Lời hứa về phản ứng tổng hợp hạt nhân (nhiệt hạch) vô cùng hấp dẫn: một nguồn năng lượng sạch, gần như vô tận, được tạo ra từ nguyên liệu chính là hydro, một nguyên tố có sẵn trong nước. Về lý thuyết, nó có thể giải quyết vĩnh viễn cuộc khủng hoảng năng lượng của nhân loại. Nhưng nếu ý tưởng này tuyệt vời đến vậy, tại sao sau hơn 70 năm nghiên cứu và hàng trăm tỷ đô la đầu tư, chúng ta vẫn chưa có một nhà máy điện nhiệt hạch nào?
Vấn đề là, tất cả các hạt nhân nguyên tử đều mang điện tích dương. Và theo quy luật vật lý cơ bản, các điện tích cùng dấu sẽ đẩy nhau. Lực đẩy tĩnh điện này, được gọi là Rào cản Coulomb, hoạt động như một bức tường vô hình, ngăn cản các hạt nhân tiến lại đủ gần để hợp nhất.
Nghịch lý nằm ở chỗ: việc tạo ra một phản ứng nhiệt hạch thực ra khá dễ dàng. Bạn có thể làm điều đó với một thiết bị đơn giản gọi là Farnsworth-Hirsch fusor ngay trong nhà xe của mình. Tuy nhiên, việc duy trì phản ứng đó và thu về nhiều năng lượng hơn số năng lượng bỏ vào lại là một bài toán cực kỳ khó khăn, một thách thức mà các nhà khoa học ví von là "cố gắng gói Mặt Trời vào một cái chai".
1. Kẻ Thù Chính: Rào Cản Coulomb
Trở ngại cơ bản nhất nằm ở cấp độ nguyên tử. Phản ứng nhiệt hạch là quá trình hợp nhất hai hạt nhân nguyên tử nhẹ (như hydro) để tạo thành một hạt nhân nặng hơn, giải phóng năng lượng.
Để vượt qua rào cản này, các hạt nhân phải được cung cấp một năng lượng cực lớn, buộc chúng phải va chạm vào nhau với tốc độ kinh hoàng. Khi chúng tiến lại đủ gần, một lực khác, gọi là lực hạt nhân mạnh mạnh hơn lực đẩy điện từ rất nhiều nhưng chỉ hoạt động ở khoảng cách cực ngắn—sẽ chiếm ưu thế, kéo các hạt nhân lại và hợp nhất chúng thành một.
2. Hai Con Đường Tới Phản Ứng Nhiệt Hạch
Trong tự nhiên và trong phòng thí nghiệm, có hai cách chính để vượt qua Rào cản Coulomb:
a. Cách Của Mặt Trời: Sức Mạnh Của Trọng Lực
Mặt Trời không cần phải quá nóng (lõi của nó "chỉ" khoảng 15 triệu độ C, tương đối thấp so với các lò phản ứng trên Trái Đất) để tạo ra phản ứng nhiệt hạch. Bí quyết của nó là trọng lực khổng lồ.
Mật độ và Thời gian: Lực hấp dẫn cực lớn nén chặt plasma ở lõi Mặt Trời đến một mật độ không tưởng. Điều này, kết hợp với thời gian giam giữ gần như vô hạn, tạo ra một môi trường nơi các hạt nhân hydro không có lựa chọn nào khác ngoài việc liên tục va chạm vào nhau trong hàng tỷ năm cho đến khi chúng hợp nhất. Đây là một phương pháp "chậm mà chắc".
b. Cách Của Con Người: Nóng Hơn và Nhanh Hơn
Trên Trái Đất, chúng ta không thể tái tạo lực hấp dẫn của Mặt Trời. Vì vậy, chúng ta phải đi theo con đường khác: bù đắp bằng cách đẩy nhiệt độ lên mức cực đoan. Mục tiêu của các nhà khoa học là nung nóng plasma đến nhiệt độ trên 100 triệu độ C—nóng hơn cả lõi Mặt Trời—để các hạt nhân di chuyển với tốc độ điên cuồng, đủ để chiến thắng lực đẩy Coulomb khi chúng va chạm.
3. "Gói Mặt Trời Vào Chai": Hai Cách Tiếp Cận Chính
Thách thức chính của chúng ta là làm thế nào để giam giữ một khối plasma nóng hơn cả Mặt Trời. Hiện có hai phương pháp chính đang được theo đuổi:
a. Giam Giữ Từ Tính (Magnetic Confinement):
Đây là phương pháp phổ biến nhất, sử dụng các thiết bị hình xuyến gọi là Tokamak.
- Cơ chế: Một "cái lồng" vô hình được tạo ra bởi các nam châm siêu dẫn cực mạnh. Từ trường này bẻ cong đường đi của các hạt plasma, giữ cho chúng lơ lửng trong một vòng tròn và không chạm vào thành lò phản ứng (nếu chạm vào, thành lò sẽ bốc hơi ngay lập tức).
- Thách thức: Plasma ở nhiệt độ này cực kỳ bất ổn định, giống như một "con sứa" giãy giụa, luôn tìm cách thoát ra khỏi lồng từ trường. Việc duy trì sự ổn định của plasma và giảm thiểu tổn thất năng lượng là bài toán khó nhất. (Hàn Quốc hiện là quốc gia dẫn đầu thế giới về công nghệ này với thiết bị KSTAR).
b. Giam Giữ Quán Tính (Inertial Confinement):
Phương pháp này hoạt động giống như việc tạo ra một ngôi sao siêu nhỏ trong một khoảnh khắc.
- Cơ chế: Hàng trăm tia laser mạnh nhất thế giới sẽ đồng loạt bắn vào một viên nhiên liệu nhỏ (kích thước bằng hạt tiêu).
- Kết quả: Năng lượng từ laser làm lớp vỏ ngoài của viên nhiên liệu bốc hơi, tạo ra một vụ nổ hướng vào trong, nén và làm nóng phần lõi đến điều kiện nhiệt hạch trong vài phần tỷ giây. Về cơ bản, đây là việc tạo ra một loạt các vụ nổ nhiệt hạch vi mô được kiểm soát.
Kết luận, việc tạo ra một tia lửa nhiệt hạch thì dễ, nhưng để duy trì ngọn lửa đó và thu về nhiều năng lượng hơn mức tiêu thụ là một thách thức khoa học và kỹ thuật khổng lồ. Con người đã thành công trong việc tạo ra phản ứng nhiệt hạch không kiểm soát (trong bom hydro), nhưng việc "thuần hóa" nó để phục vụ mục đích hòa bình đòi hỏi chúng ta phải tái tạo và kiểm soát được những điều kiện khắc nghiệt nhất trong vũ trụ ngay tại Trái Đất.
