Bình minhmới chosự nhiệt hạch hạtnhân Khi chúng ta kỉ niệm50 nămra đờilaser thì một cột mốc thoánghiện lờ mờ trong thế giới nhiệt hạch laser. Trong bài, Mike Dunnemô tả việcthu đượcsự đánh lửa – điểm khởi phát củasự nhiệt hạch – với laserlớnnhất thế giớisẽ làmchuyển biến như thế nào cuộcsăn tìm nguồn điện năng dồi dào, phi carbon. Ảnh nhìn bên trong buồng bia tại Cơ sở Đánh lửa Quốc gia Hoa Kì. (Ảnh: Cơ sở Đánh lửa Quốc gia Hoa Kì) Ba ngày saukhi TheodoreMaimanchứngminhđược laserruby đầu tiên của tại phòng thí nghiệmcủa ông ở Malibu, California,vào tháng 5/1960, một nhà khoa họclàm việc cách đấy vài dặm đường tại Phòng thí nghiệm quốc gia Lawrence Livermoređã đi đến ý tưởngsử dụng laserkể khai thác nguồn năng lượng của các sao.Mặc dù cácchi tiết cụ thể của dụng cụ của Maiman sẽ không xuấthiện trong vài tuần,nhưng cácnhàkhoa học đã biết rằngkhả năngtập trung năng lượngcủa lasertrong thời gianvà không gian sẽ là không có tiền lệ. Một nhà khoa họcLivermore tự hỏi, không biết có thể sử dụng laser để hợp nhất các nguyêntử nhỏ lại với nhau để tạo ramộtnguyên tử nặnghơn, bềnhơn – đồng thời giảiphóng nhữnglượng lớn nănglượng trongquá trìnhđó? Do mứcđộ giữ kín bí mật thịnhhành khi ấy về vậtchất nguyên tử, nên mất thêm12 nămnữa thì nhà khoa học trong câu hỏi, JohnNuckolls, mới côngbố rõ ràng các ý tưởng của ôngvề sự nhiệt hạch bằng lasertrước cộng đồngkhoa học rộng rãi hơn.Viết trên tạp chí Nature,Nuckolls và các đồngsự của ônggiải thích rằng để chocơ cấu của họ hoạt động,thì phải xây dựngmộtlaser cỡ lớn – loại có thể nénvà làm nóng nhiên liệu nhiệt hạch đếnnhiệt độ 10 8 K và mật độ gấp 1000 lần mật độ chất lỏng, các điều kiện vượt cả nhữngcái tìm thấytại tâm của Mặt trời. Đội của Nuckolls tiênđoán rằngmộtlaser với năng lượng1 kJ vàđộ dài xung vài ba nanogiây sẽ là đủ để kích hoạtquá trìnhtrên, mặcdù mộtlaser lớnhơn nhiều (một vài megajun, như ướctính) sẽ là cần thiết để tạo racông suất thực. Thật không may, những thí nghiệm này chứng tỏ rằng hành trìnhđó sẽ khó khăn hơnnhiều so với tiên đoán: bản thân giá trị ngưỡng cókhả năng ở mức megajun, do yêu cầu phải vượtqua một khoảngkhông ổn định gâykhó khăn cho cácnỗ lực hợp nhất năng lượng laservới nhiên liệu và rồi nén nóđến mậtđộ cần thiết. Nhưng saunhững năm tháng thành công liên tiếp, cuối cùng chúng tađang bướcvào mộtgiai đoạn thật sự hào hứng trong thế giới nhiệthạch bằng laser. Thập niên quađã chứng kiến những lượngtiền đầu tư chưa có tiền lệ cholĩnh vực trên,với mục tiêu chínhlà chứng minh,mộtlần và mãi mãi, rằng cơ sở khoahọc của sự nhiệthạchbằnglaser thật sự hoạt động. Cơ sở Đánhlửa Quốc gia HoaKì (NIF) mới hoàn thànhgần đây,đặt tại phòng thí nghiệmnơi Nuckollsđã có ý tưởng lớn củaông cách nay50năm, nằm trong số nhữngkết quả xácthực nhất của nỗ lực này. Và hơn một năm sau khi NIFchính thức mở cửa, các nhà khoahọc ở đó hiện nayđang ở trên bờ vực đột phá: vượtqua ngưỡng cầnthiết