Một nhóm các kỹ sư và nhà nghiên cứu ở Mỹ đã tìm ra một phương pháp cải tiến vật liệu xây dựng các lò phản ứng tổng hợp hạt nhân. Nếu ứng dụng thành công, phát hiện này sẽ mở ra một kỷ nguyên mới cho năng lượng tái chế: Năng lượng nhiệt hạch.

Năng lượng nhiệt hạch

Mặt trời tạo ra năng lượng bằng cách tổng hợp các nguyên tử hydro. Mỗi hydro gồm một proton qua một chuỗi phản ứng phức tạp sẽ biến thành các nguyên tử khí heli có 2 proton. Phản ứng tổng hợp năng lượng từ các nguyên tử nhẹ (hydro) thành các nguyên tử nặng (heli) theo dạng này được gọi là phản ứng tổng hợp hạt nhân hay phản ứng hợp hạch. Các phản ứng hợp hạch (nuclear fusion) còn được gọi là phản ứng nhiệt hạch vì chúng yêu cầu nhiệt độ lên tới hàng chục, hàng trăm triệu độ C. Đây cũng chính là cơ chế sản sinh năng lượng của các vì sao và được ứng dụng để chế tạo bom hydro (bom H, bom nhiệt hạch) mà Bắc Triều Tiên đã đe dọa thử nghiệm trên Thái Bình Dương hồi tháng trước. 

(Ảnh: DailyMail)

Trái ngược với phản ứng nhiệt hạch là phản ứng phân hạch nguyên tử (nuclear fission), là quá trình giải phóng năng lượng khi bắn phá và chia tách các nguyên tử nặng thành các nguyên tử nhẹ hơn. Phản ứng phân hạch là nguyên lý của hai quả bom nguyên tử mà Mỹ ném xuống hai thành phố Hiroshima và Nagasaki năm 1945. 

(Ảnh: chemwiki.ucdavis.edu)

Quá trình tổng hợp năng lượng bằng phản ứng nhiệt hạch của chính mặt trời được Phys ví von là 'chén thánh' của năng lượng hạt nhân vì nguồn năng lượng này mạnh gấp 4 lần năng lượng phân hạch. Nếu được khai thác thì năng lượng tổng hợp hạt nhân của mặt trời sẽ là nguồn năng lượng vô tận với con người chúng ta. Nhưng cho đến nay các nhà khoa học vẫn gặp phải một số vấn đề trong việc biến năng lượng nhiệt hạch từ mặt trời thành một nguồn năng lượng tái chế đáng tin cậy.

Vật liệu mới

Một trong số những rào cản đó là khí heli (helium), một phụ phẩm sau phản ứng nhiệt hạch của mặt trời. Dù không gây hại cho môi trường nhưng loại khí này có thể phá hủy các nguyên liệu cần thiết để xây dựng một lò phản ứng nhiệt hạch.

Theo tiến sĩ Demkowicz, phụ tá giáo sư ở khoa Kỹ nghệ và Khoa học vật liệu đại học Texas A&M, khí heli không độc hại và không phải là một loại khí thải nhà kính. Nhưng nếu helium được ép trong một nguyên liệu rắn như kim loại thì nó sẽ nổ thành bong bóng, tương tự như bong bóng khí CO₂ trong các loại nước có gas (Coca, Pepsi, Sprite…). Bong bóng khí heli sẽ nằm lại trong kim loại. Và 'khi bạn tích lũy nhiều heli hơn, các bong bóng khí sẽ liên kết lại và phá hủy toàn bộ vật liệu'. 

Trong nghiên cứu được công bố trên tạp chí Science Advances (Những tiến bộ khoa học), các nhà nghiên cứu đã tìm ra cách thay đổi phản ứng của heli bằng cách thay đổi loại vật liệu. Khi dẫn heli vào các chất rắn nanocomposite (một loại vật liệu được sản xuất từ nhiều lớp kim loại dày), heli sẽ không tạo thành bong bóng mà biến thành các ống dài kết nối nhau, giống như hệ thống mao mạch trong các mô sống. 

(Ảnh: Texas A&M University)

Phát hiện này sẽ được ứng dụng ngay vào việc phát triển các vật liệu xây dựng lò phản ứng nhiệt hạch cho phép helium chảy ra ngoài thay vì mắc kẹt lại bên trong và phá hủy lò. Các ống dạng mạch sẽ là những kênh dẫn helium đi qua vật liệu, nhưng đây chỉ là bước khởi đầu của một viễn cảnh lớn lao hơn. 'Ứng dụng (nanocomposite) trong các lò phản ứng nhiệt hạch chỉ là bề nổi của tảng băng. Tôi nghĩ rằng bức tranh lớn hơn là các chất rắn được hệ thống thành mao mạch tương tự như các mô sống có mạng lưới mao mạch... Các hệ thống đó cũng có thể tải được nhiệt, điện hoặc thậm chí là những hóa chất để sản xuất ra vật liệu tự sửa chữa'.

Những ý tưởng cho các vật liệu kháng heli như nanocomposite nêu trên sẽ là nền tảng biến năng lượng nhiệt hạch thành một thực tế trong tương lai.

Đây là công trình hợp tác giữa tiến sĩ Demkowicz và các đồng nghiệp ở phòng thí nghiệm quốc gia Los Alamos, học viện công nghệ Massachusetts.

Tương lai của năng lượng tái chế

Theo Futurism, trong nỗ lực chống lại biến đổi khí hậu toàn cầu, năng lượng tái chế đang ngày càng phổ biến hơn. Các nguồn năng lượng tái chế thông dụng nhất hiện nay là điện mặt trời, điện gió. Thế giới cũng đang hứng thú trở lại với điện hạt nhân, đặc biệt là những dạng cao cấp hơn như tổng hợp hạt nhân/nhiệt hạch, phân hạch muối nóng chảy (molten-salt fission, một loại năng lượng sinh ra từ việc phân hủy muối thorium thay cho uranium vì an toàn hơn).

Với năng lượng nhiệt hạch, các chuyên gia đang chạy đua phát triển một mô hình lò phản ứng nhiệt hạch vào năm 2030. Nhiều tổ chức cũng đang tìm kiếm các phương pháp ổn định phản ứng nhiệt hạch như sử dụng các thể phi hydro hay cải thiện vật liệu tạo nên các lò phản ứng nhiệt hạch như nghiên cứu mới được công bố ở trên.

Steve Trần (Theo Futurism, Phys)