Phản ứng tổng hợp hạt nhân hay cuộc cách mạng y tế và năng lượng

Đây là “cam kết” của phản ứng tổng hợp hạt nhân, một quá trình cung cấp năng lượng cho các ngôi sao và có thể cách mạng hóa sự sống trên Trái đất.

Phản ứng tổng hợp hạt nhân xảy ra khi hai hạt nhân nguyên tử nhẹ kết hợp để tạo thành một hạt nhân nặng hơn, giải phóng một lượng năng lượng lớn. Phản ứng này cung cấp năng lượng cho mặt trời và các ngôi sao khác, nơi nhiệt độ và áp suất cực cao cho phép các đồng vị hydro - như deuterium và tritium - kết hợp thành heli, tạo ra năng lượng theo phương trình của Einstein (E = mc2). Trên Trái Đất, phản ứng tổng hợp hạt nhân đã được khai thác cho vũ khí nhiệt hạch như bom khinh khí. Tuy nhiên, nó vẫn chưa được khai thác thành công để sản xuất năng lượng thực tế mặc dù có triển vọng cung cấp nguồn năng lượng sạch gần như vô hạn với lượng chất thải phóng xạ tối thiểu.

Rốt cuộc, để đạt được phản ứng tổng hợp hạt nhân có kiểm soát đòi hỏi phải mô phỏng điều kiện khắc nghiệt trong các ngôi sao để những đồng vị có thể vượt qua lực đẩy tĩnh điện (được gọi là rào cản Coulomb) và hợp nhất.

Hình ảnh 3D lò phản ứng tổng hợp hạt nhân.

Mặc dù giới khoa học có thể làm được điều đó về mặt kỹ thuật, nhưng họ không thể duy trì trạng thái plasma ổn định đủ lâu cho phản ứng tổng hợp hạt nhân. Điều này đòi hỏi những kỹ thuật tiên tiến như giới hạn từ tính trong tokamak hoặc giới hạn quán tính bằng cách sử dụng tia laser mạnh. Đồng thời, giới khoa học đã phát hiện tiềm năng của phản ứng tổng hợp hạt nhân vượt xa việc sản xuất năng lượng. Nghiên cứu cho thấy nó có thể hữu ích trong một số ứng dụng y tế, chẳng hạn như sản xuất đồng vị để điều trị ung thư. Nó cũng có thể cách mạng hóa ngành công nghiệp ô tô bằng cách thay đổi cách chúng ta cung cấp năng lượng cho ô tô điện (EV).

Sự khác biệt giữa phân hạch hạt nhân và phản ứng tổng hợp hạt nhân

Phản ứng nhiệt hạch và phản ứng phân hạch là hai phản ứng hạt nhân cơ bản giải phóng năng lượng nhưng hoạt động theo nguyên lý ngược nhau. Phản ứng phân hạch hạt nhân liên quan đến việc phân tách một hạt nhân nguyên tử nặng thành các hạt nhân nhỏ hơn và giải phóng một lượng năng lượng đáng kể. Quá trình này thường xảy ra khi một neutron va chạm với một hạt nhân không ổn định, chẳng hạn như uranium-235. Điều này khiến hạt nhân bị vỡ ra và giải phóng thêm các neutron có thể kích hoạt chuỗi phản ứng phân hạch tiếp theo, dẫn đến phản ứng dây chuyền. Phản ứng này là cơ sở cho nhà máy điện hạt nhân hiện tại, sử dụng phản ứng phân hạch có kiểm soát để sản xuất điện.

Ngược lại, phản ứng tổng hợp xảy ra khi hai hạt nhân nguyên tử nhẹ kết hợp để tạo thành một hạt nhân nặng hơn. Phản ứng này thường có thể được thực hiện với các đồng vị của hydro, như deuterium và tritium. Nó đòi hỏi nhiệt độ trên 100 triệu độ C và trạng thái vật chất được gọi là plasma. Plasma chứa một số lượng lớn hạt tích điện - bao gồm các ion dương và electron tự do - khiến nó dẫn điện và phản ứng với từ trường (bạn đã từng nghe đến “tivi plasma” chưa? Đây chính là nguồn gốc của công nghệ đó). Ngược lại, phản ứng phân hạch hạt nhân có thể xảy ra ở nhiệt độ phòng. Nó dựa vào sự hấp thụ neutron của hạt nhân nặng, chẳng hạn như uranium-235 hoặc plutonium-239.

