Những bọt li ti nổ tung và phản ứng tổng hợp nhiệt hạch xảy ra

Hơn nửa thế kỷ qua, phản ứng tổng hợp nhiệt hạch (tổng hợp hạt nhân) hứa hẹn một nguồn năng lượng hầu như vô tận. Năng lượng giải phóng từ của 1 gam đơtêri trong một lò phản ứng tổng hợp nhiệt hạch nhất định bằng nhiệt lượng toả ra khi đốt cháy 7.000 lít xăng. Đơtêri rất sẵn trong nước biển và về nguyên lý thì 1 kilômét khối (km³) nước biển có thể thoả mãn nhu cầu năng lượng của toàn bộ cư dân trên hành tinh trong vài trăm năm. Bởi vậy nó đang là đề tài khoa học cực lớn của thế giới.

Được biết, nhóm hợp tác nghiên cứu giữa Đại học tổng hợp Purdue tại West Lafayette, Ind., Học viện Bách khoa Rensselaer tại Troy N.Y. (Mỹ) và Phân viện Hàn lâm khoa học Nga tại Ufa trong những năm qua đã nghiên cứu một phương pháp mới để tạo ra các phản ứng tổng hợp nhiệt hạch. Họ sử dụng sóng âm thanh, cũng có nghĩa là sóng áp suất, tác động lên chất lỏng giầu đơtêri, tạo ra các dao động áp suất làm nổ tung các bọt chứa đầy hơi đơtêri, mạnh đến mức một số hạt nhân đơtêri thực hiện được phản ứng tổng hợp nhiệt hạch. Thật khó hình dung khi đơn giản chỉ với các sóng âm thanh không thôi, có thể tạo ra nhiệt độ và áp suất cực lớn trong lòng các bọt, tương đương với kết quả của phương pháp dùng lade hay từ trường mạnh. Nghĩa là, chúng tạo ra được các điều kiện tương tự bên trong lòng của các ngôi sao, như Mặt trời của chúng ta, nơi liên tục xảy ra phản ứng tổng hợp nhiệt hạch. Vậy mà cách đây ba năm, nhóm trên đã làm được chuyện đó và họ gọi là phương pháp tổng hợp nhiệt hạch âm thanh (sonofusion). Để tiếp tục khẳng định đây là hình hài của một công nghệ có tính cách mạng, đầu năm nay nhóm đã hợp sức với các nhóm khác lập ra Tổ hợp công ty Năng lượng công nghệ tổng hợp nhiệt hạch âm học AFTEC (Acoustic Fusion Technology Energy Consortium) gồm năm sáng lập viên: Đại học tổng hợp Boston; Công ty các thiết bị xung (Impuls Devices Inc.), tại Grass Valley, Calif.; Đại học tổng hợp Purdue; Đại học tổng hợp Mississippi tại Oxford và Đại học tổng hợp Washington tại Seattle. Mục tiêu của nó là thúc đẩy việc triển khai công nghệ tổng hợp nhiệt hạch nhờ sóng âm thanh và những vấn đề khoa học, công nghệ liên quan.

Ý tưởng tổng hợp nhiệt hạch âm thanh - về mặt kỹ thuật được hiểu là tổng hợp nhiệt hạch bằng quán tính âm thanh - xuất xứ từ một hiện tượng chớp sáng âm thanh (sonolumi-nescence) đã biết từ hơn 70 năm trước, được các nhà hoá học sử dụng rộng rãi. Nguyên lý hoạt động của nó ngắn gọn như sau: các loa phóng thanh gắn vào bình chứa đầy chất lỏng truyền sóng áp suất vào chất lỏng, kích thích sự khởi động các bọt li ti. Các bọt này lớn lên và tan vỡ một cách tuần hoàn, tạo nên các chớp loé sáng thấy được, kéo dài không quá 50 picô giây. Khoảng 20 năm trước đây các nhà  nghiên cứu đã suy đoán rằng, trong lòng các bọt này nhiệt độ và áp suất có thể đạt đến mức khởi động được các phản ứng tổng hợp nhiệt hạch. Kể từ đó, một vài nhóm đã cố thực hiện sự tổng hợp nhiệt hạch bằng cách sử dụng sóng âm thanh. Đa số họ dùng phương pháp tương tự, với những cải tiến nhất định và đặt tên là phương pháp chớp sáng âm thanh bọt đơn (single-buble sonoluminescence), gồm một bọt khí giam trong bình chứa nhờ một trường áp suất và sinh ra chớp sáng khi các bọt nổ tung.

