp xác này để phát triển một khẩu pháo siêu tốc được gọi là "Big Friendly Gun". Pháo điện từ này phóng một quả đạn với tốc độ bùng nổ 6,5 km/giây, gấp 19 lần tốc độ âm thanh vào một mục tiêu có kích thước bằng một cái ống chứa deuterium.

Mục tiêu deuterium này đã được thiết kế để có thể tập trung tối ưu tất cả năng lượng của quả đạn. Đi kèm với nó là một bộ khuếch đại có vai trò tăng áp suất sinh ra trong quá trình va chạm và phân phối chính xác năng lượng khắp mục tiêu để nhiên liệu được nén chính xác.

Trong khi va chạm, mục tiêu chịu áp suất 10 Terapascal (100 triệu atm) sẽ bị nén lại bởi quả đạn, sau đó đạt vận tốc 70km/s (khoản 252.000 km/h).

Đủ năng lượng cho hai năm

Sự nén do mục tiêu đơteri thực hiện làm cho nó có thể mang lại các điều kiện cần thiết để kích hoạt phản ứng tổng hợp hạt nhân lại với nhau. Nhiệt tạo ra từ phản ứng được hấp thụ bởi một "buồng" bao gồm một bức tường bằng chất lỏng liti dày 1m. Một bộ trao đổi nhiệt được sử dụng để sản xuất hơi nước được sử dụng để làm quay tuabin sản xuất điện.

Lượng năng lượng do mục tiêu đơteri tạo ra là rất lớn và có thể đủ để cung cấp năng lượng cho một gia đình trung bình trong hai năm. Các nhà thiết kế của "Big Friendly Gun" có thể lặp lại phản ứng sau mỗi 30 giây.

Do đó có thể cung cấp công suất 744 MW, thấp hơn một chút so với sản xuất của một nhà máy phân hạch thông thường, nhưng có những ưu điểm khác và tuyệt đối không có nhược điểm.

Để quá trình lặp lại trong thời gian ngắn như vậy, pháo phản lực siêu thanh phải được lắp trên nóc buồng phản ứng chứa mục tiêu.

First Light Fusion hiện đang nghiên cứu để tăng năng suất của phản ứng nhiệt hạch được tạo ra từ pháo siêu thanh "Big Friendly Gun" bằng cách tăng thêm nhiệt độ của phản ứng nhờ vận tốc siêu nhanh của quả đạn. 

Công ty đã có kế hoạch xây dựng một nhà máy thí điểm với chi phí dưới một tỷ USD, có khả năng sản xuất 150 MW điện vào năm 2030.

Hiện nay, phản ứng tổng hợp hạt nhân là một trong những khả năng có thể làm giảm đáng kể lượng khí thải gây hiệu ứng nhà kính của chúng ta, bởi vì nó mang lại những lợi thế rất thú vị.