cho sự khởi hoạt một phản ứng nhiệt hạch tự duytrì, đưa đến sự giải phóng năng lượngtổng thể lần đầu tiên. Cơ sở Đánh lửa Quốc gia Hoa Kì (NIF) là laser lớn nhất thế giới. Đặt tại Phòng thí nghiệm quốc gia Lawrence Livermore ở California, nó chiếm 70,000 m 2 (xấp xỉ hai sân bóng đá) và chứa 8000 đơn vị quang cỡ lớn (mỗi đơn vị đường kính 1m) và 30.000 đơn vị quang nhỏ hơn. Những bộ phận này và bộ phận khác được chứa trong chừng 6000 đơn vị dạng mô đun có thể thay thế nhanh chóng khi cần thiết để đảm bảo sự hoạt động liên tục của cơ sở. Phối hợp với nhau, 192 chùm laser của cơ sở có thể phân phát 1,8 MJ năng lượng với công suất kết hợp 500 TW (500 × 10 12 W). Giá trị này bằng khoảng 40 lần công suất tiêu thụ trung bình của toàn thế giới, và lớn hơn vài lần so với công suất của toàn bộ ánh sáng mặt trời rơi lên trái đất. Tất nhiên, công suất này chỉ tồn tại trong một vài nano giây, nên nó chỉ chứa một lượng năng lượng không đáng kể. Nhưng khi năng lượng này được phân phát qua nhiều đường truyền của gian sảnh dài 100 m và tập trung xuống cỡ mili mét tại chính giữa của “buồng bia” đường kính 10 m, thì nó đủ để tạo ra các sóng xung kích với áp suất hàng chục triệu atmosphere. Áp suất này làm cho viên nhiên liệu nổ tung, buộc các nguyên tử deuterium và tritium bên trong hợp nhất lại với nhau. Để xảy ra như vậy đòi hỏi rất nhiều nỗ lực; chẳng hạn, buồng bia phải giữ chân không để cho phép laser tập trung vào những đốm đường kính chỉ 1 mm, và bản thân viên nhiên liệu phải cực kì tròn và nhẵn, vì bất kì khiếm khuyết nào cũng sẽ khuếch đại theo hàm mũ sau khi nổ. Ảnh: Cơ sở Đánh lửa Quốc gia Hoa Kì Thànhtựu của mụctiêu 50 năm vàng sonnày–thuật ngữ kĩ thuật gọi là “sự đánh lửa” – sẽ là mộtsự kiện thách thức sẽ thúc đẩysự nhiệt hạch lasertừ một hiện tượngvật lí khó nắmbắt đến một quátrình công nghệ cóthể tiên đoán,có thể điều khiển sẵnsàng để xử lí một trong những thách thức nổicộm nhất của xã hội: đó là tìmmột nguồnnăng lượng đảmbảo, an toàn, và thân thiện với môi trường. Kế hoạch NIF là đảmbảocột mốc này đượcđạt tới trongvòng hai năm tới. Sản xuất sao trong phòng thí nghiệm Lịch sử của sự nhiệthạch có thể truynguyên từ năm 1920,khi Francis WilliamAston pháthiện thấy bốn hạt nhân hydrogen tách rờithì nặng hơn một hạt nhân helium.Điều này xảy ra vì tính ổn địnhcủa helium dẫnđếnmộttổng khối lượng nghỉ thấphơn. Trêncơ sở nghiêncứu này, một nhà khoa họcngườiAnh khác,Arthur Eddington, đề xuất rằng Mặttrời có thể thu năng lượng của nó từ sự biến đổi các hạt nhân hydrogen thành hạtnhân helium,giải phóng chưa tới 1% khối lượng ở dạng nănglượng,theo phương trìnhnổi tiếng của EinsteinE =mc 2 . Sau đó, năm 1939, Hans Bethe đã sàng lọc nhữngthực tế nàythành mộtlí thuyết định lượngcủa sự sảnsinh năng lượngtrong các sao,cáicuối cùngđã mang về cho ông giải thưởngNobelvật lí 1968. Mặcdù Mặt trời và cácngôi saokhác tạora sự nhiệt hạch bằng cách sử