Bắt đầu từ năm 1996 tại Phòng thí nghiệm Quốc gia Oak Ridge ở Tennessee, nhóm nói trên đã đi những bước đầu tiên, nhưng liên tiếp bị thất bại, mặc dù đã thử biết bao nhiêu cấu hình khác nhau đối với bọt đơn. Cuối cùng họ mới vỡ lẽ rằng, cần tăng áp suất lên ít nhất 10 lần như thế để làm nổ tung bọt, mạnh tới mức có thể khỏi động được phản ứng tổng hợp nhiệt hạch. Trong quá trình tạo ra bọt cần thiết, không thể thiếu khâu quan trọng là dùng bơm chân không để hút hết các khí không cần thiết có mặt trong chất lỏng nhằm làm ổn định và tăng môđun đàn hồi của nó theo hướng có lợi cho tăng trưởng áp suất, nhiệt độ và vận tốc truyền sóng trong chất lỏng, tạo điều kiện thuận lợi cho bước tạo bọt cần thiết và các quá trình tiếp theo.

Ý tưởng dẫn đến thành công nảy sinh rất “ngẫu nhiên” từ việc cần phát hiện sự có mặt của nơtrôn trong một dự án khác, không liên quan. Trên cơ sở đó họ đã phác hoạ ra hệ thiết bị tương tự, không làm ra ánh sáng mà tạo ra các bọt nhỏ li ti. Bằng cách đó có thể tăng kích thước lên trước khi chúng nổ tung. Các thử nghiệm đầu tiên bắt đầu từ năm 1996, nhưng ở mức tương đối đơn giản. Cấu hình và nguyên lý hoạt động của thiết bị đã dẫn tới thành công trong phòng thí nghiệm như sau:

Một bình hình trụ bằng thuỷ tinh chịu lửa, cao 100 milimét, đường kính 65 milimét, mặt ngoài của bình có gắn một vành tinh thể gốm áp điện chì-ziếccôn-titan. Vành gốm áp điện này làm chức năng giống như của loa phóng thanh trong thí nghiệm chớp sáng âm thanh, mặc dù ở đây nó phát ra các sóng áp suất mạnh hơn rất nhiều. (Sóng âm thanh thực chất là sóng áp suất biên độ vô cùng bé). Dưới tác dụng của điện áp dương vành gốm áp điện co lại, khi ngắt điện, nó lại nở ra, trở về kích thước ban đầu. Bình chứa đầy chất axêtôn lỏng đã đơtêri hoá mua trên thị trường, trong đó 99,9 % các nguyên tử hiđrô của các phân tử axêtôn là các đơtêri (đồng vị hiđrrô này có một prôtôn và một nơtrôn trong hạt nhân). Mục đích đơtêri hoá là để hỗ trợ cho phản ứng tổng hợp nhiệt hạch vì các nguyên tử của đơtêri có thể  phản ứng tổng hợp nhiệt hạch dễ hơn rất nhiều so với các nguyên tử hiđrô bình thường. Đồng thời, nó cũng chịu được ứng suất kéo đáng kể mà không hình thành các bọt không mong muốn. Chất này cũng tương đối rẻ, dễ xử lý và không đặc biệt rủi ro.

Đưa dòng điện xoay chiều tần số 20.000 Hz vào vành gốm áp điện làm nó co dãn một cách tuần hoàn, kéo theo sự co dãn tuần hoàn của bình, truyền các sóng áp suất đồng tâm vào chất lỏng ở trong. Các sóng này tương tác với nhau và, sau một thời gian ngắn, tạo nên một sóng đứng (âm học), cộng hưởng và tập trung thành một nguồn năng lượng âm thanh cực lớn. Sóng này làm cho vùng chất lỏng ở tâm của bình dao động giữa áp suất tối đa (1500 kPa) và áp suất tối thiểu (-1500 kPa). Trong chu kỳ áp suất dương chất lỏng bị nén lại và trong chu kỳ điện áp âm nó dãn ra. Thao tác một cách chính xác, khi áp suất đạt giá trị cực tiểu, ta phát một xung điện vào máy phát nơtrôn nằm sát cạnh bình. Máy bức xạ ra các nơtrôn năng lượng cao, mức 14,1 MeV (Mêgaelectrônvôn) trong một loạt bắn kéo dài khoảng 6 micrô giây và truyền đi mọi hướng. Một số nơtrôn xuyên qua chất lỏng và một số va đập trực diện với các nguyên tử cacbon, ôxy và đơtêri của các phân tử axêtôn đã được đơtêri hoá. Trong va đập này, các nơtrôn nhanh có thể đánh bật các hạt nhân nguyên tử ra khỏi các phân tử của chúng. Khi các hạt nhân này dội trở lại nó truyền động năng cho các nguyên tử chất lỏng. Sự tương tác này tạo ra nhiệt lượng trong các vùng rộng vài nanomét là các bọt hơi axêtôn đơtêri hoá. Các thử nghiệm phù hợp với mô phỏng trên máy tính cho thấy, đã tạo ra một chùm khoảng 1000 bọng bọt, mỗi cái có đường kính chỉ khoảng 10 nanomét. Nhờ bắn máy phát nơtron trong pha áp suất thấp của chất lỏng, các bọt lập tức trương lên – một quá trình quen biết trong xâm thực chất lỏng. Trong giai đoạn trương lên này các bọt lớn lên gấp 100.000 lần, từ kích thước nanomét đến khoảng 1 mm. Sau đó, khi chu kỳ áp suất đảo ngược nhanh chóng, chất lỏng ép vách các bọt vào phía trong với một lực vô cùng lớn, tương tự như trong xâm thực chất lỏng, làm nên những vụ nổ dữ dội. Những vụ này nổ tạo ra các sóng xung kích hình cầu trong lòng các bọt, lan truyền vào trong với tốc độ lớn và mạnh lên một cách đáng kể, khi chúng hội tụ ở tâm bọt. Kết quả về mặt năng lượng là rất khác thường: mô phỏng trên máy tính sóng xung kích thuỷ động lực học cũng cho thấy, trong một vùng nhỏ tại tâm của bọt đang tan vỡ các sóng xung kích tạo ra các đỉnh áp suất lớn hơn nghìn tỉ kPa; đỉnh nhiệt độ của vùng nhỏ xíu này vọt lên 100 triệu độ C, gấp 20 000 lần nhiệt độ của bề mặt Mặt trời. Các điều kiện cùng cực này trong lòng các bọt - đặc biệt là những bọt ở vùng tâm chùm bọt, nơi mà các sóng xung kích mạnh hơn do các vụ nổ bao quanh – làm cho các hạt nhân của đơtêri va đập vào nhau với vận tốc cao. Những va đập này mạnh đến mức các hạt nhân mang điện tích dương thắng được lực đẩy ngược tĩnh điện tự nhiên để thực hiện động tác tổng hợp hạt nhân.