Khi một neutron va chạm với một hạt nhân không ổn định, phản ứng phân hạch có thể diễn ra mà không cần nhiệt độ cực cao (hoặc áp suất). Trên thực tế, lò phản ứng phân hạch hoạt động ở nhiệt độ khoảng 300 đến 600 độ C. Nhiệt độ này đủ tạo ra hơi nước để sản xuất điện trong khi vẫn duy trì những điều kiện cần thiết cho phản ứng dây chuyền được kiểm soát. Đây là lý do tại sao hiện nay phản ứng phân hạch khả thi hơn đối với sản xuất năng lượng. Tuy nhiên, trong những năm gần đây, đã có sự hợp tác ngày càng tăng giữa các tổ chức công và công ty tư nhân để thúc đẩy nghiên cứu và biến năng lượng tổng hợp thành nguồn năng lượng quy mô lớn.

Phản ứng tổng hợp hạt nhân trong sản xuất năng lượng

Phản ứng tổng hợp hạt nhân được xem xét để sản xuất năng lượng vì nó có những ưu điểm đáng kể so với nhiên liệu hóa thạch và phản ứng phân hạch hạt nhân.

Điều trị ung thư bằng phương pháp phân hạch phổ biến nhất là xạ trị chùm tia ngoài (EBRT).

Phản ứng tổng hợp thân thiện với môi trường hơn. Không giống như nhiên liệu hóa thạch thải ra carbon dioxide và nhiều chất gây ô nhiễm có hại khác vào khí quyển, và phản ứng phân hạch hạt nhân tạo ra chất thải phóng xạ tồn tại lâu dài, phản ứng tổng hợp hạt nhân chỉ thải ra heli như một sản phẩm phụ. Khí trơ này không gây ra mối đe dọa nào cho môi trường. Nhiên liệu cho phản ứng tổng hợp hạt nhân rất dồi dào. Đồng vị hydro được sử dụng nhiều nhất cho phản ứng tổng hợp hạt nhân là deuterium và tritium. Deuterium được chiết xuất từ nước biển, trong khi lithium tạo ra tritium trong chính lò phản ứng. Ngược lại, nhiên liệu hóa thạch như than, dầu và khí đốt tự nhiên là hữu hạn, cũng như uranium và plutonium được sử dụng trong phản ứng phân hạch hạt nhân.

Phản ứng nhiệt hạch vốn an toàn hơn phản ứng phân hạch. Nếu có sự cố, quá trình nhiệt hạch sẽ tự động dừng lại. Không có nguy cơ xảy ra phản ứng dây chuyền không kiểm soát, vì nó có thể xảy ra trong lò phản ứng phân hạch, nơi mà sự cố trong hệ thống làm mát có thể dẫn đến quá nhiệt và có khả năng tan chảy - chẳng hạn như những gì đã xảy ra ở Chernobyl hoặc Fukushima. Vì tất cả những lý do này, một số sáng kiến trong nghiên cứu nhiệt hạch đã tồn tại. Lò phản ứng thử nghiệm nhiệt hạch quốc tế (ITER) là một trong những sáng kiến quan trọng nhất, liên quan đến 35 quốc gia trên toàn thế giới. ITER, dự kiến hoàn thành vào năm 2039, sẽ là lò phản ứng tổng hợp hạt nhân lớn nhất từng được tạo ra, với thể tích plasma gấp 5 lần so với lò phản ứng lớn nhất đang hoạt động hiện nay. ITER được thiết kế để sản xuất một lượng lớn plasma tự làm nóng, ổn định với công suất nhiệt đầu ra lớn hơn mười lần so với công suất đầu vào (khoảng 500 MW công suất tổng hợp từ 50 MW công suất nhiệt đầu vào).

Phản ứng tổng hợp hạt nhân trong điều trị ung thư

Phản ứng phân hạch hạt nhân được sử dụng trong nhiều hình thức xạ trị khác nhau để điều trị ung thư trong nhiều thập kỷ nay. Phương pháp điều trị ung thư bằng phương pháp phân hạch phổ biến nhất là xạ trị chùm tia ngoài (EBRT), trong đó máy gia tốc tuyến tính truyền các chùm bức xạ năng lượng cao (như tia X, proton, electron hoặc tia gamma) đến khối u. Vẫn đang trong quá trình phát triển, liệu pháp tổng hợp proton-boron (PBFT) hứa hẹn sẽ thay đổi điều này vì nó cung cấp một phương pháp tiếp cận có mục tiêu hơn. Trong phương pháp này, các hợp chất chứa boron chuyên biệt, có chọn lọc hơn được đưa liên tục đến khối u. Khi đã tích tụ trong chúng, nhà khoa học sử dụng proton để tổng hợp với boron, một phản ứng tạo ra ba hạt alpha giải phóng một lượng năng lượng lớn trong một khu vực rất nhỏ, cục bộ - khu vực của khối u. Theo cách này, PBFT tiêu diệt tế bào ung thư trong khi vẫn bảo vệ các mô khỏe mạnh xung quanh.