dụng năng lượnghấpdẫncủa chúng để nénhydrogen(và các nguyêntố nặng hơn sau đó), nhưng vớimọi nỗ lựctrên địa cầu, điều thiết thực hơn là sử dụng mộtnguồn nhiênliệu gồmdeuteriumvà tritium.Những đồng vị nàycủa hydrogentương ứng có chứa một và haineutron. Chúng cótiết diện cao nhất chosự nhiệt hạch vì chúng có điện tíchthấp (mỗi hạt chỉ cómộtproton) vàproton và (các) neutronđó không liên kết chặt chẽ lắm. Trongphảnứng nhiệt hạchcơ bản, deuterium (D)và tritium (T) kết hợp lại tạo thành heliumvà một proton năng lượngrất cao: 2 D + 3 T → 4 He (3.5 MeV)+ n (14.1MeV) Để cho phản ứng này xảy ra,các hạt cần phải chuyển độngở tốc độ rấtcao để vượt qua rào cản Coulomb, vì cácion dương chịu một lực đẩy mạnhdần khi chúng tiến càngđến gầnnhau.Điều này cónghĩa là nhiên liệu cần phải được làm nóngđến nhiệt độ khó tin nổi10 8 K. Dưới nhữngđiều kiện này,các electronbị tướckhỏi hạtnhân bố mẹ của chúng, biến nhiên liệu thành mộtplasma. Trong một phản ứng nhiệt hạch hạt nhân, các phân tử deuterium và tritium – các đồng vị của hydrogen tương ứng có một và hai neutron – kết hợp lại tạo ra helium và một neutron năng lượng cao. Yêu cầu phải tạo racác plasmanhiệt độ cao chosự nhiệt hạch xảyra giải thích tại sao sự nhiệthạchkhông phải là quá trình chúng ta bắt gặptrong cuộc sống thườngnhật trên trái đất, vàtại sao việckhai thác làm nguồn năng lượnglại khóđếnmức kinhkhủng.Nhưng đây thật sự manglại một lợi ích lớn:không giống như sự phân hạch hạt nhân, cái có thể dẫn đếnmột “phản ứng dâychuyền” không điều khiển được, quá trình nhiệt hạch vốn dĩ an toàn vì nhiên liệu “muốn” ì lại, và do đó mấtnăng lượngở bất kì cơ hội nào. Và nhờ các ngôi sao, chúng ta biếtrõ rằng sự nhiệt hạch hoạt động – chúngta chỉ cần tìmmột cái thay thế cho việc sử dụnglực hấpdẫncủa Mặttrời để làm nóngvà giamcầm nhiên liệu củachúng ta. Có hai lộ trình chính để thu được sự giamcầm: hoặc chúng ta có thể giữ plasmatrong mộttừ trường đồngthời làm nóng nó, sử dụng sóngvô tuyến haycác chùmhạt; hoặc chúngta có thể nénnó đến những mật độ chưa có tiền lệ,sử dụng laser.Cách tiếp cận thứ nhất đã được theo đuổi qua thí nghiệm nhiệt hạchgiam cầm từ ITERhiện đangđược xây dựng ở Cadarache,Pháp,còn cáchthứ hai đã và đang được nghiên cứu tại một vài phòng thí nghiệm – trong đó có NIF – sử dụng một số laser lớn nhất. . Bình minhmới chosự nhiệt hạch hạtnhân Khi chúng ta kỉ niệm50 nămra đờilaser thì một cột mốc thoánghiện lờ mờ trong thế giới nhiệt hạch laser. Trong bài, Mike Dunnemô tả việcthu đượcsự đánh lửa. ra helium và một neutron năng lượng cao. Yêu cầu phải tạo racác plasmanhiệt độ cao chosự nhiệt hạch xảyra giải thích tại sao sự nhiệthạchkhông phải là quá trình chúng ta bắt gặptrong cuộc sống thườngnhật. phòng thí nghiệm Lịch sử của sự nhiệthạch có thể truynguyên từ năm 1920,khi Francis WilliamAston pháthiện thấy bốn hạt nhân hydrogen tách rờithì nặng hơn một hạt nhân helium.Điều này xảy ra vì