Tóm lại, nâng trị số áp suất lên một cấp, bắn nơtrôn vào bình chứa để gieo mầm bọt yêu cầu và chọn chất lỏng giầu đơtêri là ba yếu tố khác biệt then chốt giữa phương pháp chớp sáng âm thanh bọt đơn và phương pháp tổng hợp nhiệt hạch âm thanh mô tả ở trên.

Các tác giả đã thu được hai loại chứng cứ về sự tổng hợp hạt nhân đơtêri. Thứ nhất, thiết bị chớp nơtrôn (neutron scintillator) đã ghi nhận được hai loại bức xạ nơtrôn khác biệt rõ ràng, cách nhau khoảng 30 micrô giây. Loại thứ nhất ở mức 14,1 MeV, xuất xứ từ xung máy phát nơtrôn; còn loại thứ hai thì ở mức 2,45 MeV. Đây chính xác là mức năng lượng của một nơtrôn sinh ra trong phản ứng tổng hợp hạt nhân giữa đơtêri và đơtêri như kỳ vọng. Hơn nữa, các nơtrôn 2,45 MeV này cũng đã được phát hiện đồng thời với lúc thiết bị nhân phôtôn bật ra ánh sáng, đánh dấu mọi sự kiện xảy ra đúng vào lúc các bọt nổ tung.

Thứ hai, họ còn tìm thấy “dấu ấn” của sự tổng hợp nhiệt hạch bằng cách xác định chênh lệch số lượng mức của triti, một đồng vị khác của hiđrô trong axêtôn đơtêri hoá trước và sau một chu kỳ. Nguyên do là, tổng hợp hạt nhân đơtêri-đơtêri là một phản ứng có hai đầu ra khả dĩ, thường với xác suất ngang nhau. Một khả năng cho ta nơtrôn 2,45 MeV cộng với hêli và khả năng kia cho triti cộng với một prôtôn. Theo cách này sự hình thành triti trên các mức đã đo ban đầu là một chứng minh hùng hồn về sự xuất hiện của phản ứng tổng hợp nhiệt hạch, vì triti không thể được tạo ra mà không có phản ứng hạt nhân. Đây là chứng cứ rõ rệt.

Khi kết quả được công bố trên Tạp chí Science ngày 8 tháng 3 năm 2002, nhiều nhà khoa học đã nghi ngờ, cho rằng, hệ thống phát hiện nơtrôn của thí nghiệm không đủ độ chính xác để có thể phân biệt các nơtrôn 14,1 MeV với các nơtrôn 2,45 MeV; cho rằng, những nơtrôn mà thí nghiện tưởng là sinh ra từ phản ứng tổng hợp hạt nhân có thể xuất xứ từ máy phát nơtrôn. Một số đã liên tưởng đến sự thất bại lố bịch của tổng hợp hạt nhân lạnh tồn tại cuối những năm 80 của thế kỷ trước.

(còn nữa )

Trần Văn (tổng hợp và bình luận từ IEEE Spec. May 2005)