Một số công ty và sáng kiến nghiên cứu khám phá cách phản ứng tổng hợp hạt nhân có thể cung cấp năng lượng sạch và hiệu quả cho trạm sạc EV.

Phản ứng tổng hợp hạt nhân trong động cơ đẩy

Hệ thống đẩy nhiệt hạch sử dụng năng lượng giải phóng từ phản ứng nhiệt hạch hạt nhân để tạo lực đẩy. Ứng dụng tiềm năng bao gồm du hành vũ trụ và đẩy tàu biển. Một ví dụ về điều sau xuất hiện vào năm 1991 khi Mitsubishi hoàn thành việc chế tạo Yamato 1, một con tàu được đẩy bằng hệ thống truyền động từ thủy động lực học (MHD) với tốc độ tối đa là 15 km/giờ. Ổ đĩa MHD sử dụng từ trường đẩy chất lỏng dẫn điện như nước biển. Mặc dù không được cung cấp năng lượng trực tiếp bằng phản ứng tổng hợp, nhưng những tiến bộ trong công nghệ tổng hợp giúp cải thiện hệ thống MHD bằng cách cung cấp từ trường mạnh hơn - chẳng hạn như nam châm siêu dẫn nhiệt độ cao do Tokamak Energy tạo ra năm 2023.

Trong du hành vũ trụ, động cơ tên lửa khái niệm tạo ra lực đẩy chỉ bằng phản ứng tổng hợp hạt nhân (không liên quan đến điện). Direct Fusion Drive (DFD) sử dụng phương pháp giới hạn từ tính chứa plasma nóng tạo ra từ phản ứng tổng hợp liên tục được cung cấp nhiên liệu bằng heli-3 và deuterium. Khi phản ứng nhiệt hạch xảy ra, động cơ tên lửa giải phóng hạt năng lượng được đẩy ra để tạo lực đẩy. Các hạt tích điện này cũng có thể tạo ra năng lượng điện cho những hệ thống trên tàu vũ trụ và thiết bị khoa học.

Phản ứng tổng hợp hạt nhân trong ôtô điện (EV)

Một số công ty và sáng kiến nghiên cứu đang khám phá cách phản ứng tổng hợp hạt nhân cung cấp năng lượng sạch và hiệu quả cho trạm sạc EV. Một trong những công ty này là công ty khởi nghiệp NT-Tao của Israel, đang phát triển lò phản ứng hạt nhân nhỏ gọn và có khả năng mở rộng, hoạt động cả trong và ngoài lưới điện. Loại lò phản ứng hạt nhân này kết hợp những ưu điểm của hai công nghệ tổng hợp hiện có: tokamak và stellarator. Loại công nghệ này sử dụng nam châm để giới hạn plasma trong hình dạng bánh rán gọi là torus. Tuy nhiên, tokamak ổn định plasma bằng từ trường mạnh được tạo ra bởi những cuộn dây bên ngoài.

Đồng thời, stellarator bao gồm một hệ thống cuộn dây từ phức tạp hơn duy trì sự ổn định của plasma với ít năng lượng đầu vào hơn. Công ty cũng muốn phát triển một phương pháp gia nhiệt plasma cực nhanh để đạt được mật độ plasma cao hơn 1.000 lần so với lò phản ứng nhiệt hạch thông thường. Điều này sẽ làm cho phản ứng nhiệt hạch hiệu quả hơn và sản xuất năng lượng hiệu quả hơn 1 triệu lần so với công nghệ hiện có. Khi đi vào hoạt động, lò phản ứng tổng hợp nhỏ gọn của NT-Tao dự kiến có thể đồng thời cung cấp năng lượng sạch, bền vững cho tối đa 1.000 EV với chi phí ước tính từ 6 đến 13 xu cho mỗi kilowatt-giờ (kWh).

Lò phản ứng của NT-Tao, có kích thước tương đương với một container vận chuyển, dễ dàng triển khai ở khu vực thành thị và vùng sâu vùng xa - ngay cả những nơi nguồn điện truyền thống có thể bị hạn chế. Do tính di động và khả năng thích ứng nên chúng cũng được sử dụng cho nhiều ứng dụng khác - chẳng hạn như cung cấp điện cho trung tâm dữ liệu hoặc cơ sở công nghiệp. Honda Motors, các công ty đầu tư mạo hiểm khác và thậm chí cả chính phủ Israel đã đầu tư khoảng 28 triệu USD vào công nghệ của NT-Tao tính đến tháng 1/2024.

Trang Thuần (Tổng hợp)